KR20140120843A

KR20140120843A - 수력 발전장치 및 수력 발전장치용 수차

Info

Publication number: KR20140120843A
Application number: KR1020140038865A
Authority: KR
Inventors: 박성구
Original assignee: 박성구
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-10-14
Also published as: WO2014163386A1; KR101590070B1

Abstract

본 발명은 수력 발전장치에 관한 것으로서, 상기 수력 발전장치의 한 특징은 수로에 설치되며, 물 유입구로 통해 유입된 물이 물 배출구로 배출되는 본체, 상기 본체 위에 설치되고 상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 회전 동작이 행해지는 수차, 그리고 그리고 상기 수차와 연결되어 상기 수차의 회전 동작을 이용하여 전기를 발생시키는 발전기를 포함하고, 상기 수차는 상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 위치가 변하는 복수의 날개, 그리고 상기 발전기와 연결되어 있어, 상기 복수의 날개가 이격되게 위치하여 상기 복수의 날개의 위치 변화에 의해 회전하여 회전력을 상기 발전기로 전달하는 회전축을 포함한다. 이때, 상기 복수의 날개 각각과 상기 각 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면이 이루는 각도는 106도 내지 165도이다.

Description

수력 발전장치 및 수력 발전장치용 수차{HYDROELECTRIC POWER GENERATION APPARATUS AND WATERWHEEL FOR THE SAME}

본 발명은 수력 발전장치 및 수력 발전장치용 수차에 관한 것이다.

일반적인 발전 방법에는 수력을 이용한 수력발전, 화석 연료를 이용한 화력 발전, 원자력을 이용한 원자력 발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전 방법들은 대규모의 발전설비와 막대한 양의 에너지원을 필요로 하며, 설치장소의 제약과 환경오염 및 자원 고갈과 같은 문제를 야기한다.

따라서, 최근에는 태양열, 조력, 파력, 풍력 및 수력 등의 자연 에너지를 이용하여 친환경적이면서도 영구적으로 에너지원을 활용할 수 있는 발전 방법들이 개발되어 적용되고 있다.

하지만, 태양열이나 바람을 이용한 태양열 발전과 풍력발전은 날씨와 환경에 상당한 제약을 받으며, 조석현상을 이용한 조력 발전과 파랑(波浪) 에너지를 이용한 파력 발전은 조수 간만의 차가 심한 지역에 설치해야 필요한 전력을 얻을 수 있어 설치 장소의 제약이 따르는 등의 문제점을 갖는다.

특히, 산간이나 농촌지역과 같이 대규모 발전이 곤란한 지역에서는 액 200kW 이하의 발전량을 갖는 소수력 발전을 이용하여 전력공급이 행해지는 것이 좋다.

소수력 발전은 인근 소하천의 유수를 이용하여 전력을 생산하는 방법으로, 발전 방식에 따라 하천경사가 급한 상류지역에 효율적인 수로식(Run of river type)과, 하천경사가 적은 중하류의 유량이 풍부한 지역에 효율적인 댐식(Storage type), 그리고 수로식과 댐식의 혼합방식으로 굴곡이 심한 하천지역에 적합한 터널식(tunnel type) 등이 있으며, 발전용 수차로는 충격형 수차와 반동형 수차가 있다.

충격형 수차로는 펠톤(Pelton) 수차, 튜고(Turgo) 수차, 오스버그(Ossberger) 수차 등이 있으며, 반동형 수차로는 카프란(Kaplan), 튜브라(Tubular), 벌브(Bulb), 림(Rim) 등의 프로펠러 수차와 프란시스(Francis) 수차 등이 있다.

이처럼 다른 발전 방법에 비해 비교적 설치장소에 제약을 덜 받으며 지속적인 전력 생산이 가능한 소수력 발전 방법이 농촌 및 산간지역과 같이 소규모의 전력이 요구되는 곳에 매우 요긴한 것으로 알려지면서 대한민국 공개특허공보 제1991-0001971호 "하천 유수를 이용해 전력을 생산하는 소수력 발전장치" 및 대한민국 공고실용신안공보 제1993-8538호 "댐의 수문설비를 이용한 소수력 발전장치" 등이 출원된 바 있다.

그러나 대한민국 공개특허공보 제1991-0001971호에 기재된 소수력 발전장치는 수중에 설치되는 보에 맞물려 돌아가는 물레방아형의 수차 발전기로서, 대략 2.5m의 낙차를 이용하여 발전기를 회전시키도록 되어 있다. 따라서, 하천 수로에 커다란 낙차를 갖는 지형적 입지조건이 필요하게 되어 지형에 의해 발전 효율에 영향을 받는다.

또한 대한민국 공고실용신안공보 제1993-8538호는 저수댐을 설치하고, 상기 저수댐에 설치되는 수문에 발전기를 설치하여 댐에서 방수되는 물을 이용하여 전력을 얻는 구조여서 이 역시 낙차가 요구되는 구조이고 댐에서 물이 방수되는 경우에만 발전이 가능한 구조여서 지속적인 발전이 곤란한 단점을 갖는다.

따라서 종래 소수력 발전장치는 농수로와 같은 낙차가 크지 못한 지형, 수평형 수로에서는 작동이 곤란한 구조인 것이어서 실질적으로 소수력 발전의 혜택을 보아야 하는 지역에서는 그다지 큰 도움이 되지 못하는 실정이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수력 발전 장치의 발전 효율을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 수력 발전장치는 물이 유입되는 물 유입구와 상기 물 유입구로 유입된 물이 배출되는 물 배출구를 포함하는 본체, 그리고 상기 본체 위에 설치되고 상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 회전하여 회전력을 발생시켜 회전력을 이용한 전기를 생성하도록 하는 수차를 포함하고, 상기 수차는, 상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 위치가 변하는 복수의 날개, 그리고 상기 복수의 날개가 이격되게 위치하여 상기 복수의 날개의 위치 변화에 의해 회전하여 상기 회전력을 발생시키는 회전축을 포함하고, 상기 복수의 날개 각각과 상기 각 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면이 이루는 각도는 106도 내지 165도이다.

상기 복수의 날개 각각은 상기 물 유입구를 통해 유입된 물이 접하는 수압 인가면의 가장자리 부분과 내측 부분 중 적어도 한 부분에 위치하는 보강대를 더 포함할 수 있다.

상기 각 날개의 일단부에 위치한 상기 보강대는 개구부를 포함할 수 있다.

상기 복수의 날개 각각은 상기 수차의 회전 방향으로 볼록하게 돌출된 호 형상의 곡면판인 것이 좋다.

상기 복수의 날개 각각은 가장자리 부분에 적어도 하나의 모따기를 포함할 수 있다.

상기 회전축은 원형의 단면 형상 또는 다각형의 단면 형상을 가질 수 있다.

상기 회전축이 상기 원형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 회전축은 상기 복수의 날개가 각각 삽입되는 복수의 설치홈을 포함할 수 있다.

상기 회전축이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 복수의 날개 각각은 상기 회전축의 평탄한 면에 하나씩 위치할 수 있다.

상기 회전축이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 회전축은 5각형 내지 12각형의 단면 형상을 가질 수 있다.

상기 물 유입구에 인접한 상기 본체의 상부면은 상기 본체의 길이 방향으로 따라 경사진 경사면인 것이 좋다.

상기 본체의 하부면에서부터 상부면까지의 거리는 상기 물 유입구에서부터 상기 물 배출구 쪽으로 갈수록 감소하는 것이 좋다.

본 발명의 다른 특징에 따른 수력 발전장치용 수차는 유입되는 물에 의해 위치가 변하는 복수의 날개, 그리고 상기 복수의 날개가 이격되게 위치하여 상기 복수의 날개의 위치 변화에 의해 회전하여 회전력을 발생시키는 회전축을 포함하고, 상기 복수의 날개 각각과 상기 각 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면이 이루는 각도는 106도 내지 165도이다.

상기 복수의 날개 각각은 유입되는 물이 접하는 수압 인가면의 가장자리 부분과 내측 부분 중 적어도 한 부분에 위치하는 보강대를 더 포함할 수 있다.

상기 회전축은 5각형 내지 12각형의 단면 형상을 가질 수 있다.

이러한 특징에 따르면, 각 날개와 각 날개가 설치된 설치면과의 각도가 106도 내지 165도이므로, 수차의 회전력과 회전 속도가 증가하여, 수력 발전장치의 발전 효율이 증가한다.

또한, 물 유입구의 통로가 본체의 길이 방향을 따라 갈수록 좁아서 본체 내에 위치한 날개로 인가되는 수압의 크기가 증가한다. 이로 인해, 수차의 회전력이 증가하여 수력 발전장치의 효율은 더욱 증가한다.

이에 더하여, 각 날개에 형성된 모따기부와 개구부에 의해 각 날개와 물에 입사될 때 물과 접하는 날개의 접촉면의 크기를 감소시키므로, 유속이 감소되는 현상이 방지된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치의 한 예에 따른 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수력 발전장치에서 덮개를 제외한 나머지 구성요소가 결합될 때의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 수력 발전장치를 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치에 사용된 수차의 한 예에 대한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 수차의 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치에 사용된 수차의 다른 예에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치에 사용된 수차의 또 다른 예에 대한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치의 동작 상태를 개략적으로 도시한 도면이다
도 9는 날개의 경사 각도와 날개에 작용하는 물의 관계를 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 회전축의 설치면에 대해 90도로 수직하게 날개가 설치될 때의 도면이고, (b)는 회전축의 설치면에 대해 130도로 날개가 설치될 때의 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치의 동작 상태를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치 및 수력 발전장치에 사용되는 수력 발전장치용 수차에 대하여 설명한다.

도 1 내지 도 8를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 수력 발전장치(100)는 수로에 설치되는 본체(110), 본체(110) 위에 설치되는 수차(120), 본체(110)에 수차(120)를 설치하기 위한 한 쌍의 지지부(150), 지지부(150)를 통해 수차(120)와 연결되는 증속기(130), 증속기(130)에 연결되어 있는 발전기(140), 그리고 본체(110) 위에 설치되어 수차(120)를 내장한 본체(110)의 일부를 덮는 덮개(160)를 구비한다.

본체(110)는 사각형의 평면 형상을 갖고 있고, 양 측면(S11), 하부면(S12) 및 상부면(S13a, S13b)을 구비하고 있다.

이러한 본체(110)의 내부 공간은 비어 있고, 전면과 후면은 개방되어, 개방된 전면으로 물이 유입된 후 본체(110) 내부를 통과하여 후면으로 출력되어 외부로 배출된다.

따라서, 개방된 전면은 물이 유입되는 물 유입구(112)로 기능하며 개방된 후면은 물이 배출되는 물 배출구(113)로 기능한다.

하부면(S12)과 대향하고 있는 본체(110)의 상부면(S13a, S13b)은 상부 전체를 덮고 있지 않고 물 유입구(111)에 인접한 상부에 위치하는 제1 상부면(S13a)과 물 배출구(112)에 인접한 상부에 위치한 제2 상부면(S13a)을 구비하고, 제1 및 제2 상부면(S13a, S13b) 사이의 가운데 부분을 개방되어 있다.

따라서, 본체(110)의 상부 가운데 부분에는 상부면(111, S13a, S13b)이 위치하지 않고 하부면(S11)의 일부를 노출하는 개방부(OP1)가 존재하고, 이 개방부(OP1)를 통해 수차(120)가 본체(110) 내부에 설치된다.

이 때, 제1 상부면(S13a)은 경사진 면을 갖고 있는 경사면이고, 제2 하부면(13b)는 평탄면을 갖고 있다.

따라서, 제1 상부면(S13a)은 하부면(S12) 쪽으로 경사져 있는 경사부(a1)과 경사부(a1)과 연결되어 하부면(S11)에 대해 교차하는 방향(예, 수직 방향)으로 기립되어 있는 수직부(a2)를 구비한다.

이때, 경사부(a1)는 물의 흐름을 유도하는 유도판으로서 기능하며, 수직부(11b)는 덮개(160)의 이탈을 방지하는 걸림턱으로 기능하므로, 수직부(11b)는 걸림턱이다.

본 예에서, 경사부(11a)와 수직부(11b)는 끊김 없이 연결되어 있어, 경사부(11a)와 수직부(11b)는 일체로 형성된다.

이처럼, 경사진 상부면(S13a)의 경사부(11a)에 의해, 경사부(11a)가 설치된 본체(110)의 높이(H1), 즉, 하부면(S11)에서부터 상부면(S13a)까지의 거리는 물 배출구(112) 쪽으로 갈수록 감소하여, 물 유입구(111)에서부터 물 배출구(112)로 갈수록 본체(110)의 높이(H1)는 감소한다.

또한, 경사부(11a)가 설치된 부분의 높이(H1)는 경사부(11a)가 설치되지 않은 본체(110)의 부분의 높이(H2))보다 작은 크기를 갖는다.

이때, 경사부(11a)가 설치된 본체(110)의 두께(H1) 또한 위치에 따라 상이하여 물 배출구(112) 쪽으로 갈수록 두께(H1)는 감소한다.

이로 인해, 물 유입구(111) 단부의 두께(H1)보다 본체(110)의 가운데 부분으로 갈수록 물의 배출 통로의 두께(H1)가 감소하여, 물 유입구(111)로 초기 유입되 물의 압력보다 경사부(11a)를 통과하여 가운데 부분으로 유입되는 물의 압력이 증가한다.

따라서, 개방부(OP1)에 설치된 수차(120)로 공급되는 물의 압력이 증가하여 수차(120)의 회전 속도를 증가시킨다.

또한, 물이 유입되는 물 유입구(111)의 통로가 제1 상부면(S13a)에 의해 좁아짐에 따라 본체(110) 내부로 유입된 물이 위쪽으로 솟구치는 현상을 방지하여 수차(120)의 각 날개(121)에 물이 접하는 감소하여 날개(121)에 인가되는 수압의 분산 정도를 감소시킨다. 이로 인해, 날개(121)의 미는 힘이 증가하여 수차(120)의 회전력이 향상된다.

수차(120)는 복수의 날개(121)와 복수의 날개(121)가 설정된 거리만큼 이격되게 위치하고, 양 단부 각각이 한 쌍의 지지대(150)에 위치하는 회전축(122)을 구비한다.

본 예에서, 인접한 두 날개(121) 사이의 간격은 일정하지만, 이에 한정되지 않고, 대안적인 예에서 인접한 두 날개(121) 사이의 간격은 상이할 수 있다.

복수의 날개(121)는 모두 동일한 형상을 갖고 있고, 각 날개(121)는 사각형의 평면 형상을 갖는 판 형상일 수 있다.

이러한 복수의 날개(121)는, 이미 설명한 것처럼, 회전축(122)을 따라 이격되게 위치하고 있고, 용접이나 볼트(bolt) 등과 같은 체결 장치를 통해 해당 회전축(122)의 외주면에 설치된다.

각 날개(121)은 수차(120)의 회전 방향(A) 쪽으로 볼록하게 돌출된 호(弧) 형상으로 굽어지고 요철이 형성되지 않은 매끄러운 곡면판이고, 이 곡면판의 한 면, 즉, 물 유입구(111)를 통해 유입된 물과 직접적으로 접하여 수압이 인가되는 면(이하, 이 면은 '수압 인가면'이라 함)(121a)에 보강대(121b)를 구비하고 있다. 이때, 각 날개(121)는 가운데 부분을 중심으로 하여 양 측부 으로 굽어져 곡면판을 형성한다.

이로 인해, 각 날개(121)는 수압 인가면(121a)과 보강대(121b)를 구비한다.

본 예에서, 보강대(121b)는 수압 인가면(121a)의 가장자리 부분을 완전히 에워싸고 있지만, 이에 한정되지 않고 수압 인가면(121a)의 가장자리 부분 일부에만 위치할 수 있다.

또한, 보강대(121b)는 수압 인가면(121a)의 내측 부분 일부에 위치하지만, 대안적인 예에서, 수압 인가면(121a)의 내측 부분에 위치한 보강대(121b)는 생략될 수 있다.

따라서, 수압 인가면(121a)의 가장자리 부분이 보강대(121b)에 의해 에워싸여져 있고 보강대(121b)에 에워싸여진 수압 인가면(121a)의 내측 부분은 복수의 영역으로 분할된다. 보강대(121b)에 의해 분할된 영역의 개수는 본 예의 경우 4개이지만 이에 한정되지 않고 가감될 수 있다.

이때, 수압 인가면(121a)에 설치된 보강대(121b)의 설치 높이는 위치에 무관하게 동일하다.

따라서, 곡면판의 날개(121)에 의해 수압 인가면(121a)과 이 수압 인가면(121a)의 반대쪽 면인 반대면(121c) 역시 수차(120)의 회전 방향(A) 쪽으로 돌출된 곡면 형상을 갖고 있으므로, 보강대(121b)의 두께(즉, 세로 방향으로의 두께)(H3)는 위치에 따라 상이하다. 즉, 각 날개(121)의 가장 자리에서 가운데로 갈수록 보강대(121b)의 두께(H3)는 증가한다.

이로 인해, 수압 인가면(121a)에 물의 수압이 작용하더라고 날개(121)에 가해지는 충격은 보강대(121b)에 의해 분산되고, 날개(121)의 가장자리 부분과 가운데 부분은 순간적으로 작용하는 수압을 지탱하게 되어, 날개(121)가 손상되거나 파손되는 문제가 해소되거나 감소한다.

또한, 복수의 영역에 고인 물은 수압 인가면(121a) 의 가운데 부분으로 이동하게 되어 날개(121)의 회전력을 더욱더 증가시킨다.

이러한 날개(121)의 다른 예는, 도 6에 도시한 것처럼, 날개(121)의 일단부(21a), 즉, 회전축(122)에 설치된 날개(121)의 단부인 타단부(21b)의 반대편에 위치한 단부에 위치한 보강대(121b)는 생략되며, 이에 더하여 날개(121)의 일단부(21a)와 측면, 즉, 각 날개(121)의 가장자리 부분에 적어도 하나의 모따기부(123)를 추가로 구비한다.

이로 인해, 수압 인가면(121a)의 가장자리 부분은 보강대(121b)에 의해 완전히 에워싸여져 있는 대신 보강대(121b)가 생략된 일단부(21a)를 통해 개방되어 있다.

도 6의 경우, 적어도 하나의 모따기부(123)는 각 날개(121)의 양 측 모서리 부분과 양측 모서리 사이에 위치한 일단부(21a)의 가운데 부분에 위치하지만, 이러한 모따기부(123)의 개수와 형성 위치는 필요에 따라 변경 가능하다.

도 6과 같이 날개(121)의 가장자리 부분에 적어도 하나의 모따기부(123)를 구비할 때, 대안적인 예에서 날개(121)의 수입 인가면(121a)에 위치한 보강부(121b)의 적어도 일부는 생략 가능하다.

또한, 도 7과 같이, 날개(121)의 또 다른 예는 각 날개(121)의 일단부(21a)의 가장자리부에 위치한 보강부(121b)는 물 통과부인 개방된 개구부(124)를 구비하고 있다.

이러한 도 6 및 도 7의 날개(121) 구조에 의해, 각 날개(121)가 물에 입수될 수 날개(121)와 물이 접하는 접촉면의 크기가 감소되어, 본체(110) 내부를 통과하는 유속에 미치는 영향을 감소시킨다. 이로 인해, 수차(120)에 의해 본체(110)를 통과하는 유속이 감소량을 감소시킨다.

이로 인해, 복수의 수력 발전장치(100)가 일정 간격으로 수로에 직렬로 설치될 때, 전단의 수력 발전장치(100)로 인한 유속 감소를 방지하므로, 유속 감소로 인해 직렬로 연결된 각 수력 발전장치(100)의 발전량이 줄어드는 것을 방지한다.

이러한 본 예에 따른 날개(121)는 곡면판이지만, 이에 한정되지 않고 대안적인 예에서 각 날개(121)는 경사지지 않은 평탄면일 수 있고 또한 수압 인가면(121a)에 설치된 보강대(121b)의 적어도 일부 역시 생략될 수 있다. 이럴 경우, 날개(121)의 제조가 용이하여 수력 발전장치의 제조 시간과 제조 비용이 감소한다.

회전축(122)은 바(bar) 형태로 길게 뻗어 있고, 도 1 내지 도 7에 도시한 것처럼 다각형의 단면 형상을 갖고 있거나 도 8과 같이 원형의 단면 형상을 갖는다.

이때, 도 8과 같이, 회전축(122)이 원형의 단면 형상을 가질 경우, 각 날개(121)가 장착되는 회전축(122)의 외주면 부분에는 복수의 설치홈(22)이 형성되지만, 이에 한정되지 않는다.

따라서, 회전축(122)에 설치홈(22)이 형성될 때, 설치홈(22) 내로 각 날개(121)는 삽입한 후 용접 등을 통해 회전축(122)에 복수의 날개(121)를 설치하므로, 날개(121)의 설치가 용이해진다.

이러한 회전축(122)은 본체(110) 내부로 유입되는 물에 의해 수차(120)가 해당 방향(A)으로 위치 이동을 하여 회전함에 따라 수차(120)의 회전 방향과 동일한 방향(A)으로 회전하고, 회전축(122)의 회전 속도는 수차(120)의 회전 속도에 따라 정해진다.

지지부(150)에 삽입되어 본체(110)의 양 측면(S11)의 상단부 위에 본체(110)를 가로 방향[즉, 본체(110)의 연장 방향인 길이 방향과 직교하는 방향]으로 가로 지르게 위치한다.

이로 인해, 수차(120)의 일부는 개방부(OP1)를 통해 본체(110) 내부에 위치하고, 이때, 본체(110) 내부에 위치하는 수차(120)의 부분은 회전축(122)을 중심으로 대략 하부에 위치한 부분이고, 본체(110)의 외부에 위치하는 수차(120)의 부분은 회전축(122)을 중심으로 대략 상부에 위치하는 부분이다.

본 예의 경우, 회전축(122)이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 날개(121)가 설치되는 부분은 다각형의 단면 형상을 가지는 반면, 지지부(150)에 삽입되는 회전축(122)의 부분은 원형의 단면 형상을 가진다. 이로 인해, 회전축(122)과 지지부(150) 간의 마찰력을 감소시켜 회전축(122)의 회전력이 감소되는 양을 감소시킨다. 하지만 이에 한정되지 않고, 지지부(150)에 연결되는 회전축(122)의 부분 역시 다각형의 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 날개(121)가 설치되는 회전축(122)의 부분의 두께(즉, 지름)보다 지지부(150)에 삽입되는 회전축(122)의 부분의 두께가 작아 지지부(150)와의 결합이 용이하게 행해질 수 있도록 한다.

이때, 각 날개(121)가 설치된 회전축(122)의 외주면 부분 중 수압 인가면(121a)에 위치한 보강대(121b)에 의해 형성되는 가상의 평탄면(DS1)과 각 날개(121)의 타단부(21b)에서 본체(110)의 하부면(S11)과 평행한 가상면(DS2)이 이루는 각도(θ)는 91도~165도이다. 바람직하게, 각도(θ)는 106도~165도이다.

대안적인 예에서, 보강대(121b)가 생략될 경우, 날개(121)의 수입 인가면의 양 측면을 가상으로 직선으로 연결하여 형성된 가상의 면이 가상의 평탄면이 된다.

이러한 각도(θ)로 날개(121)가 설치된 설치면인 가상면(DS2)에 대해 회전 방향(A)으로 경사지게 위치하므로, 물의 흐름에 의해 날개(121)에 인가되는 수압에 의해 날개(121)가 밀리면서 수차(120)가 보다 용이하게 회전할 수 있도록 한다.

이때, 각도(θ)가 91도 이상일 경우, 날개(121)가 받게 되는 물의 저항이 좀더 감소하여 수차(120)의 회전 동작은 좀더 원활하게 행해지고, 특히,106도 이상일 경우, 날개(121)가 받게 되는 물의 저항이 더욱더 감소하여 수차(120)의 회전 동작은 좀더 원활하게 행해지고, 각도(θ)가 165도 이하일 경우, 날개(121)의 경사 정도가 과도하지 않게 되어 본체(110)로 유입된 물의 수압을 큰 손실없이 인가 받아 수차(120)의 회전 동작이 원활하게 이루어진다.

회전축(122)이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 날개(121)는 평탄한 회전축(122)의 각 면(231)에 하나씩 위치한다. 이때, 면(231)의 개수는 다각형을 형성하는 각의 개수와 동일하다.

이때, 회전축(122)의 다각형의 각형 수는 날개(121)의 설치면(DS2)과 가상의 평탄면(DS1)이 이루는 각도(θ)의 크기에 따라 달라질 수 있고, 예를 들어, 5개 내지 12개일 수 있고, 이로 인해, 회전축(122)은 5각형 내지 12각형의 단면 형상을 가질 수 있다.

회전축(122)이 5각형보다 적을 경우 설치되는 날개(121)의 개수가 5개 이하가 되어 인접한 두 날개(121) 사이의 간격이 증가하게 된다. 이로 인해, 갈수기 때 줄어든 수량(水量)에 의해 날개(121)에 수압이 작용하지 않게 되어 수차(120)의 원활한 회전이 어려워질 수 있다.

따라서, 날개축(123)이 5각형 이상의 단면 형상을 가질 경우, 날개축(123)에 설치되는 날개(121)의 개수가 설정 개수(예, 5개) 이상이 되어 날개(121)간의 간격이 설정 간격 이하로 감소하여, 갈수기 때 수량이 감소하여 수압이 감소하더라고 수차(120)의 회전이 원활하게 이루어진다. 이로 인해, 본 예에 따른 수력 발전장치(100)는 감소한 날개(121) 사이의 간격에 의해 수량이 감소하더라고 수차(120)의 회전이 원활하게 행해져 발전 전력이 감소하지 않게 된다.

또한, 회전축(122)이 12각형보다 많을 경우 회전축(122)에 설치되는 날개(121)의 개수가 너무 많아, 날개 제작에 따른 제조 비용과 제조 시간이 증가하고, 물의 저항이 증가하여 수차(120)의 원활한 회전 동작에 악영향을 미친다.

따라서, 회전축(122)이 12각형 이하일 경우, 회전축(122)에 설치되는 날개의 개수로 인한 제작 시간과 제작 비용의 증가를 방지하고 날개(121)에 인가되는 물의 저항을 감소시킨다.

다음, 도 9의 (a)와 (b)를 참고로 하여, 회전축(122)의 설치면(DS2)에 대해 90도보다 큰 각도(θ)로 경사지게 설치될 때와 회전축(122)의 설치면(DS2)에 대해 90도 이하의 각도(θ)로 경사지게 설치될 때, 각 날개(121)와 각 날개(121)에 작용하는 물의 관계에 대하여 설명한다.

도 9에서, 회전축(122)에 설치된 날개(W11-W18, W21-W28)의 개수는 동일하게 8개이고, 이때, (a)는 비교예에 따른 수차의 도면으로서, 설치면(DS2)과 각 날개(W11-W18)가 이루는 각도(θ)의 크기는 90도이고, (b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 수차의 도면으로서, 설치면(DS2)과 각 날개(W21-W28)가 이루는 각도(θ)의 크기는 130도이다.

따라서, 도 9의 (a)의 각 날개(W11-W18)에 비해 (b)의 대응되는 각 날개(W21-W28)는 수로(200) 쪽으로 40도 더 기울어져 있다.

이로 인해, 회전축(122)의 회전 정도가 서로 동일할 때, 도 9의 (b)의 각 날개(예, W23)는 (a)의 대응되는 날개(예, W13)보다 먼저 수로(200)의 물 속으로 입사되어 수압에 의해 해당 날개(W23)는 물의 흐름 방향으로 밀리게 되어 회전축(122)이 회전 동작이 행해진다.

따라서, 도 9의 (a)의 경우보다 (b)의 경우 회전축(122)의 회전수가 증가하고 이로 인해 회전축(122)의 회전 속도 역시 (a)보다 (b)의 경우가 빨라진다.

또한, 회전축(122)의 동일한 위치에 위치한 두 날개(예, W14, W24) 수로(200)의 물 속으로 입사되는 경우, (a)에 도시한 날개(W14)에서 물과 접하는 면의 경사 각도가 (b)의 해당 날개(W24)의 해당 면의 경사 각도보다 작게 된다.

따라서, (b)의 날개(W24)의 경사 각도가 (a)의 경우보다 수로(20)의 바닥면에 대해 90도에 가깝게 된다.

이에 따라, (a)의 경우, 해당 날개(W24)의 면에 접하는 물은 날개(W24)을 따라 위쪽 방향으로 솟구치는 현상의 발생량이 (b)의 경우보다 많게 되어 해당 날개(W14)의 미는 힘은 날개(W24)에 작용하는 힘 보다 작게 된다. 또한, (a)의 날개(W14)에 접하는 물의 양이 (b)의 날개(W24)에 접하는 물의 양보다 적게 되어 날개(W14)에 작용하는 수압의 크기는 (b)의 날개(W24)에 작용하는 수압의 크기보다 훨씬 적다.

따라서, (b)의 경우가 (a)의 경우보다 회전축(122)의 회전 동작이 좀더 용이하게 회전력 역시 크다.

이에 더하여, 각 날개(예, W15, W24)의 위치가 수압의 힘을 가장 크게 받을 위치에 존재할 경우, 바로 앞쪽에 인접하게 위치한 날개(예, W14, W23)에 의한 악영향의 크기가 (b)보다 (a)가 훨씬 크다.

즉, 도 9의 (a)의 경우, 날개(W15)가 바로 앞 날개(W14)의 방해 없이 물을 유입 받을 수 있는 경로의 크기는 'd11'인 반면, 도 9의 (b)의 경우, 날개(W24)가 바로 앞 날개(W23)의 방해 없이 물을 유입 받을 수 있는 경로의 크기는 'd11'보다 큰 'd21'가 된다.

따라서, (b)의 날개(W24)에 작용하는 수압의 크기가 (a)의 날개(W15)에 작용하는 수압의 크기보다 커 회전축(122)의 회전 동작은 (a)보다 (b)의 경우가 용이하게 신속하게 이루어짐을 알 수 있다.

한 쌍의 지지부(150) 각각은 수차(120)의 회전축(122)이 삽입되는 관통구(151)를 구비하고 있고 관통구(151) 내에는 베어링(bearing)을 내장하고 있으며, 수차(121)의 회전축(122)은 관통구(151) 내에 삽입되어 관통구(151)를 관통해 증속기(130)와 연결된다.

따라서, 베어링의 동작에 의해 회전축(122)은 관통구(151) 내에서 원활하게 회전 동작이 이루어진다. 이때, 본 예의 수차(120)의 설치 높이를 조정하기 위해, 한 쌍의 지지부(150)는 본체(110)의 측면(S11) 상단부에 위치한 받침대(152) 위에 위치한다.

증속기(130)는 복수의 가속 기어를 구비하고 있어 회전축(122)의 회전 속도를 정해진 가속비로 증가시켜 발전기(140)로 전달한다.

발전기(140)는 증속기(130)와 연결되어 있어 증속기(130)를 통해 전달된 회전축(122)의 회전력을 이용하여 전기를 발생한다.

따라서, 발전기(140)는 수차(120)의 회전력을 전기 에너지로 변환하여 해당 크기의 전력을 발생하여 출력한다.

덮개(160)는 본체(110)의 개방부(OP1)를 덮어, 수차(120)가 위치한 본체(110) 내부에 수차(120)의 회전 동작에 악영항을 미치는 낙엽 등과 같은 이물질이 쌓이는 것을 방지한다.

따라서, 덮개(160)는 본체(110)의 상부면(S13a, S13b) 위에 위치한다.

이때, 덮개(160)는 상부면(S13a)의 경사부(a1)와 수직부(a2) 사이에 위치하므로, 덮개(160)는 수직부(a2)의 작용에 의해 바람이나 물의 흐름에 의해 쉽게 벗겨지지 않는다.

본 예의 경우, 증속기(130)와 발전기(140)는 본체(110)의 측면(S11)에 설치되지만, 이에 한정되지 않고 본체(110)의 물 배출구(112)쪽에 설치될 수 있고, 이때, 지지부(150)에 설치된 회전축(122)의 회전력은 회전축(122)과 증속기(130)에 연결된 풀리(pulley)와 풀리에 연결된 동력 전달 벨트 등을 이용하여 증속기(130)로 전달할 수 있다.

이러한 구조를 갖고 있는 수력 발전장치(100)는 도 10에 도시한 것처럼, 본체(110)의 물 유입구(112)로 물이 유입되어 본체(110) 내부를 통해 물이 흐르게 되면, 물 유입구(112)와 대면하고 있는 해당 날개(121)의 수압 인가면(121a)에 본체(110)로 내부로 유입된 물이 접하면서 해당 날개(121)를 밀면서 물 배출구(113)를 통과해 본체(110) 외부로 흐르게 된다.

이처럼, 본체(110) 내부로 유입된 물의 미는 동작에 의해 해당 날개(121)에 작용한 수압에 의해 해당 날개(121)의 위치가 해당 방향(A)을 따라 이동하게 되고 날개(121)와 일체로 연결된 회전축(122) 역시 날개(121)의 위치 변화에 따라 회전하여 수차(120)의 회전 동작이 해당 방향(A)으로 이루어진다.

이처럼, 회전축(122)의 회전이 이루어지면, 지지부(150)이 관통구(151)를 통해 회전축(122)과 연결된 증속기(130)는 정해진 가속비를 회전축(122)의 회전 속도를 증가시키고, 발전기(140)로 전달한다.

따라서, 발전기(140)는 전달된 회전력에 해당하는 크기의 전기를 생성하게 된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

Claims

물이 유입되는 물 유입구와 상기 물 유입구로 유입된 물이 배출되는 물 배출구를 포함하는 본체, 그리고
상기 본체 위에 설치되고 상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 회전하여 회전력을 발생시켜 회전력을 이용한 전기를 생성하도록 하는 수차
를 포함하고,
상기 수차는
상기 물 유입구로 유입된 물에 의해 위치가 변하는 복수의 날개, 그리고
상기 복수의 날개가 이격되게 위치하여 상기 복수의 날개의 위치 변화에 의해 회전하여 상기 회전력을 발생시키는 회전축
을 포함하고,
상기 복수의 날개 각각과 상기 각 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면이 이루는 각도는 106도 내지 165도인
수력 발전장치.
제1항에서,
상기 복수의 날개 각각은 상기 물 유입구를 통해 유입된 물이 접하는 수압 인가면의 가장자리 부분과 내측 부분 중 적어도 한 부분에 위치하는 보강대를 더 포함하는 수력 발전장치.
제2항에서,
상기 각 날개의 일단부에 위치한 상기 보강대는 개구부를 포함하는 수력 발전장치.
제1항에서,
상기 복수의 날개 각각은 상기 수차의 회전 방향으로 볼록하게 돌출된 호 형상의 곡면판인 수력 발전장치.
제4항에서,
상기 복수의 날개 각각은 상기 물 유입구를 통해 유입된 물이 접하는 수압 인가면의 가장자리 부분와 내측 부분 중 적어도 한 부분에 위치하는 보강대를 더 포함하는 수력 발전장치.
제5항에서,
상기 각 날개의 일단부에 위치한 상기 보강대는 개구부를 포함하는 수력 발전장치.
제1항에서,
상기 복수의 날개 각각은 가장자리 부분에 적어도 하나의 모따기를 포함하는 수력 발전장치.
제1항에서,
상기 회전축은 원형의 단면 형상 또는 다각형의 단면 형상을 갖는 수력 발전장치.
제8항에서,
상기 회전축이 상기 원형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 회전축은 상기 복수의 날개가 각각 삽입되는 복수의 설치홈을 포함하는 수력 발전장치.
제8항에서,
상기 회전축이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 복수의 날개 각각은 상기 회전축의 평탄한 면에 하나씩 위치하는 수력 발전장치.
제8항에서,
상기 회전축이 다각형의 단면 형상을 가질 경우, 상기 회전축은 5각형 내지 12각형의 단면 형상을 갖는 수력 발전장치.
제1항에서,
상기 물 유입구에 인접한 상기 본체의 상부면은 상기 본체의 길이 방향으로 따라 경사진 경사면인 수력 발전장치.
제1항에서,
상기 본체의 하부면에서부터 상부면까지의 거리는 상기 물 유입구에서부터 상기 물 배출구 쪽으로 갈수록 감소하는 수력 발전장치.
유입되는 물에 의해 위치가 변하는 복수의 날개, 그리고
상기 복수의 날개가 이격되게 위치하여 상기 복수의 날개의 위치 변화에 의해 회전하여 회전력을 발생시키는 회전축
을 포함하고,
상기 복수의 날개 각각과 상기 각 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면이 이루는 각도는 106도 내지 165도인
수력 발전장치용 수차.
제14항에서,
상기 복수의 날개 각각은 유입되는 물이 접하는 수압 인가면의 가장자리 부분과 내측 부분 중 적어도 한 부분에 위치하는 보강대를 더 포함하는 수력 발전장치용 수차.
제15항에서,
상기 각 날개의 일단부에 위치한 상기 보강대는 개구부를 포함하는 수력 발전장치용 수차.
제14항에서,
상기 복수의 날개 각각은 상기 수차의 회전 방향으로 볼록하게 돌출된 호 형상의 곡면판인 수력 발전장치용 수차.
제14항에서,
상기 복수의 날개 각각은 가장자리 부분에 적어도 하나의 모따기를 포함하는 수력 발전장치용 수차.
제14항에서,
상기 회전축은 5각형 내지 12각형의 단면 형상을 갖는 수력 발전장치용 수차.