KR20150142078A - 수중 매입형 소수력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 상세히는 상부 측에 물이 유입되는 유입구가 형성되고 하부 측에 방출구가 형성된 물 저장조(10); 상기 물 저장조 내측의 방출구 측에 설치되어 물 저장조에 채워진 물이 방출구 측으로 방출되는 수류에 의해 회전 구동되는 수차(20); 상기 물 저장조 내부에 설치되고 상기 수차에 직렬연결되는 발전기(30); 및 상기 수차의 외곽에 복수로 설치되어 유량의 조절이 가능하도록 개도 제어가 가능한 가이드 베인(40);을 포함하여 이루어져 일종의 압력탱크 역할을 하는 물 저장조에서 일정한 수위를 유지하도록 한 상태에서 수차로 흘러드는 위치 에너지로 구동력을 일으켜 전기를 생산할 수 있도록 함으로써 계절에 상관없이 일정한 발전효율을 낼 수 있도록 한 친환경적인 소규모의 수중 매입형 소수력 발전장치에 관한 것이다.

Description

수중 매입형 소수력 발전 장치{Submerged small hydro-power plant}

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 상세히는 압력탱크의 역할을 하는 물 저장조를 이용하여 프로펠러 수차로 흘러드는 위치 에너지를 가지는 가변 유량을 이용한 유체의 힘으로 구동력을 일으키고 전기를 생산하는 친환경적인 소규모의 수중 매입형 소수력 발전장치에 관한 것이다.

최근 들어 인류가 사용해온 화석연료의 고갈과 이의 소비에 따른 지구환경 문제 즉, 지구온난화로 인한 기후변화가 큰 문제점으로 대두됨에 따라 대체 에너지에 관한 관심이 급격히 고조되고 있다. 특히, 교토의정서 발표 이후 포스트 2012 즉, 제15차 기후변화당사국총회가 코펜하겐에서 진행 중이며, 이에 선진국과 개도국 등은 이산화탄소(CO₂) 절감대책에 대한 의무감축비율에 대해 각국의 이해를 관철시키기 위해 혼신의 힘을 다하여 협상하고 있다.

따라서 이러한 환경정책과 더불어 자연친화적이고 우리나라 지형에 적합한 청정에너지원인 소수력 발전시스템은 자원이 부족한 우리나라 실정에 가장 효율적인 대체 에너지 시스템으로 이러한 가용자원의 적극적인 활용과 에너지화는 아무리 강조해도 지나치지 않는다 하겠다.

우리 선조는 이미 소수력 발전을 생활에 이용하였다. 물의 위치에너지를 이용하여 물레방아를 돌리고 그 생성된 기계에너지를 이용하여 방앗간을 가동하였다. 최근 각국에서는 자연적으로 흐르는 물을 가장 효율적으로 최적화하는 수력 시스템 개발에 박차를 가하고 있다. 즉, 가장 경제적이며 소량의 물을 가지고 낙차가 적고 유속이 낮은 지역에서 고효율의 전기에너지를 생산하는 것이 집중 연구과제이다.

이러한 최근의 연구동향은 대체에너지 개발과 더불어 환경오염방지의 측면에서도 많은 관심을 받고 있으며, 선진국에서는 환경 문제를 유발하는 대규모의 댐식 수력 발전보다는 자연을 있는 그대로 이용하는 소수력 발전시스템을 최적의 분산전원이라는 인식하에 자국 내 소수력 자원의 개발과 연구에 자원을 집중하고 있다.

소수력 발전시스템은 가장 친환경적인 발전시스템이지만 발전의 효율성을 위해서는 여러 가지 문제점이 상존하고 있다. 무엇보다도 적은 물을 가지고 낙차가 적은 곳에서도 효율성이 높은 소수력 발전시스템을 개발하는 것이 가장 풀어야할 난제이다.

소수력 발전 플랜트는 물이 흘러가는 힘과 발전량의 상관관계에 여러 가지 매개변수가 작용하기 때문에 정확한 효율을 추정하기는 어려운 실정이다. 즉, 소수력 발전 시스템의 효율적, 효과적 성능조건에 대한 구체적인 자료가 거의 없고 시행착오적인 방법에 의존해 개발 운용되고 있는 실정이다.

일본공개특허공보 평 5-26148호(1993.02.02.공개) 발명의 명칭; 수중발전방법 일본공개특허공보 평 6-66242호(1994.03.08.공개) 발명의 명칭; 수중발전장치

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소수력 발전의 효율성 향상을 위해 유체의 양이 많을 때나 적을 때나 상관없이 발전이 최고 효율로 유지될 수 있도록 하여 겨울 갈수기나 여름 장마철 등에 상관없이 항상 고효율로 발전이 지속될 수 있는 소수력 발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수중 매입형 소수력 발전장치는 상부 측에 물이 유입되는 유입구가 형성되고 하부 측에 방출구가 형성된 물 저장조와, 상기 물 저장조 내측의 방출구 측에 설치되어 물 저장조에 채워진 물이 방출구 측으로 방출되는 수류에 의해 회전 구동되는 수차와, 상기 물 저장조 내부에 설치되고 상기 수차에 직렬연결되는 발전기를 포함하여 이루어지는 수중매입형 소수력 발전장치를 제공한다.

바람직하기에 상기 수차는 프로펠러 수차이고, 상기 프로펠러 수차의 외곽에는 방사상으로 복수의 가이드 베인이 설치되되, 상기 가이드 베인은 수차로 유입되는 수량을 제어할 수 있도록 유압에 의해 개도를 조절할 수 있는 구조로 이루어진다.

바람직하기에 상기 물 저장조는 그 상부에 물 저장조 내부의 공기를 외부로 배출시키고 물 저장조 내부의 물이 일정한 압력을 유지하도록 하기 위한 통기관이 외부로 연통되며, 상기 물 저장조의 상부에는 물 저장조 내부의 유지보수를 위한 개폐형 출입구가 설치된다.

더욱 바람직하기에 상기 물 저장조는 실린더형 또는 육면체 형태의 콘크리트 구조물로, 유입구 측에 연결된 수압철관으로부터 인입하는 유체(물)를 일시 저장하는 장소로 통상 지하에 매립된다.

상기 통기관은 물 저장조 안에 기포가 발생할 때에는 공기를 배기시키는 작용 및 가이드 베인의 고장으로 인해 물이 물 저장조 안에 충만될 시 물이 외부로 배출되도록 하여 물 저장조 내의 압력이 항상 일정하게 유지될 수 있도록 하게 된다.

또한, 상기 가이드 베인은 물 저장조 안에 저장된 물이 접선 방향으로 가속되도록 하며 유량에 따라 개도(열린 정도)가 별도의 유압 장치에 의해 제어된다. 이러한 가이드 베인의 개도 조절장치는 갈수기와 홍수기에도 최고 효율로 전기를 생산할 수 있고 프로펠러로 유입되는 회전 방향 속도를 가속되도록 하게 된다. 이 점은 정격운전을 위해서 유속을 최대화하기 위한 별도의 와류형의 스파이럴 케이싱을 필요로 하는 기존의 수력발전시스템과 차이가 있다.

본 발명은 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지로 지구온난화 방지, CO₂저감에 기여하는 자연친화적인 발전장치라 할 수 있다. 이러한 수중 소수력 발전장치는 자연에 존재하는 물의 흐름을 에너지원으로 자원화하여 우리의 일상생활에 적용할 수 있는 소규모 에너지원으로 활용하는 분산형 전원 시스템이다. 또한, 자연에 존재하는 물의 흐름으로 생성되는 에너지원을 고효율화하는 시스템이다. 또한, 본 발명은 효율화된 분산형 에너지를 생산하여 환경적으로 문제가 있는 대규모의 수력 발전소를 지양하도록 하고 산간지방의 계곡, 농촌지방의 농사용 제방, 홍수를 예방하기 위한 작은 보, 하구둑, 상하수도에 버려지는 물을 효율적으로 이용할 수 있고 어디에서든 소규모 전기를 생산하는 분산전원시스템은 적은 비용으로 쉽게 전기를 생산하는 친환경 소규모 발전 시스템이라 할 수 있다.

또, 본 발명은 수력발전에서 문제가 되고 있는 갈수기나 홍수기에 자동제어가 되도록 하여 사계절이 뚜렷한 우리나라 지형과 기후에 적합한 부하추종운전이 가능하도록 발명된 장치라 할 수 있다. 또한, 별도 와류형 스파이럴 케이싱이 필요 없을 뿐만 아니라 발전기의 냉각장치도 필요 없다. 기존 시스템은 홍수 시에는 범람 등으로 인해 유체가 흐르는 장소에서 발전기를 멀리 설치하여야하나, 본 발명의 발전장치는 발전기가 수중에 잠기도록 되어 있으므로 별도의 냉각장치가 필요 없다.

또한, 본 발명에 의한 수중 매입형 소수력 발전장치는 프로펠러 수차와 발전기가 직렬로 연결되므로 회전속도 증속을 위한 기어박스가 필요 없고, 수중에서 유체로 냉각되기 때문에 발전기 작동시 필요한 냉각용 윤활장치도 필요 없으며, 복잡한 기존 스파이럴 케이싱 대신 물 저장조는 단순한 콘크리트 구조물로서 제작이 간단하여 전체 시스템의 기계적 구조가 단순하고 작동이 용이하여 고장이 발생할 염려가 없어 특별한 유지관리가 필요 없는 반영구 시스템이다.

또한, 본 발명에 사용되는 프로펠러 수차 및 가이드 베인을 지지하는 4개의 지지대는 낙뢰 등으로 인한 정전 시에 가이드 베인이 갑자기 닫힘으로써 발생하는 힘을 분산시켜줌으로써 프로펠러 회전체를 안전하게 지지하고, 동시에 보수 유지시 인력 접근을 쉽게 해주는 구조로서 보수 유지를 용이하게 할 수 있다.

아울러 본 발명의 소수력 발전장치는 유수량이 적고 낙차가 적은 지형 지역에 적합하고, 발전효율이 높아서 에너지 절약의 효과가 있으며, 친환경 발전시설로서 지구온난화의 해결과 우리나라 산간지방 및 농촌지방의 에너지원 전기를 분산전원 개발이라는 차원에서 쉽게 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 매입형 소수력 발전장치의 전체 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 가이드 베인과 발전기 부분의 상세 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 가이드 베인과 발전기 부분의 상세 단면도,

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 수중 매입형 소수력 발전장치가 도시되어 있는데, 본 실시 예의 수중 매입형 소수력 발전장치는 물의 흐름을 에너지로 전환하여 전기를 일으키는 시스템으로 최소단위의 물의 양과 유속은 0.2㎥/sec이상이며, 낙차 2m이상으로 한정된다. 전기생산량은 물의 유량, 낙차의 높이에 따라 결정된다.

본 실시 예의 소수력 발전장치는 상부 측에 물이 유입되는 유입구(12)가 형성되고 하부 측에 방출구(14)가 형성된 물 저장조(10)와, 상기 물 저장조(10) 내측의 방출구(14) 측에 설치되어 물 저장조(10)에 채워진 물이 방출구 측으로 방출되는 수류에 의해 회전 구동되는 수차(20)와, 상기 물 저장조(10) 내부에 설치되고 상기 수차(20)에 직렬연결되는 발전기(30)를 포함하여 이루어져 있으며, 상기 수차(20)는 프로펠러 수차이고, 상기 프로펠러 수차(20)의 외곽에는 방사상으로 복수의 가이드 베인(40)이 설치되되 상기 가이드 베인(40)은 수차(20)로 유입되는 수량을 제어할 수 있도록 유압에 의해 개도를 조절할 수 있도록 되어 있다.

또, 본 실시 예에서 상기 물 저장조(10)는 그 상부에 물 저장조(10) 내부의 공기를 외부로 배출시키고 물 저장조(10) 내부의 물이 일정한 압력을 유지하도록 하기 위한 통기관(16)이 외부로 연통되어 있으며, 상기 물 저장조(10)는 그 상부에 물 저장조(10) 내부의 유지보수를 위한 개폐형 출입구(18)가 설치되어 있다.

상기 유입구(12)에는 도수관(50)이 연결되어 있는데, 이 도수관(50)은 상부의 유체를 물 저장조(10)로 인입하게 되는바, 이는 통상 수압 철관으로 이루어진다.

본 실시 예에서 상기 수차(20)는 물의 흐름을 기계적 에너지로 전환하는 프로펠러형 수차로 효율을 최대한 좋게 하고 러너 표면에 기포가 발생하는 케비테이션 현상이 발생하지 않도록 항공역학적으로 다목적 최적화기법을 이용하여 최적화한 후 표면이 매끄럽도록 정밀한 5축 가공기로 제작한다. 보통 러너 수는 5개 혹은 6개가 이상적이다.

본 실시 예에서, 상기 발전기(30)는 영구자석 동기 발전기로, 이는 영구자석을 이용하여 프로펠러 수차(20)에서 발생하는 동력으로 영구자석 회전자를 회전시켜 전기로 변환시키게 된다.

상기 가이드 베인(40)은 수차(20)로 들어가는 속도를 접선방향으로 가속시키기 위하여 비행기 날개모양으로 제작을 하여 수차 축에 회전력을 발생시켜주는 역할을 하게 되며, 유압장치(42)에 의해 그 개도(열린 정도)를 조절함으로써 수차(20) 내로 인입하는 유체의 양을 조절할 수 있도록 되어 있다.

상기 유압장치(42)는 액추에이터로 유압실린더(42a)를 사용하며, 외부로 연결된 유압라인(42b)을 통해 유압이 인가되어 개도가 제어된다.

상기 가이드 베인(40)은 가이드 베인 지지대(44)에 의해 지지가 되는데, 이는 가이드 베인(40)은 물론 발전기(30)를 지지하는 역할을 하게 되며, 그 내부에는 프로펠러 수차(20)가 발전기(30)와 동축선상에 장착되고, 복수 개의 지지대 축은 물 저장조(10) 내부의 콘크리트 바닥에 장착된다. 상기 가이드 베인 지지대(44)는 정전 등으로 인해 가이드 베인(40)이 갑자기 닫힘으로써 발생하는 비틀림력에 충분히 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.

한편, 상기 방출구(14)에는 흡출관(60)이 설치되어 있는데, 이는 방수로(70)까지 대기에 접촉하는 일 없이 연결하는 엘보 타입의 스틸관으로 물 저장조(10) 안에 있던 물의 에너지가 프로펠러 수차(20)를 통과하면서 거의 수차(20)의 회전동력으로 변환되지만 변환되지 않은 일부 운동에너지를 회수하여 수차 시스템의 성능을 향상시키는 역할을 하게 된다.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 소수력 발전장치는 도수관(50)을 통해 유입되는 수량을 감안하여 물 저장조(10)에서 수위를 일정하게 유지할 수 있도록 하면서 물 저장조(10) 하부의 방출구(14) 측에 설치된 수차(20) 쪽으로 흘러나가는 유량을 가이드 베인(40)의 개도 제어에 의해 조절하는 것에 의해 일종의 압력탱크 역할을 하는 물 저장조(10)의 수압에 의해 수차가 일정한 토크로 회전되어 발전되게 되는바, 갈수기나 홍수기에 상관없이 항상 일정한 발전효율을 유지할 수 있도록 할 수 있는 것이며, 본 발명에서는 종래의 수력 발전기에서 사용하던 와류형 스파이럴 케이싱과 기어 박스 등이 필요 없을 뿐만 아니라 발전기의 냉각장치도 필요 없어 설비비가 저렴하고 이의 유지보수 또한 간편한 장점이 있다.

10 : 물 저장조
11 : 콘크리트 지지대
12 : 유입구
14 : 방출구
16 : 통기관
18 : 출입구
20 : 수차
30 : 발전기
40 : 가이드 베인
42 : 유압장치
42a : 유압실린더
42b : 유압라인
44 : 가이드 베인 지지대
50 : 도수관
60 : 흡출관
70 : 방수로

Claims (4)

1. 상부 측에 물이 유입되는 유입구(12)가 형성되고 하부 측에 방출구(14)가 형성된 물 저장조(10); 상기 물 저장조(10) 내측의 방출구(14) 측에 설치되어 물 저장조(10)에 채워진 물이 방출구 측으로 방출되는 수류에 의해 회전 구동되는 수차(20); 상기 물 저장조(10) 내부에 설치되고 상기 수차(20)에 직렬연결되는 발전기(30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중매입형 소수력 발전장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 수차(20)는 프로펠러 수차이고, 상기 프로펠러 수차(20)의 외곽에는 방사상으로 복수의 가이드 베인(40)이 설치되되, 상기 가이드 베인(40)은 수차(20)로 유입되는 수량을 제어할 수 있도록 유압에 의해 개도를 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수중매입형 소수력 발전장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 물 저장조(10)는 그 상부에 물 저장조(10) 내부의 공기를 외부로 배출시키고 물 저장조(10) 내부의 물이 일정한 압력을 유지하도록 하기 위한 통기관(16)이 외부로 연통된 것을 특징으로 하는 수중 매입형 소수력 발전장치.
   
4. 청구항 1 또는 3에 있어서,
   상기 물 저장조(10)는 그 상부에 물 저장조(10) 내부의 유지보수를 위한 개폐형 출입구(18)가 설치된 것을 특징으로 하는 수중 매입형 소수력 발전장치.

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