KR20180124214A - 터빈 유닛 및 그 결합체를 이용한 유체에너지 이용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체나 기체 등 유동체의 분산된 유체에너지를 회전에너지로 변환하고 변환된 회전에너지의 회전력을 모아서 증폭하기 위한 블레이드 끝선과 외곽에 기어가 형성된 원통형 링 기어가 결합된 터빈들을 결합하여 유체에너지를 이용하는 시스템으로, 터빈의 일부 블레이드가 유체에 섞인 이물질 또는 노화 등에 의해 기능이 약화되었을 때 발생되는 기능저하 요인으로 인해 시스템 전체가 받는 영향을 최소화하기 위한 대책과 터빈의 유지보수를 쉽게 하기 위한 터빈 유닛(turbine unit) 및 이를 이용한 유체에너지 이용시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 다수의 상기 터빈이 결합된 유체에너지 이용시스템의 터빈들 중 일부가 유체에 섞인 이물질이나 노화로 인해 터빈의 기능을 유지하지 못하여 회전속도가 다른 터빈에 비해 떨어지더라도 유체에너지 이용시스템 전체의 기능이 저하 또는 정지되는 것을 미연에 방지하고자, 개별 터빈의 구성을 안쪽 블레이드와 바깥쪽 링 기어로 분리하고 이들 분리된 안쪽 블레이드부와 바깥쪽 링 기어부 사이의 결합은 양 구성요소간의 회전력 차이에 의한 동력전달 차단(아이들링) 및 결속을 위해 블레이드 회전 원주의 최외곽 끝선이 링 기어의 안쪽 원주면과 결합시 래칫(ratchet) 또는 볼트와 너트의 나사결합 원리 중의 어느 하나로 결합시킴으로써, 블레이드의 회전력이 저하되거나 비정상적인 회전으로 인해 발생되는 일부 터빈의 영향을 전체 유체에너지 이용시스템에 최소화시킴으로써 일부 비정상적인 터빈의 동작에도 불구하고 전체 유체 에너지 이용 시스템이 정상 작동하도록 하는 특징을 가진다.
또한, (수)문 등이 설치되어 있는 유체에너지 이용시스템에 유선이나 앱 등을 통하여 원격으로 방류량이나 발전량 등을 조절하는 운용기능을 향상시켜 치수 및 발전량을 효율적으로 조절할 수 있는 원격제어 수단 구비하는 특징을 가진다.

Description

터빈 유닛 및 그 결합체를 이용한 유체에너지 이용 시스템{An apparatus collecting(harvesting) fluid-dynamic energy using single turbine unit or coupled multiple turbine units}

본 발명은 터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체나 기체 등 유동체의 분산된 유체에너지를 회전에너지로 변환하고 변환된 회전에너지의 회전력을 모아서 증폭하기 위한 블레이드 끝선과 외곽에 기어가 형성된 원통형 링 기어가 결합된 터빈들을 결합하여 유체에너지를 이용하는 시스템으로 사용할 때 특정의 터빈의 블레이드가 유체에 섞인 이물질 또는 노화 등에 의해 기능이 약화 되었을 때 유체에너지 이용 시스템 전체의 기능 저하를 최소화하기 위한 대책과 유지보수를 쉽게 하고 이의 운용기능을 향상시켜 치수를 용이하게 하기 위하여 오지에서도 자체 발전하는 전기에너지를 활용하여 작동이 가능한 수문 등의 제어를 앱 등을 통하여 원격으로 제어하기 위한 터빈 유닛(turbine unit) 및 이를 이용한 유체에너지 이용시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 블레이드를 통하여 유체가 흐르는 직선 운동에너지를 회전에너지로 변환하고 이 에너지를 활용하기 위한 기구인데 블레이드가 중심축에 고정된 상태로 되어 있고 회전하는 중심축을 통하여 회전에너지를 활용하는 방식으로 되어 있어 대부분 개별적으로 사용되어 저밀도 유체에너지를 이용하는 시스템으로 사용은 적절치 않다.

따라서, 이러한 저밀도의 유체에너지를 모으는 특허 제10-1700570호와 같이 “링 기어가 형성된 터빈과 이를 이용한 유체에너지 수집 및 이용 시스템”은 도 1과 같이 사용하여 저밀도 유체에너지를 수집하여 발전 등의 유체에너지 이용 시스템으로 유용하게 사용할 수 있을 것이다.

그러나 종래기술에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 유체에 포함된 풀, 나뭇가지 등의 이물질이나 어류 등이 회전하고 있는 특정 터빈의 블레이드에 걸리게 되면 유체에너지 이용 시스템 전체가 작동하지 않게 되거나 이물질이 걸린 터빈의 블레이드 등 터빈이 파손되게 되는 등 시스템에 손상이 될 수도 있다.

둘째, 결합된 터빈을 유지보수하기 위해서 터빈을 해체 및 체결하는데 상당의 노력을 필요로 한다.

셋째, 결합된 터빈과 터빈 사이에 흐르는 유체의 에너지를 회전에너지로 활용할 수 없게 되어 에너지 효율이 저하 된다.

넷째, 상기 터빈을 이용한 유체에너지 이용 시스템으로 수중에서 터빈이 작동할 때 이물질 등에 의해 일부 터빈이 작동하지 않을 경우 이를 찾기 위해서는 많은 노력이 필요하게 된다.

다섯째, 수문 등의 유량조절장치가 있는 경우에 적용한 유체에너지 이용시스템의 유량 또는 발전량을 변경하려면 현장에서 작업자가 직접 조작하여야 하는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 10-2012-0034865(2012. 4. 13.) 한국공개특허공보 10-2013-0042898(2013. 4. 29.) 한국공개특허공보 10-2015-0125821(2015. 11. 10.) 미국특허공보 US 7,750,491 B2

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 터빈 외측에 형성된 링 기어부(도 12 도면부호 101)로 터빈의 내부 블레이드부(도 12 도면부호 102)에 의한 회전에너지가 보강(전달)되지 못하는 경우 즉, 유체에 의해 발생된 터빈의 블레이드부의 회전속도가 링 기어부의 회전속도 미만으로 떨어지는 비정상적인 경우 터빈의 내측 블레이드부와 외측 링 기어부 사이의 회전력 전달을 차단시키고 회전속도가 링 기어부 이상으로 되어 보강하는 경우는 회전력이 전달되도록 결합시키는 동력전달 결합부(도 12 도면부호 103)를 설치한다. 이러한 동력전달 결합부 구성으로서는 래칫(ratchet) 장치(도 14 도면부호 103) 또는 볼트와 너트의 나사결합 원리를 가지는 결합수단(도 15 도면부호 103, 103a, 103b, 103c)으로 설치할 수 있으며, 그 외에도 해당 기술분야의 통상의 기술자가 예측 가능한 동력전달 결합 및 차단(아이들링) 수단을 모두 포함할 수 있다. 즉, 특정개소의 해당 터빈 블레이드부에서 생성된 회전에너지가 시스템에 결합된 링 기어부(101)에 회전에너지를 보강하는 순방향 회전일 경우에는 터빈 블레이드부(102)와 링 기어부(101)가 결합이 되도록 동력전달 결합부(103)가 결합작동하고 터빈 블레이드부(102)가 비정상으로 작동하여 회전에너지가 보강되지 못하는 경우는 터빈 블레이드부(102)와 링 기어부(101)가 결합이 풀리도록(아이들링 상태) 동력전달 결합부(103)가 차단작동한다. 이러한 동력전달 결합부(103) 구성을 터빈 블레이드부(102)와 링 기어부(101) 사이에 설치함으로써 유체에너지 수집 장치에 결합된 터빈들 중의 일부 터빈이 유입되는 이물질이나 터빈의 노화 등으로 정상적으로 작동하지 못할 경우 정상 동작하는 다른 터빈의 동력 전달 체계로부터 이탈(아이들링)시켜 정상터빈들의 회전운동에 방해가 되지 않도록 함으로써 유체에너지 이용 시스템에서 이상이 있는 터빈을 제외한 전체가 정상 작동을 유지하도록 한다.

또한 원형 링 기어가 형성된 터빈의 링 기어가 이웃하는 링 기어끼리 서로 결합할 수 있는 최소 크기의 개별 단위(유닛) 터빈을 구성하기 위해, 원형의 유체 유입 구멍을 가진 판을 사용하여 터빈의 앞 또는 뒤 중 어느 한쪽 면이나 양쪽 면을 막아 개별 단위 터빈의 블레이드로 유체의 유입을 유도하는 한편 링 기어가 형성된 블레이드를 유지하도록 하는 하우징을 구성 하는 터빈 유닛(도 10b, 도 10c)을 구성하고, 이들 개별 터빈 유닛들을 결합한 유체에너지 이용 시스템(도 11)을 구성하여 유체에너지의 이용 효율을 향상시킨다.

상기 터빈 하우징에 링 기어가 볼이나 원통 롤러 등으로 결합하여 회전마찰 손실을 최소화하고 링 기어와 터빈의 블레이드가 볼트와 너트의 나사결합 원리를 적용함으로써 터빈의 블레이드가 정상적으로 작동하는 경우에는 링 기어의 회전방향으로 링 기어 회전속도보다 터빈 블레이드의 회전 속도가 상대적으로 빠르므로 동력이 결합되고, 반대로 터빈의 블레이드가 비정상적으로 작동하는 경우에는 블레이드의 회전속도가 상대적으로 느리게 되어 블레이드가 이탈되므로 링 기어를 돌지 못하도록 방해하는 블레이드의 방해력(링 기어의 회전을 정지 시키려는 힘)을 차단시키게 된다. 따라서 개별 터빈 유닛을 복수개 결합하여 유체에너지 이용 시스템의 에너지 수집 장치의 터빈으로 효율적인 활용이 가능하고 나뭇가지나 어류 등과 같은 이물질이나 열화 등에 의해 특정 터빈이 작동이 되지 않거나 성능이 저하된 터빈은 동력 전달에서 분리되도록 하여 유체 에너지 이용 시스템의 에너지 수집을 원활히 하고, 성능에 이상이 있는 터빈을 쉽게 찾을 수 있어 유지보수가 용이 하게 된다.

또한, 간이보의 방사구(개사구)에 수직으로 터빈들을 배치하는 경우 수직방향으로 수압의 편차에 따라 터빈 블레이드에 편심이 작용하게 되는데 상기의 경우는 터빈 외곽의 링 기어가 터빈을 지지하게 되어 블레이드 중심축으로 지지하는 경우 보다 견고하게 지지할 수 있게 된다. 그리고 블레이드에 에너지를 공급하는 유체의 흐름을 방해하는 중심축 및 중심축지지 기구물이 필요 없게 되어 유체 에너지를 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

이 같은 터빈 유닛을 격자 형상으로 형성된 하우징에 끼우는 단순한 방법으로 조립하여 유체에너지 수집 장치로 활용할 수 있는 수단(도 11)이 될 수 있고 상기 유체에너지 수집 장치는 넓게 분산된 하천이나 강 또는 이들의 보의 개구부나 수문에 설치하여 물의 유체에너지 또는 협곡이나 구조물 사이의 기체의 유체에너지를 지형지물의 형태나 변화에 용이하게 적용할 수 있도록 형성할 수 있어 이용되지 못하고 버려지는 유체에너지를 최대한 활용할 수 있는 터빈 유닛 및 이를 이용하는 유체에너지 이용 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.

또한, 상기 유체에너지 이용시스템에 흐르는 유체의 양을 조절하는 단속수단 등이 설치되어 있는 유체에너지 이용시스템에 유선이나 앱 등을 통하여 원격으로 유체량이나 발전량 등을 조절하여 치수와 발전량 조절을 효율적으로 수행 할 수 있는 수단을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서 터빈은 특허 제10-1700570호와 같은 “링 기어가 형성된 터빈과 이를 이용한 유체에너지 수집 및 이용 시스템”의 터빈 각각의 외측 회전력을 간편하게 결합하여 회전력을 키울 수 있도록 하기 위한 링 기어가 형성된 터빈이 가지는 문제점으로서, 다수의 상기 터빈이 결합된 유체에너지 이용시스템의 개별 터빈 중 일부가 유체에 섞인 이물질이나 열화 등으로 터빈의 회전력이 약화되어 유체에너지 이용시스템 전체의 동작 및 성능 저하를 가져오게 된다. 이를 방지하기 위해서는 개별 터빈의 구성을 터빈 블레이드부와 링 기어부, 그리고 동력전달 결합부로 분리하고, 이들 분리된 터빈 블레이드부와 링 기어부 사이의 회전 에너지 전달은 동력전달 결합부가 터빈 블레이드부와 링 기어부 간의 회전력 차이에 따라 동력전달을 차단(아이들링) 및 결속시켜야 한다. 동력전달 결합부는 이러한 회전에너지 전달 및 차단을 위해 터빈 블레이드부와 링 기어부가 래칫(ratchet) 수단 또는 볼트와 너트의 나사결합 원리를 사용한 수단 중의 어느 하나 이상을 사용함으로써, 터빈 블레이드부의 회전력이 저하되거나 비정상적인 회전으로 인해 발생되는 일부 터빈의 영향을 전체 유체에너지 이용시스템에 최소화시키게 되어 일부 비정상적인 터빈의 동작에도 불구하고 전체 유체 에너지 이용 시스템이 정상 작동되도록 하여 유체에너지 이용시스템 전체의 기능이 정지되는 것을 미연에 방지하게 된다.

이러한 터빈의 링 기어가 형성된 터빈의 유체에너지를 최대한 유입하여 유용한 회전에너지로 변환하기 위해 터빈의 블레이드 이외로 흘러가는 유체를 블레이드로 흐르도록 유도하는 하우징을 구성함으로써 상기 하우징에 상기 터빈을 결속하게 되는 터빈 유닛을 구성하게 되어 유체에너지 이용 효율을 더욱 향상시키게 된다.

상기 터빈 유닛의 정면은 격자형상의 유체에너지 이용 시스템으로 탈부착이 용이하도록 다각형으로 하는 것이 바람직하며(도 10b, 도 10c) 터빈 유닛을 가드레일에 따라 차례로 밀어 넣으면 격자 형태로 터빈 유닛이 위치하며 인접한 터빈 유닛들은 서로의 링 기어로 결합되도록 형성한 가드레일을 격자 형상으로 지형지물과 유체의 변화에 적합하도록 설치한 하우징(도 11b)을 이용하면 상기 유체에너지 이용 시스템에서 터빈의 탈부착을 용이하게 수행할 수 있다.

상기와 같은 유체에너지 이용시스템은 상기 터빈의 블레이드를 크게 하고 많이 결합할수록 수집하는 에너지 량이 많아지나 사용되는 상황에 따라 적정한 크기의 터빈을 적정한 수량으로 제작하여 단독으로 사용할 수도 있고 매우 넓거나 유속이 빠른 환경이나 반복되는 지형지물의 형상과 같은 경우에 적용할 때는 에너지 수집 량을 적정량으로 제작된 상기 유체에너지 이용시스템 단위로 모듈화 하고 이 모듈을 기계적으로 서로 결합시켜 사용할 수도 있다. 이때 상기 각각의 모듈에서 얻어진 에너지를 결합하는 방법은 각 모듈에 래칫을 적용하는 방법이 바람직하다.

상기와 같이 유체에너지 이용시스템에 발전기를 결합하여 수집된 회전에너지로 발전기의 회전자를 동작시켜 전기를 생성하는 수력발전기(도 8)와 풍력발전기 같은 유체에너지 이용 발전기 및 펌프를 연결하여 외부에서 전기와 같이 인위적인 에너지 공급 없이 작동할 수 있는 무동력 공급 펌프(도 9) 등으로 사용한다. 이때 적정 수준의 회전속도를 얻기 위하여 유체에너지 이용시스템과 발전기 및 펌프 등의 부하와의 사이에는 변속기를 결합하여 부하에 따라 조절하여 사용한다.

수문 등의 유량조절장치가 있는 경우에 적용한 유체에너지 이용시스템의 유량 또는 발전량을 변경하는 어려움을 해결하고 운용기능을 향상시켜 치수를 용이하게 하기 위해 현지에 설치된 유체에너지 이용 발전시스템에서 자체 발전된 전기에너지를 사용하여 수문 등의 제어를 유선이나 앱 등을 통하여 원격으로 제어하게 되는데 유체에너지 이용시스템이 작동되지 않고 있을 때도 원격으로 제어하기 위해서 비상용으로 충방전이 되는 배터리를 설치하는 것이 바람직하다.

터빈 블레이드와 하우징과의 마찰력을 줄이며 결합하기 위한 수단으로 사용되는 베어링은 수중에서 사용될 경우 물에 섞인 미세한 이물질 등으로 내구성이 급속히 저하 될 수 있다. 이렇한 단점을 극복하기 위하여 도 17과 같이 블레이드를 지지하는 중심축의 끝이 원뿔(테이퍼) 형태이고 테이퍼의 중간부분을 다각형의 봉으로 지지하는 구조로 하여 봉과 테이퍼가 점 접촉하게 하며 봉은 용이하게 교체가 가능하게 도 17에서와 같이 소켓 형식으로 하는 것이 바람직하다. 또한 원뿔 형태의 중심축의 끝도 중심축과 분리가 될 수 있도록 중심축과 원뿔이 볼트와 너트 원리로 결합과 분리가 가능하게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 기어가 있는 터빈은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 유체에 포함된 풀, 나뭇가지 등의 이물질이나 어류 및 터빈 자체의 열화(노화)에 의한 일부 터빈의 기능이 정지되어도 유체에너지 이용 시스템의 작동이 정지되지 않고 특정터빈에 부가되는 과부하에 의한 터빈의 파손을 예방할 수 있다.

둘째, 결합된 터빈이 유닛 방식으로 탈부착이 용이하게 되어 유체에너지 이용 시스템의 유지보수가 용이하게 되어 유지보수 비용이 절감된다.

셋째, 유체에너지를 최대로 활용할 수 있게 된다.

넷째, 유체에너지 이용 시스템으로 수중에서 작동하는 특정 터빈이 이물질 등에 의해 작동하지 않는 터빈을 용이하게 찾을 수 있어 용이하게 유지보수 할 수 있다.

다섯째, 각종의 지형지물과 유량변화에도 적절하게 적용 할 수 있어 이용되지 못하고 낭비하는 유체에너지를 이용할 수 있게 된다.

여섯째, 각종 댐에서 치수를 위해 방류량 조절의 경우에도 적용하여 유용하게 에너지로 변환할 수 있고 외부에서 에너지 공급 없이 치수를 할 수 있게 한다.

일곱째, 연속발전이 불가능한 태양광발전이나 풍력발전에 비하여 24시간 365일 연속발전이 가능하여 국가 기초전력 에너지로 활용이 가능하다.

여덟째, 수력발전은 어느 정도 인위적으로 제어가 가능하여 자연환경에 지배되어 발전을 인위적으로 제어 할 수 없는 태양광발전, 풍력발전과 연계하여 수력발전을 운영하면 신재생에너지의 이용 효율을 향상시켜 신재생에너지 산업의 발전에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예의 에너지 수집 장치의 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 터빈을 사용한 회전에너지 수집을 나타낸 개략적인 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 기어가 있는 중심축 고정 터빈의 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 3과 반대방향으로 회전하는 기어가 있는 중심축 고정 터빈의 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 2와 도 3의 링 기어에 동력변환기로서 베벨기어가 추가된 기어가 있는 중심축 고정 터빈의 사시도.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 3과 도 4의 기어가 있는 중심축 회전 터빈의 사시도.
도 7a는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 4의 기어가 있는 중심축 고정 터빈만으로 배열하여 회전에너지를 결합하는 에너지 수집장치의 사시도.
도 7b는 본 발명의 일실시 예에 따른 기어가 있는 중심축 고정 터빈으로 구성된 에너지 수집장치의 특정 부위의 1개 터빈을 블레이드 외곽 링 기어에 동력변환기가 있는 중심축 고정 터빈으로 대체한 에너지 수집장치 일예의 사시도.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 에너지 수집장치의 블레이드 외곽 링 기어에 동력변환기로서 베벨기어가 있는 중심축 고정 터빈에 발전기를 결합한 수력발전기의 사시도.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 에너지 수집장치의 블레이드 외곽 링 기어에 동력변환기로서 베벨기어가 있는 중심축 고정 터빈에 펌프를 결합한 무동력 펌프의 사시도.
도 10a 는 본 발명의 일실시 예에 따른 개별 터빈 유닛
도 10b 는 본 발명의 일실시 예에 따른 개별 터빈 유닛 전면 사시도
도 10c 는 본 발명의 일실시 예에 따른 개별 터빈 유닛 후면 사시도
도 11a 는 본 발명의 개별 터빈 유닛을 격자 형태로 배치하기 위한 매트릭스 하우징
도 11b 는 매트릭스 하우징에 본 발명의 개별 터빈 유닛을 격자(N×I=5×5)로 배치한 형태
도 11c 는 본 발명의 격자로 결합 배치한 터빈 유닛을 수문에 설치한 유체에너지 수집장치
도 11d 는 N×I 개의 격자 결합 터빈 유닛을 수문에 적용한 유체에너지 수집장치 사시도.
도 12는 본 발명의 시계 방향 회전 개별 터빈 유닛(도 3) 개념도
도 13은 본 발명의 반시계 방향 회전 개별 터빈 유닛(도 4) 개념도
도 14는 본 발명의 반시계 방향 회전 개별 터빈 유닛의 링 기어와 블레이드 결합부분(래칫결합)
도 15는 본 발명의 반시계 방향 회전 개별 터빈 유닛의 링 기어와 블레이드 결합부분(나사결합)
도 16 본 발명의 유체의 량을 조절할 수 있는 (수)문에 적용하여 전동식 (수)문을 원격으로 유선이나 앱을 통해 원격으로 제어하는 구성도(설치된 유체에너지 이용 발전시스템이 정지 중에 있다가 유체에너지 이용 발전 시스템을 재가동시킬 때 필요한 시동용 배터리 포함)
도 17은 블레이드를 지지하는 중심축과 터빈하우징과의 결합체인 베어링을 대체한 결합부분(중심축의 끝이 원뿔(테이퍼) 형태로 하고 테이퍼의 중간부분을 다각형의 봉으로 지지하는 구조로 봉과 테이퍼가 점 접촉함)
도 18은 본 발명의 하천용 격자 터빈 유닛의 구성도

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기어가 형성된 터빈과 이를 이용한 에너지 수집 및 유체에너지 이용 시스템의 유용성을 개선하기 위해 고안한 터빈 유닛 및 그 결합체를 이용한 유체에너지 이용 시스템인 발전기 및 무동력 펌프를 상세히 설명한다.

도 2는 종래기술에 따른 수중용 터빈을 사용한 회전에너지 수집을 나타낸 개략적인 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 기어가 형성된 터빈의 사시도 이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 기어가 있는 터빈은 터빈몸체, 중심축(21), 베어링(22), 블레이드(23) 그리고 링 기어(24)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 터빈몸체는 중심축을 고정하는 지지대(25)와 상기 지지대를 유지하는 터빈 결속 기구(26)로 이루어진다. 상기 지지대(25)는 유체의 흐름을 방해하지 않고 터빈을 충분이 지지할 수 있도록 중심축(21) 방향인 유체의 흐름 방향으로 얇으며 견고한 것이 바람직하다. 상기 터빈 결속 기구(26)는 제2의 터빈의 회전체 기어와 결합할 때 결합이 용이하게 고정시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 중심축(21)은 지지대(25)와 견고하게 결합될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 블레이드(23)는 외부 링 기어(24)와 동일하게 회전하도록 기계적으로 견고하게 결합되어야하고 상기 베어링(22)은 중심축(21)에 대하여 블레이드(23)가 잘 회전하도록 최대한 회전마찰이 적고 수중에서 녹 등이 발생되지 않는 재질로 제작된 것이 바람직하다.

도 4는 유체의 흐름 방향이 같을 때 본 발명의 일실시 예에 따른 도 3의 터빈과는 회전 방향이 반대가 되도록 도 3의 블레이드(23)의 방향과 반대로 블레이드(33)를 형성한 기어가 있는 터빈의 사시도 이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 기어가 있는 터빈은 도 3의 터빈과 같이 터빈몸체, 중심축(31), 베어링(32), 블레이드(33) 그리고 링 기어(34)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 터빈은 도 3의 터빈과 반대방향으로 동일 속력으로 회전하도록 도 3의 블레이드(23)와 반대방향으로 블레이드(33)를 제작하고 다른 구성요소는 도 3의 터빈과 동일하다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 3과 도 4의 기어가 있는 터빈의 링 기어 부분에 동력변환기로서 베벨기어가 추가로 형성된 기어가 있는 중심축 고정 터빈의 사시도 이다.

도 5에서 보는 바와 같이, 상기 동력변환기로서 베벨기어가 포함된 기어가 있는 터빈은 터빈몸체, 중심축(41), 베어링(42), 블레이드(43) 그리고 링 기어(44), 베벨기어(47)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 터빈은 도 3이나 도 4의 터빈의 구성요소에 동력변환기로서 베벨기어(47)가 추가된 형상으로 도 3과 도 4의 터빈이 결합되어 증폭된 회전 에너지를 사용하고자하는 부하로 직접 또는 변속기로 전달하기 위한 터빈으로 모든 구성요소가 다른 터빈보다 견고하게 제작되는 것이 바람직하다.

도 6a와 도 6b는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 3과 도 4의 기어가 있는 터빈의 중심축에 기어를 추가한 중심축 회전 터빈의 사시도 이다.

도 6a와 도 6b에서 보는 바와 같이, 상기 기어가 있는 터빈은 터빈몸체, 중심축(51), 베어링(52), 블레이드(53) 그리고 링 기어(54), 중심축기어(57)를 포함하여 이루어지나 중심축기어(57)는 베벨기어로 하여도 된다.

여기서, 상기 터빈은 도 3과 도 4의 터빈의 구성요소의 중심축에 기어가 추가되고 블레이드와 중심축 사이에는 베어링이 없고 중심축(51)과 지지대(55) 사이에 베어링(52)을 삽입해 블레이드와 중심축이 함께 회전하도록 구성된 형상으로 도 3과 도 4의 터빈이 조합되어 증폭된 회전 에너지를 사용하고자할 때는 부하 측으로 직접 또는 변속기를 통해 회전에너지를 전달하는 터빈이므로 모든 구성요소가 다른 터빈보다 견고하게 제작되는 것이 바람직하다.

도 7a와 도 7b는 본 발명의 일실시 예에 따른 상기의 기어가 있는 터빈을 이용한 에너지 수집 장치의 사시도 이다.

도 7a와 도 7b에서 보는 바와 같이, 상기 유체의 유동에너지 수집 장치(이하 수집장치)는 수집장치 몸체와 상기 도 3의 기어가 있는 터빈(이하 터빈-3)과 도 4의 기어가 있는 터빈(이하 터빈-4)과 도 5 또는 도 6a와 도 6b의 기어가 있는 터빈(이하 터빈-5 또는 터빈-6), 동력변환기(62), 부력장치(63)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 수집장치 몸체는 수집장치가 유체의 흐름에 흘러가지 않게 고정할 기둥(64)과 수집된 에너지를 사용할 수 있는 부하가 결합될 베이스(65)로 이루어진다. 상기 기둥(64)은 유체의 흐름을 방해하지 않고 상기 수집장치를 충분이 지지할 수 있도록 견고하게 설치되고 상기 수집장치의 베이스(65)가 상기 부력장치(63)에 의하여 유체의 수위 변화와 상관없이 에너지 수집을 위한 터빈이 수면으로 부터 일정한 깊이로 위치하도록 수직 방향으로 자유롭게 움직일 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 수위의 변화가 많은 하천에서는 유체의 유동에너지를 최대한 많이 수집하기 위해서 상기 수집장치 또는 수집장치의 터빈 열(수평 방향으로 연결된 복수개 터빈)을 수직 방향으로 여러 층 연속적으로 설치하여 수위가 높아질 때의 유체의 운동에너지를 최대한 변환할 수 있도록 한다.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 상기의 에너지 수집장치를 이용한 수력발전기의 사시도 이다.

도 8에서 보는 바와 같이, 상기 수력발전기는 발전기 몸체와 상기 도 7b의 유체의 유동에너지 수집장치, 변속기(71)를 포함하여 이루어진 예이다.

여기서, 상기 발전기 몸체는 상기 에너지 수집장치에서 수집된 회전 에너지가 집중된 곳의 베이스에 발전기를 견고하게 부착할 수 있는 베이스(72)와 상기 에너지 수집장치에서 수집된 에너지를 발전기로 전달하고 상기 발전기의 규격에 적정한 회전속도로 에너지를 전달하게 할 수 있는 변속기(71)로 이루어진다. 상기 변속기(71)는 상기 에너지 수집장치에서 출력된 에너지가 발전기의 발전효율을 극대화 시킬 수 있는 변속 비로 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

상기 도 8의 다수의 터빈 유닛을 가지는 유체에너지 이용시스템에서 터빈 유닛이 N×I(N과 I는 1 보다 큰 자연수)개 결합된 유체에너지 이용시스템으로서, 상기 유체에너지 이용시스템이 격자 형상으로 상기 터빈 유닛의 링 기어가 서로 체결되는 N×I개의 터빈 유닛; 상기 N×I개의 터빈 유닛 중에 수집된 회전에너지를 외부로 전달하기 위한 소정의 n×i(n과 i는 1≤n≤N, 1≤i≤I 조건을 만족하는 자연수)번째 터빈에 형성된 동력변환기; 및 상기 N×I개의 터빈 유닛들을 결합하기 위한 격자형 가드레일;을 포함하는 구성을 실시할 수 있다. 상기 N×I개의 터빈 유닛들에 있어서, 링 기어를 통하여 회전에너지를 서로 직접 결합하는 인접한 터빈들은 동일한 유체의 운동에너지 방향에 대하여 인접 터빈들 각각의 블레이드 회전 방향이 서로 반대가 되도록 형성하고, 인접한 각각의 터빈의 링 기어 회전방향도 반대로 되며, 인접 터빈 링 기어의 결합 접면에서는 동일한 접선운동 방향으로 링 기어가 회전하여 회전에너지가 서로 결합되도록 하며, 상기 동력변환기 구성은 도 5의 중심축 고정 터빈의 베벨기어 구성 또는 도 7b의 도면부호 62와 같이 각 터빈 유닛으로부터 수집된 회전 에너지를 사용하고자하는 부하로 직접 또는 변환 후 전달하기 위한 구성으로서, 수집된 회전에너지의 전달 방향과 속도비를 변환할 수 있는 구성들을 포함하며, 이러한 구성에 의해 다수의 터빈 유닛을 가지는 유체에너지 이용시스템의 구성이 가능하다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 유체의 유동에너지 수집장치를 이용한 무동력원 펌프의 사시도 이다.

도 9에서 보는 바와 같이, 상기 무동력 공급 펌프는 펌프 몸체와 상기 도 6b의 유체의 유동에너지 수집장치, 변속기(81)를 포함하여 이루어진 예이다.

여기서, 상기 펌프 몸체는 상기 에너지 수집장치의 수집된 회전 에너지가 집중된 곳의 베이스에 펌프를 견고하게 부착할 수 있는 베이스(82)와 상기 에너지 수집장치에서 수집된 에너지를 펌프로 전달하고 상기 펌프의 규격에 적정한 회전속도로 에너지를 전달할 수 있는 변속기(81)로 이루어진다. 상기 변속기(81)는 상기 에너지 수집장치에서 출력된 에너지가 펌프의 효율을 최대화 시킬 수 있는 변속 비로 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

도 10은 개별 터빈 유닛이 하우징에 의해 구성된 것으로, 도 10a와 같이 인접한 개별 터빈 유닛들과 링 기어가 맞물리도록 하우징을 구성하되, 도 10b, 도 10c와 같이 전면 또는 후면에 하우징을 구성하여 유체의 유도로를 형성함과 동시에 축을 지지하도록 프레임을 구성하게 된다. 상기 하우징의 형태는 원형의 링 기어가 형성된 터빈의 링 기어가 이웃하는 기어끼리 서로 결합할 수 있는 최소 크기의 개별 단위(유닛) 터빈을 구성하기 위해, 개별 단위 터빈의 블레이드로 유체가 유입되도록 유도하는 원형으로 따낸 모양의 판을 터빈의 앞 또는 뒤 어느 하나 이상을 막고 링 기어가 형성된 블레이드를 유지하는 하우징으로 하는 터빈 유닛(도 10b, 도 10c)을 결합한 유체에너지 이용 시스템(도 11)을 구성하여 유체에너지의 이용 효율을 향상시킨다. 터빈의 블레이드로 유체를 유도하는 원형의 유체 유입구멍을 가진 판을 사용하여 유체의 유입을 유도함과 동시에 링 기가 형성된 블레이드를 유지하는 하우징을 형성하도록 터빈 앞이나 뒤 중 어느 한쪽 면이나 양쪽 면에 붙이는 하우징 판의 형상은 상기 격자형 유체에너지 이용 시스템의 개별 터빈 유닛의 정면 개별 격자에 탈부착이 용이하도록 하는 다각형으로 하는 것이 바람직하다.

도 11은 상기 개별 터빈 유닛들을 격자 형태로 배치하기 위한 격자형 하우징에 설치한 유체 에너지 수집장치의 구성으로, 이 같은 터빈 유닛을 격자 형상으로 형성된 하우징에 끼우는 단순한 방법으로 조립하여 유체에너지 수집 장치로 활용할 수 있는 수단이 된다.

도 11과 같은 유체에너지 수집 장치는 넓게 분산된 하천이나 강 또는 이들의 보의 개구부나 수문에 설치하여 물의 유체에너지를 또는 협곡이나 구조물 사이의 기체의 유체에너지를 지형지물의 형태나 변화에 용이하게 적용할 수 있도록 형성할 수 있어 이용되지 못하고 버려지는 유체에너지를 최대한 활용할 수 있는 유체에너지 이용 시스템이 된다.

수문이 열린 만큼만 격자에 설치된 터빈 유닛들이 동작하고 수문에 막혀 유체가 흐르지 못하기 때문에, 회전이 안되는 터빈 유닛들을 회전 동작하는 터빈 유닛 층과 분리하는 수단을 포함하되, 분리수단으로서는 수평으로 연결된 개별 터빈들의 회전에너지를 모으는 동력변환기(도 7b 도면부호 62)과 같은 수평 동력변환기 부분(실시예 1의 n×i번째 터빈 즉, 수평으로 n번째 수직으로 i 층에 위치한 동력변환기)을 수직방향으로 인접한 i+1 층 동력변환기 간에 회전에너지를 결합 또는 분리시키도록 수직방향 동력전달 결합기 구성(i 층 동력 변환기(도면부호 62)와 i+1 층 동력변환기간의 회전에너지 동력전달 결합기(도면부호 62))을 포함하되 수직방향 동력전달 결합기의 구성은 링 기어부와 블레이드부의 동력전달 결합기(103) 작동원리와 같이 래칫 수단 또는 볼트와 너트의 나사결합 원리에 의한 수단을 사용하여 회전에너지가 발생하는 터빈 유닛 격자층의 동력변환기(도면부호 62)와 회전에너지가 발생하지 않는 격자층의 동력변환기(도면부호 62)의 동력 전달을 차단하여 회전에너지가 발생하지 않는 격자츨의 동력변환기가 겉도는(아이들링) 상태가 되도록 하여 작동중인 터빈 유닛들의 격자층 동력변환기에 방해가 되지 않도록 한다.

상기 실시예 2의 격자형 터빈 유닛으로 구성된 유체에너지 수집장치가 수문을 가지는 유체 흐름 통로에 설치되는 구성과 달리, 수문이 없이 부력장치를 사용하여 하천에 띄운 채로 작동되는 격자형 터빈 유닛으로 구성된 유체에너지 수집장치의 구성은 도면 18과 같이 수면의 높이가 달라짐에 따라 회전하는 격자층은 수면 쪽으로 올라가고 회전하지 않는 격자층은 바닥면으로 향하게 하여 하천의 수위가 변화됨에 따라 가동되는 격자 터빈 유닛층을 가변시킬수 있는 구성을 가지게 된다.

도 11의 터빈 유닛 정면을 격자형상의 유체에너지 이용 시스템으로 탈부착이 용이하도록 다각형으로 하여(도 10b, 도 10c) 터빈 유닛을 가드레일에 따라 차례로 밀어 넣으면 격자 형태로 터빈 유닛이 위치하며 인접한 터빈 유닛들은 서로의 링 기어로 결합되도록 형성한 가드레일을 격자 형상으로 지형지물과 유체의 변화에 적합하도록 설치한 하우징(도 11b)을 이용하면 상기 유체에너지 이용 시스템에서 터빈의 탈부착을 용이하게 수행할 수 있다.

상기 유체에너지 이용 시스템은 터빈 블레이드와 하우징과의 마찰력을 줄이며 결합하기 위한 수단으로 사용되는 베어링은 수중에서 사용될 경우 물에 섞인 미세한 이물질 등으로 내구성이 급속히 저하 될 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 도 17과 같이 블레이드를 지지하는 중심축의 끝이 원뿔(테이퍼) 형태이고 중심축 끝의 원뿔(테이퍼) 부분의 빗변에 단면이 원형 또는 다각형인 봉을 접촉시켜 지지하여 봉과 테이퍼가 점 접촉하게 하며 봉은 용이하게 교체가 가능하도록 도 17에서와 같이 소켓 형식으로 하는 것이 바람직하다. 또한 원뿔 형태의 중심축의 끝도 중심축과 분리가 될 수 있도록 중심축과 원뿔 끝부분이 볼트와 너트 원리로 결합과 분리가 가능하게 하는 것이 바람직하다.

도 11과 같은 유체에너지 이용시스템은 상기 터빈의 블레이드를 크게 하고 많이 결합할수록 수집하는 에너지 량이 많아지나 사용되는 상황에 따라 적정한 크기의 터빈을 적정한 수량으로 제작하여 단독으로 사용할 수도 있고 매우 넓고 유속이 빠른 환경이나 반복되는 지형지물의 형상과 같은 경우에 적용할 때는 에너지 수집 량을 적정량으로 제작된 상기 유체에너지 이용시스템 단위로 모듈화 하고 이 모듈을 기계적으로 서로 결합시켜 사용할 수도 있다.

도 12와 도13은 각각 도 3과 도 4의 터빈-3, 터빈-4의 회전에너지 전달을 위한 구성을 나타내는 개념도로서, 각 터빈 유닛은 최외곽 링 기어부, 내측 터빈 블레이드부, 그리고 블레이드부의 회전에너지를 링 기어부로 전달 및 차단하는 동력 전달 결합부로 구성된다.

도면에서 보는 바와 같이, 터빈의 블레이드부로 유체가 흐를 경우 터빈-3은 시계방향으로, 터빈-4는 반시계방향으로 터빈의 블레이드부가 회전하여 회전에너지를 발생하고 이로 인해 블레이드부 전체가 회전에너지를 발생하게 되며, 회전에너지는 동력전달 결합부를 통해 링 기어부로 전달 또는 차단된다.

도 14는 도 13의 터빈-4 구성에서 동력전달 결합부(도면부호 103)가 래칫 수단인 것을 특징으로 하는 것으로, 도면과 같이 터빈의 블레이드부로 유체가 흐를 경우 터빈-4는 반시계방향으로 터빈의 블레이드부가 회전하여 회전에너지를 발생하고 이로 인해 블레이드부 전체가 회전에너지를 발생하게 되며, 회전에너지는 동력전달 결합부인 래칫수단(도 14 도면부호 103)을 통해 링 기어부로 전달 또는 차단된다. 따라서 블레이드부의 반시계방향 회전속도가 링 기어부의 회전속도보다 상대적으로 빠르게 되면 래칫은 걸림상태로 되어 블레이드부의 회전에너지는 링 기어부로 모두 전달이 되고, 반대로 블레이드부의 회전속도가 링 기어부의 회전속도에 비해 상대적으로 느리게 되면 링 기어부는 블레이드부의 바깥쪽을 반시계방향으로 돌게 되며 블레이드부가 비정상적으로 회전이 정지하더라도 링 기어부는 다른 터빈 유닛과 회전하되 블레이드부의 정지력에 의한 걸림 영향을 받지 않게 되어 블레이드부는 아이들링 상태가 되고, 링 기어부는 회전에너지의 추가나 감쇄 없이 인접 터빈 유닛의 회전에너지에 따라 겉돌게(아이들링) 된다.

상기 터빈 유닛을 터빈 블레이드부와 링 기어부(도면부호 101), 그리고 터빈 블레이이드 부(도면부호 102)의 회전력을 링 기어부로 전달 및 차단하는 동력전달 결합부(도면부호 103)로 분리 구성하고, 상기 터빈 유닛에서 터빈 블레이드부의 회전 속도가 링 기어부의 회전 속도에 비해 상대적으로 낮아지면 동력전달을 차단하여 터빈 유닛이 아이들링 상태가 되고, 터빈 블레이드부의 회전 속도가 링 기어의 회전 속도에 비해 상대적으로 높아지면 터빈 블레이드부의 회전에너지를 링 기어부로 전달 되도록 하는 동력전달 결합부를 포함하되, 상기 동력전달 결합부가 래칫 수단에 의해 터빈 블레이드부와 링 기어부의 회전에너지를 결합하도록 하는 터빈 유닛을 구성하게 된다. 상기 래칫 수단의 래칫 기어와 래칫 걸쇠는 쌍을 이루는 결합 구성에 해당하여 이들의 설치가 실시예 5와 달리 구성될 수도 있어(블레이드부에 설치된 래칫 휠 기어 구성이 링 기어부에 설치되고, 반대로 링기어부에 설치된 래칫 멈춤(래칫 스토퍼) 구성이 블레이드부에 설치될 수 있음) 해당기술분야의 통상의 기술자가 예측 가능한 다른 결합구성도 본 발명의 기술범위에 포함된다.

도 15는 상기 터빈 유닛을 터빈 블레이드부와 링 기어부(도면부호 101), 그리고 터빈 블레이이드 부(도면부호 102)의 회전력을 링 기어부로 전달 및 차단하는 동력전달 결합부(도면부호 103)로 분리 구성하고, 터빈 유닛의 링 기어부 안쪽 면에는 터빈 블레이드부가 상대적으로 빠르게 회전하면 링 기어부와 블레이드부가 서로 나사결합의 원리에 의해 서로 조이면서 결합되는 방향(터빈-4가 반시계방향으로 빠르게 회전할 경우 나사 결합으로 조이기 위해서는 왼 나사 방향)으로 동력 결합용 가이드 홈(도면부호 103a)을 형성하고, 터빈 유닛의 블레이드부 회전체의 외면에는 상기 링 기어부에 형성된 동력 결합용 가이드 홈(도면부호 103a)과 결합되도록 동력 결합을 위한 구성(나사산에 해당하는 돌기 등의 구성, 도면부호 103c)을 형성하고, 링 기어부의 내주면을 따라 상기 동력 결합용 가이드 홈과 연결된 아이들링용 가이드 홈(도면부호 103b)을 형성함으로써 상기 터빈 유닛에서 터빈 블레이드부의 회전 속도가 링 기어부의 회전 속도에 비해 상대적으로 낮아지면 동력전달을 차단하기 위해 링 기어부는 인접 터빈유닛과 동조하면서 반시계방향으로 회전하고 블레이드부는 저속 또는 정지된 상태에서 동력결합 구성(도면부호 103c)이 동력 결합용 가이드 홈(103a)을 따라 시계방향으로 도는 효과를 가지게 되므로 왼나사에서 풀림 효과를 가지게 된다. 따라서 링 기어부와 블레이드부가 서로 풀리게 되어 회전에너지의 동력전달이 차단되게 되고, 이때 풀리는 방향으로 블레이드부 몸체가 후퇴하게 되나 완전히 풀려나와 분리되는 것을 방지하게 위해 링 기어 내주면을 따라 아이들링 가이드 홈(도면부호 103b)을 형성하여 후퇴한 블레이드부 몸체가 동력결합 구성(도면부호 103c)이 아이들링용 가이드 홈(103b)을 따라 겉돌게(아이들링) 되어 터빈 유닛이 아이들링 상태가 된다. 터빈 블레이드부의 회전 속도가 링 기어의 회전 속도에 비해 상대적으로 높아지면 터빈 블레이드부의 회전이 상대적으로 빠르게 되어 동력결합용 가이드 홈(103a)을 따라 블레이드부의 동력결합 구성(103b)이 조여 블레이드부의 회전에너지를 링 기어부로 전달 되도록 하는 동력전달 결합부를 포함하는 볼트와 너트의 나사결합 원리를 가지는 수단에 의해 터빈 블레이드부와 링 기어부의 회전에너지를 결합하도록 하는 터빈 유닛을 구성하게 된다. 상기 동력결합용 가이드 홈(103a)과 동력 결합을 위한 구성(103c)은 쌍을 이루는 결합 구성에 해당하여 이들의 설치가 실시예 6과 반대로 설치될 수도 있어(동력결합용 가이드 홈(103a)을 블레이드부에 설치하고 동력 결합을 위한 구성(103c)을 링 기어부에 설치될 수 있음) 해당기술분야의 통상의 기술자가 예측 가능한 다른 결합구성도 본 발명의 기술범위에 포함된다.

도 16 본 발명의 유체의 량을 조절할 수 있는 수문에 적용하여 전동식 수문을 원격으로 유선이나 앱을 통해 원격으로 제어하는 구성으로서, 수문 제어용 서버를 중심으로 현지의 전동식 수문을 제어하고 감시하는 원격제어모듈과 원격으로 수문의 상태 및 발전량을 감시하는 원격지의 제어단말로 구성된다.

수문을 제어하는 절차로서는 유선 및 무선제어 단말부에서 앱을 통해 방류량이나 발전량 등을 조절하는 운용 프로그램 및 스마트 단말기의 앱을 통해 원격 제어 명령을 서버로 전송하고, 수문 제어용 서버에서는 수신된 수문제어 명령을 분석하여 전동식 수문제어 원격 모듈로 제어명령을 송신한다. 이때 제어명령 전송은 유선 및 무선 전송선로를 포함하여 이루어진다. 제어 명령을 수신한 전동식 수문을 갖춘 수문제어용 원격모듈에서는 제어명령을 번역하여 해당 명령에 따라 수문을 제어하게 된다.

수문의 방류량, 발전량 등 치수를 위한 상황 정보 전송 절차는 전동식 수문을 관리하는 수문 제어용 원격모듈에서 수문의 상황정보를 무선이나 유선 전송로를 통해 수문 제어용 서버로 전송하고 전송된 상황정보는 원격 단말이나 무선 스마트 단말로 전송되어 실시간 감시가 가능하게 된다. 이때 원격지 제어 단말 측에는 현지에 설치된 유체에너지 이용 발전시스템에서 자체 발전된 전기에너지를 저장하고 이로부터 원격지 제어 단말에 전원을 공급하는 충방전용 배터리를 포함한다. 즉, 설치된 유체에너지 이용 발전시스템이 정지 중에 있다가 유체에너지 이용 발전 시스템을 재가동시킬 때 필요한 시동용 배터리 포함하고 있다.

따라서 도 16은 수문 등이 설치되어 있는 유체에너지 이용시스템에 유선이나 앱 등을 통하여 원격으로 방류량이나 발전량 등을 제어 및 감시하는 운용기능을 향상시켜 치수 및 발전량을 효율적으로 조절할 수 있는 원격제어 수단 구비하는 특징을 가진다.

21 : 중심축 22 : 베어링
23 : 블레이드 24 : 링 기어
25 : 회전체지지대 26 : 터빈 결속 기구
31 : 중심축 32 : 베어링
33 : 블레이드 34 : 링 기어
35 : 회전체지지대 36 : 터빈 결속 기구
41 : 중심축 42 : 베어링
43 : 블레이드 44 : 링 기어
45 : 회전체지지대 46 : 터빈 결속 기구
47 : 베벨기어
51 : 중심축 52 : 베어링
53 : 블레이드 54 : 링 기어
55 : 회전체지지대 56 : 터빈 결속 기구
57 : 중심축기어
62 : 동력변환기 63 : 부력장치
64 : 기둥 65 : 베이스
71 : 변속기 72 : 베이스
73 : 발전기
81 : 변속기 82 : 베이스
83 : 펌프 84 : 펌프흡입구
85 : 펌프토출구
101 : 링 기어부 102 : 터빈 블레이드부
103 : 동력전달 결합부
103a : 동력 결합용 가이드 홈
103b : 아이들링용 가이드 홈
103c : 동력 결합 구성
201 : 원뿔형태의 중심축 끝 202 : 다각형 봉
203 : 블레이드부 중심축
301 : 유체 흐름 방향 302 : 부력장치
303 : 격자형 터빈 유닛 304 : 하천바닥
305 : 하천의 수위 변화

Claims (14)

1. 유체의 역학에너지를 회전에너지로 변환하고 변환되는 에너지를 수집하기 위해 복수 개의 터빈유닛이 결합될 수 있도록 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛에 있어서,
   상기 터빈유닛은 유체의 역학에너지를 회전에너지로 변환하는 회전날개들로 구성되는 블레이드;
   상기 회전날개들의 외측과 결합할 수 있고 상기 터빈 유닛을 다른 터빈 유닛들과 직접 결속하기 위해 원통 형태를 가지며 외측에 기어 이가 형성된 링 기어; 및
   상기 터빈유닛이 결합되었을 때 블레이드 이외로 흐르는 유체를 블레이드로 유도하고 상기 블레이드와 링 기어를 독립적으로 지지하는 하우징;을 포함하되,
   상기 터빈유닛은 상기 링 기어를 통하여 직접 결합하는 인접 터빈유닛들은 각각의 블레이드 기울기 방향을 유체의 운동에너지 방향에 대하여 서로 반대로 형성하여 인접한 각각의 터빈유닛의 링 기어는 회전방향이 반대로 되고 결합 점에서는 동일한 접선운동 방향으로 링 기어가 회전하여 회전에너지를 서로 보강하여 주고받게 하며 원통형 링 기어가 형성된 터빈에 터빈의 회전에너지의 에너지원으로 작용하지 못하는 유체를 에너지원으로 작용하도록 유체 유도로가 구비되고 터빈 블레이드와 링 기어를 지지하는 하우징으로 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛을 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 터빈 유닛의 터빈 블레이드와 원통형 링 기어는 분리되어 있으며,
   상기 터빈 유닛에서 터빈 블레이드에 의해 회전에너지로 변환되는 회전 속도가 원통형 링 기어의 회전 속도 미만이거나 반대 방향이면 아이들링 되고,
   상기 터빈 블레이드에 의해 회전에너지로 변환되는 회전 속도가 링 기어의 회전 속도 이상이면 터빈 블레이드와 링 기어가 결속되어 동일한 방향과 회전 속도로 회전하며 에너지를 보강하도록 터빈 블레이드와 링 기어의 내면이 래칫으로 결합되는 것이 특징인 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛을 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 터빈 유닛의 터빈 블레이드와 원통형 링 기어는 분리되어 있으며,
   상기 터빈 유닛에서 터빈 블레이드에 의해 회전에너지로 변환되는 회전 속도가 원통형 링 기어의 회전 속도 미만이거나 반대 방향이면 터빈 블레이드와 링 기어가 분리되고,
   상기 터빈 블레이드에 의해 회전에너지로 변환되는 회전 속도가 링 기어의 회전 속도 이상이면 터빈 블레이드와 링 기어가 결속되어 동일한 방향과 회전 속도로 회전하며 에너지를 보강하도록 터빈 블레이드와 링 기어의 내면이 볼트ㆍ너트 나사결합의 원리로 결합되는 것이 특징인 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛을 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 터빈 유닛이 N×I(N≥1, I≥1)개 격자형상으로 결합되어 상기 터빈 유닛의 링 기어가 서로 체결되는 N×I(N≥1, I≥1)개의 터빈 유닛 결합체;
   상기 N×I개의 터빈 유닛 중에 수집된 회전에너지를 외부로 전달하기 위한 소정의 n×i(1≤n≤N, 1≤i≤I)번째 터빈유닛에 형성된 동력변환기; 및
   상기 N×I개의 터빈 유닛들을 결합하기 위한 격자형 가드레일;을 포함하며,
   상기 N×I개의 터빈 유닛들에 있어서, 링 기어를 통하여 서로 직접 결합하는 인접한 터빈 유닛은 상기 회전날개인 블레이드들의 기울기 방향이 유체에너지 방향에 대해 대칭으로 형성되어 동일 방향의 유체에너지에 대하여 반대 방향으로 회전하여 각각의 터빈 유닛의 링 기어가 결합하는 접속점에서의 접선운동 방향이 동일하여 회전에너지가 보강 결합하여 얻어진 회전에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 유체에너지 수집 시스템은 수위 변화 또는 결빙된 수면 또는 부유물 중 어느 하나 이상의 상황에도 일정한 유체에너지를 회전에너지로 변환할 수 있도록 터빈유닛들이 수면에서 일정한 수심에 위치하기 위해 부력장치를 더 포함하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용 시스템.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 유체에너지 수집 시스템;
   상기 n×i번째 터빈유닛의 상기 동력변환기와 체결되는 변속부; 및
   상기 변속부에서 전달되는 회전에너지로 전기를 생성하는 발전기 몸체;를 포함하는 수력 발전이 특징인 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용 시스템.
   
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 유체에너지 수집 시스템;
   상기 n×i번째 터빈유닛의 상기 동력변환기와 체결되는 변속부; 및
   상기 변속부에서 전달되는 회전에너지 이외 별도의 동력원이 없이 작동하는 펌프 몸체;를 포함하며,
   외부에서 투입하는 동력 에너지원이 없이 상기 유체에너지 수집 장치의 회전에너지를 이용하여 작동하는 펌프가 특징인 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용 시스템.
   
8. 제4항의 상기 터빈 유닛이 N×I개 결합된 유체에너지 이용시스템에 있어서,
   상기 N×I 개 격자 형상 터빈 유닛은 넓게 분산된 하천, 강 또는 이들의 보의 개구부(개사구), 수문에 설치하여 물의 유체에너지를 사용하거나, 협곡 사이, 구조물 사이의 기체 등의 유체에너지를 지형지물의 형태나 변화에 용이하게 적용할 수 있도록 설치되고;
   상기 개구부(개사구), 수문, 지형지물이 열린 만큼만 격자에 설치된 터빈 유닛들이 동작하고, 상기 개구부(개사구), 수문, 지형지물에 막혀 유체가 흐르지 못함에 의해 회전이 안되는 터빈 유닛들은 회전하는 터빈 유닛 층과 분리하는 수단을 포함하며;
   상기 분리수단으로서는 수평으로 연결된 개별 터빈들의 회전에너지를 모으는 동력변환기(n×i번째 터빈, 수평으로 n번째 수직으로 i 층에 위치한 동력변환기)을 수직방향으로 인접한 i+1 층 동력변환기 간에 회전에너지를 결합 또는 분리시키도록 수직방향 동력전달 결합기 구성(i 층 동력 변환기와 i+1 층 동력변환기간의 회전에너지 동력전달 결합기)을 포함하되;
   상기 수직방향 동력전달 결합기의 구성은 링 기어부와 블레이드부의 동력전달 결합기 작동원리와 같이 래칫 수단 또는 볼트ㆍ너트 나사결합 원리에 의한 수단을 사용하여 회전에너지가 발생하는 터빈 유닛 격자층의 동력변환기와 회전에너지가 발생하지 않는 터빈유닛 격자 층의 동력변환기의 동력 전달을 차단하여 회전에너지가 발생하지 않는 터빈 유닛 격자층의 동력변환기가 겉도는(아이들링) 상태가 되도록 하여 작동중인 터빈 유닛 격자층들의 동력변환기에 방해가 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
9. 제8항의 상기 터빈 유닛이 N×I개 결합된 유체에너지 이용시스템에 있어서,
   상기 터빈 유닛은 유체의 특성(유속, 유량)과 상기 개구부(개사구), 수문, 지형지물의 형상에 맞도록 터빈 유닛 특성(블레이드 크기, 유체 에너지 수집 용량)별로 각 모듈을 설정하고, 동일 특성 모듈들은 상호 기계적 결합이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
   
10. 제4항에 있어서,
    상기 n×i번째 터빈유닛에 형성된 상기 동력변환기는 회전력 또는 회전속도 또는 회전에너지 전달 방향 중 어느 하나 이상을 변환할 수 있게 상기 링 기어의 측면에 베벨기어를 형성한 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용 시스템.
    
11. 제4항에 있어서,
    상기 n×i번째 터빈유닛에 형성된 상기 동력변환기는 회전력 또는 회전속도 또는 회전에너지 전달 방향 중 어느 하나 이상을 변환할 수 있게 상기 링 기어가 형성된 터빈유닛의 중심축부의 연장선에 형성된 중심축기어인 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용 시스템.
    
12. 제2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 유닛 블레이드의 중심축 끝에 원뿔(테이퍼) 형태를 가지는 중심축 끝부분;
    상기 터빈유닛 하우징부에 상기 원뿔(테이퍼) 형태의 중심축 끝부분이 점접촉에 의해 중심축을 지지하는 단면이 원형 또는 다각형인 봉;
    상기 단면이 원형 또는 다각형인 봉을 터빈 유닛 하우징에 고정하기 위한 원형 또는 다각형 단면을 가지는 고정 홀;을 포함하되,
    상기 터빈 유닛의 블레이드를 지지하는 중심축의 끝이 원뿔(테이퍼) 형태이고 중심축 끝의 원뿔(테이퍼) 부분의 빗변에 단면이 원형 또는 다각형인 봉을 접촉시켜 지지하여 봉과 테이퍼가 점 접촉하게 하며, 봉은 소켓형태로 구성되어 교체가 가능하고, 원뿔 형태의 중심축 끝 부분과 중심축의 결합은 볼트ㆍ너트 나사결합원리로 연결됨으로써, 상호 결합과 분리가 가능하여 교체 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
    
13. 제8항에 있어서,
    상기 개구부(개사구)와 지형지물에 설치된 전동식 수문;
    상기 전동식 수문 제어용 서버; 전동식 수문에 설치된 수문제어용 원격모듈; 전동식 수문에 설치된 충방전용 배터리; 유무선 통신기능을 가지는 이동통신 단말 및 수문 제어용 절차를 가지는 프로그램(앱 포함);을 포함하되,
    상기 전동식 수문을 제어하는 절차로서 유무선 통신기능을 가지는 이동통신 단말부에서 제어 프로그램(앱 포함)을 통해 방류량이나 발전량 등을 조절하는 수문 제어 명령을 서버로 전송하고, 수문 제어용 서버에서는 수신된 수문제어 명령을 분석하여 전동식 수문제어용 원격모듈로 제어명령을 송신하며, 제어 명령을 수신한 전동식 수문에 설치된 수문제어용 원격 모듈에서는 제어명령을 번역하여 해당 명령에 따라 수문을 제어하되,
    전동식 수문에 설치되는 충방전용 배터리는 현지에 설치된 유체에너지 이용 발전시스템에서 자체 발전된 전기에너지를 저장하고 이로부터 제어 단말에 전원을 공급하여 설치된 유체에너지 이용 발전시스템이 정지 중에 있다가 유체에너지 이용 발전 시스템을 재가동시킬 때 필요한 초기 시동용 전원을 공급하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
    
14. 제4항의 상기 터빈 유닛이 N×I개 결합된 유체에너지 이용시스템에 있어서,
    상기 N×I 개 격자 형상 터빈 유닛은 넓게 분산된 하천, 강에 띄운 채로 작동되는 격자형 터빈 유닛으로서, 수면의 높이가 달라짐에 따라 터빈 블레이드가 회전하는 격자 층은 수면 쪽으로 올라가고 회전하지 않는 격자 층은 바닥면으로 향하게 하여 하천, 강의 수위가 변화됨에 따라 가동되는 격자 터빈 유닛 층을 가변시킬 수 있는 구성을 포함하는 원통형 링 기어가 형성된 터빈 유닛 결합체를 가지는 유체에너지 이용시스템.
    
    

Images