KR20190023151A - 수직형 유수력 발전장치 - Google Patents

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KR20190023151A KR1020170108458A KR20170108458A KR20190023151A KR 20190023151 A KR20190023151 A KR 20190023151A KR 1020170108458 A KR1020170108458 A KR 1020170108458A KR 20170108458 A KR20170108458 A KR 20170108458A KR 20190023151 A KR20190023151 A KR 20190023151A
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Abstract

본 발명은, 강이나 하천 또는 바다에서 높낮이 차이가 없이 흐르는 물에 일정 간격을 두고 보트 등을 배치하고 그 사이에 터빈을 설치함으로써 전력이 필요한 지역으로 수시로 이동시켜 발전할 수 있고, 블레이드를 수직으로 설치하여 발전기가 항시 수면(水面) 위에 위치하도록 설치하여 유지 관리가 매우 편리하며, 블레이드의 상단과 하단에 각각 캡을 연결 고정시켜 블레이드 회전시 진동 및 비틀림을 방지하고 회전저항을 최소화하여 발전효율을 높일 수 있는, 수직형 유수력 발전장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

수직형 유수력 발전장치{Vertical stream hydraulic power generation turbine}
본 발명은 유수력 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강이나 하천 또는 바다에서 유수(流水), 즉 높낮이 차이가 없이 흐르는 물을 이용하여 터빈을 회전시켜 발전하는 수직형 유수력 발전장치에 관한 것이다.
전력을 생산하는 방법은 화력발전, 원자력발전, 수력발전, 태양광발전, 풍력발전, 조력발전 등이 있다. 화력발전 및 원자력발전은 열에 의해 발생한 증기로 발전기 내의 터빈을 회전시켜 전기를 발생시키는 방식인데, 화력발전은 석탄 또는 석유 등의 화석연료를 에너지원으로 사용하는 것으로 발전소의 건설비가 상대적으로 저렴하나, 화석연료의 매장량이 한정되어 있을 뿐만 아니라 화석연료가 연소하면서 공해를 배출하여 환경오염을 유발시키는 문제가 있다. 또, 원자력발전은 우라늄 등의 방사성 물질이 핵분열 할 때 발생하는 막대한 양의 열을 에너지원으로 사용하는 것으로, 발전용량은 크지만 핵연료의 사용에 따른 안전성과 발전과정에서 발생하게 되는 원자력 폐기물 등에 의한 환경오염 등의 문제점이 있어서 최근 정부에서도 탈원전 문제를 심각하게 고려하여 공론화하고 있다.
수력발전은 물의 낙차를 이용하여 물이 가지고 있는 물리적인 위치에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전방식인데, 발전 원가가 매우 저렴하지만, 자연적인 낙차를 가진 곳은 그다지 많지 않기 때문에 발전소가 건설될 수 있는 지역이 제한적이므로 인공축조 댐을 이용한 형태로 설치되었는데, 이러한 대규모 댐의 건설은 막대한 건설비가 소요될 뿐만 아니라 넓은 면적의 땅이 수몰되므로 지역주민 이주에 따른 사회적 문제와, 자연적인 물의 흐름을 지체시켜 생태계 파괴 및 각종 환경문제를 발생시키는 원인이 되므로 최근에는 댐 건설 자체를 관련 기관 및 단체에서 엄격하게 제약하고 있으며, 댐 건설 자체가 점차 축소되고 있다.
이와 같이 기존에는 수력발전은 댐이나 제방을 이용하여 저장된 물의 낙차를 이용하기 위하여 좁은 수로로 유입시켜 터빈에 회전 동력을 줌으로써 전력을 생산하는 낙차식 수력발전이 대세를 이루었다. 예를 들면, 특허등록 제1003296호 "수차 및 이를 이용한 수력발전 구조물", 특허등록 제1061213호 "부력을 이용한 수력발전기관 및 수력발전 방법", 특허등록 제1396667호 "수력발전기용 수차" 등 다양한 기술이 출현하였다. 하지만, 상기 기술들은 유량이 풍부하고 낙차가 커서 일반적인 수력발전을 위한 입지조건을 갖춘 지역에 설치하기 위한 기술들이어서 유량 차이가 클 때는 유량에 맞춰 대응할 수가 없기 때문에 강의 폭이 크고, 갈수기와 평상시 및 홍수기에 각각 흐르는 강물의 유량 차이가 크며, 낙차가 작은 지역에 적용할 수가 없다는 것이 가장 큰 문제이다.
이와 같은 문제를 감안하여 낙차 없이 순수하게 흐르는 물의 유속만으로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 유수력(流水力) 수력발전방식이 출현하게 되었다. 예를 들면, 특허등록 제827790호 "조력 및 유수력을 이용한 발전용 수차장치", 특허등록 제1190780호 "유체 흐름의 방향을 따라 회전 이동하는 유수력 발전장치", 특허등록 제1390608호 "유수력을 이용한 수력발전용 수차", 공개특허 제2010-116777호 "에너지 토출을 극대화한 유수력 발전기" 등이다.
하지만, 상기 특허들은 발전장치 자체가 가변적이지 않고 고정되어 있어서 한번 설치한 발전장치를 다른 곳으로 옮겨서 다양한 유수(流水) 환경에 적용할 수 없다는 구조적 문제점과 효율에 많은 문제가 있고, 구조가 복잡할 뿐만 아니라 설치가 불편하고 설치비가 과다하게 소요되는 등의 문제로 인하여 실제로 설치되어 운용되고 있지 못하다는 현실적인 문제가 있다.
한편, 지금까지 출현한 유수력 발전장치는 터빈을 수평으로 설치하는 수평식 유수력 발전장치가 많았는데, 터빈을 수평으로 배치하는 수평식의 경우에는 발전기가 수중에 잠겨 있기 때문에 누수 등으로 인하여 고장이 발생했을 경우에는 수리 작업에 어려움이 많고, 수중에 있는 각종 쓰레기 또는 부유물이 블레이드에 걸리고 엉키면서 터빈이 회전할 수 없게 되는 등 많은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 강이나 하천 또는 바다에서 높낮이 차이가 없이 흐르는 물에 일정 간격을 두고 보트 등을 배치하고 그 사이에 터빈을 설치함으로써 전력이 필요한 지역으로 수시로 이동시켜 발전할 수 있고, 블레이드를 수직으로 설치하여 발전기가 항시 수면(水面) 위에 위치하도록 설치하여 유지 관리가 매우 편리하며, 블레이드의 상단과 하단에 각각 캡을 연결 고정시켜 블레이드 회전시 진동 및 비틀림을 방지하고 회전저항을 최소화하여 발전효율을 높일 수 있는, 수직형 유수력 발전장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 수직형 유수력 발전장치는, 측면으로 일정 간격을 두고 배치되어 물 위에 떠있으며, 고정부재에 의해 전방과 후방부분에서 각각 서로 연결되어 일체로 고정된 한 쌍의 지지체 사이에 배치되는데, 상기 발전장치는, 한 쌍의 지지체 상에 각각 설치된 샤프트지지대에 양단(兩端)이 지지되어 설치된 샤프트; 샤프트의 중간부분에 설치되며, 내부에 발전기를 포함한 장치가 보관된 장치보관함; 수직으로 설치되고, 상단이 상기 장치보관함 내부까지 연결되어 발전기와 연결되도록 배치된 회전축; 수평방향으로 배치되고, 상기 회전축의 상부부분과 하단에 고정 설치된 상단고정판 및 하단고정판; 회전축 주위에 등간격으로 배치되어, 블레이드홀더에 의해 상기 상단고정판 및 하단고정판과 각각 연결된 블레이드; 상기 블레이드의 상단과 하단에서 인접하여 배치된 블레이드끼리 서로 연결하여 고정시키는 연결구;를 포함하여 구성되어, 유수(流水)를 이용하여 블레이드가 회전하여 발전하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 회전축은 블레이드 상단으로부터 중간부분까지만 배치되고, 하단고정판은 원판 형상으로 구성된다.
바람직하게는, 하단고정판과 블레이드를 연결하는 블레이드홀더는, 회전방향으로 보아 블레이드홀더의 후단 가장자리가 톱니 형상으로 형성되어 구성된다.
바람직하게는, 장치보관함의 외주면에는 길이방향을 따라 보강대 역할을 하는 리브(rib)가 형성되어 구성된다.
본 발명에 따른 수직형 유수력 발전장치는, 강이나 하천 또는 바다에서 높낮이 차이가 없이 흐르는 물에 일정 간격을 두고 한 쌍의 지지체(보트 등)를 배치하고 그 사이에 터빈을 설치한 구조이기 때문에 분해할 필요없이 발전장치 그대로를 전력이 필요한 임의의 지역으로 수시로 이동시켜 발전할 수 있다. 또한, 블레이드를 수직으로 설치한 구조이기 때문에 발전기 등의 장치가 항시 수면(水面) 위에 위치하게 되므로 발전기 등으로의 누수의 염려가 없고, 고장이 발생하여 수리를 한다거나 점검 등을 위한 유지 관리 및 수리가 매우 편리하다.
또, 블레이드의 상단과 하단에 각각 연결구에 의해 블레이드끼리 일체로 연결 고정시킨 구조이기 때문에 블레이드 회전시 진동 및 비틀림이 방지되어 안정적으로 발전할 수 있으며, 회전축의 길이를 짧게 하여 블레이드의 길이에서 중간 이하 부분에는 회전축이 없고 블레이드와 회전축의 상단부분은 수면 상에 노출되는 구조이기 때문에 유수(流水)의 흐름에 방해가 되어 회전저항으로 작용하는 구성이 줄어들게 되어 회전저항이 최소화되므로 발전효율을 현저하게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유수력 발전장치가 지지체에 설치된 상태의 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도와 평면도이다.
도 3은 유수력 발전장치의 회전축에 블레이드가 결합된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 수직형 유수력 발전장치의 기술적 특징은, 발전장치를 지지하는 양 지지체(보트 등) 사이에 터빈을 배치하여 필요한 장소로 수시로 이동시킬 수 있게 했다는 점과, 블레이드를 수직으로 설치함으로써 이물질과 엉키지 않으면서 발전기가 항시 물 위에 위치하게 되어 유지 관리를 편리하게 했다는 점과, 블레이드의 상단과 하단을 각각 서로 연결 고정시켜 진동 및 비틀림 발생을 방지하고 회전축을 블레이드의 중간까지만 배치해서 회전저항을 최소화하여 발전효율을 높일 수 있게 했다는 점이다.
본 발명에 따른 유수력 발전장치는, 물의 낙차를 이용하여 발전하는 것이 아니라 유수(流水), 즉 흐르는 물의 유속을 이용하여 블레이드를 회전시켜 발전을 하기 때문에 강이나 하천 및 바다 등 흐르는 물이 있는 곳에는 어디에나 설치 가능하며, 일단 설치했다가 분해할 필요도 없이 장치 그대로를 임의의 장소로 언제든지 이동시켜 사용할 수 있다는 점이 특징이며 유속이 빠를수록 발전효율이 높다.
발전장치가 흐르는 물에 설치되기 때문에 발전장치(20)를 지지해 줄 한 쌍의 지지체(10)가 필요한데, 한 쌍의 지지체(10)는 측면으로 일정 간격을 두고 배치되어 물 위에 떠있으며, 고정부재(11)에 의해 지지체(10)의 전방과 후방부분에서 각각 서로 연결되어 일체로 고정 설치되게 된다. 지지체(10)는 물 위에 떠서 발전장치를 지지해 줄 수 있는 물체면 어떤 것이나 사용 가능하므로 바지선(barge 船), 보트, 합성수지 재질로 사각이나 원형 또는 다각형 등 다양한 형상으로 제작된 폰툰(pontoon)이나 부이(buoy) 등을 사용할 수 있다.
한 쌍의 지지체(10) 사이와 고정부재(11) 사이에 배치되는 발전장치(20)는, 지지체(10) 사이에 발전장치를 지지해 주는 샤프트(21), 상단고정판(242) 및 하단고정판(241)이 고정 설치되어 있으며 블레이드(24) 회전시 중심축 역할을 하는 회전축(23), 회전축(23)과 블레이드(24)를 연결하여 고정시키는 블레이드홀더(243, 243'), 상단과 하단에서 인접한 블레이드(24)끼리 연결 고정시키는 연결구(244)를 기본적으로 구비하게 된다.
샤프트(21)는 지지체(10) 상에 설치되어 있는 샤프트지지대(12)에 양단(兩端)이 각각 지지되어 설치되며, 한 쌍의 지지체(10) 사이에서 발전장치(20)를 지지해 주게 된다. 샤프트지지대(12)에는 단면(斷面)이 'ㄱ'자 형상의 레버(13)가 결합되고, 지지체(10) 상에서 샤프트지지대(12)의 양측으로 일정거리 이격된 지점에는 레버고정구(131, 131')를 설치하여 레버(13)의 단부(端部)를 고정시키게 함으로써 샤프트(21)가 흔들리지 않고 고정될 수 있게 된다. 또한, 발전장치(20)를 수리하거나 점검할 때는 레버(13)와 레버고정구(131)의 결합을 해체한 다음 발전장치(20)를 샤프트(21)를 중심으로 회전시키면 발전장치(20)가 수평으로 위치하게 되고 'ㄱ'자 형상의 레버(13)도 회전하게 되면서 샤프트지지대(12)의 반대측에 있는 레버고정구(131')와 결합시키면 발전장치(20)가 수평인 상태에서 위치가 고정되게 된다.
샤프트(21)의 길이방향에서 중간부분에는 장치보관함(22)이 설치되어 있는데, 장치보관함(22) 내부에는 발전기(222)를 포함한 각종 장치가 보관된 박스이다. 수력발전에 필요한 각종 장치가 장치보관함(22) 내부에 배치되어 있고, 장치보관함(22)이 수면 위에 위치하게 되기 때문에 누수 등의 문제가 전혀 없을 뿐만 아니라 고장이 발생하여 수리를 하거나 일상 또는 정기점검을 하려고 할 때도 편리하여 유지 관리면에서 매우 유용하다.
또한, 장치보관함(22)은 단면(斷面)을 사각형 형상의 박스로 하는 것이 바람직한데, 사각형 형상의 각 모서리에는 박스 형상의 외주면에 수직이 되도록 길이방향을 따라 리브(rib)(221)를 형성하여 보강대 역할을 하게 함으로써 발전장치(20)의 무게에 의해 샤프트(21)가 처지는 것을 방지해 줄 수 있다(도 1 참조).
회전축(23)은 수직으로 설치되고, 상단이 장치보관함(22) 내부까지 연결되어 발전기(222)와 연결되도록 배치된다. 회전축(23)은 블레이드(24)의 하단부분까지 배치할 수도 있지만, 유수력 발전에서 기술적으로 가장 큰 문제는 유수(流水)의 흐름을 방해하는 흐름저항을 최소화하는 것이므로, 회전축(23)이 유수의 흐름을 방해하는 장애물로 작용하는 것을 방지하여 흐름저항을 최소화하기 위해 회전축(23)은 블레이드(24) 상단으로부터 중간부분까지만 배치하고, 블레이드(24) 길이의 중간 하부에는 회전축(23)이 없다는 것이 본 발명의 가장 큰 기술적 특징 중 하나이다.
블레이드(24)를 회전축(23)에 연결시키기 위하여 회전축(23)의 상부부분과 하단에는 상단고정판(242) 및 하단고정판(241)이 각각 고정 설치되는데, 상단고정판(242) 및 하단고정판(241)은 수평방향으로 배치되고, 상단고정판(242)은 물 위에 위치하게 되기 때문에 형상이 큰 영향을 미치지 않지만, 하단고정판(241)은 물 속에 위치하게 되기 때문에 회전시 저항을 최소화할 수 있는 원판 형상으로 하는 것이 바람직하며, 상단고정판(242)과 하단고정판(241)은 크기를 동일하게 해도 상관은 없으나, 상단고정판(242)은 수면 위에 위치하게 되기 때문에 전체적인 무게를 줄이기 위하여 크기를 작게 형성하는 것이 바람직하다.
블레이드(24)는 회전축(23) 주위에 등간격으로 배치되어, 상단고정판(242) 및 하단고정판(241)과 블레이드홀더(243, 243')에 의해 각각 연결되게 된다. 하단고정판(241)과 블레이드(24)를 연결하는 블레이드홀더(243')는, 회전방향에서 봤을 때 블레이드홀더(243')의 후단 가장자리가 톱니 형상으로 형성되어 있어서, 박리현상이 원활하게 일어나게 되므로 회전저항을 줄일 수 있게 된다.
또한, 인접하여 배치된 블레이드(24)끼리 서로 연결 고정시키기 위해 연결구(244)를 구비하게 되는데, 상기 연결구(244)는 블레이드의 상단과 하단에서 인접하여 배치된 블레이드(24)끼리 서로 연결하여 고정시키게 된다. 블레이드(24)의 상단은 수면 위에 위치하게 되기 때문에 저항에 상관없이 블레이드끼리의 결속력만 강하게 할 수 있으면 되지만, 블레이드(24)의 하단은 물에 잠겨있기 때문에 결속력도 강하고 물의 저항을 최소화할 수 있어야 한다. 이와 같이 인접하여 배치된 블레이드(24)끼리 연결 고정시킨 경우에는 회전축(23)이 회전하면서 블레이드(24)가 회전할 때 진동 및 비틀림이 방지되어 안정적으로 발전할 수 있게 된다. 물론 연결구(244)는 원형 형상으로 하나로 형성한 것이어도 좋고, 원호형으로 하여 인접하는 블레이드(24)끼리만 연결하도록 형성하여 전체적으로 연결해도 상관없다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 지지체 11 : 고정부재
12 : 샤프트지지대 13 : 레버
131, 131' : 레버고정구
20 : 발전장치 21 : 샤프트
22 : 장치보관함 221 : 리브(rib)
222 : 발전기
23 : 회전축 24 : 블레이드
241 : 하단고정판 242 : 상단고정판
243, 243' : 블레이드홀더 244 : 연결구

Claims (6)

  1. 측면으로 일정 간격을 두고 배치되어 물 위에 떠있으며, 고정부재에 의해 전방과 후방부분에서 각각 서로 연결되어 일체로 고정된 한 쌍의 지지체;
    상기 한 쌍의 지지체 사이와 고정부재 사이에 배치되는 발전장치;
    를 구비하여 구성되고, 상기 발전장치는,
    상기 한 쌍의 지지체 상에 각각 설치된 샤프트지지대에 양단(兩端)이 지지되어 설치된 샤프트;
    상기 샤프트의 중간부분에 설치되며, 내부에 발전기를 포함한 장치가 보관된 장치보관함;
    수직으로 설치되고, 상단이 상기 장치보관함 내부까지 연결되어 발전기와 연결되도록 배치된 회전축;
    수평방향으로 배치되고, 상기 회전축의 상부부분과 하단에 고정 설치된 상단고정판 및 하단고정판;
    상기 회전축 주위에 등간격으로 배치되어, 블레이드홀더에 의해 상기 상단고정판 및 하단고정판과 각각 연결된 블레이드;
    상기 블레이드의 상단과 하단에서 인접하여 배치된 블레이드끼리 서로 연결하여 고정시키는 연결구;
    를 포함하여 구성되어, 유수(流水)를 이용하여 블레이드가 회전하여 발전하는 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전축은 블레이드 상단으로부터 중간부분까지만 배치된 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하단고정판은 원판 형상인 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하단고정판과 블레이드를 연결하는 블레이드홀더는, 회전방향으로 보아 블레이드홀더의 후단 가장자리가 톱니 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장치보관함의 외주면에는 길이방향을 따라 리브(rib)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트지지대에는 단면(斷面)이 'ㄱ'자 형상인 레버가 결합되며, 샤프트지지대의 양측으로는 일정 거리 이격되어 레버고정구가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수직형 유수력 발전장치.
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