KR20190025390A - 수력 발전 장치 및 이를 포함하는 수력 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

흐르는 물 상에 배치되는 수력 발전 장치가 제공된다. 일 실시예에 따르면 수력 발전 장치는, 복수의 날개를 구비하여 흐르는 물의 흐름에 따라 회전하는 하우징; 하우징 내 수용되고, 하우징의 회전에 의해 회전되는 회전축을 구비하여 회전축의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 모듈; 발전 모듈의 양 측 각각에 설치되어 발전 모듈로의 흐르는 물의 유입을 차단하는 캡; 및 캡에 연결되어 하우징 및 발전 모듈을 흐르는 물 상에 떠 있게 하는 부력 장치를 포함할 수 있다.

Description

수력 발전 장치 및 이를 포함하는 수력 발전 시스템{HYDROELECTRIC POWER GENERATION DEVICE AND HYDROELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM COMPRISING SAME}
본 개시는 수력 발전 장치 및 이를 포함하는 수력 발전 시스템에 관한 것이다.
수력 발전 방식은, 저수댐에 설치되어 있는 수문에 소수차 발전기를 설치하여 댐에서 방수되는 물을 이용하여 전력을 생산하는 방식이 있다. 그러나, 이와 같은 소수차 발전기는 기존의 댐에서 수문을 열 때 발생하는 고속의 유량의 힘을 이용하는 방식으로서, 반드시 댐의 수문 또는 그와 유사한 고속 유동 환경에만 사용되어, 범용성이 매우 떨어지며, 댐이나 수문설비 등이 없는 위치에 설치되어 사용하는 경우, 원하는 수준의 발전량에 도달하는 것이 어렵다.
또한, 이러한 소수차 발전기는 대부분이 낙차가 큰 곳에 위치해 있으며, 또한, 낙차가 큰 입지 자체가 토지 개발에 따라 줄어들고 있는 실정이다. 또한, 수력 발전을 위해 댐을 설치하면 어도를 설치하더라도 수중생태계의 상하류 교차를 막아 생태계에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 수력의 이용에서 대형 수력 발전 장치의 공간 영역을 벗어나 더 넓은 범위로 확장되기 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 흐르는 물 위에 떠 있는 상태에서 설치되는 수력 발전 장치가 제공된다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 복수의 수력 발전 장치로부터 생산된 전기 에너지를 송전 장치를 통해 육지로 전달하는 수력 발전 시스템이 제공된다.
본 개시의 일 실시예에 따른 흐르는 물 상에 배치되는 수력 발전 장치에 있어서, 복수의 날개를 구비하여 흐르는 물의 흐름에 따라 회전하는 하우징; 하우징 내 수용되고, 하우징의 회전에 의해 회전되는 회전축을 구비하여 회전축의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 모듈; 발전 모듈의 양 측 각각에 설치되어 발전 모듈로의 흐르는 물의 유입을 차단하고 하우징에 대해 비회전 요소로 작용하는 캡; 및 캡에 연결되어 하우징 및 발전 모듈을 흐르는 물 상에 떠 있게 하는 부력 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발전 모듈은, 하우징 내 수용되는 내부 하우징; 내부 하우징 내 설치되고, 코일을 구비하는 고정자; 및 자성 물질을 포함하고 회전축과 함께 고정자에 대해 상대적으로 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 흐르는 물의 바닥에 고정된 고정 기둥; 일 단이 고정 기둥에 연결된 연결 장치; 및 연결 장치의 타 단이 연결되고, 하우징에 대한 내부 하우징의 회전이 방지되도록 내부 하우징을 홀딩하는 홀딩 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 흐르는 물보다 비중이 큰 웨이트 장치; 일 단이 웨이트 장치에 연결된 연결 장치; 및 연결 장치의 타 단이 연결되고, 하우징에 대한 내부 하우징의 회전이 방지되도록 내부 하우징을 홀딩하는 홀딩 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연결 장치는 흐르는 물의 흐름의 반대 방향으로 홀딩 장치를 당기도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징은, 복수의 날개가 외주면에 일체로 형성된 원통형 쉘을 구비하는 임펠러 하우징일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 회전축의 회전수를 증가키시도록 구성되는 가속 기어 장치를 더 포함하고, 가속 기어 장치는, 외주면이 하우징에 결합되어 하우징과 함께 회전하고, 내주면에 기어 치형이 형성된 제1 기어; 제1 기어와 맞물리는 제2 기어; 및 제2 기어와 맞물리고 회전축과 함께 회전하는 제3 기어를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 기어의 지름의 크기는 제2 및 제3 기어의 각각의 지름보다 크도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 기어의 회전축은 내부 하우징에 고정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 하우징과 캡 사이에 배치되고 내부 하우징의 일 단부를 폐쇄하는 내부 캡을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징 및 내부 하우징 사이에 개재되어 하우징을 내부 하우징 및 내부 캡에 대하여 회전가능하게 하는 제1 베어링을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징과 내부 캡 사이 각각에 개재되어 하우징을 내부 하우징 및 내부 캡에 대하여 회전가능하게 하는 제2 베어링을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 캡과 회전축 사이 및 내부 하우징과 회전축 사이 각각에 개재되는 제3 베어링 및 제4 베어링을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캡 및 하우징 사이에 개재되는 제1 실링 장치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발전 모듈은, 회전축과 내부 하우징 사이에 개재되는 제2 실링 장치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 캡과 내부 하우징 사이에 배치되는 제3 실링 장치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 흐르는 물의 바닥에 매립되는 전기 에너지 저장 장치를 더 포함하고, 전기 에너지 저장 장치는 발전 모듈과 전기적으로 연결되어 발전 모듈에서 생산된 전기 에너지가 전기 에너지 저장 장치에 저장될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따른 흐르는 물로부터 에너지를 하베스팅하기 위한 수력 발전 시스템에 있어서, 흐르는 물의 바닥에 고정된 복수의 고정 기둥; 복수의 고정 기둥 각각에 연결되는 복수의 수력 발전 장치; 및 복수의 수력 발전 장치에서 생산되는 전기 에너지를 육지로 전달하는 송전 장치를 포함하고, 수력 발전 장치는, 복수의 날개를 구비하여 흐르는 물의 흐름에 따라 회전하는 하우징; 하우징 내 수용되고, 하우징의 회전에 의해 회전되는 회전축을 구비하여 회전축의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 모듈; 발전 모듈의 양 측 각각에 설치되어 발전 모듈로의 흐르는 물의 유입을 차단하는 캡; 및 캡에 연결되어 하우징 및 발전 모듈을 흐르는 물 상에 떠 있게 하는 부력 장치를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 흐르는 물이 존재하는 임의의 위치에서 수력 발전 장치를 설치할 수 있다.
또한, 하우징이 내부 하우징에 대하여 상대적으로 회전하면서 전기 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 수력 발전 장치에서 생산되는 전기 에너지를 전기 에너지 저장 장치에 저장할 수 있다.
또한, 복수의 수력 발전 장치와 송전 장치를 이용하여 대용량의 전기 에너지를 육지로 전달할 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따른 수력 발전기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수력 발전기에서 수력 발전 장치와 홀딩 장치가 분해된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수력 발전 장치를 I-I 방향으로 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 수력 발전 장치를 R1 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 수력 발전 장치를 R2 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 6은 도 2에 도시된 수력 발전 장치를 II-II 방향으로 절단한 단면도이다.
도 7은 도 2에 도시된 수력 발전 장치를 III-III 방향으로 절단한 단면도이다.
도 8은 본 개시의 제2 실시예에 따른 수력 발전기를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 개시의 제3 실시예에 따른 수력 발전기를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 개시의 제4 실시예에 따른 수력 발전기 시스템을 나타낸 사시도이다.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.
본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
본 개시에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
본 개시에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따른 수력 발전기(1)를 나타낸 사시도이다.
수력 발전기(1)는 고정 기둥(10), 연결 장치(20), 홀딩 장치(30), 및 수력 발전 장치(100)를 포함할 수 있다. 고정 기둥(10)은 하측 단부가 흐르는 물(W)의 바닥(B)에 박히는 것에 의하여 고정 기둥(10)의 위치가 고정될 수 있다. 연결 장치(20)는, 일 단부가 고정 기둥(10)에 연결되고 타 단부는 홀딩 장치(30)에 결합될 수 있다. 홀딩 장치(30)는 수력 발전 장치(100)의 회전하는 부분이 회전하지 않는 부분에 대하여 상대적으로 회전하도록 회전하지 않는 부분을 홀딩할 수 있으며, 자세한 설명은 후술한다.
흐르는 물(W)은, 바닷물, 강물, 호숫물, 냇물 등에서 유동이 발생하는 모든 형태의 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흐르는 물로써 강물의 흐름, 해상의 조류, 또는 파도 등이 이용될 수 있다. 또한, 흐르는 물의 흐름은 자연 현상에 의하여 발생하거나 유도된 흐름 작용에 대해서도 발생할 수 있다. 다른 예로, 고정 기둥(10)이 보트에 매달린 상태로 이동하는 경우, 보트의 이동에 의하여 발생하는 물의 흐름 상에 수력 발전 장치(100)가 배치될 수 있다. 따라서, 수력 발전기(1)가 설치되는 상황은 댐과 같은 별도의 큰 구조물이 필요로 하지 않으며, 수력 발전기(1)는 환경 친화적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.
일 실시예에서, 연결 장치(20)는 흐르는 물의 흐름 방향(W1)의 반대 방향(T1)으로 홀딩 장치(30)를 당기도록 구성될 수 있다. 흐르는 물의 흐름이 발생하지 않는 경우에, 연결 장치(20)는 홀딩 장치(30)를 당기지 않을 수 있으며, 수력 발전 장치(100)가 고정 기둥(10)에 가깝게 배치되는 경우가 발생할 수 있다. 이와 달리, 흐르는 물이 흐름 방향(W1)으로 흐르는 경우, 수력 발전 장치(100)는 고정 기둥(10)으로부터 멀어지게 되며, 연결 장치(20)가 홀딩 장치(30)를 흐름 방향(W1)의 반대 방향(T1)으로 당기게 되고, 흐르는 물의 흐름이 하우징(110)이 회전시킬 수 있다. 또한, 이러한 과정에서 하우징(110)의 회전 에너지가 전기 에너지로 변환될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 수력 발전기(1)에서 수력 발전 장치(100)와 홀딩 장치(30)가 분해된 모습을 나타낸 사시도이다.
일 실시예에서, 하우징(110)은, 복수의 날개(112)가 본체의 외주면에 일체로 형성된 원통형 쉘(111)을 구비하는 임펠러 하우징일 수 있다. 원통형 쉘(111)의 내부에는 도 3에 도시된 발전 모듈(120)이 수용될 수 있다. 하우징(110)의 날개(112)는 흐르는 물의 흐름에 힘을 받아서 발전 모듈(120)의 회전하지 않는 부분에 대하여 회전할 수 있다.
수력 발전 장치(100)는 수력 발전 장치(100)의 내부, 즉 발전 모듈(120)로 흐르는 물의 유입을 차단하고 하우징(110)에 대해 비회전 요소로 작용하는 캡(130)을 포함할 수 있다. 또한, 부력 장치(140)는 캡(130)에 연결되어 수력 발전 장치(100)를 흐르는 물 상에 떠 있게 할 수 있다. 부력 장치(140)는 수력 발전 장치(100)의 하우징에 수력 발전 장치(100)가 물 아래로 잠기지 않도록 부력을 제공할 수 있다. 도 1을 참고하면, 예컨대, 부력 장치(140)에 의하여 제공되는 부력의 크기는 하우징(110)의 대략 절반 정도가 흐르는 물에 잠기는 정도의 크기가 될 수 있다.
캡(130)은 축방향(R)으로 연장 형성된 연결바(136)를 포함할 수 있다. 연결바(136)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있다. 또한, 홀딩 장치(30)에는 상기 연결바(136)의 단면과 대응하는 형상을 가지는 제1 구멍(31, 33) 및 도 1에 도시된 연결 장치(20)의 타 단이 결합되는 제2 구멍(32)이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 구멍(31, 33)에 연결바(136)가 관통된 상태에서는 캡(130)은 홀딩 장치(30)에 대하여 회전하지 않고, 위치가 고정될 수 있다. 또한, 연결 장치(30)의 위치가 고정되는 경우, 캡(130)의 위치 또한 고정되고, 하우징(110)은 캡(130)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다. 즉, 홀딩 장치(30)는 하우징(110)에 대한 캡(130)의 회전이 방지되도록 캡(130)을 홀딩할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 수력 발전 장치(100)를 I-I 방향으로 절단한 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 수력 발전 장치(100)를 R1 방향에서 바라본 분해 사시도이며, 도 5는 도 2에 도시된 수력 발전 장치(100)를 R2 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 3 내지 5를 참고하면, 캡(130)은 제1 캡(131) 및 하우징(110)을 기준으로 제1 캡(131)의 반대측에 배치되는 제2 캡(132)을 포함할 수 있다. 또한, 부력 장치(140)는 제1 부력 장치(141) 및 하우징(110)을 기준으로 제1 부력 장치(141)의 반대측에 배치되는 제2 부력 장치(142)를 포함할 수 있다. 제1 캡(131)은 축방향(R)으로 연장 형성된 제1 연결바(1313)를 포함하고, 제2 캡(132)은 축방향(R)으로 연장 형성된 제2 연결바(1323)를 포함할 수 있다. 제1 부력 장치(141)는 제1 연결바(1313)에 의하여 관통되어 제1 캡(131)과 결합될 수 있다. 또한, 제2 부력 장치(142)는 제2 연결바(1323)에 의하여 관통되어 제2 캡(132)과 결합될 수 있다. 따라서, 수력 발전 장치(100)의 양 측에 제1 및 제2 부력 장치(141, 142)가 배치되므로, 수력 발전 장치(100)는 흐르는 물 상에서 일 측이 잠기지 않고 떠 있을 수 있다.
일 실시예에서, 수력 발전 장치(100)는 하우징(110) 내 수용되는 발전 모듈(120)을 포함할 수 있다. 발전 모듈(120)은 하우징 내 수용되는 내부 하우징(121), 내부 하우징(121) 내 설치되고 코일(1221)을 구비하는 고정자(122), 및 자성 물질을 포함하고 회전축(124)과 함께 고정자(122)에 대해 상대적으로 회전하는 회전자(123)를 포함할 수 있다. 회전축(124)은 축방향(R)과 평행하게 배치될 수 있고, 발전 모듈(120)의 중앙을 관통할 수 있다. 또한, 회전축(124)은 제1 부분(1241) 및 제1 부분(1241) 보다 지름이 작은 제2 부분(1242)을 포함할 수 있고, 제1 부분(1241)은 회전자(123)를 관통할 수 있다.
고정자(122)는 본체(1221), 본체(1221)에 감기는 코일부(1222), 및 코일부(1222)의 단부에 형성된 결합부(1223)를 포함할 수 있다. 본체(1221)의 중앙에는 회전자(123)가 본체(1221)에 대해 회전 가능하게 수용될 수 있다. 코일부(1222)는 본체(1221)의 외주면 상에 감길 수 있다. 결합부(1223)는 코일부(1222)로부터 연장 형성되고 내부 캡(170)에 형성된 구멍(1711) 및 제1 캡(131)에 형성된 구멍(1311)을 차례로 관통할 수 있다.
내부 하우징(121)은 하우징(110)에 대하여 일정한 간격을 두고 이격될 수 있고, 하우징(110)은 내부 하우징(121)에 대하여 회전할 수 있다. 또한, 내부 하우징(121)은 제1 부분(1211) 및 제1 부분보다 지름이 작은 제2 부분(1212)을 포함할 수 있다. 제1 부분(1211)의 길이는 고정자(122)의 길이에 대응하는 크기를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 수력 발전 장치(100)는, 내부 하우징(121)과 제1 캡(131) 사이에 배치되는 내부 캡(170)을 포함할 수 있다. 내부 캡(170)은 내부 하우징(121)의 제1 부분(1211)의 단부를 폐쇄할 수 있다. 내부 캡(170)은 제1 부분(171) 및 제1 부분(171)보다 지름이 큰 제2 부분(172)을 포함할 수 있다. 도 3을 참고하면, 내부 캡(170)의 제2 부분(172)의 단부는, 내부 하우징(121)의 제1 부분(1211)의 단부와 결속되어 결합될 수 있다. 또한, 내부 캡(170)은 내부 하우징(121)의 움직임과 동기화 되고, 하우징(110)은 내부 캡(170)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 회전축(124)의 회전수를 증가키시도록 구성되는 가속 기어 장치(150)를 더 포함할 수 있다. 가속 기어 장치(150)는, 외주면(1511)이 하우징(110)의 쉘(111)의 내주면에 결합되어 하우징(110)과 함께 회전하고 내주면에 기어 치형이 형성된 제1 기어(151), 제1 기어(151)와 맞물리는 제2 기어(152), 및 제2 기어(152)와 맞물리고 회전축(124)과 함께 회전하는 제3 기어(153)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 기어(151)는 내륜 기어의 형태를 가질 수 있고, 제2 및 제3 기어(152, 153)은 피니언 기어 형태를 가질 수 있다. 제3 기어(153)에는 회전축(124)의 제2 부분(1242)의 단부가 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 기어(151)의 지름의 크기는 제2 및 제3 기어(152, 153)의 각각의 지름보다 크도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기어(151)와 제2 및 제3 기어(152, 153)의 지름의 비가 3:1인 경우, 제1 기어(151)가 1회 회전시, 제3 기어(153)는 3회 회전할 수 있다. 또한, 제1 기어(151)와 제2 및 제3 기어(152, 153)의 지름의 차이가 커질수록, 가속비는 커질 수 있다. 다른 예로써, 제2 기어(152)의 지름이 제3 기어(153)의 지름보다 큰 경우, 가속비는 더 커질 수 있다.
제2 기어(152)와 함께 회전하는 회전축(154)은 내부 하우징(121) 상에 배치될 수 있다. 도 4를 참고하면, 내부 하우징(121)의 제2 부분(1212)에 홈(1212a)이 형성될 수 있고, 회전축(154)은 홈(1212a)에 인접한 위치에 배치될 수 있다. 홈(1212a)이 형성된 공간에서 제2 기어(152)가 상기 제2 부분(1212)과 간섭하기 않고 회전할 수 있다. 또한, 베어링(155)은 제1 부분(1211) 및 제2 부분(1212) 사이의 결합면(1213) 상에 고정될 수 있다. 회전축(154)은 베어링(155)의 내륜에 압입되고, 회전축(154)은 베어링(155)에 의하여 결합면(1213) 상에서 회전할 수 있다. 따라서, 제2 기어(152)는 회전축(154)과 함께 회전할 수 있다.
도 4를 참고하면, 제2 캡(132)은 내부 하우징(121)을 향하여 돌출 형성된 삽입부(1324)를 포함할 수 있다. 삽입부(1324)는 내부 하우징(121)의 제2 부분(1212)의 단부와 대응하는 형상을 가질 수 있다. 도 5를 참고하면, 삽입부(1324)는 제2 부분(1212)의 단부로 삽입될 수 있고, 제2 캡(132)과 내부 하우징(121)이 조립된 상태에서 삽입부(1324)는 홈(1212a)과 결속될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 베어링(161)은 하우징(110)의 쉘(111) 및 내부 하우징(121) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 제2 베어링(162)은 하우징(110)의 쉘(111) 및 내부 캡(170) 사이에 개재될 수 있다. 제1 베어링(161)은 제2 베어링(162)과 함께 하우징(110)을 내부 하우징(121) 및 내부 캡(170)에 대하여 회전가능하게 할 수 있다. 제1 베어링(161)의 외륜은 쉘(111)의 내주면에서 제2 캡(132)에 가까운 위치에 압입되고, 제1 베어링(161)의 내륜은 내부 하우징(121)의 제2 부분(1212)의 외주면에 압입될 수 있다. 또한, 제2 베어링(162)의 외륜은 쉘(111)의 내주면에서 제1 캡(131)에 가까운 위치에 압입되고, 제2 베어링(162)의 내륜은 내부 캡(170)의 제1 부분(1212)의 외주면에 압입될 수 있다.
제1 및 제2 베어링(161, 162)는 서로 동일한 구성을 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 베어링(161, 162)의 내륜이 형성하는 공간이 서로 동일할 수 있다. 따라서, 내부 캡(170)의 제1 부분(171)의 지름의 크기 및 내부 하우징(121)의 제2 부분(1212)의 지름의 크기는 서로 동일할 수 있다. 이와 같이 구성하는 경우, 제1 및 제2 베어링(161, 162)이 제공하는 드래그의 크기가 동일하게 될 수 있고, 내부 캡(170) 및 내부 하우징(121)에 가해지는 토크의 크기도 동일하게 될 수 있다.
일 실시예에서, 제3 베어링(125)은 내부 캡(170)과 회전축(124) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 제4 베어링(126)은 회전축(124) 및 내부 하우징(121) 사이에 개재될 수 있다. 도 5를 참고하면, 내부 캡(170)의 제2 부분(172)에는 제3 베어링(125)을 수용하기 위한 베어링 수용부(1722)가 형성될 수 있다. 제3 베어링(125)의 외륜은 베어링 수용부(1722)의 내주면에 압입되고, 제3 베어링(125)의 내륜은 회전축(124)의 제1 단부(1241)의 외주면에 압입될 수 있다. 또한, 제4 베어링(126)의 외륜은 내부 하우징(121)의 제2 부분(1212)의 내주면에 압입되고, 제4 베어링(126)의 내륜은 회전축(124)의 제2 부분(1242)의 외주면에 압입될 수 있다.
제3 및 제4 베어링(125, 126)은 서로 동일한 구성을 가질 수 있다. 또한, 제3 및 제4 베어링(125, 126)의 내륜이 형성하는 공간이 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 회전축(124)의 제1 부분(1241)의 단부에는 베어링 단부(1243)가 형성될 수 있고, 베어링 단부(1243)의 지름의 크기 및 회전축(1241)의 제2 부분(1242)의 지름의 크기는 서로 동일할 수 있다. 이와 같이 구성하는 경우, 제3 및 제4 베어링(125, 126)이 제공하는 드래그의 크기가 동일하게 될 수 있고, 회전축(124)의 양 단에 가해지는 토크의 크기도 동일하게 될 수 있다.
이하에서는, 수력 발전 장치(100)로 유입되는 물을 차단하기 위한 밀봉 구조에 대해서 설명한다. 아래 설명되는 제1 실링 장치(181, 182), 제2 실링 장치(127), 및 제3 실링 장치(128)는 링 형상을 가질 수 있고, 유연한 재질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 고무 재질을 포함할 수 있다.
제1 실링 장치(181, 182)는 제1a 실링 장치(181) 및 제1b 실링 장치(182)를 포함할 수 있다. 제1a 실링 장치(181)는 제1 캡(131)과 하우징(110)의 쉘(111) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 제1b 실링 장치(182)는 제2 캡(132)과 하우징(110)의 쉘(111) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 캡(131, 132)에는 홈(1312, 1322)이 각각 형성될 수 있고, 각각의 홈(1312, 1322)에는 제1a 및 제1b 실링 장치(181, 182)가 각각 안착될 수 있다. 제1a 및 제1b 실링 장치(181, 182)는 쉘(111)과 제1 및 제2 캡(131, 132) 사이로 유입되는 물을 차단할 수 있으므로, 쉘(111) 내부에 수용된 발전 모듈(120)을 수분으로부터 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 실링 장치(127)는 내부 하우징(121) 및 회전축(124) 사이에 개재될 수 있다. 도 3을 참고하면, 제2 실링 장치(127)는 제4 베어링(126)과 제3 기어(153) 사이에 배치될 수 있다. 만일, 물의 일부가 내부 하우징(121) 측으로 유입되는 경우, 제2 실링 장치(127)에 의하여 고정자(122) 또는 회전자(123)에 대한 물의 유입이 차단될 수 있다.
일 실시예에서, 제3 실링 장치(128)는 내부 캡(170) 및 내부 하우징(121) 사이에 배치될 수 있다. 도 4를 참고하면, 제3 실링 장치(128)는 내부 캡(170)의 제2 부분(172)의 단부 및 내부 하우징(121)의 제1 부분(1211)의 단부 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제2 부분(172)의 단부 및 제1 부분(1211)의 단부 사이에 대한 물의 유입은 제3 실링 장치(128)에 의하여 차단될 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 수력 발전 장치(100)를 II-II 방향으로 절단한 단면도이고, 도 7은 도 2에 도시된 수력 발전 장치(100)를 III-III 방향으로 절단한 단면도이다. 도 6은 수력 발전 장치(100)에서 감속 기어 장치(150)가 배치된 부분의 단면을 나타내고, 도 7은 수력 발전 장치(100)에서 발전 모듈(120)의 중간 부분의 단면을 나타낸다. 이하에서는, 도 3 내지 5를 참고하여, 수력 발전 장치(100)의 작동에 대하여 설명한다.
도 6을 참고하면, 흐르는 물에 의하여 날개(112)가 힘을 받아 쉘(111)은 B1 방향으로 회전한다. B1 방향은 예를 들어 반시계 방향일 수 있다. 이와 동시에, 쉘(111)의 내주면에 결합된 제1 기어(151)가 B1 방향으로 회전한다. 또한, 제1 기어(151)에 맞물린 제2 기어(152)가 회전축(154)과 함께 B1 방향과 동일한 방향인 B2 방향으로 회전한다. 내부 하우징(121)의 단부에 홈(1212a)이 형성되어 있기 때문에, 제2 기어(152)는 내부 하우징(121)에 간섭을 받지 않고 회전할 수 있다. 또한, 제2 기어(152)와 맞물리는 제3 기어(153)가 회전축(124)과 함께 B3 방향으로 회전할 수 있다. 여기서, B3 방향은 B1 및 B2 방향과 반대 방향이고, 예를 들어, B1 및 B2 방향이 반시계 방향인 경우, B3는 시계 방향이 된다. 상술한 과정을 통해, 쉘(111)의 회전이 회전축(124)의 회전을 발생시킬 수 있다. 또한, 쉘(111)이 회전하더라도, 내부 하우징(121)은 회전하지 않는다.
도 7을 참고하면, 흐르는 물에 의하여 날개(112)가 힘을 받아 쉘(111)은 A1 방향으로 회전할 수 있다. 이와 동시에, 회전자(123) 및 회전축(124)은 고정자(122)에 대하여 A1 방향과 반대 방향인 A2 방향으로 회전할 수 있다. 회전자(123)는 자성 물질을 포함할 수 있고, 고정자(122)에 대하여 회전하면서 코일(1221)에 가해지는 자기장의 방향을 지속적으로 변환시키고, 결과적으로 유도 기전력을 발생시켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 8은 본 개시의 제2 실시예에 따른 수력 발전기(2)를 나타낸 사시도이다. 도 1 내지 7에서 설명된 수력 발전 장치(100)에 대한 중복된 설명은 생략한다.
일 실시예에서, 수력 발전기(2)는 흐르는 물보다 비중이 큰 웨이트 장치(40), 일 단이 웨이트 장치(40)에 연결된 연결 장치(20) 및 연결 장치의 타 단이 연결되고, 하우징(110)에 대한 내부 하우징(121)의 회전이 방지되도록 내부 하우징(121)을 홀딩하는 홀딩 장치(30), 및 홀딩 장치(30)에 의하여 연결된 수력 발전 장치(100)를 포함할 수 있다. 수력 발전기(2)에서, 도 1에 도시된 고정 기둥(10)의 역할을 웨이트 장치(40)가 대신할 수 있다.
웨이트 장치(40)는 흐르는 물의 바닥(B)에 매립될 수 있다. 이에 따라, 흐르는 물이 W2 방향으로 흐르는 경우, 홀딩 장치(30)를 T2 방향으로 당길 수 있다. 도 3을 참고하면, 홀딩 장치(30)는 수력 발전 장치(100) 내에서 회전하지 않는 부분의 회전이 방지되도록 홀딩 할 수 있고, 수력 발전 장치(100)는 하우징(110)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 수력 발전 장치(100)는, 도 8의 웨이트 장치(40)나 도 1의 고정 기둥(10)을 이용한 고정 방식 외에도, 홀딩 장치(30)가 수력 발전 장치(100)의 회전하는 부분이 회전하지 않는 부분에 대하여 상대적으로 회전하도록 회전하지 않는 부분을 홀딩하는 것을 가능하게 하는 임의의 방식으로 고정 또는 유지될 수 있다.
도 9는 본 개시의 제3 실시예에 따른 수력 발전기(3)를 나타낸 사시도이다. 도 1 내지 7에서 설명된 수력 발전 장치(100)에 대한 중복된 설명은 생략한다.
일 실시예서, 수력 발전기(3)는 전기 에너지 저장 장치(ESS, energy storage device)를 포함할 수 있다. 전기 에너지 저장 장치(ESS)는 수력 발전 장치(100)와 전기적으로 연결되어 수력 발전 장치(100)에서 생산된 전기 에너지가 저장될 수 있다. 도 9를 참고하면, 코일(1221)과 전기 에너지 저장 장치(ESS)는 전기적으로 연결될 수 있다.
전기 에너지 저장 장치(ESS)는 흐르는 물(W)의 바닥(B)에 매립될 수 있다. 이에 따라, 흐르는 물이 W3 방향으로 흐르는 경우, 홀딩 장치(30)를 T3 방향으로 당길 수 있다. 도 3을 참고하면, 홀딩 장치(30)는 수력 발전 장치(100) 내에서 회전하지 않는 부분의 회전이 방지되도록 홀딩 할 수 있고, 수력 발전 장치(100)는 하우징(110)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 10은 본 개시의 제4 실시예에 따른 수력 발전 시스템(4)을 나타낸 사시도이다. 도 1 내지 7에서 설명된 수력 발전 장치(100)에 대한 중복된 설명은 생략한다.
수력 발전 시스템(4)은 흐르는 물(W)로부터 에너지를 하베스팅 할 수 있도록, 다수의 수력 발전 장치(100)를 설치할 수 있다. 수력 발전 시스템(4)은 흐르는 물의 바닥에 고정된 복수의 고정 기둥(10), 복수의 고정 기둥(10) 각각에 연결되는 복수의 수력 발전 장치(100), 및 복수의 수력 발전 장치(100)에서 생산되는 전기 에너지를 육지로 전달하는 송전 장치(50)를 포함할 수 있다. 고정 기둥(10)에는 복수의 연결 장치(20)가 연결되고, 복수의 연결 장치(20)에는 각각의 수력 발전 장치(100)를 홀딩하는 홀딩 장치(30)가 연결될 수 있다.
송전 장치(50)는 각각의 수력 발전 장치(100)에서 생산되는 전지 에너지를 수집하여 육지로 전송할 수 있다. 이 경우, 댐과 같은 대규모의 구조물이 필요하지 않으므로 장소에 대한 제한이 없이 수력 발전 장치(100)를 ?게 설치하여 전기 에너지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 개시의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 개시의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
1, 2, 3: 수력 발전기
4: 수력 발전 시스템
100: 수력 발전 장치
110: 하우징
120: 발전 모듈
130: 캡
140: 부력 장치
150: 가속 기어 장치

Claims (18)

  1. 흐르는 물 상에 배치되는 수력 발전 장치에 있어서,
    복수의 날개를 구비하여 상기 흐르는 물의 흐름에 따라 회전하는 하우징;
    상기 하우징 내 수용되고, 상기 하우징의 회전에 의해 회전되는 회전축을 구비하여 상기 회전축의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 모듈;
    상기 발전 모듈의 양 측 각각에 설치되어 상기 발전 모듈로의 상기 흐르는 물의 유입을 차단하는 캡; 및
    상기 캡에 연결되어 상기 하우징 및 상기 발전 모듈을 상기 흐르는 물 상에 떠 있게 하는 부력 장치를 포함하는, 수력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전 모듈은;
    상기 하우징 내 수용되는 내부 하우징;
    상기 내부 하우징 내 설치되고, 코일을 구비하는 고정자; 및
    자성 물질을 포함하고 상기 회전축과 함께 상기 고정자에 대해 상대적으로 회전하는 회전자를 포함하는,
    수력 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흐르는 물의 바닥에 고정된 고정 기둥;
    일 단이 상기 고정 기둥에 연결된 연결 장치; 및
    상기 연결 장치의 타 단이 연결되고, 상기 하우징에 대한 상기 내부 하우징의 회전이 방지되도록 상기 내부 하우징을 홀딩하는 홀딩 장치를 포함하는, 수력 발전 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 흐르는 물보다 비중이 큰 웨이트 장치;
    일 단이 상기 웨이트 장치에 연결된 연결 장치; 및
    상기 연결 장치의 타 단이 연결되고, 상기 하우징에 대한 상기 내부 하우징의 회전이 방지되도록 상기 내부 하우징을 홀딩하는 홀딩 장치를 포함하는, 수력 발전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연결 장치는 상기 흐르는 물의 흐름의 반대 방향으로 상기 홀딩 장치를 당기도록 구성된, 수력 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 복수의 날개가 외주면에 일체로 형성된 원통형 쉘을 구비하는 임펠러 하우징인, 수력 발전 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 회전축의 회전수를 증가키시도록 구성되는 가속 기어 장치를 더 포함하고, 상기 가속 기어 장치는,
    외주면이 상기 하우징에 결합되어 상기 하우징과 함께 회전하고, 내주면에 기어 치형이 형성된 제1 기어;
    상기 제1 기어와 맞물리는 제2 기어; 및
    상기 제2 기어와 맞물리고 상기 회전축과 함께 회전하는 제3 기어를 포함하는,
    수력 발전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 기어의 지름의 크기는 상기 제2 및 제3 기어의 각각의 지름보다 크도록 구성된 수력 발전 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 기어의 회전축은 상기 내부 하우징에 고정된, 수력 발전 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 내부 하우징과 상기 캡 사이에 배치되고 상기 내부 하우징의 일 단부를 폐쇄하는 내부 캡을 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 하우징 및 내부 하우징 사이에 개재되어 상기 하우징을 상기 내부 하우징에 대하여 회전가능하게 하는 제1 베어링을 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 내부 캡 사이에 개재되어 상기 하우징을 상기 내부 캡에 대하여 회전가능하게 하는 제2 베어링을 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 내부 캡과 상기 회전축 사이 및 상기 내부 하우징과 상기 회전축 사이 각각에 개재되는 제3 베어링 및 제4 베어링을 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 캡 및 상기 하우징 사이에 개재되는 제1 실링 장치를 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 발전 모듈은, 상기 회전축과 상기 내부 하우징 사이에 개재되는 제2 실링 장치를 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 내부 캡과 상기 내부 하우징 사이에 배치되는 제3 실링 장치를 더 포함하는, 수력 발전 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 흐르는 물의 바닥에 매립되는 전기 에너지 저장 장치를 더 포함하고,
    상기 전기 에너지 저장 장치는 상기 발전 모듈과 전기적으로 연결되어 상기 발전 모듈에서 생산된 상기 전기 에너지가 상기 전기 에너지 저장 장치에 저장되는, 수력 발전 장치.
  18. 흐르는 물로부터 에너지를 하베스팅하기 위한 수력 발전 시스템에 있어서,
    상기 흐르는 물의 바닥에 고정된 복수의 고정 기둥;
    상기 복수의 고정 기둥 각각에 연결되는 복수의 수력 발전 장치; 및
    상기 복수의 수력 발전 장치에서 생산되는 전기 에너지를 육지로 전달하는 송전 장치를 포함하고,
    상기 수력 발전 장치는,
    복수의 날개를 구비하여 상기 흐르는 물의 흐름에 따라 회전하는 하우징;
    상기 하우징 내 수용되고, 상기 하우징의 회전에 의해 회전되는 회전축을 구비하여 상기 회전축의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 모듈;
    상기 발전 모듈의 양 측 각각에 설치되어 상기 발전 모듈로의 상기 흐르는 물의 유입을 차단하는 캡; 및
    상기 캡에 연결되어 상기 하우징 및 상기 발전 모듈을 상기 흐르는 물 상에 떠 있게 하는 부력 장치를 포함하는,
    수력 발전 시스템.
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