KR20190057655A - 소수력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 소수력 발전기는, 펠톤형 터빈과; 터빈을 향해 물을 분사하며, 토출구의 크기 조정이 가능한 적어도 두 개의 노즐을 포함한다.
터빈은, 회전축에 결합하는 금속 소재의 코어와; 코어에 고정되는 자루와; 자루의 단부에 제공되며 노즐로부터 분사하는 물이 충격하는 버킷을 포함하고 합성수지재인 레그부를 포함한다.

Description

소수력 발전기{SMALL HYDROPOWER GENERATOR}

본 발명은 소수력 발전기에 대한 것으로서, 소형 소수력 발전기로 큰 용량의 발전이 가능한 발명에 대한 것이다.

펠톤형 터빈이나 터고형 터빈을 이용한 소수력 발전이 대규모 발전소를 건설하기 어려운 장소에 널리 설치되어 사용되고 있다.

그런데 기존에 상용으로 사용되는 소수력 발전기는 그 크기가 커서 소정의 토목공사도 필요하고 커다란 발전기를 설치할 지면에 대해 보강 공사도 필요하여 비용이 많이 드는 단점이 있어서 쉽게 적용하기 어려웠다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여 소형의 소수력 발전기로 큰 용량의 발전을 할 수 있게 하고, 유량의 변화에도 발전기의 최적 회전수를 확보할 수 있고, 동일한 유량이더라도 터빈을 더 빠른 회전수로 회전시킬 수 있는 소수력 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은, 복수 개의 높이에 제공되는 소수력 발전기에 의해서 발전 효율을 고양하는 것이다.

본 발명에 의한 소수력 발전기는, 펠톤형 터빈과; 터빈을 향해 물을 분사하며, 토출구의 크기 조정이 가능한 적어도 두 개의 노즐을 포함한다.

터빈은, 회전축에 결합하는 금속 소재의 코어와; 코어에 고정되는 자루와; 자루의 단부에 제공되며 노즐로부터 분사하는 물이 충격하는 버킷을 포함하고 합성수지재인 레그부를 포함한다.

본 발명의 양호한 실시예에서 노즐은,외측 둘레에 제1 나사선이 형성되어 있는 몸체부와; 몸체부의 상측에서 제1 나사선과 나사결합하는 제2 나사선이 형성되어 있는 조정부를 포함한다. 조정부는 상측에 물이 토출되는 토출구와, 토출구로부터 하방으로 갈수록 돔 형상을 취하는 돔부를 포함한다. 조정부의 안쪽에는 가요성 또는 신축성을 가지는 제1 가동부와, 제1 가동부의 외측에 제공되며 가요성 또는 신축성을 가지는 제2 가동부가 제공된다.

자루는 코어를 벗어나지 않을 수 있다.

버킷에는, 소수성 코팅이 될 수 있다.

본 발명에 의한 소수력 발전기는, 소수력 발전기에서 생성된 전기를 외부로 공급하는 3상 전기선을 더 포함할 수 있으며, 상기 3상 전기선은 다른 소수력 발전기의 3상 전기선과 각각 연결될 수 있다.

본 발명에 의한 소수력 발전기는 다중 스테이션으로 구성할 수 있는데, 제1 높이에 배치되는 제1 소수력 발전기와, 제1 높이보다 낮은 위치에 배치되는 제2 소수력 소수력 발전기를 포함할 수 있다. 제1 높이의 소수력 발전기에서 발전 후 배출된 물이 제2 높이의 소수력 발전기의 노즐로 공급될 수 있다.

본 발명에 의하면, 작은 크기의 소수력 발전기로도 많은 전기를 생산할 수 있고, 유량이 변화하더라도 생산하는 전기에 영향을 최소화할 수 있는 소수력 발전기를 제공하는 효과가 있다. 또한, 여러 대의 소수력 발전기의 회전수와 전류 위상을 일치시켜서 다중 소수력 발전이 가능하게 하며, 여러 높이에 소수력 발전기를 연결하여 설치하는 다중 스테이션 소수력 발전기를 제공하여 생산하는 전기의 양을 최대화할 수 있는 작용효과가 제공된다.

도 1은 본 발명에 의한 소수력 발전기의 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 소수력 발전기에 사용되는 노즐의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 노즐의 토출구 직경 조정을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 소수력 발전기의 회전수 및 전류 위상을 일치시키는 구성의 개념도.
도 5는 본 발명에 의한 다중 스테이션 소수력 발전기의 개념도.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명한다.

본 명세서에서는 본 발명의 설명에 필요한 필수적인 구성요소만을 설명하며, 본 발명의 본질과 관계가 없는 구성요소는 언급하지 아니한다. 그리고 언급되는 구성요소만을 포함하는 배타적인 의미로 해석되어서는 아니되며 다른 구성요소도 포함할 수 있는 비배타적인 의미로 해석되어야 한다.

도 1에는 본 발명에 의한 소수력 발전기(1)의 모식도가 도시되어 있다. 도시의 편의를 위해서 터빈(10)의 회전에 의해 전기를 발생시키는 발전 장치는 도시하지 않았다.

도 1에 도시된 바와 같이 소수력 발전기(1)는, 펠톤형 터빈(10)과, 적어도 두 개의 노즐(20-1, 20-2)을 포함한다. 펠톤형 터빈(10)은 발전 장치(도 4의 30, 30'))와 연결되는 회전축(32)에 결합하는 금속 소재의 코어(12)와, 레그부를 포함한다. 레그부는, 코어(12)에 고정되는 자루(14)와, 자루(14)의 단부에 제공되며 노즐(20-1, 20-2)로부터 분사하는 물이 충격하는 버킷(16)을 포함한다. 레그부는 합성수지 소재로 제작될 수 있다. 버킷(16)에서 물이 충격하는 부분에 소수성 코팅을 할 수 있다. 소수성 코팅이 되어 있는 부분에 노즐(20-1, 20-2)로부터 분사된 물이 충격하면 터빈(10)을 더 빠른 속도로 회전시킬 수 있다. 자루(14)는 코어(12)를 벗어나지 않도록 제공될 수 있다. 이러한 구성에 의하면 코어(12)의 중심으로부터 버킷(16)까지의 거리를 최소화할 수 있기 때문에 터빈(10)의 회전수를 그렇지 않은 경우에 비해 높이고 터빈을 소형화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 코어(12)를 금속 소재로 하고, 레그부를 합성수지로 제작하면, 회전축에 연결되어 고속으로 회전하고 많은 하중을 받는 코어(12)는 강한 금속 소재로 하여 내구성을 확보할 수 있고, 레그부는 경량의 합성수지로 함으로써 경량화를 달성하는 이중 효과가 제공된다.

높은 곳에서 낙하하는 물이 노즐(20-1, 20-2)로 공급되어 터빈(10)쪽으로 분사되면, 분사된 물이 버킷(16)을 강하게 충격하고, 터빈(10)이 회전하여 발전 장치(30, 30')에 의해서 전기가 생산된다.

도 2와 도 3에는 본 발명에 의한 소수력 발전기(1)에 사용되는 노즐이 도시되어 있다.

노즐(20)은 외측 둘레에 나사선(233)이 형성되어 있는 몸체부(23)와, 몸체부(23)의 상측에서 나사선(233)과 나사결합하는 나사선(211)이 형성되어 있는 조정부(21)와, 노즐(20)의 몸체부(23)가 고정되는 고정부(25)를 포함한다. 조정부(21)는 상측에 물이 토출되는 토출구(22)가 제공되며, 토출구(22)로부터 하방으로 갈수록 돔 형상을 취하는 돔부(213)를 포함한다. 조정부(21)의 안쪽에는 제1 가동부(24)와, 제1 가동부(24)의 외측에 제공되는 제2 가동부(26)가 제공된다. 제1 가동부(24)와 제2 가동부(26)는 가요성 또는 신축성이 있는 소재로 제작될 수 있다.

도 3(a)에는 토출구(22)가 넓은 상태가, 도 3(b)에는 토출구(22)가 좁아진 상태의 노즐 단면도가 도시되어 있다.

도 3(a)의 상태에서 조정부(21)를 돌려서 몸체부(23)의 하방으로 이동시키면, 돔부(213)가 몸체부(10)측을 향해 이동하면서 제1 가동부(24) 및 제2 가동부(26)를 외측에서 누르게 된다. 그렇게 되면 신축성 소재인 제1 가동부(24)와 제2 가동부(26)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 안쪽으로 눌리게 되고, 따라서 토출구(22)의 직경이 작아진다. 몸체부(10)의 나사선(233)과 조정부(21)의 나사선(211)의 길이 등 치수를 조정함으로써 토출구(22) 직경 조정 범위를 설정할 수 있다.

발전기마다 최적의 전기를 생산하기 위한 터빈의 회전수(rpm)가 있는데, 유량이 일정하지 않으면 터빈의 회전수의 변동이 심해진다. 유량이 적어지면 터빈의 회전수가 줄어들고 유량이 많아지면 터빈의 회전수가 높아지는데, 본 발명의 구성에 의하면, 토출구(22)의 직경을 자유롭게 조정할 수 있기 때문에 유량이 발전 용량에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

본 발명에 의한 소수력 발전기(1)는 소형이기 때문에 단위 발전 용량은 크지 않다. 소망하는 용량에 도달하기 위해서는 본 발명과 같은 소수력 발전기(1)를 여러 개 연결해서 발전 용량을 증대시키는 것이 필요한데 그 경우 발전기간의 회전수와 전류의 위상을 일치시켜야 한다. 본 발명에 의하면, 발전기에서 생성된 전기를 외부로 공급하는 3상 전기선(31, 33, 35)이 타발전기의 3상 전기선(41, 43, 45)와 각각 연결시킴으로써 그러한 문제를 해결한다.

도 4에는 두 개의 소수력 발전기의 3상 전기선을 서로 연결하는 구성이 도시되어 있지만, 두 개를 초과하는 소수력 발전기의 경우에도 각각의 3상 전기선을 연결하면 발전기간의 회전수와 전류의 위상을 일치시킬 수 있다. 3상 전기선이 연결된 노드에서 최종 발전 그리드(40)까지 각각 전기선이 연결되어 생산된 전기를 전송한다.

도 5에는 본 발명에 의한 소수력 발전기들(1, 2, 3)을 서로 다른 높이에 배치하여 다중 스테이션을 구성하여 발전하는 장치의 개념도가 도시되어 있다.

제1 높이에 제공되는 소수력 발전기(1)에서 노즐을 통해 발전한 후에는 발전기에 제공되는 배출구(11)를 통해서 제2 높이에 제공되는 소수력 발전기(2)의 노즐로 물이 공급된다. 제1 높이와 제2 높이의 낙차에 따라 물이 제2 높이의 소수력 발전기(2)로 공급되어 전기가 생산되고, 제2 높이의 소수력 발전기(2)에 공급되어 발전을 한 후 물은 제2 높이보다 낮은 제3 높이의 소수력 발전기(3)로 배출구(21)로 공급되어 같은 방식으로 전기를 생산한다. 도 3에는 서로 다른 세 개의 높이에 제공되는 소수력 발전기가 도시되어 있지만, 두 개 또는 세 개를 초과하는 높이마다 소수력 발전기를 제공하여 다중 스테이션 발전을 할 수도 있다.

이상 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및 수정도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.

10: 터빈
12: 코어
14: 자루
16: 버킷
20: 노즐
30: 발전 장치

Claims (6)

1. 펠톤형 터빈과,
   터빈을 향해 물을 분사하며, 토출구의 크기 조정이 가능한 적어도 두 개의 노즐을 포함하며,
   터빈은,
   회전축에 결합하는 금속 소재의 코어와,
   코어에 고정되는 자루와, 자루의 단부에 제공되며 노즐로부터 분사하는 물이 충격하는 버킷을 포함하고 합성수지재인 레그부를 포함하는,
   소수력 발전기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   노즐은,
   외측 둘레에 제1 나사선이 형성되어 있는 몸체부와,
   몸체부의 상측에서 제1 나사선과 나사결합하는 제2 나사선이 형성되어 있는 조정부를 포함하며,
   조정부는 상측에 물이 토출되는 토출구와, 토출구로부터 하방으로 갈수록 돔 형상을 취하는 돔부를 포함하며,
   조정부의 안쪽에는 가요성 또는 신축성을 가지는 제1 가동부와, 제1 가동부의 외측에 제공되며 가요성 또는 신축성을 가지는 제2 가동부가 제공되는,
   소수력 발전기.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   자루가 코어를 벗어나지 않는,
   소수력 발전기.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   버킷에는, 소수성 코팅이 되어 있는,
   소수력 발전기.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   소수력 발전기에서 생성된 전기를 외부로 공급하는 3상 전기선을 더 포함하며,
   상기 3상 전기선은 다른 소수력 발전기의 3상 전기선과 각각 연결되는,
   소수력 발전기.
   
6. 제1 높이에 배치되는 청구항 1 또는 청구항 2의 소수력 발전기와,
   제1 높이보다 낮은 위치에 배치되는 청구항 1 또는 청구항 2의 소수력 발전기를 포함하며,
   제1 높이의 소수력 발전기에서 발전 후 배출된 물이 제2 높이의 소수력 발전기의 노즐로 공급되는,
   다중 스테이션 소수력 발전기.
   

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