KR20240015927A - 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하류의 강물을 상류로 회수, 순환시킬 수 있게 하여 강물의 저수능력을 높이면서 흐름과 유속을 좋게 하고, 강물의 용존산소량을 높여 녹조발생을 억제하며, 소수력발전으로 자체 생산한 에너지를 기반으로 시스템 전반을 운용할 수 있도록 하는 등, 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 강물을 양수하는 수차(100), 하류에서 양수한 강물을 상류로 회수(回水)하여 순환시키는 회수로(200), 회수로(200)에서 회수된 강물을 상류에서 방류하는 과정에서 전력을 생산하는 소수력발전기(300), 상기 수차(100)에 설치하여 강물 속으로 압축공기를 공급하는 압축공기 공급기(400)으로 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템을 구성한 것에 요지가 있다.

Description

소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템{THE ANTI-GREEN ALGAE SYSTEM WITH THE SMALL HYDROPOWER SYSTEM}

본 발명은 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하류의 강물을 상류로 회수, 순환시킬 수 있게 하여 강물의 저수능력을 높이면서 흐름과 유속을 좋게 하고, 강물의 용존산소량을 높여 녹조발생을 억제하며, 소수력발전으로 자체 생산한 에너지를 기반으로 시스템 전반을 운용할 수 있도록 하는 등, 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 녹조는 부영양화된 호소(湖沼)나 유속이 느린 강(江) 등에서는 부유성의 조류(식물플랑크톤)가 대량으로 증식하여 수면에 집적됨에 따라 물의 색이 현저하게 녹색으로 변화되는 현상으로, 녹조로인한 수질악화는 식수는 물론 산업용수의 확보와 공급에 악영향을 끼치고 있다.

이러한 녹조(綠潮)는 부영양화된 호수나 유속이 느린 하천에 부유성 조류(식물성플랑크톤)의 대량 증식이 주요 요인으로 알려져 있다. 녹조류는 동물 플랑크톤과 함께 어류의 먹이가 되어 기본적인 생태계를 유지시키도록 역할하지만 남조식물에의한 녹조현상이 일어나면 햇빛을 차단하고 산소농도를 떨어뜨리는 등 환경변화를 일으킴으로써 수중생물의 생존에 크게 영향을 끼쳐서 생태계를 파괴하게 된다.

녹조는 물이 푸른 색으로 변하여 물의 표면에서 빛이 투과되는 것을 차단하 고 수생 생태계의 광합성을 저해하며, 이로 인하여 수층 내부의 용존 산소가 떨어져 수층의 무산소화로 인해 어류가 죽고 물에서 악취가 나게 되는 등 생태계 파괴는 물론경제적 손실, 상수원 악영향 등 많은 문제를 일으킨다.

녹조발생을 제거 또는 완화시키기 위한 기술 등이 개발되고 있는 데 지금까지 알려진 기술들로는 화학약품 살포법, 초음파 및 오존처리법, 해면회수 및 침강법, 황토살포법 등이 있으며, 녹조발생방지와 녹조로인한 피해를 방지하기 위한 다양한 방안이 개발되고 있다.

예를 들면, 영양분이나 수생생물을 통해 조류를 통제하거나 차광막에 의해 광합성을 제한 또는 살조제 등을 이용하여 화학적으로 처리하는 방법 등이 있고, 또 별도의 장치를 통해 수중에서 와류를 형성하여 오염물질을 부유시키고 이를 걷어냄으로써 수질정화를 달성하도록 하는 장치 등이 있으나 이들은 수질정화구역이 제한되는 등의 단점이 있는 등으로 실용화되지 못하고 있다. 상기한 기존 녹조제거를 위한 장치와 방법 등은 참고문헌 1 내지 참고문헌 9 등에 개시된 바와 같다.

위에서 살펴본 기존의 녹조제거를 위한 대책과 시설은 하천 전체에 대하여 이미 발생된 녹조를 제거하는 것에 불과하여 녹조방지를 위한 근본적인 대책이 되지 못하고 있을 뿐만 아니라 녹조제거에 많은 시간과 비용 및 대형 장비나 시스템이 요구되어 실질적인 녹조방지와 수질개선에 도움을 주지 못하고 있다.

과거에 4대강 수계 물관리 종합대책의 일환으로 4대강에 하천정화시설, 가압부상시설, 수초재배섬, 호소수질조사선, 수질정화습지, 생태보 (어도), 초기우수처리시설(stormfilteer 등) 등의 녹조제거기술을 사용하여 1999년부터 2005년까지 녹조방지사업을 추진하였으나 기존의 4대강 녹조방지사업은 큰 실효를 못하였고, 이에 다시 4대강의 수질개선과 치수(治水)를 위해 보를 설치하는 4대강 살리기 사업이 진행되었다.

이러한 4대강 사업은 수질을 개선하고 홍수 및 갈수(渴水)에 대비하여 4대강에 보를 설치하고 저수와 함께 수질정화의 기능을 제공하고 있으나 보의 설치로 인한 강물의 느린 유속 등으로 인하여 뜻하지 않은 녹조현상이 발생하여 어패류가 폐사되는 등의 심각한 문제에 직면하고 있어 녹조현상의 확산을 방지하고 녹조류를 제거하기 위한 방법을 연구하고 있지만 크게 미흡한 실정이다.

이에 본 출원인은 보가 설치된 강에 회수로를 설치하고, 강물의 흐름에 의해 회전하는 물레바퀴를 설치하여 강물을 양수(揚水)하고 회수로를 통해 상류측으로 보내어 순환시킴으로써 강물의 순환에 별도의 에너지를 공급할 필요없이 강물을 순환시켜 강물이 지속적인 흐름을 갖도록 함으로써 보의 저수기능을 그대로 유지하면서 강물이 정체 되는 것을 방지하여 강물의 정체로 인한 녹조발생을 방지하고 수질개선에 기여한 녹조방지 시스템을 선 발명한 바 있다.(참고문헌10)

또 녹조방지 시스템과 함께 수력발전 후 댐 아래에서 흐르는 물을 물레바퀴를 돌려 강물을 퍼올리고 회수로를 통해 다시 댐으로 회수하여 수자원을 절약할 수 있게 하고, 댐에서 방류시킨 강물을 댐으로 다시 회수하여 댐의 저수율이 낮아지는 것을 최소화하고 회수(回水) 과정에서 소수력발전을 할 수 있는 소수력발전 시스템을 발명한 바 있다.(참고문헌11)

(참고문헌1) 대한민국 등록특허공보 제10-0987011호, 2010.10.05. (참고문헌2) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0000719호, 2013.01.03. (참고문헌3) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0086678호, 2011.07.29. (참고문헌4) 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0065856호, 2007.06.25. (참고문헌5) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0094879호, 2012.08.27. (참고문헌6) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0009066호, 2012.02.01. (참고문헌7) 대한민국 공개특허공보 제10-201-0089903호, 2011.08.10. (참고문헌8) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0023928호, 2012.03.14. (참고문헌9) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0111499호, 2012.10.10. (참고문헌10) 대한민국 등록특허공보 제10-1488262호, 2015.01.30. (참고문헌11) 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0002084호, 2020.01.08.

본 발명은 전술한 본 출원인의 선 발명(참고문헌10)에 개시된 물레바퀴를 이용하여 하류의 강물을 상류로 회수하고 순환시킴으로써 강물의 저수기능을 유지하면서 순환시켜 수질 개선에 기여하고자 한다.

본 발명은 강물을 회수하는 과정에서 물레바퀴의 회전력을 이용하여 압축공기를 강물 속으로 공급해 줌으로써 강물의 순환과 함께 강물의 용존산소량을 높여서 녹조방지에 크게 기여하고자 한다.

본 발명은 하류의 강물을 상류로 회수하고 다시 상류에서 방류하는 과정에서 소수력으로 전기를 얻을 수 있도록 소수력발전 능력을 갖춤으로써 강물의 양수와, 회수, 압축공기의 공급 등, 녹조방지 시스템의 운용에 필요한 전력을 자체적으로 생산, 공급할 수 있게 하고자 한다.

본 발명은 강물을 양수, 회수, 방류하는 과정과 이들의 양수, 회수 과정에서 수질의 정화와 함께 압축공기 생산, 공급 및 소수력발전을 하나의 시스템으로 구성함으로써 녹조방지로 수자원을 보호하고 수소력발전으로 운용에 필요한 에너지를 자체적으로 생산, 사용할 수 있게 하고자 한다.

상기 과제해결을 위한 본 발명은; 본 발명은 강물을 양수하는 수차, 하류에서 양수한 강물을 상류로 회수(回水)하여 순환시키는 회수로, 회수로에서 회수된 강물을 상류에서 방류하는 과정에서 전력을 생산하는 소수력발전기, 상기 수차에 설치하여 강물 속으로 압축공기를 공급하는 압축공기 공급기로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 강물의 유속에 연동하여 회전하는 물레바퀴를 이용하여 하류의 강물을 상류로 회수, 순환시킴으로써 강물의 저수기능을 확보하면서 수질 개선에 기여할 수 있으며, 물레바퀴의 회전력을 이용하여 압축공기를 강물 속으로 공급하여 강물의 용존산소량을 높여 줌으로써 녹조방지에 크게 기여할 수 있다.

본 발명은 하류의 강물을 상류로 회수하고 다시 상류에서 방류하는 과정에서 소수력으로 전기를 얻을 수 있는 소수력발전 시스템을 갖춤으로써 강물의 양수, 회수, 압축공기의 공급 등, 녹조방지 시스템의 기동에 필요한 전력을 자체적으로 생산, 공급용할 수 있으므로 별도의 외부 에너지 소비없이 자체적으로 운용할수 있는 경제적 이익을 기대할 수 있고 친환경적 정책에도 부응할 수 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 전체 시스템을 보인 개요도
도 5 내지 도 7은 본 발명 중 압축공기 발생기의 구성을 보인 개요도
도 8, 도 9는 본 발명중 압축공기 발생기의 작용상태도

본 발명은 강물을 양수하는 물레바퀴(이하, 수차라 한다.)와, 하류에서 수차로 양수한 강물을 상류로 회수(回水)하여 순환시키는 회수로와, 회수로에서 회수된 강물을 상류에서 방류하는 과정에서 전력을 생산하는 소수력발전기와, 상기 수차에 설치되어 압축공기를 생성, 강 내부로 공급하는 압축공기 공급기로 이루어진다.

수차는 강물의 흐름에의한 회전력으로 회전하면서 강물을 퍼올려 양수한다. 이러한 양수기능의 수차는 공지이다.(참고문헌10; 제10-1488262호)

수차에서 양수된 하류의 강물을 회수로를 통해 상류로 회수, 순환한다.

회수로는 수차로부터 양수된 강물이 정화로로 입수되는 입수로와, 상기 입수로로부터 양수된 강물이 정화설비가 갖춰진 수로를 따라 이동하면 정수되도록 하는 정화로와, 상기 정화로로부터 정화된 강물을 상류에서 다시 방류하는 출수로로 이루어진다.

상기 수차에는 강물의 유속으로 회전하는 회전력에 의해 압축공기를 생성하고, 강물 속으로 공급하는 압축공기 공급기를 설치한다.

수차의 회전으로 생성된 압축공기는 강 바닥에 설치된 공급관로를 통해 강 내부로 공급되어 강물의 용존산소량을 증대시킴으로써 녹조방지에 기여한다.

상기 강물을 회수하여 정화로에서 정화된 강물은 상류에서 출수로를 통해 방류하고, 방류 과정에서 발전을 통해 전기에너지를 생산할 수 있도록 소수력발전기를 설치한다.

이하 본 발명의 구체적인 실시내용을 첨부한 도면과 함께 상세히 살펴보면 하기와 같다.

도 1 내지 도 4은 본 발명의 전체 시스템을 보인 개요도, 도 5 내지 도 7은 본 발명 중 압축공기 발생기의 구성을 보인 개요도이다.

본 발명은 강물을 양수하는 수차(100), 하류에서 양수한 강물을 상류로 회수(回水)하여 순환시키는 회수로(200), 회수로(200)에서 회수된 강물을 상류에서 방류하는 과정에서 전력을 생산하는 소수력발전기(300), 상기 수차(100)에 설치하여 강물 속으로 압축공기를 공급하는 압축공기 공급기(400)로 이루어진다.

수차(100)는 회전축(101)을 중심으로 회전하는 회전체(102) 외주면에 바스켓(103,103')이 형성되어 강물이 흐르는 방향으로 회전하면서 강물을 퍼올려 양수한다. 이러한 수차(100)의 양수기능은 공지이다. (참고문헌10; 제10-1488262호)

상기 수차(100)는 하류의 강물을 양수하고, 양수된 강물은 회수로(200)를 통해 상류로 회수, 순환시킨다.

수차(100)를 이용해 양수된 강물은 상류와 연결된 회수로(200)을 따라 상류로 회수되면서 정화작업이 수행된다.

이를 위해 상기 회수로(200)는 수차(100)로부터 양수된 강물을 정화로(202)로 보내는 입수로(201)와, 상기 입수로(201)로부터 공급받은 강물을 정화설비가 갖춰진 수로를 따라 상류로 흘러보내면서 정화시키는 정화로(202)와, 상기 정화로(202)로부터 정화된 강물을 상류에서 방류하는 출수로(203)로 이루어진다.

상기한 회수로(51)는 당연히 하류의 입수로(201)로부터 출수로(203)를 향해 하향경사지게 형성되어 강물이 자연적으로 상류 방향으로 회수되게 하고, 회수되는 도중에 강물이 범람되지 않고 원활한 흐름을 갖도록 다양한 형상의 수로(水路)형상으로 실시할 수 있으며, 회수로(202)의 끝에 형성되는 출수로(203)는 회수로(202) 보다 다소 높게 형성하여 강물이 상류로 발전이 가능한 낙차를 가지고 낙하되어 흘러들어 갈 수 있는 위치로 설치하여 실시할 수 있다. 이를 위해 회수로(202)와 출수로(203) 사이에는 회수로(202)의 강물을 높은 위치의 출수로(203)로 양수할 수 있도록 양수펌프 등의 다양한 양수설비를 갖출 수 있다.

상기 회수로(51)는 회수로(51)를 받쳐줄 수 있는 콘크리트 구조물, 철 구조물 등으로 이루어지는 교각(橋脚) 등으로 다양하게 시설할 수 있다.

강물이 회수되어 회수로(202)로부터 정화된 강물을 상류에서 방류하는 출수로(203)에는 소수력으로 발전할 수 있는 소수력발전기(300)를 설치한다.

상기 소수력발전기(300)는 수력에너지가 발생할 수 있도록 흐르는 강물에 의해 회전하는 수차와 발전기 및 부속장치 등으로 구성되는 것으로, 유량, 유속 등과 관련하여 최대의 수력 에너지를 얻을 수 있도록 하괘식 수차, 상괘식 수차 등의 수차와, 영구 자석식 발전기(PMG)으로 구성하는 것으로, 발전기 출력, 계획 지점의 수리 제원(변동낙차 특성 등) 및 운용형태(단독 운전, 계통연계 운전 여부 등) 등에 따라 수차 발전 시스템 전체로서 가장 적합한 발전기를 선택하여 실시한다.

이러한 소수력발전기(300)는 공지 기술이므로 이에 대한 구성과 작용 등에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 상기 수차(100)에는 강물의 유속으로 회전하는 회전력에의해 압축공기를 강물 속으로 불어넣어 공급하는 압축공기 공급기(400)를 설치한다.

압축공기 공급기(400)는 강물의 유속에 연동하여 회전하는 회전체(102)로 수차(100)의 회전력을 전달받아 압축공기를 생성하고, 강 내부로 압축공기를 공급할 수 있도록 구성한다.

이하 압축공기 공급기(400)에 대해 구체적으로 살펴본다.

강물의 흐름에 따라 회전하는 수차(100)의 회전체(102)에 작동축(1)을 설치한다. 상기 작동축(1)은 수차(100) 회전체(102)에 회전축(101)을 중심으로 외주연 방향으로 일정 거리 이격시킨 위치에 형성하여 회전체(102)의 회전시에 회전축(101)을 중심으로 편심 회전되도록 한다.

작동축(1)과 회전축(101) 간의 거리에 비례하여 큰 토크를 얻을 수 있으므로 작동축(1)과 회전축(101)간의 거리가 멀수록 압축공기의 생성과 공급에 유리할 수 있다. 그러나 그 거리를 너무 멀게 하면 회전력(토크)가 약화되므로 강물의 유량과 유속 등과 밀접하게 관련되는 수차(100)의 회전력(회전속도, 회전비 등)을 고려하여 회전축(101)과 작동축(1)간의 거리를 설정하는 것이 바람직할 것이다.

상기 작동축(1)에는 요크캠(YOKE CAM)(2)을 설치하고 요크캠(2) 양측으로 요크캠(2)에 연동하는 공기압축기(3)를 설치한다.

상기 회전체(102)의 작동축(1)에 설치되는 요크캠(2)은 요크(21)가 작동축(1)이 삽입되어 회전체(102)의 회전축(101)을 중심으로 편심회전하는 작동축(1)에 연동하여 좌우로 왕복이동되도록 설치한다. 상기 회전체(102)의 작동축(1)에 연동하여 좌우로 이동하는 요크캠(2)의 요크(21)에 공기압축기(3)를 설치한다.

상기 공기압축기(3)는 요크캠(2)의 요크(21) 양측으로 압축실린더(4,4')의 피스톤(5,5')을 연동되게 설치하여 요크(21)의 좌우 왕복이동에 따라 요크(21) 양측 피스톤(5,5')이 좌우로 수평 왕복이동되게 한다.

상기 피스톤(5,5')은 압축실린더(4,4') 내부를 좌우로 왕복이동하면서 압축공기를 생성, 강 내부로 공급할 수 있도록 한다.

압축실린더(4,4')는 외부 공기를 압축실린더(4,4') 내부로 흡입하는 흡입구(41)와, 흡입된 공기를 외부로 배출, 공급하는 공급구(42)를 형성한다.

상기 흡입구(41)에는 압축실린더(4,4') 내부로 외부 공기를 흡입하는 (외부로는 배출하지 않는) 일방향밸브(부호 생략)를 설치하고, 공급구(41)에는 압축실린더(4,4') 내부 공기를 외부로 배출하는 (외부터 공기를 흡입하지 않는) 일방향밸브(부호 생략)를 설치한다.

수차(100)의 회전으로 작동축(1)이 회전체(102)의 회전축(101)을 중심으로 편심 회전하면서 요크(21)가 좌우로 왕복이동하고 요크(21) 좌우의 피스톤(5,5')이 이에 연동하여 피스톤(5,5')을 좌우로 왕복이동시킨다.

따라서 압축실린더(4,4')는 상기 피스톤(5,5')의 좌우 이동에 따라 압축실린더(4,4') 내부로 흡입구(41)를 통해 외부 공기를 흡입하고, 압축실린더(4,4') 내부에 흡입된 공기를 압축시키면서 공급구(42)를 통해 배출, 공급함으로써 요크캠(2) 양측에서 압축공기의 생성, 공급이 교대로 또 지속적으로 이루어진다.

상기한 압축실린더(4,4')는 수차(100)의 회전력으로 생성된 공기를 강 내부로 공급하기 위해 양 압축실린더(4,4')의 공급구(42)에는 공급관로(6,6')를 연결하고, 상기 양 공급관로(6,6')는 강 내부로 설치되는 급기관(7)에 연결하여 급기관(7)을 통해 지속적으로 공기를 공급할 수 있게 한다.

상기 강바닥 등 강 내부로 설치되는 급기관(7)에는 공기구멍(AIR HALL)을 형성하여 이를 통해 공기를 강 내부로 공급하게 하는 것으로, 상기 급기관(7)에는 강물이 급기관(7) 내부로 유입되지 않게 하고, 공기만을 배출시킬 수 있도록 일방향밸브 등이 설치될 것이다.

상기와 같이 수차의 회전력으로 생성, 공급되는 압축공기는 강 내부로 공급되어 강물의 용존산소량을 증대시켜 줌으로써 강물을 정화하고, 녹조방지에 크게 기여할 수 있다.

한편, 출수로(203)에서 방류되는 소수력에 의해 발전이 이루어지는 소수력발전기(300)에서 얻어진 전기에너지는 축전지 등을 이용해 축전시켜서 강물의 수량이 적거나 유속이 느려 수차(100)의 작동이 원활치 않을 때 수차를 회전시킬 수 있는 구동에너지로 활용한다.

이를 위해 수차(100)에는 수차(100)의 전동 회전을 위한 전동모터 등의 전동설비를 구비하고 상기 수력발전기(300)와 연결하여 전술한 바와 같이 수차(100)의 작동이 원활치 않을 경우에 전동으로 구동시킬 수 있게 한다.

또 회수로(202)의 강물을 높은 위치의 출수로(203)로 양수하는 경우, 이에 구비되는 양수설비의 구동원으로 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 강물의 흐름에 의해 회전하는 수차(100)를 이용해 양수하고 또 상류로 회수시키는 과정에서 정화하여 상류에서 방류시킴으로써 강물의 회수, 순환으로 강물의 정화 효과를 기대할 수 있으며, 또 이를 통해 녹조방지 효과 등을 얻을 수 있다.

또한 수차(100)의 회전력으로 얻어진 압축공기를 강 내부로 공급하여 강물의 용존산소량을 증대시켜 강물의 정화와 녹조방지에 크게 기여할 수 있다.

수차(100)의 회전으로 생성된 공기는 강 바닥에 설치된 급기관(7)을 통해 강 내부로 공급되어 강물의 용존산소량을 증대시킴으로써 녹조방지에 기여할 수 있으며, 이러한 강물의 회수, 순환과 정화는 물론 압축공기의 공급 등, 강물의 정화와 녹조방지에 필요한 에너지를 자체적으로 생산, 사용함으로써 외부 에너지의 공급 및 사용이 필요없이 독립적인 설비의 운용이 가능한 경제적 이점 등의 많은 이익과 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 실시내용을 구체적으로 설명하기 위해 첨부 도면에 사용한 부호에 대해 간략히 설명하면 하기와 같다.
100:수차 101:회전축
102:회전체 103:바스켓
200:회수로 201:입수로
202:정화로 203:출수로
300:소수력발전기 400:압축공기 공급기
1:작동축 2:요크캠
21:요크 3,3':공기압축기
4,4':압축실린더 5,5':피스톤
6,6':공급관로 7:급기관

Claims (1)

1. 강물을 양수하는 수차(100), 하류에서 양수한 강물을 상류로 회수(回水)하여 순환시키는 회수로(200), 회수로(200)에서 회수된 강물을 상류에서 방류하는 과정에서 전력을 생산하는 소수력발전기(300), 상기 수차(100)에 설치하여 강물 속으로 압축공기를 공급하는 압축공기 공급기(400)로 이루어진 것을 특징으로 하는 소수력발전을 갖춘 녹조방지 시스템.

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