KR890000620Y1 - 다단의 공기 밀폐실을 갖는 복수발전장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다단의 공기 밀폐실을 갖는 복수발전장치

제1도는 본 고안 장치를 수직상태로 설치한 상태의 실시예시도.

제2도는 본 고안 장치를 수평상태로 설치한 상태의 실시예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 댐 2 : 취수구

3 : 게이트 4, 4'…4ⁿ⁺¹: 분출구

5, 5…5ⁿ⁺¹: 수압관 6, 6'…6ⁿ: 공기밀폐실

7, 7'…8ⁿ: 수층 9, 9' …9ⁿ⁺¹: 발전수차

10, 10'…10ⁿ⁺¹: 공기조절장치

본 고안은 무한히 넓은 개방수면을 가지며, 취수높이가 10m이하의 취수댐에 동일 단면적으로 갖는 수압관을 연설하고, 이 수압관에 취수된 물의 유속을 수회 이용할 수 있도록 복수개의 발전수차를 다단으로 설치하되, 이들 각각의 발전수차를, 물의 유속이 동일하도록 유도하는 일정 압력 공기층을 형성한 공기 밀폐실내에 설치하는 수단으로서, 저 낙차의 물로서 복수의 발전수차를 동일 회전수로 가동시켜 보다 많은 발전량을 효율적으로 얻을 수 있도록 한 공기 밀폐실을 갖는 복수 발전장치에 관한 것이다.

본 고안을 좀 더 구체적으로 설명하면, 비교적 넓은 취수수면에 대하여 상대적으로 극히 좁은 단면적을 가지며, 또한 그 단면적이 동일하고 높이가 10m이하일 수압관내를 낙하하는 물의 유속은 어느 위치에서나 동일하게 나타나는 질량보존의 법칙(연속정리)의 원리를 이용한 것으로, 이러한 원리가 본 고안의 동일 단면적을 갖는 수압관에 다단 상태로 설치되는 복수의 발전 수차의 회전 가동력에 적용되게 하기 위한 구성으로서는 수압관의 중간 수곳에 다단상으로 일정압의 공기층이 형성된 공기 밀폐실을 설치한 다음, 이 공기 밀폐실내의 내수면 상층부에 일정압의 공기를 주입하여 공기층을 형성하고, 이 공기층 상에다 발전수차를 설치하며, 또한 각각의 공기밀폐실에는 동일한 내경의 분출구를 갖는 수압관을 직렬상태로 연결설치하여 각 수압관의 분출구에서 분출되어 공기밀폐실로 낙하한 물은 밀폐 설치된 공기층의 압력 전달에 의하여 낙하 유속의 변화없이 직렬로 연결된 수압관을 통해 동일한 유속으로 낙하하게 된다.

이와같이 동일한 단면적과 동일한 내경의 분출구를 가지며 직렬로 연결되는 수압실에 다단상으로 설치한 복수의 각 공기밀폐실내에 발전 수차를 구비하는 구성수단으로서, 저낙차의 취수댐으로부터 취수된 물이 동일한 유속으로 각 공기밀폐실을 통과토록하면서 그 공기밀폐실내에 설치된 복수개의 발전수차를 동일한 회전수로 회전시켜 발전할수 있도록 하므로서 저낙차의 물을 수회 반복 이용으로 많은 발전량을 얻을수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

일반적으로 산업의 발달과 생활이기의 발전에 의하여 많은 전력이 요구되고 있는 실정이며, 이러한 실정에 의해 보다 많은 발전 설비가 요구되고 있다.

그러나 기존의 수력발전에 있어서는 대체로 취수댐을 건설하고 댐하단부에 발전설비(수차)를 병열로 설치하여 취수댐으로 부터의 유효낙차를 단 한차례만 이용하여 발전하는 방식을 체택하고 있는바, 이러한 수력발전에 있어서는 발전에 필요한 낙차를 얻기위하여 수십개 이상의 거대한 댐공사등의 토목공사를 필요로하여 건설비가 많이 요구되는 한편, 취수된 물의 낙차를 1회 밖에 이용할수 없기 때문에 물의 이용효율이 저조할뿐만 아니라, 댐설치에 적합한 지형조건등 많은 제약이 뒤따르게 되는 등의 문제점이 있었다.

그리고, 최근에는 넓은 개방수면을 갖는 취수댐에 단면적이 극히 좁은 낙하수로 내부에 발전수차를 여러개 내설하는 구성으로 취수된 물의 1회 낙차에 따른 유속으로서 여러개의 발전수차를 회전시켜 많은 발전량을 얻을 수 있도록 하는 구성이 제안된 바 있으나, 이는 여러개의 발전수차가 낙하수로 내부에 설치된 관계로 인하여 발전수차 자체가 물의 낙하 유속을 저해하게 되는 불합리점이 있어 물의 낙하에너지를 효과적으로 이용할 수 없는 결점이 있다.

즉, 낙하수로의 최상단에 설치된 발전수차는 최초에는 물의 낙하 유속으로 그대로 이용할 수 있는 상태이나. 이 발전수차가 물의 낙차에 의해 회전할때 물의 유속을 방해함과 동시 캐비테이션(cavitation)현상을 일으키게 되어 최상단측의 발전수차를 통과한 유속은 취수당시의 유속보다 현격하게 감소된 유속으로 낙하하는 현상이 나타나고, 이와같은 현상이 그 하단측에 설치되어진 각 발전수차에도 나타나게 되므로서 낙하수로 내부에는 물의 정압작용의 상승현상이 발생되므로서 결국 낙하수로의 물의 낙하유속은 거의 정체상태로 흐르게 되어 소망하는 낙하에너지를 얻을수 없게되며, 이러한 현상에 의하여 발전수차를 회전시킬수 없게 되기 때문에 이와같은 구성은 발전을 할 수 없게 되는 결점이 있다.

따라서 본 고안은 상기와 같은 여러가지 문제점을 감안하여 취수높이 10m이하의 저낙차 상태하의 조건으로 설치된 낙하수로인 수압관상에 다단으로 공기밀폐실을 설치하고, 각 공기 밀폐실에는 그 공기밀폐실내로 분출유입되어 차기 단의 수압관으로 낙하하는 유속이 거의 변화가 일어나지 않도록 압력 전달을 위한 공기층을 형성하였으며, 또한 각 공기밀페실내의 공기층상에 분출구와 발전수차를 설치하되, 각 발전수차를 동일한 내경을 갖는 분출구에 근접상태로 설치함과 동시 각 공기밀폐실의 내수면과도 근접된 상태가 되게 하는 수단으로서 각 분출구에서 분출되어 발전수차를 회전시킨 다음 내수면으로 떨어지는 물의 유효낙차에너지의 손실을 극소화시켰으며, 또한 분출구와 발전수차 자체는 공기층상에 설치되어 있으므로서 발전수차의 회전에 의한 캐비테이션 현상이라든가 마찰현상을 감소시켜 주고 있으므로 해서 물의 유속감소를 극히적게 하여주어 다수의 발전수차(발전기)를 거의 동일회전수로 가동시킴을 가능하게 함으로서 저낙차상의 물을 이용하여 많은량의 발전량을 얻을수 있도록 함에 그목적이 있는 것으로, 본 고안은 발전용수의 취수높이가 10m보다 극히 이하인 경우 직렬로 연결 설치된 복수의 발전수차를 가동시켜 발전할 수 있게 함으로서 지형조건에 구애됨이 없이 경제적으로 설치 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 각 발전수차로 분출되는 물의 유속을 동일한 유속을 갖도록 하므로서 물의 유속을 수회 반복하여 발전에 사용할 수 있게 함으로서 저낙차의 물을 효율적으로 이용할 수 있는 소수력발전 장치를 제공할 수 있도록 함에 또 다른 목적이 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 10m 높이 이하의 취수구를 구비하고, 상층 공기층상에 발전수차를 설치한 다수의 공기밀폐실과 이 공기밀페실을 상호 직렬로 연결하기 위한 동일한 단면적의 수압관과 수압관 후단에 수입관의 직경, 즉 단면적보다 작은 단면적을 가지며 공기밀폐실 내의 발전 수차에 근접하여 설치되는 동일한 단면적의 분출구 수단을 구비하여서 된 것으로, 이하 본 고안을 첨부한 도면 및 그 실시예에 의거 더욱 상술하면 다음과 같다.

첨부도면 제1도 내지 제2도는 본 고안의 실시예시 도면으로서 제1도는 본 고안을 수직상으로 설치한 경우이며 제2도는 수평상으로 설치한 경우를 도시한 것이다.

제1도 및 제2도에 도시된 바와같이, 넓은 개방수면(W₁)을 갖는 취수댐(1)에 취수구(2)를 설치하되 취수구(2)의 높이(H)는 최하단 분출구(4ⁿ⁺¹)로부터 10m이하, 최대 높이의 경우 10.33m를 초과하지 않는 높이로 설치하는 조건을 가지며, 취수구(2)상에는 게이트(3)를 설치한다.

취수구(2)측에는 후단에 직경이 보다 작은 제1분출구(4)를 형성한 제1수압관(5)을 연설하고, 제1수압관(5)의 제1분출구(4)는 후술하는 제1공기밀폐실(6)을 관통하여 내부로 진입하게 설치하며 제1분출구(4) 축에는 이를 개폐조작할 수 있는 니들밸브와 같은 밸브수단(도시생략)을 구비하고 있다.

제1공기 밀폐실(6)내부 상층부에는 일정 압력의 공기층(7)이 형성되고 하층부에는 수면(W₂)을 갖는 수층(8)이 형성되어 있으며, 수층(8)의 직상방 공기층(7)상에 발전수차(9)가 설치되어 있고 발전수차(9)에 근접하여 상기한 분출구(4)가 위치하여 발전수차(9)를 회전시켜 발전할 수 있도록 하여 제1공기밀폐실(6) 상에는 공기층(7)의 압력을 조절하기 위한 공기조절장치(10)가 설치되어 있다.

제1공기밀폐실(6) 저부에는 제2분출구(4')가 형성된 제2수압간(5')이 연설되어 제1공기밀폐실(6)과 동일한 형태로 설치된 제2공기밀폐실(6')에 연설되며 이러한 형태로 후단의 제n공기밀폐실(6ⁿ)이 전단에 제 n-1공기밀폐실(6ⁿ⁺¹)과 분출관(4ⁿ)을 형성한 압수관(5ⁿ)으로 연설되어 있으며, 최종단 수압관(5ⁿ⁺¹)의 분출구(4ⁿ⁺¹)측에는 공기밀폐실 없이 발전수차(9ⁿ⁺¹)만을 설치하여 발전수차(9ⁿ⁺¹)를 회전 발전한 후 방류하게 한다.

또한 본 고안에 있어서 각 수압관(5) (5')…(5ⁿ⁺¹)의 직경 즉, 단면적이 동일하게 설정되어야 하며 각 수압관(5)… (5ⁿ⁺¹)의 단면적과 각 분축구(4)(4')…(4ⁿ⁺¹)의 단면적이 동이한 경우에는 관의 마찰손실에 의해 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)로부터 분출되는 유속이 저하되는 현상이 나타날 뿐만 아니라, 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ⁺¹)에서 후단 수압관으로 유입되는 과정에서 관성 저항에 의해 압력저하 현상이 야기될 수 있으므로 각 수압관 (5) (5')…(5ⁿ⁺¹)의 단면적 크기는 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 단면적보다 크게 설정하여야 하고, 또한 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ⁺¹)내에서 발생 우려되는 소용돌이 현상은 각 수압관(5')…(5ⁿ⁺¹)을 크게 하여 방지할 수 있으나 무한정으로 수압관(5')…(5ⁿ⁺¹)을 크게 할 수 없으므로 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ⁺¹)의 수면(W₂) (W₂')…(W₂ ⁿ)어 허니컴상의 칸막이를 설치하면 더욱 좋다.

또한 도면상 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ⁺¹)내의 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)가 1개씩 설치된 상태로 도시되어 있으나 이에 국한되는 것이 아니고 발전수차(9) (9')…(9ⁿ⁺¹)와의 관계에서 2, 3개씩 설치할수도 있으며 이 경우에도 설치된 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 총단적 보다 각 수압관(5) (5')…(5ⁿ⁺¹)의 단면적이 커야함은 물론이다.

또한 본고안에 있어 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 단면적을 동일하게 형성하고 취수구(2)의 높이(H)가 10m이하로 설정하고 있으므로 베루누이 정리와 질량보존의 법칙에 의하여 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)에서의 수면(W₂) (W₂')…(W₂ ⁿ)과 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)사이의 높이(h) (h')…(hⁿ)를 뺀 낙차에 의한 유속이 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)에서 동일하게 발생되게 됨으로서 동일한 유속을 지니는 물의 낙차에 의한 운동에너지를 수회 반복시켜 얻을수 있게 되어 복수 발전을 할 수 있게 되는데, 이때 본 고안에 있어서는 물의 낙차에 의한 운동에너지를 이용하는 것으로 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)에서 분출된 물의 수차에 충돌한 후 후속으로 분출되는 물의 속력에 방해가 되어서는 안되므로 발전수차(9) (9')…(9ⁿ⁺¹)와 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)와의 거리는 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)에서 분출되는 물기둥의 둘레면적과 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 단면적이 동일하여야 되고 이들의 거리(d) (d')…(dⁿ⁺¹)는 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)가 원형인 경우 직경의 1/4이상으로 설정함이 가장 바람직하다.

또한 본 고안에 있어서 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)에서 공기층(7) (7')…(7ⁿ)을 밀폐 설치함에 있어, 공기층 자체가 일정압력을 지니고 있도록 조절하는데, 예컨데 제1수압관(5)의 제1분출구(4)로 물이 지속적으로 분출되더라도 그 제1공기밀폐실(6)의 수층(8)과 수면(W₂)는 항상 일정한 상태로 공기층(7)의 압력이 유지되며 이 공기층(7)의 공기압에 의하여 제1수압관(5)내를 흐르는 물의 유속과 제1공기밀폐실(6)을 거쳐 제2수압관(5')내를 흐르는 물의 유속은 거의 변화없이 같은 유속을 갖게 된다.

따라서 각 수압관(5) (5')…(5ⁿ⁺¹)내를 흐르는 물의 유속에 대한 변화가 거의 일어나지 않게되며, 이에 따라 각 공기밀폐실에 설치된 발전수차(9) (9')…(9ⁿ)을 동일한 회전수로 원활하게 회전시킬수 있으며 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ) 내부 공기층(7) (7')…(7ⁿ)의 공기압력에 의하여 물이 충전된 상태와 동일한 압력을 전달하게 되어 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ)에서 거의 동일한 유속으로 분출되는 물은 발전수차(9) (9')…(9ⁿ)와 충돌하여 발전수차(9) (9')…(9ⁿ)를 회전시켜주게 되므로서 저낙차 높이의 취수구(2)로 취수된 물로서 각 발전수차(9) (9')…(9ⁿ⁺¹)써 위수된거의 동일한 회전수로 가동시켜 많은량의 발전을 얻을 수 있는 것이다.

또한 본 고안에 있어 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)의 수면(W₂) (W₂')…(W₂ ⁿ)와 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ)사이의 높이는 손실낙차에 해당되므로 가급적 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)의 수(W₂)(W₂')…(W₂ ⁿ)에 근접하여 각 분축구(4)(4')…(4ⁿ)를 설치함이 바람직하며, 상기와 같은 손실낙차를 고려하여 각 공기밀폐실(6)(6')…(6ⁿ)은 2-3단 정도 설치함이 바람직하다.

이상과 같은 본 고안의 운전 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

최초발전시 먼저 취수구(2)의 게치트(3)을 폐쇄하고 각 공기밀폐실(6)(6')…(6ⁿ)의 공기조절장이(10) (10')…(10ⁿ)와 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ)의 니들밸브(도면중 생략)를 모두 개방하고 최하단 분출구(4ⁿ⁺¹)의 니들밸브(도면중 생략)를 폐쇄한후 취수구(2)의 게이트(3)를 약간 개방하여 물이 최하단 공기밀폐실(6ⁿ)측까지 흐르게하고 최하단 공기 밀폐실(6ⁿ)에 요구하는 수위가 단면(W₂ ⁿ)위치까지 도달하면 공기밀폐실(6ⁿ)의 공기조절장치(10ⁿ)와 분출구(4ⁿ)을 폐쇄하고, 이러한 방법으로 전단의 공기밀폐실(6ⁿ⁺¹)…(6')(6)을 역순 방법으로 순차적으로 작동시켜 각 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)내의 수층(8) 수위를 적정수면(W₂) (W₂')…(W₂ ⁿ)까지 도달하게 한 다음 각 분출구(4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 니들 밸브를 개방하여 각 분출구 (4)(4')…(4ⁿ⁺¹)의 개방단면을 동일하게 조정하여 주면 각 분출구 (4) (4')…(4ⁿ⁺¹)의 분출유속이 동일하게 조절된 상태에서 발전개시 할 수 있게 되는 것이다.

이와같은 본 고안은 각기 동일한 단면적으로 갖는 각 분출구의 직경보다 무한히 큰 개방수면을 갖는 수원으로부터 10m이하의 높이에서 취수하고, 이 취수된 물을 압력 공기층에 발전수차를 형성한 다수의 공기밀폐실로 동일한 유속으로 분출시켜 순차적으로 발전하게 됨으로서 대체로 저낙차의 유속을 이용하여 다수 발전수차를 동일한 회전수로 가동시킬 수 있게 되어 용수의 이용효율을 증대시켜 발전효율을 배가 시킴과 아울러 비교적 10m이하의 저낙차에서도 발전을 효율적으로 행할수 있게되어 기존 수력발전과 같은 설치 지형에 구애됨이 없이 극히 경제적으로 수력발전 설비를 설치할 수 있는 특징을 지닌 것이다.

Claims (1)

10m높이 이하의 위치에 취수구(2)를 구비하고, 내부에 소정의 일정압력이 형성된 공기층(7) (7')…(7ⁿ)상에 발전수차(9) (9')…(9ⁿ⁺¹)를 설치하고 이의 하측에는 일정 수면을 갖는 복수의 공기밀폐실(6) (6')…(6ⁿ)과 공기밀폐실을 상호 직렬상태로연결하기 위한 동일 단면적을 갖는 각 수압관(5) (5')…(5ⁿ)(5ⁿ⁺¹)과, 각 수압관의 후단에 수압관의 직경(단면적)보다 작은 직경(단면적)을 가지며 각 공기밀폐실내의 각 발전수차의 근접하여 설치되는 동일직경(단면적)의 분출구(4) (4')…(4ⁿ)를 구비함을 특징으로 하는 공기밀폐실을 갖는 복수발전장치.