KR940010971B1 - 조력 및 유수력을 이용한 발전용수차 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

조력 및 유수력을 이용한 발전용수차 장치

제 1 도는 본 발명인 수차의 구성사시도.

제 2 도는 수차의 단면 구성도.

제 3 도는 장치대에 수차가 장착된 상태의 정면 상태도.

제 4 도는 장치대에 수차가 장착된 상태의 평면 상태도.

제 5 도는 부력에 따른 수차의 동작상태를 보인 정면도.

제 6 도는 수차가 장착된 장치대를 부양선에 설치한 경우의 측단면도.

제 7 도는 수차장치대를 구성하는 수직기둥과 수차지지대의 결합관계도.

제 8 도는 수차축과 발전기축을 결합하는 이음구조의 예시도.

제 9 도는 본 발명의 설치 상태도.

(a)는 수중보를 이용한 경우

(b)는 협곡에 설치한 경우

(c)는 유수 안내보에 설치한 경우

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 원통 2 : 날개

3 : 측판 4 : 덧판

5, 7 : 회전축 6 : 간막이판

10 : 받침대 12 : 수직기둥

14 : 수차지지대 15 : 상부간

16 : 도루레 17 : 발란스추

18 : 와이어 로프 19 : 가이드봉

20 : 부양선 21 : 유수안내키

25 : 받침대 연결간

본 발명은 하천유수나 해류 및 조수의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 얻는 수차 장치에 관한 것으로, 상세히는 수차의 날개형을 쐐기형으로 하여 유수의 흐름 직각면에서 수압을 최대로 받게 하고, 그 반대면에서는 수중마찰력이 최소로 되도록 구성한 수차와, 수차가 부력과 균형을 이루어 일정 깊이로 수중에 잠길 수 있도록 수차지지대가 기동축상에서 자유로이 활주 이동(sliding movement)할 수 있도록 하여 수량의 증감 또는 파고의 변화에 자동적으로 대응할 수 있도록 구성한 한 수차 장치에 관한 것이다.

종래 수력이나 조력을 이용한 발전방식은 대규모 댐을 설치하여 그 낙차에 의한 수압으로 터빈을 돌려 발전하는 방식을 택하고 있는데 이는 막대한 시설비가 소요되고 댐건설로 인한 환경파괴 등을 회피할 수 없기 때문에 가능한한 이들 문제점을 극복할 수 있는 대체적 방법이 강력하게 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 바탕위에서 도처에서 흐르는 자연하천수나 해류 및 조수 간만의 차에 의한 유동에너지를 적절히 응집하여 전기에너지로 변환하는 효과적인 수단을 제시할 목적으로 안출된 것이다. 하천수, 해류조수는 유속이 느리고 특히 하천수는 강우에 따라 유량 증감이 빈번하므로 자연 상태에서 이들 운동 에너지를 결집하기 위해서는 두가지 문제가 해결되어야 한다. 첫째는 수압을 최대로 받을 수 있고, 유체와의 마찰이 최소인 날개형의 선택이며, 둘째는 유량의 증감 또는 파고의 높낮이에 적절히 대응할 수 있는 장치를 가질것이 요구된다고 하겠다. 첫째의 문제점을 해결하는 목적으로 제시되고 있는 방법이 조력발전용 수차(실용공고 89-622)인데 이는 날개를 절첩가능하도록 구성하여 수압을 효율적으로 받을 수 있고 공기저항을 줄일 수 있는 효과가 있으나 강력한 파력에 의하여 날개가 쉽게 파손되거나 단일의 중심축만이 수차에 가해지는 전압력에 저항하도록 구성하였으므로 강성이 부족하여 일정길이 이상의 대규모 수차를 구성할 수 없다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 수차를 길게 하여도 충분히 강성을 발휘할 수 있도록 원통형 축으로 하고, 날개가 반복되는 파력이나 수압에 의한 충격에 견딜 수 있고, 수압을 적절히 수용하며, 수차회전시 발생하는 마찰력을 충분히 감소시킬 수 있는 구조의 수차를 제공하고, 수차가 수중의 일정깊이에 항상 위치할 수 있도록 수차의 무게와 부력이 균형되도록 하여 하천수의 증감, 파고의 높낮이에 자동적으로 대응하는 수차장치를 제공할 목적을 가지고 안출되었다.

이들 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도 및 제 2 도는 본 발명이 제시하고자 하는 수차의 구성을 보이기 위한 것으로, 원통(1)의 외주면에 8개 혹은 수차의 크기에 부합하는 적당수의 쐐기()형으로 된 날개(2)를 달고, 원통(1)의 반경을 유수면에 접하는 수차의 면적 폭, 즉 날개(2) 내면의 원통외주면에서 선단까지의 거리 2배 이상이 되도록 하며, 원통의 양단부에는 날개(2)의 외접원보다 약간 큰 직경의 원형 측판(3)을 부착하고 원형 측판(3)의 중심부에는 수차지지대(14)상에서 원통(1)이 원활히 회전하도록 덧판(4)과 일체로 고착된 회전축(5)을 부착하며, 그리고 양측판 사이에는 일정간격으로 측판과 동일한 크기의 간막이판(6)을 설치한 구조로 수차를 구성한 것이다. 이와 같이 구성된 수차는 날개(2)의 유수면에 접하는 면적이 크므로 작은 유속에서도 큰힘을 발생시키며, 원통(1)의 반경이 상기 유수면에 접하는 면적 폭과 대비하여 상대적으로 상당히 크므로 수차가 강한 수압등의 외부작용력을 충분히 수용할 수 있을 뿐 아니라 M=F·L 공식에 따라 회전축(5)의 회전력을 높일 수 있도록 하는 이중의 효과를 갖도록 하고, 양측판 사이에 일정간격으로 간막이판(6)을 설치하므로써 원형 측판(3)과 함께 유수의 흐름이 수차에 직각이 되도록 안내할 뿐아니라 수차가 이용되는 지역의 유수폭에 따라 수차의 길이를 임의로 연장할 수 있도록 한다. 특히 수차의 날개(2)를 쐐기형으로 하므로써 유수면에 접하는 면적을 높이며, 날개의 외면은 완곡한 유선형으로 구성시키므로써 수차의 회전저항을 최소로 하고, 날개(2)가 원통(1)외 외주면과는 두지점에서 접합되어 날개의 외압에 대한 파손위험을 배제시키도록 한다.

제 2 도는 상기 수차의 최선의 실시예를 도시한 것으로, 원통의 직경과 날개외접원의 직경의 비를 약 4:5가 되게 하고, 원통 중심에서 방사상으로 8등분 하여 원통(1)과 날개(2)가 만나는 점을 각각 A,B,C,D,E,F,G,H라 하고 날개외접원의 선단을 각각 a,b,c,d,e,f,g,h라 한다. 날개의 외면은 Ab,Bc,Cd,De,Ef,Gh,Ha의 길이를 각기 반지름으로하여 선분의 법선상에 중심을 갖도록 작도한 원호한 같은 곡면으로 하고, 내면은 aG,bH,cA,dB,eC,fD,gE,hF 점을 각기 연결하여 원통면과 접하는 점을 연결한 평면과 일치하도록 구성한 것이다.

이와 같이 하였을때 실험에 의하면 유수압을 크게 받고, 유속이 작은 경우에도 원활한 작동을 할 수 있으며, 전체적으로 삼각 구조가 되기 때문에 튼튼한 구조가 되고, 수차의 회전시 유체 마찰을 최소로 할 수 있다. 또한 간막이판(6)과 원형 측판(3)의 지름을 날개의 외접원지름보다 크게 하였으므로 유수의 방향을 수차에 직각으로 안내하는 효과도 있다. 강성이 큰 원통으로 축을 구성하였음으로 중간의 간막이판의 적절한 배치에 의해 긴 길이의 수차로 구성할 수 있어 대규모의 발전장치로 이용할 수 있게 된다. 제 3 도 내지 제 4 도는 상기의 수차를 장착한 상태의 수차정치를 도시한 것으로, 평행으로 배치된 2개의 받침대(10)각각의 좌측과 우측에 수직기둥(12)을 세우고 수직기둥의 상단에 좌, 우측 두수직기둥에 의해 고정되는 상부간(15)를 형성하여 ㅠ형 프레임을 설치하고 (제 3 도), 프레임의 수직기둥(12)내측에는 요홈을 형성하여 수차지대(14)가 수직 기둥을 따라 상하로 활주이동할 수 있도록 장착하고(제 5 도 및 제 7 도), 수차지지대는 프레임의 상부간(15)에 장착한 도루레(16)에 지지되어 타측 단부에 바란스추(17)가 메달린 와이어 로프(18)로 결착되며, 바란스 추는 각각의 수직기둥 외측에 설치한 가이드봉(19)에 지지되어 상하운동하도록 구성한 것이다. 원통(1)의 회전축(5)은 가령 수차지지대 중앙 구멍을 통하여 수차지지대(14)에 통상의 방법으로 결합되며 지지대 내부에는 가속기어가 구성되고 회전축(5)과 연결하여 발전에 적합한 회전수의 동력을 얻어 지지대에 부착된 발전기를 가동시킨다. 상기 회전축(5)는 다시 수차지지대상에 장착될 수 있는 발전기에 연결될 수도 있다.

바다에 장치하여 조류를 이용하는 경우에는 제 6 도에 도시된 바와 같이 별도의 부양선에 수차장치대를 장착하여 사용하게 된다. 부양선에 설치하는 경우 부양선(20)이 조류의 방향으로 자동적으로 조정되도록 유수안내키(21)를 설치한다. 유수안내기키는 조류의 흐름이 수차에 직각으로 작용할 수 있도록 부양선의 방향과 조류의 방향을 일치시키는 역할을 한다. 수차에 가해지는 부력과 수차의 중량 및 바란스 추의 관계는 제 5 도로서 설명될 수 있는데, 수차의 중량이 부력에 비해 큰 경우에는 수차의 잠김 깊이가 커지고 그에 따라 수차의 회전이 원활해지지 못하는 경우가 발생하게 된다. 발란스 추는 이러한 경우에 수차에 상향력을 부여하여 수차가 일정깊이 이상으로 잠기는 것을 방지하며, 상황에 따라 추의 무게를 가감함으로서 항상 최적이 깊이로 잠겨지게 한다.

수차의 회전축(5)에는 발전기가 결합되어 지는데, 이때 발전기가 수차지지대에 장착되지 않고 부양선 선체에 고정되는 경우 수차의 높낮이 변화에 따른 발전기축과 수차 회전축 편차는 제 8 도에 예시된 바와 같은 공지의 자재이음법을 사용하므으로서 해결할 수 있다. 제 8 도에서 자재이음의 양축 단부는 스플라인으로 구성함으로서 수차의 높낮이 변화에 따른 이음장치의 각도변화를 고정된 상태의 발전기에서 수용할 수 있게 된다.

상기의 구조로 되어 있는 수차는 P=Awgv(여기에는 P는 수압, A는 유수면에 접하는 수차의 면적, w는 유체의 단위중량 g는 중력가속도, v는 유속)에서 알 수 있는 바와 같이, 유수면에 접하는 수차면적과 유체의 단위중량을 크게 함으로서 작은 유속에서도 큰힘을 얻을 수 있게 된다.

제 9 도는 본 발명의 다양한 설치상태를 도시한 것으로, (a)는 유속이 극히 작은 경우 수중에 경사보를 설치하여 유속을 증가시킨 상태의 사용예, (b)는 유속이 빠른 협곡이나 조수차가 큰 해안에 설치한 예, (c)는 유량이 극히 적은 경우 안내보를 설치하여 유량을 집중시킨 상태로 사용할 예를 보인 것이다. 동일 하천상에 우수방향으로 상기 구성에 의한 수차를 수십대 연속하여 설치할 경우 규모가 작은 하천에서도 큰 에너지를 얻을 수 있게 된다.

도면중 미설명부호 25은 받침대 연결간, 26는 중간축, 27은 스플라인을 표시한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 작은 유속의 하천수나 조류 및 해류를 효율적으로 이용하여 큰 에너지를 얻을 수 있도록 하였으나, 수차의 회전축이 원통형으로 되어 있으므로 구조적으로 안정하고 유체와의 마찰력을 최소로 할 수 있어 효율이 높은 수차가 된다. 또한 수차의 잠김깊이가 일정하도록 자동적으로 조절되므로 유량이 증감 또는 파고의 고저에 따라 수차높이를 일일이 조절해야 하는 불편이 해소된다.

Claims (3)

1. 평행으로 배치된 2개의 받침대(2) 각각의 좌측과 우측에 수직기둥(12)을 세우고 수직기둥의 상단에 좌·우측 두 수직기둥에 의해 고정되는 상부간(15)를 형성하여 유형 프레임을 설치하고, 프레임의 수직기둥(12) 내측에는 요홈을 형성하여 수차지지대(14)가 수직 기둥을 따라 상하로 활주이동할 수 있도록 장착되고, 수차지지대는 프레임의 상부간(15)에 장착된 도루레(16)에 지지되어 타측단부에 발란스 추(17)가 매달린 와이어 로프(18)로 결착되며, 바란스 추는 각각의 수직기둥 외측에 설치한 가이드봉(19)에 지지되어 상하운동하도록 구성하여 수차가 원활히 회전할 수 있도록 장착된 수차지지대(14)의 수차 잠김 깊이를 일정하게 조정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 조력 및 유수력을 이용한 발전용 수차장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수차가 원통(1)의 외주면에 수차의 크기에 부합하는 적당수의 쐐기()형으로 된 날개(2)를 달고, 원통(1)의 판정은 날개(2) 내면의 원통외주면에서 선단까지의 거리 2배 이상이 되도록 하며, 원통의 양단부에는 날개(2)의 외접원보다 약간 큰 직경의 원형 측판(3)을 부착하고 원형 측판(3)의 중심부에는 수차지지대(14)상에는 원통(1)이 원활히 회전하도록 덧판(4)과 일체로 고착된 회전축(5)을 부착하며, 그리고 양측판 사이에는 일정간격으로 측판과 동일한 크기의 간막이판(6)을 설치하여 구성한 것임을 특징으로 하는 조력 및 유수력을 이용한 발전용 수차장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 쐐기형의 날개(2)가 원통(1)중심에서 방사상으로 8등분하여 원통(1)과 날개(2)가 만나는 점을 각각 A,B,C,D,E,F,G,H라 하고 날개외접원의 선단을 각각 a,b,c,d,e,f,g,h라 할때, 날개의 외면은 Ab,Bc,Cd,Ef,Gh,Ha의 길이를 각기 반지름으로하여 선분의 법선상에 중심을 갖도록 작도한 원호한 같은 곡면으로 하고, 내면은 aG,bH,cA,dB,eC,fD,gE,Hf 점을 각기 연결하여 원통면과 접하는 점을 연결한 평면과 일치하도록 구성시킴을 하는 조력 및 유수력을 이용한 수차장치.