WO2011019094A1 - 유체 배관을 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 배관을 이용한 발전장치에 관한 것이다. 본 발명은 유체 배관에 착탈가능하게 결합되어 상기 유체 배관의 가장자리에 흐르는 유체를 이용하여 발전을 수행하는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치를 제공한다. 본 발명에 의하면 냉수, 냉각수, 공기, 오일 등 거의 일정한 유속을 갖고 있는 다양한 유체가 있는 배관 내부에 가장자리 영역에 장착되므로 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 발전을 수행할 수 있다.

Description

유체 배관을 이용한 발전장치

본 발명은 발전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 냉수, 냉각수, 오일, 공기 등 유체가 흐르는 배관의 내부에 장착되어 전기를 얻을 수 있는 유체 배관을 이용한 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 발전장치(發電裝置)는 어떤 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치를 말한다. 발전장치는 그 에너지원에 따라 수력, 화력, 원자력 등으로 나뉘며 자연 상태의 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 필요할 때 적절하게 사용할 수 있도록 하고 있다.

그 가운데 수력 발전장치는 높은 곳에 위치한 물의 위치에너지를 발전기 터빈의 운동에너지로 변환시키고 발전기 내부의 전자기 유도 현상을 이용하여 전기를 얻는 방법이다.

보통 수력발전을 위해서는 강을 막아 댐을 짓고, 댐의 상류에 물을 가두었다가 수문을 열고 이를 댐의 하류로 떨어뜨려서 터빈을 돌리게 된다. 이 과정에서 물의 위치에너지가 터빈의 운동 에너지로 전환된다. 이어서 터빈 내부의 로터 코일이 터빈을 따라 회전하면서 전자기 유도 현상을 통해 전류가 발생된다. 이 과정을 통해 터빈의 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 것이다.

이와 같은 수력 발전의 경우에 발전 용량을 늘리려면 물이 더 큰 위치 에너지를 가지도록 해야 하므로 보다 큰 낙차를 확보하기 위해서는 댐에 많은 유량의 물을 확보해야 한다.

그러나 상기 수력발전은 발전을 위해서 대규모의 설비가 필요하고 댐의 상류에 비가 오랜 기간 오지 않은 경우에 있어서 발전 효율은 낮아지게 된다.

또다른 예로서 화력발전은 기력발전(汽力發電)이라고도 하며 목재, 석탄 등의 연료를 연소시켜 발생하는 열을 이용하여 터빈을 돌리고, 그 터빈의 동력을 이용하여 전기를 얻는 발전 방법을 말한다.

화력 발전은 현재 가정 널리 이용하고 있는 발전방법이기는 하나 연료가 되는 자원이 한정되어 있고 대기오염 등 환경문제를 야기한다.

최근에는 에너지에 대한 관심이 높아져 보다 친환경적이고 자원의 활용도를 높일 수 있는 발전방법이 학계에서 연구되고 있다.

이런 측면에서 수력, 풍력 등 유체를 이용한 새로운 발전방법이 주목받고 있다. 기존의 수력, 풍력 발전기기는 유체가 흐르는 중심에 발전기가 날개와 일체형으로 설치된다. 즉, 외부 날개에 유도된 힘으로 중심의 발전기 혹은 발전기 중심축이 회전해 발전을 얻는 방식이다. 그리고 이는 현재 일반적인 수력 발전과 풍력 발전, 조력 발전 등에 사용되는 방식으로서 한계가 있었다.

즉, 다양한 빌딩과 산업 공장 등에는 냉수, 냉각수, 오일, 가스, 공기 등 다양한 용도의 유체들이 여러 형태의 펌프를 통해 이송되고 있으며, 이러한 유체들은 펌프를 통해 압력과 유속을 갖고 있어 에너지를 갖고 있음에도 불구하고 이를 재활용하여 회전력을 얻거나 직접 발전에 사용할 수 없었다.

따라서 본 출원인은 상기와 같은 시대적 요청에 의해 본 발명을 제안한 것으로서, 보다 친환경적이면서도 불필요하게 낭비하는 자원을 재활용하여 발전을 할 수 있는 유체 배관을 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 유체 배관에 착탈가능하게 결합되어 상기 유체 배관의 가장자리에 흐르는 유체를 이용하여 발전을 수행하는 것을 특징으로 하며,

이는 유체 배관 내측 가장자리 영역으로 이동하는 유체에 의해 회전하도록 상기 유체 배관 내부 둘레 영역에 착탈 결합되는 회전체; 및 상기 회전체의 회전을 전달받아 전기를 발생시키는 발전기를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 유체 배관을 이용한 발전장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 발전장치가 냉수, 냉각수, 공기, 오일 등 거의 일정한 유속을 갖고 있는 다양한 유체가 있는 배관 내부에 가장자리 영역에 장착되므로 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 발전을 수행할 수 있다.

둘째, 발전을 수행하는 장치를 쉽게 착탈 분리할 수 있으므로 기존에 설치된 유체 배관이나 신설하는 유체 배관에 설치하여 사용할 수 있고, 기존 낭비되는 자원을 활용하여 에너지를 창출해 낼 수 있으므로 새로운 형태의 발전 모델을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체가 유체 배관에 설치된 상태의 개략적인 측단면도.

도 2는 도 1의 유체 배관과 임펠러의 배치상태를 도시한 평면도.

도 3은 유체의 흐름과 임펠러의 회전을 도시한 도면.

도 4는 도 1의 회전체를 평면에서 도시한 개념도.

1 : 발전장치 10 : 회전체

10a : 날개 20 : 유입가이드

20a : 유도날개 30 : 유출가이드

30a : 유도날개 40 : 실(seal)

50 : 발전기 53 : 벨트

55 : 풀리 P : 배관

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체가 유체 배관에 설치된 상태의 개략적인 측단면도이고, 도 2는 도 1의 유체 배관과 임펠러의 배치상태를 도시한 평면도이며, 도 3은 유체의 흐름과 임펠러의 회전을 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 발전장치를 평면에서 도시한 개념도이다.

본 발명의 발전장치는 냉수, 냉각수, 오일, 공기 등 유체가 흐르는 배관(P)의 가장자리 영역에 회전체(10)가 설치되어 배관(P) 내부의 가장자리 영역에 흐르는 유체를 이용하여 발전을 수행하고, 배관(P)의 중앙 영역으로는 유체가 흐름을 방해받지 않고 원활하게 이동할 수 있도록 한다.

보다 상세하게는 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 발전장치는 수직으로 설치된 임의의 유체 배관(P)이 있을 경우, 유체 배관(P)을 상부배관(P1)과 하부배관(P2)으로 분리되도록 절단한 후 그 사이 공간에 설치되는 회전유도장치(1)를 구비한다.

상기 유체 배관(P)에 장착되는 회전유도장치(1)는 크게 유체 배관(P)의 내부영역을 구획하는 삽입배관(5)과, 삽입배관(5)과 유체 배관(P) 사이에 설치되어 유체의 흐름을 회전운동 에너지로 전환시키는 회전체(10)와, 상기 회전체(10)의 적어도 어느 일측에 배치되어 유체의 흐름을 안내하는 가이드(20, 30)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 삽입배관(5)은 상부배관(P1)보다 작은 직경을 가지며 상기 상부배관(P1) 내부에 이격된 공간을 갖도록 상부배관(P1)에 고정 설치된다. 상기 삽입배관(5)은 도 2에 도시된 바와 같이 유체 배관(P)의 형상처럼 원통으로 제작된다.

상기 삽입배관(5)은 상부배관(P1) 및 하부배관(P2)에 고정 설치되는데 조립상 편의를 위해 후술할 유입가이드(20)가 형성된 부분과, 유출가이드(30)가 형성된 부분이 나누어지도록 2개로 구성되는 것이 바람직하다.

삽입배관(5)의 내벽은 아무런 무늬가 없을 수 있으며, 약간의 요철 구조를 통해 수직 하방의 유체 흐름이 더욱 공고히 될 수 있도록 가공될 수도 있다.

유체 배관(P) 내부에 삽입배관(5)이 설치되면, 도 3에 도시된 바와 같이 삽입배관(5) 내부는 중공(H)이 되므로 유입되는 유체가 진로를 방해 받지 않고 원활하게 흐를 수 있고, 삽입배관(5)의 외부에는 상기 유입가이드(20), 유출가이드(30)가 형성되고, 삽입배관(5)과 유체 배관(P)이 이루는 공간에는 회전체(10)가 장착되므로 가장자리로 유입되는 유체를 이용하여 발전을 할 수 있게 된다.

이를 상세하게 설명하면, 삽입배관(5)의 상부 영역에 설치되는 유입가이드(20)는 상기 상부배관(P1)과 삽입배관(5)의 사이, 즉 유체 배관(P)의 가장자리 영역 상부로부터 유입된 유체의 흐름을 회전체(10)로 안내하는 역할을 한다.

상기 유입가이드(20)는 삽입배관(5)에 고정되는데, 삽입배관(5)의 외부를 따라 일정한 각도로 하향 배열되는 다수의 유도날개(20a)를 구비하여 삽입배관(5)과 일체로 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 유입가이드(20)는 상부로부터 유입되는 유체의 흐름을 상기 유도날개(20a)를 이용하여 유도날개(20a)가 유도하는 방향으로 유도하게 된다. 그리고 유도날개(20a)가 형성되지 않은 삽입배관(5) 내부(H)로는 상부로부터 유입되는 유체가 수직 하방으로 통과하게 된다.

상기 유도날개(20a)의 크기와 길이, 수량, 형상은 다양하게 설계될 수 있으며 삽입배관(5)의 두께는 재질 및 유도날개(20a)의 구조와 함께 다양하게 고안될 수 있다.

이렇게 유체 배관(P)의 상부로부터 유입된 유체는 내부에 삽입된 삽입배관(5)과 삽입배관(5) 외부에 형성된 유입가이드(20)를 통해 기존의 직하방에서 직좌 혹은 직우의 경사진 방향으로 유도되게 된다.

이렇게 직좌, 직우의 경사진 방향으로 유도된 유체가 내부 유입가이드(20)를 통과하게 되면 상부배관(P1)과 하부배관(P2) 사이에 메카니컬 실(40, mechanical seal) 등을 통해 결합되어 있는 하부의 회전체(10)로 유도된다. 여기서 메카니컬 은 회전체(10)의 상부와 하부를 연결하면서 유체가 외부로 새어나오지 않도록 기밀을 유지하며, 회전체(10)의 회전에 따른 마찰 손실을 최소화하는 역할을 한다. 물론, 상기 메카니컬 실은 전술한 역할을 하는 다른 형태의 실로 대체가능할 것이다.

상기 회전체(10)는 상술한 유입가이드(20)에 의해 유입된 유체의 유속 및 압력을 전달받아 회전하며, 유체의 흐름을 회전운동 에너지로 전환시킨다. 이를 위해 상기 회전체(10)는 상부로부터 유입가이드(20)의 유도날개(20a)를 통해 유도된 유체의 힘을 받아 회전할 수 있도록 회전날개(10a)가 장착되어 있다.

상기 회전체(10)의 회전날개(10a)는 상부의 유입가이드(20)의 유도날개(20a)와는 수평면을 기준으로 대략적인 대칭 구조를 갖게 되나 다양한 형상과 수량, 높이, 길이로 고안될 수 있다.

상기 회전체(10)는 회전 중 삽입배관(5)과의 사이의 유체를 통한 마찰과 회전 중의 자체 마찰, 저항 등을 줄이기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 상부배관(P1) 및 하부배관(P2) 보다 외경이 더 크게 이루어질 수 있다. 이를 위해 상기 회전체(10)가 설치된 영역을 별도의 하우징으로 마련하여 상부배관(P1)과 하부배관(P2)에 결합할 수 있다.

이처럼 회전체(10)의 직경이 실제 배관(P)보다 크게 설계되면, 회전체(10)의 회전에 필요한 유체의 압력은 일시적으로 강하되므로 회전체(10)의 회전 저항이 감소하게 된다.

그러므로 기존 및 신규 빌딩이나 산업 현장 등에 펌프에 의해 그 용도에 따라 일정 시간 혹은 24시간 운전되는 유체 배관(P)의 유속과 압력을 중간에서 큰 저항을 받지 않고 이용할 수 있으며, 이렇게 회전체(10)를 통해 유도된 회전력을 이용해 발전기 등을 돌려 축전이나, 조명, 일반적인 전기로 사용될 수 있다.

상기 회전체(10)는 일정한 회전력을 오랫동안 유지할 수 있도록 회전날개(10a)의 개수 및 설치방향 등이 달라질 수 있으며 회전체(10)의 재질이나 두께, 중량 등도 선택적으로 설계 가능할 것이다.

상기 회전체(10)의 하부, 즉, 하부배관(P)이 위치한 영역에는 상기 회전체(10)를 통과한 유체의 흐름을 가이드 하는 유출가이드(30)가 마련된다. 상기 유출가이드(30)는 전술한 유입가이드(20)와 유사한 구성으로 가지며 다수의 유도날개(30a)가 삽입배관(5)에 일체로 형성될 수 있다. 따라서 유출가이드(30)는 회전체(10)를 통과한 유체가 원활하게 하부로 이동하도록 유체의 방향을 효율적으로 조절할 수 있다.

회전체(10)를 통과하면서 회전력을 발생시킨 유체는 직하방에 위치한 유출가이드(30)의 유도날개(30a)를 지나서 수직 하방의 방향이 되도록 유도되고, 삽입된 내부 삽입배관(5)의 내부(H)를 따라 그대로 수직하방으로 흐르는 유체와 다시 합쳐진다.

한편, 유체 배관(P)의 외측에는 상기 회전체(10)의 회전력을 전달받아 전기를 발생시키는 발전기(50)가 배치된다. 상기 발전기(50)는 회전체(10)의 회전운동 에너지를 전달받아 전기를 발생킨다. 이를 위해 상기 회전체(10)와 발전기(50)를 연결하여 동력을 전달하는 풀리(55)와 벨트(53)가 설치된다.

여기서 회전체(10) 외부에 고정된 발전기(50)는 직류 혹은 교류 발전기일 수 있으며 어느 하나로 특정하지 않는다. 상기 발전기(50)는 전술한 회전체(10)와 함께 발전장치를 구성한다.

그리고 도 4에 도시된 바와 같이 상술한 회전체(10)의 외부는 원주 방향으로 톱니, 요철, 기어 모양의 가공이 되어 있을 수도 있으며, 그러한 가공 없이 V자의 홈 등으로 가공될 수 있다. 이는 회전체(10)의 회전력을 발전기(50)로 전달할 경우 에너지 손실을 줄일 수 있는 방법이 될 수 있다.

예를 들어 회전체(10)에 직접 닿는 톱니, 요청, 기어 모양의 풀리(55)를 통해 회전체(10)에서 근접한 거리에 있는 고정된 발전기(50)의 동체가 회전력을 얻어 발전을 하게 할 수 있다. 그리고 V 벨트, 요철이 있는 벨트, 평평한 벨트 등을 통해 회전체(10)에서 근접한 거리에 있는 발전기(50) 동체 축과 연결된 풀리(55)를 통해 회전력을 얻어 발전기(50) 동체가 회전하여 발전을 할 수 있다.

여기서 회전체(10)에 가공될 수 있는 톱니, 요철, 기어 등 형상 및 개수, 줄 수는 특정되지 않으므로 회전체(10)의 힘 및 내부 저항의 최소요건에 따라 1 개에서 다수 로 선택가능하다.

또한, 회전체(10)의 외부의 원주와 발전기(50) 동체와 연결된 축에 고정된 풀리(55)의 크기를 다양하게 하여 다양한 유체 및 유속에 따라 상술한 풀리(55)와 벨트(53)는 변경적용이 가능하다.

이와 같이 본 발명의 발전장치는 냉수, 냉각수, 오일, 공기 등 유체가 흐르는 배관(P)의 내부에 설치되어, 배관(P) 내부의 가장자리 영역에 흐르는 유체의 유속을 받아 발전을 수행하고, 중앙 영역에는 유체가 원활하게 흐를 수 있도록 하여 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 발전을 수행할 수 있다.

또한, 착탈 분리가 용이하므로 기존에 설치된 유체 배관이나 신설하는 유체 배관에 용이하게 설치하여 사용할 수 있으므로 기존 자원을 활용하여 에너지를 창출해 낼 수 있을 뿐만 아니라 새로운 형태의 발전 모델로서 역할할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

본 발명의 발전장치는 기존 및 신규 설비상의 다양한 수직, 수평의 배관에 적용할 수 있으며, 유체의 종류와 수직이나 수평 배관에서의 흐름 방향은 어느 방향에서든 관계가 없음은 이해가능하다. 또한, 배관을 따라 흐르는 유체는 일정한 속도를 유지하며 변동이 없는 조건이나 약간의 변동이 있는 조건에서이나 본 발명이 적용됨에 있어서는 무방하다.

전술한 실시예에서는 유체가 유입되는 측에 배치되는 유입가이드(20)와 유체가 유출되는 측에 배치되는 유출가이드(30)가 모두 구비되나, 발전을 위한 회전체(10)만을 구비할 수 있고, 회전체(10)의 상부 또는 하부 어느 하나에만 가이드를 마련할 수도 있을 것이다. 그리고 상기 회전체(10)는 복수로 마련되어 연속으로 배치되게 함으로써 더 많은 회전력을 이용하여 발전할 수도 있을 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 유체 배관에 착탈가능하게 결합되어 상기 유체 배관의 가장자리에 흐르는 유체를 이용하여 발전을 수행하되,

   상기 유체 배관 내측 가장자리 영역으로 이동하는 유체에 의해 회전하도록 상기 유체 배관 내부 둘레 영역에 착탈 결합되는 회전체; 및

   상기 회전체의 회전을 전달받아 전기를 발생시키는 발전기를 포함하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전체의 적어도 어느 일측에 배치되어 유체의 흐름을 안내하는 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가이드는,

   유체가 유입되는 측에 배치되는 유입가이드와, 유체가 유출되는 측에 배치되는 유출가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 회전체와 가이드가 설치되는 공간을 형성하도록 상기 유체 배관에 삽입되는 삽입배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 삽입배관과 유체 배관은 메커니컬 실(mechanical seal)에 의해 실링되는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 회전체와 발전기를 연결하는 풀리와 벨트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 회전체는 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 배관을 이용한 발전장치.

Images