WO2014171629A1 - 공기부양식 소수력 발전장치 - Google Patents

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WO2014171629A1
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최남규
최주영
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Choi Nam-Kyu
Choi Ju-Young
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to an air-floating hydrophobic power generation apparatus, and more particularly, to an air-floating hydrophobic power generation apparatus that can be installed and generated in a place where water flows such as a valley, a river, an irrigation water, a sea channel, and the like.
  • hydroelectric power generation methods hydroelectric power generation using fossil fuels
  • nuclear power generation using nuclear power there are hydroelectric power generation methods, hydroelectric power generation using fossil fuels, and nuclear power generation using nuclear power.
  • nuclear power generation has a concern that air pollution and radioactive leakage may not be environmentally friendly.
  • fossil fuels for generating power have a limited resource, so its use is not permanent.
  • the power generation methods using the natural energy such as solar, tidal, wave, wind, large hydro and hydropower have attracted attention recently because they have the advantage of being environmentally friendly and permanently utilizing energy sources.
  • the power generation method of converting solar energy or wind energy into electrical energy and storing them in the power storage battery is subject to significant limitations because of the influence of weather and environment.
  • the wave power generation like tidal power generation can not only be applied to a limited place where the wave is continuously generated, there is a disadvantage that the installation place is limited.
  • the power plant using large hydropower once installed, can be obtained semi-permanently with no maintenance cost and stable power, but it can be applied only to a limited place because it requires a lake or reservoir where a large amount of water is stored. There is only a limited installation place.
  • the hydroelectric generator is a method of obtaining electricity by rotating a turbine using water pressure, so that water storage facilities such as dams, power generation facilities installed below the dam, and drainage for sending water used for power generation to a river or the sea There is a problem of needing facilities.
  • the conventional large hydroelectric generator has a limitation in that the operating efficiency of the generator is lowered when there is a dry season or a drought in which water is not sufficiently stored in the water storage facility.
  • the power generation apparatus using the wind power there is a problem that it is very difficult to obtain the power generation effect by the wind power generation in an area that is eco-friendly but has a lot of mountains and weak wind strength as in Korea.
  • hydropower generation using hydropower means small-scale power generation with less than 15,000kW capacity, but in Korea, less than 3,000kW is usually called hydropower generation.
  • Small hydro power generation is regarded as a rich resource with high development value because it is clean energy without pollution and has higher energy density than other renewable energy sources.
  • Small hydro power generation has the advantages of being eco-friendly, relatively short in design and construction period, and very low maintenance cost compared to general hydro power generation.
  • the purpose of the present invention is to solve the problems in consideration of the existing problems, it is easy to install in valleys, rivers, rivers, irrigation, seawater channels without being limited by the conditions of the installation site, as well as destroy the underwater ecosystem
  • the present invention provides an air-floating hydrophobic power generation apparatus that can generate electricity using water flow without using the same.
  • the air-floating hydrophobic power generation device includes a generator having an upper and lower rotary shafts, and an upper rotary shaft coupled vertically with a first coupler to an end of the upper rotary shaft of the generator.
  • a first vertical shaft windmill for rotating the second vertical shaft windmill for vertically coupled to the end of the lower rotating shaft of the generator by a second coupler to rotate the lower rotating shaft, and a second lower portion of the second vertical shaft windmill.
  • the upper rotary shaft of the present invention is combined with the stator installed freely rotating through the bearing in the casing of the generator is rotated at the same time, the lower rotating shaft and the rotor freely installed via the bearing in the center of the stator It is characterized in that it is coupled to rotate in a direction opposite to the direction of rotation of the stator.
  • the first vertical axis windmill of the present invention is characterized in that the gyro mill type is rotated by a plurality of blades are independently adjusted in accordance with the direction of the wind on the central axis of rotation.
  • the second vertical shaft windmill of the present invention is composed of a plurality of blades fixed to each other in close contact with the second coupler and a predetermined interval along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the fixing portion. It features.
  • the interval maintaining curve portion is formed in the lower inner corner portion of the plurality of blades of the present invention to be concave so as to correspond to the upper outer circumference of the air-lift aberration.
  • the air-floating aberration of the present invention having an injection portion on one side of the upper end to adjust the weight by storing the liquid inside the body, and the bottom of the bottom of the bottom opening of the body and a certain height Air storage unit for adjusting buoyancy to form a compressed air layer while being concavely formed and sealed by water flowing through the opening, and protruded at regular intervals along the periphery of the outer periphery of the body to receive the resistance of flowing water.
  • the plurality of blades of the present invention is characterized in that the tapered gently from top to bottom so that the lower outer diameter is smaller than the upper outer diameter thereof.
  • the water flow guide means of the present invention a fixed block fixed to the bottom of the fixed rail after adjusting the height in the vertical direction, and fixed to hang horizontally to the fixed block of the air-lift aberration side blades Wrapping the outer periphery at regular intervals, characterized in that the inlet and outlet are alternately arranged in a diagonal direction to guide the water flow so that the water flows through the plurality of blades in between.
  • the air portion is formed in the wedge-shaped space portion through which the air-driven aberration side blades are inserted in the center of the plane
  • the inlet is formed in the front side of the air flotation It is formed so as to be located on the right side from the body side vertical center line of the aberration, characterized in that the outlet is formed to be located to the left side from the body side vertical center line of the air-lift type aberration.
  • the second vertical shaft windmill and the air flotation aberration are connected via the lower rotary shaft.
  • the rotational force of the stator and the rotor of the generator can be increased to increase the power generation efficiency.
  • the valley, river, river and irrigation water can be increased without being restricted by the conditions of the installation site.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an air-floating hydrophobic power generation apparatus of the present invention
  • Figure 2 is a side view showing the combination of the air-floating hydrophobic power generation device of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • the air floating hydropower generator of the present invention as shown in Figures 1 to 3, the generator 10 having the upper and lower rotary shafts 12, 14, and the upper rotary shaft 12 of the generator 10 A first vertical shaft windmill 30 coupled to the end by a first coupler 20 vertically to rotate the upper rotating shaft 12, and a second coupler at the end of the lower rotating shaft 14 of the generator 10.
  • the upper rotary shaft 12 is coupled to the stator 12a freely installed in the casing 10a of the generator 10 via the bearing 16a and rotated simultaneously, and the lower rotary shaft 14 is the stator. It is comprised so that it may be rotated in the opposite direction to the rotation direction of the stator 12a by engaging with the rotor 14a installed freely through the bearing 16b at the center of 12a.
  • the first and second couplers 20 and 22 are configured to be coupled to each other by a fastening means consisting of a plurality of bolts 26 and nuts 28 to the plate body 24 which is in close contact with each other.
  • the first vertical shaft windmill 30 has a gyromill type in which a plurality of blades 34 are rotated by independently adjusting angles according to the direction of the wind on the central rotation shaft 32.
  • the second vertical shaft windmill 40 has a plurality of fixed to the fixed portion 42 in close contact with the first coupler 22, a predetermined interval along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the fixed portion 42, respectively
  • the blade 44 is composed of.
  • the space keeping curve portion 44a is formed concave so as to correspond to the upper outer circumference of the air-lift aberration 50.
  • the air-floating aberration 50 the liquid storage unit 53 having an injection portion 52 on the upper side to adjust the weight by storing a liquid such as water in the body 51, the body (
  • An air storage unit 54 for adjusting a buoyancy to form a compressed air layer (air buffer zone) while being closed by water flowing through the opening and having a lower end at the center of the bottom and recessed at a predetermined height;
  • a plurality of blades 55 for rotating the body 51 in response to the resistance of flowing water formed by protruding at a predetermined interval along the circumference of the outer peripheral lower portion of the body 51, the second on the outer peripheral upper portion of the body 51
  • the plurality of blades with respect to the outer periphery of the body 51 and the convex curve portion 56 formed to maintain a constant interval in correspondence with the interval maintaining curve portion 44a formed on the blade 44 of the vertical axis windmill 40 Water is formed at the boundary between 55 and the convex curve 56.
  • the splash which arises when it collides is comprised by the con
  • the plurality of blades 55 are tapered gently from the top to the bottom so that the lower outer diameter is smaller than the upper outer diameter.
  • the body 51 has a bow shape of the ship is connected to the upper and lower connecting lines leading to the convex curve portion 56, the concave curve portion 57, the blade 55 when viewed from the outer peripheral side.
  • the water flow guide means 70, the fixed block 72 is fixed to the lower end of the fixed rail 60 after adjusting the height in the vertical direction, and fixed to hang horizontally to the fixed block 72
  • the inlet 76a and the outlet 76b surround the outer periphery of the blade 55 on the air-floating aberration 50 at regular intervals so that the water flows while the water flow rapidly turns with the plurality of blades 55 interposed therebetween. Is composed of guide plates 76 staggered from each other in a diagonal direction.
  • the guide plate 76 is formed in the center of the plane of the air-shaped aberration (50) side blade 55 is formed in the wedge-shaped space portion 78 penetrating up and down, the front side of the The inlet (76a) is formed so as to be located on the right side from the vertical center line of the body 51 side of the air-floating aberration 50, the outlet (76b) on the rear side of the air-floating aberration 50
  • the body 51 is formed to be located to the left from the vertical center line.
  • Reference numeral 80 in the figure shows a clamp for adjusting and fixing the height of the generator 10 to the fixed rail (60).
  • the clamp 80 is the first vertical shaft windmill 30 and the generator 10 connected to the upper rotary shaft 12 of the generator 10 by fixing the generator 10 at a predetermined height while moving up and down along the fixed rail 60.
  • the second vertical shaft-type windmill 40 and the air-floating aberration 50 which are sequentially connected to the lower rotary shaft 14 of, is not held by the flowing water and is held by gravity so as not to fall off.
  • the air-floating aberration 50 is the generator 10 installed thereon while the body 51 is buoyed by buoyancy when installed so as to be locked to the intermediate height, that is, the height formed a plurality of blades 55 to contact the flowing water.
  • the vertical axis line of the generator is inclined to one side when the generator is suspended in a cantilever manner by the fixing rail 60 and the clamp 80 by vertically supporting the weights of the upper and lower rotary shafts 12 and 14.
  • the generator 10, the first vertical shaft windmill 30, the second vertical shaft windmill 40, and the air flotation aberration 50 are balanced to maintain the vertical state as much as possible.
  • the compressed air layer (P1) is to replace the buoyancy while forming the air buffer zone greater than the gravity of the generator acting toward the body 51 by maintaining the air-floating aberration 50 is not submerged in water only to a certain depth The whole of it will support the weight to maintain the vertical line.
  • the amount of liquid, such as water stored in the liquid storage unit 53 in the body 51 of the air flotation aberration 50 to adjust the height of the water submerged by adjusting the weight of the air flotation aberration 50 is adjusted to rotate at a constant speed.
  • the concave curve portion 57 formed at an intermediate height with respect to the outer circumference of the body 51 of the air-lifting aberration 50 is immersed in the water flowing a plurality of blades 55 as shown in Figure 2 to rotate the body 51 When water collides, it prevents the spray (P2) scattered above the convex curve portion 56 and at the same time leads to return to the bottom.
  • the air-floating aberration 50 is a blade 55 in one direction in accordance with the flow rate change flowing out of the water flows to one side by the water flow guide means 70 and then rapidly turning in a diagonal direction as shown in FIG.
  • the rotor 14a is rotated through the lower rotary shaft 14 by receiving a rotational force to rotate while only rotating.
  • the first vertical shaft windmill 30 and the second vertical shaft windmill 40 installed on the air-floating aberration 50 can obtain a large rotational force even at a low wind speed.
  • the second vertical shaft windmill 40 is installed to be close to the surface of the flowing water, it is possible to increase the rotational force. That is, when the wind on the surface of the northwest wind is further turned 1 to 45 degrees clockwise in the clockwise direction, the wind speed increases due to the wind blowing phenomenon, when the blade 44 of the second vertical shaft windmill 40 is installed close to the water surface rotational force Can greatly increase.
  • the stator 12a in the generator 10 when the stator 12a in the generator 10 receives the rotational force of the first vertical shaft windmill 30 through the upper rotation shaft 12 and rotates in one direction, the rotor 14a in the generator 10 may rotate. Since the rotational force of the second vertical shaft windmill 40 and the air-floating aberration 50 is transmitted through the lower rotation shaft 14 and rotates in the opposite direction to the rotation of the stator 12a, the rotational force is increased even at a low wind speed or a flow rate. It can increase, thereby greatly increasing the power generation efficiency.
  • the present invention is not limited only to the above-described embodiment, but can be modified and modified within the scope not departing from the gist of the present invention, the technical idea to which such modifications and variations are also applied to the claims Must see

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Abstract

본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치는, 제1 수직축형 풍차와 상부 회전축을 매개로 연결된 발전기 내의 고정자가 일 방향으로 회전될 때 제2 수직축형 풍차 및 공기부양형 수차와 하부 회전축을 매개로 연결된 발전기 내의 회전자가 상기 고정자의 회전과 반대 방향으로 회전됨으로써 발전기의 고정자와 회전자의 회전력을 증가시켜 발전효율을 높일 수 있으며, 또한 설치 장소의 조건에 제약을 받지 않고 계곡, 하천, 강, 관개수, 해수로에 설치가 용이함은 물론, 수중 생태계를 파괴하지 않으면서 물의 흐름을 이용하여 발전할 수 있으며, 공기부양형 수차에 의해 발전기 및 회전축 등의 무게를 지탱하면서 발전기가 수면 위에 용이하게 부상되도록 설치하여 발전기 고장 및 관리비용을 최소화시킬 수 있는 것임.

Description

공기부양식 소수력 발전장치
본 발명은 공기부양식 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계곡, 하천, 관개수, 해수로 등의 물이 흐르는 장소에 설치하여 발전할 수 있도록 한 공기부양식 소수력 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전방법에는 수력을 이용한 수력발전, 화석연료를 이용한 화력발전, 원자력을 이용한 원자력발전 등이 있다.
이러한 발전방법들은, 대규모의 발전설비와 발전설비를 가동시키기 위한 막대한 양의 에너지원을 필요로 하며 설치장소에 제약이 따른다.
특히, 화력발전에 이용되는 석유나 석탄 등의 화석연료는, 타연료에 비해 그 의존도가 매우 크기 때문에 자원의 고갈과 같은 문제를 발생시킨다.
또한, 원자력발전은 대기오염과 방사능의 유출 우려가 있어 환경 친화적이지 못한 문제점이 있다. 또한, 동력을 발생시키기 위한 화석연료는 자원이 제한되어 있어 그 사용이 영구적이지 못하다는 한계가 있다.
따라서, 석유나 석탄 등의 사용에 따른 자원의 고갈과 각종 연료의 연소에 의해 지구온난화를 초래한다는 문제점이 있다.
각종 공해물질의 발생으로 인한 환경오염을 방지하기 위해서, 최근에는 태양열, 조력, 파력, 풍력, 대수력 및 소수력 등의 자연에너지를 이용한 발전 방법들이 개발되고 있다.
상기한 태양열, 조력, 파력, 풍력, 대수력 및 소수력 등의 자연에너지를 이용한 발전 방법들은, 친환경적이며 영구적으로 에너지원을 활용할 수 있다는 장점이 있어 최근 주목을 받고 있다.
그러나, 태양에너지 또는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하여 전력축전지에 저장하는 방식의 전력생산방식은, 날씨와 환경의 영향을 받기 때문에 상당한 제약이 따른다.
그리고, 상기 조력발전은 조수간만의 차가 심한 지역에 설치해야 전력을 얻을 수 있으므로, 지역적으로 국한되고 한정된 장소에만 적용해야 하는 어려움이 있다.
또한, 상기 파력발전은, 조력발전과 마찬가지로 파도가 지속적으로 발생되는 한정된 장소에만 적용할 수밖에 없어 설치장소에 제약이 따르는 단점이 있다.
또한, 대수력을 이용한 발전장치는, 한번 설치하면 유지비가 많이 들지 않고 전력을 안정되게 반영구적으로 얻을 수 있지만, 방대한 양의 물이 저수되는 호수 또는 저수지를 필요로 하므로 이 역시 한정된 장소에만 적용할 수 밖에 없어 설치장소에 제약이 따른다.
또한, 수력발전장치는, 수압을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 얻는 방식이므로, 댐과 같은 저수시설과, 댐 아래쪽에 설치되는 발전설비와, 발전에 사용된 물을 강이나 바다로 보내기 위한 배수시설을 필요로 한다는 문제가 있다.
또한, 종래의 대수력발전장치는, 저수시설에 물이 충분히 저장되지 않는 갈수기나 가뭄이 있는 경우에는 발전장치의 운전 효율이 떨어지는 한계가 있다.
그리고, 풍력을 이용한 발전장치는, 친환경적이지만 우리나라와 같이 산이 많고 바람의 세기가 약한 지역에서는 풍력발전에 의한 발전 효과를 얻기가 매우 어려운 문제가 있다.
또한, 풍력 및 대수력을 이용한 발전장치는, 많은 설치비용이 소요되는데 반하여 그 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 반해 소수력을 이용한 발전은 설비 용량이 15,000kW 미만의 소규모 수력 발전을 의미하나, 국내에서는 보통 3,000kW 미만을 소수력 발전으로 부르고 있다. 소수력 발전은 공해가 없는 청정 에너지로서 다른 재생 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 개발 가치가 큰 부존 자원으로 평가받고 있다.
소수력 발전은 일반적인 대수력 발전에 비해 친환경적이고, 비교적 설계 및 시공기간이 짧으며, 투자비 대비 유지비가 매우 낮다는 장점이 있다.
본 발명의 목적은 기존의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로서, 설치 장소의 조건에 제약을 받지 않고 계곡, 하천, 강, 관개수, 해수로에 설치가 용이함은 물론, 수중 생태계를 파괴하지 않으면서 물의 흐름을 이용하여 발전할 수 있는 공기부양식 소수력 발전장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공기부양형 수차에 의해 발전기의 무게를 지탱하면서 발전기가 수면 위에 용이하게 부상되도록 설치하여 발전기 고장 및 관리비용을 최소화시킬 수 있는 공기부양식 소수력 발전장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기부양식 소수력 발전장치는, 상부 및 하부 회전축을 가진 발전기와, 상기 발전기의 상부 회전축 끝단에 제1 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 상부 회전축을 회전시키는 제1 수직축형 풍차와, 상기 발전기의 하부 회전축 끝단에 제2 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 하부 회전축을 회전시키는 제2 수직축형 풍차와, 상기 제2 수직축형 풍차의 하부에 제2 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 수면에 부양되면서 상부 및 하부 회전축을 지탱함과 동시에 물살에 의해 회전되는 공기부양형 수차와, 물이 흐르는 장소의 벽면에 고정레일을 매개로 설치되어 상기 공기부양형 수차가 일 방향으로만 빠르게 회전되도록 물흐름을 안내하는 물흐름 안내수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 상부 회전축은 상기 발전기의 케이싱 내에 베어링을 매개로 회전자유롭게 설치된 고정자와 결합되어 동시 회전되고, 상기 하부 회전축은 상기 고정자의 중앙에 베어링을 매개로 회전자유롭게 설치된 회전자와 결합되어 고정자의 회전 방향과 반대 방향으로 회전되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 제1 수직축형 풍차는 그 중심 회전축에 다수의 블레이드가 바람의 방향에 따라 독립적으로 각도가 조절되어 회전되는 자이로밀형으로 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 제2 수직축형 풍차는 상기 제2 커플러에 대응되게 밀착되는 고정부와, 상기 고정부의 외주면에 둘레방향을 따라 일정간격을 두고 각각 고정된 다수의 블레이드로 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 다수의 블레이드의 하단 내측 코너부분에는 상기 공기부양형 수차의 상단 외주와 대응되도록 간격유지곡선부가 오목하게 형성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 공기부양형 수차는, 그 몸체의 내부에 액체를 저장하여 무게를 조절하도록 상단 일측에 주입부를 가진 액체저장부와, 상기 몸체의 바닥 중앙에 하단이 개구되고 일정 높이로 오목하게 형성되어 개구를 통해 유입되는 물에 의해 밀폐되면서 압축공기층을 형성하도록 부력을 조절하는 공기저장부와, 상기 몸체의 외주 하부에 둘레를 따라 일정 간격을 두고 돌출 형성되어 흐르는 물의 저항을 받아 몸체를 회전시키는 다수의 블레이드와, 상기 몸체의 외주 상부에 상기 제2 수직축형 풍차의 블레이드에 형성된 간격유지 곡선부와 대응하여 일정 간격을 유지하도록 형성된 볼록곡선부와, 상기 몸체의 외주에 대하여 상기 다수의 블레이드와 볼록곡선부의 사이 경계부분에 물이 부딪칠 때 생기는 물보라가 볼록곡선부의 위로 비산되지 않고 리턴되도록 오목하게 형성되는 오목곡선부가 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 다수의 블레이드는 그 상부 외경보다 하부 외경이 작게 형성되도록 상부에서 하부로 갈수록 완만하게 테이퍼진 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 물흐름 안내수단은, 상기 고정레일의 하단에 상하방향으로 높낮이 조절후 고정되는 고정블록과, 상기 고정블록에 수평으로 매달리도록 고정되어 상기 공기부양형 수차측 블레이드의 외주를 일정 간격을 두고 감싸주면서 수류가 다수의 블레이드를 사이에 두고 물흐름이 꺽이면서 통과하도록 유입구와 유출구가 대각 방향으로 서로 엇갈리게 배치된 안내판으로 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 안내판은, 그 평면 중앙에 상기 공기부양형 수차측 블레이드가 여유있게 삽입되도록 쐐기모양으로 상하 관통된 공간부가 형성되고, 그 전측면에 상기 상기 유입구가 상기 공기부양형 수차의 몸체측 수직 중심선에서 오른쪽에 위치하도록 형성되며, 그 후측면에 상기 유출구가 상기 공기부양형 수차의 몸체측 수직 중심선에서 왼쪽으로 위치하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치는, 제1 수직축형 풍차와 상부 회전축을 매개로 연결된 발전기 내의 고정자가 일 방향으로 회전될 때 제2 수직축형 풍차 및 공기부양형 수차와 하부 회전축을 매개로 연결된 발전기 내의 회전자가 상기 고정자의 회전과 반대 방향으로 회전됨으로써 발전기의 고정자와 회전자의 회전력을 증가시켜 발전효율을 높일 수 있으며, 또한 설치 장소의 조건에 제약을 받지 않고 계곡, 하천, 강, 관개수, 해수로에 설치가 용이함은 물론, 수중 생태계를 파괴하지 않으면서 물의 흐름을 이용하여 발전할 수 있으며, 공기부양형 수차에 의해 발전기 및 회전축 등의 무게를 지탱하면서 발전기가 수면 위에 용이하게 부상되도록 설치하여 발전기 고장 및 관리비용을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치를 도시한 분해 사시도,
도 2는 본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치의 도시한 결합 측면도,
도 3은 도 2의 A-A선에 대한 횡단면도이다.
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
10 : 발전기 10a : 케이싱
12 : 상부 회전축 12a : 고정자
14 : 하부 회전축 14a : 회전자
16a,16b : 베어링 20 : 제1 커플러
22 : 제2 커플러 24 : 판체
26 : 볼트 28 : 너트
30 : 제1 수직축형 풍차 32 : 회전축
34 : 블레이드 40 : 제2 수직축형 풍차
42 : 고정부 44 : 블레이드
44a : 간격유지 곡선부 50 : 공기부양형 수차
51 : 몸체 52 : 주입부
53 : 액체저장부 54 : 공기저장부
55 : 블레이드 56 : 볼록곡선부
57 : 오목곡선부 60 : 고정레일
70 : 물흐름 안내수단 72 : 고정블록
76 : 안내판 76a : 유입구
76b : 유출구 78 : 공간부
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치는, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 상부 및 하부 회전축(12)(14)을 가진 발전기(10)와, 상기 발전기(10)의 상부 회전축(12) 끝단에 제1 커플러(20)를 매개로 수직으로 결합되어 상부 회전축(12)을 회전시키는 제1 수직축형 풍차(30)와, 상기 발전기(10)의 하부 회전축(14) 끝단에 제2 커플러(22)를 매개로 수직으로 결합되어 하부 회전축(14)을 회전시키는 제2 수직축형 풍차(40)와, 상기 제2 수직축형 풍차(40)의 하부에 제2 커플러(22)를 매개로 수직으로 결합되어 수면에 부양되면서 상부 및 하부 회전축(12)(14)을 지탱함과 동시에 물살에 의해 회전되는 공기부양형 수차(50)와, 계곡, 하천, 관개수, 해수로 등의 물이 흐르는 장소의 벽면에 고정레일(60)을 매개로 설치되어 상기 공기부양형 수차(50)가 일 방향으로만 빠르게 회전되도록 물흐름을 안내하는 물흐름 안내수단(70)으로 구성되어 있다.
즉, 상기 상부 회전축(12)은 상기 발전기(10)의 케이싱(10a) 내에 베어링(16a)을 매개로 회전자유롭게 설치된 고정자(12a)와 결합되어 동시 회전되고, 상기 하부 회전축(14)은 상기 고정자(12a)의 중앙에 베어링(16b)을 매개로 회전자유롭게 설치된 회전자(14a)와 결합되어 고정자(12a)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전되도록 구성되어 있다.
상기 제1 및 제2 커플러(20)(22)는 상하 대응되게 밀착하는 판체(24)에 다수의 볼트(26)와 너트(28)로 이루어진 체결수단에 의해 결합하도록 구성되어 있다.
상기 제1 수직축형 풍차(30)는 그 중심 회전축(32)에 다수의 블레이드(34)가 바람의 방향에 따라 독립적으로 각도가 조절되어 회전되는 자이로밀(Giromill)형으로 구성되어 있다.
상기 제2 수직축형 풍차(40)는 상기 제1 커플러(22)에 대응되게 밀착되는 고정부(42)와, 상기 고정부(42)의 외주면에 둘레방향을 따라 일정간격을 두고 각각 고정된 다수의 블레이드(44)로 구성되어 있다.
이때, 상기 다수의 블레이드(44)의 하단 내측 코너부분에는 상기 공기부양형 수차(50)의 상단 외주와 대응되도록 간격유지곡선부(44a)가 오목하게 형성되어 있다.
상기 공기부양형 수차(50)는, 그 몸체(51)의 내부에 물 등의 액체를 저장하여 무게를 조절하도록 상단 일측에 주입부(52)를 가진 액체저장부(53)와, 상기 몸체(51)의 바닥 중앙에 하단이 개구되고 일정 높이로 오목하게 형성되어 개구를 통해 유입되는 물에 의해 밀폐되면서 압축공기층(공기완충지대)을 형성하도록 부력을 조절하는 공기저장부(54)와, 상기 몸체(51)의 외주 하부에 둘레를 따라 일정 간격을 두고 돌출 형성되어 흐르는 물의 저항을 받아 몸체(51)를 회전시키는 다수의 블레이드(55)와, 상기 몸체(51)의 외주 상부에 상기 제2 수직축형 풍차(40)의 블레이드(44)에 형성된 간격유지 곡선부(44a)와 대응하여 일정 간격을 유지하도록 형성된 볼록곡선부(56)와, 상기 몸체(51)의 외주에 대하여 상기 다수의 블레이드(55)와 볼록곡선부(56)의 사이 경계부분에 물이 부딪칠 때 생기는 물보라가 볼록곡선부(56)의 위로 비산(飛散)되지 않고 리턴(return)되도록 오목하게 형성되는 오목곡선부(57)로 구성되어 있다.
이때, 상기 다수의 블레이드(55)는 그 상부 외경보다 하부 외경이 작게 형성되도록 상부에서 하부로 갈수록 완만하게 테이퍼져 있다.
또한, 상기 몸체(51)는 그 외주 측면에서 볼 때 상기 볼록곡선부(56), 오목곡선부(57), 블레이드(55)로 이어지는 상하측 연결라인이 배의 선수모양으로 이루어져 있다.
한편, 상기 물흐름 안내수단(70)은, 상기 고정레일(60)의 하단에 상하방향으로 높낮이 조절후 고정되는 고정블록(72)과, 상기 고정블록(72)에 수평으로 매달리도록 고정되어 상기 공기부양형 수차(50)측 블레이드(55)의 외주를 일정 간격을 두고 감싸주면서 수류가 다수의 블레이드(55)를 사이에 두고 물흐름이 급 선회하면서 통과하도록 유입구(76a)와 유출구(76b)가 대각 방향으로 서로 엇갈리게 배치된 안내판(76)으로 구성되어 있다.
이때, 상기 안내판(76)은, 그 평면 중앙에 상기 공기부양형 수차(50)측 블레이드(55)가 여유있게 삽입되도록 쐐기모양으로 상하 관통된 공간부(78)가 형성되고, 그 전측면에 상기 상기 유입구(76a)가 상기 공기부양형 수차(50)의 몸체(51)측 수직 중심선에서 오른쪽에 위치하도록 형성되며, 그 후측면에 상기 유출구(76b)가 상기 공기부양형 수차(50)의 몸체(51)측 수직 중심선에서 왼쪽으로 위치하도록 형성되어 있다.
도면 중 미설명 부호 80은 상기 발전기(10)를 상기 고정레일(60)에 높이 조절 및 고정하기 위한 글램프를 나타낸 것이다.
다음은, 이와 같이 구성된 본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치에 대한 작용 및 효과를 설명한다.
본 발명의 공기부양식 소수력 발전장치를 계곡, 하천, 관개수, 해수로 등의 물이 흐르는 장소의 벽면에 고정레일(60)과 클램프(80)를 이용하여 도 2와 같이 설치하면, 이 클램프(80)는 고정레일(60)을 따라 상하 이동되면서 발전기(10)를 일정 높이에 고정하여 줌으로써 발전기(10)의 상부 회전축(12)에 연결된 제1 수직축형 풍차(30)와 발전기(10)의 하부 회전축(14)에 순차적으로 연결된 제2 수직축형 풍차(40) 및 공기부양형 수차(50)가 흐르는 물에 의해 떠내려가지 않게 함과 동시에 중력에 의해 떨어지지 않도록 잡아주게 된다.
이때, 공기부양형 수차(50)는 흐르는 물과 접촉하도록 중간높이, 즉 다수의 블레이드(55)가 형성된 높이까지 잠겨지도록 설치할 때 몸체(51)가 부력에 의해 부양되면서 그 위에 설치된 발전기(10)와 상부 및 하부 회전축(12)(14) 등의 무게를 수직으로 지탱함으로써 고정레일(60)과 클램프(80)에 의해 발전장치가 외팔보 방식으로 매달려 있을 때 발전장치의 수직축선 라인이 한쪽으로 기울어지지 않도록 받쳐줌과 동시에 발전기(10), 제1 수직축형 풍차(30), 제2 수직축형 풍차(40) 및 공기부양형 수차(50)가 최대한 수직상태를 유지하도록 균형을 잡아주게 된다.
즉, 공기부양형 수차(50)를 수평을 유지하면서 흐르는 물에 수직으로 서서히 담그면, 그 몸체(51)의 하부 중앙에 공기저장부(54)에 물이 유입되어 밀폐되면서 공기를 압축하게 되고, 이러한 압축공기층(P1)은 부력과 대치하면서 발전장치가 몸체(51)쪽으로 작용하는 중력보다 큰 공기완충지대를 형성함으로써 공기부양형 수차(50)가 일정 깊이까지만 물에 잠겨지지 않도록 유지하면서 발전장치의 전체가 수직축선 라인을 유지하도록 무게를 지탱하게 된다.
이때, 공기부양형 수차(50)의 몸체(51) 내의 액체저장부(53)에 저장되는 물 등의 액체량은 공기부양형 수차(50)의 무게를 조절하여 물에 잠기는 높이를 조절함은 물론 공기부양형 수차(50)가 일정한 속도로 회전되도록 조절하여 준다.
또한, 공기부양형 수차(50)의 몸체(51) 외주에 대하여 중간 높이에 형성된 오목곡선부(57)는 도 2와 같이 다수의 블레이드(55)가 흐르는 물에 잠겨서 몸체(51)를 회전시킬 때 물이 부딪치면서 볼록곡선부(56)의 위로 비산되는 물보라(P2)를 막아줌과 동시에 하부로 리턴되도록 유도하게 된다.
또한, 공기부양형 수차(50)는 도 3과 같이 물흐름 안내수단(70)에 의해 한쪽으로 물이 유입되었다가 대각 방향으로 급 선회하여 유출되는 유속 변화에 따라 블레이드(55)가 일 방향으로만 회전하면서 빠르게 회전할려는 회전력을 받아 하부 회전축(14)을 매개로 회전자(14a)를 회전시켜 주게 된다.
그리고, 공기부양형 수차(50) 위에 설치된 제1 수직축형 풍차(30)와 제2 수직축형 풍차(40)는 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있다. 특히 제2 수직축형 풍차(40)는 흐르는 물의 수면에 근접하도록 설치되기 때문에 회전력을 높일 수 있다. 즉, 수면 위에서 바람은 북서풍에서 시계방향으로 1 내지 45도로 더 꺽여서 바람이 부는 현상으로 인하여 풍속이 증가하기 때문에 수면에 근접되게 제2 수직축형 풍차(40)의 블레이드(44)를 설치할 경우 회전력을 크게 높일 수 있다.
이와 같이, 발전기(10) 내의 고정자(12a)가 제1 수직축형 풍차(30)의 회전력을 상부 회전축(12)을 통해 전달받아 일 방향으로 회전될 때 발전기(10) 내의 회전자(14a)는 제2 수직축형 풍차(40)와 공기부양형 수차(50)의 회전력을 하부 회전축(14)을 통해 전달받아 상기 고정자(12a)의 회전과 반대 방향으로 회전되기 때문에 적은 풍속이나 유속에서도 회전력을 크게 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 발전효율을 크게 높일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (9)

  1. 상부 및 하부 회전축을 가진 발전기와,
    상기 발전기의 상부 회전축 끝단에 제1 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 상부 회전축을 회전시키는 제1 수직축형 풍차와,
    상기 발전기의 하부 회전축 끝단에 제2 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 하부 회전축을 회전시키는 제2 수직축형 풍차와,
    상기 제2 수직축형 풍차의 하부에 제2 커플러를 매개로 수직으로 결합되어 수면에 부양되면서 상부 및 하부 회전축을 지탱함과 동시에 물살에 의해 회전되는 공기부양형 수차와,
    물이 흐르는 장소의 벽면에 고정레일을 매개로 설치되어 상기 공기부양형 수차가 일 방향으로만 빠르게 회전되도록 물흐름을 안내하는 물흐름 안내수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 회전축은 상기 발전기의 케이싱 내에 베어링을 매개로 회전자유롭게 설치된 고정자와 결합되어 동시 회전되고, 상기 하부 회전축은 상기 고정자의 중앙에 베어링을 매개로 회전자유롭게 설치된 회전자와 결합되어 고정자의 회전 방향과 반대 방향으로 회전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 수직축형 풍차는 그 중심 회전축에 다수의 블레이드가 바람의 방향에 따라 독립적으로 각도가 조절되어 회전되는 자이로밀형으로 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 수직축형 풍차는 상기 제2 커플러에 대응되게 밀착되는 고정부와, 상기 고정부의 외주면에 둘레방향을 따라 일정간격을 두고 각각 고정된 다수의 블레이드로 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수의 블레이드의 하단 내측 코너부분에는 상기 공기부양형 수차의 상단 외주와 대응되도록 간격유지곡선부가 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기부양형 수차는,
    그 몸체의 내부에 액체를 저장하여 무게를 조절하도록 상단 일측에 주입부를 가진 액체저장부와,
    상기 몸체의 바닥 중앙에 하단이 개구되고 일정 높이로 오목하게 형성되어 개구를 통해 유입되는 물에 의해 밀폐되면서 압축공기층을 형성하도록 부력을 조절하는 공기저장부와,
    상기 몸체의 외주 하부에 둘레를 따라 일정 간격을 두고 돌출 형성되어 흐르는 물의 저항을 받아 몸체를 회전시키는 다수의 블레이드와,
    상기 몸체의 외주 상부에 상기 제2 수직축형 풍차의 블레이드에 형성된 간격유지 곡선부와 대응하여 일정 간격을 유지하도록 형성된 볼록곡선부와,
    상기 몸체의 외주에 대하여 상기 다수의 블레이드와 볼록곡선부의 사이 경계부분에 물이 부딪칠 때 생기는 물보라가 볼록곡선부의 위로 비산되지 않고 리턴되도록 오목하게 형성되는 오목곡선부가 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 다수의 블레이드는 그 상부 외경보다 하부 외경이 작게 형성되도록 상부에서 하부로 갈수록 완만하게 테이퍼진 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 물흐름 안내수단은,
    상기 고정레일의 하단에 상하방향으로 높낮이 조절후 고정되는 고정블록과,
    상기 고정블록에 수평으로 매달리도록 고정되어 상기 공기부양형 수차측 블레이드의 외주를 일정 간격을 두고 감싸주면서 수류가 다수의 블레이드를 사이에 두고 물흐름이 꺽이면서 통과하도록 유입구와 유출구가 대각 방향으로 서로 엇갈리게 배치된 안내판으로 구성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 안내판은,
    그 평면 중앙에 상기 공기부양형 수차측 블레이드가 여유있게 삽입되도록 쐐기모양으로 상하 관통된 공간부가 형성되고,
    그 전측면에 상기 상기 유입구가 상기 공기부양형 수차의 몸체측 수직 중심선에서 오른쪽에 위치하도록 형성되며,
    그 후측면에 상기 유출구가 상기 공기부양형 수차의 몸체측 수직 중심선에서 왼쪽으로 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 공기부양식 소수력 발전장치.
PCT/KR2014/001831 2013-04-18 2014-03-06 공기부양식 소수력 발전장치 WO2014171629A1 (ko)

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