WO2017069452A1 - 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템 - Google Patents

양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템 Download PDF

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WO2017069452A1
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turbine
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generation system
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김영균
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최종인
김영균
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a pump pump load-controlled pumping-up power generation system, and more specifically, to install a water tank in the air and configure the flow of fluid in a closed loop circulation method, and includes a pump pump capable of load control, conventional pumping power generation It is characterized in that the energy efficiency is increased than the system.
  • Hydroelectric power generation is a method of generating power using water during power generation.
  • Hydroelectric power is a form of power generation that blocks a river, builds a dam, traps water upstream of the dam, opens the sluice, and drops it downstream of the dam to run a turbine.
  • the potential energy is generated.
  • the turbine installed at the low place generates the kinetic energy by the laws of conservation of mechanical energy. This kinetic energy is converted into the form of electrical energy by the electromagnetic induction phenomenon as the rotor coil inside the turbine rotates along the turbine.
  • positive power generation is a form of hydroelectric power that creates reservoirs above and below power plants and repeats power generation and pumping.
  • positive power generation is a form of hydroelectric power that creates reservoirs above and below power plants and repeats power generation and pumping.
  • the pump When the water is high, such as in summer, or at night, the pump is operated with abundant power to pump water from the lower reservoir to the upper reservoir. And when water is needed, such as when water is scarce or during the day, it is waterproof and generates electricity. Due to the pumped power generation system, there is an advantage that can generate more power than the power generation of a general hydro power plant.
  • the water tank is installed in the air and the flow of fluid is closed-loop (closed loop) to drastically reduce the construction area of the power plant, thereby lowering the construction cost and increasing the power generation efficiency of the system.
  • An object of the present invention is to increase the energy efficiency than the conventional pumping power generation system by installing a reservoir in the air, the flow of the fluid is configured in a closed loop circulation method and a pumping pump capable of load control.
  • the purpose is to reverse the direction of the circulating passage to be introduced and discharged to the turbine as a reference, and to increase the amount of electrical energy generated from the turbine by increasing the torque through this structure to increase the efficiency of the pump pump.
  • the purpose is to facilitate the replacement of waste water during system operation by combining the discharge valve separately.
  • the pump pump load control pumping power generation system is connected to the reservoir, the inlet and the outlet in which the inlet and outlet are formed and the fluid is stored, the circulation passage, the circulation passage It includes a turbine for generating electrical energy by using the potential energy of the fluid dropped through the pump and a pump pump for lifting the fluid flowing through the circulation passage, the pump pump receives a portion of the electrical energy generated by the turbine, the load Characterized in that can be adjusted.
  • the circulation passage of the pump pump load-controlled pumping-up power generation system includes a first circulation passage and a second circulation passage, the first circulation passage connects the turbine and the discharge port, the second circulation passage And connecting the inlet.
  • the inlet of the pump pump load control pumping system according to the present invention is characterized in that formed in a position higher than the outlet.
  • the pump pump load-controlled pumping-up power generation system is characterized in that the pump pump is formed in the second circulation passage.
  • the pump pump load-controlled pumping-up power generation system is characterized in that the fluid movement direction of the first circulation passage flowing into the turbine and the fluid movement direction of the second circulation passage discharged from the turbine is opposite.
  • the pump pump load-controlled pumping-up power generation system is characterized in that a plurality of turbines are formed.
  • the pump pump load-controlled pumping-up power generation system is characterized in that the pump is coupled to the rechargeable battery for pump pump operation, the pump for rechargeable pump battery is characterized in that the power is supplied by an external power source.
  • pump pump load control pumping power generation system is characterized in that the discharge valve is coupled to the circulation passage.
  • the turbine generates electric energy using the potential energy of the fluid, and the efficiency of the pump is improved by using the energy of the fluid generated by rotating the turbine as the input pump of the pump.
  • the load-controlled pump pump there is an advantage that can operate the pumping power generation system at a desired time.
  • FIG. 1 is a view showing a pump pump load control pumping generation system according to the present invention.
  • Figure 2 is an enlarged view of the vicinity of the reservoir of the pump pumping control pumping power generation system according to the present invention.
  • FIG 3 is a view showing the first circulation passage and the second circulation passage based on the turbine of the pump pumping pumping power generation system according to the present invention.
  • Figure 4 is a view showing a case where a plurality of turbines of the pump pump load control pumping system according to the present invention is formed.
  • FIG. 5 is a view showing another embodiment of the pump pump load control pumping generation system according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a pump pump load control pumping generation system according to the present invention.
  • Figure 1 will be described for the flow of the components and fluid of the pump pump control pumping power generation system according to the present invention.
  • Pump pump load-controlled pumping-up power generation system is largely composed of a reservoir 100, a circulation passage 200, a turbine 300, a pump pump 400.
  • the reservoir 100 is a place where the fluid is stored, the fluid is preferably water (W).
  • Reservoir 100 should be installed above the ground relative to the ground.
  • Pump pump load-controlled pumping power generation system is also based on hydropower, so the drop energy of the water, that is, the potential energy must be used because the reservoir 100 must be formed in height.
  • the reservoir 100 has an inlet 110 through which water (W) is introduced and an outlet (120) through which water (W) is discharged.
  • Detailed structures of the inlet 110 and the outlet 120 will be described later with reference to FIG. 2.
  • a circulation passage 200 is formed between the outlet 120 and the inlet 110 of the reservoir 100.
  • the water (W) stored in the reservoir 100 enters the circulation passage 200 through the discharge port 120 and passes through the turbine 300 and the pump pump 400 again through the inlet 110 through the reservoir 100.
  • In a way that flows into the circulation passage 200 is preferably to have a closed loop circulation method.
  • the circulation passage 200 includes a first circulation passage 210 and a second circulation passage 220.
  • the first circulation passage 210 is a circulation passage section between the turbine 300 and the outlet 120 installed in the circulation passage 200
  • the second circulation passage 220 is the turbine 300 and the inlet 110 It is preferable that it is a circulation passage section between. Since the first circulation passage 210 is a passage through which the water W is moved from a high place to a low place, it is preferable that the first circulation passage 210 is a downward flow. On the contrary, since the second circulation passage 220 is a passage through which the water W is moved from the low place to the high place by the pump 400 through the turbine 300, the second circulation passage 220 is preferably an upward flow. The flow of water in the first circulation passage 210 and the second circulation passage 220 based on the turbine 300 will be described in more detail later with reference to FIG. 2.
  • Water W is dropped from the outlet 120 of the reservoir 100 and reaches the turbine 300 via the first circulation passage 210.
  • the turbine 300 is preferably aberration.
  • aberration refers to a machine that converts potential energy of water into energy of rotational motion.
  • the rotating turbine 300 passes through the turbine 300 from the reservoir 100 through the first circulation passage 210, at this time, the turbine (in the process of entering the second circulation passage 220) 300 will rotate.
  • the rotating turbine 300 generates an electromagnetic induction action by a rotor connected to a rotating shaft (not shown) of the turbine 300, thereby generating electrical energy. That is, the potential energy due to the falling water (W) is converted into kinetic energy in which the turbine 300 rotates by the mechanical energy conservation law, and the converted kinetic energy is converted into electrical energy by electromagnetic induction.
  • Pumping pump 400 refers to a pump used when sending water from a low place to a high place. Generally, a volute pump is used when the total head is less than 20m, and a turbine pump is used when it is more than 20m. In addition, when a suction head is 6 m-7 m or more, an underwater motor pump, an air pump, a reciprocating pump, etc. are used. Accordingly, the pump pump 400 of the pump pump load-controlled pumping and power generation system according to the present invention is preferably installed at a position before the water (W) of the second circulation passage 220 is elevated to a high place.
  • Water (W) entering the second circulation passage 220 through the turbine 300 passes through the pump pump 400, the pump pump 400 is lower than the reservoir tank 100 on the basis of the reservoir (100) It serves to raise the water (W) is located to be introduced to the inlet (W) of the reservoir 100 again.
  • the power transfer process from the turbine 300 for driving the pump pump 400 will be described later with reference to FIG. 3.
  • the pump pump 400 is preferably coupled to the rechargeable battery 600 for pumping pump operation.
  • Rechargeable battery 600 for pumping pump operation serves to operate the pump pump 400 for the first time before receiving power from the turbine 300.
  • Rechargeable battery 600 for pumping pump operation is connected to the external power source 610 is supplied with power, and transfers power to the pump pump 400 only during the initial operation of the pump pump load-controlled pumping and power generation system according to the present invention, When the pump pump 400 receives sufficient power from the turbine 300 after the system circulation, it is preferable to cut off the external power supply 610 to stop the supply of the rechargeable battery 600 for pump pump operation.
  • a flow passage 201 to which the discharge valve 500 is coupled is formed. If operation of the pump pump load-controlled pumping and power generation system according to the present invention continues, water (W) circulated due to external factors may become contaminated and become wastewater. Waste water reduces the efficiency of energy generation and needs to be replaced. At this time, the operation of the pump pump load-controlled pumping power generation system according to the present invention is temporarily stopped, and during operation, the locked discharge valve 500 is opened to discharge the wastewater to the outside of the system, and when the pump is operated again, the discharge valve 500 is operated. ) And the water can be periodically managed to circulate the system.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the reservoir of the pump pumping control pumping power generation system according to the present invention.
  • the structure near the reservoir will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • Reservoir 100 is water (W) is stored, the inlet 110 and the outlet 120 for passing through the circulation passage 200 is formed. At this time, the water (W) is stored in the reservoir 100 through the inlet 110, the water (W) through the outlet 120 to form a structure to enter the circulation passage 200 of the reservoir 100
  • the inlet 110 is preferably formed at a position H higher than the outlet 120 based on the bottom surface.
  • the reservoir has a dam-type structure, and thus a lot of space is required to install the power plant.
  • the storage tank 100 of the pump pump load-controlled pumping and power generation system according to the present invention has a structure in which water (W) is stored and only the inlet port 110 and the outlet port 120 are formed, the reservoir tank 100 so that potential energy is formed.
  • W water
  • the reservoir tank 100 By constructing it in the air to the required height, there is an advantage not to be tied to the installation site.
  • construction space is significantly reduced compared to dams, resulting in a reduction in construction costs.
  • FIG. 3 is a view showing the first circulation passage and the second circulation passage based on the turbine of the pump pumping pumping power generation system according to the present invention.
  • W water
  • Water W stored in the reservoir 100 reaches the turbine 300 through the first circulation passage 210. At this time, it is preferable that the water (W) flows from the high place to the low place (W1) for generation of potential energy.
  • Water (W) rotates the turbine 300, the turbine 300 generates kinetic energy through the rotation. That is, the potential energy of water (W) is converted into kinetic energy by the law of mechanical energy conservation.
  • An electromagnetic induction action is generated by a rotor (not shown) coupled to the turbine 300, thereby generating electrical energy.
  • electrical energy is generated through the turbine 300, all power except for the power required to operate the pump pump 400 is transmitted to the outside.
  • the pump pump 400 receives electric energy from the turbine 300 through a separate device (not shown), which becomes electric power for driving the pump pump 400.
  • the pump pump 400 is preferably a load control.
  • Load control type can turn on / off pump pump 400 at a desired time. If system operation is required using power supplied through turbine 300, turn on pump pump 400 to operate the system and In case it is unnecessary to operate the system, it is preferable to stop the system by turning off the pump 400.
  • the pump 400 When the pump 400 is driven, the water W, which has passed through the turbine 300 and has entered the second circulation passage 220, is pulled up from the low place to the high direction W2 based on the ground.
  • the water (W) pulled up to a high place is introduced into the reservoir 100 through the inlet 110 again. That is, at the time of operating the pump pump load control pumping power generation system according to the present invention, only supplying some power to the pump pump 400 through the rechargeable battery 600 for pump pump operation, the separate process in the subsequent cycle
  • the pump pump 400 may be operated only by the electric energy generated by the turbine 300 without supplying external power.
  • the wastewater When the wastewater is generated during system operation, as described above, the wastewater can be withdrawn in the outer direction W3 through the flow passage 201 formed in the circulation passage 200 and the discharge valve 500 installed in the flow passage 201. .
  • Figure 4 is a view showing a case where a plurality of turbines of the pump pump load control pumping system according to the present invention is formed.
  • a case in which a plurality of turbines are formed will be described with reference to FIG. 4.
  • FIG. 5 is a view showing another embodiment of the pump pump load control pumping generation system according to the present invention. Hereinafter, another embodiment of the pump pump load control pumping generation system will be described with reference to FIG. 5.
  • Another embodiment of the system according to the invention is identical in components to the above embodiment.
  • the movement direction of the water (W) of the first circulation passage 210 introduced into the turbine 300 on the basis of the turbine 300 and the water (W) of the second circulation passage 220 discharged from the turbine 300. ) Is characterized in that the direction of movement is reversed.
  • the moment is increased when the inflow direction and the outflow direction of the water W are different based on the turbine 300.
  • the moment of force is the action of a force trying to rotate an object, which is the product of the force multiplied by the length of the vertical line of force on the axis of rotation. That is, the inflow direction and the outflow direction of the water (W) is different, unlike in one embodiment, the force to rotate the water is increased and the torque applied to the turbine 300 due to this moment is increased.
  • Torque is a physical quantity that acts on an object and causes the object to rotate. It is also called a torsional moment. When the torque applied to the turbine 300 is increased, the kinetic energy and the electric energy generated from the turbine 300 are increased, and the energy generation efficiency is increased.

Abstract

본 발명은 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템에 관한 발명으로, 유입구 및 배출구가 형성되고 유체가 저장되는 저수조, 유입구 및 배출구에 연결되어 폐루프를 형성하는 순환통로, 순환통로를 통해 낙하된 유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 터빈 및 순환통로를 통해 흐르는 유체를 끌어올리는 양수펌프를 포함하고, 양수펌프는, 터빈에 의해 발생된 전기에너지의 일부를 공급받고, 부하조절이 가능한 것을 특징으로 한다. 이러한 특징으로 인해, 터빈이 유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시키게 되고, 터빈을 돌리고 나온 유체에 남아있는 에너지가 양수펌프의 입력양정으로 이용되어 양수펌프의 효율을 높일 수 있다. 또한, 유체가 저장되는 저수조를 필요한 높이 만큼 공중에 설치함으로써 설치장소의 자유도가 높은 특징이 있다.

Description

양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템
본 발명은 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 저수조를 공중에 설치하고 유체의 흐름을 폐루프 순환방식으로 구성하며 부하조절이 가능한 양수펌프가 포함되어 종래의 양수발전 시스템보다 에너지 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.
자연유량으로 대규모의 발전을 할 수 있는 시설은 이미 대부분 개발되었고, 전력의 수요는 나날이 증대되고 있다. 전력을 발생시키는 발전 중 물을 이용하여 전력을 생산하는 방식은 수력발전이다. 수력발전이란, 강을 막아서 댐을 짓고 댐의 상류에 물을 가두었다가 수문을 열고 이를 댐의 하류로 떨어트려서 터빈을 돌리는 발전 형태를 한다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 낙하하는 경우 위치에너지가 발생하고 이때 역학적 에너지 보존법칙에 의해 낮은 곳에 설치된 터빈이 운동에너지를 발생시킨다. 이러한 운동에너지는 터빈 내부의 로터 코일이 터빈을 따라 회전하면서 전자기유도 현상이 일어나 전기에너지의 형태로 전환되게 된다.
그러나 수력발전시스템의 경우, 낮은 곳으로 흘러간 물을 재사용하지 않기 때문에 재활용 측면에서 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해 개발된 발전형태가 양수발전으로, 발전소의 아래와 위에 저수지를 만들고 발전과 양수를 반복하는 수력발전 형태이다. 여름처럼 물이 많을 때나 야간에 풍부하게 남는 전력으로 펌프를 가동하여 아래쪽 저수지의 물을 위쪽 저수지로 퍼 올린다. 그리고 물이 부족해지는 시기나 주간처럼 전력이 많이 필요할 때 방수하여 발전한다. 양수발전 시스템으로 인해 일반적인 수력발전소의 발전량 보다 많은 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다. 이러한 양수발전 시스템과 관련된 선행문헌으로는, 대한민국 공개특허공보 제 2013-0134053 호가 있다. 수력 양수발전 시스템에 관한 것으로, 항시 발전이 가능하고, 발전량의 조절이 가능하도록 양수펌프를 이용하여 하부의 저수조에 보관된 물을 상부에 있는 저수조로 이동시켜 순환시키므로 기저발전소의 역할을 수행하며, 이와 동시에 외부의 수원을 하부의 저수조로 유입시켜 풍부한 수자원을 이용한 발전이 가능한 것을 특징으로 하고있다. 그러나 댐의 설치, 저수조의 필요성 등으로 인해 발전소 건설면적이 매우 커야만 하는 단점과, 터빈을 돌리고 나온 유체의 남은 에너지를 활용하지 못하는 문제점이 있다.
이에 저수조를 공중에 설치하고 유체의 흐름을 폐루프(폐회로)화 하여 발전소 건설 면적을 대폭 줄이고 이로 인해 건설단가를 낮추어 시스템의 발전 효율을 더욱 높이고자 한다.
본 발명의 목적은, 저수조를 공중에 설치하고 유체의 흐름을 폐루프 순환방식으로 구성하며 부하조절이 가능한 양수펌프가 포함되어 종래의 양수발전 시스템보다 에너지 효율을 증대시키는데 그 목적이 있다.
또한, 터빈으로 기준으로 유입, 배출되는 순환통로의 방향을 반대로 설정하고, 이러한 구조를 통해 토크가 증대되어 터빈으로부터 발생되는 전기에너지의 양을 증대시켜 양수펌프의 효율을 높이는데 그 목적이 있다.
또한, 별도로 방출밸브를 결합시켜 시스템 가동 중의 폐수의 교체를 용이하게 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 유입구 및 배출구가 형성되고 유체가 저장되는 저수조, 유입구 및 배출구에 연결되어 폐루프를 형성하는 순환통로, 순환통로를 통해 낙하된 유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 터빈 및 순환통로를 통해 흐르는 유체를 끌어올리는 양수펌프를 포함하고, 양수펌프는 터빈에 의해 발생된 전기에너지의 일부를 공급받고, 부하조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 순환통로는, 제1 순환통로 및 제2 순환통로를 포함하고, 제1 순환통로는 터빈과 배출구를 연결하고, 제2 순환통로는 터빈과 유입구를 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 유입구는 배출구보다 높은 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 제2 순환통로에 양수펌프가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 터빈에 유입되는 제1 순환통로의 유체 이동 방향과 터빈에서 배출되는 제2 순환통로의 유체 이동 방향이 반대인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 터빈이 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 양수펌프에 양수펌프 가동용 충전식 밧데리가 결합되고, 양수펌프 가동용 충전식 밧데리는 외부전원에 의해 전력을 공급받는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 순환통로에 방출밸브가 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 터빈이 유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시키게 되고, 터빈을 회전시키고 나온 유체가 가지고 있는 에너지를 양수펌프의 입력양정으로 이용하여 양수펌프의 효율을 높이게 된다.
또한, 부하조절식 양수펌프인 바, 원하는 시간에 양수발전 시스템을 가동할 수 있는 장점이 있다.
또한, 터빈으로 기준으로 유입, 배출되는 순환통로의 방향을 반대로 설정하고, 이러한 구조를 통해 토크가 증대되어 터빈으로부터 발생되는 전기에너지의 양을 증대시켜 양수펌프의 효율을 높이게 된다.
또한, 별도로 방출밸브를 결합시켜 시스템 가동 중의 폐수의 교체를 용이하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 저수조 부근을 확대한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 터빈을 기준으로 한 제1 순환통로 및 제2 순환통로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 터빈이 복수개 형성되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템을 도시한 도면이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 구성요소 및 유체의 흐름에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템은 크게 저수조(100), 순환통로(200), 터빈(300), 양수펌프(400)로 구성된다. 저수조(100)는 유체가 저장되는 장소로, 유체는 물(W)인 것이 바람직하다. 저수조(100)는 지면을 기준으로 지면보다 높은 곳에 설치되어야 한다. 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템도 수력발전에 근간을 하므로 물의 낙하에너지 즉, 위치에너지를 이용하여야 하므로 저수조(100)는 높이가 형성되어 있어야 한다.
저수조(100)는 물(W)이 유입되는 유입구(110) 및 물(W)이 배출되는 배출구(120)가 있다. 유입구(110) 및 배출구(120)의 자세한 구조는 도 2에서 후술하도록 한다.
저수조(100)의 배출구(120) 및 유입구(110) 사이에는 순환통로(200)가 형성된다. 이때, 저수조(100)에 저장된 물(W)은 배출구(120)를 통해 순환통로(200)에 진입하게 되고 터빈(300) 및 양수펌프(400)를 거쳐 다시 유입구(110)를 통해 저수조(100)에 유입되는 방식으로 순환통로(200)는 폐루프 순환방식을 지니게 되는 것이 바람직하다.
순환통로(200)는 제1 순환통로(210) 및 제2 순환통로(220)를 포함한다. 이때, 제1 순환통로(210)는 순환통로(200)에 설치된 터빈(300)과 배출구(120) 사이의 순환통로 구간이고, 제2 순환통로(220)는 터빈(300)과 유입구(110) 사이의 순환통로 구간인 것이 바람직하다. 제1 순환통로(210)는 높은 곳에서 낮은 곳으로 물(W)이 이동되는 통로이므로, 하방향 흐름인 것이 바람직하다. 이에 반해 제2 순환통로(220)는 터빈(300)을 거쳐 양수펌프(400)에 의해 낮은 곳에서 높을 곳으로 물(W)이 이동되는 통로이므로, 상방향 흐름인 것이 바람직하다. 터빈(300)을 기준으로 하여 제1 순환통로(210) 및 제2 순환통로(220)에서의 물의 흐름은 도 2에서 좀더 상세히 후술하도록 한다.
물(W)은 저수조(100)의 배출구(120)에서 낙하되어 제1 순환통로(210)를 거쳐 터빈(300)에 도달된다. 이때, 터빈(300)은 수차(水車)인 것이 바람직하다. 여기서 수차는 물의 위치에너지를 회전 운동의 에너지로 변환시키는 기계를 지칭한다. 터빈(300)의 가동 원리에 대해 설명하자면, 저수조(100)로부터 제1 순환통로(210)를 거쳐 터빈(300)을 통과하고, 이때, 제2 순환통로(220)로 진입되는 과정에서 터빈(300)이 회전하게 된다. 회전하는 터빈(300)은 터빈(300)의 회전축(미도시)과 연결된 로터에 의해 전자기유도 작용을 발생시키고, 이로 인해 전기에너지가 발생된다. 즉 낙하하는 물(W)에 의한 위치에너지가 역학적 에너지 보존 법칙에 의해 터빈(300)이 돌아가는 운동에너지로 전환이 되고, 전환된 운동에너지는 다시 전자기유도 작용에 의해 전기에너지로 전환되는 것이다.
터빈(300)을 통과한 물(W)은 제2 순환통로(220)에 진입되고, 제2 순환통로(220)의 일지점에는 양수펌프(400)가 결합되어 있다. 양수펌프(400)는 낮은 곳에서 높은 곳으로 물을 보내는 경우에 사용하는 펌프를 말한다. 일반적으로 전양정이 20m 미만인 때는 벌류트 펌프, 20m 이상인 때는 터빈 펌프가 사용된다. 또한 흡입 양정이 6m 내지 7m 이상인 때는 수중 모터 펌프, 공기 양수 펌프, 왕복 펌프 등이 사용된다. 따라서 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 양수펌프(400)는 제2 순환통로(220) 중 물(W)이 높은 곳으로 상승되기 전 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 터빈(300)을 통과하여 제2 순환통로(220)에 진입한 물(W)은 양수펌프(400)를 지나고, 양수펌프(400)는 저수조(100)를 기준으로 저수조(100)보다 낮은 곳에 위치한 물(W)을 다시 저수조(100)의 유입구(W)에 유입시키도록 끌어올리는 역할을 한다. 양수펌프(400)의 구동을 위한 터빈(300)으로부터의 전력전달과정은 도 3에서 후술하도록 한다.
양수펌프(400)에는 양수펌프 가동용 충전식 밧데리(600)가 결합되는 것이 바람직하다. 양수펌프 가동용 충전식 밧데리(600)는 터빈(300)으로부터 동력을 전달받기 전 최초로 양수펌프(400)를 가동시키는 역할을 한다. 양수펌프 가동용 충전식 밧데리(600)는 외부전원(610)에 연결되어 전력을 공급받고, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 가동 초기에만 양수펌프(400)에 전력을 전달하고, 시스템 순환 이후에 양수펌프(400)가 터빈(300)으로부터 충분한 전력을 전달받게 되면, 외부전원(610)을 차단하여 양수펌프 가동용 충전식 밧데리(600)의 전원공급을 중지하는 것이 바람직하다.
순환통로(200)의 일 지점에는 방출밸브(500)가 결합되는 유로(201)가 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 가동이 지속되면, 외부 요인에 의해 순환되는 물(W)이 오염이 되어 폐수가 되는 경우가 발생한다. 폐수가 되면 에너지 발생 효율이 감소되므로 이를 교체할 필요성이 있다. 이때, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 가동을 잠시 중단시키고, 가동 시에는 잠겨있는 방출밸브(500)를 개방시켜 폐수를 시스템 외부로 배출하고, 다시 가동하는 경우 방출밸브(500)를 잠가 시스템을 순환하는 물(W)을 주기적으로 관리할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 저수조 부근을 확대한 도면이다. 이하 도 2를 참조하여 저수조 부근 구조를 상세히 설명하도록 한다.
저수조(100)는 물(W)이 저장되고, 순환통로(200)를 거치기 위한 유입구(110) 및 배출구(120)가 형성된다. 이때, 유입구(110)를 통해 저수조(100)에 물(W)이 저장되고, 배출구(120)를 통해 물(W)이 순환통로(200)에 진입되는 구조를 형성하기 위하여 저수조(100)의 바닥면을 기준으로 유입구(110)는 배출구(120)보다 높은 위치(H)에 형성되는 것이 바람직하다.
종래의 수력발전시스템의 경우, 저수조가 댐식 구조를 하고 있어 발전소를 설치하는데 많은 공간이 필요하다. 또한 건설비 및 인건비가 많이 소요되는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 저수조(100)는 물(W)이 저장되고 유입구(110) 및 배출구(120)만 형성되는 구조이므로, 위치에너지가 형성되도록 저수조(100)를 필요한 높이만큼 공중에 건설함으로써 설치장소에 구애를 받지 않는 장점이 있다. 또한 댐에 비해 건설공간이 대폭 줄어들어 건설비의 절감을 가져온다.
도 3은 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 터빈을 기준으로 한 제1 순환통로 및 제2 순환통로를 도시한 도면이다. 이하 도 3을 이용하여 순환통로 내에서의 물(W)의 흐름을 상세히 설명하도록 한다.
저수조(100)에 저장된 물(W)은 제1 순환통로(210)를 통해 터빈(300)에 도달한다. 이때, 위치에너지의 발생을 위해 높은 곳에서 낮은 곳으로의 흐름으로(W1) 물(W)이 흐르는 것이 바람직하다. 물(W)은 터빈(300)을 회전시키고, 터빈(300)은 회전을 통해 운동에너지를 발생시킨다. 즉, 물(W)의 위치에너지가 역학적 에너지 보존법칙에 의해 운동에너지로 전환된다. 터빈(300)에 결합된 로터(미도시)에 의해 전자기 유도 작용이 발생되고, 이로 인해 전기에너지가 발생된다. 터빈(300)을 통해 전기에너지가 발생이 되면 양수펌프(400) 가동에 필요한 전력을 제외한 모든 전력이 외부로 송전된다. 양수펌프(400)는 별도의 장치(미도시)를 통해 터빈(300)으로부터 전기에너지를 전달받게 되고, 이는 양수펌프(400)의 구동을 위한 전력이 된다.
이때, 양수펌프(400)는 부하조절식인 것이 바람직하다. 부하조절식이란 원하는 시간에 양수펌프(400)를 on/off할 수 있는 것으로, 터빈(300)을 통해 공급받은 전력을 이용하여 시스템 가동이 필요할 경우 양수펌프(400)를 on하여 시스템을 가동하고, 시스템 가동이 불필요할 경우 양수펌프(400)를 off하여 시스템을 정지시키는 것이 바람직하다.
양수펌프(400)가 구동이 되면, 터빈(300)을 통과하여 제2 순환통로(220)에 진입한 물(W)을 지면을 기준으로 낮은 곳에서 높은 곳의 방향(W2)으로 끌어올린다. 이렇게 높은 곳으로 끌어올려진 물(W)은 다시 유입구(110)를 통해 저수조(100)에 유입된다. 즉, 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전시스템을 가동하는 시점에서 양수펌프 가동용 충전식 밧데리(600)를 통해 양수펌프(400)에 일부 전력을 공급해주기만 하면, 이후 순환하는 과정에서 별도의 외부전력의 공급없이 터빈(300)에 의해 발생된 전기에너지 만으로 양수펌프(400)를 가동할 수 있다.
시스템 구동 중 폐수가 발생되면 위에서 설명한 바와 같이, 순환통로(200)에 일부 형성된 유로(201) 및 유로(201)에 설치된 방출밸브(500)를 통해 외부 방향(W3)으로 폐수를 빼낼 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 터빈이 복수개 형성되는 경우를 나타낸 도면이다. 이하 도 4를 참조하여 터빈이 복수개 형성되는 경우를 설명하도록 한다.
복수개의 터빈(300,301,302)을 도 4와 같이 일렬로 배열하여 전기에너지를 발생시키는 것도 가능하다. 전기에너지를 발생시키는 개체가 많아지기 때문에 에너지 발생 효율이 증대되는 장점이 있다. 또한 위와 같이 직렬로 터빈(300)을 연결하는 것이 아닌, 병렬로 터빈(300)을 연결하는 것도 가능하다. 이때, 터빈의 개수는 제한되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 이하 도 5를 참조하여 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템의 다른 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예는 상기 실시예와 구성요소는 동일하다. 다만, 터빈(300)을 기준으로 터빈(300)에 유입되는 제1 순환통로(210)의 물(W)의 이동 방향과 터빈(300)으로부터 배출되는 제2 순환통로(220)의 물(W)의 이동 방향이 반대인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예와 같이 터빈(300)을 기준으로 하여 물(W)의 유입방향과 배출방향이 상이하게 되면 모멘트가 증대된다. 모멘트(moment of force)란 물체를 회전시키려고 하는 힘의 작용을 말하며, 힘과 회전축에서 힘이 작용선에 긋는 수직선의 길이를 곱한 값이다. 즉, 물(W)의 유입방향과 배출방향이 상이하게 되어 일 실시예와 달리 물이 회전하려는 힘이 증대되고 이러한 모멘트로 인해 터빈(300)에 작용되는 토크가 증대된다. 토크란 물체에 작용하여 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량으로 비틀림모멘트라고도 한다. 터빈(300)에 작용되는 토크가 증대되면 터빈(300)으로부터 발생하는 운동에너지 및 전기에너지가 증대되고, 에너지 발생 효율이 증대되는 효과를 발생시킨다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (8)

  1. 유입구 및 배출구가 형성되고 유체가 저장되는 저수조;
    상기 유입구 및 상기 배출구에 연결되어 폐루프를 형성하는 순환통로;
    상기 순환통로를 통해 낙하된 유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 터빈; 및
    상기 순환통로를 통해 흐르는 유체를 끌어올리는 양수펌프를 포함하고,
    상기 양수펌프는,
    상기 터빈에 의해 발생된 전기에너지의 일부를 공급받고, 부하조절이 가능한 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환통로는,
    제1 순환통로 및 제2 순환통로를 포함하고,
    상기 제1 순환통로는 상기 터빈과 상기 배출구를 연결하고,
    상기 제2 순환통로는 상기 터빈과 상기 유입구를 연결하는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유입구는 상기 배출구보다 높은 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 순환통로에 양수펌프가 형성되는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 터빈에 유입되는 상기 제1 순환통로의 유체 이동 방향과,
    상기 터빈에서 배출되는 상기 제2 순환통로의 유체 이동 방향이 반대인 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈이 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 양수펌프에 양수펌프 가동용 충전식 밧데리가 결합되고,
    상기 양수펌프 가동용 충전식 밧데리는 외부전원에 의해 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환통로에 방출밸브가 결합되는 것을 특징으로 하는 양수펌프 부하조절식 양수발전 시스템.
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