WO2017146349A1 - 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템 - Google Patents

수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배관 내부에 설치되는 임펠러가 유체를 통해 회전하면서 직접 회전력을 얻어 에너지를 발생시켜 전기로 생산할 수 있으며, 유지보수가 용이하고, 에너지 손실이 적으며, 비교적 저비용으로 친환경적 재생에너지를 생산할 수 있는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템을 개시한다.

Description

수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템
본 발명은 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템에 관한 것으로, 건물의 옥상에 구비되는 수조에 저장된 물을 아래로 이동시켜 각 층에 공급할 수 있도록 상기 고가수조의 저면에 수직으로 설치되는 것으로, 양측 단부에는 유체가 유입되는 입수부 및 유체가 배출되는 출수부가 형성되고, 상기 입수부와 출수부 사이에 소정길이의 감압발전부가 형성되는 배관과; 상기 감압발전부 내부에 설치되는 것으로, 원통형의 몸체와, 상기 몸체의 중심을 관통하도록 설치되는 회전축과, 상기 몸체의 외주면으로부터 방사상 방향으로 연장형성되는 복수의 블레이드를 포함하여 이루어지며, 상기 배관 내부로 유입되는 유체를 통해 회전하는 임펠러와; 상기 배관의 내벽에 형성되는 것으로, 상기 임펠러의 양측에 형성되되 임펠러를 기준으로 대각 방향을 이루도록 형성되고, 임펠러 측으로부터 배관의 단부 측으로 갈수록 점차 낮은 경사를 갖도록 형성되며, 유체에 의한 난류발생을 최소화하고 와류가 형성되는 것을 방지할 수 있도록 임펠러와 대향하는 면에 오목한 형상의 난류방지홈이 형성되는 가이드 베인과; 상기 회전축의 단부에 결합되며, 상기 임펠러의 회전력을 통해 전력을 생산하는 발전기와; 상기 발전기로부터 발생된 전기를 기설정된 전압의 발전전기로 변환하는 DC-DC컨버터와; 상기 발전전기를 충전하는 배터리에너지저장장치(Battery Energy Storage System: BESS);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 아파트 또는 빌딩과 같은 고층건물은 각 층에 물을 공급하기 위해 지하에 지하저수조를 구비하고 건물의 상부에 고가수조를 설치하여 지하저수조로부터 공급되는 물을 고가수조로 끌어올려 위에서 아래로 이동시키면서 각 층에 물을 공급하게 된다.
도 1은 종래의 고층건물에 구비도는 수도시설의 예시도로서, 종래에는 고가수조에 저장된 물을 아래로 이동시키기 위한 배관 또는 각 층에 물을 공급하는 배관의 내부에 압력을 강제로 감소시키기 위한 감압장치를 반드시 설치하여야 하였다.
종래의 감압장치는 스프링의 반발력을 압력을 감소하는 방법으로써 에너지 손실이 불가피하고 장치의 파손에 따른 수리 또는 교체작업이 필요하며 이로 인해 불필요한 시간과 비용이 낭비되는 문제점이 있었다.
한편, 일반적인 수력발전은 강이나 간만의 차이가 큰 지역의 바닷물을 댐에 가두어 저수된 물을 방류시키면서 터빈을 회전시켜 물의 낙차에너지를 전기에너지로 변환하는 방식이며, 이와 함께 하수처리장과 정수장 등에서 방류되는 미활용 소수력자원에 대하여 소수력발전(small hydropower) 기술을 개발하여 댐건설비 등의 막대한 초기투자비를 크게 절감하는 경제성이 높은 수자원에너지 개발방식 역시 일반화된 기술이다.
수력발전 또는 소수력발전은 그 규모가 다르기는 하지만 대단위 설비투자를 바탕으로 비교적 큰 규모의 터빈발전으로 수력에너지를 전기에너지로 변환하는 점에서 유사하다. 이러한 수력발전 및 소수력발전에서의 발전방식은 대량의 저수용량으로 인한 큰 낙차에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜서 발전시키는 방식이므로, 이때의 터빈 및 발전기 용량은 산업적 규모로서 매우 크기 때문에 일반 가정의 수도관, 아파트 상수도 공급관, 아파트 및 대규모 목욕탕 등 옥내외 물탱크(저수조) 하부배출관, 도로지하 매설 상수도관 등의 높은 수압을 이용한 소규모 발전 설비로는 적합하지 않은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 배관 내부에 설치되는 임펠러가 유체를 통해 회전하면서 직접 회전력을 얻어 에너지를 발생시켜 전기로 생산할 수 있으며, 유지보수가 용이하고, 에너지 손실이 적으며, 비교적 저비용으로 친환경적 재생에너지를 생산할 수 있는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 건물의 옥상에 구비되는 수조에 저장된 물을 아래로 이동시켜 각 층에 공급할 수 있도록 상기 고가수조의 저면에 수직으로 설치되는 것으로, 양측 단부에는 유체가 유입되는 입수부 및 유체가 배출되는 출수부가 형성되고, 상기 입수부와 출수부 사이에 소정길이의 감압발전부가 형성되는 배관과; 상기 감압발전부 내부에 설치되는 것으로, 원통형의 몸체와, 상기 몸체의 중심을 관통하도록 설치되는 회전축과, 상기 몸체의 외주면으로부터 방사상 방향으로 연장형성되는 복수의 블레이드를 포함하여 이루어지며, 상기 배관 내부로 유입되는 유체를 통해 회전하는 임펠러와; 상기 배관의 내벽에 형성되는 것으로, 상기 임펠러의 양측에 형성되되 임펠러를 기준으로 대각 방향을 이루도록 형성되고, 임펠러 측으로부터 배관의 단부 측으로 갈수록 점차 낮은 경사를 갖도록 형성되며, 유체에 의한 난류발생을 최소화하고 와류가 형성되는 것을 방지할 수 있도록 임펠러와 대향하는 면에 오목한 형상의 난류방지홈이 형성되는 가이드 베인과; 상기 회전축의 단부에 결합되며, 상기 임펠러의 회전력을 통해 전력을 생산하는 발전기와; 상기 발전기로부터 발생된 전기를 기설정된 전압의 발전전기로 변환하는 DC-DC컨버터와; 상기 발전전기를 충전하는 배터리에너지저장장치(Battery Energy Storage System: BESS);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 블레이드는 유입되는 유체와의 마찰력을 줄이고 회전력을 증가시킬 수 있도록 유체의 흐르는 방향 측으로 소정의 각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 배관에는 상기 감압발전부를 폐쇄하였을 때 상기 입수부를 통과한 유체를 출수부로 우회시켜 배출하기 위한 바이패스관이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 BESS가 최대충전용량을 초과하는 경우, 추가적으로 충전되는 충전전기는 인버터에 투입하여 AC전기로 변환한 다음 계통(Utility grid)으로 전송하여 수익을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 배관 내부에 설치되는 임펠러가 유체를 통해 회전하면서 직접 회전력을 얻어 에너지를 발생시켜 전기로 생산할 수 있으며, 유지보수가 용이하고, 에너지 손실이 적으며, 비교적 저비용으로 친환경적 재생에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 BESS가 최대충전용량을 초과하는 경우 추가적으로 충전되는 충전전기를 방전시키기 않고, 인버터에 투입하여 AC전기로 변환한 다음 계통(Utility grid)으로 전송하여 수익을 창출할 수 있는 경제적인 장점이 있다.
도 1은 종래의 배관 내부에 감압장치가 설치된 상태를 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템의 예시도.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 임펠러의 예시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템의 예시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템의 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 수도시설의 배관 내부에 설치되는 임펠러가 유체를 통해 회전하면서 직접 회전력을 얻어 에너지를 발생시켜 BESS(Battery Energy Storage System: BESS)에 저장되었다가 필요시 사용할 수 있고, 상기 BESS가 최대충전용량을 초과하는 경우 추가적으로 충전되는 충전전기를 방전시키기 않고 인버터에 투입하여 AC전기로 변환한 다음 계통(Utility grid)으로 전송함으로써 수익을 창출할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템에 관한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 배관(100)과, 상기 배관 내부에 설치되는 임펠러(200)와, 상기 배관 내부에 형성되는 가이드 베인(300)과, 상기 임펠러와 연결되는 발전기(400)와, 상기 발전기로부터 발생된 전기를 기설정된 전압의 발전전기로 변환하는 DC-DC컨버터(500) 및 상기 발전전기를 충전하는 배터리에너지저장장치(600)(Battery Energy Storage System, 이하 BESS)를 포함하여 이루어진다.
상기 배관(100)은 건물의 옥상에 구비되는 고가수조에 저장된 물을 아래로 이동시켜 각 층에 공급할 수 있도록 상기 고가수조의 저면으로부터 수직으로 설치되는 것으로, 양측 단부에는 유체가 유입되는 입수부(110) 및 유체가 배출되는 출수부(120)가 형성되고, 상기 입수부와 출수부 사이에는 소정길이의 감압발전부(130)가 형성된다.
상기 감압발전부(130)는 배관(100) 내부의 압력을 강제로 감소시켜 배관 내부를 통과하는 유체의 속도가 저하되는 것을 방지하고, 유체를 통해 회전하는 임펠러(200)의 회전력을 통해 발전전기를 생산하기 위해 상기 배관 내부에 형성된다.
상기 감압발전부(130) 내부에는 상기 배관 내부로 유입되는 유체를 통해 회전하는 임펠러(200)가 설치되고, 상기 임펠러의 양측에는 유입되는 유체가 원활하게 이동하도록 경로를 가이드하고 유속을 증가시키는 가이드 베인(300)이 형성된다.
상기 임펠러(200)는 원통형의 몸체(210)와, 상기 몸체의 중심을 관통하도록 설치되는 회전축(220)과, 상기 몸체의 외주면으로부터 방사상 방향으로 연장형성되는 복수의 블레이드(230)를 포함하여 이루어지며, 상기 회전축(220)의 양측 단부가 배관(100)의 내벽에 회전 가능하도록 결합되어 배관 내부에 고정된다.
도 3a와 같이 상기 블레이드(230)가 연장되는 방향은 유체와 접촉하면서 유체에 의해 회전할 수 있도록 몸체의 외주면으로부터 직선형으로 형성되되, 도 3b와 같이 유입되는 유체와의 마찰력을 줄이고 회전력을 증가시킬 수 있도록 유체의 흐르는 방향 측으로 소정의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
유체가 상기 배관(100) 내부에서 적정 속도로 이동하는 경우 유속의 저하를 염려할 필요는 없으나 빠른 속도로 이동하는 경우 상기 블레이드(230)가 직선형으로 형성되어 있으면 유체가 블레이드(230)와 부딪히면서 유속이 감소하거나 임펠러의 회전력이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 경우 도 3b와 같이 블레이드(230)를 유체의 흐르는 방향 측으로 소정 각도로 경사지게 형성하면 유체가 블레이드의 내주면에 자연스럽게 감싸지는 형태로 유입되면서 임펠러를 회전시킬 수 있으므로 유속이나 임펠러의 회전력을 그대로 유지할 수 있다.
상기 가이드 베인(300)은 상기 배관(100)의 내벽으로부터 돌출형성되며, 상기 임펠러(200)의 양측에 형성되되 임펠러를 기준으로 서로 대각방향으로 마주보도록 형성되고, 임펠러(200) 측으로부터 배관(100)의 단부 측으로 갈수록 점차 낮은 경사를 갖도록 형성된다.
상기 가이드 베인(300)이 배관(100)의 단부 측으로 갈수록 점차 낮은 경사를 갖도록 형성한 이유는 '베르누이 원리(principle of Bernoulli, Bernoulli’s principle)'를 적용하기 위한 것으로, 베르누이 원리에 따르면 벤투리관을 흐르는 유체가 단면적이 큰 곳과 작은 곳을 흐를 때, 단면적이 큰 곳은 유체의 흐름이 느리고 압력은 높으며, 단면적이 작은 곳은 유체의 흐름이 빠르고 압력은 낮다는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 입수부(110)를 통과한 유체가 가이드 베인(300)으로 진입할 때 배관(100)의 내경이 점차 좁아지도록 하여 자연스럽게 유속은 증가시키고 압력은 낮출 수 있게 된다.
또한, 상기 가이드 베인(300)은 유체에 의한 난류발생을 최소화하고 와류가 형성되는 것을 방지할 수 있도록 임펠러(200)와 대향하는 면에 오목하게 파인 난류방지홈(310)이 형성된다.
상기 블레이드(230)를 회전시킨 후 블레이드로부터 빠져나가는 유체가 상기 가이드 베인(300)의 외벽에 부딪히게 되면 난류가 발생하면서 임펠러(200)의 회전력이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 가이드 베인(300)의 임펠러(200)와 대향하는 면에 오목한 형상의 난류방지홈(310)을 형성하여 블레이드(230)를 회전시킨 후 빠져나온 유체가 가이드베인의 외벽에 부딪히지 않도록 하여 난류발생을 최소화하고 회전력을 유지하도록 한다.
본 발명은 상기 배관(100) 내부에 유체가 유입되면 임펠러(200)가 유체에 의해 회전하면서 회전력을 얻게 되고, 임펠러와 연결된 발전기(400)가 임펠러의 회전력을 통해 전력을 생산하게 된다. 상기 DC-DC컨버터(500)는 발전기로부터 발생된 전기를 기설정된 전압의 발전전기로 변환하고, 상기 BESS(600)는 DC-DC컨버터를 통해 변환된 발전전기를 저장하였다가 배전(配電)망에 공급하여 필요시 사용할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 도 5와 같이 상기 BESS(600)가 최대충전용량을 초과하는 경우 추가적으로 충전되는 충전전기를 인버터(700)에 투입하여 AC전기로 변환한 다음 계통(Utility grid)으로 전송하여 수익을 얻을 수도 있다. 여기에서, 계통(Utility grid)라 함은 전기를 공급해주는 급전(給電)망을 말한다.
종래의 감압장치를 이용한 발전시스템 또는 수력발전장치가 단순히 회전력을 통해 전력을 생산한 다음 배전망에 공급하여 필요시 사용할 수 있는 구성이었다면, 본 발명에 따른 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템은 과충전되는 충전전기를 계통으로 전송하여 사용자에게 수익을 얻을 수 있도록 하는 구성으로서 경제성이 현저히 우수한 장점을 갖는다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 배관(100)에는 상기 감압발전부(130)를 폐쇄하였을 때 상기 입수부를 통과한 유체를 출수부로 우회시켜 배출하기 위한 바이패스관(140)이 구비된다.
상기 바이패스관(140)은 상기 배관과 연통되도록 결합되고, 상기 감압발전부의 양측 단부에는 게이트밸브(141,142)가 결합되며, 상기 바이패스관(140)에는 바이패스관을 개폐하기 위한 바이패스밸브(143)가 결합된다.
상기 감암발전부(130)는 임펠러(200)의 교체나 감압발전부 내부의 세척 등의 이유로 폐쇄할 수 있으며, 이러한 경우 상기 감압발전부의 입수부 측에 결합된 게이트밸브(141)를 차단하여 입수부를 통과한 유체가 감압발전부로 유입되지 않고 바이패스관을 따라 흐르도록 한다.
상기 감압발전부 폐쇄시에는 상기 감압발전부의 출수부 측에 결합된 게이트밸브(142) 역시 차단하는 것이 바람직한데, 이는 상기 바이패스관을 통과한 유체가 감압발전부 측으로 역류하는 것을 방지하고, 배관의 출수부 측으로 자연스럽게 배출되도록 유도하기 위한 것이다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템은 현재의 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되고 있는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 화석연료 등을 연소시켜 얻었던 전기에너지의 일부를 대체할 수 있고, 아울러 화석연료의 연소에 따른 탄소의 배출을 줄일 수 있는 현저한 장점이 있다.
[부호의 설명]
100 : 배관
110 : 입수부
120 : 출수부
130 : 감압발전부
140 : 바이패스관
141,142 : 게이트밸브
143 : 바이패스밸브
200 : 임펠러
210 : 몸체
220 : 회전축
230 : 블레이드
300 : 가이드베인
310 : 난류방지홈
400 : 발전기
500 : DC-DC컨버터
600 : 배터리에너지저장장치
700 : 인버터

Claims (4)

  1. 건물의 옥상에 구비되는 수조에 저장된 물을 아래로 이동시켜 각 층에 공급할 수 있도록 상기 고가수조의 저면에 수직으로 설치되는 것으로, 양측 단부에는 유체가 유입되는 입수부 및 유체가 배출되는 출수부가 형성되고, 상기 입수부와 출수부 사이에 소정길이의 감압발전부가 형성되는 배관(100)과;
    상기 감압발전부 내부에 설치되는 것으로, 원통형의 몸체와, 상기 몸체의 중심을 관통하도록 설치되는 회전축과, 상기 몸체의 외주면으로부터 방사상 방향으로 연장형성되는 복수의 블레이드를 포함하여 이루어지며, 상기 배관 내부로 유입되는 유체를 통해 회전하는 임펠러(200)와;
    상기 배관의 내벽에 형성되는 것으로, 상기 임펠러의 양측에 형성되되 임펠러를 기준으로 대각 방향을 이루도록 형성되고, 임펠러 측으로부터 배관의 단부 측으로 갈수록 점차 낮은 경사를 갖도록 형성되며, 유체에 의한 난류발생을 최소화하고 와류가 형성되는 것을 방지할 수 있도록 임펠러와 대향하는 면에 오목한 형상의 난류방지홈이 형성되는 가이드 베인(300)과;
    상기 회전축의 단부에 결합되며, 상기 임펠러의 회전력을 통해 전력을 생산하는 발전기(400)와;
    상기 발전기로부터 발생된 전기를 기설정된 전압의 발전전기로 변환하는 DC-DC컨버터(500)와;
    상기 발전전기를 충전하는 배터리에너지저장장치(Battery Energy Storage System: BESS)(600);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 유입되는 유체와의 마찰력을 줄이고 회전력을 증가시킬 수 있도록 유체의 흐르는 방향 측으로 소정의 각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배관에는 상기 감압발전부를 폐쇄하였을 때 상기 입수부를 통과한 유체를 출수부로 우회시켜 배출하기 위한 바이패스관이 구비되는 것을 특징으로 하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 BESS가 최대충전용량을 초과하는 경우 추가적으로 충전되는 충전전기를 인버터에 투입하여 AC전기로 변환한 다음 계통(Utility grid)으로 전송하여 수익을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수도시설의 배관 내에 설치되는 감압장치를 이용한 발전시스템.
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