WO2018070573A1 - 소수력 발전장치 - Google Patents

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WO2018070573A1
WO2018070573A1 PCT/KR2016/011592 KR2016011592W WO2018070573A1 WO 2018070573 A1 WO2018070573 A1 WO 2018070573A1 KR 2016011592 W KR2016011592 W KR 2016011592W WO 2018070573 A1 WO2018070573 A1 WO 2018070573A1
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blade
blades
shaft
rotor
flow path
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PCT/KR2016/011592
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English (en)
French (fr)
Inventor
김진수
김충범
Original Assignee
주식회사 오백볼트
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F03B3/06—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines with adjustable blades, e.g. Kaplan turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
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    • F03B3/16—Stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/30—Application in turbines
    • F05B2220/32—Application in turbines in water turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • Embodiment of the present invention relates to a small-scale hydroelectric generator for converting the potential energy of water into electrical energy (electric power).
  • hydropower generation means small-scale hydropower generation with a capacity of 10,000 kW or less than 15,000 kW.
  • These hydroelectric power generations are not very different from the general large-scale hydroelectric power generation in principle, but considering that the large-scale hydroelectric power generation has a very negative environmental impact, it is technically simple hydropower in harmony with the local conditions. It can be called development.
  • small hydro power generation has been evaluated as an eco-friendly representative low-carbon green technology as CO2 emissions are lower than other energy sources, and it is an energy source with high energy production per unit capacity among renewable energy. Practical energy with a long history and relatively low dependence on raw materials abroad.
  • the power generation efficiency (generation amount) by the generator is determined according to the flow rate of the water. In other words, if the flow rate of the water is reduced, the power generation efficiency is inevitably reduced, there is a problem that can not maintain the power generation at a constant level.
  • An embodiment of the present invention is to provide a hydrophobic power generation apparatus that can actively cope with changes in the flow rate of water.
  • an embodiment of the present invention is to provide a hydrophobic power generation apparatus that is more advantageous in terms of weight, simplification and compactness.
  • a casing having an inlet 101 through which water flows in and an outlet 102 through which water flows out, and an internal flow path 103 connecting the inlet 101 and the outlet 102 ( casing, 100);
  • a rotation shaft 210 disposed in the flow direction in which water flows along the flow path 103 on the flow path 103; It is mounted on the outer circumference of the rotating shaft 210 so as to be rotatable about an axis (hereinafter, referred to as a blade shaft) 221 in the intersecting direction with respect to the rotating shaft 210, respectively, according to the rotation angle.
  • Blades 220 are variable and arranged at intervals along the outer circumferential direction of the rotation shaft 210; Blade control means (300) for varying the pitch angle (PA) by rotating the blades (220) about the blade shaft (221) according to the flow rate of water flowing into the flow path (103);
  • the blade body (410, 420) having the magnets 410 disposed at intervals along the peripheral area of the blades 220 around the axis of rotation (210) and the blade (tip) in the tip portion of the blades (220)
  • a rotor (400) composed of joints (430) connecting the rotor bodies (410, 420) so that the rotors (220) are rotatable about the blade shaft (221), respectively;
  • a hydrophobic power generation device may be provided, which is provided in the casing 100 and is disposed in the peripheral area of the rotor 400 and includes a stator 500 having a coil.
  • the blade control means 300 the flow meter for measuring the flow rate of water flowing into the flow path (103);
  • a blade driving unit 320 for rotating the blades 220 together in the same direction about the blade axis 221;
  • the controller 330 may control the operation of the blade driving unit 320 according to the measured value from the flow meter 310.
  • the cross-sectional area of the flow passage 103 through which water passes can be reduced or increased to maintain the power generation amount at a constant level without large fluctuations.
  • the pitch angle PA of the blades 220 may be adjusted to be smaller to increase the cross-sectional area of the flow path 103 through which water may pass.
  • the rotating shaft 210 may be configured to have a hollow structure therein.
  • the blade driving unit 320 is disposed in the inner empty space of the rotating shaft 210, the power from the drive motor 321 and the drive motor 321 the blade shaft of the blades 220 ( It may include a gear-type electric mechanism (322, 323) for transmitting to 221.
  • the rotor bodies 410 and 420 may include a frame 420 having an annular structure for supporting the magnets 410.
  • the joints 430 connecting the blades 220 and the rotor bodies 410 and 420 to be rotatable about the blade axis 221 may be ball joints. It may be a universal joint.
  • the blade 220 includes a plurality of blades 220 having a variable pitch angle PA, and the blades 220 may be used according to the flow rate of water introduced using the blade control means 300. Since the pitch angle PA of these is appropriately varied, the power generation efficiency (power generation) can be maintained at a constant level at all times without large fluctuations.
  • the rotor bodies 410 and 420 having the magnets 410 are connected to the front end portions of the blades 220 by the joint 430 to enable the pitch angle PA of the blades 220 to be changed.
  • the rotor 400 may be mounted to the peripheral area of the aberration 200 having the variable pitch angle blades 220 by a simple structure such that the rotor 400 can be rotated together with the aberration 200. Can be configured.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a hydrophobic power generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a hydrophobic power generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the blade control means of the hydrophobic power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Hydrophobic power generation apparatus including aberration (refer to reference numeral 200 of FIGS. 1 and 2), due to the potential energy of the water flows along the waterway in the waterway, such as open or plumbing, rivers, etc. It is installed to enable rotational movement.
  • 1 to 3 show a hydrophobic power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the hydrophobic power generation device includes a casing 100 in which water flowing along a water channel flows in and water flows through an inner region.
  • Aberration 200 having a plurality of blades 220 which are rotated by the potential energy of the water passing through the casing 100 inside the 100 and the pitch angle PA is varied within a set range,
  • Generator for converting the mechanical energy of the blade control means 300 and the aberration 200 to the electrical energy (power) to properly adjust the pitch angle (PA) of the blades 220 according to the flow rate of water flowing into the casing (100) (See references 400 and 500).
  • the casing 100 has one first open end (see reference numeral 101) in the longitudinal direction, a second open end (see reference numeral 102) in the other longitudinal direction, and a second open end on the other side in the first direction. It has an internal space (see reference numeral 103) connecting the ends.
  • the casing 100 has a first open end as an inlet 101 through which water flows in, a second open end as an outlet 102 through which water flows out, and an inner space as a flow path 103 through which water flows. do.
  • the casing 100 is formed in a cylindrical shape of a straight structure having a constant length.
  • the aberration 200 includes a rotation shaft 210 disposed in the flow direction in which water flows along the flow path 103 on the flow path 103.
  • the rotating shaft 210 may include a bearing unit for supporting each of the longitudinal ends and the other end of the rotating shaft 210 so as to be rotatable, and a plurality of mounting arms for supporting the bearing unit to the casing 100. Position can be fixed.
  • the blades 220 constituting the aberration 200 are rotatable about the blade axis 221 of the cross direction (including the orthogonal direction) with respect to the longitudinal direction of the rotation shaft 210 on the outer circumference of the rotation shaft 210, respectively. Is mounted. Therefore, the blades 220 vary in pitch angle PA according to the rotation angle around the blade axis 221. Preferably, the blades 220 are arranged at regular intervals to be spaced apart from each other along the outer circumferential direction of the rotation axis (210).
  • the pitch angle PA of the blades 220 By varying the pitch angle PA of the blades 220, the speed at which the aberration 200 is rotated by water may be changed. This is because the cross-sectional area of the flow path 103 through which the water passes varies (increases or decreases) according to the pitch angle PA of the blades 220. For example, when the pitch angle PA of the blades 220 is adjusted to be close to 0 degrees with respect to the longitudinal direction (the flow direction of the water) of the flow path 103, the cross-sectional area of the flow path 103 is relatively increased. . On the contrary, when the pitch angle PA of the blades 220 is largely adjusted to reach 45 degrees to 90 degrees with respect to the longitudinal direction (water flow direction) of the flow path 103, the cross-sectional area of the flow path 103 is relatively Is reduced.
  • the blades 220 are of a twisted type.
  • the blade control means 300 through the inlet 101 to the flow path 103 to maintain the power generation efficiency by the generator (see reference numerals 400 and 500) at a constant level.
  • the pitch angles PA of the blades 220 are varied by rotating the blades 220 around the blade axis 221 according to the flow rate of the water flowing therein.
  • the blade control means 300 includes a flow meter 310, a blade driving unit 320, and a controller 330.
  • the flow meter 310 measures the flow rate of water flowing into the flow path 103.
  • the flow meter 310 may be disposed at the inlet 101, or may be disposed to be adjacent to the inlet 101 in the water channel.
  • the blade driving unit 320 simultaneously rotates the blades 220 in the same direction to simultaneously change the pitch angle PA of the blades 220.
  • the blade drive unit 320 has a rotating shaft 210 is disposed therein. To this end, the rotating shaft 210 is configured to have a hollow structure therein.
  • the blade drive unit 320 includes a drive motor 321 and a power mechanism 322, 323.
  • the drive motor 321 includes a motor shaft, and the motor shaft is disposed to be parallel to the longitudinal direction of the rotation shaft 210.
  • the transmission mechanisms 322 and 323 are mounted on the motor shaft of the drive motor 321 and rotated by the drive motor 321, and the blade shaft 221 of the blades 220 and the driving bevel gear 322 rotated by the drive motor 321. And driven bevel gears 323 engaged with the driving bevel gears 322 respectively.
  • the hydrophobic power generation apparatus may be configured such that the drive motor 321 operates with electric power obtained by the generator (see reference numerals 400 and 500).
  • the generator (see 400 and 500) includes a rotor 400 and a stator 500.
  • Rotor 400 includes rotor bodies 410 and 420 and joints 430.
  • the rotor bodies 410 and 420 support the plurality of magnets 410 and the magnets 410 spaced apart from each other, which are arranged at regular intervals so as to be spaced apart from each other along the peripheral area of the aberration 200 about the rotation shaft 210. It includes a frame (420) of the annular structure.
  • the joints 430 connect the rotor bodies 410 and 420 to the front end portions of the blades 220 so that the blades 220 are rotatable about the blade axis 221, respectively.
  • the magnet 410 it is preferable to apply a permanent magnet. It is preferable to apply a ball joint or a universal joint as the joint 430.
  • the stator 500 has a coil.
  • the stator 500 is disposed in the peripheral area of the rotor 400.
  • the stator 500 may be disposed on the outer circumference of the casing 100.
  • the casing 100 is configured to serve as a core constituting the stator 500, and the coil of the stator 500 may be wound around the outer circumference of the casing 100 serving as the core.
  • the blade 220 when water is introduced into the flow path 103 through the inlet 101, the blade 220 is in the process of flowing out the water through the outlet 102.
  • the aberration 200 is rotated about the rotation axis 210 by the energy acting on the field.
  • the rotor 400 is then rotated in the same direction and at the same speed as the aberration 200, and in a generator comprising a rotor 400 with magnets 410 and a stator 500 with coils. Power is produced by the phenomenon of induction.
  • the controller 330 When the flow rate of the water flowing into the flow path 103 during the power generation process is changed, the controller 330 operates the blade drive unit 320. For example, when the measured value by the flow meter 310 is reduced (flow rate decrease), the rotation speed of the aberration 200 decreases by rotating the blades 220 in a direction in which the pitch angle PA of the blades 220 increases. Can be prevented (maintaining a constant level of rotation speed of the aberration 200).
  • the driving bevel gear 322 When the driving motor 321 is operated, the driving bevel gear 322 is rotated, and the driven bevel gears 323 are rotated at the same time, so that the blades 220 are rotated in the same direction at the same time (the pitch angle of the blades 220) PA) is variable.
  • the blades 220 are rotatably connected about the blade shaft 221 by the joint (ball joint or universal joint, 430) to the rotor bodies 410 and 420, the rotor 400 is aberration.
  • the pitch angle PA of the blades 220 may be changed while being rotated together with the 200.
  • the rotor bodies 410 and 420 are connected to the front ends of the blades 220, and the blades 220 and the rotor bodies 410 and 420 are connected to each other.
  • the rotor 400 including the rotor bodies 410 and 420 may be rotated together with the blades 220 about the rotation axis 210, and the pitch angle PA of the blades 220 may be changed.
  • a joint 430 such as a ball joint or a universal joint, is used.
  • the rotor bodies 410 and 420 apply a structure connected to the rotating shaft 210, not a structure connected to the blades 220, the front and rear of the blades 220 (outflow or inflow)

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Abstract

본 발명의 실시예는, 피치각(pitch angle, PA)이 가변되는 블레이드(blade, 220)들을 가진 수차(200), 물의 유량에 따라 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 가변시키는 블레이드 제어수단(300), 수차(200)의 주위영역에 배치되며 블레이드(220)들의 선단 부분에 볼 조인트(ball joint, 430) 또는 유니버설 조인트(universal joint)에 의하여 연결된 회전자(400), 회전자(400)의 주위영역에 배치된 고정자(500)를 포함함으로써, 발전효율(발전량)을 큰 변동 없이 항시 일정한 수준으로 유지할 수 있고, 전반적으로 간단하고 경량이면서 콤팩트하게 구성할 수 있는, 소수력 발전장치를 제공한다.

Description

소수력 발전장치
본 발명의 실시예는 물이 가지는 위치에너지를 전기에너지(전력)로 변환하는 소규모 수력 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 소수력 발전은 설비용량이 10,000㎾ 내지 15,000㎾ 미만인 소규모 수력 발전을 의미한다. 이러한 소수력 발전은, 원리 면에서 일반적인 대규모 수력 발전과 큰 차이가 있다 볼 수 없지만, 대규모 수력 발전이 환경 면에서 매우 부정적인 영향을 미치는 점을 고려한다면, 국지적인 지역 조건과 조화를 이루며 기술적으로 단순한 수력 발전이라 할 수 있다.
이와 같은 소수력 발전은, 청정 에너지이고 다른 형태의 재생 가능한 에너지원에 비하여 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에, 개발 가치가 큰 부존 자원으로 평가되어, 기술 개발 및 개발 지원사업이 미국과 유럽 등 선진국을 중심으로 이미 활발하게 진행되고 있다.
또한, 소수력 발전은, 다른 에너지원에 비하여 CO2 배출량이 적음에 따라 친환경적인 대표적 저탄소 녹색기술로 평가 받고 있으며, 신재생에너지 중 단위 용량당 에너지 생산량이 높은 편에 속하는 에너지원임에 따라 적용 요소 기술의 역사가 길고, 원자재의 해외 의존도가 비교적 낮은 실용적 에너지이다.
이전까지의 소수력 발전장치들을 살펴보면, 수로(개거, 배관, 하천 등)에 수로를 따라 흐르는 물의 위치에너지에 의하여 회전 가능하게 설치된 수차 및 수차의 기계에너지를 전기에너지(전력)로 변환하는 발전기를 포함한다.
그런데, 이전까지의 소수력 발전장치들은, 수차의 블레이드(blade)들이 고정된 구조를 가지는 점 때문에, 물의 유량 변화에 따라 발전기에 의한 발전효율(발전량)이 결정되는 문제가 있다. 즉, 물의 유량이 감소되면, 발전효율이 저하될 수밖에 없으므로 발전량을 일정한 수준으로 유지할 수 없는 문제 등이 있는 것이다.
또한, 이전까지의 소수력 발전장치들은, 발전기를 구성하는 고정자와 회전자가 수차와 별도의 공간에 설치되는 등 구조적으로 복잡하기 때문에, 경량화나 콤팩트화 면에서 불리한 문제점이 있다.
참고로, 본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1292630호(2013.08.02.) 및 대한민국 등록특허공보 제10-1654899호(2016.09.07.)에 개시되어 있다.
본 발명의 실시예는 물의 유량 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 소수력 발전장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 경량화, 단순화 및 콤팩트화 면에서 한층 더 유리한 소수력 발전장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물이 유입되는 유입구(101)와 물이 유출되는 유출구(102) 및 상기 유입구(101)와 상기 유출구(102)를 연결하는 내부의 유로(103)를 가진 케이싱(casing, 100)과; 상기 유로(103) 상에 물이 상기 유로(103)를 따라 흐르는 유동방향으로 배치된 회전축(210)과; 상기 회전축(210)의 외주에 각각 상기 회전축(210)에 대한 교차방향의 축(이하, 블레이드 축이라 한다)(221)을 중심으로 회전 가능하도록 장착되어 회전각도에 따라 피치각(pitch angle, PA)이 가변되며 상기 회전축(210)의 외주방향을 따라 간격을 두고 배치된 블레이드(blade, 220)들과; 상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량에 따라 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 상기 블레이드(220)들을 회전시켜 상기 피치각(PA)을 가변시키는 블레이드 제어수단(300)과; 상기 회전축(210)을 중심으로 상기 블레이드(220)들의 주위영역을 따라 간격을 두고 배치된 자석(410)들을 가진 회전자 본체(410, 420) 및 상기 블레이드(220)들의 선단 부분에 상기 블레이드(220)들이 각각 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하도록 상기 회전자 본체(410, 420)를 연결하는 조인트(joint, 430)로 구성된 회전자(400)와; 상기 케이싱(100)에 구비되고 상기 회전자(400)의 주위영역에 배치되며 코일(coil)을 가진 고정자(500)를 포함하는, 소수력 발전장치가 제공될 수 있다.
상기 블레이드 제어수단(300)은, 상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량을 측정하는 유량계(310)와; 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 상기 블레이드(220)들을 동일방향으로 함께 회전시키는 블레이드 구동유닛(320)과; 상기 유량계(310)로부터의 측정값에 따라 상기 블레이드 구동유닛(320)의 작동을 컨트롤하는 제어부(330)를 포함할 수 있다.
상기 블레이드 제어수단(300)에 의하면, 상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량(상기 유량계(310)에 의하여 측정된 값)에 따라 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 상기 블레이드(220)들을 함께 회전시킴으로써, 물이 통과하는 유로(103)의 단면적을 감소시키거나 증대시켜 발전량을 큰 변동 없이 일정한 수준으로 유지할 수 있다. 일례로, 상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량이 감소되면, 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 크게 조절하여 물이 통과할 수 있는 유로(103)의 단면적을 보다 감소시킬 수 있다. 물론, 이 반대의 경우에는 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 작게 조절하여 물이 통과할 수 있는 유로(103)의 단면적을 보다 증대시킬 수 있다.
상기 회전축(210)은 내부가 빈 구조를 가지도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 블레이드 구동유닛(320)은, 상기 회전축(210)의 내부 빈 공간에 배치되며, 구동모터(321) 및 상기 구동모터(321)로부터의 동력을 상기 블레이드(220)들의 상기 블레이드 축(221)에 전달하는 기어식 전동기구(322, 323)를 포함할 수 있다.
상기 회전자 본체(410, 420)는 상기 자석(410)들을 지지하는 고리 형상 구조의 프레임(frame, 420)을 포함할 수 있다.
상기 블레이드(220)들이 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하도록 상기 블레이드(220)들과 상기 회전자 본체(410, 420)를 연결하는 상기 조인트(430)들은 볼 조인트(ball joint)일 수도 있고 유니버설 조인트(universal joint)일 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 피치각(pitch angle, PA)이 가변되는 복수 개의 블레이드(blade, 220)를 포함하고, 블레이드 제어수단(300)을 이용, 유입되는 물의 유량에 따라 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 적절히 가변시키기 때문에, 발전효율(발전량)을 큰 변동 없이 항시 일정한 수준으로 유지할 수 있다.
또한, 자석(410)들을 가진 회전자 본체(410, 420)가 블레이드(220)들의 선단 부분에 블레이드(220)들의 피치각(PA) 가변이 가능하도록 조인트(joint, 430)에 의하여 연결되기 때문에, 피치각 가변형의 블레이드(220)들을 가진 수차(200)의 주변영역에 회전자(400)를 수차(200)와 함께 회전 가능하도록 단순한 구조에 의하여 장착할 수 있고, 이에 따라 전반적으로 경량이면서 콤팩트하게 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치가 도시된 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치가 도시된 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 블레이드 제어수단이 도시된 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 수차(도 1 및 도 2의 도면부호 200 참조)를 포함하는바, 개거나 배관, 하천 등의 수로에 수차가 수로를 따라 흐르는 물의 위치에너지에 의하여 회전운동 가능하게 설치된다. 도 1 내지 도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치가 도시되어 있다.
도 1, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 수로를 따라 흐르는 물이 유입되고 유입된 물이 내부영역을 통과하여 유출되는 케이싱(casing, 100), 케이싱(100)의 내부에서 케이싱(100)을 통과하는 물의 위치에너지에 의하여 회전되며 설정범위 이내에서 피치각(pitch angle, PA)이 가변되는 복수 개의 블레이드(blade, 220)를 가진 수차(200), 케이싱(100)에 유입되는 물의 유량에 따라 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 적절하게 조절하는 블레이드 제어수단(300) 및 수차(200)의 기계에너지를 전기에너지(전력)로 변환하는 발전기(도면부호 400 및 500 참조)를 포함한다.
케이싱(100)은, 길이방향 한쪽의 제1개방단부(도면부호 101 참조), 길이방향 다른 쪽의 제2개방단부(도면부호 102 참조) 및 한쪽의 제1개방단부와 다른 쪽의 제2개방단부를 연결하는 내부공간(도면부호 103 참조)을 가진다. 이러한 케이싱(100)은, 제1개방단부를 물이 유입되는 유입구(101)로 하고, 제2개방단부를 물이 유출되는 유출구(102)로 하며, 내부공간을 물이 흐르는 유로(103)로 한다. 바람직하게는, 케이싱(100)은 일정한 길이를 가진 직선 구조의 원통 형상으로 형성된다.
수차(200)는 유로(103) 상에 물이 유로(103)를 따라 흐르는 유동방향으로 배치된 회전축(210)을 포함한다. 회전축(210)은 회전축(210)의 길이방향 한쪽 단부와 다른 쪽 단부를 각각 회전 가능하도록 지지하기 위한 베어링유닛(bearing unit) 및 베어링유닛을 케이싱(100)에 지지시키는 복수의 마운팅 암(mounting arm)에 의하여 위치가 고정될 수 있다.
수차(200)를 구성하는 블레이드(220)들은 회전축(210)의 외주에 각각 회전축(210)의 길이방향에 대한 교차방향(직교방향을 포함한다)의 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하게 장착된다. 그러므로, 블레이드(220)들은 블레이드 축(221)을 중심으로 한 회전각도에 따라 피치각(pitch angle, PA)이 가변된다. 바람직하게는, 블레이드(220)들은 회전축(210)의 외주방향을 따라 서로 이격되도록 일정한 간격을 두고 배치된다.
블레이드(220)들의 피치각(PA)을 가변시키면, 수차(200)가 물에 의하여 회전되는 속도를 변경시킬 수 있다. 블레이드(220)들의 피치각(PA)에 따라 물이 통과하는 유로(103)의 단면적이 가변(증대되거나 감소)되기 때문이다. 예를 들어, 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 유로(103)의 길이방향(물의 유동방향)을 기준으로 0도에 근접하도록 작게 조절하면, 유로(103)의 단면적은 상대적으로 증대된다. 이와 반대로, 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 유로(103)의 길이방향(물의 유동방향)을 기준으로 45도 내지 90도에 이르도록 크게 조절하면, 유로(103)의 단면적은 상대적으로 감소된다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 블레이드(220)들은 뒤틀린 형태를 가진 타입을 적용하는 것이 바람직하다.
도 2, 도 3 등을 참조하면, 블레이드 제어수단(300)은, 발전기(도면부호 400 및 500 참조)에 의한 발전효율을 일정한 수준으로 유지하기 위하여, 유입구(101)를 통하여 유로(103)로 유입되는 물의 유량에 따라 블레이드 축(221)을 중심으로 블레이드(220)들을 회전시켜 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 가변시킨다. 블레이드 제어수단(300)은 유량계(310), 블레이드 구동유닛(blade driving unit, 320) 및 제어부(330)를 포함한다.
유량계(310)는 유로(103)로 유입되는 물의 유량을 측정한다. 유량계(310)는, 유입구(101)에 배치될 수도 있고, 수로에서 유입구(101)와 인접하도록 배치될 수도 있다.
블레이드 구동유닛(320)은 블레이드(220)들을 동시에 동일방향으로 회전시켜 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 동시에 가변시킨다. 블레이드 구동유닛(320)은 회전축(210)은 내부에 배치된다. 이를 위하여, 회전축(210)은 내부가 빈 구조를 가지도록 구성된다. 블레이드 구동유닛(320)은 구동모터(321) 및 전동기구(322, 323)를 포함한다.
구동모터(321)는, 모터 축을 포함하고, 모터 축이 회전축(210)의 길이방향과 나란하도록 배치된다. 전동기구(322, 323)는, 구동모터(321)의 모터 축에 장착되어 구동모터(321)에 의하여 회전되는 구동베벨기어(driving bevel gear, 322) 및 블레이드(220)들의 블레이드 축(221)에 각각 장착되며 구동베벨기어(322)와 맞물린 종동베벨기어(driven bevel gear, 323)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는 구동모터(321)가 발전기(도면부호 400 및 500 참조)에 의하여 획득된 전력으로 작동하도록 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발전기(도면부호 400 및 500 참조)는 회전자(400) 및 고정자(500)를 포함한다.
회전자(400)는 회전자 본체(410, 420) 및 조인트(joint, 430)들을 포함한다. 회전자 본체(410, 420)는 회전축(210)을 중심으로 수차(200)의 주위영역을 따라 서로 이격되도록 일정한 간격을 두고 배치된 복수 개의 자석(410) 및 서로 이격된 자석(410)들을 지지하는 고리형 구조의 프레임(frame, 420)을 포함한다. 조인트(430)들은 블레이드(220)들의 선단 쪽 부분에 각각 블레이드(220)들이 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하도록 회전자 본체(410, 420)를 연결한다.
자석(410)으로는 영구자석을 적용하는 것이 바람직하다. 조인트(430)로는 볼 조인트(ball joint) 또는 유니버설 조인트(universal joint)를 적용하는 것이 바람직하다.
고정자(500)는 코일(coil)을 가진다. 고정자(500)는 회전자(400)의 주위영역에 배치된다. 고정자(500)는 케이싱(100)의 외주에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 케이싱(100)은 고정자(500)를 구성하는 코어(core)로서의 역할을 하도록 구성되고, 고정자(500)의 코일은 코어의 역할을 하는 케이싱(100)의 외주에 감길 수 있다.
살펴본 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 물이 유입구(101)를 통하여 유로(103)로 유입되면 유입된 물이 유출구(102)를 통하여 유출되는 과정에서 블레이드(220)들에 작용하는 에너지에 의하여 수차(200)가 회전축(210)을 중심으로 회전된다. 그러면, 회전자(400)가 수차(200)와 동일방향 및 동일속도로 회전되고, 자석(410)들을 가진 회전자(400)와 코일을 가진 고정자(500)를 포함하는 발전기에서는 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상에 의하여 전력이 생산된다.
이와 같은 발전과정 중 유로(103)로 유입되는 물의 유량이 변화되면, 제어부(330)는 블레이드 구동유닛(320)을 작동시킨다. 예를 들어, 유량계(310)에 의한 측정값이 감소되면(유량 감소), 블레이드(220)들의 피치각(PA)이 커지는 방향으로 블레이드(220)들을 회전시켜 수차(200)의 회전속도 감소 현상을 방지(수차(200)의 회전속도를 일정한 수준으로 유지)할 수 있다.
구동모터(321)가 작동되면, 구동베벨기어(322)가 회전되고, 아울러 종동베벨기어(323)들이 동시에 회전되어, 블레이드(220)들이 동시에 동일방향으로 회전되면서 블레이드(220)들의 피치각(PA)이 가변된다. 이때, 블레이드(220)들이 회전자 본체(410, 420)에 조인트(볼 조인트 또는 유니버설 조인트, 430)에 의하여 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하도록 연결되기 때문에, 회전자(400)가 수차(200)와 함께 회전되고 있는 상태에서 블레이드(220)들의 피치각(PA)을 가변시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 회전자 본체(410, 420)가 블레이드(220)들의 선단 쪽에 연결되는바, 블레이드(220)들과 회전자 본체(410, 420)의 연결에는, 회전자 본체(410, 420)를 포함하는 회전자(400)가 회전축(210)을 중심으로 블레이드(220)들과 함께 회전될 수 있고, 블레이드(220)들의 피치각(PA) 가변이 가능하게 하기 위하여, 볼 조인트 또는 유니버설 조인트와 같은 조인트(430)가 이용된다.
회전자 본체(410, 420)가, 블레이드(220)들에 연결되는 구조가 아닌, 회전축(210)에 연결되는 구조를 적용하면, 블레이드(220)들의 전방 또는 후방(유출 측 또는 유입 측)에는 회전자 본체(410, 420)를 회전축(210)에 지지시키는 구성이 배치될 수밖에 없는바, 블레이드(220)들의 전방 또는 후방에서 회전자 본체(410, 420)를 회전축(210)에 지지시키는 구성은 유입구(101)로 유입된 후 블레이드(220)들 쪽을 향하는 물의 흐름을 방해하는 요소 또는 블레이드(220)들을 거쳐서 유출구(102) 쪽을 향하는 물의 흐름을 방해하는 요소로 작용하므로(물이 블레이드(200)에 작용하는 힘을 약화시켜, 결과적으로 발전효율을 저하시키는 요소로 작용한다) 바람직하다고 할 수 없다.
또한, 블레이드(220)들의 전방 또는 후방에서 회전자 본체(410, 420)를 회전축(210)에 지지시키는 구성은 회전자 본체(410, 420)가 전방 또는 후방(유출 측 또는 유입 측)으로 이동된 거리만큼 케이싱(100) 등의 길이 증대가 요구되어 구조 단순화 및 콤팩트화 면에서 불리할 수밖에 없으므로 바람직하다고 할 수 없다.
이상에서는 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상은, 각각 독립적으로 실시될 수도 있고, 둘 이상이 서로 조합되어 실시될 수도 있다.

Claims (4)

  1. 유입구(101)와 유출구(102) 및 상기 유입구(101)와 상기 유출구(102)를 연결하는 내부의 유로(103)를 가진 케이싱(casing, 100)과;
    상기 유로(103) 상에 물이 상기 유로(103)를 따라 흐르는 유동방향으로 배치된 회전축(210)과;
    상기 회전축(210)의 외주에 각각 상기 회전축(210)에 대한 교차방향의 축(이하, 블레이드 축이라 한다)(221)을 중심으로 회전 가능하도록 장착되어 회전각도에 따라 피치각(pitch angle, PA)이 가변되며 상기 회전축(210)의 외주방향을 따라 간격을 두고 배치된 블레이드(blade, 220)들과;
    상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량에 따라 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 상기 블레이드(220)들을 회전시켜 상기 피치각(PA)을 가변시키는 블레이드 제어수단(300)과;
    상기 회전축(210)을 중심으로 상기 블레이드(220)들의 주위영역을 따라 간격을 두고 배치된 자석(410)들을 가진 회전자 본체(410, 420) 및 상기 블레이드(220)들의 선단 부분에 상기 블레이드(220)들이 각각 상기 블레이드 축(221)을 중심으로 회전 가능하도록 상기 회전자 본체(410, 420)를 연결하는 조인트(joint, 430)로 구성된 회전자(400)와;
    상기 케이싱(100)에 구비되고 상기 회전자(400)의 주위영역에 배치되며 코일(coil)을 가진 고정자(500)를 포함하는,
    소수력 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드 제어수단(300)은,
    상기 유로(103)로 유입되는 물의 유량을 측정하는 유량계(310)와;
    상기 블레이드 축(221)을 중심으로 상기 블레이드(220)들을 동일방향으로 함께 회전시키는 블레이드 구동유닛(320)과;
    상기 유량계(310)로부터의 측정값에 따라 상기 블레이드 구동유닛(320)의 작동을 컨트롤하는 제어부(330)를 포함하는,
    소수력 발전장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 회전축(210)은 내부가 빈 구조를 가지도록 구성되고,
    상기 블레이드 구동유닛(320)은,
    상기 회전축(210)의 내부 빈 공간에 배치되며,
    구동모터(321) 및 상기 구동모터(321)로부터의 동력을 상기 블레이드(220)들의 상기 블레이드 축(221)에 전달하는 기어식 전동기구(322, 323)를 포함하는,
    소수력 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 본체(410, 420)는 상기 자석(410)들을 지지하는 고리 형상 구조의 프레임(frame, 420)을 포함하고,
    상기 조인트(430)는 볼 조인트(ball joint) 또는 유니버설 조인트(universal joint)인,
    소수력 발전장치.
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