WO2018199406A1 - 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치 - Google Patents

고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치 Download PDF

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  • a first power generation facility and a second power generation device connected between the first and second straight pipes, respectively, to introduce water and to generate electric power by operating a generator by turning aberrations using the incoming water;

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Abstract

본 발명은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되어 관로에 흐르는 물의 수력(수압, 유량)을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 통해 전력을 생산하여 공급되게 하는 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치에 관한 것이다. 이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은; 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 소수력발전장치로서, 물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(150)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(150) 사이로 복수의 제1,2직관(120,130)이 연결되어 이루어진 병렬 관로(100)와; 상기 제1,2직관(120,130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되며, 유입되는 물을 이용해 수차(211)를 돌려 발전기(221)를 작동시킴으로 전력을 생산하는 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)와; 상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)에 물이 유입되는 유량 및 배출되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)로 구성된 것을 포함하고, 상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 물 유입 측에 마련된 유량계(410)가 감지하는 값을 기반으로, 상기 제1,2유량조절부(310,320) 중 어느 하나를 개폐하거나 또는, 상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)를 동시에 개폐시키는 방식으로 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 제1,2발전 설비(210,220) 중 어느 하나 또는, 상기 제1발전 설비(210)와 제2발전 설비(220)를 동시에 선택적으로 작동가능하게 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다.

Description

고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치
본 발명은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되어 관로에 흐르는 물의 수력(수압, 유량)을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 통해 전력을 생산하여 공급되게 하는 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치에 관한 것이다
일반적으로, 수력발전은 물이 흐름으로 생성되는 수압, 유량을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 발전을 행하는 것이며, 하천의 물을 막거나 댐을 건설하여 유수를 이용한 낙차 현상으로 발전하는 대용량 수력발전 또는, 소하천과 농수로 및 각종 수처리 시설에 적용되어 설비 용량이 15,000kw 미만의 소수력발전으로 구분되고 있다.
이러한 수력발전 중에서 소수력발전은 대용량 수력발전과 원리 면에서 차이가 없으나, 대용량 수력발전의 부정적 요인(대규모 설비에 의한 환경파괴, 설치 가능 지역의 제한 등등)을 해결할 수 있으며, 소수력발전은 다른 발전설비 대비 친환경적이고, 단위 용량당 에너지 생산량이 많으며, 원자재의 해외 의존도가 없어 광범위하게 사용하고 있다.
기존 소수력발전에서 사용하는 대표적인 수차는 펠톤, 횡류수차, 프란시스, 카프란, 튜블러 등이 제시되어 있다.
예를 들어, 종래 국내등록특허공보 제10-1369522호를 살펴보면, 유체가 통과하는 유로 상에서 설치된 터빈 및 상기 터빈의 회전에 따라 발전하는 발전기를 포함하고, 상기 터빈은 본체, 상기 본체의 외측에 각도조절가능하게 설치된 복수의 날개, 상기 복수의 날개 측에 개별적으로 연결된 복수의 날개 회전축을 구비하며, 각 날개 회전축의 일단에는 각 날개가 결합되고, 상기 액츄에이터에는 제어부가 전기적으로 접속되고, 상기 제어부는 상기 유로를 통과하는 유체의 유량 변동에 대응하여 액츄에이터의 구동을 제어함으로 날개의 각도를 가변하는 구성으로 이루어진다.
그러나 종래에는 개선해야할 기술적 문제점들이 노출되고 있다.
이를 살펴보면, 종래의 경우 소수력발전은 설치되는 장소의 특성상 공급되는 유량의 변동이 편차가 심한 곳이 많으며, 유량 변동의 편차에 따라 발전기가 과부하 되거나, 수차가 파손됨에 따라 발전기와 수차로 이루어진 발전기에 물이 공급되기에 앞서, 유량을 일정하게 조절해야 한다.
이때, 기존에는 유량의 조절을 유량조절밸브를 이용하거나 또는 수차의 가이드베인을 이용하였지만, 유량조절밸브를 이용해 유량을 조절하면 유량조절밸브 자체가 저항역할을 하여 압력의 손실이 급격히 증가함으로 발전효율이 낮으면서 순간적인 압력 변화에 대응하지 못해 발전기의 과부하를 초래하고, 가이드베인을 이용해 유량을 조절하면 가이드베인을 작동하기 위한 유압시설이 필요하고 유압유 누설로 인한 수질오염을 야기하며 가이드베인 역시 저항역할을 하여 발전효율이 좋지 못하고, 유량조절밸브 및 가이드베인의 저항역할에 따라 유입 관로에 고압이 작용하여 관로가 파손되는 등의 문제점들이 있었다.
본 발명은 종래 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공급되는 유량 변동의 편차에 대응할 수 있게 하여 저항을 최소화면서, 유량 변동에 상관없이 발전효율을 항상 일정하게 유지될 수 있게 하며, 발전 설비 및 관로에 갑작스런 과부하나, 저항 압력에 의한 충격이 작용하지 않게 하여 파손을 방지하여 소수력발전장치의 수명을 증가시킬 수 있도록 하는 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;
수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 소수력발전장치로서,
물이 유입되는 유입관 및 유입된 물이 배출되는 출수관을 갖으며, 상기 유입관과 출수관 사이로 복수의 제1,2직관이 연결되어 이루어진 병렬 관로와;
상기 제1,2직관 사이에 각각 연결되어 물이 유입되며, 유입되는 물을 이용해 수차를 돌려 발전기를 작동시킴으로 전력을 생산하는 제1발전 설비 및 제2발전 설비와;
상기 제1발전 설비 및 제2발전 설비에 물이 유입되는 유량 및 배출되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 제1유량조절부 및 제2유량조절부로 구성된 것을 포함하고,
상기 제1발전 설비 및 제2발전 설비의 물 유입 측에 마련된 유량계가 감지하는 값을 기반으로, 상기 제1,2유량조절부 중 어느 하나를 개폐하거나 또는, 상기 제1유량조절부 및 제2유량조절부를 동시에 개폐시키는 방식으로 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 제1,2발전 설비 중 어느 하나 또는, 상기 제1발전 설비와 제2발전 설비를 동시에 선택적으로 작동가능하게 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치를 제공한다.
이러한 본 발명에 따르면, 발전기 및 수차로 이루어진 발전 설비를 복수로 구비하되, 공급되는 유량 또는 발전량을 실시간 감지하면서 도출되는 값을 기반으로, 복수의 발전 설비 중 어느 하나 또는 둘 이상의 동작을 결정하거나 또는 복수의 발전 설비의 출력을 조정함으로 발전기의 회전수가 감속 또는 가속되어 유량 편차에 직접적으로 복수의 발전 설비가 대응가능하게 구조를 개선함에 따라 유량변동에 상관없이 발전효율이 항상 일정하게 유지되고, 발전 설비 및 관로에 갑작스런 과부하나, 저항 압력에 의한 충격이 작용하지 않아 파손이 방지되며, 결론적으로 소수력발전장치의 수명이 증대되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치에 대한 구성도.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치가 적용된 예시도.
본 발명에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치를 첨부된 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
한편, 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하거나 속하지 아니한 기술분야에서 광범위하게 널리 알려져 사용되고 있는 구성요소에 대해서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 이는 불필요한 설명을 생략함과 더불어 이에 따른 본 발명의 요지를 더욱 명확하게 전달하기 위함이다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 각 실시 예에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 소수력발전장치를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
이에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치를 개략적으로 살펴보면, 소수력발전장치(1)는; 병렬 관로(100), 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220), 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320), 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 기본구성으로서, 일 실시 예에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 소수력발전장치에 대한 각부 구성을 도 1 내지 도 2를 참고로 구체적으로 설명한다. 도 1은 소수력발전장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 소수력발전장치의 적용 예시도이다.
먼저, 상기 병렬 관로(100)는;
물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(150)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(150) 사이로 복수의 제1,2직관(120,130)이 연결되어 이루어진 것이다.
상기 병렬 관로(100)는, 물이 유동하는 관이며, 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로 사이에 병렬 관로(100)가 관 이음으로 연결되게 설치됨으로 물이 병렬 관로(100) 내부로 유입 및 배출될 수 있으며, 상기 병렬 관로(100)는 내구성이 우수하면서 물에 의한 부식에 강한 특성을 갖는다.
또한, 상기 병렬 관로(100)는; 물이 유입되는 유입관(110)과, 물이 배출되는 출수관(150)과, 상기 유입관(110) 및 출수관(150) 사이에 각각 연결되어 유입관(110)을 통해 유입된 물이 통과하면서 출수관(150) 측으로 통과한 물이 유입되게 하는 제1직관(120) 및 제2직관(130)을 더 포함한다.
상기 유입관(110), 출수관(150), 제1직관(120) 및 제2직관(130)은, 중공의 관로이며 소수력발전장치(1)가 적용되는 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 대응하여 관 이음 가능하게 제작되고, 물이 유동하는 관로의 기능을 갖는 범위 안에서 다양한 길이, 형태로 제작될 수 있다.
여기서, 상기 유입관(110)은, 유입되는 물의 유량을 실시간으로 감지한 데이터를 제공하는 유량계(410) 및 관로 내부의 압력을 실시간 감지한 데이터를 제공하는 압력계(430)를 더 포함한다.
상기 유량계(410)는 물의 유량을 측정하고, 상기 압력계(430)는 관로 내의 물의 압력을 측정하는데, 그 측정한 데이터는 제어부(400)를 이용해 활용한다.
상기 제1직관(120) 및 제2직관(130)은 중앙에 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)를 관 이음으로 연결시켜 물이 제1직관(120) 및 제2직관(130)을 통과할 수 있도록 하며, 본 발명에서는 설명의 편의에 따라 제1직관(120), 제2직관(130) 및 제1발전 설비(210), 제2발전 설비(220)로 지칭하였지만, 지칭을 위한 숫자는 설치 대수를 한정한 것이 아니며, 필요에 따라 직관 및 발전 설비의 개수를 늘리거나 줄여서 활용가능한 것이다.
여기서, 상기 병렬 관로(100)는, 유입관(110)과 출수관(150) 사이에 제3직관(520)을 통해 연결되되, 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하는 경우 상기 제3직관(520)에 설치된 제3유량조절부(510)의 개방량을 서서히 늘리면서 물이 제3직관(520)으로 유입되게 하면서 제1,2직관(120,130)으로 유입되는 물의 유량을 줄이는 작용을 통해 발전량을 감소시키는 바이패스관로(500)를 더 포함한다.
상기 바이패스관로(500)는, 유입관(110)과 출수관(150) 사이에 제3직관(520)을 통해 연결하면서 그 제3직관(520)에 제3유량조절부(510)를 설치하여 이루어지며, 형태는 상기 제1,2직관(120,130)과 동일하지만, 차이는 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)와 제3유량조절부(510)의 설치 유무에 있음으로 본 발명에서는 설명의 편의에 따라 바이패스관로(500)로 지칭한 것이다.
이때, 상기 제3유량조절부(510)는 평상시 닫힌 상태를 유지하여 제1직관(120) 및 제2직관(130)로 물을 유입시키며, 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 발전 허용용량을 초과하는 경우 제3유량조절부(510)가 임의 개폐된다.
그리고, 상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)는;
상기 제1,2직관(120,130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되며, 유입되는 물을 이용해 수차(211)를 돌려 발전기(221)를 작동시킴으로 전력을 생산하기 위한 것이다.
상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)는, 제1직관(120)에는 제1발전 설비(210)가 관 이음으로 연결되고, 상기 제2직관(130)에는 제2발전 설비(220)가 관 이음으로 각각 연결되어 유입관(110)을 통해 유입된 물이 제1,2직관(120,130)에 의해 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220) 각각에 물을 공급하면, 상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)를 통과한 물이 출수관(150)을 통해 배출하는 흐름을 갖고, 그 유체 흐름에 의한 수압, 즉 운동에너지를 이용해 전기에너지로 전환시켜 발전을 수행하는 것이다.
또한, 상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)는; 수압과 유량을 이용해 회전작동하며 그 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기(221)에 전달시켜 발전이 수행되게 하는 수차(211)와, 상기 수차(211)가 연결되어 회전동력이 전달되며 그 회전동력으로 전력을 생산하면서 생산된 전력을 공급하는 발전기(221)를 더 포함한다.
상기 수차(211)는, 수압이 작용하는 다수의 날개가 발전기(221)에 연결된 축 상에 등간격 배치된 회전체로 제작되며, 본 발명의 소수력발전장치(1)가 적용되는 상황에 따라 다양한 형태의 수차를 적용할 수 있는 것이며, 수차(211)를 통과하는 유량을 가감하는 가이드 베인과 유량조절밸브 역시 선택적으로 적용할 수 있는 것이다.
상기 발전기(221)는, 수차(211)에 축을 이용해 연결되고, 선택에 따라 병렬 관로(100)의 내부 또는 외부에 선택적으로 구비될 수 있고, 수차(211)의 운동에너지를 전달받아 전기에너지로 전환하는 발전구조의 범위 안에서 다양한 형태의 발전기를 적용할 수 있다.
여기서, 상기 수차(211)는, 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하는 경우 수차(211)의 회전에 대한 제동기능을 하여 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하지 않게 하는 제동기(211a)를 더 포함한다.
상기 제동기(211a)는, 축에 기계적 가압에 의한 마찰력으로 회전수를 늘리거나 줄이는 제동기능을 수행하는 브레이크의 일종이며, 발전기(221)와 수차(211)를 연결하는 축에 설치됨으로 제동기능을 수차(211)에 부여하고, 허용 발전량을 초과한 경우 제어부(400)의 관제에 따라 제동기(211a)가 자동 작동하여 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 수차(211) 회전을 제어하여 과부하를 사전 방지하게 한다.
또한, 상기 발전기(221)는, 발전기(221)의 외측에 직접 접촉되는 냉각유로(632)에 냉각수가 지속적으로 공급순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 발전기(221)에서 발생하는 열을 냉각하는 냉각기(600)를 더 포함한다.
여기서, 상기 냉각기(600)는; 발전기(221)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 결합되되, 그 안쪽에 링 형상의 공급홀(643a) 및 다수의 분기홀(634b)이 마련되며, 냉각수를 상기 공급홀(643a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(634b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기플레이트(631)와, 상기 한 쌍의 분기플레이트(631) 사이에서 양단이 상기 분기홀(634b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되, 상기 발전기(221)의 외부 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(632)를 더 포함한다.
상기 분기플레이트(631)는, 발전기(221)의 측방 크기에 대응되는 플레이트로 중앙에 발전기(221)에 설치되도록 관통 구멍을 갖으며, 상기 분기플레이트(631)는 2중으로 접하는 내판(634) 및 외판(633)으로 이루어지며, 상기 내판(634)으로 링 형상의 공급홀(643a)이 마련되고, 상기 공급홀(643a)의 내측에는 냉각유로(632)가 각각 연결되는 분기홀(634b)이 마련된 구조이다. 이때, 상기 외판(633)에는 상기 공급홀(643a)에 연결되어 냉각수를 공급 또는 배출되게 하는 냉각수홀(633a)이 형성되어 있다.
상기 냉각유로(632)는, 중공의 파이프 형태로 상기 한 쌍의 분기플레이트(631) 사이에서 냉각유로(632)의 양단이 분기홀(634b)에 각각 연결설치되어 발전기(221)의 외면에 접촉되고, 상기 한 쌍의 분기플레이트(631)를 통해 공급되는 냉각수는 냉각유로(632)를 거쳐 순환함으로 발전기(221)의 외면에 열교환을 통해 냉각을 수행한다.
또한, 상기 냉각유로(632)는, 냉각수가 공급되는 측은 내경이 크고, 냉각수가 배출되는 측은 냉각수가 공급되는 측에 비례하여 상대적으로 작게 형성되는 것을 더 포함한다.
상기 냉각유로(632)가 냉각수가 최초 공급되는 측은 내경이 크고, 그 뒤쪽으로 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성함으로 유입량 및 배출량에 차이가 생겨서 냉각유로(632) 내부로 공급되는 냉각수가 냉각유로(632) 내부 관로에서 만수를 유지할 수 있게 한다.
한편, 상기 냉각기(600)는 냉각수를 전동 밸브를 이용해 공급할 수 있게 하고, 발전기(221)의 온도를 온도 센서를 이용해 실시간 감지하여 송출되는 신호를 기반으로 전동 밸브의 개폐량을 조절하여 냉각수의 공급량을 조절하고, 냉각수의 공급량에 따라 발전기(221)의 냉각온도를 조절하게 된다.
그리고, 상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)는;
상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)에 물이 유입되는 유량 및 배출되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하기 위한 것이다.
상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)는, 각각 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 물 유입 측과 배출 측에 밸브가 설치되어 이루어지며, 상기 밸브는 전동 밸브, 기계식 밸브 등을 적용할 수 있다. 이때, 상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)는 유입되는 제어부(400)의 관제에 따라 개폐량이 제어된다.
그리고, 상기 제어부(400)는;
상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 물 유입 측에 마련된 유량계(410)가 감지하는 값 및 발전량 값을 기반으로, 상기 제1,2유량조절부(310,320) 중 어느 하나를 개폐하거나 또는, 상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)를 동시에 개폐시키는 방식으로 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 제1,2발전 설비(210,220) 중 어느 하나 또는, 상기 제1발전 설비(210)와 제2발전 설비(220)를 동시에 선택적으로 작동가능하게 제어하기 위한 것이다.
또한, 상기 제어부(400)는; 물 유입 측에 마련되어 유입되는 물의 유량을 측정하는 유량계(410) 및, 물의 압력을 측정하는 압력계(430)를 더 포함한다. 상기 유량계(410) 및 압력계(430)는 물의 유량 및 압력을 측정하는 센서의 일종이며, 실시간으로 측정한 데이터를 제공한다.
또한, 상기 제어부(400)는, 소수력발전장치(1)에서 바람직하게 운용할 수 있는 물의 유량, 물의 압력, 발전용량, 수차 회전속도의 적정 설정값이 미리 설정저장되는 메모리를 갖는 프로세서를 더 포함한다.
상기 프로세서는, 유량계(410), 압력계(430) 들에 의해 측정된 물의 유량 및 압력을 측정한 측정값이 제공되어 메모리에 측정값이 저장되게 하고, 메모리에 저장된 적정 설정값들을 기초해서, 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)의 개폐량, 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 발전용량 등을 포함하는 소수력발전장치(1)의 발전에 관련한 파라미터들을 제공하며, 보다 구체적으로 유입되는 물의 유량 및 압력에 대응하여 최적의 발전용량으로 자동조절이 가능하게 한다.
또한, 상기 제어부(400)는, 제1유량조절부(310), 제2유량조절부(320)를 사용하지 않고 수차(211)로 유입되는 유량의 조정이 필요한 경우,
상기 발전기(221) 인버터(221a)의 출력 값을 증가시켜 수차(211)의 회전수를 감소시키면 유입되는 물의 유량이 감소하고, 또는 상기 인버터(221a)의 출력 값을 감소시켜 수차(211)의 회전수를 증가시키면 유입되는 물의 유량이 증가하며,
상기 인버터(221a)의 출력 값 조정에 따라 수차(211)의 회전수가 임의 조정되고, 수차(211)의 회전수에 따라 유입되는 유량이 임의 조절되는 것을 더 포함한다.
이때, 유입되는 물의 유량이 증가나 수압이 높아져 수차(211)의 회전수가 빨라지면, 인버터(221a)에 의한 발전기(221)의 출력 값이 증가하면서 수차(211)의 회전수가 낮춰지고,
유입되는 물의 유량의 감소나 수압이 낮아져 수차(211)의 회전수가 느려지면, 인버터(221a)에 의한 발전기(221)의 출력 값이 감소하면서 수차(211)의 회전수가 증가된다.
즉, 일 실시 예에 따른 소수력발전장치(1)의 제어부(400)를 이용한 발전 과정을 좀더 상세히 살펴보면, 예를 들어 유입 유량의 용량이 0.5㎥/s로 구성된 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)를 갖는 소수력발전장치(1)에서 유량이 0.8㎥/s로 유입될 때를 살펴보면, 유입되는 유량에 따른 제어부(400)의 관제에 따라 상기 제1발전 설비(210)의 제1유량조절부(310)를 100% 개방하여 수차(211)의 발전효율이 최대에서 유입되는 유량 중 0.5㎥/s 사용하게 하고, 상기 제2발전 설비(220)의 제2유량조절부(320)는 유입되는 유량 중 0.3㎥/s 해당하는 만큼 수차(211)의 회전수를 가감하여 제1유량조절부(310), 제2유량조절부(320)에 의한 저항이 최소화되도록 함으로 발전효율을 최대화하여 제1발전 설비(210)를 100% 효율로 가동시키고, 제2발전 설비(220)는 최대 효율보다 낮지만 최적의 효율로 가동함으로, 유입되는 유량에 대응하여 에너지 효율을 최대화할 수 있게 한다.
또한, 유입 유량의 용량이 0.5㎥/s로 구성된 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비를 갖는 소수력발전장치(1)에서 유량이 0.6㎥/s로 유입될 때를 살펴보면, 유입되는 유량에 따른 제어부(400)의 관제에 따라 제1발전 설비(210) 또는 제2발전 설비(220) 중 어느 하나는 닫아서 발전을 중지하고, 나머지 닫지 않은 제1발전 설비(210) 또는 제2발전 설비(220) 중 어느 하나는 수차의 회전수를 가감하여 유량이 0.6㎥/s로 유입되어, 제1유량조절부(310), 제2유량조절부(320)에 의한 저항이 최소화되도록 하면서 발전효율을 최대로 가동함으로, 에너지 손실을 최소화하면서 발전 효율은 최대한 한다.
전술한 발전과정은 기본적으로, 원수가 유입되면 유량계(410)가 이를 감지하여 최초 제1발전 설비(210)를 개방하고, 상기 제1발전 설비(210)의 유량이나 발전용량이 허용치를 초과할 경우 제2발전 설비(220)를 개방하며, 상기 제2발전 설비(220)의 유량이나 발전량을 초과할 경우 바이패스관로(500)를 개방하여 과부하를 방지한다.
한편, 인버터(221a)를 이용해 회전수의 조절을 살펴보면, 수차(211)와 발전기(221)는 직렬로 연결되고, 수차(211)의 회전수는 발전기(221)의 출력을 조절해서 수차(211)의 회전수를 조절가능하다.
이때, 수차(211)의 회전수에 맞추어 발전기(221)의 출력을 설정하고, 출력 즉, 전력은 전압 X 전류이므로 발전기(221)에 마련된 인버터(221a)를 이용하여 전류를 조정하는데, 유량의 증가나 압력이 높아져 수차(211)의 회전수가 상승하는 경우 발전기(221)의 전류를 증가시켜 수차(211)가 설정회전수로 회전하게 하고, 유량의 감소나 압력이 낮아져 수차(211)의 회전수가 감소하면 발전기(221)의 전류를 감소시켜 수차(211)의 회전수를 증가시킨다. 즉 전류량은 회전수를 조정하는 저항 역할을 수행하므로 인버터(221a)를 이용해 발전기(221)의 전류량을 증가시키면 수차(211)의 회전수가 늦어지고, 발전기(221)의 전류량을 감소시키면 수차(211)의 회전수는 빨라져 유입되는 유량에 대응할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명은 발전기(221) 및 수차(211)로 이루어진 제1발전 설비(210), 제2발전 설비(220)를 복수로 구비하되, 공급되는 유량 또는 발전량을 실시간 감지하면서 도출되는 값을 기반으로, 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 동작을 결정하거나 또는 제1발전 설비(210)의 출력을 조정함으로 유량 편차에 직접적으로 대응가능함에 따라 유량변동에 상관없이 발전효율이 항상 일정하게 유지되고, 발전 설비 및 관로에 갑작스런 과부하나, 저항 압력에 의한 충격이 작용하지 않아 파손이 방지되며, 결론적으로 소수력발전장치(1)의 수명이 증대되게 된다.
한편, 도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치가 적용된 예시도이다.
예를 들면, 전술한 구조로 이루어진 소수력발전장치(1)는, 단단펌프 소수력발전설비, 축류펌프 소수력발전설비, 인라인펌프 소수력발전설비, 라인스크류 소수력발전설비, 외장형 라인스크류 소수력발전설비, 양흡입펌프 소수력발전설비, 다단펌프 소수력발전설비 중 어느 하나에 적용되는 것을 더 포함한다.
도 2는 단단펌프 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 3은 축류펌프 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 4는 인라인펌프 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 5는 라인스크류 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 6은 외장형 라인스크류 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 7은 양흡입펌프 소수력발전설비를 적용한 실시 예이고, 도 8은 다단 펌프소수력발전설비를 적용한 실시 예이다.
한편, 본 발명에서는 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)가 각각 적용된 것을 기본으로 도시하였으며, 설명의 편의를 위해 동일 구성의 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)를 구분하여 지칭하였으나, 필요에 따라서 제1발전 설비(210) 하나만 사용하거나, 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)에서 추가로 동일한 구성의 발전 설비를 더 부가하여 선택사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이. 본 발명은 특정의 바람직한 실시 예를 예시한 설명과 도면으로 표현하였으나, 여기서 사용하는 용어들은 본 발명을 용이하게 설명하기 위함이며, 이 용어들에 대한 의미 한정이나, 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위함이 아니며,
본 발명은 상기한 실시 예에 따른 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경 및 개조, 수정 등이 가능할 수 있음을 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 소수력발전장치로서,
    물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(150)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(150) 사이로 복수의 제1,2직관(120,130)이 연결되어 이루어진 병렬 관로(100)와;
    상기 제1,2직관(120,130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되며, 유입되는 물을 이용해 수차(211)를 돌려 발전기(221)를 작동시킴으로 전력을 생산하는 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)와;
    상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)에 물이 유입되는 유량 및 배출되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)로 구성된 것을 포함하고,
    상기 제1발전 설비(210) 및 제2발전 설비(220)의 물 유입 측에 마련된 유량계(410)가 감지하는 값 및 발전량 값을 기반으로, 상기 제1,2유량조절부(310,320) 중 어느 하나를 개폐하거나 또는, 상기 제1유량조절부(310) 및 제2유량조절부(320)를 동시에 개폐시키는 방식으로 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 제1,2발전 설비(210,220) 중 어느 하나 또는, 상기 제1발전 설비(210)와 제2발전 설비(220)를 동시에 선택적으로 작동가능하게 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성되고,
    상기 발전기(221)의 외측에 직접 접촉되는 냉각유로(632)에 냉각수가 지속적으로 공급순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 발전기(221)에서 발생하는 열을 냉각하는 냉각기(600)를 더 포함하며,
    상기 냉각기(600)는, 발전기(221)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 결합되되 상기 냉각기(600)의 안쪽에 링 형상의 공급홀(643a) 및 다수의 분기홀(634b)이 마련되며 냉각수를 상기 공급홀(643a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(634b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기플레이트(631)와; 상기 한 쌍의 분기플레이트(631) 사이에서 양단이 상기 분기홀(634b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되 상기 발전기(221)의 외부 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(632);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(400)는, 제1유량조절부(310), 제2유량조절부(320)를 사용하지 않고 수차(211)로 유입되는 유량의 조정이 필요한 경우,
    상기 발전기(221) 인버터(221a)의 출력 값을 증가시켜 수차(211)의 회전수를 감소시키면 유입되는 물의 유량이 감소하고, 또는 상기 인버터(221a)의 출력 값을 감소시켜 수차(211)의 회전수를 증가시키면 유입되는 물의 유량이 증가하며,
    상기 인버터(221a)의 출력 값 조정에 따라 수차(211)의 회전수가 임의 조정되고, 수차(211)의 회전수에 따라 유입되는 유량이 임의 조절되는 것을 더 포함한 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수차(211)는, 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하는 경우 수차(211)의 회전에 대한 제동기능을 하여 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하지 않게 하는 제동기(211a)를 더 포함한 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 병렬 관로(100)는, 유입관(110)과 출수관(150) 사이에 제3직관(520)을 통해 연결되되, 제1,2발전 설비(210,220)의 허용 발전량을 초과하는 경우 상기 제3직관(520)에 설치된 제3유량조절부(510)의 개방량을 서서히 늘리면서 물이 제3직관(520)으로 유입되게 하면서 제1,2직관(120,130)으로 유입되는 물의 유량을 줄이는 작용을 통해 발전량을 감소시키는 바이패스관로(500)를 더 포함한 고정식 유로를 갖는 단계적 가동방식의 병렬식 소수력발전장치.
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