WO2020263046A1 - 무한궤도형 로터를 포함하는 소형 수력 발전 장치 - Google Patents

무한궤도형 로터를 포함하는 소형 수력 발전 장치 Download PDF

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WO2020263046A1
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rotor
shaft
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housing
water
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PCT/KR2020/008423
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진글렌영
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새한테크놀로지 주식회사
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    • F03B7/00—Water wheels
    • F03B7/006—Water wheels of the endless-chain type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03B17/065—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation
    • F03B17/066—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation and a rotor of the endless-chain type
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for hydroelectric power generation, and more particularly, to a caterpillar rotor and a small hydroelectric power generation apparatus including the same.
  • the rotor 100 of the cross-flow aberration or Michel-Banky aberration has a cylindrical shape, is configured to rotate around the rotation shaft 110, and a plurality of blades 120 are spaced apart along the rotation direction of the rotor 100 Installed. More specifically, a plurality of blades 120 having a curved profile extending in the longitudinal direction of the rotor 100 are spaced apart along the rotation direction of the rotor 100 on the end disks 130 positioned at both ends of the rotor 100. It is configured to support the blade 120 by installing a dog and installing a plurality of intermediate disks 140 spaced apart between the end disks 130.
  • the blade 120 of the rotor 100 is in contact with water and the rotor 100 rotates to generate power.
  • the contact angle between the blade 120 of the rotor 100 and water is one of the parameters that greatly affects the power generation efficiency.
  • the contact angle between the blade 120 and water can maintain an optimum angle only at a predetermined point.
  • An object of the present invention is to provide a small hydraulic power generation device capable of improving power generation efficiency by maintaining a contact angle between a blade of a rotor and water at an optimum angle.
  • the caterpillar rotor for hydroelectric power includes a caterpillar part in which a plurality of blades are spaced apart along a moving direction, and a first shaft installed inside the caterpillar part and rotating and supporting the caterpillar part. , It is spaced apart from the first axis and is installed inside the caterpillar part, and includes a second axis for rotatingly supporting the caterpillar part, and the movement of the caterpillar part includes a first rotational movement section supported by the first axis and rotated, and a second It may include a second rotational movement section supported by the shaft and rotated, and a translational movement section that translates between the first axis and the second axis.
  • a small hydroelectric power generation apparatus includes a caterpillar rotor for hydroelectric power generation as described above; A housing having a rotor housed therein and including an inlet portion for guiding water to the rotor and a outlet portion for discharging water through the rotor; And a nozzle installed in the receiving portion of the housing and configured to allow water to flow into the housing from the outside.
  • a straight line connecting the center of the first axis and the second axis of the rotor may be configured to cross a straight line along the moving direction of water passing through the receiving unit to form a predetermined angle.
  • the small hydroelectric power generation device may be configured to contact water passing through the intake part in the translational movement section of the caterpillar part.
  • At least one of the first shaft and the second shaft of the small hydroelectric device according to another embodiment of the present invention may protrude to the outside of the housing to be connected to the generator.
  • the nozzle of the small hydroelectric power generation device is located at the bottom of the housing, the first shaft of the rotor is located above the housing than the nozzle, and the second shaft is located on the inner bottom surface of the housing on the outlet side. It is spaced apart in a downwardly inclined direction so that the second rotational movement section is located adjacent to the formed groove, so that the translational movement section of the rotor in contact with the water flowing through the nozzle can be maximized.
  • the width of the end of the receiving part of the nozzle is the same as the width of the receiving part, and the width of the opposite end of the receiving part may be wider than the width of the end of the receiving part.
  • the small hydroelectric power generation device has the advantage of improving power generation efficiency by optimally maintaining the contact angle of the blade with water, and capable of hydropower generation without changing the structure and shape of small water channels, which are ultra-low free water resources. have.
  • FIG. 1 is a perspective view of a small hydraulic power generation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view cut along the line A-A' shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a top projection view of FIG. 1;
  • FIG. 6 is a perspective view of a conventional small hydroelectric device rotor.
  • small hydroelectric power generation device 10 a tracked rotor
  • the small hydropower generation device 1 is a caterpillar rotor 10, a housing 20, and a nozzle ( 30), and the rotor 10 rotatably accommodated in the housing 20 is rotated in contact with water flowing into the housing 20 through the nozzle 30 to generate electric power.
  • the rotor 10 may be configured in a caterpillar type unlike a conventional cylindrical rotor.
  • the caterpillar rotor 10 may include a caterpillar part 11 in which a plurality of blades 12 are spaced apart along a moving direction.
  • a first shaft 13 is installed on the inner side of the caterpillar part 11 so that the caterpillar part 11 can move so that the caterpillar part 11 can be rotated and supported, and separated from the first shaft 13
  • a second shaft 14 is installed on the other side of the caterpillar part 11 to support rotation of the caterpillar part 11 together with the first shaft 13.
  • the movement of the caterpillar part 11 includes a first rotational movement section RM1 supported by the first shaft 13 and rotating and a second rotational movement section supported by the second axis 14 and rotating. It may include a (RM2) and a translational movement section (TM) for translational movement between the first axis 13 and the second axis 14.
  • the translational movement section TM1 is in contact with water and translates while generating a rotational force in the caterpillar part 11, and the first translation passes through the first rotational movement section RM1 and before passing through the second rotational movement section RM2.
  • the movement section TM1 and the second translation section TM2 before passing through the first rotation section RM1 past the second rotation section RM2 may be classified.
  • the movement of the caterpillar part 11 moves in contact with water while the blade 12 maintains an optimal contact angle constant in the first translational movement section TM1, followed by the second rotational movement section RM2 ), the second translational movement section TM2, and the first rotational movement section RM1 in that order, and a crawler movement including a rotational movement and a translational movement can be performed.
  • the caterpillar part 11 may be supported so as to be rotatable on the first shaft 13 and the second shaft 14, and constitute a caterpillar rotor 10 using a chain and a sprocket, or a timing belt and a pulley. It is possible to configure the tracked rotor 10 by using, of course, not limited thereto.
  • both ends of the blade 12 are fixed to each chain (not shown), and a sprocket meshing with the chain is installed on a rotation shaft (first shaft 13 and second shaft 14) to enable rotation. I can support it.
  • a caterpillar rotor 10 is accommodated in the housing 20, and the housing 20 passes through the inlet 21 and the caterpillar rotor 10 for guiding water to the caterpillar rotor 10. It may include a water outlet 22 from which water is discharged.
  • the housing 20 not only serves to protect the rotor 10 contained therein by isolating it from the external environment, but also receives water at a predetermined flow rate and flow rate through the inlet unit 21 to obtain a caterpillar rotor 10 ) Can also be rotated.
  • the caterpillar rotor 10 is installed between the inlet 21 and the outlet 22 in the housing 20, and the straight line connecting the center of the first axis 13 and the second axis 14 is It may be configured to cross the straight line along the moving direction of the water passing through the receiving portion 21 to form a predetermined angle. By configuring in this way, it is possible to rotate the rotor 10 by maintaining the optimum contact angle with the blade 12 passing through the receiving portion 21.
  • first shaft 13 is located on the intake part 21 side of the housing 20, the second shaft 14 is located on the outlet 22 side, and the first shaft 13 is A straight line passing through the center of the first shaft 13 and the second shaft 14 is a straight line along the moving direction of water passing through the intake part 21 by positioning it above the housing 20 rather than the second shaft 14 It is configured to achieve an acute angle and may be represented by a tracked-type rotor 10 inclined downward.
  • the blade 12 comes into contact with water passing through the intake part 21 in the translational movement section TM of the caterpillar part 11 You can do it. More specifically, the blade 12 and water passing through the first translation section TM1 can move while maintaining the optimum contact angle, so that the conventional cylindrical rotor 100 maintains the optimum contact angle only at one point during rotation. Compared to that, power generation efficiency can be improved as it can receive a greater force due to contact with water.
  • the caterpillar motion of the caterpillar rotor 10 may rotate the rotationally supported first shaft 13 and the second shaft 14. Therefore, in the small hydroelectric power generation device 1 according to the embodiment of the present invention, at least one of the first shaft 13 and the second shaft 14 protrudes to the outside of the housing 2 to generate a generator (not shown) and Connect it so that it can generate power.
  • a nozzle 30 may be installed in the receiving part 21 of the housing 20 to allow water having a predetermined flow rate and a flow rate to flow from the outside of the housing 20 to the inside.
  • the cross-sectional shape and size of the nozzle 30 may be variously set according to design conditions such as power generation capacity and efficiency of the small-sized hydroelectric power generation device 1.
  • the nozzle 30 may be formed integrally with the housing 20 as in the exemplary embodiment of the present invention, or may be used in combination with the housing 20.
  • the width of the end of the receiving portion 21 side of the nozzle 30 is the same as the width of the receiving portion 21, the end of the opposite side to the receiving portion 21 of the nozzle 30 By making the width wider, the flow velocity of water flowing through the nozzle 30 can be increased.
  • the compact hydroelectric power generation device 1 is installed on one side of the caterpillar rotor 10 and flows in from the nozzle 30 to the water flow rate in contact with the blade 12 of the rotor 10. It may further include a guide vane (not shown) to adjust.
  • the flow rate introduced through the nozzle 30 varies depending on external factors such as weather conditions, and the area of the intake unit 21 is increased so that water can be received through the rotor 10 at an optimum flow rate according to the changing flow rate.
  • Guide vanes 40 may be installed to narrow or narrow. That is, when the hydraulic energy applied to the aberration is less than the rated flow rate, the guide vane 40 is used to increase the flow rate even at the same flow rate, thereby enabling more efficient power generation.
  • the nozzle 30 is located under the housing 20, and the first shaft 13 and the second shaft 14 of the caterpillar rotor 10 ) At least one of them is located above the housing 20 than the nozzle 30 so that the water introduced from the nozzle 30 contacts the blade 12 to rotate the rotor 10 and to the water outlet 22 Can be discharged.
  • the first shaft 13 of the rotor 10 is positioned above the housing 20 than the nozzle 30 installed in the receiving part 21, and the The second shaft 14 is inclined downward so that the second rotational movement section RM2 of the rotor 10 is located adjacent to the groove 23 formed in the bottom surface of the housing 20 on the side of the water outlet 22 Can be installed separately. Accordingly, the translational movement section TM1 of the rotor 10 in contact with water flowing through the nozzle 30 may be maximized.
  • the nozzle 30 when installing the small hydroelectric power generator 1 on the bottom surface of the waterway, the nozzle 30 may be installed adjacent to the bottom surface.
  • Small hydroelectric power generation device 1 can be configured by installing a conventional cross-flow aberration power generation device upside down in the direction of gravity, and changing the components accordingly.
  • the water intake is Since the nozzle 30 is positioned as close as possible to the bottom of the canal, it can have the advantage of making the most of the drop.
  • the water head (water depth) that can be secured is about 3m, and due to the characteristics of the hydroelectric power plant that must secure a housing size of at least twice the diameter of the rotor, the conventional hydroelectric power plant using the conventional technology has a drop (head or depth). ) Loss is very large. In the case of a conventional hydroelectric power generation device in a low free fall situation, the position of the nozzle is located at the top of the device and the housing has a height of about twice the diameter of the rotor, so it cannot utilize all of the given free fall, resulting in a huge loss in power generation and efficiency. .
  • the nozzle 30 for water intake is positioned as close as possible to the bottom of the canal, so that all of the given free fall can be utilized, enabling high-efficiency power generation compared to the conventional hydropower generation device Do.
  • the geographical feature advantageous for hydroelectric power generation is a mountainous area rich in water sources.
  • the installation place regardless of the geographical characteristics
  • the accessibility of the previously constructed waterway is much better than that of the conventional installation area, so the access difficulty for maintenance and the access cost are also reduced.
  • the small-sized hydroelectric power generation device according to an embodiment of the present invention can be installed in an area where conventional hydroelectric power generation was not possible due to geographical limitations, and it is possible to solve the power shortage in remote areas where power supply was difficult for other reasons.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수력 발전용 무한 궤도형 로터는, 복수 개의 블레이드가 이동 방향을 따라 이격되어 설치되는 무한궤도부와, 무한궤도부의 내측에 설치되며 무한궤도부를 회전 지지하는 제1 축과, 제1 축과 이격되어 무한궤도부의 내측에 설치되며 무한궤도부를 회전 지지하는 제2 축을 포함하며, 무한궤도부의 이동은, 제1 축에 지지되어 회전 이동하는 제1 회전 이동 구간과, 제2 축에 지지되어 회전 이동하는 제2 회전 이동 구간과, 제1 축 및 제2 축 사이에서 병진 이동하는 병진 이동 구간을 포함할 수 있다.

Description

무한궤도형 로터를 포함하는 소형 수력 발전 장치
본 발명은 수력 발전을 하기 위한 장치로, 보다 구체적으로, 무한궤도형 로터 및 이를 포함하는 소형 수력 발전 장치에 관한 것이다.
도 6은 종래 소형 수력 발전 장치의 로터(100)를 도시하고 있다. 횡류 수차 내지 미셸-뱅키 수차의 로터(100)는 원통형의 형상으로 이루어져 있고, 회전축(110)을 중심으로 회전하도록 구성되며, 복수 개의 블레이드(120)가 로터(100)의 회전 방향을 따라 이격되어 설치되어 있다. 보다 구체적으로, 로터(100)의 양단부에 위치하는 단부 디스크(130)에 로터(100)의 길이 방향으로 연장되는 곡면 프로파일을 가지는 블레이드(120)를 로터(100)의 회전 방향을 따라 이격시켜 복수 개를 설치하고 단부 디스크(130) 사이에 중간 디스크(140)를 복수 개 이격시켜 설치하여 블레이드(120)를 지지하도록 구성된다.
로터(100)의 블레이드(120)와 물이 접촉하여 로터(100)가 회전됨으로써 발전을 하게 되는데, 로터(100)의 블레이드(120)와 물의 접촉각은 발전 효율에 큰 영향을 미치는 파라미터 중 하나이다.
종래의 원통형 로터(100)는 물과 접촉하며 회전을 하므로, 블레이드(120)와 물의 접촉각은 소정 지점에서만 최적의 각도를 유지할 수 있게 된다. 하지만, 이러한 접촉각을 최적의 각도로 지속적으로 유지하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 로터는 없는 실정이다.
또한, 종래 수력 발전 장치는 발전을 위해, 충분한 높이의 낙차를 확보해야만 하며, 이를 만족시키기 위해서는 수원에서 물을 확보하기 위한 둑, 취수구, 파워채널, 취수지, 수압관 등 방대한 규모의 부대 시설을 조성하기 위한 토목 공사가 필요하거나, 적절한 형상의 지형을 탐색하여야 할 필요가 있었다. 나아가, 낙차가 3m 미만이거나 0m이며 유속이 0.5m/s 이상으로 정의되는 초저낙차 수자원인 소규모 하천, 상하수도, 농수로 등의 관개시설, 각종 플랜트나 기타 설비들의 출수구 들은 낙차와 유량이 부족하고 기존 수로들의 구조와 형상을 변경할 수 없어 종래의 수력 발전 장치로는 수력 발전을 할 수 없었다.
본 발명은 로터의 블레이드와 물의 접촉각을 최적의 각도로 유지하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 소형 수력 발전 장치를 제공하고자 한다.
또한, 별도의 광범위한 토목 공사 없이 초저낙차 상황의 수로에 설치 가능한 소형 수력 발전 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수력 발전용 무한 궤도형 로터는 복수 개의 블레이드가 이동 방향을 따라 이격되어 설치되는 무한궤도부와, 무한궤도부의 내측에 설치되며 무한궤도부를 회전 지지하는 제1 축과, 제1 축과 이격되어 무한궤도부의 내측에 설치되며 무한궤도부를 회전 지지하는 제2 축을 포함하며, 무한궤도부의 이동은, 제1 축에 지지되어 회전 이동하는 제1 회전 이동 구간과, 제2 축에 지지되어 회전 이동하는 제2 회전 이동 구간과, 제1 축 및 제2 축 사이에서 병진 이동하는 병진 이동 구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치는 상기한 바와 같은 수력 발전용 무한궤도형 로터; 로터가 내부에 수용되며 로터로 물을 가이드하는 입수부와 로터를 지나 물이 배출되는 출수부를 포함하는 하우징; 및 하우징의 입수부에 설치되며 하우징의 외부로부터 내부로 물이 유입되도록 구성되는 노즐을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치에서 로터의 제1 축 및 제2 축의 중심을 연결하는 직선은 입수부를 통과하는 물의 이동 방향을 따르는 직선과 교차하여 소정의 각을 이루도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치는 무한궤도부의 병진 이동 구간에서 입수부를 통과하는 물과 접촉하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치의 제1 축 및 제2 축 적어도 어느 하나는 상기 하우징의 외부로 돌출되어 발전기와 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치의 노즐은 하우징의 하부에 위치되고, 상기 로터의 제1 축은 노즐보다 하우징의 상부에 위치되며, 상기 제2 축은 출수부 측의 하우징 내부 바닥면에 형성된 홈부 내에 제2 회전 이동 구간이 인접하게 위치하도록 하향 경사지는 방향으로 이격 설치되어, 상기 노즐을 통해 유입되는 물과 접촉되는 상기 로터의 병진 이동 구간을 최대로 늘려줄 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치에서 노즐의 입수부측 단부의 폭은 입수부의 폭과 동일하고, 노즐의 입수부측과 반대측 단부의 폭은 입수부측 단부의 폭보다 넓게 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 소형 수력 발전 장치는 블레이드의 물과의 접촉각을 최적으로 유지함으로써 발전 효율을 개선할 수 있으며, 초저낙차 수자원인 소규모 수로들의 구조와 형상을 변경하지 않고도 수력 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 따라 잘라낸 사시도,
도 3은 도 1의 A-A' 선에 따른 단면도,
도 4는 도 3의 부분 확대도,
도 5는 도 1의 상면 투영도,
도 6은 종래 소형 수력 발전 장치 로터의 사시도이다.
※ 부호의 설명 ※
1 : 소형 수력 발전 장치 10 : 무한궤도형 로터
11 : 무한궤도부 12 : 블레이드
13 : 제1 축 14 : 제2 축
20 : 하우징 21 : 입수부
22 : 출수부 23 : 홈부
30 : 노즐 40 : 가이드 베인
100 : 종래 로터 110 : 회전축
120 : 블레이드 130 : 단부 디스크
140 : 중간 디스크 R1 : 제1 회전 이동 구간
R2 : 제2 회전 이동 구간 TM : 병진 이동 구간
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치(1)를 살펴보면, 소형 수력 발전 장치(1)는 무한궤도형 로터(10), 하우징(20), 및 노즐(30)을 포함하여 구성되며, 하우징(20) 내에 회전 가능하게 수용된 로터(10)가 노즐(30)을 통해 하우징(20) 내로 유입되는 물과 접촉하여 회전함으로써 전력을 생성하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로터(10)는 종래 원통형의 로터와는 달리 무한궤도형으로 구성될 수 있다. 무한궤도형 로터(10)는 복수 개의 블레이드(12)가 이동 방향을 따라 이격되어 설치되는 무한궤도부(11)를 포함할 수 있다. 무한궤도부(11)가 움직일 수 있도록 무한궤도부(11)의 내 일측에는 제1 축(13)이 설치되어 무한궤도부(11)를 회전 지지할 수 있으며, 제1 축(13)과 이격되어 무한궤도부(11) 내 타측에는 제2 축(14)이 설치되어 제1 축(13)과 함께 무한궤도부(11)를 회전 지지할 수 있다.
이러한 무한궤도부(11)의 이동은, 제1 축(13)에 지지되어 회전 이동하는 제1 회전 이동 구간(RM1)과, 제2 축(14)에 지지되어 회전 이동하는 제2 회전 이동 구간(RM2)과, 제1 축(13)과 제2 축(14) 사이에서 병진 이동하는 병진 이동 구간(TM)을 포함할 수 있다. 병진 이동 구간(TM1)은 물과 접촉하여 무한궤도부(11)에 회전력을 발생시키면서 병진 이동하며 제1 회전 이동 구간(RM1)을 지나 제2 회전 이동 구간(RM2)을 통과하기 전인 제1 병진 이동 구간(TM1)과, 제2 회전 이동 구간(RM2)을 지난 제1 회전 이동 구간(RM1)을 통과하기 전인 제2 병진 이동 구간(TM2)으로 구분할 수 있다.
여기에서, 무한궤도부(11)의 이동은 제1 병진 이동 구간(TM1)에서 블레이드(12)가 최적의 접촉각을 일정하게 유지하면서 물과 접촉하여 이동하게 되고, 이어 제2 회전 이동 구간(RM2), 제2 병진 이동 구간(TM2), 제1 회전 이동 구간(RM1) 순으로 이동이 일어나고, 회전 운동 및 병진 운동을 포함하는 무한궤도 운동을 할 수 있게 된다.
무한궤도부(11)는 제1 축(13) 및 제2 축(14)에 회전 가능하도록 지지될 수 있으며, 체인과 스프로켓을 이용하여 무한궤도형 로터(10)를 구성하거나 타이밍 벨트와 풀리를 이용하여 무한궤도형 로터(10)를 구성할 수 있으며, 이에 제한되지 않음은 물론이다.
보다 구체적으로, 블레이드(12)의 양단부를 각각의 체인(미도시)에 고정하고, 체인과 맞물리는 스프로켓을 회전축(제1 축(13) 및 제2 축(14))에 설치하여 회전 가능하게 지지할 수 있다.
하우징(20) 내에는 무한궤도형 로터(10)가 수용되어 있으며, 하우징(20)은 무한궤도형 로터(10)로 물을 가이드하는 입수부(21)와 무한궤도형 로터(10)를 지나 물이 배출되는 출수부(22)를 포함할 수 있다. 하우징(20)은 내부에 수용된 로터(10)를 외부 환경과 격리하여 보호하는 역할을 수행함은 물론이고, 입수부(21)를 통해 물이 소정의 유량과 유속으로 입수하여 무한궤도형 로터(10)를 회전시킬 수 있도록 하는 역할도 수행할 수 있다.
무한궤도형 로터(10)는 하우징(20) 내에서 입수부(21)와 출수부(22) 사이에 설치되며, 제1 축(13) 및 제2 축(14)의 중심을 연결하는 직선은 입수부(21)를 통과하는 물의 이동 방향을 따르는 직선과 교차하여 소정의 각을 이루도록 구성될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써 입수부(21)를 지나 블레이드(12)와 최적의 접촉각을 유지하여 로터(10)를 회전시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 하우징(20)의 입수부(21) 측에 제1 축(13)이 위치되고, 출수부(22) 측에 제2 축(14)이 위치되며, 제1 축(13)이 제2 축(14)보다 하우징(20)의 상부에 위치되게 함으로써 제1 축(13)과 제2 축(14)의 중심을 지나는 직선이 입수부(21)를 통과하는 물의 이동 방향을 따르는 직선과 예각을 이루도록 구성되어 아래로 경사진 무한궤도형 로터(10)로 나타내어질 수 있다.
무한궤도형 로터(10)가 상기한 바와 같이 하우징(20) 내에 설치되면, 무한궤도부(11)의 병진 이동 구간(TM)에서 블레이드(12)가 입수부(21)를 통과하는 물과 접촉할 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 제1 병진 이동 구간(TM1)을 지나는 블레이드(12)와 물은 최적의 접촉각을 유지한 채 이동할 수 있게 되어 종래의 원통형 로터(100)가 회전 중 한 지점에서만 최적의 접촉각을 유지하는 데에 비하여 물과의 접촉으로 인한 보다 큰 힘을 전달받을 수 있어 발전 효율도 개선될 수 있다.
무한궤도형 로터(10)의 무한 궤도 운동은 회전 지지된 제1 축(13) 및 제2 축(14)을 회전시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치(1)에서는 제1 축(13) 및 제2 축(14) 중에서 적어도 어느 하나를 하우징(2)의 외부로 돌출시켜 발전기(미도시)와 연결하여 전력을 생성할 수 있도록 한다.
하우징(20)의 입수부(21)에는 노즐(30)이 설치되어 하우징(20)의 외부로부터 내부로 소정의 유속과 유량을 가지는 물이 유입되도록 구성될 수 있다. 노즐(30)의 단면 형상과 크기는 소형 수력 발전 장치(1)의 발전 용량과 효율 등의 설계 조건에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 노즐(30)의 형상과 구조를 변경하여 하우징(20) 내로 취소되는 물의 유량과 유속을 변경함으로써 설치 환경에 최적화된 소형 수력 발전 장치(1)를 구성할 수 있다.
또한, 노즐(30)은 본 발명의 일 실시예에서와 같이 하우징(20)에 일체로 형성되거나, 하우징(20)에 결합하여 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 노즐(30)의 입수부(21)측 단부의 폭은 입수부(21)의 폭과 동일하게 하고, 노즐(30)의 입수부(21)측과 반대측 단부의 폭은 더 넓게 함으로써 노즐(30)을 통해 유입되는 물의 유속을 더 높게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치(1)는 무한궤도형 로터(10)의 일측에 설치되며 노즐(30)로부터 유입되어 로터(10)의 블레이드(12)와 접촉하는 물의 유속을 조절하는 가이드 베인(미도시)을 더 포함할 수 있다. 노즐(30)을 통해 유입되는 유량은 기상 상황 등 외부 요인에 의해 달라지며, 이렇게 변화하는 유량에 따라 최적의 유속으로 로터(10)로 물이 입수될 수 있도록 입수부(21)의 면적을 넓히거나 좁히기 위해 가이드 베인(40)이 설치될 수 있다. 즉, 수차에 인가되는 수력 에너지가 정격 유량 이하일 때 가이드 베인(40)을 이용하여 같은 유량에서도 유속을 증가시켜 더 효율적인 발전을 할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치(1)에서 노즐(30)은 하우징(20)의 하부에 위치되고, 무한궤도형 로터(10)의 제1 축(13) 및 제2 축(14) 중 적어도 어느 하나가 노즐(30)보다 하우징(20)의 상부에 위치되어 노즐(30)로부터 유입된 물이 블레이드(12)와 접촉하여 로터(10)를 회전시키고 상기 출수부(22)로 배출되게 할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 구체적으로 설명해보면, 상기 로터(10)의 제1 축(13)은 입수부(21)에 설치되는 노즐(30)보다 하우징(20)의 상부에 위치되고, 상기 제2 축(14)은 출수부(22) 측의 하우징(20) 내부 바닥면에 형성된 홈부(23) 내에 로터(10)의 제2 회전 이동 구간(RM2)이 인접하게 위치하도록 하향 경사지는 방향으로 이격 설치될 수 있다. 이에 따라 상기 노즐(30)을 통해 유입되는 물과 접촉되는 로터(10)의 병진 이동 구간(TM1)을 최대로 늘려줄 수 있다.
이 경우, 소형 수력 발전 장치(1)를 수로의 바닥면에 설치할 때, 노즐(30)은 바닥면에 인접하여 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치(1)는 종래의 횡류 수차 발전 장치를 중력방향으로 뒤집어 설치하고, 이에 맞추어 구성 요소들을 변경하여 구성될 수 있는데, 이와 같이 구성하게 되면, 취수를 하는 노즐(30)이 수로 바닥면에 최대한 인접하여 위치됨으로써 낙차를 최대한 활용할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
기존 수로 시설의 특성상 확보 가능한 낙차가 약 3m 내외의 저수두(수심)이고 로터 직경의 2배 이상의 하우징 크기를 확보해야만 하는 수력 발전 장치의 특성상 종래기술을 사용한 전통적인 수력 발전 장치는 낙차(수두 또는 수심)의 손실이 매우 크다. 저낙차 상황에서 종래의 수력 발전 장치의 경우, 노즐의 위치가 장치의 최상단에 위치하고 하우징이 로터 직경의 약 두 배 이상의 높이를 갖는 특성상 주어진 낙차를 모두 활용하지 못하고 발전량과 효율에 막대한 손실이 발생한다.
본 발명의 소형 수력 발전 장치(1)의 경우, 취수를 하는 노즐(30)을 수로 바닥면에 최대한 인접하여 위치시킴으로써 주어진 낙차를 모두 활용할 수 있어 동일 상황에서 종래의 수력 발전 장치 대비 고효율 발전이 가능하다.
종래의 수력 발전 장치의 경우 종래기술에서 상술하였듯 수력 발전에 유리한 지형적 특성이 수원이 풍부한 산간지역이라는 제한이 발생하는데 본 발명의 경우 기설치된 수로 중 물의 유량만 충족하면 지형적 특성에 관계없이 설치 장소의 제약이 없을 뿐 아니라 기건설된 수로의 접근성이 종래 설치지역보다 월등히 좋으므로 유지보수를 위한 접근 난이도 및 접근 비용 또한 감소한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 소형 수력 발전 장치는 지형적 한계로 종래의 수력 발전이 불가능했던 지역에 설치가 가능하고, 기타의 이유로 전력 수급이 어려웠던 격오지의 전력난 해결이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 복수 개의 블레이드가 이동 방향을 따라 이격되어 설치되는 무한궤도부와, 상기 무한궤도부의 내측에 설치되며 상기 무한궤도부를 회전 지지하는 제1 축과, 상기 제1 축과 이격되어 상기 무한궤도부의 내측에 설치되며 상기 무한궤도부를 회전 지지하는 제2 축을 포함하며, 상기 무한궤도부의 이동은, 상기 제1 축에 지지되어 회전 이동하는 제1 회전 이동 구간과, 상기 제2 축에 지지되어 회전 이동하는 제2 회전 이동 구간과, 상기 제1 축 및 제2 축 사이에서 병진 이동하는 병진 이동 구간을 포함하는 수력 발전용 무한궤도형 로터;
    상기 로터가 내부에 수용되며, 상기 로터로 물을 가이드하는 입수부와 상기 로터를 지나 물이 배출되는 출수부를 포함하는 하우징; 및
    상기 하우징의 입수부에 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 내부로 물이 유입되도록 구성되는 노즐;을 포함하여, 상기 노즐로부터 유입되는 물이 상기 블레이드와 접촉하여 상기 로터를 회전시킨 후 상기 출수부로 배출되도록 하되,
    상기 노즐은 상기 하우징의 하부에 위치되고, 상기 로터의 상기 제1 축은 상기 노즐보다 상기 하우징의 상부에 위치되며, 상기 제2 축은 상기 출수부 측의 하우징 내부 바닥면에 형성된 홈부 내에 상기 제2 회전 이동 구간이 인접하게 위치하도록 하향 경사지는 방향으로 이격 설치되어, 상기 노즐을 통해 유입되는 물과 접촉되는 상기 로터의 병진 이동 구간을 최대로 늘려줄 수 있도록 한 것인 소형 수력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터의 제1 축 및 제2 축의 중심을 연결하는 직선은 상기 입수부를 통과하는 물의 이동 방향을 따르는 직선과 교차하여 소정의 각을 이루도록 구성되는, 소형 수력 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무한궤도부의 병진 이동 구간에서 상기 블레이드가 상기 입수부를 통과하는 물과 접촉하게 되는, 소형 수력 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 축 및 제2 축 적어도 어느 하나는 상기 하우징의 외부로 돌출되어 발전기와 연결되는, 소형 수력 발전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소형 수력 발전 장치를 수로의 바닥면에 설치할 때, 상기 노즐은 상기 바닥면에 인접하여 설치되는, 소형 수력 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 입수부측 단부의 폭은 상기 입수부의 폭과 동일하고, 상기 노즐의 입수부측과 반대측 단부의 폭은 상기 입수부측 단부의 폭보다 넓게 구성되는, 소형 수력 발전 장치.
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