KR101256823B1

KR101256823B1 - 소수력 발전장치

Info

Publication number: KR101256823B1
Application number: KR1020120136716A
Authority: KR
Inventors: 김형식; 김용식
Original assignee: 해전산업 주식회사
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-04-23
Anticipated expiration: 2032-11-29

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 유체의 흐름을 원활하게 제1 프로펠러에 유도하도록 제1 하우징 내부에 설치되는 제1 가이드베인; 상기 제1 가이드베인을 따라 유입되는 유체에 의해 회전하도록 설치되며, 상기 제1 하우징과는 별도로 설치되는 제1 프로펠러; 및 상기 제1 프로펠러에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하도록 하는 발전기;를 포함하되, 상기 제1 프로펠러의 각 날개를 연결하는 외주면에 상기 발전기의 축과 직접적으로 연결되는 연결부가 형성되는 소수력 발전장치가 제공된다.

Description

소수력 발전장치{Small hydro-power device}

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다단 프로펠러수차를 포함하는 소수력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 소수력발전은 산간벽지의 작은 하천이나 폭포수의 낙차를 이용하여 전기를 일으키는 발전시설로 그 시설용량이 10,000kw 이하의 수력발전을 의미한다.

소수력발전은 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장 및 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있다는 점을 감안할 때 국내의 개발 잠재량은 풍부하며, 또한 청정자원으로서 개발할 가치가 매우 크다 할 수 있다.

소수력발전은 설비용량, 낙차, 발전방식에 따라 분류되며, 발전방식에 따라 수로식, 댐식, 터널식으로 분류된다. 수로식은 하천의 급경사와 굴곡 등을 이용하여 수로에 의한 낙차를 얻는 방식으로 하천 경사가 급한 상류나 중류에 적합한 방식이다.

댐식은 하천의 본류에 댐을 설치하여 댐의 상하류 사이에 발생되는 수위차를 이용하는 방식으로 중상류의 유량이 풍부한 지점에 설치하는 것이 유리하다. 즉, 댐식은 하천의 구배가 완만하나 유량이 풍부한 곳, 또는 낙차는 크고 하천의 수위변동이 심하지 않은 지역에 설치되는 것이 유리하다. 터널식은 댐식과 수로식이 혼합된 방식으로 지형상 지하터널로 수로를 만들어 큰 낙차를 얻을 수 있는 곳에 설치하는 것이 바람직하며, 수로식의 변형이라 할 수 있다.

소수력 발전은 발전 방법에 따라 충동수차와 반동수차로 분류할 수 있으며, 충동수차의 종류로는 펠톤(pelton)수차, 튜고(turgo)수차 및 오스버그(ossberger)수차 등이 있으며, 반동수차의 종류로는 프란시스(francis) 수차와 프로펠러 수차로 나눌 수 있다. 한편, 본 발명은 프로펠러 수차에 관한 기술에 대한 발명이라는 점에서, 하기에서는 프로펠러 수차를 중심으로 설명하도록 한다.

소수력 발전에 사용되는 기존의 프로펠러 형태의 수차는 유동장 내에 발전기를 두는 구조를 가지고 있거나, 또는 유동장 내부의 동력원을 외부로 기어나 벨트로 연결하는 구조를 가지도록 형성되어 있다. 따라서, 기존의 프로펠러 형태의 수차는 그 내부의 유체의 유동을 방해하는 장치가 유동장 내에 형성되어 있기 때문에, 상술한 바와 같은 장치로 인하여 유동에너지의 상당한 부분이 소실된다는 문제가 있다.

또한, 상술한 바와 같이 유동장 내에 발전기 등을 설치하는 구조는 수밀문제가 발생하며, 일체형 모델을 사용하게 되는 경우, 복잡한 구조와 더불어 제품의 단가가 상당히 오른다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 출원인은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 보다 단순하게 구성되며 효율성을 높인 소수력 발전장치를 발명하게 되었다.

한국공개특허 제2012-0038816호 한국공개특허 제2007-0109577호

본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 문제를 해소하기 위해, 보다 효율성을 높인 다단 프로펠러 수차를 포함하는 소수력 발전장치를 제공하도록 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 유체의 흐름을 원활하게 제1 프로펠러에 유도하도록 제1 하우징 내부에 설치되는 제1 가이드베인; 상기 제1 가이드베인을 따라 유입되는 유체에 의해 회전하도록 설치되며, 상기 제1 하우징과는 별도로 설치되는 제1 프로펠러; 및 상기 제1 프로펠러에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하도록 하는 발전기;를 포함하되, 상기 제1 프로펠러의 각 날개를 연결하는 외주면에 상기 발전기의 축과 직접적으로 연결되는 연결부가 형성되는 소수력 발전장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 프로펠러의 각 날개를 연결하는 외주면에 형성되는 연결부는 상기 발전기의 축과 벨트를 통해 연결할 수 있는 벨트가이드부이고, 상기 발전기의 축의 단부에는 상기 벨트와 연결되는 벨트연결부가 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 프로펠러의 각 날개를 연결하는 외주면에 형성되는 연결부는 상기 발전기의 축의 단부에 설치되는 제1 기어와 연결되는 기어부인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 프로펠러를 통해 흘러나온 유체의 흐름을 원활히 배출하도록, 상기 제1 프로펠러 후면에 제2 가이드베인이 추가로 설치될 수 있으며, 상기 제2 가이드베인은 상기 제1 프로펠러와는 다른 제2 하우징 내부에 설치되는 것이 가능하다.

또한, 상기 제2 가이드베인을 따라 유입되는 유체에 의해 회전하도록 설치되며, 제1 프로펠러와 연결축에 의해 서로 연결되어 있는 제2 프로펠러와, 상기 제2 프로펠러를 통해 흘러나온 유체의 흐름을 원활히 배출하도록, 상기 제2 프로펠러 후면에 제3 가이드베인이 추가로 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 소수력 발전장치는 발전을 위해 필요한 설비를 수차 외부에 설치하도록 하는 것에 의해, 유동장 내의 유동에너지 손실을 최소화할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 소수력 발전장치는 복수의 프로펠러와 복수의 가이드 베인을 사용하여 설치하는 것에 의해, 낙차가 작은 경우에도 원활한 발전을 수행할 수 있도록 한 기술적 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 소수력 발전장치의 외주면 가이드부는 플라이 휠 역할을 하며, 유동장내에 발생되는 수격현상이나 불안정한 유동이 발생되는 경우 안정된 회전운동을 할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 소수력 발전장치의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 소수력 발전장치의 내부 구성부를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치의 사시도를 도시한다.
도 5는 도 4에 따른 소수력 발전장치의 내부 구성부를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 소수력 발전장치의 내부 유체 흐름을 도시한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치를 설명한다.

프로펠러를 사용하는 소수력 발전장치는 상술한 바와 같이, 종래 유체가 흐로도록 형성되는 유동장 내에 발전기 또는 발전기와 연결되는 구성부가 설치되고 있다. 그러나, 이와 같은 종래 소수력 발전장치의 구성은 유동장 내의 유동에너지 손실이 상당히 크게 되는 원인이 된다는 문제가 있다. 또한, 종래의 프로펠러를 이용한 소수력 발전장치는 저낙차가 발생하는 경우에는 불안정한 유동으로 인하여 효율이 상당히 떨어진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 출원인은 하기 도면에 도시되어 있는 바와 같은 소수력 발전장치를 제안하도록 하고 있는 바, 보다 상세하게는 본 발명에 따른 소수력 발전장치는 발전기를 수차의 외부에 설치하는 것과 동시에, 프로펠러와 상기 발전기를 연결하는 연결구성을 유체의 흐름에 전혀 영향을 주지 않도록 형성하도록 하는 것에 의해 유동에너지 손실을 최소화할 수 있도록 한다. 또한, 복수의 프로펠러와 복수의 가이드베인을 중첩되게 설치하도록 하는 것에 의해 유동장 내에서의 유체의 흐름을 보다 원활하게 함으로써, 저낙차가 발생하는 경우에 있어서도 효율적인 발전이 이루어질 수 있도록 한 기술을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치(100)가 도시되어 있는 바, 상기 도면을 참고하여 본원발명을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

상기 도면을 참고하여 설명하면, 본원발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치는 하우징(110) 내에 유체의 유입방향으로부터 제1 프로펠러(130)와 제2 프로펠러(140)로 구성되는 2 개의 프로펠러와, 제1 가이드베인(150), 제2 가이드베인(160) 및 제3 가이드베인(170)으로 구성되는 3 개의 가이드베인이 서로 중첩되도록 설계하도록 한다. 또한, 상기 하우징(110) 외부에 발전기(120)를 설치하도록 하고, 상기 발전기(120)와 상기 프로펠러(130, 140) 중 어느 한 프로펠러의 외주면에 형성되는 연결부를 서로 연결하여 프로펠러(130, 140)의 운동에너지를 전기에너지로 발전을 행하도록 하는 것에 의해, 상기 하우징(110) 내부의 유체의 흐름에 전혀 영향을 주지 않도록 구성하는 것을 그 특징으로 하고 있는 바, 이하에서는 보다 상세하게 본원발명에 따른 소수력 발전장치의 구성을 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도면에 도시되어 있는 바와 같이, 유체가 유입되는 제1 하우징(111) 내부에 제1 가이드베인(150)이 설치되는 바, 상기 제1 가이드베인(150)은 제1 하우징(111) 내부로 유입되는 유체를 제1 프로펠러(130)에 원활하게 유입될 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 한편, 상기 제1 가이드베인(150)의 후면에는 제1 프로펠러(130)가 설치되는 바, 상기 제1 프로펠러(130)는 상기 제1 가이드베인(150)을 통해 유입되는 유체에 의해 생성되는 회전운동을 통해 운동에너지를 발생하도록 하는 구성부이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치(100)는 상기 제1 프로펠러(130)의 후면에 추가로 제2 가이드베인(160) 및 제2 프로펠러(140)를 설치하도록 하고 있다. 즉, 상기 제1 프로펠러(130)를 통해 흘러나가는 유체는 다시 제2 가이드베인(160)을 통해 유체의 흐름이 와류가 발생하는 것 없이 제2 프로펠러(140)로 유입될 수 있도록 한다. 이를 통해, 상기 제2 프로펠러(140) 역시, 회전운동을 통해 전기에너지를 생성할 수 있도록 한다.

한편, 상기 제1 프로펠러(130)와 제2 프로펠러(140)는 연결축(180)에 의해 서로 연결되어 있어서, 상기 제1 프로펠러(130) 또는 제2 프로펠러(140)의 회전운동의 합산에 의해 전기에너지를 발생시킬 수 있다는 점에서, 보다 효율적으로 전기에너지를 발생시키는 것이 가능하다. 또한, 상기 제2 프로펠러(140)의 후면에는 제3 가이드베인(170)을 추가로 설치하도록 하는 것에 의해, 상기 제2 프로펠러(140)를 통해 흘러나온 유체가 와류 등을 생성하지 않고 외부로 배출되도록 하는 것에 의해, 보다 효율적인 발전이 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 상기 제2 가이드베인(160), 제2 프로펠러(140) 및 제3 가이드베인(170)은 제2 하우징(112) 내부에 설치되어 있다. 즉, 제1 프로펠러(130)는 상기 제1 하우징(111)과 제2 하우징(112) 사이에 별도로 형성되어 있다. 이는, 상기 제1 프로펠러(130)의 날개의 단부를 서로 연결하도록 하여 회전면을 형성하고, 상기 회전면의 외주면에 연결부에 해당하는 벨트가이드부(131)를 형성하도록 하고, 상기 발전기(120)의 축(121)과 상기 벨트가이드부(131)를 연결부재인 벨트로 연결하도록 하는 것에 의해, 상기 제1 프로펠러(130)와 제2 프로펠러(140)의 회전운동에 의해 발생하는 운동에너지를 상기 제1 프로펠러(130)의 회전면의 외주면에 형성되어 있는 벨트가이드부(131)와 벨트(123)를 사용하여 발전기(120)에 전달하도록 하는 것에 의해, 전기에너지를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 축(121)의 단부에는 상기 벨트(123)를 연결하는 벨트연결부(122)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 발전기(120)는 발전기받침부(124) 등을 사용하여, 하우징(110) 외부에 설치되는 것이 가능하다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치(100)는 2 개의 프로펠러(130, 140)와 3 개의 가이드베인(150, 160, 170)을 사용하여, 하우징(110) 내부에서의 유체의 흐름을 원활하게 형성하도록 하는 것에 의해, 저낙차에 있어서도 효율적인 발전을 행할 수 있도록 한 기술을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치(100)는 상술한 바와 같이, 하우징(110) 외부에 발전기(120)를 설치하도록 하고, 상기 발전기(120)와 프로펠러(130)를 연결하는 연결부에 해당하는 구성을 상기 제1 프로펠러(130)의 외주면에 벨트가이드부(131)를 형성하도록 하는 것에 의해, 상기 하우징(110) 내부에 형성되는 유체의 흐름에 어떠한 방해를 행하는 구성을 설치하지 않도록 하는 것에 의해, 유동에너지 손실을 최소화할 수 있도록 한다는 점에, 그 기술적 특징이 있다고 할 것이다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 벨트가이드부(131)를 제1 프로펠러(130)의 외주면에 형성하도록 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 프로펠러(140)의 외주면에 또는 2 개의 프로펠러(130, 140) 모두에 설치하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명에 개시되어 있는 바와 같이, 프로펠러(130, 140)의 외주면에 형성되는 가이드부(131)는 플라이 휠 역할을 수행할 수 있어, 유동장 내에 수격현상이 발생하거나 또는 불안정한 유동이 발생하는 경우, 상기 프로펠러(130, 140)의 안정된 회전운동을 할 수 있도록 하는 기능도 갖는다.

도 4 및 도 5에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는 바, 도면을 참고하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하도록 한다. 한편, 상기 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 실시예와 동일한 구성부는 동일한 기능을 수행한다는 점에서, 그에 대한 설명은 생략하기로 하고, 차이가 있는 구성부분을 중심으로 설명하도록 한다.

도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치(200)는 2 개의 프로펠러(230, 240)와 3 개의 가이드베인(250, 260, 270)을 갖도록 구성되는 점은 위에서 이미 설명한 실시예와 동일하다는 점에서, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치(200)는 상기 제1 프로펠러(230)와 발전기(220)를 연결하는 연결부에 해당하는 구성을 기어로 행하도록 구성한 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 소수력 발전장치(200)의 제1 프로펠러(230)의 외주면은 기어부(231)로 구성하도록 하고, 상기 발전기(220)의 축(221)의 단부는 연결부재인 제1 기어(222)를 형성하여 서로 연결되도록 설계하는 것이 가능하다.

따라서, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 소수력 발전장치(200)는 하우징(210) 내부의 유체의 흐름에 전혀 영향을 주는 구성부가 존재하지 않음으로써, 보다 효율적인 발전을 행하는 것이 가능하며, 저낙차의 경우에 있어서도 효율적인 발전을 행할 수 있다는 기술적 장점이 있다. 또한, 상기 발전기(220)와 상기 제1 프로펠러(230)와 발전기(220)를 연결하는 연결구성이 상기 하우징(210) 외부에 설치된다는 점에서, 기존의 소수력 발전장치에서 문제가 되었던 수밀문제를 해결할 수 있도록 하였다. 한편, 본 발명의 상기 실시예에서는 단지 제1 프로펠러(230)의 외주면에 형성되는 기어부(231)와 발전기(220)의 축(221)의 단부에 형성되는 제1 기어(222) 만을 개시하고 있으나, 본 발명의 기술적 특징이 이에 한정되는 것은 아니고, 보다 다수의 기어 등이 추가로 구성되는 것도 가능하다.

한편, 도 6에는 본 발명의 실시예들에 따른 소수력 발전장치(100, 200)의 내부의 유체의 흐름을 도시하고 있는 바, 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 소수력 발전장치(100, 200)는 2 개의 프로펠러(130, 140, 230, 240) 및 3 개의 가이드베인(150, 160, 170, 250, 260, 270)을 서로 중첩되게 형성하도록 하는 것에 의해, 유체의 흐름을 원활하게 하도록 함으로써, 보다 효율적인 발전을 행하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 경우 프로펠러(130, 140, 230, 240)의 외주면에 형성되는 가이드부(131, 231)는 플라이 휠 역할을 수행할 수 있어, 유동장 내에 수격현상이 발생하거나 또는 불안정한 유동이 발생하는 경우, 상기 프로펠러(130, 140, 230, 240)의 안정된 회전운동을 할 수 있도록 하는 기능도 갖는다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100, 200 : 소수력 발전장치 110, 210 : 하우징
120, 220 : 발전기 130, 230 : 제1 프로펠러
140, 240 : 제2 프로펠러 150, 250 : 제1 가이드베인
160, 260 : 제2 가이드베인 170, 270 : 제3 가이드베인

Claims

유체의 흐름을 원활하게 제1 프로펠러(130, 230)에 유도하도록 제1 하우징(111, 211) 내부에 설치되는 제1 가이드베인(150, 250);
상기 제1 가이드베인(150, 250)을 따라 유입되는 유체에 의해 회전하도록 설치되며, 상기 제1 하우징(111, 211)과는 별도로 설치되는 제1 프로펠러(130, 230); 및
상기 제1 프로펠러(130, 230)에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하도록 하며, 상기 제1 하우징(111, 211)의 외부에 배치되는 발전기(120, 220);를 포함하되,
상기 제1 프로펠러(130, 230)의 각 날개의 단부를 서로 연결하여 회전면을 형성하고, 상기 회전면의 외주면에 상기 발전기(120, 220)의 축(121, 221)과 연결부재에 의해 직접적으로 연결하도록 하는 연결부가 형성되는 소수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 프로펠러(130)의 각 날개를 연결하는 외주면에 형성되는 연결부는 상기 발전기(120)의 축(121)과 벨트(123)를 통해 연결할 수 있는 벨트가이드부(131)인 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 2에 있어서,
상기 발전기(120)의 축(121)의 단부에는 상기 벨트(123)와 연결되는 벨트연결부(122)가 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 프로펠러(230)의 각 날개를 연결하는 외주면에 형성되는 연결부는 상기 발전기(220)의 축(221)의 단부에 설치되는 제1 기어(222)와 연결되는 기어부(231)인 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 프로펠러(130, 230)를 통해 흘러나온 유체의 흐름을 원활히 배출하도록, 상기 제1 프로펠러(130, 230) 후면에 제2 가이드베인(160, 260)이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 가이드베인(160, 260)은 상기 제1 프로펠러(130, 230)와는 다른 제2 하우징(112, 212) 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 가이드베인(160, 260)을 따라 유입되는 유체에 의해 회전하도록 설치되며, 제1 프로펠러(130, 230)와 연결축(180, 280)에 의해 서로 연결되어 있는 제2 프로펠러(140, 240)가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제2 프로펠러(140, 240)를 통해 흘러나온 유체의 흐름을 원활히 배출하도록, 상기 제2 프로펠러(240, 240) 후면에 제3 가이드베인(170, 270)이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.