KR200480800Y1

KR200480800Y1 - 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치

Info

Publication number: KR200480800Y1
Application number: KR2020140004016U
Authority: KR
Inventors: 이창성
Original assignee: 이창성
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: KR20150004347U

Abstract

본 고안은 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치에 관한 것으로서, 육상 양식장의 방출수를 배출하는 통로 역할을 하며, 육상 양식장과 연결되는 상부수로(110), 상기 상부수로(110)보다 낮은 곳에 위치하며 공유수면으로 연결되는 하부수로(120), 하향 경사를 이루면서 상기 상부수로(110)와 상기 하부수로(120)를 연결하는 경사수로(130)로 이루어진 방출수 수로(100); 상기 방출수 수로(100)에 수직으로 설치된 2개의 수차축(210) 각각에 결합되어 상기 방출수 수로(100)를 따라 배출되는 방출수에 의하여 상기 수차축(210)과 함께 회전하는 수차날개(220)로 구성되는 수차날개부(200); 상기 수차날개부(200)의 수차축(210)에 연동하여 회전하면서 전력을 생산하는 발전기(300); 및, 상기 수차날개부(200)의 입구측에는 상기 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측 각각에 돌출되도록 설치되어 상기 방출수 수로(100)의 단면적을 점진적으로 줄이면서 방출수를 상기 방출수 수로(100)의 중앙으로 유도하고 상기 수차날개부(200)로 유입되는 방출수의 유속을 증가시키는 방출수 집수기(400);를 포함하여 구성되고, 방출수의 유속이 가장 빠른 영역을 최대한 활용하여 발전량을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

Description

육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치{Water Channel Type Small Hydro Power Generator using Land Fish Farm Effluent Water}

본 고안은 중력의 영향을 받아 높은 곳에서 낮은 곳을 향해서 흐르는 물의 흐름을 이용하여 수차를 회전시켜 전기에너지를 발생시키는 소수력발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 육상 양식장에서 어패류 양식을 목적으로 필요한 물을 바다에서 펌프로 취수하여 어패류를 양식하는 저수조로 공급하고, 저수조의 물은 침전조를 통과하면서 부유물을 침전시킨 후 방출수 수로를 통하여 배출되는데, 이러한 방출수의 유량과 낙차를 이용하여 소수력발전용 수차를 회전시켜 전기를 발전하는 것을 특징으로 한다.

수력발전은 높은 위치에 있는 하천이나 저수지의 유량(Q)을 유도하여 위치에너지인 낙차(H)를 이용, 수차에 회전력을 발생시키고 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 회전 운동을 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전방식이다. 낙차(H)는 이용 가능한 최대 수직 거리이며, 손실로 인하여 감속한 낙차를 정격낙차(Net Head)라 하고, 유량(Q)은 초당 지나가는 물의 양(㎥/sec)으로 수차를 회전시키는 물의 유량이 많고, 낙차가 클수록 발전 설비용량이 커지고 전력량도 그만큼 증가한다. 즉, 수력발전의 출력은 수력출력 [kW]=9.8(중력가속도)×유량(㎥/s)×낙차(m)×수차 발전기효율(％)로 산출될 수 있다.
소수력발전은 주로 산과 계곡이 많은 지역에서 댐이나 소하천을 이용하여 이루어지는 발전방식이다. 이러한 소수력발전은 개발 주변지역의 각종 민원 제기와 강우량의 계절별 편중에 따른 가동율이 35％ 정도로 경제성이 부족하여 소수력발전이 원활하게 이루어지지 않았다.
그러나 최근에 정부의 신재생에너지 보급정책에 따른 지역에너지 보급사업, 신재생에너지공급의무화제도(RPS)로 소수력발전의 필요성이 증폭되면서 공공기관에서 민원 발생의 우려가 없는 기존 시설물인 조정지 댐이나 양수발전소의 하부댐, 농업용 저수지, 하수처리장, 수도용 관로, 하수종말처리장, 화력발전소의 냉각수 등을 이용한 소규모 소수력발전 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
소수력발전에 사용되는 수차는 튜브수차(Tube turbine), 횡류형 수차(Crossflow turbine), 저낙차용 수차, 카프란수차(Kaplan turbine), 입축 프로펠러수차(Vertical axis propeller turbine), 프란시스 수차(Francis turbine) 등이 있다.
튜브수차는 저낙차의 소수력발전소에 적용이 가능한 수차이며, 유량과 낙차가 일정한 소수력발전소에 효과적이고, 횡류형 수차는 저낙차 및 중낙차의 소수력발전소에 적용이 가능하며, 유량변동이 심한 소수력발전소에 효과적이고, 저낙차용 수차는 저낙차의 소수력발전소에 적용이 가능한 수차이고, 카프란수차는 저낙차의 소수력발전소에 적용이 가능한 수차이며, 특히 유량과 낙차의 변화가 심한 소수력발전소에 효과적이고, 입축프로펠러수차는 튜브수차와 같이 저낙차의 소수력발전소에 적용이 가능하고 유량과 낙차가 일정한 소수력발전소에 효과적이며, 회전축이 지면에 수직인 것이 특징이고, 프란시스 수차는 중·저낙차에 알맞는 수차로서 국내에 산재한 농업용저수지 및 대댐을 이용한 소수력발전에 적용이 가능한 수차이다.
이러한 소수력발전을 어폐류의 육상양식장에 적용하면 어패류를 양식하고 바다로 버려지는 물을 이용하여 소수력발전이 가능한데, 육상양식장에서 버려지는 물을 이용하여 소수력발전용 수차 및 발전시스템(장치)을 설치하여 소수력발전효과를 기대하였으나, 기존의 튜브수차, 횡류형 수차, 저낙차용 수차, 카프란수차, 입축 프로펠러수차, 프란시스 수차 등이 구비된 소수력발전 장치를 육상양식장의 수로에 설치하여 소수력발전을 기대하기 어렵다.
아울러, 육상양식장은 바다에서 취수하는 물의 양과 양식장에서 사용하고 바다로 방류하는 물의 양이 같은 것을 원칙으로 하는데, 기존의 소수력발전용 수차를 돌리기 위해 물의 흐름을 축소하여 유량과 유압을 상승시킬 경우에는 수로에 물이 정체되고, 이로 인하여 침전조와 저수조의 물이 원활하게 배출되지 못하고 정체되어 육상양식장의 저수조에서 양식하는 어패류가 폐사하는 치명적인 사태가 초래될 수도 있다.
[선행기술문헌]
등록실용신안 제20-0465849호
공개특허 제10-2012-0036450호

삭제

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 고안은 육상양식장에서 공유수면을 통해 바다로 배출되는 방출수의 흐름을 방해하지 않으면서 발전량을 최대화할 수 있는 새로운 개념의 소수력발전 장치를 제공함을 목적으로 한다.

삭제

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 고안의 육상양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치에 관한 것으로서, 육상양식장의 방출수를 배출하는 통로 역할을 하며, 육상양식장과 연결되는 상부수로(110), 상기 상부수로(110)보다 낮은 곳에 위치하며 공유수면으로 연결되는 하부수로(120), 하향 경사를 이루면서 상기 상부수로(110)와 상기 하부수로(120)를 연결하는 경사수로(130)로 이루어진 방출수 수로(100); 상기 방출수 수로(100)에 수직으로 설치된 2개의 수차축(210) 각각에 결합되어 상기 방출수 수로(100)를 따라 배출되는 방출수에 의하여 상기 수차축(210)과 함께 회전하는 수차날개(220)로 구성되는 수차날개부(200); 상기 수차날개부(200)의 수차축(210)에 연동하여 회전하면서 전력을 생산하는 발전기(300); 및, 상기 수차날개부(200)의 입구측에는 상기 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측 각각에 돌출되도록 설치되어 상기 방출수 수로(100)의 단면적을 점진적으로 줄이면서 방출수를 상기 방출수 수로(100)의 중앙부로 유도하고 상기 수차날개부(200)로 유입되는 방출수의 유속을 증가시키는 방출수 집수기(400);를 포함하여 구성되고, 상기 수차날개부(200)의 수차축(210)은 상기 방출수 수로(100)의 중심에서 좌우 양측으로 동일한 거리만큼 이격되어 나란하게 설치되어 상기 수차날개부(200)가 상기 방출수 수로(100)의 중심을 기준으로 대칭 구조로 배치되며, 상기 수차날개부(200)의 수차날개(220)는 상기 방출수 수로(100)의 중앙부를 흐르는 방출수와 부딪히는 면이 오목하게 함몰된 형태인 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 고안에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째, 유속이 가장 빠른 방출수 수로(100)의 중앙을 통과하는 방출수를 최대한 활용하여 수차날개(220)를 회전시킴으로써 발전량을 극대화할 수 있다.
둘째, 필요에 따라 소수력발전 장치를 이동 설치할 수 있어 유량의 변화나 기타 제반 조건 등의 변화에 능동적으로 대처할 수 있다.
셋째, 방출수차단 수문(140)과 바이패스 수문(150)을 선택적으로 개폐하여 방출수의 유로를 전환할 수 있다.
넷째, 육상양식장의 경우 필연적으로 갖추어야할 방출수 수로(100)에 설치할 수 있는 소수력 발전 장치를 제공함으로써, 장소 확보가 유리하고 민원 발생의 소지를 최소화할 수 있다.
다섯째, 방출수와 맞부딪히는 수차날개(220)의 면을 오목하게 제작하여 수차날개(220)에 보다 많은 회전력이 작용할 수 있도록 하여 발전량을 극대화시킬 수 있다.
여섯째, 유량이 감소하더라도 전력 생산이 가능하고, 설치 및 유지관리 비용이 저렴하여 경제적이다.

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도1은 일반적인 육상 양식장의 구성을 보여주는 측면 개념도이다.
도2는 일반적인 육상 양식장의 구성을 보여주는 평면 개념도이다.
도3은 본 고안에 따른 구체적 실시예의 측면도이다.
도4는 본 고안에 따른 구체적 실시예의 평면도이다.
도5는 본 고안에 따른 구체적 실시예의 정면도이다.
도6은 본 고안에 적용된 수차날개부(200)의 구조로서, (a) 평면구조, (b) 정면구조, 및 (c) 수차날개(220)의 단면구조를 각각 도시한다.
도7은 본 고안이 방출수 수로(100)의 하부수로(120)에 설치된 경우를 도시하는 측면도이다.
도8은 바이패스 수문(150)과 방출수차단 수문(140)이 구비된 경우를 도시하는 평면도이다.

이하에서는 본 고안의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도1은 일반적인 육상 양식장의 구성을 보여주는 측면 개념도이고, 도2는 일반적인 육상 양식장의 구성을 보여주는 평면 개념도인데, 종래의 일반적인 육상 양식장은 취수펌프를 가동시켜 취수관를 통하여 바닷물을 저수조로 보내고, 저수조에서는 바닷물을 이용하여 어패류를 양식한다. 저수조의 물은 침전조에서 부유물이 침전되고 나머지 물은 취수관에서 취수되는 물의 양만큼 침전조의 방출수 수로를 통하여 바다로 방출한다.
도3 내지 도5에는 육상 양식장의 방출수 수로(100)에 설치되는 본 고안의 구체적 실시예의 측면도, 평면도 및 정면도가 도시되어 있다.
본 고안은 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치에 관한 것으로서, 방출수 수로(100), 수차날개부(200), 발전기(300) 및 방출수 집수기(400)로 구성된다.
방출수 수로(100)는 육상 양식장의 방출수를 배출하는 통로 역할을 하는데, 이러한 방출수 수로(100)는 도7에 도시된 바와 같이 육상 양식장과 연결되는 상부수로(110), 상부수로(110)보다 낮은 곳에 위치하며 공유수면으로 연결되는 하부수로(120), 및 하향 경사를 이루면서 상부수로(110)와 하부수로(120)를 연결하는 경사수로(130)로 이루어진다.
즉 첨부된 도7로부터 쉽게 예측할 수 있듯이 상부수로(110)는 육상 양식장의 침전조의 방출수가 유입되는 유입통로 역할을 하고, 하부수로(120)는 공유수면으로 연결되어 방출수를 바다로 순환시키는 배출통로 역할을 하는 것이고, 경사수로(130)는 상부수로(110)와 하부수로(120)의 고도 편차를 이용하여 방출수를 보다 빨리 배출시키는 역할을 하는 것이고, 본 고안은 이러한 방출수 수로(100)를 따라 흐르는 방출수의 낙차, 유속 또는 유압을 이용하여 전력을 생산하게 된다.
수차날개부(200)는 방출수 수로(100)에 수직으로 설치된 2개의 수차축(210) 각각에 결합되어 방출수 수로(100)를 따라 배출되는 방출수에 의하여 수차축(210)과 함께 회전하는 수차날개(220)로 구성된다.
이러한 수차날개부(200)는, 도3 또는 도5에 도시된 바와 같이 수차축(210)을 상부에서 지지하는 상부덮개(230), 수차축(210)을 하부에서 지지하는 수차받침(240), 및 이러한 상부덮개(230)와 수차받침(240)을 연결하는 다수의 수차가대(250)로 이루어진다.
즉, 본 고안은 수차받침(240) 위에 수차가대(250)를 세우고 수차받침(240) 중앙 부분에 철재로 가공된 베어링하우징을 취부하여 베어링하우징에 하부축 베어링(245)을 끼워 넣은 후 수차날개(12)가 부착된 수차축(210)의 하단부를 하부축 베어링(11)에 끼워 조립 후 상부덮개(230)를 수차가대(250)와 연결하여 조립한다. 이때 상부축 베어링(235)은 상부덮개(230)의 중앙에 끼워 조립한다.
또한, 상부덮개(230)의 상부 중앙에는 스러스트 베어링(215)을 설치하여 수차축(210)과 스러스트 베어링(215)을 연결하여 수차날개부(200)의 전체적인 하중을 스러스트 베어링(215)이 담당하도록 하며, 상부축 베어링(235)과 하부축 베어링(245)은 수차축(210)의 상하부 각각에 조립되어 수차축(210)의 회전시 저항을 줄여주고 연속적인 사용이 가능하도록 한다.
이와 같은 수차날개부(200)는 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측에 설치되는 수차고정가대(260)를 따라 위치를 달리하여 이동 설치가 가능하게 된다.
따라서 유량이나 기타 주변 여건 등을 고려하여 상부수로(110)에 설치될 수도 있고, 도7에 도시된 것처럼 하부수로(120)에 설치되어 경사수로(130)를 따라 낙하하는 방출수의 낙차를 최대한 이용할 수도 있다.
본 고안과 같은 수로형 소수력발전 장치를 설치할 경우 먼저 설치할 위치를 선정하여 양식장의 방출수 수로(100)의 수로덮개(160)를 절취하고, 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측에 수차고정가대(260)를 부착한 후 스러스트 베어링(215)이 부착된 수차날개부(200)를 방출수 수로의 위에서 아래로 삽입하여 방출수 수로(100) 내부에 고정한 후 방출수 집수기(400)를 수차날개부(200)와 밀착되도록 방출수 수로(100) 내측면 좌우측 각각에 설치한 후 수로덮개(160)를 덮어 고정한 후 수차축(13)의 상단부에 커플링(330)을 연결하여 발전기(300)의 회전축과 연결한다. 발전기(300)는 발전기 고정대(310)에 의해 고정되며 발전기 덮개(320)로 발전기(300)를 보호한다.
수차날개부(200)의 수차축(210)은 방출수 수로(100)의 중심에서 좌우 양측으로 동일한 거리만큼 이격되어 나란하게 설치되며, 수차날개부(200)가 방출수 수로(100)의 중심을 기준으로 대칭 구조로 배치된다.
수차날개부(200)의 수차날개(220)는 도6에 도시된 바와 같이 방출수 수로(100)의 중앙부를 흐르는 방출수와 부딪히는 면이 오목하게 함몰된 형태인 것을 특징으로 하는데, 이와 같이 오목하게 함몰된 형태가 될 경우 방출수의 저항력을 증가시키게 되어 동일한 유량이 흐를 때 보다 많은 전력을 생산할 수 있다.
아울러, 방출수 수로(100)와 같은 통로를 흐르는 물과 같은 유체의 경우 중앙의 유속이 가장 빠르고 좌우 양측면으로 갈수록 유속이 점차 감소하게 되는데, 본 고안은 오목하게 함몰된 형태의 수차날개(220)가 방출수 수로(100)의 중앙부에서 방출수와 부딪히게 되어 방출수의 최고 유속을 최대한 이용하여 한 쌍의 수차날개부(200)를 회전시킬 수 있다.
또한, 수차날개부(200)의 수차날개(220)는 도6에 도시된 바와 같이 오목하게 함몰된 면을 따라 지표면과 수평이 되는 방향으로 V자 형태의 홈이 가공되어 방출수의 저항력을 더욱 증가시켜 발전량이 증대되도록 한다.
방출수 집수기(400)는 도4 또는 도8에 도시된 것처럼 수차날개부(200)의 입구측에 설치되는데, 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측 각각에 삼각형으로 돌출되도록 설치되어 방출수 수로(100)의 단면적을 점진적으로 줄이면서 방출수를 방출수 수로(100)의 중앙으로 유도하고 수차날개부(200)로 유입되는 방출수의 유속을 증가시키고, 발전량을 증대시키게 된다.

삭제

발전기(300)는 수차날개부(200)의 수차축(210)에 연동하여 회전하면서 전력을 생산하는 역할을 하는데, 커플링(330) 등을 이용하여 수차축(210)과 발전기의 회전축을 연결하며, 양식장에서 배출되는 방출수의 낙차(중력에너지), 유속 또는 유량에 의하여 수차날개부(200)의 수차축이 회전하면 이에 연동하여 회전하면서 전력을 생산하여 상용전원으로 송전한다.

삭제

도8은 방출수차단 수문(140)과 바이패스 수문(150)이 구비되는 경우를 도시한다.
방출수차단 수문(140)은 수차날개부(200)의 전방에 개폐식으로 설치되어 방출수가 수차날개부(200)로 유입되는 것을 차단하거나 개방하는 역할을 한다.

삭제

바이패스 수문(150)은 방출수차단 수문(140)의 전방에 개폐식으로 설치되어 방출수의 배출 경로를 전환하는 역할을 한다.
이러한 방출수차단 수문(140)과 바이패스 수문(150)의 선택적 개폐가 가능한데, 방출수차단 수문(140)을 열고 바이패스 수문(150)을 닫음으로써 방출수가 수차날개부(200)를 통과하면서 발전이 이루어지게 할 수도 있고, 방출수차단 수문(140)을 닫고 바이패스 수문(150)을 열어 방출수가 그대로 공유수면으로 배출되도록 할 수도 있다.

즉, 수차날개부(200)나 발전기(300)의 설치, 보수 및 수리 시에는 방출수차단 수문을 닫고 바이패스 수문(150)을 개방하고, 발전이 이루어지는 평상시에는 바이패스 수문(150)을 닫고 방출수차단 수문(140)을 개방하면 된다.

상기한 바와 같이 본 고안의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 고안의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 고안의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 고안의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

삭제

100:방출수 수로
110:상부수로
120:하부수로
130:경사수로
140:방출수차단 수문
150:바이패스 수문
160:수로덮개
200:수차날개부
210:수차축
215:스러스트 베어링
220:수차날개
225:홈(V형)
230:상부덮개
235:상부축 베어링
240:수차받침
245:하부축 베어링
250:수차가대
260:수차고정가대
300:발전기
310:발전기 고정대
320:발전기 덮개
330:커플링
400:방출수 집수기

Claims

육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치에 관한 것으로서,
육상 양식장의 방출수를 배출하는 통로 역할을 하며, 육상 양식장과 연결되는 상부수로(110), 상기 상부수로(110)보다 낮은 곳에 위치하며 공유수면으로 연결되는 하부수로(120), 하향 경사를 이루면서 상기 상부수로(110)와 상기 하부수로(120)를 연결하는 경사수로(130)로 이루어진 방출수 수로(100);
상기 방출수 수로(100)에 수직으로 설치된 2개의 수차축(210) 각각에 결합되어 상기 방출수 수로(100)를 따라 배출되는 방출수에 의하여 상기 수차축(210)과 함께 회전하는 수차날개(220)로 구성되는 수차날개부(200);
상기 수차날개부(200)의 수차축(210)에 연동하여 회전하면서 전력을 생산하는 발전기(300); 및,
상기 수차날개부(200)의 입구측에는 상기 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측 각각에 돌출되도록 설치되어 상기 방출수 수로(100)의 단면적을 점진적으로 줄이면서 방출수를 상기 방출수 수로(100)의 중앙부로 유도하고 상기 수차날개부(200)로 유입되는 방출수의 유속을 증가시키는 방출수 집수기(400);
를 포함하여 구성되고,
상기 수차날개부(200)의 수차축(210)은 상기 방출수 수로(100)의 중심에서 좌우 양측으로 동일한 거리만큼 이격되어 나란하게 설치되어 상기 수차날개부(200)가 상기 방출수 수로(100)의 중심을 기준으로 대칭 구조로 배치되며,
상기 수차날개부(200)의 수차날개(220)는 상기 방출수 수로(100)의 중앙부를 흐르는 방출수와 부딪히는 면이 오목하게 함몰된 형태인 것을 특징으로 하는 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치.
제1항에서,
상기 수차날개부(200)의 전방에 개폐식으로 설치되어 방출수가 상기 수차날개부(200)로 유입되는 것을 차단하거나 개방하는 방출수차단 수문(140); 및,
상기 방출수차단 수문(140)의 전방에 개폐식으로 설치되어 방출수의 배출 경로를 전환하는 바이패스 수문(150);
이 더 포함되고,
상기 방출수차단 수문(140)과 상기 바이패스 수문(150)의 선택적 개폐가 가능한 것을 특징으로 하는 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치.
제1항 또는 제2항에서,
상기 수차날개부(200)는,
상기 수차축(210)을 상부에서 지지하는 상부덮개(230);
상기 수차축(210)을 하부에서 지지하는 수차받침(240); 및,
상기 상부덮개(230)와 상기 수차받침(240)를 연결하는 다수의 수차가대(250);
가 더 포함되고, 상기 방출수 수로(100)의 내측면 좌우측에 설치되는 수차고정가대(260)를 따라 위치를 달리하여 이동 설치가 가능한 것을 특징으로 하는 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치.
제3항에서,
상기 수차날개부(200)의 수차날개(220)는 오목하게 함몰된 면을 따라 지표면과 수평이 되는 방향으로 V자 형태의 홈(225)이 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 육상 양식장 방출수를 이용한 수로형 소수력발전 장치.
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