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KR20130043864A - 수력 발전장치 - Google Patents

수력 발전장치 Download PDF

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KR20130043864A
KR20130043864A KR1020110108016A KR20110108016A KR20130043864A KR 20130043864 A KR20130043864 A KR 20130043864A KR 1020110108016 A KR1020110108016 A KR 1020110108016A KR 20110108016 A KR20110108016 A KR 20110108016A KR 20130043864 A KR20130043864 A KR 20130043864A
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South Korea
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generator
stator
rotor
housing
flow path
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KR1020110108016A
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황도원
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민재희
민초희
심재경
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(주)파워이에프씨
황도원
윈드로즈(주)
소진대
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Abstract

수력발전용 발전기가 개시된다. 수력발전용 발전기는, 물이 흘러들어 오는 입구와, 상기 입구와 연통된 유로 및 상기 유로와 연통되어 물이 흘러나가는 출구가 형성된 형성된 하우징; 상기 유로에 위치하도록 상기 하우징에 고정된 발전기; 상기 발전기의 회전체와 연결된 회전축; 및 상기 회전축에 고정되며, 상기 유로상에 위치하는 터빈;을 포함한다. 상기 발전기는, 상기 하우징에 고정되며, 중공이 형성된 고정체; 상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터; 상기 회전축과 연결되어 상기 중공에 설치되며, 직경이 상기 회전축 보다 크게 형성된 회전체; 상기 회전체의 외주면에 설치되어, 상기 스테이터와 마주보는 로터; 및 상기 회전체와 상기 고정체 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링;을 포함한다. 따라서, 발전효율을 증대시킬 수 있어, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있다.

Description

수력 발전장치{Power generating apparatus using water power}
본 발명은 수력 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물의 흐름으로부터 전기를 발전할 수 있는 수력발전장치에 관한 것이다.
수력발전은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 물의 위치에너지에 의해 발생한 물의 흐름을 이용하거나, 물의 압력차에 의해서 발생하는 물의 흐름을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키는 것을 말한다.
이러한 수력발전은 화력발전이나, 원자력 발전과 달리 환경오염물질을 배출하지 않는다는 장점이 있으나, 큰 물의 흐름을 발생시키기 위해서 대형 댐을 건설하거나, 방조제를 건설해야 하는 등의 환경파괴적인 요인이 있다. 또한, 수력에너지는 수량에 따라 증감이 있어, 우리나라와 같이 계절적으로 유량의 차이가 있는 경우 안정적인 전기 생산을 보장하기 어렵다는 단점이 있다.
이와 같은 수력발전의 단점은 많은 양의 유량이 있어야 경제성이 있는 발전을 할 수 있는 효율이 떨어지는 발전기로 인해서 발생되는 것이다. 만약에 소유량의 물의 흐름에도 효과적인 발전을 할 수 있다면, 소규모 저수시설 혹은 일반 하천수, 상하수도 등 환경을 파괴하지 않고 버려지는 다양한 물의 흐름을 이용하여 발전을 할 수 있게 된다.
따라서, 소유량의 물의 흐름에도 효과적인 발전을 할 수 있는 발전장치의 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있는 수력발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 물이 흘러들어 오는 입구와, 상기 입구와 연통된 유로 및 상기 유로와 연통되어 물이 흘러나가는 출구가 형성된 형성된 하우징; 상기 유로에 위치하도록 상기 하우징에 고정된 발전기; 상기 발전기의 회전체와 연결된 회전축; 및 상기 회전축에 고정되며, 상기 유로상에 위치하는 터빈;을 포함하고, 상기 발전기는, 상기 하우징에 고정되며, 중공이 형성된 고정체; 상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터; 상기 회전축과 연결되어 상기 중공에 설치되며, 직경이 상기 회전축 보다 크게 형성된 회전체; 상기 회전체의 외주면에 설치되어, 상기 스테이터와 마주보는 로터; 및 상기 회전체와 상기 고정체 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치를 제공한다.
상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며, 상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된다.
상기 로터 및 상기 스테이터의 방수를 위해, 상기 중공의 전방 및 후방에 설치된 방수씰;을 더 포함하는 것이 효과적이다.
또한, 상기 하우징의 상기 입구 측에 설치되어 상기 유로와 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 터빈은 상기 발전기를 기준으로 상기 출구 측에 설치되며, 상기 터빈이 설치된 부분의 상기 유로의 면적이, 상기 발전기가 설치된 부분의 상기 유로의 면적보다 좁은 것이 바람직하다
또한, 상기 발전기의 상기 입구를 바라보는 전면에 부착된 콘 형상의 저항 저감장치;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
먼저, 발전기가 유로 상에 위치할 뿐만 아니라, 로터가 터빈의 회전축과 동축 상에 설치됨에도 충분한 발전을 할 수 있어, 별도의 증속기가 불필요하여 발전효율을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 코일조립체 및 영구자석조립체가 서로 인접하여 마주보고 설치될 뿐만 아니라, 인접한 영구자석 사이에 발생하는 자기력의 변화에 의해서 발전이 이루어져 발전효율이 더욱 증대된다는 장점이 있다.
그리고, 유량몰이장치로 인해 유속을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 수력 발전장치의 사시도
도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도
도 3은 도 2의 발전기의 분해 사시도
도 4은 도 2의 하우징의 사시도
도 5는 도 3의 로터와 스테이터의 일부 확대 단면도
도 6는 도 1의 유량몰이장치의 사시도
도 7은 본 발명의 제 2 실시예의 수력 발전장치의 단면도
도 8은 본 발명의 제 3 실시예의 수력 발전장치의 사시도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 수력 발전장치의 사시도, 도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력 발전장치는, 물이 흘러들어 오는 입구(211)와, 상기 입구(211)와 연통된 유로(210) 및 상기 유로(210)와 연통되어 물이 흘러나가는 출구(212)가 형성된 형성된 하우징(200)과, 상기 유로(210)에 위치하도록 상기 하우징에 고정된 발전기(100)와, 상기 발전기(100)의 회전체와 연결된 회전축(300)과, 상기 회전축(300)에 고정되며, 상기 유로(210)상에 위치하는 터빈(400)과, 하우징(200)의 입구(211) 측에 설치되어 유로(210)와 연통되며, 입구(211) 측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치(500)를 포함한다.
하우징(200)은 통형상으로 형성되며, 유로(210)가 형성된다. 하우징(200)의 내벽에는 발전기(100)를 고정하기위한 발전기 지지부재(221)가 형성된다. 발전기(100)는 유로(210)의 중심축에 중심이 일치하도록 설치되는 것이 바람직하다.
도 3은 도 2의 발전기의 분해사시도이다.
발전기(100)는, 상기 하우징(200)에 고정되며, 중공(111)이 형성된 고정체(110)와, 상기 중공(111)의 내주면에 설치된 스테이터(120)와, 상기 회전축(300)과 연결되어 상기 중공(111)에 설치되며, 직경이 상기 회전축 보다 크게 형성된 회전체(130)와, 상기 회전체(130)의 외주면에 설치되어, 상기 스테이터(120)와 마주보는 로터(160)와, 상기 회전체(130)와 상기 고정체(110) 사이에 설치되어 상기 회전체(130)를 지지하는 베어링(170) 및 중공(111)의 전방 및 후방에 설치되어 로터(160) 및 스테이터(120)의 방수를 위해 설치된 방수씰(150)을 포함한다.
도 4은 도 3의 고정체의 사시도이다.
고정체(110)는 발전기 지지부재(221)에 고정되어 발전기(100)를 하우징에 고정하는 것으로서, 중앙에 중공(111)이 형성되며, 입구측면(112)과 출구측면(113)에는 방수씰(150)을 고정하기 위한 고정용 나사공(114)이 형성된다.
하우징(110)은 스테이터(120), 회전체(130) 및 베어링(170)의 설치를 용이하게 하기 위해서, 절반으로 절개되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 스테이터(120)가 하우징(110)의 내경에 억지끼움되고, 회전체(130)의 삽입 후 베어링(170)을 억지끼워 조립할 수도 있다.
스테이터(120)는 중공(111)의 내주면에 고정된다. 본 발명에서는 스테이터(120)가 코일조립체로 형성된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 스테이터(120) 및 상기 로터(160) 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체로 형성되어도 무방하다.
스테이터(120)로 사용된 코일조립체는 복수의 코일이 권선되어, 전체적으로 원통형상으로 형성된다. 여기서, 복수의 코일을 고정하기 위한 수지 등이 사용될 수 있다. 스테이터(120)는 두께가 얇은 통상으로 형성되는 것이 발전을 효율을 높이는데 바람직하다.
회전체(130)는 원통형상으로 형성되며, 중앙에 회전축(300)이 삽입 결합될 수 있는 회전축 결합공(131)이 형성되며, 외주면에는 로터(160)가 설치되며, 로터(160)가 설치된 양단에는 베어링이 안착되는 베어링 안착부(132)와, 방수씰(150)이 안착되는 방수씰 안착부(133)가 형성된다. 회전체(130)는 전술한 바와 같이, 직경이 회전축(300) 보다 크게 형성됨으로써, 외주면의 선속도가 빠르게 되어 발전효율을 증대시킬 수 있다.
로터(160)는 영구자석 조립체로서, 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된다. 그 결과, 도 5와 같이 회전체(130)가 회전하는 경우, 인접한 영구자석(161) 사이에 발생한 자기장(163)을 스테이터(120)의 코일(121)이 끊게 되어, 전기가 발전되게 된다.
방수씰(150)은 고정용 나사공(114)에 고정되며, 일반적으로 매케니컬 씰(Mechanical seal)을 사용하여 베어링(170) 내부, 회전체(130)와 하우징(110) 사이가 침수되는 것을 방지한다.
터빈(400)은 일반적인 유체를 이용하여 회전력을 발생시키는 터빈이 사용되며, 다양한 형상이 있을 수 있다. 또한 터빈(400)은 회전축(300)에 착탈 가능하게 형성됨으로써, 유량 등의 여러 조건에 따라서 적합한 터빈(400)으로 교체할 수 있는 것이 바람직하다.
도 6은 도 1의 유량몰이 장치의 사시도이다.
유량몰이장치(500)는, 전면(510)과, 상기 유로(210)의 입구(211)에 연통되는 후면(520)을 가진 깔대기 형상의 관상으로 형성된다. 유량몰이장치(500)는 전면(510)의 면적이 후면(520) 면적보다 넓게 형성된다. 따라서, 토출되는 유속이 빨라져 발전량을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
전면(510)에는 이물질을 일차적으로 걸러주는 거름망(511)이 설치된다.
후면(520)에는 하우징(200)과 결합을 위한 결합장치(미도시)가 구비된다. 이런 결합장치는 다양한 방법이 알려져 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예의 동작을 설명한다.
먼저, 유량몰이장치(500)의 전면(510)으로 물이 유입되면, 단면적의 축소로 인해서 유속이 높아져 후면(520)으로 토출된다. 후면(520)으로 토출된 물은 하우징의 유로(210)를 관통하여 배출된다. 이때, 터빈(400)이 회전하게 되어, 회전축(300) 및 이에 고정된 회전체(130)도 함께 회전하게 된다.
회전체(130)가 회전을 함에 따라서, 로터(160)가 회전을 하게 되며, 스테이터(120)가 위치한 영역에 자기장의 변화를 일으켜, 스테이터(120)에 전기가 발생하게 된다.
이때, 일반 회전축(300)에 비해 직경이 큰 회전체(130)의 외주면에 로터(160)가 설치되어, 로터(160)의 직선 속도가 일반적인 축상에 형성된 로터보다 크게 된다. 그 결과, 별도의 증속기의 구성없이도 원하는 양의 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 스테이터의 자기장이 인접하게 배치된 서로 다른 극성의 영구자석 간에 발생하여, 발전 전력이 더욱 증대된다는 장점이 있다. 즉, 종래의 발전기와 같이, 자기장이 회전체를 관통하는 대각선으로 형성되지 않아도 되므로, 회전체의 직경을 키울 수 있어, 속도의 증폭 효과가 더욱 증대될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예의 수력 발전장치의 단면도이다.
제 2 실시예의 수력 발전장치는, 하우징(1200)의 형태와, 발전기(100)와 터빈(400)의 설치위치가 제 1 실시예와 상이하며, 나머지의 구성은 동일하다. 따라서, 제 1 실시예와 동일한 구성은 동일한 도면번호를 사용하며, 자세한 설명은 생략한다.
먼저, 제 1 실시예의 경우, 터빈의 후방에 발전기(100)가 배치되며, 발전기(100)의 크기가 크지는 경우, 발전기(100) 주위의 유로(210)가 좁아져, 전방에 위치한 터빈(400)을 지나는 유속이 감소될 우려가 있다.
제 2 실시예는 이와 같은 문제점을 해소한 것으로서, 상기 터빈(400)은 상기 발전기(100)를 기준으로 출구(1212) 측에 설치되며, 상기 터빈(400)이 설치된 부분의 상기 유로의 면적이, 상기 발전기(100)가 설치된 부분의 상기 유로의 면적보다 좁다. 즉, 하우징(1200)에 형성된 유로(1210)는 입구(1211) 측에 인접하며, 발전기(100)가 설치되는 발전기 안착유로(1213)와, 출구(1212) 측에 인접하며, 터빈(400)이 설치되는 터빈 안착유로(1214)가 형성되며, 발전기 안착유로(1213)의 단면적이 터빈 안착유로(1214)의 단면적 보다 넓게 형성된다.
따라서, 발전기(100)의 크기가 커지더라도 유속의 저감이 적을 뿐만 아니라, 터빈 안착유로(1214)의 단면적이 좁아져, 터빈(400)을 지나는 물의 흐름이 더욱 빨라져, 발전효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 발전기(100)의 입구(1211)를 바라보는 전면에 콘 형상의 저항 저감장치(1800)가 부착되어, 물의 흐름을 보다 원할하게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예의 수력 발전장치의 사시도이다.
제 3 실시예의 수력 발전장치는, 하나의 유량몰이장치(500)에 복수개의 하우징(200), 터빈(400), 발전기(100)가 병렬로 결합된 것을 도시한 것이다. 이는 규격화된 하우징(200), 터빈(400), 발전기(100)를 사용하여, 다양한 유량의 흐름에 사용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
211, 1211: 입구 210, 1210: 유로
212, 1212: 출구 200, 1200: 하우징
100: 발전기 130: 회전체
300: 회전축 400: 터빈
110: 고정체 111: 중공
120: 스테이터 160: 로터
170: 베어링 150: 방수씰
500: 유량 몰이 장치 1800: 저항 저감장치

Claims (8)

  1. 물이 흘러들어 오는 입구와, 상기 입구와 연통된 유로 및 상기 유로와 연통되어 물이 흘러나가는 출구가 형성된 형성된 하우징;
    상기 유로에 위치하도록 상기 하우징에 고정된 발전기;
    상기 발전기의 회전체와 연결된 회전축; 및
    상기 회전축에 고정되며, 상기 유로상에 위치하는 터빈;
    을 포함하고,
    상기 발전기는,
    상기 하우징에 고정되며, 중공이 형성된 고정체;
    상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터;
    상기 회전축과 연결되어 상기 중공에 설치되며, 직경이 상기 회전축 보다 크게 형성된 회전체;
    상기 회전체의 외주면에 설치되어, 상기 스테이터와 마주보는 로터; 및
    상기 회전체와 상기 고정체 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며,
    상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 및 상기 스테이터의 방수를 위해, 상기 중공의 전방 및 후방에 설치된 방수씰;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 입구 측에 설치되어 상기 유로와 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 로터 및 상기 스테이터의 방수를 위해, 상기 중공의 전방 및 후방에 설치된 방수씰; 및
    상기 하우징의 상기 입구 측에 설치되어 상기 유로와 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 발전기를 기준으로 상기 출구 측에 설치되며,
    상기 터빈이 설치된 부분의 상기 유로의 면적이, 상기 발전기가 설치된 부분의 상기 유로의 면적보다 좁은 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 발전기의 상기 입구를 바라보는 전면에 부착된 콘 형상의 저항 저감장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유량몰이 장치에 복수개의 상기 하우징이 연결된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.

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