KR101200458B1 - 수력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

유지보수가 용이할뿐만 아니라 상류 측의 수위의 조정이 가능하며 또한 안정된 발전량을 얻을 수 있는 수력발전장치를 제공한다. 본 발명의 수력발전장치(1)는 수로를 흐르는 물을 막아 저류하면서 입수구(8)로 집수시키는 집수패널(6)과 입수구(8)로부터 흘러들어 수직축 수차(3)의 회전 익(33) 선단에 작용하는 물흐름의 통수 단면적을 증감가능한 가동식 게이트(5)를 구비하고 가동식 게이트(5)를 개폐하여 통수 단면적을 증감시킴으로써 상류 측의 수위와 오리피스 공의 개구면적을 변화시켜 유량을 조정하거나 수직축 수차(3)로의 통수를 차단하여 회전 익(33)의 동작을 정지시킬 수 있게 하였다.

Description

수력 발전 장치 {HYDRAULIC POWER GENERATING APPARATUS}

본 발명은 물 흐름을 이용하여 발전 가능한 수력발전장치에 관한 것이다.

종래로부터 본 발명의 발명자는 하천이나 인공적인 수로 등에 설치하여 물 흐름을 이용하여 발전하는 특허문헌1에 기재된 수력발전장치를 개발하였고, 현재에는 작은 하천이나 일급하천에 설치하기 시작하고 있다.

이 수력발전장치는 개천의 흐름 등 소 수력을 이용하여 발전하기 때문에 효율적이고 저 코스트로 수력발전을 진행할 수 있는 종래에 없었던 획기적인 것이었다.

하지만, 이 수력발전장치를 실제로 설치해 보면 개선이 필요한 새로운 문제점들이 나타났다. 이러한 개선이 필요한 문제점으로는 주로 아래와 같은 두가지가 있다.

그 중 하나는 유지보수 문제이다. 이 수력발전장치는 흐름이 있는 수로에 설치함으로써 수력발전을 진행하기 때문에 일단 설치하면 하천 등의 물이 마르지 않는 한 수차는 계속하여 회전한다. 자연적으로 발생하고 있는 물 흐름을 이용하여 발전하는 점이 이 수력발전장치의 장점이지만, 성능을 유지하기 위해서는 꼭 정기적인 유지보수가 필요하다. 현시점에는 아직 유지보수 시기가 다가오지 않아 유지보수을 진행한 장치가 없지만, 만약 유지보수를 진행하려면 물 흐름을 막거나 또는 이 수력발전장치를 크레인 등으로 수로로부터 끌어 올려 육지에서 작업을 해야 함으로 유지보수에 품이 드는 문제가 존재한다.

또 다른 하나는 수위 변동의 문제이다. 관개기, 비관개기 또는 우기나 건조기 등에 따라 수로 자체의 유량에 변동이 있다. 이 수력발전장치는 하천, 농수로 등의 물 흐름이 있는 장소에 설치하기 때문에 물 흐름이 어느 정도 막혀 버리고 상류 측과 하류 측의 수위의 변동도 생긴다. 그리고 발전량은 상류 측의 수위에 의해 좌우지되기에 물의 양이 많은 우기와 물의 양이 적은 건조기에 있어서 발전량에 차이가 생기게 되고 안정한 발전을 진행할 수 없는 문제가 생긴다.

특허문헌1: 일본특개2007-177797호 공보

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유지보수가 용이하고 상류 측 수위의 조정이 가능하고, 또한 안정한 발전량을 얻을 수 있는 수력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 흐름이 있는 수로에 설치하여 발전을 진행하는 수력발전장치에 있어서, 상기 수로의 상류 측에 배치되는 입수구, 하류 측에 배치되는 배수구 및 입수구로부터 배수구에 연통되는 유로를 구비하는 하우징과; 상기 하우징의 입수구의 개구 가장자리에 설치되어 상기 수로를 흐르는 물을 막아 저류함과 동시에 상기 입수구로 집수시키는 집수패널과; 상기 하우징의 유로 내에 회전 가능하게 지지된 회전 익을 구비하는 수직축 수차와; 상기 수직축 수차의 회전력을 받아 발전하는 발전기와; 상기 입수구로부터 흘러들어 상기 수직축 수차의 회전 익 선단에 작용하는 물 흐름의 통수 단면적을 증감함으로써 상기 수로의 상류 측에 저류된 물의 수위를 조정가능한 가동식 게이트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수력발전장치에 있어서, 상기 가동식 게이트는 상기 유로에 직교하는 방향으로 개폐함으로써 통수 단면적을 증감하는 구조거나, 상기 수직축 수차의 회전축에 설치되어 상기 회전 익의 외주를 따라 개폐됨으로써 통수 단면적을 증감하는 구조 등을 고려할 수 있다.

그리고, 본 발명의 수력발전장치에 있어서, 상기 하우징 내에 설치되어 상기 입수구의 개구면적을 점차 감소시켜 상기 유로내의 물 흐름을 증속시키는 증속패널이 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 증속패널은 수직방향으로 끌어올릴수 있는 수문, 수평방향으로 개폐 가능한 슬라이드 게이트, 또는 수직축을 중심으로 회전 가능한 회전게이트로 되어 있고, 당해 게이트를 열므로써 상기 유로내의 물을 상기 하우징에 설치된 방류공으로부터 하우징 외부로 방류시킬 수 있도록 구성될 수도 있다.

그리고, 상기 집수패널에 개폐문비가 설치되고 당해 개폐문비를 열므로써 상기 수로의 상류 측의 월류수가 상기 유로를 통과하지 않고 하류 측으로 방류되도록 구성될 수도 있다. 여기서, 상기 수직축 수차는 일축 또는 대향하여 배치되는 이축의 클로스플로우 수차를 채용할 수 있다.

본 발명의 수력발전장치에 있어서, 특히 수로를 흐르는 물을 막아 저류시킴과 동시에 입수구로 집수시키는 집수패널과, 입수구로부터 흘러들어 수직축 수차의 회전 익 선단에 작용하는 물 흐름의 통수 단면적을 증감가능한 가동식 게이트를 구비하도록 하였다. 따라서, 가동식 게이트를 개폐하여 통수 단면적을 증감시킴으로써 상류 측의 수위와 오리피스 공의 개구면적을 조정할 수 있게 된다. 따라서, 발전효율을 낮추지 않고도 유량 조정 기능을 발휘할 수 있고 수로의 수위변동에 좌우지되지 않고 항상 안정된 수력발전을 진행할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 가동식 게이트를 완전히 폐쇄시킴으로써 수직축 수차로 흐르는 물을 차단하고 회전 익의 동작을 정지시킬 수 있으므로 유지보수 작업을 용이하게 진행할 수 있는 효과도 있다.

도1은 본 발명의 수력발전장치의 일 실시형태를 나타내는 평면도이다.
도2는 도1의 B-B단면도이다.
도3은 도1의 수력발전장치에 구비되는 수직축 수차의 구성을 나타내는 사시도이다.
도4는 도1의 수력발전장치에 구비되는 수직축 수차의 구성을 나타내는 단면도이다.
도5는 도1의 수력발전장치의 가동식 게이트의 동작(열린 상태와 닫힌 상태)을 나타내는 평면도이다.
도6은 도1의 수력발전장치의 오리피스 공과 수직축 수차와의 관계를 설명하기 위한 모식도이다.
도7은 도2의 수력발전장치를 간략하여 도면화한 것으로서 유속, 오리피스 공의 개구면적, 유효 수위차, 유량의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도8은 도2의 수력발전장치를 간략하여 도면화한 것으로서 상류 유량과 오리피스 공으로부터의 토출유량 및 유효 수위차의 관계를 설명하는 도면이다.
도9는 상류로부터의 유량의 변동과 유속 및 유효 수위차의 변동, 발전량의 변동의 상관관계를 설명하는 도면이다.
도10은 일반적인 수로의 수위에 관하여 설명하는 도면이다.
도11은 상류로부터의 유량Qa, 상류 수위Ha, 오리피스 공의 개구면적이 A일 경우 유효 수위H, 유속V, 오리피스 공으로부터의 토출유량이 Qb인 것을 설명하는 도면이다.
도12는 수로가 증수하거나 감수했을 경우 수력발전장치의 상태를 설명하는 도면이다.
도13은 감수시에 있어서 오리피스 공의 개구면적을 A1로부터 A2로 변경했을 경우 상류 수위의 상태 변화를 설명하는 도면이다.
도14는 증수시에 있어서 오리피스 공의 개구면적을 A1로부터 A2로 변경했을 경우 상류 수위의 변화를 설명하는 도면이다.
도15는 다른 실시형태의 집수패널을 사용하여 증수시에 상류 수위의 조정을 실시할 때의 설명도이다.
도16은 본 발명의 다른 실시형태를 나타내는 것으로서. 일축의 수직축 수차를 사용한 수력발전장치의 평면도이다.
도17은 본 발명의 다른 실시형태를 나타내는 것으로서, (a)는 기어와 가동식 게이트의 위치관계를 나타내는 평면도이고, (b)는 C-C단면도이다.
도18은 본 발명의 수력발전장치를 폭이 넓은 수로에 설치한 예를 나타내는 설명도이다.
도19는 본 발명의 수력발전장치를 폭이 좁은 수로에 설치한 예를 나타내는 설명도이다.
도20은 본 발명의 수력발전장치를 단차가 없고 폭이 좁은 수로에 설치하였을 경우 집수패널의 기능을 나타내는 설명도로서, (a)는 평면도이고 (b)는 단면도이다.
도21은 본 발명의 수력발전장치를 단차가 있고 폭이 넓은 수로에 설치하였을 경우 집수패널의 기능을 나타내는 설명도로서, (a)는 평면도이고 (b)는 단면도이다.
도22는 본 발명의 수력발전장치를 폭이 더욱 넓은 수로에 설치하였을 경우 집수패널의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도23은 본 발명의 수력발전장치에 있어서 증속패널의 방류기능을 설명하는 평면도이다.
도24는 본 발명의 수력발전장치에 있어서 증속패널의 변형예를 나타내는 평면도이다.

아래에 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 관하여 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 수력발전장치의 일 실시형태를 나타내는 평면도이다. 다만, 각 구성을 잘 보이도록 하기 위해 발전기(4), 풀리(32,42), 벨트(43), 구동축(41)에 관해서는 일부 생략하여 도시하고 있다. 도2는 도1의 B-B단면도이다. 다만, 각 구성을 명확히 하기 위해 기어(54), 가동식 게이트(5), 증속패널(7)을 생략하여 도시하고 있다. 도3은 수력발전장치(1)가 구비하고 있는 수직축 수차(3)의 구성을 설명하는 단면도인데, 가동식 게이트(5)와 수직축 수차(3)의 위치관계를 명확히 하기 위해 간략화하여 도시하고 있다. 도4는 수력발전장치(1)가 구비하고 있는 수직축 수차(3)의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력발전장치(1)는 입수구(8)와 배수구(9) 및 입수구(8)로부터 배수구(9)에 연통되는 유로(25)를 구비하는 하우징(2)을 포함하고, 흐름이 있는 수로의 상류 측에 입수구(8)가 배치되고 하류 측에 배수구(9)가 배치되도록 설치하여 사용한다.

수력발전장치(1)는 도2에 도시된 바와 같이, 하우징(2)의 유로(25)내에 회전가능하게 지지된 복수의 회전 익(33,33,…)(이하에서는 다만 "회전 익(33)"으로 표기한다)을 구비하는 수직축 수차(3)과, 수직축 수차(3)의 회전력을 받아 발전하는 발전기(4)와, 입수구(8)로부터 흘러들어 수직축 수차(3)의 회전 익(33)의 선단에 작용하는 물 흐름의 통수 단면적(A)을 증감가능한 가동식 게이트(5)와, 수로에 가라앉혀 설치했을 때 수로를 흐르는 물을 막아 저류함과 동시에 그 저류된 물을 입수구(8)로 집수시키는 집수패널(6)을 구비하고 있다.

하우징(2)은 윗판(21), 밑판(22), 두 장의 측면판(23,23)으로 구성되고 상류 측으로 개구된 입수구(8)와 하류 측으로 개구된 배수구(9)를 구비하고 있다. 윗판(21)에는 두개의 원호형상으로 형성된 슬라이드 홈(24)이 설치되고, 이 슬라이드 홈(24)에 안내되어 가동식 게이트(5)가 치형부(52)(도3을 참조)를 삽입시킨 상태에서 도면의 화살표 방향으로 이동가능하도록 구성되어 있다.

하우징(2)내에는 입수구(8)로부터 배수구(9)로 연통되는 유로(25)가 형성되어 있고 이 유로(25)내에는 대향하여 배치된 수직축 수차(3,3)가 수용되어 있다. 본 실시형태의 수직축 수차(3)는 회전축(31)과 복수의 회전익(33)을 구비하는 클로스플로우 수차이고 윗판(21)과 밑판(22)에 형성된 축받이(26,26)에 의해 회전축(31)이 회전가능하게 지지되어 있다(도4를 참조). 여기서, 본 실시형태에서는 수직축 수차(3,3)로 클로스플로우 수차를 사용하고 있지만 수직축타입 수차이기만 하면 다른 것도 적용가능하다.

발전기(4)는 회전축(31)에 장착된 풀리(32)와 자체의 구동축(41)에 장착된 풀리(42)가 벨트(43)에 의해 접속되어 있고 수직축 수차(3)의 회전축(31)이 회전하면 그 회전력이 벨트(43)을 통해 구동축(41)에 전달되어 발전을 진행하도록 되어 있다. 이 발전기(4)는 각 수직축 수차(3,3)에 하나씩 장착되어 있다.

가동식 게이트(5)는 두개의 부채형 문비가 축을 지점으로 회전하는 방식의 섹터 게이트(래디얼 게이트)이다. 이 게이트는 수직축 수차(3)의 회전축(31)에 회전가능하게 지지되어 있음과 동시에 회전축(31)에 베어링(53,53)을 통하여 장착된 부채형의 본체부(51)와 본체부(51)에 설치된 원호형상의 치형부(52)로 구성된다. 치형부(52)의 윗 부분의 외주부에는 기어(54)와 맞물리기 위한 치형이 형성되어 있다.

집수패널(6)은 입수구(8)의 개구 가장자리에 일체 또는 분리되어 설치되어 있고 수로를 흐르는 상류 측의 물을 막아 저류하기 위한 것이다. 본 발명의 수력발전장치(1)에 있어서, 이 집수패널(6)에 의해 막힌 물을 저류하면서 저류된 물을 입수구(8)로부터 하우징(2)의 내부에 통수시킨다. 따라서 가동식 게이트(5)에 의해 조정된 개구부분인 통수 단면적(A)이 오리피스 공으로 되고, 이 오리피스 공의 개구면적과 집수패널(6)에 의해 집수되어 상류 측에 저류된 물의 수위H에 의해 수직축 수차(3)에 작용하는 유량이 확정된다.

그리고, 하우징(2) 내에는 도1에 도시한 바와 같이, 대향하여 배치된 증속패널(7,7)이 설치되어 있고 이 증속패널(7,7)에 의해 입수구(8)의 개구면적을 점차 감소시켜 유로(25) 내의 물의 흐름을 증속시킬 수 있게 된다. 본 실시형태의 증속패널(7,7)은 끌어올릴 수 있는 수문으로 구성되어 있고 수직방향으로 끌어올림으로써 밑판(22)과의 사이에 간격을 두어 이 간격을 통해 유로(25) 내의 물을 방류할 수 있다.

다음 이러한 구성을 가진 수력발전장치(1)의 가동식 게이트(5)의 동작에 관하여 도5를 참조하면서 설명한다. 도5는 수력발전장치(1)의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 가동식 게이트(5,5)가 열린 상태를 나타내고, (b)는 가동식 게이트(5,5)가 닫힌 상태를 나타내고 있다. 여기서, 가동식 게이트(5,5)의 상태를 명확히 하기 위해 증속판(7,7)이나 다른 구성에 관해서는 생략하여 도시하였다.

도5(a)에서 나타낸 바와 같이 가동식 게이트(5,5)가 완전히 개방되었을 경우, 이때의 통수 단면적, 즉 오리피스 공의 개구면적은 A이다. 이하 통수단면적(A)을 오리피스 공으로 하고 이 오리피스 공의 개구면적의 상태를 A에 수자를 부가하여 표시하기로 한다.

이 상태로부터 도5(b)에 표시된 닫힘상태로 변경하기 위해서는 두개의 기어(54,54)를 도5(a)에서 나타낸 화살표방향으로 회전시키면 된다. 그러면 이 회전에 연동하여 기어(54,54)에 맞물린 치형부(52,52)가 슬라이드 홈(5)내에서 수직축 수차(3,3)의 외주를 따라 중앙부로 이동하고 끝까지 이동하면 치형부(52,52)의 내측 선단사이가 접근된다. 이 상태가 닫힘상태이고 이 상태에서는 오리피스 공의 개구면적이 대략 령으로 되어 수직축 수차(3,3)로의 통수가 차단되고 회전 익(33)의 회전동작을 정지시킬 수 있다. 이 상태에서 수직축 수차(3,3)의 유지보수 작업을 진행하면 수력발전장치(1)를 크레인 등에 의해 지면에 끌어올리거나 할 필요가 없게 되기에 유지보수 작업을 용이하게 진행할 수 있다. 유지보수 작업이 종료되면 기어(54,54)를 도5(a)에 표시된 화살표방향의 역방향으로 회전시켜 가동식 게이트(5,5)를 수직축 수차(3,3)의 외주를 따라 외측(측면판(23,23))방향으로 이동시킬 수 있다. 여기서, 가동식 게이트(5)의 형태는 이에 한정된 것이 아니고 유로(25)에 직교하는 방향으로 이동하여 개폐되고 그 개폐동작에 의해 통수 단면적을 증감하는 구조여도 된다.

본 발명의 수력발전장치(1)에 있어서, 상술한 가동식 게이트(5,5)를 사용하여 오리피스 공의 개구면적을 조정할 수 있다. 오리피스의 원리에 의하면, 이 오리피스 공의 개구면적이 작아지면 수직축 수차(3,3)로 흐르는 유량이 감소되고, 그 결과 수직축 수차(3,3)의 회전력이 저하될 것 같지만, 본 발명에서는 그렇지 않다. 그 원리를 도6에 기초하여 설명한다.

도6은 수력발전장치(1)의 오리피스 공과 수직축 수차(3,3)와의 관계를 설명하기 위한 모식도이다. 도6(a)은 오리피스 공의 개구면적이 A1임을 표시하고, 도6(b)는 오리피스 공의 개구면적이 A2임을 표시한다.

도6(a)의 상태에서 수직축 수차(3,3)에 흐르는 물은 오리피스 공의 개구면적A1의 개구부를 통과한다. 이 통과되는 물의 흐름 중에서 물흐름a를 두 수직축 수차(3,3)사이의 중심으로 안내하는 회전 익은 도 6(a)에 기재된 회전 익(33a)이다. 한편, 두 수직축 수차(3,3)의 회전에 제일 기여하는 회전 익은 도6(a)의 회전 익(33b)이다. 즉, 회전축 수차(3,3)의 회전력을 좌우지하는 것은 이 회전 익(33b)의 선단에 직접 충돌하는 물의 유량이다.

이에 대하여, 도6(b)의 상태, 즉 가동식 게이트(5,5)를 폐쇄방향으로 이동시켜 오리피스 공의 개구면적을 A1보다도 작은 A2로 하였을 경우, 이 개구면적A2의 개구부를 물흐름이 통과한다. 이 경우에서도, 오리피스 공의 개구면적이 작아졌지만 회전 익(33b)의 선단에 직접 흐르는 물량은 거의 변화가 없다. 이와 같이, 본 발명의 수력발전장치(1)에 있어서, 오리피스 공의 개구면적을 작게 하여도 수직축 수차(3,3)의 회전력에 그다지 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 이에 의해, 상류 측의 수위를 조정하면서 안정된 수력발전을 진행할 수 있는데 그 이유에 대해서는 도7～도15를 참조하면서 이하에서 설명한다.

도10을 제외한 도7～도15는 모두 도2를 간략하여 도면화한 것이다. 집수패널(6)에 의해 상류 측의 물을 저류하고, 이 저류된 상류 측의 수위와 오리피스 공으로부터 흐르는 물의 유량 및 유속의 관계를 나타내고 있다.

도7을 예로 설명하면, 상류로부터의 유량을 Q1, 유효 수위차를 H1, 오리피스 공으로부터 토출되는 물흐름의 유속을 V1, 오리피스 공의 개구면적을 A1, 중력 가속도를 g로 하였을 경우, 유속V1은 아래의 식으로 표시된다.

여기서, 축류(vena contracta)에 의한 단면수축은 제외하고 고려하지 않는다.

만약 오리피스 공으로부터 토출되는 유량이 유량 Q1일 경우, 이 유량 Q1은 아래 식으로 표시된다.

따라서, 도7에 도시된 바와 같이, 상류로부터의 유량과 오리피스 공으로부터의 토출량이 모두 Q1이면 오리피스 공의 개구면적을 조정함으로써 유효수위의 조정이 가능하게 된다.

또한, 상류로부터의 유량에 변화가 있을 경우, 오리피스 공의 개구면적을 조정함으로써 유효수위차를 일정하게 할 수 있다.

하지만, 수로 중의 수력발전에 있어서 중요한 것은 최대 발전이 필요한 경우, 상류로부터의 유량과 오리피스 공으로부터 토출되는 유량을 동일한 유량으로 할 필요가 있다는 것이다. 예를 들면, 도8에 도시된 바와 같이, 만약 상류로부터의 유량Q1, Q3이 오리피스 공으로부터 토출되는 유량Q2, Q4보다 적을 경우 유효수위차H1, H2는 감소된다. 또한, 유량Q1, Q3이 더욱 많을 경우, 유효수위차H1, H2는 증가한다.

수로의 경우, 일년 내내 수량이 일정한 케이스는 적고, 특히 농업용수는 관개기, 비관개기의 물의 양이 약 2～5배로 변동하는 것이 일반적이다. 그리고, 이 물의 양의 변동이 오리피스 공으로부터 토출되는 물흐름의 유속V 및 유효수위차H 에 영향을 끼친다.

상류로부터의 유량 변동이 유속V 및 유효수위차H의 변동 그리고 발전량W=QgH의 변동의 상관관계를 도9를 참조하여 설명한다.

통상시의 발전량W1은 W1=Q5×g×H3으로 된다. 또한, 상류로부터의 유량이 감소하고 오리피스 공의 개구면적을 조정할 수 없을 경우, H4 및 V4는 감소된다.

여기서, 일반적인 수로의 수위에 관하여 도10을 참조하여 설명한다. 수로의 본래 기능은 계획한 물의 양에 대한 수로단면형상이거나 수로 구배가 결정된다. 일반적으로, 계획한 수로의 목적 및 조건을 설정하고, 그 조건을 만족하는 수로 단면을 설계한다. 설계하는 목적 수로의 계획유량(최대,최소)과 그 계획한 물의 양(최대치)의 물 깊이Hc를 만족한다. 일반적으로 물의 깊이 Hb는 Ha의 80%로 한다. 이것은 수리공식인 매닝 공식 및 쿠터 공식에 의해 수로 단면과 수로 구배를 결정한다. 이때 일반적인 수로의 유속속도는 평균속도 1.2m/sec～1.5m/sec정도로 한다. 동시에 이 수로유속을 하류로 갈수록 빠르도록 설계하는 것은 상식이다. 이 수로의 기능을 유지하면서 발전설비를 병용하는 것이 수로발전의 중요한 필요조건으로 된다.

이것이 무엇을 의미하는 것에 대해, 도11을 참조하여 설명한다. 도11은 상류로부터의 유량이 Qa, 상류 수위가Ha, 오리피스 공의 개구면적이 A일 경우, 유효수위 H, 유속 V, 오리피스 공으로부터의 토출유량Qb인 것을 도면화한 것이다. 상류 수위인 Ha는 그 수로기능을 유지하는 최우선 사항이다. 그 수위가 최대허용 물깊이 Hb를 초과하면 안되고, 필요에 따라 발전량을 증가시킬 경우 상류 수로를 더 높이 쌓아 올릴 필요가 있다.

다음, 오리피스 공의 개구면적을 조정하지 않았을 때의 수력발전장치의 증수시 및 감수시의 상태에 관하여 도12를 참조하여 설명한다. 증수시에 있어서, 상류수위는 He로 되지만 Hb를 초과한 유량+Qc은 집수패널(6)을 월류함으로 발전에 사용할 수 없게 된다. 따라서, 증수시의 상류 수위He는 Hb를 초과하면 안된다. 또한, 감수시에 있어서 상류 수위He는 감소하고, 그 결과 유효수위차 H도 감소된다. 따라서, 발전량은 Qa의 감소와 H의 감소의 이중의 감소에 의해 수력발전장치의 발전 효율을 저하시키고 발전량 자체의 전체량을 감소시키는 불리한 상태에 처하게 된다.

이러한 감수시 및 증수시에 있어서, 본 발명의 수력발전장치는 오리피스 공의 개구면적을 조정함으로써 상류 수위의 위치를 변경가능한 것을 도13 및 도14를 참조하여 설명한다. 먼저, 도13에 도시된 바와 같이 감수시에 있어서, 오리피스 공의 개구면적을 A1로부터 A2로 변경했을 경우, 이론적 발전량은 각각 W1=Qa≠g≠H1, W2=Qa≠g≠H2이고, 당연히 W1<W2의 발전량을 얻게 된다. 여기서, W2의 발전량을 얻을 수 있도록 한 것은 오리피스 공의 개구면적을 A1로부터 A2로 변경할 수 있었기 때문이다. 즉, 이 경우 수로기능을 유지할 수 있는 수위까지 수면을 상승시키도록 오리피스 공으로부터의 토출유량을 적게 하면 된다. 즉, 오리피스 공의 개구면적을 작게 하도록 가동식 게이트(5)를 닫힘방향으로 이동시키면 된다. H2를 유지할 수 있는 오리피스 공의 개구면적A2이면 W2의 발전량을 얻을 수 있다.

마찬가지로, 증수시의 월류하는 유량+Qc을 발전에 사용할 수 있도록 오리피스 공의 개구면적을 확대할 수 있으면 발전량이 많아진다. 이 경우, 월류하는 유량+Qc이 월류하지 않는 수위로 되도록 오리피스 공으로부터의 토출유량을 많게 하면 된다. 즉, 오리피스 공의 개구면적이 커지도록 가동식게이트(5)를 열림방향으로 이동하면 된다. 이 경우 발전량은 W3=Qa×g×H3, W4=( Qa+Qc)×g×H4이다. 이렇게 하면, 상류 수위의 월류도 일어나지 않고 최대 발전량을 제고시키는데로 연결된다.

이와 같이 본 발명의 수력발전장치에 있어서, 가동식 게이트를 개폐함으로써 오리피스 공의 개구면적을 조정할 수 있으므로 수력발전의 효율을 낮추지 않고도 발전량의 증가와 유량 조정 기능을 발휘할 수 있다. 또한, 가동식 게이트를 완전히 닫아 수직축 수차에로 흐르는 물을 정지시킬 수 있으므로 유지보수 작업도 용이하게 진행할 수 있다.

여기서, 증수량이 많고 오리피스 공의 개구면적을 확대하는 것 뿐으로는 월류를 막지 못하는 경우도 있다. 이러한 경우에는 도15에 도시된 바와 같이 집수패널(6)에 집수패널 유량조정 개구부를 설치하고 월류하는 물을 이 개구부로부터 하류 측으로 방류시키는 형태를 채용할 수 있다. 또한, 집수패널(6)에 개폐문비(도시 생략)를 설치하여 놓고 수로의 수위변동에 따라 개폐문비의 열림 상태를 조정하여 수로의 상류 측의 월류수가 유로를 통과하지 않고 하류 측으로 방류되도록 구성할 수도 있다.

상술한 수력발전장치(1)에서는 이축의 수직축 수차(3,3)를 채용하였지만 도16에 도시된 바와 같은 일축의 수직축 수차(3)를 채용할 수도 있다. 도16에서는 일축의 수직축 수차(3)를 채용한 수력발전장치(1)에 있어서 가동식 게이트(5)의 열림상태와 닫힘상태를 각각 도시하고 있지만 상기 수력발전장치(1)의 구성과 동일한 기능, 구성에 관해서는 동일한 부호를 부여한다. 여기서, 구성 및 동작에 관해서는 상기와 거의 동일함으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

가동식 게이트(5)의 개폐구조는 이에 한정된 것이 아니고 예를 들어 도17과 같이 기어를 하류 측에 배치하는 구조여도 된다.

이 수력발전장치(1)에 있어서, 가동식 게이트(5)는 상기 실시형태와 달리 본체(51)의 상판(55)을 반원형상으로 하고, 그 주위에 치형을 형성하고 있다. 그리고 도17(a)에 도시한 바와 같이 그 상판(55)의 일부와 본체가 결합되어 있다. 상판(55)의 치형부분은 기어(54)와 맞물리고 기어(54)를 회전시키면 상판(55)이 연동하여 회전하고 상기 실시형태와 같이 가동식 게이트(5)가 개폐된다.

기어(54)를 회전시키는 방법으로서 본 실시형태에서는 핸들(57)을 사용한다. 즉, 기어(54)의 회전축(56)의 상단에 핸들(57)의 선단을 끼워 넣고 핸들(57)의 파지부(58)를 회전조작함으로써 기어(54)를 회전시키도록 구성되어 있다.

여기서, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정된 것이 아니라 발명의 요지를 변경하지 않는 범위내에서 아래와 같은 각종의 실시형태를 고려할 수 있다.

예를 들면, 수력발전장치(1)를 설치하는 수로의 정황에 적응하여 집수패널(6)의 형태를 변경시킬 수 있다. 도18에 도시한 바와 같이 이 수력발전장치(1)를 폭이 넓은 수로에 설치할 경우, 집수패널(6)의 양단부를 고정금구(61)로 수로의 양벽에 고정한다. 이 경우, 집수패널(6)은 수로를 흐르는 물을 막아 저류하는 수단일 뿐만아니라 하우징(2)을 수로에 연결하고 고정하는 수단으로서도 기능을 발휘한다.

이에 대해 도19에 도시한 바와 같이, 이 수력발전장치(1)를 폭이 좁은 수로에 설치할 경우, 하우징(2)의 양단부를 직접 고정금구(61)로 수로의 양벽에 고정한다. 이 경우, 하우징(2)의 전면패널(27)이 고정수단으로서의 기능과 집수패널(6)로서의 기능을 겸하게 된다.

그리고 도20에 도시한 바와 같이, 단차가 없고 폭이 좁은 수로에 설치했을 경우, 집수패널(6)은 수로를 흐르는 물을 막아 저류하는 동시에 상류 측의 수위를 상승시켜 수로내에 낙차를 만든다. 이를 통해 낙차에 의해 생기는 위치에네르기를 하우징(2) 내의 수직축 수차(3)에 작용시키는 기능이 발휘된다.

그리고 도21과 같이 단차가 있고 폭이 넓은 수로일 경우, 단차부분의 하류 측에 하우징(2)을 설치하면 단차부분을 흘러내리는 물의 낙차를 이용하여 더욱 큰 에네르기를 수직축 수차(3)에 작용시킬 수 있다.

또한, 폭이 더욱 넓은 수로에 설치할 경우, 도22에 나타낸 바와 같이 수로의 단차부분에 취수박스(62)를 설치하여 이 취수박스(62)의 취수구(62a)에 집수패널(6)을 장착시키고 배수구(62b)에 수력발전장치(1)의 하우징(2)을 장착시키면 된다. 이 경우 집수패널(6)은 수로의 흐름에 대해 직교하는 방향을 향한 집수패널(6A) 또는 수로의 흐름에 대해 소정 각도 기울려진 방향을 향한 집수패널(6B)이 된다. 따라서, 집수패널(6)은 상류 측의 수위를 상승시켜 낙차를 만들뿐만 아니라 상류를 흐르는 물을 중앙의 취수박스(62)로 모으는 기능을 하게 된다.

그리고 본 발명의 수력발전장치(1)에 있어서 필요한 구성은 아니지만 추가 기능으로서 아래와 같이 증속패널(7)에 방류기능을 부여하여도 된다.

즉, 도23에 도시된 수력발전장치(1)에서 증속패널(7)이 끌어올리는 타입의 수문으로 구성되어 있고 하우징(2)의 양측의 측면판(23,23)에 물을 통과시키는 방류공(28,28)이 개설되어 있다. 이에 의해 도면에 도시된 바와 같이, 가동식 게이트(5,5)를 닫은 상태에서 증속패널(7,7)을 수직방향으로 끌어올림으로써 유로(25) 내부의 물이 밑판(22)과의 사이의 간격으로부터 방류공(28)을 통해 하우징(2)의 외부로 방류하게 된다. 따라서, 이 수력발전장치(1)를 수로에 설치해 놓은 상태에서도 수로의 물흐름을 막지 않고 하우징(2) 내부의 수직축 수차(3)거나 발전기(4) 등의 부품의 유지보수 작업을 진행할 수 있다.

그리고 증속패널(7)의 변형예로서 도24에 도시한 바와 같은 형태를 채용할 수도 있다. 이 증속패널(7)은 회전식의 개폐문비(71)를 구비한 회전 게이트이고 증속패널(7)의 중앙에 개폐문비(71)가 설치되어 있고 이 개폐문비(71)는 수직축(72)을 중심으로 도면의 화살표방향으로 회전가능하게 지지되어 있다. 이 구조의 경우에도 가동식 게이트(5,5)를 닫은 상태에서 증속패널(7)의 개폐문비(71)를 회전시켜 열리게 한 상태이면 유로(5) 내부의 물을 방류공(28)으로부터 하우징(2)의 외부에 방류시킬 수 있다. 여기서, 방류기능을 구비한 증속패널(7)의 형태에 관해서는 이에 한정된 것이 아니라, 수평방향으로 개폐 가능한 단문형 또는 양문형의 슬라이드 게이트(도시 생략)를 채용하여도 된다.

1 수력 발전 장치
2 하우징
21 윗판
22 밑판
23 측면판
24 슬라이드 홈
25 유로
26 축받이
27 전면패널
28 방류공
3 수직축 수차
31 회전축
32 풀리
33 회전 익
4 발전기
41 구동축
42 풀리
43 벨트
5 가동식게이트
51 본체
52 치형부
53 베어링
54 기어
55 상판
56 회전축
57 핸들
58 파지부
6 집수패널
61 고정금구
62 취수박스
7 증속패널
71 개폐문비
72 수직축
8 입수구
9 배수구
A 오리피스 공(통수 단면적)

Claims (6)

1. 흐름이 있는 수로에 설치되어 발전을 진행하는 수력발전장치에 있어서,
   상기 수로의 상류 측에 배치되는 입수구와 하류 측에 배치되는 배수구 및 입수구부터 배수구에 연통되는 유로를 구비하는 하우징과,
   상기 하우징의 입수구의 개구 가장자리에 설치되어 상기 수로를 흐르는 물을 막아 저류함과 동시에 상기 입수구로 집수시키는 집수패널과,
   상기 하우징의 유로 내에 회전 가능하게 지지된 회전 익을 구비하는 수직축 수차와,
   상기 수직축 수차의 회전력을 받아 발전하는 발전기와,
   상기 입수구로부터 흘러들어 상기 수직축 수차의 회전 익 선단에 작용하는 물 흐름의 통수 단면적을 증감함으로써 상기 수로의 상류 측에 저류된 물의 수위를 조정가능한 가동식 게이트를 구비하고,
   상기 집수패널의 높이는 상기 하우징의 상기 입수구의 높이보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가동식 게이트는 상기 유로에 직교하는 방향으로 개폐됨으로써 통수 단면적을 증감하는 구조거나, 상기 수직축 수차의 회전축에 설치되어 상기 회전 익의 외주를 따라 개폐됨으로써 통수 단면적을 증감하는 구조인 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 하우징 내에 설치되어 상기 입수구의 개구면적을 점차 감소시켜 상기 유로 내의 물흐름을 증속시키는 증속패널이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 증속패널은 수직방향으로 끌어올릴 수 있는 수문, 수평방향으로 개폐 가능한 슬라이드 게이트, 또는 수직축을 중심으로 회전 가능한 회전게이트로 되어 있고, 상기 슬라이드 게이트 또는 상기 회전게이트를 열므로써 상기 유로 내의 물을 상기 하우징에 설치된 방류공으로부터 하우징 외부로 방류시킬 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 집수패널에는 개폐문비가 설치되고 상기 개폐문비를 열므로써 상기 수로의 상류 측의 월류수가 상기 하우징의 상기 유로를 통과하지 않고 상기 개폐문비를 통해 상기 수로의 하류 측으로 방류될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수직축 수차는 일축 또는 대향하여 배치되는 이축의 클로스플로우 수차인 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
   

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