KR101433559B1 - 수력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수차 깊이를 부력체로 조절함으로써 별도의 제어없이도 지속적인 발전을 할 수 있으며, 바 형상의 프레임을 후방으로 절곡된 구조로 구성함으로써 적은 부력으로 원하는 수위로 수차를 띄울 수 있으며 교각에 가해지는 충격을 줄일 수 있고, '∧' 형상의 가이드부재를 설치함으로써, 수차로 흐르는 유량을 조절하고 회전날개에 절개부가 형성된 탄성체를 구비함으로써, 부유물에 의한 충격을 흡수하여 파손을 최소화할 수 있는 수력발전장치에 관한 것이다.

Description

수력발전장치{Hydroelectric power plant}
본 발명은 수력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수차 깊이를 부력체로 조절함으로써 별도의 제어 없이도 지속적인 발전을 할 수 있으며, 바 형상의 프레임을 후방으로 절곡된 구조로 구성함으로써 적은 부력으로 원하는 수위로 수차를 띄울 수 있으며 교각에 가해지는 충격을 줄일 수 있고, '∧' 형상의 가이드부재를 설치함으로써, 수차로 흐르는 유량을 조절하고 회전날개에 절개부가 형성된 탄성체를 구비함으로써, 부유물에 의한 충격을 흡수하여 파손을 최소화할 수 있는 수력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수력 발전시스템은 크게 물을 가두어 방류시키면서 수차를 돌려 발전을 하는 댐식 발전(그 외 수로식 발전, 소수력 발전도 포함), 조석간만에 의한 해수위 변화에 따른 낙차를 이용한 조력발전, 해류의 흐름이나 조석간만의 차에 의해 발생되는 물의 흐름을 이용한 조류발전으로 구분할 수 있다.
그 중 시공이 용이하면서 시공비가 저렴한 교각을 이용한 발전장치가 출원된 바가 있다.
대한민국 공개특허 10-2005-0081573호에는 투하자본의 대소 및 물의 흐름에 따라 교각 상판에 설치된 여러 대의 발전기(10)와; 날개가 여섯개 내지 여덟개 또는 그 이상의 갯수로 제작하는 바람개비와; 바람개비의 날개가 1/2 내지 2/3 가 잠기도록 바람개비의 높이를 조절하기 위한 수면 위치 확인센서(13)와; 바람개비의 회전력을 발전기에 전달하기에 충분한 강도를 가진 강철로 만들어진 체인을 사용하는 동력 전달체인(20)과; 바람개비를 수위에 따라 위치를 조절하고 느슨해진 또는 부족한 체인길이를 조절하여 효율이 최대인 장력을 유지할 수 있도록 조절하도록 하는 동력 전달체인 길이 조절장치(21)와; 바람개비 회전시 회전축의 안정성을 이유로 부착된 바람개비 회전축 양끝에 달린 기어박스(22)와; 바람개비 양끝의 기어박스(22)를 교각에 정착하여 바람개비가 회전할 수 있도록 하고 바람개비 회전축이 흔들리는 것을 방지하며 또한 수면의 상하 이동에 따라 기어박스(22)의 위치를 상하로 이동할 수 있도록 만든 기어박스 정착장치(23);를 특징으로 하는 흐르는 물과 두 교각을 이용한 발전시스템이 개시되어 있다.
다만, 상기 공개특허는 양측 교각의 사이의 수면에 로터(수차)을 장치하여 물의 흐름이 발생되면 로터(수차)가 회전하여 발전을 하도록 한 것이 있다.
그렇지만, 이러한 발전장치는 교각 사이에 설치된 로터에 의해 선박의 통행은 전혀 이루어질 수 없을 뿐만 아니라 물의 흐름에 의해 떠내려가는 부유물에 의해 로터가 손상 내지 파손될 우려가 있다. 또한, 수위에 따라 항상 로터의 높낮이를 조절해 주어야 하는 번거로움이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수차 깊이를 부력체로 조절함으로써 별도의 제어없이도 지속적인 발전을 할 수 있는 수력발전장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 바 형상의 프레임을 후방으로 절곡된 구조로 구성함으로써 적은 부력으로 원하는 수위로 수차를 띄울 수 있으며 교각에 가해지는 충격을 줄일 수 있는 수력발전장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 '∧' 형상의 가이드부재를 설치함으로써, 수차로 흐르는 유량을 조절할 수 있는 수력발전장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 회전날개에 절개부가 형성된 탄성체를 구비함으로써, 부유물에 의한 충격을 흡수하여 파손을 최소화할 수 있는 수력발전장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수력발전장치는 이웃하는 두 개의 교각 사이에서 흐르는 물에 의해 회전되는 수차의 회전력을 전달받아 발전하는 것으로, 일단은 상기 교각에 회전가능하게 고정되고, 타단은 자유단으로 이루어지는 한 쌍의 프레임과; 상기 프레임의 타단에 횡방향으로 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에 구비되는 복수의 회전날개로 이루어지는 수차와; 상기 수차의 회전력을 전달받아 발전되는 발전기와; 상기 수차의 일부만 침수되도록 조절하는 수차깊이조절수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 프레임은 상기 교각에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 회전가능하게 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부에서 후방향으로 절곡되고 상기 회전축이 고정되는 제2지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 수차깊이조절수단은 상기 제2지지부에 설치되고 부력을 제공하여 수위에 관계없이 상기 수차의 회전날개의 일부만 침수되도록 하는 부력체인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 수차깊이조절수단은 상기 교각 또는 프레임에 설치되는 모터와, 일단은 상기 모터에 고정되고 타단은 상기 제2지지부에 고정되며 상기 모터의 작동에 의해 상기 제2지지부 또는 수차를 승강시키는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 수차깊이조절수단은 상기 제2지지부 또는 수차에 설치되어 상기 수차의 회전날개가 침수된 깊이 정보를 측정하고 송신하는 수위센서와, 상기 수위센서에서 송신한 정보를 수신하여 상기 회전날개가 미리 설정된 침수 깊이에 위치하도록 상기 모터의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 회전날개는 부유물에 의한 충격을 흡수하도록 외측 단부 영역이 탄성체로 이루어지며, 상기 탄성체에는 종방향의 절개부가 형성되어 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치의 프레임이 형성된 교각과 이웃하는 교각 사이에는 상기 수차로 유량이 집중될 수 있도록 '∧' 형상의 가이드부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 수력발전장치는 수차 깊이를 부력체로 조절함으로써 별도의 제어없이도 지속적인 발전을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치는 바 형상의 프레임을 후방으로 절곡된 구조로 구성함으로써 적은 부력으로 원하는 수위로 수차를 띄울 수 있으며 교각에 가해지는 충격을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치는 '∧' 형상의 가이드부재를 설치함으로써, 수차로 흐르는 유량을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수력발전장치는 회전날개에 절개부가 형성된 탄성체를 구비함으로써, 부유물에 의한 충격을 흡수하여 파손을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 측면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 수차를 도시하는 사시도, 종단면도 및 횡단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제어부에 의해 수차의 깊이를 조절하는 구성을 도시하는 블럭도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 평면도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 수력발전장치의 일실시예를 도시하는 측면도이다.
그리고 도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 수차를 도시하는 사시도, 종단면도 및 횡단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 제어부에 의해 수차의 깊이를 조절하는 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수력발전장치(100)는 교량에 설치되는 수차(110)의 회전력을 전달받아 발전하는 것으로서, 크게 프레임(101)과, 수차(110)와, 발전기(130)와, 수차깊이조절수단을 포함할 수 있다.
상기 프레임(101)은 교대와 교각(13)으로 이루어지는 하부구조 또는 상기 하부구조 상에 설치되는 상부구조(15)에 모두 설치할 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 프레임이 하부구조 중 교각에 설치되는 것을 중심으로 설명한다.
구체적으로 상기 프레임(101)은 교각(13)에 고정되는 고정부(103)와, 상기 고정부(103)에 회전가능하게 결합하는 제1지지부(105)와, 상기 제1지지부(105)에서 후방향으로 절곡되고 상기 회전축(111)이 고정되는 제2지지부(107)를 포함할 수 있다.
상기 고정부(103)는 상기 프레임(101)을 교각(13)에 고정하는 역할을 하는 것으로서, 이웃하는 교각(13)과 교각(13) 사이에 설치되는 파이프부재인 것을 예시할 수 있으나, 각 프레임(101)을 해당 교각에 직접 고정하도록 구성할 수 있다.
상기 프레임(101)은 상기 수차(110)를 고정 내지 지지하는 것으로서, 한 쌍이 형성되는 것을 예시할 수 있다.
상기 제1지지부(105)는 일단은 상기 고정부(103)에 회전가능하게 결합하고, 타단은 상기 제2지지부(107)와 연결된다.
상기 제2지지부(107)는 일단은 상기 제1지지부(105)에 연결되고, 타단은 상기 수차(110)에 결합된다.
상기 제1지지부(105)와 제2지지부(107)는 일체로 형성되어 움직이지 않도록 고정될 수도 있고, 힌지 결합하여 제2지지부(107)가 회전하도록 구성할 수도 있다.
상기 제2지지부(107)는 상기 제1지지부(105)에서 물이 흐르는 방향으로 소정 각도로 꺽인 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제1지지부(105)와 제2지지부(107)가 일체로 형성된 경우, 상기 제1지지부(105) 및 제2지지부(107)는 물이 흐르는 방향 쪽으로 이동하게 된다. 이때, 상기 제2지지부(107)가 꺽이지 않고 제1지지부(105)와 일직선으로 배치되면 무게중심이 고정부(103)의 직하방으로 작용하여 많은 부력이 필요하게 된다.
그러나 상기 제2지지부(107)를 꺽인 구조로 배치하게 되면 무게 중심이 후방으로 이동하기 때문에 적은 부력으로도 수차(110)를 띄울 수 있으며, 수차(110)가 침수되는 깊이를 보다 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있기 때문이다.
그리고 상기 제2지지부(107)가 상기 제1지지부(105)에 회전가능하게 결합하는 경우에도 물의 흐름에 의해 상기 제2지지부(107)가 후방으로 이동하기 때문에 무게중심도 후방으로 이동하게 된다.
상기 수차(110)는 흐르는 물에 의해 회전력을 발생시키는 역할을 하는 것으로서, 크게 회전축(111)과 회전날개(115)로 이루어질 수 있다.
상기 회전축(111)은 한 쌍의 프레임(101), 구체적으로 한 쌍의 제2지지부(107)에 횡방향으로 결합한다.
상기 회전축(111)에는 발전기(130)로 회전력을 전달할 수 있도록 벨트(B)가 설치되는 것이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 체인, 기어 등 다양한 방식의 동력전달수단을 이용할 수 있다.
상기 발전기(130)는 상기 프레임, 구체적으로 제2지지부에 고정되는 것을 예시할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 회전날개(115)는 상기 회전축(111)에 복수 개가 형성된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 회전날개(115)는 회전축(111)에 결합되는 심재(116)와, 적어도 심재(116)의 외측 단부에 형성되는 탄성체(117)로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 심재(116)는 경질의 소재, 금속, FRP(fiber reinforced plastics)와 같은 플라스틱으로 이루어지는 것을 예시할 수 있다. 도면에서는 심재가 판 형상인 것으로 도시되어 있으나, 복수의 리브(rib)의 결합으로 구성될 수도 있음은 물론이다.
상기 탄성체(117)(예를 들어, 고무)에는 적어도 하나의 절개부(118)가 형성될 수 있으며, 상기 절개부(118)는 회전축(111)에 대하여 직교하는 방향으로 형성되는 것을 예시할 수 있다.
상기 회전날개(115)를 뼈대 역할을 하는 심재(116)와 탄성체(117)로 구분하여 구성함으로써, 회전을 원활하게 함과 동시에 상기 탄성체가 부유물이나 강한 물살 등의 외부 충격을 흡수할 수 있다.
그리고 상기 절개부(118)가 형성된 탄성체(117)로 인해 회전날개(115)가 부유물에 의해 걸리더라도 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 수차깊이조절수단은 상기 프레임(101)에 고정되는 부력체(140)를 예시할 수 있다.
상기 부력체(140)는 제2지지부에 설치되고 부력을 제공하여 수위에 관계없이 상기 회전날개(115)의 일부만 침수되도록 하는 것이다.
상기 부력체(140)는 수차(110)로 유입되는 물의 흐름을 방해하지 않도록 상기 프레임(101)의 외측에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 수차깊이조절수단은 상기 교각(13) 또는 프레임(101)에 설치되는 모터(150)와, 일단은 상기 모터(150)에 고정되고 타단은 상기 제2지지부(107)에 고정되며 상기 모터(150)의 작동에 의해 상기 제2지지부(107) 또는 수차(110)를 승강시키는 와이어(155)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 모터(150)는 수위에 관계없이 수차(110)의 회전날개(115)가 회전력을 충분히 발휘할 수 있는 침수깊이로 유지될 수 있도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기 수차깊이조절수단은 상기 제2지지부(107) 또는 수차(110)에 설치되어 상기 회전날개(115)가 침수된 깊이 정보를 측정하고 송신하는 수위센서(151)와, 상기 수위센서(151)에서 송신한 정보를 수신하여 상기 회전날개(115)가 미리 설정된 침수 깊이에 위치하도록 상기 모터(150)의 작동을 제어하는 제어부(153)를 더 포함할 수 있다.
상기 수위센서(151)는 종방향으로 복수 개가 설치되어 수위를 정확하게 판단할 수 있으며, 상기 수위센서(151)는 일반적으로 알려진 구성에 해당하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 수위센서(151)는 유무선 방식으로 상기 제어부(153)와 통신할 수 있다.
상기 모터(150)에 의해 와이어(155)가 감기고 풀리는 작용을 통해 제2지지부(107) 내지 수차(110)가 승강하게 된다.
상기 모터(150) 및 와이어(155)는 부력체(140)와 함께 설치할 수 있으며, 부력체(140)의 부력이 약한 경우 이를 보충하고, 상기 수차(110)의 높이를 보다 정확하게 보정하는 역할을 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수력발전장치(100)는 수차가 형성된 구간으로 유량이 집중될 수 있도록 가이드부재(170)를 추가적으로 설치할 수 있다.
상기 가이드부재(170)는 '∧' 형상으로 이루어질 수 있으며, 두 교각(13) 사이에 결합하는 것을 예시할 수 있다. 그리고 도시하지 않았으나 상기 가이드부재(170)는 승강 가능한 구조로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 수력발전장치 101 : 프레임
103 : 고정부 105 : 제1지지부
107 : 제2지지부 110 : 수차
111 : 회전축 115 : 회전날개
116 : 심재 117 : 탄성체
118 : 절개부 130 : 발전기
140 : 부력체 150 : 모터
151 : 수위센서 153 : 제어부
155 : 와이어 170 : 가이드부재
13 : 교각 15 : 상부구조

Claims (7)

  1. 이웃하는 두 개의 교각 사이에서 흐르는 물에 의해 회전되는 수차의 회전력을 전달받아 발전하는 수력발전장치에 있어서,
    일단은 상기 교각에 회전가능하게 고정되고, 타단은 자유단으로 이루어지는 한 쌍의 프레임과; 상기 프레임의 타단에 횡방향으로 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에 구비되는 복수의 회전날개로 이루어지는 수차와; 상기 수차의 회전력을 전달받아 발전되는 발전기와; 상기 수차의 일부만 침수되도록 조절하는 수차깊이조절수단;을 포함하되,
    상기 회전날개는 회전축에 결합되는 판 형상의 심재와, 상기 심재를 둘러싸는 탄성체로 이루어지되,
    상기 탄성체의 외측 단부에는 상기 심재의 외측 단부까지 V자 형상으로 요입되는 절개부가 형성되며,
    상기 프레임이 형성된 교각과 이웃하는 교각 사이에는 상기 수차로 유량이 집중될 수 있도록 '∧' 형상의 가이드부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은,
    상기 교각에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 회전가능하게 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부에서 후방향으로 절곡되고 상기 회전축이 고정되는 제2지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수차깊이조절수단은,
    상기 제2지지부에 설치되고 부력을 제공하여 수위에 관계없이 상기 수차의 회전날개의 일부만 침수되도록 하는 부력체인 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수차깊이조절수단은,
    상기 교각 또는 프레임에 설치되는 모터와, 일단은 상기 모터에 고정되고 타단은 상기 제2지지부에 고정되며 상기 모터의 작동에 의해 상기 제2지지부 또는 수차를 승강시키는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수차깊이조절수단은,
    상기 제2지지부 또는 수차에 설치되어 상기 수차의 회전날개가 침수된 깊이 정보를 측정하고 송신하는 수위센서와, 상기 수위센서에서 송신한 정보를 수신하여 상기 회전날개가 미리 설정된 침수 깊이에 위치하도록 상기 모터의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
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