KR-20260060482-A - Micro-hydro power generation system using water flow

Abstract

본 발명은 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 있어서, 상기 시스템은 물살에 의한 저항력과 양력, 와류 난류에도 안정적으로 회전 가능하도록 다수의 나선형 회전날개를 갖는 듀얼 수차가 서로 반대로 회전하는 한 쌍의 헬리컬 수차(100)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 수중에서 안정적으로 지지하고 하나 이상으로 고정 장착 가능한 지지프레임(200)과; 상기 지지프레임(200)에 고정 장착되며, 조류 또는 수류를 따라 유동되는 슬러지의 부착을 걸려내고 유체의 흐름을 양분하여 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)로 유입 및 유출시킴과 동시에 회전 관성력을 높여 수차의 안정적인 회전을 돕는 한 쌍의 가이드(300)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 높은 토크(Torque)와 발전기의 고속 회전수를 정합시키는 기어박스(400)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 지속적이고 안정적인 회전에 의해 교류(AC) 전기를 생산하고 제어하는 제어수단(510)을 갖는 발전모듈(500)과; 상기 발전 시스템을 수중에 설치하거나 고장수리 및 정비 시 부양체 상부로 부양시키는 공기부양체(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템을 구현함으로써, 물살에 의한 항력과 와류에 의한 양력을 모두 이용하는 에너지 전환 효율이 높고 난류와 급류에도 안정적인 발전과 고장수리 및 정비가 가능한 효과가 있다.

Inventors

• 한영환

Assignees

• (주)한정에너지

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241024

Claims (7)

1. 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 있어서, 상기 시스템은 물살에 의한 저항력과 양력, 와류 난류에도 안정적으로 회전 가능하도록 다수의 나선형(Helical Type) 회전날개(Rotor Blade)를 갖는 듀얼 수차(Dual turbine)가 서로 반대로 회전하는 한 쌍의 헬리컬 수차(A Pair of Helical Turbine, 100)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 수중에서 안정적으로 지지하고 하나 이상으로 고정 장착 가능한 지지프레임(Support Frame, 200)과; 상기 지지프레임(200)에 고정 장착되며, 조류 또는 수류를 따라 유동되는 슬러지(Sludge)의 부착을 걸려내고 유체의 흐름을 양분하여 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)로 유입 및 유출시킴과 동시에 회전 관성력(Rotational Inertial Force)을 높여 수차의 안정적인 회전을 돕는 한 쌍의 가이드(A Pair of Guide, 300)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 높은 토크(Torque)와 발전기의 고속 회전수를 정합(Adjustment)시키는 기어박스(Gearbox, 400)와; 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 지속적이고 안정적인 회전에 의해 교류(AC) 전기를 생산하고 제어하는 제어수단(510)을 갖는 발전모듈(Power Generation Module, 500)과; 상기 발전 시스템을 수중에 설치하거나 고장수리 및 정비 시 부양체 상부로 부양시키는 공기부양체(Air Pipe, 600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)는, 상기 지지프레임(200)에 장착되며, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 회전날개를 고정 지지하고 회전시키기 위한 회전축(Rotation Axis, 110)과, 상기 회전축(110)에 고정 장착되며, 조류 또는 수류의 저항력과 양력, 와류, 난류에도 회전 대응이 가능하도록 120°위상각을 갖고 3엽의 나선형(Helical Type)으로 가공 제작되는 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)와, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)가 유체의 흐름에 따라 서로 반대로 회전이 가능하도록 연동시키는 평기어(Flat Gear)로 가공 제작되는 연동수단(Linkage Means, 130)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지프레임(200)은, 조류환경 또는 수류환경과 발전량의 증가에 따라 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 하나 이상으로 수직 또는 수평으로 장착이 가능한 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 지지프레임(200)은, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 고정 장착 가능하며, 고장수리 및 정비(Repair and Maintenance)를 위해서는 탈부착이 가능한 브라켓(Bracket, 210)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 가이드(300)는, 유체의 흐름 방향을 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)로 양분하고 슬러지를 걸려내는 유선형의 프론트 가이드(Front Guide, 310)와, 상기 유선형 프론트 가이드(310)와 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 경유한 유체의 흐름 방향에 따른 수차의 회전 관성력을 높이기 위해 상기 프론트 가이드(310) 보다 더 큰 단면적을 갖는 백 가이드(Back Guide, 320)가 각각 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 기어박스(400)는, 상기 한 쌍의 3엽 헬리컬 수차(100)의 높은 토크와 상기 발전모듈(500)의 발전기의 고속 회전수를 정합(Adjustment)시키기 위해 상기 기어박스(400) 내부에 다수개의 크고 작은 다수개의 평기어(Flat gear)를 갖는 기어모듈(Gear Module, 410)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 공기부양체(600)는, 일정한 규격을 갖고 공기주입이 가능한 한 쌍의 파이프(A Pair of Pipe, 610)와, 상기 한 쌍의 파이프(610) 상부에 고정 장착되며, 수중에 설치된 상기 발전 시스템을 상기 한 쌍의 파이프(610)와 수직 또는 수평으로 승강시키기 위한 승강고리(621)와 승강로프(622)를 갖는 제1 승강수단(620)과, 상기 제1 승강수단(620)과 연동하여 상기 발전 시스템을 상기 한 쌍의 파이프(610)의 상부로 인양시켜 후, 수평상태를 유지시키기 위한 힌지수단(640)과 시스템 제어부(650)을 갖는 제2 승강수단(630)이 각각 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수류를 이용한 소수력 발전 시스템.

Description

수류를 이용한 소수력 발전 시스템{Micro-hydro power generation system using water flow} 본 발명은 소수력 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 나선형 블레이드를 갖고 서로 반대로 회전 가능한 한 쌍의 헬리컬 수차와, 수차의 회전관성력을 돕는 유선형의 가이드 및 수차를 다단계로 장착시키는 지지프레임 및 공기부양체를 통해 조류와 수로에서 발전이 가능하도록 한 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 관한 것이다. 일반적으로, 수류발전방식은, 별도의 댐이나 축저지와 같은 시설이 없이 해수의 유동에 의한 운동 에너지를 이용하거나 강, 하천 등에서 흐르는 물의 흐름을 이용하여 물이 흐르는 방향과 속도를 활용하여 수중 터빈(또는 수중 수차)을 돌려 전기에너지를 생산한다. 또한 수류발전방식은 수중 터빈의 회전 방향에 따라 한 방향으로 흐르는 곳에 유리한 수평축 수류발전방식과 해양의 조류처럼 흐름이 변화하는 곳에 유리한 수직축 수류발전방식으로 구분된다. 이러한 수류발전방식은 물의 낙차를 이용한 수력발전방식에 비해 댐이나 축저지가 필요 없고, 선박이나 어류의 이동에 영향을 끼치지 않는다는 점에서 더 친환경적이며, 물리적 흐름을 이용하기 때문에 탄소 배출이 없을 뿐만 아니라, 지속 가능한 에너지를 제공할 수 있다. 한편, 도 1의 (가)를 참조하여, 수류발전방식에 이용 가능한 본 발명인에 의해 제안된 KR 제10-1740712호(2017.05.22.)에 의하면, 일정 두께의 반원형 또는 원호형상의 원주면으로 이루어지고, 원주면을 따라 일정 길이와 간격으로 원주면이 관통되도록 하여 통수홀을 형성하는 날개 바디; 상기 날개 바디의 내주면 양단부에 각각 부착되는 부력체; 상기 날개 바디의 통수홀측 양측 부력체의 단부에는 각각의 일단이 부착되도록 하고, 내경의 중심측으로 구비되는 타단간 밀착되며, 내부에는 심재가 매설되도록 하여 복원력을 갖도록 하는 탄성체 판막으로 이루어지는 수류 발전장치의 수차용 블레이드가 개시되어 있다. 그러나 상기 특허기술은 해양이나 하천 등에 설치할 경우, 회전날개 바디에 형성된 다수개의 통수홀로 인해 수류를 따라 유입되는 각종 슬러지 등이 상기 통수홀에 겹겹이 쌓여서 수차의 회전을 방해하는 문제점이 있었다. 또한, 도 1의 (나)를 참조하여, 본 발명인에 의해 제안된 KR 제10-1774232호(2017.08.29.)에 의하면, 상하로 고정된 제1축; 상기 제1축에 지지되고, 유선형이며, 유체에 대응하여 배치되도록 상기 제1축을 중심으로 회전 가능한 본체; 일부가 상기 본체에 수용되고 나머지 일부가 상기 본체의 외부로 노출 또는 돌출되며 복수 개가 구비되는 블레이드 모듈; 및 상기 본체에 설치되고 상기 블레이드 모듈의 회전에 의해 발전 가능한 발전 모듈;을 포함하고, 상기 블레이드 모듈은, 상기 본체에 상하로 고정된 제2축; 유체에 의해 상기 제2축을 중심으로 회전가능하고 상기 유체가 접촉하는 부분에 따라 저항이 다르도록 반원기둥으로 형성된 블레이드부; 서로 이웃하는 상기 블레이드부를 연동시키는 연동수단; 및 상기 블레이드부에 장착되고 적어도 일부가 상기 유체에 대응하여 일방향으로 확장되는 가요성의 판막편; 을 포함하는 소형 수차가 개시되어 있다. 그러나 상기 특허기술의 경우 반원기둥으로 형성된 블레이드부에 장착된 복수개의 판막편은 유체의 흐름에 의해 저항을 받아 블레이드부를 회전시키거나 블레이드부가 휘어지는 것을 방지할 수는 있지만, 수류를 따라 유입되는 각종 슬러지 등이 상기 판막편에 겹겹이 쌓여서 수차의 회전을 방해하는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해소하기 위해 필터 망을 블레이드부 전단에 설치할 수 있으나, 필터 망에 슬러지가 쌓일 경우 유체의 흐름 속도를 지연시켜 블레이드부의 회전을 방해할 수 있는 문제점은 여전히 지적되고 있었다. 도 1 (가) 및 (나)는 종래기술을 나타낸 도면 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 핵심 기술적 구성을 나타낸 도면 도 3은 상기 도 2에 대한 유체의 방향에 따른 프론트 가이드와 백 가이드의 위치를 설명하기 위한 도면 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 한 쌍의 헬리컬 수차의 구성을 구체적으로 나타낸 도면 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 연동수단을 나타낸 도면 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 한 쌍의 헬리컬 수차를 지지프레임에 장착시킨 모습을 나타낸 도면 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 한 쌍의 헬리컬 수차를 지지프레임과 브라켓에 장착시킨 모습을 나타낸 도면 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 기어박스와 발전 모듈을 나타낸 도면 도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 발전 시스템을 부양체에 장착시킨 모습을 나타낸 도면 도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 수중 발전 시스템의 고장수리 및 정비를 위해 부양체에 인양시킨 모습을 나타낸 도면 도 11 및 도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 테스트용 시제품 실물사진 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가하면서, 같은 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래 기술과 같은 부호가 표시되더라도 종래 기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명하면서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 자세한 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 상세한 설명은 생략한다. 도 2 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수류를 이용한 소수력 발전 시스템에 대한 핵심 기술적 구성은, 크게는 한 쌍의 헬리컬 수차(A Pair of Helical Turbine, 100)와 지지프레임(Support Frame, 200), 한 쌍의 블레이드(A Pair of Blade, 300), 기어박스(Gearbox, 400), 발전모듈(Power Generation Module, 500) 및 공기부양체(Air Pipe, 600)로 이루어진다. 먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 한 쌍의 헬리컬 수차(A Pair of Helical Turbine, 100)는, 물살에 의한 항력과 와류에 의한 양력 등을 받아 회전하는 수단으로, 물살에 의한 항력과 양력, 와류 난류에도 안정적으로 회전 가능하도록 다수의 나선형(Helical Type) 회전날개(Rotor Blade)를 갖는 듀얼 수차(Dual turbine)가 서로 반대로 회전하는 수단이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)는, 상기 지지프레임(200)에 장착되며, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)의 회전날개를 고정 지지하고 회전시키기 위한 회전축(Rotation Axis, 110)과 상기 회전축(110)에 고정 장착되며, 조류 또는 수류의 저항력과 양력, 와류, 난류에도 회전 대응이 가능하도록 120°위상각을 갖고 3엽의 나선형(Helical Type)으로 가공 제작되는 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)와 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)가 유체의 흐름에 따라 서로 반대로 회전이 가능하도록 연동시키는 평기어(Flat Gear)로 가공 제작되는 연동수단(Linkage Means, 130)이 더 포함될 수 있다. 여기서 상기 3엽(또는 3개의 블레이드)의 나선형(Helical Type)으로 가공 제작되는 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)는 유체가 가압되는 항력뿐만 아니라, 양력과 와류 및 난류에 의한 가압력까지 더해져 회전력을 크게 형성함으로써, 상기 발전모듈(500)의 발전 효율은 더욱 높아질 수 있는 특징이 있다. 또한 상기 3엽의 나선형(Helical Type)으로 가공 제작되는 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)는 상기 한 쌍의 가이드(A Pair of Guide, 300)의 프론트 가이드(Front Guide, 310)을 통해 양분된 유체의 가압력을 받아 안정적으로 회전될 뿐만 아니라 가압된 유체는 상기 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)에 형성된 나선형 곡률반경을 통해 물 넘김이 용이하여 회전방해가 전혀 발생하지 않는 특징이 있다. 또한 상기 한 쌍의 가이드(A Pair of Guide, 300)의 백 가이드(Back Guide, 320)를 통해서는 상기 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)를 경유한 유체를 끌어당기는 견인력으로 더욱 안정적인 회전관성력을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 3엽의 나선형으로 가공 제작되는 회전날개(120a~120c)의 회전에 의해 해양에서의 조류 또는 강이나 하천, 계곡에서의 수류에 포함되는 슬러지(Sludge)가 상기 회전날개(Rotor Blade, 120a~120c)에 걸리는 종래기술과 같은 문제점을 해소할 수 있는 독특한 특징이 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3엽(또는 3개의 블레이드)의 나선형(Helical Type)으로 가공 제작되는 회전날개(120a~120c)는, 3개의 블레이드에 한정되지 않고 해양에서의 조류 환경이나 강이나 하천, 계곡의 수류 환경에 따라 다수개로 가공 제작될 수 있다. 다음은, 도 2와 도 3, 도 6 및 도 7을 참조하여, 지지프레임(Support Frame, 200)은, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 안정적으로 지지하고 고정 장착시키는 수단으로, 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 수중에서 안정적으로 지지하고 하나 이상으로 고정 장착 가능한 수단이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 지지프레임(200)은, 해양에서의 조류환경 또는 강이나 하천, 계곡에서의 수류환경과 발전량의 증가에 따라 상기 한 쌍의 헬리컬 수차(100)를 하나 이상으로 수직 또는 수평으