KR200309923Y1 - The power generating system of barge method utilizing the fluid velocity - Google Patents
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Abstract
본 고안은 유속을 이용하는 발전 시스템과 관련된다.The present invention relates to a power generation system using flow velocity.
본 고안의 시스템은 상하 이동이 가능한 타워(11)와 타워(11)의 하단에 설치된 프로펠러형 수차(15)와 수차(15)에 설치된 다수의 프로펠러와 동력을 전달하는 저속 축(240), 유성 기어(242), 고속 축(242), 터빈을 구비한 소형발전기(243)를 포함하고, 전력은 케이블(11)을 통하여 수배전실(12)로 전달되고 상기 타워(11)와 수차(15)의 결합부분에는 요-드라이브(yaw-drive)가 설치되고 전체적인 제어는 다기능 제어 시스템(244)에 의해서 제어된다.The system of the present invention is a propeller-type aberration 15 and a propeller-type aberration 15 installed in the lower end of the tower 11 and the low-speed shaft 240 for transmitting power and planetary, planetary A small generator 243 having a gear 242, a high speed shaft 242, and a turbine, the electric power of which is transmitted to the power distribution chamber 12 through a cable 11, and the tower 11 and the aberration 15. A yaw-drive is installed at the coupling portion of the control unit, and overall control is controlled by the multifunction control system 244.
상기와 같은 구성을 가지는 본 고안은 기존의 수차와는 달리 별다른 낙차를 필요로 하지 않고 다만 충분한 유속과 수심만을 필요로 하기 때문에 토목공사의 비용을 절감할 수 있으며, 기존의 화력 발전소, 원자력 발전소, 화학 공장이나 제철 공장과 같은 대량의 냉각수를 사용하는 곳에서 버려지는 냉각수를 활용하여 수력 발전에 이용할 수 있다. 또한 유속이 빠른 강물이나 바다의 조류를 활용하여 화력 발전소나 원자력 발전소에 버금가는 대규모 에너지를 생산할 수 있는 대체 에너지로 활용될 수 있다.The present invention having the configuration as described above does not require a drop, unlike the existing aberration, but only a sufficient flow rate and depth can reduce the cost of civil engineering, existing thermal power plants, nuclear power plants, Cooling water that is thrown away in places that use large amounts of cooling water, such as chemical plants and steel mills, can be used for hydroelectric power generation. In addition, it can be used as an alternative energy that can produce large-scale energy equivalent to a thermal power plant or a nuclear power plant by using a high-speed river or sea current.
Description
본 고안은 발전 시스템과 관련된다. 구체적으로 유체, 특히 그 중에서도 물의 흐름 속도를 이용하는 발전 시스템과 관련된다. 일반적으로 대부분의 발전 시스템은 수력 및 화력과 원자력 등을 이용하며, 때로는 풍력이나 조력 또는 태양열 등을 이용하는 경우가 있지만 전체 발전량과 비교할 때 극히 미미한 양이다. 본 고안은 유체의 흐름을 이용하는 발전시스템으로서 바다 또는 하천 등에서 형성된 유체의 흐름을 발전의 원천으로 사용한다. 즉 유체가 가진 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템이다. 화력 발전소나 원자력 발전소 등과 같이 열을 이용하는 대형 플랜트의 경우 주요 기계 및 부품의 안전을 위하여 대량의 냉각수가사용되고 있다. 이때 사용되는 냉각수는 주로 바닷물이나 강물을 펌프로 끌어올린 후 냉각수로 사용한 후에 자연/강제 순환 방식에 의하여 다시 강이나 바다로 방류된다. 이와 같은 경우 사용되는 냉각수는 적당한 시스템을 사용하여 발전의 원천으로 사용될 수 있을 것이다. 냉각수를 이용하는 발전 시스템으로서 가능한 것이 수력 발전시스템이 있으나 수력 발전 시스템은 충분한 낙차를 필요로 하고 냉각수가 방류되는 방수로는 대부분이 완만한 경사를 유지하는 것이 필요하기 때문에 실제로는 수력 발전 시스템을 이용하는데 있어 장애가 된다. 이와 같이 대형 플랜트의 냉각수를 활용하여 수력발전으로 적절하게 이용하기 위해서는 큰 낙차를 만들 수 있도록 방류되는 방수로의 유로를 변경시키지 않는 한편 댐과 같은 환경에 변화를 줄 수 있는 설비를 필요로 하지 않는 발전시스템이 요구된다. 본 고안은 이와 같은 경우에 발전을 위하여 활용될 수 있는 시스템과 관련된다.The present invention relates to a power generation system. In particular it relates to power generation systems which utilize the flow rate of a fluid, in particular water. In general, most power generation systems use hydro, thermal and nuclear power, and sometimes wind, tidal or solar power, but they are very small compared to the total generation. The present invention is a power generation system using the flow of fluid uses the flow of fluid formed in the sea or river as a source of power generation. In other words, it is a system for converting kinetic energy of a fluid into electrical energy. In large plants that use heat, such as thermal or nuclear power plants, a large amount of cooling water is used for the safety of major machinery and components. In this case, the cooling water used is mainly pumped up by sea water or river water, and then used as cooling water, and then discharged back to the river or the sea by a natural / forced circulation method. In this case the cooling water used may be used as a source of power generation using a suitable system. There is a hydroelectric power generation system that can be used as a power generation system using cooling water. However, since a hydroelectric power generation system needs a sufficient drop of water and most of the waterproof paths where the cooling water is discharged need to maintain a gentle slope, it is actually necessary to use a hydroelectric power generation system. It becomes an obstacle. Thus, in order to properly use hydropower by utilizing the cooling water of a large plant, power generation that does not require a facility that can change the environment such as a dam without changing the flow path of the discharged spillway to create a large drop. System is required. The present invention relates to a system that can be utilized for power generation in such cases.
본 고안은 기존의 대형 플랜트의 냉각수를 활용하여 수력발전에 이용하기 위한 것으로서 종래에 사용되는 수력 발전시스템과는 달리 별도의 배관 공사나 수로 공사 등을 필요로 하지 않으며 냉각수의 흐름을 크게 변화시키지 않는 발전시스템이다. 또한 본 고안은 낙차를 이용하는 기존의 수력 발전과는 달리 물의 위치에너지를 이용하는 것이 아니라 유체의 이동으로 인한 유체의 운동에너지를 이용하는 발전시스템이다. 유체 중에서도 특히 물의 운동에너지를 이용하는 본 고안은 아래와 같은 목적을 가진다.The present invention is for use in hydroelectric power generation by utilizing the cooling water of the existing large-scale plant. Unlike the conventional hydroelectric power generation system, it does not require a separate piping work or waterway work, and does not change the flow of the coolant significantly. It is a power generation system. In addition, the present invention is a power generation system using kinetic energy of the fluid due to the movement of the fluid, not using the potential energy of the water, unlike the existing hydroelectric power generation using the drop. In particular, the present invention using kinetic energy of water has the following purpose.
첫째, 본 고안은 유체의 운동으로 인하여 발생하는 유체의 운동에너지 그 중에서도특히 물의 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 목적으로 한다. 유체의 운동에너지를 이용하는 발전 시스템으로는 풍력 발전기가 있지만 풍력 발전기는 설치 장소 등이 제한되며 특히 필요한 속력을 가진 바람이 항상 설치된 장소에서 발생하는 것이 아니므로 효율성이 문제가 된다. 또한 물을 이용하는 발전 시스템으로는 수력 발전 시스템과 조력 발전 시스템 등이 있지만 이러한 발전 시스템은 물의 위치 에너지를 이용하는 것으로서 필요한 낙차를 발생시킬 수 있는 장소에 제한된다는 입지적 조건과 수력 발전 시스템의 경우 댐의 건설 등으로 인하여 인위적인 자연 환경에 따른 문제점이 발생하며 또한 조력 발전 시스템의 경우에는 발전량이 상당히 제한된다는 문제점을 지닌다. 본 고안은 물의 낙차를 이용하는 것이 아니라 물의 이동으로 인한 운동에너지를 이용하는 발전시스템으로서 수력 발전이나 조력 발전과는 달리 입지 조건에 대한 제한이 상당히 완화되며 또한 환경에 미치는 영향이 크지 않다.First, the present invention aims at a power generation system for converting kinetic energy of a fluid generated from the motion of a fluid, in particular, kinetic energy of water into electrical energy. As a power generation system using kinetic energy of a fluid, a wind generator is used. However, a wind generator is limited in the installation place, and the efficiency is a problem because the wind with the required speed does not always occur in a place where it is always installed. In addition, there are hydroelectric power systems and tidal power generation systems using water, but such a power generation system uses the potential energy of water and is limited to a place where a necessary drop can be generated. Due to construction, there are problems caused by artificial natural environment, and in the case of tidal power generation system, the amount of power generation is considerably limited. The present invention is a power generation system using kinetic energy due to the movement of water instead of using a drop of water. Unlike hydroelectric or tidal power generation, the restriction on the location conditions is considerably relaxed and the environmental impact is not great.
둘째, 본 고안은 다른 발전 시스템에 비하여 효율적인 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 유체의 흐름을 이용하는 또 다른 발전 시스템으로는 풍력 발전 시스템이 있지만 물은 바람에 비하여 훨씬 밀도가 높으므로 단위 부피 당 운동 에너지가 바람에 비하여 훨씬 크며 따라서 발전 효율이 높다. 본 고안에서는 물의 운동 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 프로펠러 형 수차를 사용한다. 본 고안에서 사용되는 프로펠러 형 수차는 물의 운동에너지를 충분히 이용하기 위하여 구조적인 변경을 가하고 실험에 의하여 가장 효율적인 프로펠러의 프로펠러의 수를 결정한다. 이와 같은 방식으로 제작된 프로펠러는 본 고안에 따른 시스템의발전 효율을 다른 발전 시스템에 비하여 훨씬 높아지는 것을 가능하도록 한다.Secondly, the present invention aims to provide an efficient power generation system compared to other power generation systems. Another power generation system that uses the flow of fluid is the wind power generation system, but since water is much denser than wind, the kinetic energy per unit volume is much greater than that of wind and thus the power generation efficiency is high. In the present invention, propeller-type aberration is used to efficiently use the kinetic energy of water. The propeller-type aberration used in the present invention is a structural change in order to make full use of the kinetic energy of water, and determines the most efficient propeller number by experiment. The propeller manufactured in this way enables the power generation efficiency of the system according to the present invention to be much higher than other power generation systems.
셋째, 본 고안은 입지 조건에 대한 제한이 완화된 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 기존의 수력 발전 시스템이나 조력 발전 시스템은 필요한 낙차를 제공할 수 있는 장소에서만 설치될 수 있다. 그러나 본 고안에 따른 발전 시스템은 필요한 유속이 존재하는 장소이면 어느 곳이나 설치될 수 있다. 강이나 하천 또는 바다의 조류 등 유속이 존재하는 곳이면 본 고안에 따른 발전 시스템이 설치될 수 있다. 또한 기존 프랜트에서 냉각수가 방류되는 곳 등에 설치하여 화력 발전 시스템이나 수력 발전 시스템 또는 원자력 발전 시스템과 동시에 운용하는 것도 가능하다.Third, the present invention aims to provide a power generation system in which restrictions on location conditions are relaxed. Existing hydroelectric or tidal power systems can only be installed where they can provide the required drop. However, the power generation system according to the present invention can be installed anywhere where the required flow rate exists. If there is a flow rate such as a river or river or tidal current of the sea, the power generation system according to the present invention can be installed. In addition, it can be installed at the place where the coolant is discharged from the existing plant and operated simultaneously with the thermal power generation system, the hydroelectric power generation system or the nuclear power generation system.
넷째, 본 고안은 전체 시스템의 설치비용이 저렴한 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 고안에 따른 발전 시스템은 프로펠러 형 수차를 사용하며 프로펠러 형 수차는 크기가 소형이다. 입지 조건 상으로 가능하고 또한 대용량의 발전이 필요한 경우에는 프로펠러 형 수차의 수를 증가시키는 것에 의하여 필요한 발전이 가능하며 또한 유량이 소량인 경우에는 수차의 수를 그에 따라 조절하여 발전량 또는 입지조건에 적절하게 발전량을 조절할 수 있다. 또한, 프로펠러 형 수차의 프로펠러 크기를 조절함으로서 이러한 조절이 가능하다. 위와 같은 소형으로 만들어진 프로펠러 형 수차를 이용함으로서 필요에 따라 프로펠러 형 수차의 수를 조절하여 전체적으로 시스템의 설치비용을 감소시킬 수 있다.Fourthly, the present invention aims to provide a power generation system with low installation cost of the entire system. The power generation system according to the present invention uses a propeller-type aberration, and the propeller-type aberration is small in size. If it is possible in terms of the location conditions and if a large amount of power generation is required, the required power generation is possible by increasing the number of propeller-type aberrations, and in the case of a small flow rate, the number of aberrations is adjusted accordingly to suit the power generation or location conditions. Can regulate the amount of power generated. This adjustment is also possible by adjusting the propeller size of the propeller type aberration. By using such a small propeller-type aberration, it is possible to reduce the installation cost of the system as a whole by adjusting the number of propeller-type aberrations as necessary.
다섯째, 본 고안은 효율적인 유체의 이동을 이용할 수 있는 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 고안에서는 운동 에너지의 효율적인 이용을 위하여 유량 조절용 가이드 베인, 상하 이동형 타워 및 개선된 프로펠러 형 수차 등을 사용한다. 유량 조절용 가이드 베인은 유속에 따른 발전량을 조절하여 일정량의 발전이 가능하도록 하기 위한 장치이며 상하 이동형 타워는 하부에 배치된 수차의 효율성을 위하여 적절한 위치에 수차를 배치할 수 있도록 하기 위한 장치이며 개선된 프로펠러 형 수차는 유속의 변화에 따라 180도 회전이 가능하며 프로펠러의 회전을 효율적으로 전달하기 위하여 기어를 적절하게 변형하여 사용하는 등 다 기능 제어시스템을 구비한 장치이다. 이러한 장치를 사용하여 본 고안에 따른 발전 시스템은 발전의 효율을 높일 수 있게 된다.Fifth, an object of the present invention is to provide a power generation system that can utilize efficient fluid movement. In this design, the guide vane for the flow control, the vertical moving tower and the improved propeller type aberration are used for efficient use of the kinetic energy. The guide vane for flow control adjusts the amount of power generated according to the flow rate to enable a certain amount of power generation. The vertically movable tower is a device for placing the aberration in the proper position for the efficiency of the aberration arranged in the lower part. Propeller-type aberration can be rotated 180 degrees according to the change of flow velocity, and it is a device equipped with a multi-function control system, such as using a proper deformation of the gear to transmit the propeller rotation efficiently. By using such a device, the power generation system according to the present invention can increase the efficiency of power generation.
여섯째, 본 고안은 바지선 방식을 이용하여 발전할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉 바다에서 앵커를 이용하여 일정한 위치에 부유된 바지선을 이용하여 필요한 발전 시스템을 설치하며 또한 바지선이 상하로 이동할 수 있도록 함으로서 유속에 가장 빠른 곳에 프로펠러 형 수차를 위치시킴으로서 발전의 효율성을 높이는 것이 가능하다. 물론 본 고안에 따른 발전 시스템이 반드시 바지선을 이용해야 하는 것은 아니다. 그러나 바다에 본 고안에 따른 발전 시스템이 설치되는 경우 바지선을 이용하여 설치하는 것이 가장 유리하다.Sixth, an object of the present invention is to provide a system that can be developed using the barge method. In other words, it is possible to increase the efficiency of power generation by placing propeller-type aberrations at the fastest speeds by installing the necessary power generation system by using barges floating at a certain position by using anchors in the sea and allowing barges to move up and down. . Of course, the power generation system according to the present invention does not necessarily have to use a barge. However, when the power generation system according to the present invention is installed in the sea it is most advantageous to install using a barge.
이하에서 위와 같은 목적을 가진 본 고안에 따른 발전시스템을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the power generation system according to the present invention having the above purpose will be described in detail.
도 1은 바지선에 설치된 본 고안에 따른 발전 시스템의 개략도를 도시한 것이다.1 shows a schematic diagram of a power generation system according to the present invention installed on a barge.
도 2는 본 고안에 따른 발전 시스템에서 사용되는 프로펠러 형 수차의 구성부분의 개략도를 도시한 것이다.Figure 2 shows a schematic diagram of the components of the propeller-type aberration used in the power generation system according to the present invention.
도 3은 프로펠러형 수차의 여러 형태를 도시한 것이다.3 shows various forms of propeller-type aberrations.
도 4는 본 고안에 따른 프로펠러 형 수차의 배열 형태의 실시 예를 도시한 것이다.Figure 4 shows an embodiment of the arrangement form of the propeller-type aberration according to the present invention.
도 5는 본 고안에 따른 유속의 변화에 따른 발전시스템의 출력 곡선 및 프로펠러의 회전수에 따른 출력 곡선의 변화그래프를 도시한 것이다.5 is a graph showing the change in the output curve of the power generation system according to the change of the flow rate and the rotational speed of the propeller according to the present invention.
도 6은 본 고안의 발전 시스템에서 사용되는 각종 보호장치 및 차단기의 220V 배전 계통에서의 회로도를 도시한 것이다.6 is a circuit diagram of a 220V power distribution system of various protection devices and breakers used in the power generation system of the present invention.
도 7은 22.9kV 계통 연계 시의 전기 결선 회로도를 도시한 것이다.Figure 7 shows the electrical connection circuit diagram when the 22.9kV grid connection.
※ 도면 부호의 설명※ Explanation of reference numerals
1 : 바지선 10 : 제트식 앵커1: barge 10: jet anchor
11 : 상하 이동형 타워 12 : 수배전실11: up and down mobile tower 12: distribution room
13 : 안전망 14 : 카타마란 형태 포툰13: safety net 14: catamaran form fortune
15 : 프로펠러 형 수차 16 : 유량 조절형 가이드 베인15 propeller type aberration 16 flow rate guide vane
21 : 허브 22 : 프로펠러21: hub 22: propeller
24 : 하우징 240 : 저속축24: housing 240: low speed shaft
241 : 기어 242 : 고속축241 gear 242 high speed shaft
243 : 터빈 발전기 244 : 다기능 제어 시스템243: turbine generator 244: multi-function control system
245 : 나셀 246 : 요(yaw) 드라이브245 Nacelle 246 Yaw Drive
25 : 케이블25: cable
이하 본 고안에 따른 발전 시스템을 도면에 의하여 설명하기로 한다. 제시된 도면은 본 고안에 다른 발전 시스템의 하나의 실시 예를 도시한 것으로서 본 고안은 이에 제한되지 않는다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.Hereinafter, a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the presented drawings illustrate one embodiment of another power generation system in the present invention, and the present invention is not limited thereto.
도 1은 본 고안에 따른 발전 시스템이 바지선 상에 설치된 전체적인 개략도를 도시한 것이다.1 shows an overall schematic diagram of a power generation system according to the present invention installed on a barge.
도 1에 도시된 화살표는 유속이 방향을 나타낸 것이다.Arrows shown in FIG. 1 indicate the flow velocity direction.
바지선(1)은 제트식 앵커(10)에 의하여 위치가 고정된다. 바지선(1)을 사용하는 이점은 수위가 변하더라도 수차(15)가 물에 잠기는 깊이를 항상 일정하게 유지할 수 있다는 점이다. 바지선(1) 위치의 선정은 입지 조건의 사전 조사에 의하여 결정되며 고정 방법은 반드시 앵커에 제한되는 아니며 또한 위치의 이동 역시 가능하다. 상하 이동식 타워(11)는 하단에 설치된 프로펠러 형 수차(15)를 고정하며 타워(11)의 내부에서 수차로부터 발생된 전력을 공급하기 위한 전기 케이블이 설치되어 있다. 본 고안에 따른 타워(11)는 상하로 이동을 할 수 있는 구조를 구비함으로서 하단에 설치된 프로펠러 형 수차(15)가 적절한 위치에 고정될 수 있도록 한다. 유속은 깊이에 따라 달라지므로 최대의 전력을 생산하기 위하여 유속이 최대로 되는 곳에 프로펠러 형 수차(15)를 위치시킬 필요가 있다. 또한 속도에 따른 발전량을 조절하기 위하여 적당한 유속을 가진 위치를 선정함으로서 필요 이상의 전력 발생을 방지하며 아울러 전체적인 배선 계통이나 장치의 안정성을 얻을 수 있다. 물론 바지선(1) 자체가 부력에 의하여 상하 이동이 가능하지만 타워(11)에 의하여 위치의 선정을 보다 간단하고 용이하게 되도록 하며 위치 선정의 정확성을 기할 수 있도록 한다. 수배전실(12)은 타워(11)에 설치된 케이블이 종단점이 되며프로펠러 형 수차(15)에서 발생한 전기 에너지가 바지선 상에서 최종적으로 집적되며 발전 시스템의 전체적인 제어가 이루어지는 장소이다. 집적된 전력은 배선을 통하여 필요한 곳으로 송신 될 수도 있지만 바지선(1)을 이용하여 바다와 같은 곳에 본 고안의 발전 시스템이 설치된 경우에는 배선 설비는 상당한 비용을 필요로 한다. 그러므로 일단 발전된 전기를 이용하여 다른 저장 수단으로 변환한 다음 이를 필요한 곳으로 이동시키는 것도 가능하며 오히려 이러한 방법이 효율적일 수 있다. 그러한 예로서 발생된 전력을 이용하여 수소 연료를 생산한 후 이를 필요한 곳으로 이동하는 방법을 들 수 있다. 안전망(13)은 바지선(1)의 안전을 위하여 일반적으로 설치되는 것이며 카타마란 형태의 폰툰(14) 역시 바지선의 특성상 설치되는 것이다. 타워(11)의 하단에 설치된 프로펠러 형 수차(15)는 유속의 방향에 따라 180도 회전이 가능한 형태로 제작된다. 일반적으로 바다의 조류는 방향이 일정하지 않으며 밤·낮에 따라 또는 계절에 따라 방향이 바뀔 수 있다. 이러한 경우 최대 유속을 얻기 위하여 수차(15)의 방향을 바꿀 필요가 있다. 대개 바지선(1) 자체는 위치 및 방향이 고정되어 있고 부력에 의하여 상·하 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다. 본 고안에 따른 발전 시스템의 효율성은 유속의 크기 및 방향에 의하여 결정되므로 유속의 방향에 따른 프로펠러 형 수차(15)의 방향은 수차(15)를 회전시킬 수 있도록 타워(11)의 하단에 장착하는 방법으로 이루어지며 위에서 설명한 것처럼 깊이에 따른 적정한 유속의 선택은 타워(11) 자체의 상하 이동으로 이루어진다. 이상과 같은 방법으로 본 고안에 따른 발전 시스템은 유체가 가진 운동 에너지를 최대한 활용하는 것이 가능하다. 유량 조절용 가이드 베인(16)은 수차(15)의 전면에 설치되며 별도의 고정수단을 사용하거나 타워(11)를 이용하여 고정시킨다. 또한 프로펠러 형 수차(15)와 일체로 결합하여 제작하는 것도 가능하다. 베인(16)은 전단을 넓게 형성하고 후단을 좁게 형성하여 유량에 따른 속도의 차이를 이용하여 발전 시스템의 효율성을 높일 수 있도록 한다. 베인(16)에 유입되는 유량은 베인(16)의 전단부의 크기를 조절할 수 있도록 가변형으로 제작함으로서 조절이 가능하다. 이러한 유량의 조절은 발생되는 전력이 일정한 값을 가지도록 하기 위해서도 필요하다. 베인(16) 전단부를 가변형으로 하는 장치는 일반적으로 알려진 방법을 사용하여 제작한다.The barge 1 is fixed in position by a jet anchor 10. The advantage of using the barge 1 is that the depth at which the aberration 15 is submerged in water can always be kept constant even if the water level changes. The selection of the barge 1 position is determined by preliminary examination of the location conditions, and the fixing method is not necessarily limited to the anchor, and the position can also be moved. Up and down mobile tower 11 is fixed to the propeller-type aberration 15 is installed at the bottom, the electric cable for supplying power generated from the aberration is installed inside the tower (11). The tower 11 according to the present invention has a structure capable of moving up and down so that the propeller-type aberration 15 installed at the bottom thereof can be fixed at an appropriate position. Since the flow rate varies depending on the depth, it is necessary to position the propeller-type aberration 15 at the position where the flow rate is maximum to produce the maximum power. In addition, by selecting a position with a suitable flow rate to control the amount of power generated according to the speed, it is possible to prevent the power generation more than necessary, and also to obtain the stability of the entire wiring system or device. Of course, the barge 1 itself can be moved up and down by buoyancy, but the tower 11 makes the selection of the position simpler and easier and ensures the accuracy of the positioning. The power distribution room 12 is a place where the cable installed in the tower 11 is an end point, and the electric energy generated in the propeller-type aberration 15 is finally integrated on the barge and the overall control of the power generation system is performed. The integrated power may be transmitted to the required place through the wiring, but the wiring installation requires a considerable cost when the power generation system of the present invention is installed in the sea such as the barge (1). Therefore, it is also possible to use the electricity generated once, convert it to another storage means, and then move it to where it is needed. One such example is the use of generated power to produce hydrogen fuel and then move it to where it is needed. Safety net 13 is generally installed for the safety of the barge (1) and catamaran type pontoon (14) is also installed due to the nature of the barge. Propeller-type aberration 15 installed at the bottom of the tower 11 is manufactured in a form capable of rotating 180 degrees according to the direction of the flow rate. Generally, algae in the oceans are not uniform in direction and can change with night and day or with the seasons. In this case, it is necessary to change the direction of the aberration 15 to obtain the maximum flow rate. In general, the barge 1 itself has a fixed position and direction, and is capable of adjusting its upper and lower positions by buoyancy. Since the efficiency of the power generation system according to the present invention is determined by the size and direction of the flow velocity, the direction of the propeller-type aberration 15 according to the direction of the flow velocity is mounted at the bottom of the tower 11 so as to rotate the aberration 15. As described above, the selection of the proper flow rate according to the depth is made by the vertical movement of the tower 11 itself. In the above way, the power generation system according to the present invention can make the most of the kinetic energy of the fluid. The guide vane 16 for adjusting the flow rate is installed at the front of the aberration 15 and fixed using a separate fixing means or the tower 11. In addition, it is also possible to manufacture integrally combined with the propeller-type aberration 15. The vane 16 forms a wider front end and a narrower rear end so as to increase the efficiency of the power generation system by using a difference in speed according to flow rate. The flow rate flowing into the vane 16 can be adjusted by manufacturing a variable type to adjust the size of the front end portion of the vane 16. Such adjustment of the flow rate is also necessary for the generated power to have a constant value. A device for varying the vane 16 front end is fabricated using generally known methods.
도 2는 본 고안의 특징을 이루는 프로펠러 형 수차의 한 가지 실시 예를 도시한 것이다.Figure 2 shows one embodiment of the propeller-type aberration that characterizes the subject innovation.
본 고안에서 사용되는 수차는 일반적인 풍력 발전 시스템이나 카플란과 같은 수차에서 흔히 볼 수 있는 프로펠러 각을 조절할 수 있는 피치 제어 시스템이 구비되어 있지 않다. 이는 초속 수 미터의 초당 100톤에 가까운 유량이 유입되므로 만약 본 고안에 따른 수차(15)에 피치 제어 시스템을 설치하는 경우 접합 부위의 강도가 약하므로 물로 인한 충격량을 견디기 힘들뿐만 아니라 방수가 쉽게 이루어지지 않을 수도 있다. 그러므로, 유속의 변동폭이 매우 큰 조류 발전의 경우나 계통에 동기 되지 않고 단독 운전되는 경우에는 출력 전압의 주파수를 제어할 수 있는 주파수 제어기(교류-직류 변환 및 직류-교류 변환 시스템)를 사용해야 한다.The aberration used in the present invention is not equipped with a pitch control system that can adjust the propeller angle commonly found in aberrations such as a general wind power generation system or Kaplan. Since the flow rate is close to 100 tons per second of a few meters per second, if the pitch control system is installed in the aberration 15 according to the present invention, the strength of the joint is weak, so that it is difficult to withstand the impact caused by water and is easily waterproofed. You may not lose. Therefore, in the case of tidal power generation where the fluctuation of the flow rate is very large or when operating alone without being synchronized with the system, a frequency controller (AC-DC conversion and DC-AC conversion system) capable of controlling the frequency of the output voltage should be used.
이하 도 2에 도시된 프로펠러 형 수차의 구성 부분을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the components of the propeller-type aberration shown in FIG. 2 will be described in detail.
허브(21)는 프로펠러 전단을 보호하는 장치로서 프로펠러와 함께 회전한다.허브(21) 앞 부분에는 도 1에서 설명한 베인(16)이 설치되어 있다. 프로펠러 또는 프로펠러는 도 2에서는 3개를 가진 형태로 도시되어 있지만 두 개 또는 네 개 등 필요에 따라 적정 수를 가지도록 할 수 있다. 프로펠러(22)의 형상은 유체 역학 상 인정되는 가장 효율성을 가지는 프로펠러 형상이 되도록 하는 것이 유리하다. 여러 개의 프로펠러(22)의 회전은 회전 중심 축을 따라 허브의 후면에 설치된 저속 축(240)으로 전달된다. 저속 축(240)의 회전은 다시 기어(241)로 전달된다. 본 고안에서 사용되는 기어(241)는 일반적인 형태의 기어가 사용될 수도 있지만 특수한 형태로 제작되는 것이 유리하다. 즉 본 고안에서 사용되는 기어(241)의 역할은 프로펠러(22)의 저속회전을 고속회전으로 변환시키며 동력 전달의 방향을 변화시키지는 않는다. 그러므로 단지 회전 비를 변화시키는 역할만을 하는 기어가 필요하므로 반드시 일반적으로 사용되는 기어 형태가 아니라 저속 축(240)과 연결된 부분은 외부를 형성하여 안쪽으로 많은 수의 기어 이(gear tooth)가 형성되도록 하고 고속 축(242)과 연결되는 부분은 저속 축(240)과 연결된 부분에 형성된 기어보다 작은 원주를 가져 적은 수의 기어 이가 형성되도록 제작되어 두 개의 부분이 일체를 이루도록 할 수 있다. 이러한 기어를 유성 기어라고 한다. 기어(241)에서 회전비가 변환된 동력은 고속 축(242)으로 전달되어 터빈(243)을 회전시켜 전력을 발생시키게 된다. 저속 축(240), 기어(241), 고속 축(242), 터빈(243)을 포함하는 하우징(24) 내부 장치들의 제어는 다기능 제어 시스템(244)에 의하여 이루어진다. 즉 제어 장치(244)는 전달되는 동력을 적절하게 전기 에너지로 변화하여 케이블(25)을 통하여 도 1에 도시된 수배전실(12)로 전달하는 역할을 한다. 또한,제어 장치(244)는 도 1에 도시된 유량 조절용 가이드 베인(16)으로 유입되는 유량을 조절할 수도 있다. 수차(15)와 타워(11)의 결합부분에 설치된 요 드라이브(yaw drive)(246)는 수차(15)의 회전이 가능하도록 하며 아울러 유량의 유입으로 인한 충격을 완화하는 역할을 담당한다. 하우징(24)의 후단은 나셀(245)로 되어 있어 유체의 이동이 쉽게 이루어지도록 한다.The hub 21 rotates together with the propeller as a device for protecting the propeller shear. The vane 16 described in FIG. 1 is provided in front of the hub 21. Propellers or propellers are shown in the form having three in FIG. 2, but may have an appropriate number as necessary, such as two or four. It is advantageous that the shape of the propeller 22 be such that it has the most efficient propeller shape recognized in hydrodynamics. Rotation of the propellers 22 is transmitted to a low speed shaft 240 installed at the rear of the hub along the central axis of rotation. Rotation of the low speed shaft 240 is transmitted back to the gear 241. The gear 241 used in the present invention may be used in a general form, but it is advantageous to be manufactured in a special form. That is, the role of the gear 241 used in the present invention converts the low speed rotation of the propeller 22 into the high speed rotation and does not change the direction of power transmission. Therefore, a gear that only serves to change the rotation ratio is necessary, so that the part connected to the low speed shaft 240 is not necessarily used, but the part connected to the low speed shaft 240 forms the outside so that a large number of gear teeth are formed inward. And the portion connected to the high-speed shaft 242 has a smaller circumference than the gear formed in the portion connected to the low-speed shaft 240 is formed so that a small number of gear teeth can be formed to make the two parts integral. Such gears are called planetary gears. Power whose rotation ratio is converted in the gear 241 is transmitted to the high speed shaft 242 to rotate the turbine 243 to generate power. The control of the devices inside the housing 24 including the low speed shaft 240, the gear 241, the high speed shaft 242, and the turbine 243 is achieved by the multifunction control system 244. That is, the control device 244 serves to transfer the power transmitted to electrical energy appropriately and transmit the power to the power distribution chamber 12 shown in FIG. 1 through the cable 25. In addition, the control device 244 may adjust the flow rate flowing into the flow rate guide vane 16 shown in FIG. The yaw drive 246 installed at the coupling portion of the aberration 15 and the tower 11 enables the rotation of the aberration 15 and also serves to mitigate the impact due to the inflow of the flow rate. The rear end of the housing 24 is a nacelle 245 to facilitate the movement of the fluid.
도 3은 본 고안의 수차(15)에서 사용되는 프로펠러의 프로펠러 형태의 여러 가지 실시 예를 도시한 것이다. 프로펠러에 관련된 역학은 기본적으로 풍력 발전에 사용되는 역학 공식과 유사하다 즉 다음과 같은 3가지 공식이 사용된다.Figure 3 shows various embodiments of the propeller form of the propeller used in the aberration 15 of the present invention. The dynamics associated with propellers are basically similar to those used for wind power generation. Three formulas are used:
고속 운전 계수 : λ = U/V0… (1)High-speed operation coefficient: λ = U / V 0 ... (One)
U = ω×R … (2)U = ω × R... (2)
회전 모멘텀 : cM= M / (ρ/2 × V0 2× R × A) … (3)Rotation momentum: c M = M / (ρ / 2 × V 0 2 × R × A)... (3)
출력 계수 : cP= P / (ρ/2 × V0 3× A) … (4)Output coefficient: c P = P / (ρ / 2 × V 0 3 × A)... (4)
상기에서 U : 프로펠러의 앞부분의 선속도, V0: 저항이 없는 상태에서의 유속, ω : 프로펠러의 회전 속도, R : 프로펠러 반지름, M : 관성 계수, ρ : 유체의 밀도, A : 프로펠러의 면적, P : 출력을 나타낸다.In the above, U: linear velocity of the front part of the propeller, V 0 : flow velocity without resistance, ω: propeller rotation speed, R: propeller radius, M: inertia coefficient, ρ: fluid density, A: propeller area , P: output.
도 3의 (가)는 2개의 프로펠러로 이루어진 얇은 면적을 가진 형태이며 (나)는 두꺼운 면적을 가진 형태를 도시한 것이고 (다)는 4개의 프로펠러를 가진 형태를 도시한 것이다. (가), (나) 및 (다)에 대한 평가 실험 결과 λ가 각각 5.5, 4.0, 3.0인 경우 각각 최대 출력을 얻을 수 있었다. 이때 최대 출력 계수는 0.45 인 것으로 나타났다. 실험에서 사용된 프로펠러의 지름은 모두 6m이며 유속은 6m/s였다. 이러한 조건에서 각각의 프로펠러는 105rmp, 70rmp, 55rpm 인 경우 각각 최대 출력을 나타내고 그 값은 동일하게 대략 3MW였다. 이는 (4)식으로 주어진 것과 일치하며 유속을 3m/s로 감소시킨 경우 출력 전력은 360kW 정도로 급격하게 감소하였다. 그러므로 위와 같은 방식으로 프로펠러 형태의 선택은 바지선(1)이 설치된 위치에서의 유체의 이동 속도와 유입 가능한 유량 등을 고려하여 최대의 전력 발생이 가능하도록 실험적으로 결정되어야 한다.Figure 3 (a) is a form having a thin area consisting of two propellers (b) shows a form having a thick area and (c) shows a form having four propellers. As a result of evaluation experiments for (a), (b) and (c), the maximum output was obtained when λ was 5.5, 4.0 and 3.0, respectively. At this time, the maximum output coefficient was 0.45. The propellers used in the experiments were 6m in diameter and 6m / s in flow rate. Under these conditions, each propeller had a maximum output at 105 rpm, 70 rpm and 55 rpm, respectively, and the value was about 3 MW. This is in agreement with Equation (4), and when the flow rate was reduced to 3m / s, the output power rapidly decreased to about 360kW. Therefore, the selection of the propeller shape in the above manner should be determined experimentally to allow the maximum power generation in consideration of the moving speed of the fluid in the position where the barge 1 is installed and the flow rate that can be introduced.
프로펠러의 캐비테이션(cavitation)이 위 실험에서 함께 평가되었다.Cavitation of the propeller was evaluated together in the above experiment.
위의 실험결과로서 알 수 있듯이 동일한 조건에서 동일한 출력을 얻기 위하여 (가) 형태의 프로펠러가 가장 빠른 속도로 회전해야 하므로 (가) 형태가 캐비테이션의 발생 가능성이 가장 높다. 일반적으로 캐비테이션에 대한 해석은 세부적인 시뮬레이션을 통해서만 가능하지만 도 3의 (가) 형태의 경우 원심적 펌프의 해석 결과를 이용하여 해석할 수 있다.As can be seen from the above experimental results, (a) form is most likely to generate cavitation because the propeller of form (a) must rotate at the fastest speed to obtain the same output under the same conditions. In general, the analysis of the cavitation is possible only through detailed simulation, but in the case of (a) of FIG. 3, it can be analyzed using the analysis result of the centrifugal pump.
캐비테이션이 발생하는 극한 상황에서 총 에너지는 다음과 같은 식으로 나타난다.In extreme situations where cavitation occurs, the total energy is given by
총에너지 = (PVa) / ρ + Δe … (5)Total energy = (PV a ) / ρ + Δe... (5)
상기에서 Δe = λV× V2/2 + λw× W2/2 로 주어지며 상기에서It is given in the above as a Δe = λ V × V 2/ 2 + λ w × W 2/2 from the
λV와λw는 각각 1.2와 0.2로 주어지는 계수를 나타낸다. 유속이 6m/s 인 경우를 가정하면 프로펠러의 압력이 1.2bar이하로 내려갈 때 캐비테이션이 발생한다는 것을 알 수 있었다. 프로펠러의 지름이 6m이고 유속이 6m/s를 유지하는 경우 최대 출력의 발생 조건에서는 압력이 1.2bar 이상을 유지하므로 캐비테이션의 발생 가능성은 거의 없음을 알 수 있었다. 단 회전 속도가 일시적으로 상승하는 현상이 반복되는 경우에는 프로펠러 앞부분에서 캐비테이션이 발생 할 수도 있다.λ V and λ w represent coefficients given by 1.2 and 0.2, respectively. Assuming a flow rate of 6 m / s, cavitation occurs when the propeller pressure drops below 1.2 bar. When the propeller diameter was 6m and the flow rate was 6m / s, the pressure was maintained at 1.2 bar or more under the maximum output condition. Therefore, there was little possibility of cavitation. However, if the rotational speed is temporarily increased, cavitation may occur in front of the propeller.
위의 실험 결과로서 도 3에서 도시된 3가지 형태의 프로펠러의 경우 정상 상태에서는 캐비테이션이 발생하지 않음을 알 수 있었다. 그러나, 인근 전력 계통에 사고가 발생하여 정전이 되는 경우나 자체 전기 시설의 고장으로 여자 전원이 차단되는 경우가 발생하면 프로펠러가 무-부하 상태에서 운전되므로 상당한 속도로 과속이 될 수 있으며 이 경우에 캐비테이션이 발생할 가능성이 매우 높다. 그러므로, 무-정전 전원공급장치(UPS)가 설치된 서브 시스템을 이용하여 정전 발생 시 가능한 빠른 시간 내에 프로펠러를 수면으로 끌어올려 프로펠러의 장시간 과속 회전을 방지할 수 있는 시스템을 설치하는 것이 안정성을 위하여 유리하다.As a result of the above experiment, it can be seen that in the case of the three types of propellers shown in FIG. However, if there is a power failure due to an accident in the nearby power system or if the excitation power is cut off due to a failure of its own electrical facility, the propeller operates under no-load and can be overspeed at a considerable speed. Cavitation is very likely. Therefore, it is advantageous for safety to install a system that prevents prolonged overspeed rotation of the propellers by bringing the propellers to the surface as soon as possible in the event of a power failure by using a subsystem equipped with an uninterruptible power supply (UPS). Do.
도 4는 본 고안에 따른 수차(16) 배열 형태의 실시 예를 도시한 것이다. 도 4의 (가)는 유체의 이동 방향에 대하여 병렬로 배치된 것을 도시한 것이며 도 4의 (나)는 직렬로 배치된 것을 도시한 것이다. (가) 형태의 배열은 유속이 느리고 비교적 유체가 흐르는 폭이 넓은 지역에 설치되는 형태이며 (나)는 유체의 흐름 폭이 좁고 유속이 빠른 지역에서 사용될 수 있다. 배열되는 수차(15)의 수는 유속과 유체가 흐르는 폭 및 필요한 발전량에 의하여 결정될 것이다. (나)와 같은 배열의 경우에는 각 수차(15)에서 발생되는 전력에서 차이가 날 수 있다. (나)와 같은 배열의 경우 상황에 따라서는 유속의 변화가 심해질 수 있으므로 일반적으로는 (나)와 같은 배치는 바람직하지 않다. 실제로 실험 결과 프로펠러의 지름이 6m, 유속이 6m/s인 경우에도 약 70m 후방에서 적지 않은 유속 저하가 나타난다는 것을 알 수 있었다. 다양한 시뮬레이션 실험에 의하면 (나)와 같은 병렬 연결의 경우 프로펠러 사이의 간격이 최소 프로펠러 반지름의 10%이상을 유지해야 하는 것으로 나타났다. 실제로는 기계적 안전성을 고려하여 프로펠러 반지름의 약 20% 내지는 약 50%의 간격을 유지하는 것이 유리할 것이다.4 illustrates an embodiment of the arrangement of the aberration 16 according to the present invention. 4 (a) shows the parallel arrangement with respect to the moving direction of the fluid, and FIG. 4 (b) shows the arrangement in series. The arrangement of the form (A) is to be installed in a wide area where the flow rate is slow and relatively fluid flows. (B) can be used in a region where the flow rate is narrow and the flow rate is high. The number of the aberrations 15 arranged will be determined by the flow rate, the width through which the fluid flows, and the amount of power required. In the case of the arrangement as shown in (b), the power generated by each aberration 15 may be different. In the case of the arrangement (b), the arrangement such as (b) is generally not preferable because the change of the flow velocity may be severe depending on the situation. In fact, the experimental results show that even when the diameter of the propeller is 6m and the flow rate is 6m / s, there is a considerable drop in the flow rate at about 70m. Various simulation experiments show that the spacing between propellers must maintain at least 10% of the propeller radius for parallel connections such as (b). In practice it would be advantageous to maintain a spacing of about 20% to about 50% of the propeller radius in consideration of mechanical safety.
실시 예Example
국내 화력 발전소의 냉각수 방수로에 적용된 본 고안에 따른 발전 시스템의 설치 및 발전량에 대한 실시 예를 아래에서 설명한다.An embodiment of the installation and generation amount of the power generation system according to the present invention applied to the cooling water waterproof path of a domestic thermal power plant will be described below.
1. 국내 화력 발전소의 냉각수 방수로의 데이터1. Data of Cooling Water Ditch in Domestic Thermal Power Plants
(1) 유량 : 초당 116. 82톤(1) Flow rate: 116. 82 tons per second
(2) 유속 : 2.6-3.89 m/s(2) Flow rate: 2.6-3.89 m / s
(3) 방수로 길이 : 총 연장 150m(3) waterproof furnace length: total extension 150m
(4) 방수로 폭 : 30m(4) waterproof path width: 30m
(5) 수심 : 약 1.54미터(5) Depth: about 1.54 meters
냉각수의 흐름은 자연적인 흐름이라고 가정하고 위의 설명에서 제시된 식 (1) -(4)를 적용한다. 방수로의 경사도가 평균 10도 정도라고 가정하고 주어진 유량의 경우 본 고안에 따른 발전 시스템이 설치되는 경우 프로펠러에 유입하는 유체의 속력은 약 10m/s가 되며 이때 깊이는 약 0.4m가 된다.Assuming that the flow of cooling water is a natural flow, the equations (1)-(4) given in the description above apply. Assuming that the slope of the spillway is about 10 degrees on average, the flow rate of the fluid flowing into the propeller is about 10m / s, and the depth is about 0.4m at the given flow rate for a given flow rate system is installed.
2. 본 고안에 따른 수차의 설치 방법2. Installation method of aberration according to the present invention
(1) 구조물을 변경하지 않는 상태에서의 설치 방안(1) Installation plan without changing the structure
방수로의 구조를 전혀 변경하지 않고 기존의 방수로를 그대로 활용할 경우 수심이 1.54m인 점을 고려하여 프로펠러의 지름은 1.0-1.1m가 한계가 된다. 기계적인 안전성을 고려하여 지름을 약 1.0m로 하였다.If the existing waterway is used without changing the structure of the waterway at all, the diameter of the propeller is limited to 1.0-1.1m in consideration of the depth of 1.54m. In consideration of mechanical safety, the diameter was set to about 1.0 m.
수차와 수차 사이의 간격을 20-50%로 유지하고 30m의 방수로 폭에서 20-25개의 수차를 설치할 수 있으며 수차 상호간의 영향을 무시하면 수차 한 개당 가능한 발전량은 아래와 같은 식으로 구해진다.If the distance between the aberration and the aberration is maintained at 20-50%, and 20-25 aberrations can be installed at the width of the 30m watertight path, ignoring the influence of the aberrations, the amount of power generated per aberration is obtained as follows.
P = cp× ρ/2 × V0×A … (6)P = c p x p / 2 x V 0 x A... (6)
한 개의 프로펠러에서 발생하는 전력량은 유속이 2.6m/s 인 경우 3.1kW가 되고 유속이 3.9m/s 인 경우 10.5kW가 된다. 따라서 20개의 수차를 설치하면 62.0-210.0kW의 전력을 얻을 수 있다.The power generated by one propeller is 3.1kW when the flow rate is 2.6m / s and 10.5kW when the flow rate is 3.9m / s. Thus, installing 20 aberrations will yield 62.0-210.0kW of power.
(2) 구조물의 변경을 통한 성능 개선(2) Improvement of performance through change of structure
식(4)에서 나타난 것처럼 출력 전력은 프로펠러의 지름에는 비례하고 동시에 유속의 3제곱에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 구조물을 변경하는 경우 수심을 증가시키는 구조물 변경의 경우 오히려 물의 흐름을 방해하여 유속이 감속하여 전체적인 발전 출력이 현저하게 감소하는 경우가 발생할 수 있으므로 유속을 증가시키는 방향으로 구조물을 변경시키는 것이 유리하다. 만약 방수로의 최종단에 존재하는 냉각수의 흐름을 방해하는 모든 시설을 제거할 경우 유속은 약 10m/s, 수심은 0.4m 정도가 될 것이다. 이러한 경우에는 본 고안에 따른 발전 시스템은 지름이 약 0.3m인 프로펠러를 사용할 수 있으며 30m 폭의 방수로에 약 80개의 수차를 설치할 수 있다. 수차 한 개당 발전 전력은 약 15.9kW이고 80개의 수차를 모두 설치할 경우 약 1.27MW의 전력이 발생한다. 그러나 실제로 약 0.3m 내에 기어와 발전기를 설치할 수 없기 때문에 기어와 발전기를 압축식으로 개조해야 하며 이를 위해 헬리컬 기어 등을 사용할 경우 약 10-20% 정도의 기계 손실이 예상된다.As shown in Eq. (4), the output power is proportional to the diameter of the propeller and at the same time the third power of the flow velocity. Therefore, in the case of a structure change, in case of a structure change that increases the depth of water, it is advantageous to change the structure in the direction of increasing the flow rate since the flow rate may be slowed down and the overall power generation output may be remarkably decreased. Do. If all installations that block the flow of coolant in the final stage of the spillway are removed, the flow rate will be about 10 m / s and depth of 0.4 m. In this case, the power generation system according to the present invention may use a propeller having a diameter of about 0.3 m and install about 80 aberrations in a 30 m wide waterproof path. The power generated per aberration is about 15.9kW, and when all 80 aberrations are installed, about 1.27MW is generated. However, since it is not possible to install gears and generators in about 0.3 meters, the gears and generators must be converted to compression, and a helical gear or the like is expected to cause about 10-20% of mechanical loss.
3. 구체적인 세부 장치3. concrete detail device
(1) 프로펠러(1) propeller
수심이 약 1.54m이기 때문에 변동폭을 고려하여 프로펠러의 지름을 약 1m로 정하였다. 프로펠러의 형태는 도 4의 (나)에 도시된 프로펠러를 사용한다.Since the water depth is about 1.54m, the diameter of the propeller is set to about 1m in consideration of the fluctuation range. The propeller uses a propeller shown in FIG. 4 (b).
(2) 발전기(2) generator
계통 연계의 편의성, 즉 주파수 제어의 편의성, 과 별도의 전압 제어가 필요 없다는 점에서 유도 발전기가 가장 유리하다. 일반적으로 유도 발전기의 효율은약 85%정도이며, 동기 발전기의 88-90%에 비하여 효율이 떨어진다. 그러나, 동기 발전기의 경우 계통에 병입되기 위해서는 몇 가지 조건을 갖추어야 하며 본 고안에 따른 시스템의 경우 조속기 등과 같은 주파수 제어 장치가 갖추어지지 않는 상태에서는 상당히 까다로운 작업이 된다.Induction generators are most advantageous in terms of grid linkage, ie frequency control, and no voltage control. In general, the efficiency of an induction generator is about 85%, which is inferior to that of 88-90% of a synchronous generator. However, in the case of a synchronous generator, some conditions must be provided in order to feed into the system, and in the case of the system according to the present invention, a frequency control device such as an overspeed governor is quite difficult.
유도 발전기는 현재 권선형과 농형이 있으며 권선형이 농형보다 효율이 약간 높은 것으로 알려져 있다. 흔히 사용되는 유도발전기는 4극(1800rmp), 6극(1200rmp), 8극(900rmp), 10극(720rmp)의 극 수를 가진 것들이다. 일반적으로 같은 출력을 가지는 경우에는 극 수가 많을수록 발전기의 크기가 커진다. 가능한 정격 회전수가 낮은 발전기를 사용하여 가속비를 줄임으로서 기계적인 부담과 효율을 높이는 것이 유리하지만 프로펠러와 가속형 기어, 발전기가 일체형으로 제작되어야 하는 구조상 지나치게 낮은 정격 회전수의 발전기는 일체형으로 제작하기 어려운 경우가 있다. 지름이 6m인 프로펠러를 사용하는 경우에는 제작상의 어려움이 없지만 지름이 1m인 경우에는 일체형으로 제작하기 위해서는 별도의 방안을 마련해야 한다. 이에 대한 한 가지 대안으로 24극 동기 발전기를 사용하는 것이다. 24극 동기 발전기는 자기장을 형성하는 고정자가 영구자석으로 구성되어 있는 형태만 존재하며 불과 10년 전만 해도 10극 이하의 다극 동기 발전기는 효율이 극도로 떨어지고 부피가 매우 컸지만 최근 재료 기술의 발달로 인하여 자석의 특성이 매우 발전하여 24극 동기 발전기라 하여도 효율이 높고 크기도 매우 축소되어 가는 추세에 있다. 다만, 동기 발전기를 사용하는 경우 동기발전기의 특성에 맞추어 계통에 적절히 병입이 되도록 하는 적절한 기동/정지 제어를 행하여야 하며 특히 별도의여자기가 없기 때문에 전압을 제어해야 한다.Induction generators are presently known as winding type and squirrel cage, and the winding type is slightly more efficient than squirrel cage type. Commonly used induction generators are poles of 4 poles (1800 rmp), 6 poles (1200 rmp), 8 poles (900 rmp), and 10 poles (720 rmp). In general, the larger the number of poles, the larger the generator size. It is advantageous to increase the mechanical burden and efficiency by reducing the acceleration ratio by using the generator with the lowest possible rotational speed, but the generator with the rated rotation which is too low due to the structure that the propeller, the acceleration gear, and the generator should be integrally manufactured It is difficult. In case of using a 6m diameter propeller, there is no difficulty in manufacturing, but in case of 1m diameter, a separate plan must be prepared to produce a one-piece. One alternative is to use a 24-pole synchronous generator. 24 pole synchronous generators exist only in the form of stators forming magnetic fields composed of permanent magnets. Only 10 years ago, multi pole synchronous generators below 10 poles are extremely inefficient and bulky. Due to the very advanced characteristics of the magnet, even in the case of a 24-pole synchronous generator, the efficiency is high and the size is also very small. In case of using synchronous generator, however, proper start / stop control should be carried out to properly feed the system according to the characteristics of synchronous generator. In particular, voltage should be controlled because there is no separate exciter.
정격 회전수가 72rmp 인 유도 발전기를 사용하는 경우 발전기의 제원은 아래와 같다.When using an induction generator rated at 72 rpm, the generator specifications are as follows.
종류 : 3상 권선형 교류 유도발전기Type: 3-phase winding AC induction generator
용량 : 15kWCapacity: 15kW
역률 : 0.74(전부하시)Power factor: 0.74 (at full load)
절연 등급: F급Insulation class: F class
전압 : 380 VVoltage: 380 V
정격 회전수 : 720rmp(10극)Rated rotation speed: 720rmp (10 poles)
결선 : Y 결선Connection: Y Connection
여자방법 : 소내 배전 계통(380V)을 이용한 자기 여자 방식Excitation method: Self excitation method using on-site power distribution system (380V)
규격 : IEC 34-1 규격Standard: IEC 34-1 standard
(3) 기어(3) gears
도 4의 (나)에 도시된 프로펠러의 경우 속도-토크 특성을 고려할 때 약 70rmp으로 회전할 때 가장 높은 출력이 발생한다. 그러므로 이 회전수를 프로펠러의 정격 회전수로 정의를 하고 사용하는 발전기의 정격 회전수와 프로펠러의 정격 회전수 사이의 비율에 따라 적절한 가속비를 가진 기어를 선택해야 한다.In the case of the propeller shown in (b) of FIG. 4, the highest output occurs when the motor rotates at about 70 rpm when considering the speed-torque characteristic. Therefore, this speed should be defined as the rated speed of the propeller and the gear with the proper acceleration ratio should be selected according to the ratio between the rated speed of the generator and the rated speed of the propeller.
720rmp의 10극 유도 발전기를 사용하는 경우 11배속의 기어를 선택할 수 있고 이 경우 프로펠러는 약 65.5rmp으로 회전하게 된다. 실제 실험에서 65-75rmp 사이에서는 효율이 거의 변하지 않음을 알 수 있었다.When using a 10 pole induction generator of 720 rmp, a gear of 11x speed can be selected, in which case the propeller rotates to about 65.5 rmp. In practical experiments, the efficiency showed little change between 65-75 rmp.
(4) 프로펠러의 수(4) the number of propellers
냉각수 방수로의 폭이 30m이므로 지름이 1m인 프로펠러의 경우 프로펠러 사이의 간격을 약 0.5m로 설정하면 총 20개의 프로펠러를 설치할 수 있다.Since the width of the cooling water repellent path is 30m, a propeller with a diameter of 1m can be installed with a total of 20 propellers if the spacing between propellers is set to about 0.5m.
(5) 하우징(5) housing
프로펠러, 유성기어, 발전기가 포함된 수차시스템을 안전하게 고정시키고 방수를 할 수 있는 하우징이 필요하다.There is a need for a housing that can safely secure and waterproof aberration systems that include propellers, planetary gears, and generators.
(6) 고정틀(6) fixing frame
방수로의 형태가 폐쇄형이므로 방수로의 벽 자체가 프로펠러 및 발전시스템을 지지하는 지지대의 역할을 한다. 초속 2-3m의 유속 압력을 받는 프로펠러를 지지할 수 있는 지에 대한 역학적인 검토가 선행되어야 한다. 단, 수리 등을 위하여 전체 3개의 프로펠러를 동시에 들어 올릴 수 있는 기능을 가지도록 하여야 한다.Since the waterway is closed, the wall itself serves as a support for the propeller and power generation system. An epidemiological review of the propellers subjected to flow pressures of 2-3m per second should be preceded. However, it is to be provided with the function to lift all three propellers at the same time for repair.
(7) 보호 및 제어 장치와 차단기(7) protection and control devices and breakers
본 고안에 따른 수력 발전 설비는 기동/정지 시와 고장 발생 시 이외에는 특별히 제어를 행할 필요가 없다. 일반적인 기동/정지, 보호, 경보를 위한 보호/제어 장치용 운전반이 플랜트 내에 있는 수변전실 내에 같이 설치된다. 차단기는 저압 600V MCCB 및 마그네트 스위치로 구성되어 있으며 하수 처리장 내의 변전실에 놓여지는 수차 발전기 운전반에 설치된다.The hydroelectric power plant according to the present invention does not need to be specifically controlled except at start / stop and failure. An operating panel for the protection / control device for general start / stop, protection and alarm is also installed in the water substation in the plant. The breaker consists of a low voltage 600V MCCB and a magnet switch and is installed in the aberration generator operating panel placed in the substation in the sewage treatment plant.
발전되는 전력이 220V의 배전 선로에 연결되느냐 아니면 22.9kV의 배전 선로에 연결되느냐에 따라 보호 및 제어 장비의 규모가 달라진다. 도 6 및 도 7은 각각 220V 배전 선로와 22.9kV 배전 선로에 연계한 경우의 보호 계전기와 차단기의 설치 회로도를 도시한 것이다.The scale of protection and control equipment depends on whether the generated power is connected to a 220V distribution line or to a 22.9kV distribution line. 6 and 7 illustrate circuit diagrams for installing a protection relay and a breaker in the case of being connected to a 220V distribution line and a 22.9kV distribution line, respectively.
위에서 상세히 설명한 것과 같은 구성을 가진 본 고안에 따른 발전 시스템은 기존의 낙차를 이용하는 수력 발전용 수차의 개념과는 다른 유체의 속도를 이용하는 프로펠러 형식의 수력발전용 수차를 이용함으로서 아래와 같은 효과를 가진다.Power generation system according to the present invention having the configuration as described in detail above has the following effects by using a propeller-type hydraulic power aberration using the speed of the fluid different from the conventional concept of hydraulic power aberration using the free fall.
기존의 수차와는 달리 별다른 낙차를 필요로 하지 않고 다만 충분한 유속과 수심만을 필요로 하기 때문에 토목공사의 비용을 절감할 수 있으며, 기존의 화력 발전소, 원자력 발전소, 화학 공장이나 제철 공장과 같은 대량의 냉각수를 사용하는 곳에서 버려지는 냉각수를 활용하여 수력 발전에 이용할 수 있다. 또한 유속이 빠른 강물이나 바다의 조류를 활용하여 화력 발전소나 원자력 발전소에 버금가는 대규모 에너지를 생산할 수 있는 대체 에너지원으로 활용될 수 있다. 또한 공급되는 에너지량이 매우 막대하여 고갈의 염려가 없으며 소규모의 설비를 가짐으로서 에너지의 분산이 가능할 뿐만 아니라 청정 에너지이므로 해양이나 대기 오염의 염려가 없다. 또한 특수한 조건이나 특수한 재료를 사용할 필요 없이 기존의 장치를 개조하는 것에 의하여 전력 시스템을 설치할 수 있으며 화력 발전의 경우와는 달리 제공되는 에너지의 가격 변동이 없다는 효과를 가진다.Unlike conventional aberrations, it does not require a drop, but only a sufficient flow rate and depth, which can reduce the cost of civil works, and it is possible to save a large amount of energy such as a thermal power plant, a nuclear power plant, a chemical plant or a steel mill. Cooling water that is thrown away from the cooling water can be used for hydroelectric power generation. It can also be used as an alternative energy source that can produce large-scale energy that is comparable to thermal or nuclear power plants, using high-speed rivers or ocean currents. In addition, the amount of energy supplied is so great that there is no fear of exhaustion, and having a small facility, it is possible not only to distribute energy but also to clean energy, so there is no fear of ocean or air pollution. In addition, it is possible to install a power system by modifying an existing device without using special conditions or special materials, and unlike the case of thermal power generation, there is no effect of changing the price of energy provided.
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