KR100961733B1 - 터널형 저수 설비를 갖는 다단계 수력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널형 저수 설비를 갖는 수력 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 물을 저장하기 위하여 수로를 횡단하여 형성되는 댐, 및 상기 댐의 상류 지역의 지하에 저수 장소를 형성하기 위해 마련되는, 말단이 폐쇄된 터널 형태인 적어도 하나의 저수 설비를 포함하는 수력 발전 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 태양에 따르면, 물을 저장하기 위하여 수로를 횡단하여 형성되는 다수의 댐, 및 상기 다수의 댐 각각의 상류 지역의 지하에 저수 장소를 형성하기 위해 마련되는, 말단이 폐쇄된 터널 형태인 다수의 저수 설비를 포함하는 수력 발전 시스템이 제공된다.

터널형 저수 설비, 수력 발전

Description

터널형 저수 설비를 갖는 다단계 수력 발전 시스템{MULTILEVEL HYDROELECTRIC POWERGENERATION SYSTEM HAVING TUNNEL-TYPE WATER RESERVING EQUIPMENT}

본 발명은 터널형 저수 설비를 갖는 수력 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 댐 건설 및 저수지 형성 시에 저수 지역의 지하에 터널형 저수 설비를 구비하여 보다 큰 저수 용량을 확보할 수 있도록 함으로써, 저수지 형성으로 인한 수몰 지역의 면적을 줄이고, 산지의 골짜기와 같은 지형을 이용하여서도 수력 발전을 할 수 있도록 하는 신규한 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 터널형 저수 설비를 갖는 상기와 같은 수력 발전 시스템을 다단계로 설치함으로써, 이미 발전에 이용된 물을 다시 사용할 수 있도록 하는 개량된 수력 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 중력의 영향을 받는 물이 가지고 있는 위치 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 과정에서 전력을 생산하는 발전 방법을 수력 발전이라고 한다. 이러한 수력 발전은 여러 지표수 중에서도 하천에 흐르는 물에 의존하는 경우가 많기 때문에, 물의 유량이 풍부하고 낙차가 큰 지형일수록 경제성이 좋은 수력 발전 의 후보지로 평가될 수 있다.

보통, 수력 발전은 지형 조건에 따라 그 구체적인 발전 방법이 달라진다. 보다 자세하게는, 수력 발전은 저수지의 저수 용량의 크기 및 낙차를 조성하는 방법에 따라 수로식 발전, 댐식 발전, 댐·수로식 발전, 유역 변경식 발전, 양수 발전, 조력 발전 등으로 분류되고 있다.

이 중에서, 수로식 발전은 높은 곳에 위치한 물의 위치 에너지를 발전기 터빈의 운동 에너지로 변환하고, 발전기 내부의 전자기 유도 현상을 이용하여 전력을 얻는 방법으로서, 자연적으로 형성되는 낙차와 자연적인 물의 흐름을 이용하므로 발전량이 지형, 계절 및 강우량의 영향을 많이 받는 단점이 있다. 따라서, 안정적인 발전량을 유지하고 낙차도 크게 하기 위해서는 댐식 발전이 이용된다.

댐식 발전은 하천의 본류에 커다란 댐을 건설하여 물의 흐름을 막고 댐의 상·하류 사이에 생기는 수위차를 이용하는 방식으로서, 물의 유량을 크게 할 수 있으므로 발전량을 크게 늘릴 수 있다. 그러나, 댐식 발전의 경우에는, 유량을 크게 하기 위해서는 댐의 크기가 커져야 하기 때문에 댐의 건설로 인한 수몰 지역이 넓어질 수 밖에 없다는 단점이 있다.

위와 같은 수로식 발전과 댐식 발전이 절충된 형태의 발전 방법이 댐·수로식 발전이다. 댐·수로식 발전의 경우에는, 기본적으로 큰 낙차를 형성하기 위해 댐을 건설하여 저수지를 만들고, 저수지로부터 발전에 필요한 만큼의 물을 통과시킬 수 있는 수로와 높은 압력에 견딜 수 있는 수압관을 견고한 지형에 설치하며, 수압관이 끝나는 부분에 발전소를 건축하고, 그 안에 수차 발전기와 각종 부속 장 치들을 설치하게 된다.

댐·수로식 발전은 수로식 발전이나 댐식 발전 중 어느 하나만 채택하는 경우보다 더 큰 낙차를 얻을 수 있고 보다 풍부한 양의 물을 이용할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 이러한 댐·수로식 발전은 필연적으로 큰 용량의 저수지를 요하기 때문에, 대부분의 경우 댐이 산악 지역보다는 거의 평야에 가까운 낮고 넓은 지역에 건설된다. 따라서, 저수지를 건설함으로 인해, 대규모의 농지, 각종 생산지 및 주거 지역을 비롯하여 심지어는 문화 관광지까지 영구적으로 수몰되는 현상이 나타나게 되어 저수지 형성 시에 극심한 손해가 발생하게 되는 단점이 있다.

또한, 댐·수로식 발전의 경우에는, 댐이 낮은 지역에 건설됨으로 인하여, 높은 지역에 댐을 건설하는 경우만큼 큰 낙차를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 큰 저수지를 요하는 댐을 다단계로 건설하기도 어렵기 때문에 한 번 이용된 물을 재사용하는 것도 어렵다는 단점도 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 모두 해결하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 수몰되는 지역이 거의 나타나지 않도록 하는 수력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 낙차가 큰 지형에서도 이용할 수 있는 수력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 수력 발전에 이용되는 물을 재사용함으로써 수자원의 이용 효율을 극대화할 수 있는 수력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다음과 같다:

본 발명의 일 태양에 따르면, 수력 발전 시스템으로서, 물을 저장하기 위하여 수로를 횡단하여 형성되는 댐, 및 댐의 상류 지역의 지하에 저수 장소를 형성하기 위해 마련되는, 말단이 폐쇄된 터널 형태인 적어도 하나의 저수 설비를 포함하는 시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 수력 발전 시스템으로서, 물을 저장하기 위하여 수로를 횡단하여 형성되는 다수의 댐, 및 다수의 댐 각각의 상류 지역의 지하에 저수 장소를 형성하기 위해 마련되는, 말단이 폐쇄된 터널 형태인 다수의 저수 설비를 포함하는 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면, 터널형 저수 설비를 갖는 수력 발전 시스템에 의하여 큰 규모의 댐을 요하지 않으면서도 많은 양의 물을 저장할 수 있게 되는 효과가 달성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 수력 발전 시스템을 구축할 때에, 댐 건설 및 저수지 형성에 의한 수몰 지역이 거의 발생하지 않게 되는 효과가 달성된다.

그리고, 본 발명에 따르면, 산지의 골짜기와 같이 높은 지역에서도 수력 발전을 수행할 수 있게 되므로, 수력 발전을 위한 수원을 용이하게 확보할 수 있고, 큰 위치 에너지를 갖는 물을 이용할 수 있게 되는 효과가 달성된다.

한편, 본 발명에 따르면, 높은 지역에서도 수력 발전을 수행할 수 있게 되므로, 낮은 지역에 댐을 건설할 때에 발생되는 낙차의 한계 문제를 극복할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 고지대로부터 저지대로 다단계 수력 발전 시스템을 구축할 수 있게 되므로, 이미 사용한 물을 여러 번 다시 활용할 수 있어 수자원 이용 효율을 극대화할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 수력 발전 시스템이 구축되는 지역마다 그 지역의 최대 강수량을 고려한 설계가 가능하게 되므로, 댐 건설로 인한 홍수 피해의 발생을 막을 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따르면, 우리나라와 같이 물이 부족한 국가에서도 보다 큰 저수 용량을 확보하기가 용이하게 되므로, 물 부족 현상이 완화될 수 있게 된다.

마지막으로, 본 발명에 따르면, 새로운 경제 지역(과수원, 야채, 맥류 등의 재배가 가능한 지역) 및 경제 수역(양어장, 풀장 등의 운영이 가능한 지역)이 조성될 수 있으므로, 전력 생산뿐만이 아니라 더 다양한 용도로 수력 발전 시스템 인근 지역을 이용할 수 있게 된다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도로서, 보다 상세하게는, 하나 이상의 터널형 저수 설비(102), 차수벽(104) 및 댐(106)의 배치 상태를 개략적으로 나타낸다. 도 2는 도 1의 A-A′ 단면을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수력 발전 시스템(100)은, 수로를 차단하여 물을 저장하고, 토사 유출을 방지하며, 수위를 상승시키는 등의 목적을 달성하기 위한 댐(106)과 저장된 물이 새는 것을 막아 저수지를 형성하기 위한 차수벽(104)과 함께, 큰 저수 용량을 확보하기 위한 터널형 저수 설비(102)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수력 발전 시스템(100)의 구성을 상술하면, 댐(106)은 산지의 골짜기에 형성된 수로를 횡단하는 형태로 건설되고, 차수벽(104)은 댐(106)의 맞은 편 부분에 집수구(108)가 형성되어 있는 아치 형태의 벽으로서, 댐(106)의 양측으로부터 연장되는 형태로 댐(106)의 상류 측에 구축될 수 있다.

그리고, 터널형 저수 설비(102)는, 일측은 수구(110)로서 댐(106)을 향하여 개방되고, 타측은 폐쇄되는 구성을 갖도록, 댐(106)의 상류 지역의 지하에 바람직하게는 수면과 평행하도록 다수 구축될 수 있는데, 이때, 각각의 터널형 저수 설비(102)에 의해 확보된 물이 발전을 위한 낙수 전에 한 곳에 모일 수 있도록, 수구(110)가 차수벽(104)을 관통하는 구조로 구성되는 한편, 다수의 터널형 저수 설 비(102)가 차수벽(104)에 의해 서로 연결되어 있는 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 터널형 저수 설비(102)는 많은 양의 물을 저장할 수 있도록 그 단말이 Y자 또는 2개 이상의 가지를 갖도록 구성될 수 있다. 터널형 저수 설비(102)의 단말의 형태 및/또는 가지의 개수는 수력 발전 시스템(100)이 구축되는 지역의 최대 강수량을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도이다. 보다 상세하게는, 수력 발전 시스템(100)은 집수로(302) 및 토사 유출을 막기 위한 다른 구성요소를 포함한다. 한편, 도 4는 도 3의 A-A′ 단면을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 댐(106)과 차수벽(104)보다 상류 쪽의 지역에 집수로(302)가 형성될 수 있다. 여기서, 집수로(302)는 상류 쪽 수로의 물이 댐(106) 안쪽에 있는 저수지로 들어 오도록 하는 수로로서, 집수로 입구(304)로부터 집수구(108) 사이에 형성되어 물이 집수구(108)로 용이하게 유입될 수 있도록 유도할 뿐만 아니라, 물의 침식 작용에 의하여 수중에 포함되어 있을 수 있는 돌, 토사 등의 물질을 가라 앉혀 상기 물질이 수차에 유입되는 것을 방지하는 기능을 한다.

도 3 및 도 4를 참조하여 터널형 저수 설비(102)를 구비하는 수력 발전 시스템(100) 및 집수로(302)의 저면 구조를 상술하면, 먼저 집수로(302)의 저면에는, 침석구(310), 1차 침사구(308), 2차 침사구(306) 등과 같이, 돌이나 토사 등의 물질을 입자 크기에 따라 단계적으로 용이하게 침적시키기 위한 다수의 침적용 구성 요소가 포함될 수 있다.

한편, 댐(106)과 차수벽(104)에 의하여 형성되는 저수지의 저면으로도 수중에 포함되어 있을 수 있는 상기 물질을 침적시키기 위하여, 차수벽(104) 둘레에 형성되는 3차 침사구(112)와 댐(106)의 둘레에 형성되는 4차 침사구(114) 등의 침적용 구성요소가 더 포함될 수 있다.

상기와 같은 침적용 구성요소에 대하여 상술하면, 침석구(310)는 수로의 물이 집수로 입구(304)로 들어올 때에, 물에 밀려서 따라 들어오는 돌·자갈 등 입자가 비교적 큰 물질을 가라앉히기 위하여 형성한 웅덩이이고, 1차 및 2차 침사구(308, 306)는 집수로(302)로부터 댐(106)으로 물이 들어가기 전에, 함께 밀려서 저수지로 들어가려고 하는 모래 등의 입자가 비교적 작은 물질을 가라앉히기 위하여 형성한 웅덩이이다. 또한, 3차 침사구(112)는 저수지 안에 들어온 물이 터널형 저수 설비(102) 안으로 들어가기 전에 모래 등의 물질을 가라앉히기 위하여 형성한 웅덩이이며, 4차 침사구(114)는 저수지의 물이 댐(106) 밖으로 흘려 보내지기 전에 모래 등의 물질을 가라앉히기 위하여 형성한 웅덩이이다.

도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 상면과 측면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력 발전 시스템(100)은 댐(106), 차수벽(104) 및 터널형 저수 설비(102)뿐만이 아니라, 집수로(302)와 발전소(508) 등을 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 댐(106)의 소정 위치에는 수문(502)이 형성되어 있을 수 있는데, 수문(502)은 저수지의 물을 하류로 흘려 보낼 수 있도록 하는 개폐 장치로서, 저장된 물이 넘칠 우려가 있는 경우나 하류 지역에 형성되어 있는 경제 지역(512) 및 경제 수역(514)에 물을 공급해야 하는 경우에 수위를 조절하거나 저장된 물을 하류로 흘려 보내는 기능을 하게 된다. 여기서, 경제 지역(512)이란, 높은 산지의 골짜기에 수원이 확보됨으로써 형성된 새로운 농림 지역을 의미하며, 경제 수역(514)이란, 높은 산지의 골짜기에 수원이 확보됨으로써 형성된 새로운 수산·문화·관광 지역을 의미한다.

또한, 도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따르면, 산지의 골짜기의 상류 쪽에 주요 구성요소를 구비하고 하류 지역에 발전소(508)를 설치하고, 저수지와 발전소(508) 사이에 수압관(506)을 배치함으로써 보다 큰 낙차를 달성할 수도 있다.

한편, 도 6의 일부 구성요소를 포함하여 수차(702)의 구동 과정을 도시하는 도 7을 참조하면, 댐(106)의 소정 위치에는 취수구(504)가 형성될 수 있다. 이러한 취수구(504)는 수차(702)를 구동하기 위한 물을 수압관(506)을 통하여 발전소(508)로 흘려 보낼 수 있도록 하기 위한 입구로서의 역할을 하게 된다. 여기서, 수압관(506)은 취수구(504)와 발전소(508) 사이에 배치되어 발전소(508)의 수차(702)가 구동될 수 있도록 한다(본 명세서에서, 발전소란, 물의 위치 에너지를 수차에 의하여 기계 에너지로 변환하고, 다시 수차에 연결된 발전기에 의하여 이를 전기 에너지로 변환하는 장소를 말한다). 한편, 수차(702)를 구동하여 전력을 생산한 물은 방수로(510)를 통하여 하류로 빠져 나가게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 다단계로 구축된 수력 발전 시스템을 도 시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수력 발전 시스템이 상류 지역으로부터 하류 지역으로 다단계에 걸쳐 구축되므로, 한 번 사용된 물을 여러 번 재활용하여 전력 생산의 효율을 극대화할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1의 A-A′ 단면을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4는 도 3의 A-A′ 단면을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 상면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 터널형 저수 설비(102)를 갖는 수력 발전 시스템(100)의 측면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7은 도 6의 일부 구성요소를 포함하여 수차(702)의 구동 과정을 도시하는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 다단계로 구축된 수력 발전 시스템을 도시하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100: 수력 발전 시스템 102: 터널형 저수 설비

104: 차수벽 106: 댐

108: 집수구 110: 수구

Claims (4)

1. 수력 발전 시스템으로서,

   물을 저장하기 위하여 수로를 횡단하여 형성되는 댐,

   상기 댐과 함께 저수 공간을 형성하는 차수벽, 및

   상기 댐에 대하여 있는, 상기 차수벽의 면으로부터 소정의 길이만큼 뚫어져서 형성되는 적어도 3개의 터널형 저수 설비

   를 포함하고,

   상기 적어도 3개의 터널형 저수 설비의 각각은 상기 저수 공간으로부터 방사상으로 형성되며,

   상기 적어도 3개의 터널형 저수 설비의 각각은 상기 댐으로부터 먼 부분의 말단이 폐쇄되어 있는 것

   을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 적어도 3개의 터널형 저수 설비 중 적어도 일부는 상기 댐으로부터 먼 부분의 말단 근방에 가지 형태의 추가적인 터널형 저수 설비를 더 포함하는 수력 발전 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 수력 발전 시스템을 다수 포함하는 다단계 수력 발전 시스템.
4. 삭제

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