KR101171014B1 - 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐 - Google Patents

소수력 발전 기능을 갖는 사방댐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 관한 것으로, 댐몸체의 하류측 바닥에 물방석이 형성되고, 양측으로 측벽이 형성된 사방댐에 있어서, 상기 댐몸체와 물방석 및 측벽에 의해 형성되는 일측의 모서리부에는, 상부면이 상류측에서 하류측으로 낮아지는 경사면으로 형성된 소수력발전부가 형성되어지되, 상기 소수력발전부의 상부면에는 상류측에서 하류측방향으로 발전용수로가 형성되고, 상기 발전용수로의 하류측 종단부에는 상기 발전용수로를 통해 흐르는 물에 의해 회전되는 발전용수차가 설치되며, 상기 발전용수차의 회동축이 연결되어 상기 회동축의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기가 상기 소수력발전부의 종단부에 설치되어짐으로써, 이미 건설된 사방댐과 앞으로 건설된 사방댐에 모두 적용이 가능하여 소수력발전을 위한 별도의 구조물 건설비용을 절감할 수 있으며, 소수력발전에 의한 부존자원의 활용도를 향상시키고, 전력생산과 더불어 농업용수 공급 및 홍수조절에 기능을 병행하여 수행할 수 있는 것이다.

Description

소수력 발전 기능을 갖는 사방댐{Debris barrier having small hydropower generating apparatus}
본 발명은 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하상구배가 큰 계곡 등에 산사태를 방지하기 위하여 건설되는 사방댐에, 소수력발전을 위한 설비를 추가적으로 시공함으로써, 소수력발전에 의한 부존자원의 활용도를 향상시키고, 전력생산과 더불어 농업용수 공급 및 홍수조절에 기능을 병행하여 수행할 수 있는 것이다.
특히, 이미 건설된 사방댐과 앞으로 건설된 사방댐에 소수력발전을 위한 설비를 시공함으로써, 소수력발전을 위한 별도의 구조물 건설비용을 절감할 수 있는 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 관한 것이다.
일반적으로, 하상구배가 큰 계곡에서는 급류가 강바닥을 파고 양쪽 산기슭을 깎아서 산사태를 일으키므로, 이것을 방지하고 토사가 흘러 내려가는 것을 방지하기 위해서 사방댐(Debris barrier)을 건설하게 되며, 특히 자갈의 이동이 심한 곳에 건설하여, 댐의 상류쪽에 자갈을 퇴적시켜서 하상을 완만한 구배로 안정시키게 된다.
상기와 같은 사방댐은 그 역할에 따라 모래 및 토석류를 막는 저사댐과, 물을 가두는 저수댐, 그리고 바위나 통나무를 막아주는 스크린 댐 등으로 구분된다. 여기서 저수댐은 저사댐의 역할도 할 수 있음은 당연하다.
상기와 같은 사방댐 중 저사댐은 주로 도 1에 나타난 바와 같이, 댐몸체(10)의 상부에 댐어깨(11) 및 방수로(12)가 형성되고, 댐몸체(10)의 하류측에는 물방석(30)이 형성되며, 양측으로는 측벽(20)이 형성된다.
그리고, 물방석(30)의 하류측 종단부에는 물막이(31) 및 물배출공(31a)이 형성된다.
한편, 에너지의 수급불균형과 에너지생산에 따른 환경공해문제 및 지구온난화문제가 심각하게 대두되면서, 태양열에너지 또는 소수력발전과 같은 청정에너지의 활용도를 향상시키기 위한 노력이 증가되고 있다.
그러나, 고위도 지방이나 산간지역에서는 일조량이 적기 때문에, 태양열에너지로는 초기건설비용에 따른 충분한 에너지공급이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 산간지역과 같이 태양열에너지에 의한 발전이 어려운 지역에서는 소수력발전에 의한 전력공급이 바람직하다.
일반적으로, 소수력발전은 발전방식에 따라 하천경사가 급한 상류지역에 효율적인 수로식(Run of river type)과, 하천경사가 적은 중하류의 유량이 풍부한 지역에 효율적인 댐식(Storage type), 그리고 수로식과 댐식의 혼합방식으로 굴곡이 심한 하천지역에 적합한 터널식(tunnel type) 등이 있으며, 발전용 수차로는 충격형 수차와 반동형 수차가 있다.
상기 충격형 수차로는 펠톤(Pelton)수차, 튜고(Turgo)수차, 오스버그(Ossberger)수차 등이 있으며, 반동형 수차로는 카프란(Kaplan), 튜브라(Tubular), 벌브(Bulb), 림(Rim) 등의 프로펠러수차와 프란시스(Francis)수차 등이 있다.
상기와 같은 소수력발전은 부존자원의 활용도를 높이고, 전력생산과 더불어 농업용수 공급 및 홍수조절에 기여할 수 있으며, 건설 후 운영비가 저렴하다는 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 장점에도 불구하고, 소수력 발전은 대수력이나 양수발전과 달리, 첨두부하(사용량이 증가되는 시간의 부하)에 대한 기여도가 적고, 발전용량에 비하여 초기 건설비용이 크며, 강수량에 따라 발전량의 변동이 많은 이유로 인해 적극적으로 활용되지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 현재 건설되어 있는 사방댐과 앞으로 건설된 사방댐에 소수력발전을 위한 설비를 시공함으로써, 소수력발전을 위한 별도의 구조물 건설비용을 절감할 수 있는 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 산간지역과 같이 태양열에너지에 의한 발전이 어려운 지역에서 소수력발전에 의한 부존자원의 활용도를 향상시키고, 전력생산과 더불어 농업용수 공급 및 홍수조절에 기능을 병행하여 수행할 수 있는 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐은, 댐몸체(100)의 하류측 바닥에 물방석(300)이 형성되고, 양측으로 측벽(200)이 형성된 사방댐에 있어서, 상기 댐몸체(100)와 물방석(300) 및 측벽(200)에 의해 형성되는 일측의 모서리부에는, 상부면이 상류측에서 하류측으로 낮아지는 경사면으로 형성된 소수력발전부(400)가 형성되어지되, 상기 소수력발전부(400)의 상부면에는 상류측에서 하류측방향으로 발전용수로(410)가 형성되고, 상기 발전용수로(410)의 하류측 종단부에는 상기 발전용수로(410)를 통해 흐르는 물에 의해 회전되는 발전용수차(510)가 설치되며, 상기 발전용수차(510)의 회동축(520)이 연결되어 상기 회동축(520)의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기(540)가 상기 소수력발전부(400)의 종단부에 설치되어지는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 발전용수로(410)는, 상기 댐몸체(100)로부터 상기 발전용수차(510)까지 경사지게 형성되는 평면의 제1 경사로(411)와, 상기 제1 경사로(411)에 연장되어 상기 발전용수차(510)의 하부측을 통과하도록 형성되어지는 제2 경사로(412)로 형성되어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 경사로(412)는, 상기 발전용수차(510)의 형상에 대응하는 곡면으로 형성되어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 댐몸체(100)에 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급통로(130)가 관통형성되어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발전용수공급통로(130)가 상하높이가 상류측에서 하류측으로 점차 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 댐몸체(100)의 상부에 방수로(120)가 형성되고, 상기 방수로(120)의 일측에는 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급로(121)가 형성되어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발전용수공급로(121)가 좌우폭이 상류측에서 하류측으로 점차 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 이미 건설되어 있는 다양한 기능의 사방댐에 소수력발전을 위한 설비를 추가적으로 시공하거나, 앞으로 건설된 사방댐에 소수력발전을 위한 설비를 시공함으로써, 소수력발전의 문제점인 높은 시공비용에 대한 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 청정에너지 자원 중 산간지역과 같이 태양열에너지에 의한 발전이 어려운 지역에서 소수력발전에 의한 부존자원의 활용도를 크게 향상시킴은 물론, 하나의 구조물을 이용하여 소수력발전에 의한 전력생산과 더불어 사방댐의 기능인 산사태방지와 농업용수 공급기능 및 홍수조절기능을 병행하여 수행할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 사방댐과 소수력발전을 위한 구조물 건설에 따른 자연경관의 훼손을 최소화할 수 있는 것이다.
특히, 청정에너지 자원인 소수력발전의 활용도를 크게 향상시킴으로써, 에너지의 수급불균형문제를 해소하고, 화석연료 및 원자력발전에 의한 환경공해문제 및 지구온난화를 억제할 수 있는 효과가 있는 것이다.
따라서, 사방댐 등의 토목분야, 환경 및 에너지분야에서의 시공성, 적용성 및 신뢰성을 크게 향상시킴은 물론, 해당 구조물 및 설비 등에 대한 경쟁력을 향상시킬 수 있는 것이다.
도 1은 일반적인 사방댐을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 대한 예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 대한 다른 예를 나타낸 사시도이다.
본 발명에 따른 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
우선, 본 발명에 적용되는 물의 운동에너지와 압력에너지를 동시에 사용할 수 있고, 유량과 낙차의 변화가 많은 수력발전에 안정적으로 운용할 수 있는 장점을 갖는 카프란 수차와 같은 반동형수차를 적용한다.
도 2는 본 발명에 의한 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 대한 예를 나타낸 사시도로서, 댐몸체(100)의 하류측 바닥에 물방석(300)이 형성되고, 양측으로 측벽(200)이 형성된 사방댐에 소수력발전부(400)가 형성됨을 나타낸 것이다.
상기 댐몸체(100)와 물방석(300) 및 측벽, 그리고 물방석(300)의 종단부에 형성된 물막이(310)와 물배출부(311)의 시공방법, 자재, 구조, 형상 등에 대해서는 당업자의 요구에 따라 다양한 변형이 가능하므로, 특정한 것에 한정하지 않음은 당연하며, 본 발명에서는 이러한 사방댐에 있어서, 소수력 발전을 위한 소수력발전부(400)가 어떠한 형태로 시공되는지에 대해 살펴보기로 한다.
수력발전은 물의 위치에너지를 운동에너지로 변환한 후, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 것이므로, 사방댐에서 위치에너지를 얻기 위하여, 상기 소수력발전부(400)의 상부면은 상류측(도 2에서는 좌측상부)에서 하류측(도 2에서는 우측하부)으로 낮아지는 경사면으로 형성한다.
그리고, 소수력발전부(400)의 상부면 일측에는 발전에 사용되는 물이 흐르는 발전용수로(410)를 형성하고, 상기 발전용수로(410)의 하류측 종단부에는 발전용수차(510)가 회동가능하도록 고정설치하여, 발전용수로(410)에 흐르는 물에 의하여 회동하도록 한다.
다시 말해, 상기 발전용수차(510)의 회동축(520)은 회동가능하도록 축지지구(530)에 고정설치되고, 발전용수로(410)에 흐르는 물에 의하여 발전용수차(510)가 회동하게 되면, 회동축(520)에 연결된 발전기(540)가 전력을 생산하게 된다.
그리고, 상기 발전기(540)에서 생산된 전력은 사방댐에 인접하여 설치된 배전반(550)을 통해 필요한 곳으로 공급된다.
여기서, 상기 발전기(540)와 배전반(550)은 지중에 매설된 전력공급라인(도 2에서 일점쇄선, 미부호)으로 연결되어 있으며, 당업자의 요구에 따라 발전기(540)가 측벽(200)의 내부에 설치될 수도 있음은 당연하다.
한편, 상기 발전용수로(410)는 소수력발전부(400)의 내부에 관로형태로 형성될 수도 있다.
여기서, 관로 내에 흐르는 유체와 유속 및 유량의 관계를 살펴보면, 관로 내에 흐르는 유체의 양이 관로의 최대용적에 70~80%일 경우에, 해당 유체의 유속 및 유량이 최대값이 된다. 그 이유는 관로에 유체가 모두 채워져 흐를 경우, 관로에 의해 발생되는 마찰력이 작용하여 유체의 속도가 감속되기 때문이다.
이에 기초하면, 사방댐에 적용됨에 있어 발전용수로(410)를 관로형태로 형성할 경우, 관로내부에 유체가 가득채워진 상태에서 이동하게 되므로, 최적의 유속과 유량을 얻지 못하게 되며, 이는 발전용량을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 발전용수로(410)는 도 2에 나타난 바와 같이 상부측이 개방된 형태를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 수력발전용 수차의 경우, 일정크기의 원형으로 형성되는데, 일반적으로 수차를 회동시키기 위해 공급되는 물은 수차의 상부측으로 공급되기 마련이다.
그러나, 소수력발전에 있어서, 낙차는 소수력발전에 의한 발전용량을 결정하는 주요요인으로, 낙차가 클수록 발전용량이 커짐은 당연하다 할 것이다.
따라서, 본 발명에서는 발전용수차(510)로 공급되는 물의 낙차를 크게 하기 위하여, 발전용수차(510)의 하부측으로 물이 공급되도록 함이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명의 발전용수로(410)는 도 3에 나타난 바와 같이, 사방댐의 상류측에서 물이 공급되는 제1 경사로(411)와, 제1 경사로(411)보다 큰 경사각도를 갖으며 상기 발전용수차(510)의 하부측을 통과하도록 형성되어지는 제2 경사로(412)가 상기 제1 경사로(411)에 연장형성되도록 하여여 이루어진다.
따라서, 상기 제1 경사로(411)를 이동한 물은 제2 경사로(412)로 진입하면서, 보다 큰 낙차와 위치에너지를 발생시켜 발전용수차(510)의 회전토크를 상승시키게 된다.
또한, 흐르는 물이 갖고 있는 에너지를 효율적으로 변환하기 위하여, 상기 발전용수차(510)에 설치된 날개판(511)은 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같은 곡면으로 형성됨이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 제2 경사로(412)를 상기 발전용수차(510)의 형상에 대응하는 곡면으로 형성한다.
그리고, 사방댐의 상류측의 물을 발전용수로(410)에 공급하는 방법으로는, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 댐몸체(100)에 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급통로(130)를 관통형성하는 방법과, 도 4에 나타난 바와 같이 댐몸체(100)의 상부에 형성된 방수로(120)의 일측에, 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급로(121)를 형성하는 방법이 있다.
이때, 발전용수차(510)의 회전운동에너지는, 낙차에 의한 위치에너지와 더불어 유속에 의한 운동에너지에 대해서도 영향을 받게 된다.
따라서, 유속을 빠르게 하게 되면 발전용수차(510)의 회전운동에너지가 증가되어, 발전량이 증가될 수 있다.
이를 위하여, 상기 발전용수공급통로(130)는, 도 3에 나타난 바와 같이 상하높이가 상류측에서 하류측으로 점차 좁아지도록 형성함으로써, 상류측에서 유입되는 물의 양은 증가시키고, 증가된 물이 보다 좁은 하류측으로 배출되도록 하여, 배출시의 유속을 증가시켜, 발전용수로(410)를 통해 흐르는 물의 유속을 증가시킬 수 있다.
동일한 이유로 인해, 도 4에 나타난 바와 같이 방수로(120)의 일측에, 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급로(121)를 형성된 경우, 상기 발전용수공급로(121)는, 좌우폭이 상류측에서 하류측으로 점차 좁아지도록 형성함이 바람직하다.
따라서, 동일한 낙차 높이를 갖는 소수력발전부(400)에서, 보다 많은 양의 전기에너지를 생산할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명에 의한 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 댐몸체 110 : 댐어깨
120 : 방수로 121 : 발전용수공급로
130 : 발전용수공급통로 200 : 측벽
300 : 물방석 400 : 소수력발전부
410 : 발전용수로 411 : 제1 경사로
412 : 제2 경사로

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 댐몸체(100)의 하류측 바닥에 물방석(300)이 형성되고, 양측으로 측벽(200)이 형성된 사방댐에 있어서,
    상기 댐몸체(100)와 물방석(300) 및 측벽(200)에 의해 형성되는 일측의 모서리부에는, 상부면이 상류측에서 하류측으로 낮아지는 경사면으로 형성된 소수력발전부(400)가 형성되어지되,
    상기 소수력발전부(400)의 상부면에는 상류측에서 하류측방향으로 발전용수로(410)가 형성되고, 상기 발전용수로(410)의 하류측 종단부에는 상기 발전용수로(410)를 통해 흐르는 물에 의해 회전되는 발전용수차(510)가 설치되며, 상기 발전용수차(510)의 회동축(520)이 연결되어 상기 회동축(520)의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전기(540)가 상기 소수력발전부(400)의 종단부에 설치되어지며,
    상기 발전용수로(410)는,
    상기 댐몸체(100)로부터 상기 발전용수차(510)까지 경사지게 형성되는 평면의 제1 경사로(411)와,
    상기 제1 경사로(411)에 연장되어 상기 발전용수차(510)의 하부측을 통과하도록 형성되어지는 제2 경사로(412)로 형성되어지며,
    상기 댐몸체(100)에는 상기 발전용수로(410)의 상류측 종단부와 이어지도록 발전용수공급통로(130)가 관통형성되어지는 것을 특징으로 하는 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 경사로(412)는,
    상기 발전용수차(510)의 형상에 대응하는 곡면으로 형성되어지며,
    상기 발전용수공급통로(130)는,
    상하높이가 상류측에서 하류측으로 점차 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전 기능을 갖는 사방댐.
  6. 삭제
  7. 삭제
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