KR101290920B1 - 조력발전소용 수차구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수차구조물의 제공뿐만 아니라 관리시설 및 주변 관광지와 연계 가능한 접근도로 등을 설치함으로써 해양관광단지를 위한 시설로도 역할 가능한 조력발전소용 수차구조물에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예는 호수와 해수와의 사이에 형성되는 구조물 설치부와, 구조물 설치부에서 호수와 해수 방향으로 각각 평탄면을 형성한 에이프런부와, 에이프런부에서 해수 저면 또는 호수 저면까지 10~15°의 경사면을 형성한 경사부가 차례로 요입된 형태로 형성되는 해저암반부와; 해저암반부의 구조물 설치부를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성하고, 유지관리용 통로와 누설수를 배수관을 통하여 배출되게 디워터링 갤러리를 형성한 기층부와; 호수 측은 관리수위와, 해수 측은 최저발전표고를 중심으로 상부는 고로슬래그 시멘트로 형성되고 하부는 저발열 시멘트로 형성되며, 해수와 호수를 연결하도록 관통하도록 중간벽체를 두고 연속적으로 형성되는 흡출관과, 해수 측으로는 전면 헤드부가 배치되고 런너는 호수 측을 향하게 배치되도록 흡출관의 내부에 고정되며 중심의 표고는 최저 해수면으로부터 13m 이상 차이가 나도록 구성되는 수차발전기와, 수차발전기의 수직방향으로 형성되는 유지관리용 수직점검로가 형성되고, 흡출관 2개 마다 중간벽체가 절단된 형상으로 1개의 구조물 블록을 구성하며 상기 구조물 블록이 연속적으로 설치되어 형성되도록 기층부의 상부에 설치되는 구조물과; 구조물의 해수 측과 호수 측 양끝단에 마주보는 가이드홈이 형성되도록 수직으로 형성되며, 가이드홈의 외부로 노출된 면과 하단면이 무수축 콘크리트로 이루어지는 지지부가 형성된 스톱로그 지지채널; 스톱로그 지지채널을 통해 스톱로그를 설치하도록 구조물의 해수 측과 호수 측 양끝단의 상부에 설치되는 갠트리 크레인;으로 구성된다.

Description

조력발전소용 수차구조물{Turbine Structure for Tidal Power Plant}

본 발명은 조력발전소용 수차구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최저발전표고 유지를 용이하도록 하여 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 수차발전기로의 해수의 유입속도를 효과적으로 상승시킬 수 있고, 구조물의 해수 및 호수의 항상 물에 잠겨 있는 부분을 저발열 콘크리트를 사용하여 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 스톱로그의 반복 설치에 의하여 쉽게 파손되지 않도록 하는 조력발전소용 수차구조물에 관한 것이다.

최근 환경문제가 전 세계적인 문제로 떠오르면서 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스가 아닌 태양에너지, 바이오에너지, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄의 액화 및 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지 및 그 외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료 등이 대체에너지원으로 거론되고 있다. 특히 태양력이나 조력, 풍력 등의 자연에너지 개발을 통한 대체에너지원의 발굴에 관심이 집중된다.

조력(潮力)발전은 조수간만의 차이에 의한 외해와 호수의 수위 차를 이용하는 원리로, 본 발명은 우리나라 서해안의 시화호, 새만금, 가로림만, 천수만 등에서 연안의 매립이나 간척지 개발에 의해 형성되는 호수의 경우에서와 같이, 방조제를 중심으로 외해 수위는 시간에 따라 상하로 수 m씩 변화하고, 반면에 호수 내의 수위는 인근으로의 홍수나 범람을 피하기 위해 특정 관리수위 이하로 유지되어야 하는 경우에 적용될 수 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0727852호 "조력발전소용 수차구조물"(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 도 6에서와 같이 "호수와 해수와의 사이에서 연결구조물을 매개로 연결되어 조력발전을 하는 수차구조물로서, 상기 수차구조물은 해저암반부(1)를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성하는 기층부(2)와, 이 기층부(2)의 상측 수로에 수차발전기 접근통로(40)와 수차발전기 고정부(15)에 의해 설치되는 수차발전기(10)와, 이 수차발전기(10)로부터 유입된 해수(W)를 호수(L) 측으로 배출하는 흡출관(16)이 형성되며, 상기 기층부(2)에 형성되는 하부 작업공간(65)에는 응결수 트랜치를 갖는 통로(62)와 유지관리용 통로(63)가 형성되며, 상기 통로(62)와 유지관리용 통로(63)에서 발생한 응결수와 누설수를 배수관(61)을 통하여 유지관리용 통로(63)에서 접근이 용이한 곳에 설치된 배출구(60)에서 모아 배출되게 형성되며, 상기 수차발전기(10)는, 해수(W) 측으로는 전면 헤드부를 그리고 런너(18)는 호수(L) 측을 향하게 배치되어 해수(W) 측에서 호수(L) 측으로 해수가 유입될 때 발전하도록 구성되며, 상기 수차발전기(10)로 유입되는 해수의 와류발생과 공기 혼입을 방지하기 위해 입구부는 만곡구조(R)를 갖도록 하고 수차발전기(10)의 런너(18)까지는 좁아지며 이후 호수(L) 측의 배출부까지 점차 확장되어가는 벤튜리 형태의 구조를 갖고, 상기 수차발전기(10)의 상측으로는 수차발전기 접근통로(40)로 연결되는 수차발전기실(21)이 설치되며, 이 수차발전기실(21)과 인접하여 기계실(22)이 설치되며, 흡출관(16)의 후부 상측으로는 1,2차 접근도로(33)(34)가 다층구조로 설치되고, 상기 수차구조물의 상측 해수(W) 측과 호수(L) 측 양끝단에 스톱로그가 설치될 수 있도록 하는 스톱로그 지지채널(12)(17)이 설치되어 필요시 해수(W) 측과 호수(L) 측 상부 양 끝단에 설치된 갠트리 크레인(27)(35)을 통해 상기 스톱로그 지지채널(12)(17)을 통해 스톱로그를 설치할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물"을 제안한다.

그러나 상기 배경기술은 해저암반부(1)가 평탄면으로 형성되어, 수차발전기(10)로의 해수의 유입속도를 효과적으로 상승시킬 수 없었으며, 구조물의 해수 및 호수의 항상 물에 잠겨 있는 부분이 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하여 콘크리트의 성능을 저감시키는 문제점이 있었으며, 또한 수차발전기(10)의 중심의 표고를 고려하지 않고 설계를 하였기 때문에, 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어나며, 최저발전표고를 유지할 수 없기 때문에 수차발전기(10)의 역할을 하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 스톱로그가 설치되는 스톱로그 지지채널의 경우 스톱로그의 반복 설치에 의하여 쉽게 파손되는 등의 문제점이 있었다.

특허등록 제0727852호 "조력발전소용 수차구조물"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 우리나라 서해안 연안에 간척지나 매립지 등의 개발에 의해 형성되는 인공호수에 적용할 수 있으며, 해저암반부를 요입된 형상으로 경사부와 에이프런부를 형성하도록 하여 수력발전기의 최저발전표고 유지를 용이하도록 하여 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 수차발전기로의 해수의 유입속도를 효과적으로 상승시킬 수 있고, 2개의 유닛을 한개의 블럭으로 형성하여 획기적으로 공기단축이 가능하면서도 콘크리트 부피를 감소시켜 수화열 발생을 억제할 수 있는 효과가 있는 조력발전소용 수차구조물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 구조물의 해수 및 호수의 항상 물에 잠겨 있는 부분을 저발열 콘크리트를 사용하여 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 스톱로그가 설치되는 스톱로그 지지채널에 무수축 콘크리트로 형성된 지지부를 구성하여 스톱로그의 반복 설치에 의하여 쉽게 파손되지 않도록 하는 수차구조물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 호수와 해수와의 사이에서 설치되어 조력발전을 하는 수차구조물로서, 호수와 해수와의 사이에 형성되는 구조물 설치부와, 구조물 설치부에서 호수와 해수 방향으로 각각 평탄면을 형성한 에이프런부와, 에이프런부에서 해수 저면 또는 호수 저면까지 10~15°의 경사면을 형성한 경사부가 차례로 요입된 형태로 형성되는 해저암반부와; 해저암반부의 구조물 설치부를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성하고, 유지관리용 통로와 누설수를 배수관을 통하여 배출되게 디워터링 갤러리를 형성하고, 호수와 해수 측의 측단부에는 무근콘크리트로 형성되고 상부가 넓고 하부가 좁은 형태의 세굴방지부가 구성되는 기층부와; 호수 측은 관리수위와, 해수 측은 최저발전표고를 중심으로 상부는 고로슬래그 시멘트로 형성되고 하부는 저발열 시멘트로 형성되며, 해수와 호수를 연결하도록 관통하도록 중간벽체를 두고 연속적으로 형성되는 흡출관과, 해수 측으로는 전면 헤드부가 배치되고 런너는 호수 측을 향하게 배치되도록 흡출관의 내부에 고정되며 중심의 표고는 최저 해수면으로부터 13m 이상 차이가 나도록 구성되는 수차발전기와, 수차발전기의 수직방향으로 형성되는 유지관리용 수직점검로가 형성되고, 흡출관 2개 마다 중간벽체가 절단된 형상으로 1개의 구조물 블록을 구성하며 상기 구조물 블록이 연속적으로 설치되어 형성되도록 기층부의 상부에 설치되는 구조물과; 구조물의 해수 측과 호수 측 양끝단에 마주보는 가이드홈이 형성되도록 수직으로 형성되며, 가이드홈의 외부로 노출된 면과 하단면이 무수축 콘크리트로 이루어지는 지지부가 형성된 스톱로그 지지채널; 스톱로그 지지채널을 통해 스톱로그를 설치하도록 구조물의 해수 측과 호수 측 양끝단의 상부에 설치되는 갠트리 크레인; 구조물의 해수 측과 호수 측 양끝단의 상부에 설치되는 갠트리 크레인으로 스톱로그 지지채널을 통해 설치되며, 양측단부에는 가이드롤러가 구성되고, 양단부측의 전후면에는 지지돌기가 결합구성되는 스톱로그;로 구성되며, 지지부의 스톱로그의 양측단부와 마주하는 면에는 일측면에 가이드가 결합된 H형 단면을 갖는 가이드 철물이 일정간격으로 매입 구성되어 가이드롤러가 가이드에 끼워져 가이드 역할을 하도록 하고, 지지부의 마주보는 면에는 각각 표면이 노출되도록 일정 간격으로 H형 단면을 갖는 보강철물이 매입 구성되어, 스탑로그의 지지돌기가 보강철물에 지지되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물을 제공하고자 한다.

또한, 기층부는 호수와 해수 측 단부의 하부가 하부로 돌출되어 제1 수평전단키를 형성하고, 중앙부가 하부로 돌출되어 제2 수평전단키가 형성되며, 제2 수평전단키는 제1 수평전단키보다 더 하부로 돌출되도록 형성되도록 할 수 있으며, 구조물 블록의 중앙부에 위치한 중간벽체는 내부에 중공부가 형성되며, 상기 중공부에는 속채움이 구성되도록 할 수 있다.

또한, 지지부의 스톱로그의 단부의 해수 또는 호수와 접하는 반대편의 일측면에는 지지돌기의 측면에 보조돌기가 결합구성되고, 보조돌기와 면접하는 보강철물의 외부로 노출되는 면은 지지부의 모서리 부분까지 확장하여 구성되도록 할 수 있다.

또한, 구조물 블록과 구조물 블록의 면접한 중간벽체의 이음부에는 동지수판이고 연속된 요철형상으로 중앙부가 볼록한 ㄷ자 단면 형상이고 양측부는 오목한 형상의 ㄷ자 단면을 갖도록 일체로 형성되는 지수판이 해수 측과 호수 측에 각각 형성되되 지수판의 중앙부가 구조물 블럭과 구조물 블럭의 이음부에 위치하고 양측부가 중간벽체에 매입되며 양측부의 개구부가 해수 또는 호수 측을 향하도록 매입구성되도록 할 수 있다.

본 발명의 조력발전소용 수차구조물은 우리나라 서해안 연안에 간척지나 매립지 등의 개발에 의해 형성되는 인공호수에 적용할 수 있으며, 해저암반부를 요입된 형상으로 경사부와 에이프런부를 형성하도록 하여 수차발전기의 최저발전표고 유지를 용이하도록 하여 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 수차발전기로의 해수의 유입속도를 효과적으로 상승시킬 수 있고, 2개의 유닛을 한개의 블럭으로 형성하여 획기적으로 공기단축이 가능하면서도 콘크리트 부피를 감소시켜 수화열 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 구조물의 해수 및 호수의 항상 물에 잠겨 있는 부분을 저발열 콘크리트를 사용하여 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 스톱로그가 설치되는 스톱로그 지지채널에 무수축 콘크리트로 형성된 지지부를 구성하여 스톱로그의 반복 설치에 의하여 쉽게 파손되지 않도록 하는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 수차구조물이 설치되는 전체 조력발전소 시스템을 개략적으로 예시한 평면 배치도이다.
도 2은 본 발명의 조력발전소용 수차구조물을 일측면을 절단하여 나타낸 측단면도이다.
도 3는 본 발명의 조력발전소용 수차구조물의 구조물 부분의 확대도이다.
도 4은 본 발명의 기층부의 확대도이다.
도 5a는 본 발명의 구조물 블록(30a)의 평단면도이다.
도 5b는 상기 도 5a의 결합된 상태를 도시한 평단면도이다.
도 5c는 상기 도 5a의 '가'부분의 확대도이다.
도 5d는 상기 도 5c에서 스톱로그(60)가 결합된 상태를 도시한 도이다.
도 6는 종래의 조력발전소용 수차구조물을 일부 절단하여 나타낸 부분단면도이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 수차구조물이 설치되는 전체 조력발전소 시스템을 개략적으로 예시한 평면 배치도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수차구조물(1)은 조수간만의 차이가 적절한 조력발전소 건설지에서 호수(L)와 해수(W)와의 사이에 조력발전소를 설치하면서, 주변의 공원부지와 육지와의 사이에 다수의 유닛으로 이루어진 수차구조물(1)과 수문구조물(2) 및 그 사이에 연결구조물(3)을 설치하여 해양관광기능, 접근도로기능, 발전소기능 등이 함께 공존하는 자연 친화형 조력발전소용 수차구조물이다. 도면 중 설명부호 4는 최외측의 수차구조물(1)과 연결되는 수차구조물 날개벽(4)이고, 설명부호 5는 최외측의 수문구조물(2)과 연결되는 수문구조물 날개벽(5)을 도시한 것이다.

도 2은 본 발명의 조력발전소용 수차구조물을 일측면을 절단하여 나타낸 측단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조력발전소용 수차구조물은 해저암반부(10)와 해저암반부(10)를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성한 기층부(20), 기층부(20)의 상부에 수차발전기(40) 등이 형성되는 구조물(30)로 이루어진다.

해저암반부(10)는 해저암반을 가공하여 형성하는 것으로서, 구조물 설치부(11), 에이프런부(12a)(12b) 및 경사부(13a)(13b)가 요입된 형태로 형성된다.

구조물 설치부(11)는 호수(L)와 해수(W)와의 사이에 형성되는데, 구조물 설치부(11)에는 기층부(20)가 형성되고, 기층부(20)의 상부에 수차발전기(40) 등이 형성되는 구조물(30)이 형성된다. 구조물 설치부(11)는 기층부(20)가 형성되는 부분이기 때문에, 기층부(20)가 설치되는 크기와 동일하게 형성한다.

구조물 설치부(11)에서 호수(L)와 해수(W) 측 양방향으로 평탄면의 에이프런부(12a)(12b)가 형성되고, 에이프런부(12a)(12b)에서 해수 저면 또는 호수 저면까지 10~15°의 경사면을 형성한 경사부(13a)(13b)가 차례로 형성된다.

즉, 해저암반을 성형하여 구조물 설치부(11), 에이프런부(12a)(12b) 및 경사부(13a)(13b)가 요입된 형태로 구성되는 것이다. 이와 같이, 요입된 형태로 구성하는 것은 해수의 수위는 시간에 따라 상하고 수 m씩 변화하고, 호수 내의 수위는 인근으로부터의 홍수나 범람을 피하기 위하여 특정 관리수위 이하로 유지되기 때문에, 변화하는 해수면에서부터 수차발전기(40)의 최저발전표고를 유지하기 위해서이다.

해수(W) 측에서부터 해저암반부(10)를 살펴보면, 해저면을 거쳐 경사면(13a), 에이프런부(12a), 구조물 설치부(11)를 거쳐 호수(L) 측으로 에이프런부(12b)과 경사부(13b)가 구성된다.

조력발전은 조수간만의 차이에 의하여 해수(W)와 호수(L)의 수위차를 이용하기 때문에, 해수(W)의 경사부(13a)는 경사를 이루도록 하여 해수(W)가 수차발전기(40) 방향으로 유입되도록 유도하여 더욱 효과적으로 조력발전이 가능하도록 하는 것이다.

에이프런부(12a)는 경사부(13a)를 거친 해수가 안정된 흐름으로 이동하면서 수차발전기(40)로 유입되도록 하는 유도하는 역할을 한다.

호수(L) 측의 에이프런부(12b)와 경사부(13b)는 해수(W) 측에서 수차발전기(40)를 통하여 유입된 물을 호수(L) 측으로 유도하는 역할을 한다.

경사부(13a)(13b)는 10~15°의 경사면을 형성하도록 한다. 이는 해수(W) 측에서 수차발전기(40)로 유입되는 해수의 속도를 일정하고 효과적으로 유도하기 위해서이며, 10°이하로 형성될 경우에는 경사면을 형성하여 해수의 유도 속도를 높이는데 효과가 없고, 15°이상으로 형성될 경우에는 조수 간만의 차에 의하여 경사면(13a)을 따라 이동하는 해수의 속도가 일정하지 않을 뿐만 아니라, 너무 빠를 경우에는 기층부(20) 및 구조물(30)에 세굴현상이 일어날 수 있기 때문이다.

도 3는 본 발명의 조력발전소용 수차구조물의 구조물 부분의 확대도이고, 도 4은 본 발명의 기층부의 확대도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수차구조물은 기층부(20)와 기층부(20) 상부에 형성되는 구조물(30)로 이루어진다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기층부(20)는 해저암반부(10)의 구조물 설치부(11)를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성한 것이다.

기층부(20)에는 유지관리용 통로(21)와 누설수를 배수관을 통하여 배출되게 디워터링(De-watering) 갤러리(22)를 형성한다.

해저암반부(10)에서 기층부(20)가 설치되는 구조물 설치부(11)는 기층부(20)의 하단 표고에 따라 결정할 수 있으며, 기층부(20) 하단 표고가 EL(-)26.9m 일 경우 기층부(20) 최소 두께는 2.5~2.8m를 확보하도록 할 수 있다.

기층부(20) 상부 구조물(30) 블록간의 부등변위는 수평 및 수직방향으로 발생하며 이러한 변위를 제어하기 위하여, 기층부(20)는 하부에 전단키를 형성하도록 하여, 기초암반부(10)와의 지지력 확보를 강화하도록 할 수 있다.

이때, 호수(L)와 해수(W) 측 양단부의 하부가 하부로 돌출되어 제1 수평전단키(24)를 형성하도록 하여, 기층부(20)의 양측면이 전단키의 역할을 하도록 할 수 있으며, 기층부(20)의 중앙부가 하부로 돌출되어 제2 수평전단키(25)가 형성되도록 하여, 이중 전단의 역할을 하도록 할 수 있다. 또한, 제2 수평전단키(25)는 제1 수평전단키보다 더 하부로 돌출되도록 형성되도록 하여 제1 수평전단키(24)가 각각 전단키의 역할을 함과 동시에 제2 수평전단키(25)가 더 돌출되도록 하여 각자 다른 높이에서의 지지력화보를 도모하도록 하는 것이다.

제2 수평전단키(25)는 전단키의 역할을 함과 동시에, 수차발전기(40)의 런너(42)가 회전할 때 발생하는 진동과 수차구조물에 전달되는 여러 가지 충격들을 흡수하면서 내구성을 확보하도록 고중량인 수차발전기(40)의 아랫부분이 볼록하게 두터운 구조로 구성되며, 흡출관(31)의 배출부쪽 기층부(20)는 아랫부분을 평탄구조로 구성하여 수차구조물의 하중을 해저암반부에 균등하게 분산되도록 하였다.

또한, 기층부(20)의 호수(L)와 해수(W) 측의 측단부에는 무근콘크리트로 형성된 세굴방지부(23)가 구성되도록 할 수 있다.

이와 같이 세굴방지부(23)를 형성하는 것은 조수간만의 차에 의하여 토사가 기층부(20)를 세굴할 수 있으며, 이때 세굴이 되는 부분인 기층부(20)의 호수(L)와 해수(W) 측의 측단부에 세굴방지부(23)를 형성하도록 한 것이다.

또한, 세굴방지부(23)는 세굴방지부(23)는 세굴이 더욱 심하게 발생하는 상부가 넓고 하부가 좁은 형태로 구성되도록 할 수도 있다.

구조물(30)은 기층부(20)를 기초로 하여 상부에 형성된다.

구조물(30)은 호수(L)와 해수(W)와의 사이에 설치되며, 호수(L)와 해수(W)를 차단하고 있는 형상을 한다.

흡출관(31)은 구조물(30)에 해수(W)와 호수(L)를 연결하도록 관통하여 형성된다.

해수(W) 측으로는 전면 헤드부(41)가 배치되고 런너(42)는 호수(L) 측을 향하게 배치되도록 흡출관(31)의 내부에 고정되며 중심표고(C.A)는 최저 해수면(L.L.W)으로부터 13m 이상 차이가 나도록 구성되는 수차발전기(40)와, 수차발전기(40)의 수직방향으로 형성되는 유지관리용 수직점검로(32)가 형성된다.

구조물(30)에는 기층부(20) 상부에 형성되되 호수(L) 측은 관리수위(a)와, 해수(W) 측은 최저발전표고(A)를 중심으로 상부는 고로슬래그 시멘트로 형성되고 하부는 저발열 시멘트로 형성되도록 한다.

이와 같이, 구조물(30)의 호수(L) 측은 관리수위(a)와, 해수(W) 측은 최저발전표고(A)를 중심으로 하부에 위치하는 부분은 항상 물에 잠겨 있게 되기 때문에, 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하여 콘크리트의 성능을 저감시킨다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 저발열 시멘트를 사용하는 것이다. 저발열 시멘트로 배합설계를 하고, 이 콘크리트로 사전실험을 하여 내외부의 온도차를 예측하고, 콘크리트 내부에 온도센서를 설치하여 내외부의 온도차이를 측정하여 관리할 수도 있다.

흡출관(31)은 구조물(30)에 해수(W)와 호수(L)를 연결하도록 관통하여 형성되며, 흡출관(31)은 내부에 수차발전기(40)가 고정구성되어, 수차발전기(40)로 부터 유입된 해수(W)를 호수(L) 측으로 배출하도록 하는 역할을 한다.

수차발전기(40)는 해수(W) 측으로는 전면 헤드부(41)가 배치되고 런너(42)는 호수(L) 측을 향하게 배치되도록 흡출관(31)의 내부에 고정 구성된다.

수차발전기(40)는 해수(W) 측으로는 전면 헤드부를 그리고 런너(42)는 호수(L) 측을 향하게 배치되어 해수(W) 측에서 호수(L) 측으로 해수가 유입될 때 발전하도록 구성되며, 상기 수차발전기(40)로 유입되는 해수의 와류발생과 공기 혼입을 방지하기 위해 입구부는 만곡구조를 갖도록 하고 수차발전기(10)의 런너(42)까지는 좁아지며 이후 호수(L) 측의 배출부까지 점차 확장되어가는 벤튜리 형태의 구조를 갖는다.

파랑에 의하여 발전소 운영에 지장이 없도록 수차 중심표고 및 마루높이를 결정한다.

수차발전기(40)의 중심의 표고는 최저 해수면(L.L.W)으로부터 13m 이상 차이가 나도록 구성되는데, 수차발전기 중심의 표고는 최저 해수면에서 EL(-)13m 이상 차이가 나도록 구성한다. 이는 13m 이하로 구성될 경우에는 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어날 수 있어, 최저발전표고를 유지할 수 없기 때문에 수차발전기(40)의 역할을 하지 못하기 때문이다.

부가적으로 마루높이는 100년 빈도 설계파 및 파랑에 의한 월파, 처오름 높이를 감안하고, 관광객 및 운영자의 안전을 고려하여 (+)8.0m 가 소요되므로 구조물 전면의 보행로는 EL(+)8.0m 이상으로 하고, 기기 반입부는 이보다 더 높게 구성하도록 한다.

수직점검로(32)는 구조물(30)에서 수차발전기(40)의 수직방향으로 형성된다.

수직점검로(32)는 수차발전기실과 연결되어 설치되며, 이 수차발전기실과 인접하여 기계실이 설치될 수 있으며, 흡출관(31)의 후부 상측으로는 1,2차 접근도로(33)(34)가 다층구조로 설치될 수 있다. 흡출관(16)의 상측에 설치되는 1,2차 접근도로(33)(34)는 다층구조로써 본 발명에서는 외력에 대한 수차구조물의 안전성을 높이기 위하여 1차 접근도로(33)의 하부에 토사층(35)을 설치하여 수차구조물의 자중을 높이고 그 상부로는 1차 접근도로(33) 그리고 그 상부로 다시 2차 접근도로(34)가 설치된다.

스톱로그 지지채널(50a)(50b)은 구조물(30)의 해수(W) 측과 호수(L) 측 양끝단에 마주보는 가이드홈(51)이 형성되도록 수직으로 형성되며, 가이드홈(51)의 외부로 노출된 면과 하단면이 무수축 콘크리트로 이루어지는 지지부(52)가 형성된다.

스톱로그 지지채널(50a)(50b)은 수차발전기(40) 및 런너(42) 등의 유지보수시 수로 내로 작업자의 접근이 가능하도록 해수를 차단하기 위해 해수(W) 측 스톱로그 지지채널(50a)과 호수(L) 측 스톱로그 지지채널(50b)을 구조물(30)의 양단에 설치하여 스톱로그를 설치할 수 있도록 하였다.

도 5a는 본 발명의 구조물 블록(30a)의 평단면도이고, 도 5b는 상기 도 5a의 결합된 상태를 도시한 평단면도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 구조물 블록(30a)은 흡출관(31) 2개 마다 중간벽체(37a)가 절단된 형상으로 2유닛을 1블럭화 하여 형성하고, 도 5b에 도시된 바와 같이, 2개의 유닛을 1개의 블럭화 한 구조물 블록(30a)을 연속으로 시공하여 2개의 유닛을 동시에 시공하는 효과가 있으므로 공기단축이 가능하고, 구조물 블록(30a)의 중앙부에 위치한 중간벽체(37b)는 내부에 중공부(38)를 형성하도록 하여 콘크리트 부피를 감소시킬 수 있어 수화열 발생을 억제할 수 있다.

구조물 블록(30a)의 중앙부에 위치한 중간벽체(37b)는 유효단면 이외의 과도한 부분에 중공부(38)를 형성하고, 추후 물속에서 속채움(39)을 실시하여 부력에 대한 안정성 및 경제성을 확보할 수 있도록 할 수 있다.

스톱로그 지지채널(50a)(50b)은 스톱로그가 끼워지는 가이드홈(51)과 스톱로그의 하단부가 맞닿는 하단면, 즉 외부로 노출된 부분에는 무수축 콘크리트로 이루어지는 지지부(52)가 형성된다.

지지부(52)를 형성하는 무수축 콘크리트는 체적 변화가 없으며, 비부식성, 모체와의 우수한 접착성, 내충격성 및 내진동성이 뛰어나, 스톱로그가 반복 설치되는 스톱로그 지지채널(50a)(50b)의 강도를 강화하도록 할 수 있는 것이다.

또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 지지부(52)는 외부로 표면이 노출되도록 보강철물(53)이 매입구성되도록 하여, 반복설치에 의한 가이드홈(51)의 손상 및 해수 또는 호수 수압에 의하여 스톱로그(60)에 의한 충격에 의한 손상을 최소화할 수 있다.

도 5d에 도시된 바와 같이, 스톱로그(60)의 양측단부에는 가이드롤러(60a)가 구성되고, 지지부(52)의 스톱로그(60)의 양측단부와 마주하는 면에는 돌출하여 가이드(55)가 구성되도록 할 수 있다.

가이드(55)는 H형 단면을 갖는 가이드 철물(53a)의 일측면에 결합하고, 가이드 철물(53a)을 지지부(52)에 일정간격으로 매입 구성되도록 하여 가이드(55)가 가이드롤러(60a)에 끼워져 이동하도록 가이드 역할을 하도록 한다.

즉, 스톱로그(60)의 양단부에 형성된 가이드롤러(60a)의 중앙부에 가이드 철물(53a)의 중앙부에서 외부로 돌출한 가이드(55)가 끼워지는 형상으로 위치하여 가이드 역할을 하여 수압 등에 대하여 이탈되지 않으면서 용이하게 스톱로그(60)의 설치 및 제거가 가능하도록 하기 위해서이다.

또한, 지지부(52)의 스톱로그(60)의 단부의 양측면에는 지지돌기(60b)가 결합구성되고, 지지부(52)의 마주보는 면에는 각각 표면이 노출되도록 일정 간격으로 H형 단면을 갖는 보강철물(53b)(53c)이 매입 구성되어, 지지돌기(60b)가 보강철물(53b)(53c)에 지지되도록 하여, 스톱로그(60)의 반복 설치 및 수압에 의하여 가이드홈(51)의 손상을 최소화할 수 있다.

이때, 지지부(52)의 스톱로그(60)의 단부의 해수 또는 호수와 접하는 반대편의 일측면에는 지지돌기(60b)의 측면에 보조돌기(60c)가 결합구성되고, 보조돌기(60c)와 면접하는 보강철물(53c)의 외부로 노출되는 면은 지지부(52)의 모서리 부분까지 확장하여 구성되도록 할 수도 있다.

즉, 해수 및 호수 측의 수압이 스톱로그(60)에 작용할 때, 스톱로그(60)가 수압에 의하여 내측으로 밀리게 되고, 이에 의하여 지지부(52)가 파손을 입는 문제점이 있었다. 따라서, 수압을 받는 측면 즉, 지지부(52)의 스톱로그(60)의 단부의 해수 또는 호수와 접하는 반대편의 일측면에 보조돌기(60c)를 형성하도록 하고, 상기 보조돌기(60c)가 지지부(52)를 손상시키지 않고 지지되도록 하기 위하여, 보조돌기(60c)와 면접하는 보강철물(53c)의 외부로 노출되는 면은 지지부(52)의 모서리 부분까지 확장하여 구성되도록 하는 것이다.

가이드 철물(53a) 및 보강철물(53b)(53c)은 구조물 블록(30a)과 지지부(52)의 결합을 위하여 전단앵커(54)를 구성하고, 상기 전단앵커(54)에 보강철물(53)을 결합하여 구성할 수 있다.

또한, 구조물 블록(30a)과 구조물 블록(30a)의 면접한 중간벽체(37a)(37a)의 이음부에는 지수판(80)이 해수(W) 측과 호수(L) 측에 각각 형성되도록 하여, 구조물 블록(30a)과 구조물 블록(30a) 연결부의 지수역할을 하도록 한다.

이때, 지수판(80)은 염화비닐, 동 등의 다양한 재질로 구성된 지수판이 사용될 수 있으며, 지수판(80)을 연속된 요철형태로 구성하여 콘크리트의 부착 면적을 증가시키도록 할 수 있다.

즉, 도 5b의 확대도에 도시된 바와 같이, 동판으로 형성되며 중앙부가 볼록한 ㄷ자 단면 형상이고 양측부는 오목한 형상의 ㄷ자 단면을 갖도록 일체로 형성되도록 할 수 있으며, 중앙부가 이음부에 위치하고 양측부가 중간벽체(37a)(37a)에 매입되되 양측부의 개구부가 해수 또는 호수 측을 향하도록 매입구성하여, 지수능력을 향상시킨 수 있다.

호수(L) 측의 단부에는 해수 차단용 스톱로그 설치를 위한 갠트리 크레인(70b)을 설치하여 필요시 해수를 차단하여 수차발전기(40), 런너(42) 및 수로의 유지보수가 가능하도록 하였다.

또한, 해수(W) 측의 상측에 설치되는 대형 갠트리 크레인(70a)은 이동대차에 의하여 이동되는 것으로, 이는 수차구조물의 시공성을 높이는 동시에 수차발전기(40) 설치시 갠트리 크레인(70a)의 운용효율성을 극대화하도록 하여 최대의 경제성을 얻을 수 있도록 하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 조력발전소용 수차구조물은 우리나라 서해안 연안에 간척지나 매립지 등의 개발에 의해 형성되는 인공호수에 적용할 수 있으며, 해저암반부를 요입된 형상으로 경사부와 에이프런부를 형성하도록 하여 수력발전기의 최저발전표고 유지를 용이하도록 하여 공기 혼입에 따른 수차 진동 및 공동현상(cavitation)이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 수차발전기로의 해수의 유입속도를 효과적으로 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 구조물의 해수 및 호수의 항상 물에 잠겨 있는 부분을 저발열 콘크리트를 사용하여 콘크리트 수화열에 의하여 온도 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 스톱로그가 설치되는 스톱로그 지지채널에 무수축 콘크리트로 형성된 지지부를 구성하여 스톱로그의 반복 설치에 의하여 쉽게 파손되지 않도록 하는 효과가 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10 : 기초암반부
11 : 구조물 설치부
12a, 12b : 에이프런부
13a, 13b : 경사부
20 : 기층부
21 ; 유지관리용 통로
22 : 디워터링 갤러리
23 : 세굴방지부
24 : 제1 수평전단키
25 : 제2 수평전단키
30 : 구조물
31 : 흡출관
32 : 유지관리용 수직점검로
40 : 수차발전기
41 : 헤드부
42 : 런너
50a, 50b : 지지채널
51 : 가이드홈
52 : 지지부
53 : 보강철물
70a, 70b : 갠트리 크레인
80 : 지수판
W : 해수
L : 호수

Claims (5)

1. 호수(L)와 해수(W)와의 사이에서 설치되어 조력발전을 하는 수차구조물로서,
   호수(L)와 해수(W)와의 사이에 형성되는 구조물 설치부(11)와, 구조물 설치부(11)에서 호수(L)와 해수(W) 방향으로 각각 평탄면을 형성한 에이프런부(12a)(12b)와, 에이프런부(12a)(12b)에서 해수 저면 또는 호수 저면까지 10~15°의 경사면을 형성한 경사부(13a)(13b)가 차례로 요입된 형태로 형성되는 해저암반부(10)와;
   해저암반부(10)의 구조물 설치부(11)를 지면부로 하여 구축되어 기초를 형성하고, 유지관리용 통로(21)와 누설수를 배수관을 통하여 배출되게 디워터링 갤러리(22)를 형성하며, 호수(L)와 해수(W) 측의 측단부에는 무근콘크리트로 형성되고 상부가 넓고 하부가 좁은 형태의 세굴방지부(23)가 구성되는 기층부(20)와;
   호수(L) 측은 관리수위(a)와, 해수(W) 측은 최저발전표고(A)를 중심으로 상부는 고로슬래그 시멘트로 형성되고 하부는 저발열 시멘트로 형성되며, 해수(W)와 호수(L)를 연결하도록 관통하도록 중간벽체(37a)(37b)를 두고 연속적으로 형성되는 흡출관(31)과, 해수(W) 측으로는 전면 헤드부(41)가 배치되고 런너(42)는 호수(L) 측을 향하게 배치되도록 흡출관(31)의 내부에 고정되며 중심의 표고는 최저 해수면으로부터 13m 이상 차이가 나도록 구성되는 수차발전기(40)와, 수차발전기(40)의 수직방향으로 형성되는 유지관리용 수직점검로(32)가 형성되고,
   흡출관(31) 2개 마다 중간벽체(37a)가 절단된 형상으로 1개의 구조물 블록(30a)을 구성하며 상기 구조물 블록(30a)이 연속적으로 설치되어 형성되도록 기층부(20)의 상부에 설치되는 구조물(30)과;
   구조물(30)의 해수(W) 측과 호수(L) 측 양끝단에 마주보도록 가이드홈(51)이 수직으로 형성되며, 가이드홈(51)의 외부로 노출된 면과 하단면이 무수축 콘크리트로 이루어지는 지지부(52)가 형성되는 스톱로그 지지채널(50a)(50b);
   스톱로그 지지채널(50a)(50b)을 통해 스톱로그를 설치하도록 구조물(30)의 해수(W) 측과 호수(L) 측 양끝단의 상부에 설치되는 갠트리 크레인(70a)(70b);
   구조물(30)의 해수(W) 측과 호수(L) 측 양끝단의 상부에 설치되는 갠트리 크레인(70a)(70b)으로 스톱로그 지지채널(50a)(50b)을 통해 설치되며, 양측단부에는 가이드롤러(60a)가 구성되고, 양단부측의 전후면에는 지지돌기(60b)가 결합구성되는 스톱로그(60);로 구성되며,
   지지부(52)의 스톱로그(60)의 양측단부와 마주하는 면에는 일측면에 가이드(55)가 결합된 H형 단면을 갖는 가이드 철물(53a)이 일정간격으로 매입 구성되어 가이드롤러(60a)가 가이드(55)에 끼워져 가이드 역할을 하도록 하고, 지지부(52)의 마주보는 면에는 각각 표면이 노출되도록 일정 간격으로 H형 단면을 갖는 보강철물(53b)(53c)이 매입 구성되어, 스탑로그(60)의 지지돌기(60b)가 보강철물(53b)(53c)에 지지되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물.
2. 청구항 1에 있어서,
   기층부(20)는 호수(L)와 해수(W) 측 단부의 하부가 하부로 돌출되어 제1 수평전단키(24)를 형성하고, 중앙부가 하부로 돌출되어 제2 수평전단키(25)가 형성되며, 제2 수평전단키(25)는 제1 수평전단키보다 더 하부로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   구조물 블록(30a)의 중앙부에 위치한 중간벽체(37b)는 내부에 중공부(38)가 형성되며, 상기 중공부(38)에는 속채움(39)이 구성되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물.
4. 청구항 3에 있어서,
   지지부(52)의 스톱로그(60)의 단부의 해수 또는 호수와 접하는 반대편의 일측면에는 지지돌기(60b)의 측면에 보조돌기(60c)가 결합구성되고, 보조돌기(60c)와 면접하는 보강철물(53c)의 외부로 노출되는 면은 지지부(52)의 모서리 부분까지 확장하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물.
5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   구조물 블록(30a)과 구조물 블록(30a)의 면접한 중간벽체(37a)(37a)의 이음부에는 동지수판이고 연속된 요철형상으로 중앙부가 볼록한 ㄷ자 단면 형상이고 양측부는 오목한 형상의 ㄷ자 단면을 갖도록 일체로 형성되는 지수판(80)이 해수(W) 측과 호수(L) 측에 각각 형성되되 지수판(80)의 중앙부가 구조물 블록(30a)과 구조물 블록(30a)의 이음부에 위치하고 양측부가 중간벽체(37a)(37a)에 매입되며 양측부의 개구부가 해수 또는 호수 측을 향하도록 매입구성되는 것을 특징으로 하는 조력발전소용 수차구조물.
   
   

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