KR101455032B1 - 유량 대응형 소수력발전장치 - Google Patents

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KR101455032B1
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김정연
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코오롱글로벌 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 소수력발전장치는, 저수조에 일측이 연결되는 이송관; 피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및 상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 기 설정된 범위 내에 있도록 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

유량 대응형 소수력발전장치{SMALL HYDROPOWER GENERATION APPARATUS FOR ADJUSTING TO FLOW}
본 발명의 일실시예들은 소수력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수처리장 등과 같이 유량변동이 심한 곳에서 유량변동에 대응하여 발전효율을 일정하게 유지할 수 있는 유량변동 대응기능을 가진 소수력발전장치에 관한 것이다.
수소력발전(small hydro power)은 설비 용량이 15,000 ㎾ 미만의 소규모 수력 발전을 의미하나 국내에서는 보통 10,000㎾ 미만(2003.1, 산업자원부 제192호)을 소수력발전으로 부르고 있다. 소수력발전은 일반적인 대규모 수력 발전과 원리면에서는 차이가 없으나 대규모 수력발전이 환경에 부정적 영향을 미치는 점을 생각한다면 국지적인 지역 조건과 조화를 이루는 규모가 작고 기술적으로 단순한 수력 발전이라고 할 수 있다.
소수력발전은 공해가 없는 청정 에너지로서 국내에도 15MW 정도의 부존량이 확인되어 있으며, 다른 재생가능한 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존 자원으로 평가되어 구미 선진국을 중심으로 기술 개발과 개발 지원 사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.
또한, 소수력발전은 다른 에너지원에 비해 CO2 배출량이 적고, 친환경적인 대표적 저탄소 녹색기술로 평가 받고 있으며, 국내 신재생에너지 중 단위 용량당 에너지생산량이 가장 높은 에너지원으로 적용 요소 기술의 역사가 길고, 원자재의 해외의존도가 낮은 검증된 실용에너지다.
한편, 최근에는 소수력발전을 하수처리시설에 적용함으로써 하수처리되는 물을 재활용하는 방안이 널리 연구 및 개발되고 있다. 최근에는 하수처리시설의 저수조에서 하천으로 낙하하는 위치에너지를 전기에너지로 전환하는 소수력발전장치가 적용되고 있다.
하지만, 하수처리시설 등과 같이 일일 중에도 유량 변동이 심한 현장(site)에 소수력발전이 적용되는 경우에 그 유량 변동으로 인해 발전되는 전력량의 변동이 심하게 발생하는 단점이 있었다.
한편, 새벽시간대 등과 같이 하수처리시설에서 배출되는 유량이 낮은 경우에는 유량 감소로 인해 수차의 구동이 정지하게 되고, 이로 인해 수차를 재기동시키기 위해서는 별도의 전력이 소비되어야 함에 따라 전체적인 발전효율이 저하될 수 있는 단점이 있었다. 특히, 심한 경우에는 발전되는 전력량에 비해 재기동을 위한 전력소비가 더 커질 경우에는 소수력발전이 완전히 실패할 수도 있는 치명적인 문제점이 있었다.
본 발명의 일 목적은 일일 중에도 유량 변동이 심한 현장에서 실시간으로 유량변동에 대응할 수 있는 소수력발전장치를 제공하기 위한 것이다.
또한 유량이 감소하더라도 발전 효율을 일정 이상으로 유지할 수 있는 소수력발전장치를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 소수력발전장치는, 저수조에 일측이 연결되는 이송관; 피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및 상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 기 설정된 범위 내에 있도록 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 수차는 상기 블레이드의 피치각이 가변됨에 따라 상기 블레이드를 왕복이동시키도록 상기 블레이드에 결합되는 축을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 축의 일측에 상기 축의 이동을 감지할 수 있도록 위치 감지 센서가 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 기 설정된 범위는 제1 수위 내지 제2 수위이며, 상기 제1 수위 내지 제2 수위는 시간대에 따라 가변될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 감지된 수위가 해당 시간대의 제1 수위나 제2 수위에 근접할 때, 상기 피치각을 감소시키거나 증가시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 기 설정된 시간동안 감지된 수위의 변화가 없는 경우 상기 피치각을 고정시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 블레이드 주변에서 상기 하수가 흐르도록 형성되는 유로는 높이에 따라 그 단면적이 변하도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유로는 상부로 갈수록 그 단면적이 증가하는 제1 구간; 상기 제1 구간에 연결되는 제2 구간; 상기 제2 구간에 연결되며 하부로 갈수록 그 단면적이 증가하는 제3 구간을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 피치각이 최소각인 상태에서 상기 수위가 기 설정 시간 이상으로 제1 수위 이하로 유지될 때, 단면적이 좁은 상기 유로의 하부를 향하여 상기 블레이드를 이동시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 피치각이 최대각인 상태에서 상기 수위가 기 설정 시간 이상으로 제2 수위 이상으로 유지될 때, 단면적이 넓은 상기 유로의 상부를 향하여 상기 블레이드를 이동시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르는 소수력발전장치는, 저수조에 일측이 연결되는 이송관; 피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및 상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 기 설정된 정수위를 만족하도록, 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, PID 제어방식으로 블레이드 피치각의 조절을 수행할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 저수조는, 일측이 유체가 유입되는 유입관에 연결되고, 타측이 월류부에 연결되는 제1 저수부; 및 상기 제1 저수부에 연통되며 일측이 상기 이송관에 연결되는 제2 저수부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제2 저수부의 수위가 발전을 위한 최소유량인 제5수위 이상이 되어 월류부로 유체가 월류되고 있을 때, 상기 이송관에 형성된 입구 밸브를 개방하여 수차를 구동시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제2 저수부의 수위가 기설정된 시간 이상으로 제4 수위 이하일 때, 상기 이송관에 형성된 입구 밸브를 폐쇄하여 수차의 구동을 정지시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 블레이드의 피치각이 변경될 때, 상기 블레이드에 연결된 축이 상하이동하도록 형성되고, 상기 제어부는 상기 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 상기 축의 움직임을 감지하여 상기 피치각의 정밀한 제어를 수행할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 소수력발전장치는, 하수처리시설 등과 같이 일일 중에도 유량 변동이 심한 현장에서 유량변동에 대응하여 수차측으로 공급되는 유량을 조절함으로써 전체적인 발전효율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 배출되는 유량의 감소하더라도 유량 변동에 대응하여 피치각을 조절함으로써, 발전 효율을 항상 일정 수치 이상으로 유지할 수 있다.
도 1은 유량 변화에 따른 수차의 발전 효율을 도시한 도면이다.
도 2는 시간대별 저수조로 유입되는 하수의 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력발전장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 도 1의 화살표 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명에 의한 소수력발전장치의 유압구동부를 도시한 구성도이다.
도 6는 본 발명에 의한 소수력발전장치의 제어유닛을 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련하여 블레이드 주변에 형성되는 유로의 일 예를 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예와 관련하여, 저수조의 일 예를 도시한 개념도이다.
도 9는 도 8의 평면도이다.
이하, 본 발명에 관련된 소수력발전장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 유량 변화에 따른 수차의 발전 효율을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소수력발전장치에서 수차는 일정 유량 이상에서 발전 효율이 더 이상 증가하지 않는다. 발전 효율은 크게 유량과 낙차의 곱으로 표현될 수 있다. 따라서 시간대별로 유량이 변하는 소수력발전장치에서 일정 유량과 일정 낙차를 유지한다면 최적의 발전 효율을 유지할 수 있다.
도 2는 시간대별 저수조로 유입되는 유체(하수)의 변화를 도시한 그래프이다. 이하에서 유체의 일 예로 하수를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하수는 일정 시간대(예를 들면 0시부터 9시)에서 유량이 급격히 변화한다. 이 경우, 이송관을 통해 배출되는 하수의 조절없이 저수조로 유입되는 하수의 유량이 급격히 감소하게 되면 저수조의 수위가 감소한다. 수위가 감소하게 되면 낙차가 줄어 발전 효율이 저하를 초래한다. 따라서, 저수조로 유입되는 유량이 적은 특정 시간대에서도 저수조의 수위를 일정 수준으로 유지하는 방안이 고려될 수 있다. 다만, 이 경우에도 저수조의 수위가 발전을 하기 위한 최소 수위에 미달하는 경우에는 이송관을 폐쇄시켜 발전을 정지시킬 수 있다.
도 1과 도 2에서 살펴본 바와 같이, 시간대별로 유량이 변하는 소수력발전장치에서 최적의 발전 효율을 발휘하기 위해서는, 일정 유량과 일정 낙차를 유지할 수 있는 소수력발전장치가 요구된다. 이를 위해, 유량이 감소하는 특정시간대에서도 저수조의 수위를 일정 수준으로 유지할 수 있는 본 발명의 실시예에 따르는 소수력발전장치를 이하 검토하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력발전장치를 도시한 구성도이고, 도 4는 도 3의 화살표 A부분을 확대하여 도시한 도면이다. 그리고, 도 5은 본 발명에 의한 소수력발전장치의 유압구동부를 도시한 구성도이며, 도 6은 본 발명에 의한 소수력발전장치의 제어유닛을 도시한 구성도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명을 따르는 소수력발전장치(100)는 이송관(130), 수차(120) 및 제어부(170, 도 6 참조)를 포함한다.
본 발명을 따르는 소수력발전장치(100)는 다른 부가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 일 예로 소수력발전장치(100)는 하수처리장의 방류구에 연결되어 설치된 저수조(110), 허브(121)의 외주면에 피치각이 가변가능한 복수의 블레이드(122)를 가진 수차(120), 저수조(110)에서 수차(120)까지 연결된 이송관(130), 수차(120)의 상류단 측에 설치되어 이송관(130)의 유로를 개폐하는 입구밸브(140), 입구밸브(140)를 개폐함과 더불어 블레이드(122)의 피치각을 조절하도록 구성되는 유압구동부(150), 수차(120)에 연결된 발전기(160)를 포함할 수 있다.
이하 각 구성을 보다 상세히 살펴보기로 한다.
저수조(110)는 하수처리장의 방류구(111)에 연결되고, 일정량의 하수를 저장하도록 콘크리트 박스로 구성될 수 있다. 저수조에는 수위 센서(115)가 배치될 수 있다. 일 예로, 수위 센서(115)는 전기 전도식 수위 센서 또는 정전 용량식 수위 센서가 사용될 수 있다. 이러한 센서는 적어도 일부가 수면에 잠기도록 배치될 수 있다.
수위 센서(115)는 실시간으로 저수조의 수위를 감지하여 수위와 관련된 정보를 제어부에 전달한다.
수차(120)는 저수조(110) 보다 낮은 위치에 설치되고, 이 수차(120)는 허브(121) 및 이 허브(121)의 외주면에 설치된 복수의 블레이드(122)를 포함한다. 블레이드(122)는 허브(121)에 회전가능하게 설치되어 그 피치각(a)이 가변가능하게 설치된다.
피치각의 가변에 따라 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량을 변경시킬 수 있다. 피치각에 따라 하수가 통과하는 유로의 단면적이 가변되기 때문이다. 예를 들면, 피치각이 보다 큰 경우에는 유로의 단면적이 감소하게 되고, 피치각이 보다 작은 경우에는 유로의 단면적이 증가하게 된다. 이로 인해, 피치각을 조절함으로써, 유로를 통과하는 하수의 유량을 조절할 수 있고, 하수의 유량을 조절하게 되면 저수조의 수위를 조절할 수 있게 된다.
이러한 블레이드(122)의 피치각(a)은 수평선을 기준으로 0°(최소 피치각) ~ 30°(최대 피치각)등과 같이 다양한 각도범위 내에서 가변가능하게 설치된다. 블레이드(122)의 피치각(a)이 커질수록 사용유량이 증가하여 수차(120)의 회전속도가 증가한다.
블레이드(122)는 왕복이동가능하게 형성되는 축(123, 축은 가변피치 형태로 구현될 수도 있다.)에 결합될 수 있다. 축(123)이 블레이드(122)에 결합되면, 피치각의 크기에 따라 블레이드(122)를 상하 이동시킬 수 있다. 축(123)의 일측에 위치 감지 센서(125)가 배치되면 축(123)의 위치를 파악하여 피치각을 감지할 수 있다.
위치 감지 센서(125)는 일 예로, 레이저 센서가 이용될 수 있다.
이송관(130)은 저수조(110)에서 수차(120)까지 연결되고, 하수처리장의 방류구(111)에서 방류된 하수는 저수조(110)에 일시 저장된 후에 이송관(130)을 거쳐 수차(120)측으로 이송된다. 이렇게 이송관(130)을 거쳐 이송되는 하수가 수차(120)의 블레이드(122)과 접촉함에 따라 수차(120)는 소정의 회전속도로 회전한다.
입구밸브(140)는 버터플라이밸브 등으로 구성되어 수차(120)의 상류단 측에서 이송관(130)의 유로를 개폐하도록 설치된다.
유압구동부(150)는 입구밸브(140)를 개폐함과 더불어 블레이드(122)의 피치각을 조절하도록 구성될 수 있다. 블레이드와 축(123)은 서로 연동되게 구성되어 블레이드의 피치각이 변함에 따라 축(123)이 상하운동할 수 있다. 즉, 블레이드의 피치각이 커질수록 축(123)은 상부를 향하여 이동하고, 블레이드의 피치각이 작아질수록 축(123)은 하부를 향하여 이동할 수 있다.
일 예로, 유압구동부(150)는 도 6에 도시된 바와 같이 입구밸브(140)를 개폐시키는 입구밸브 개도 조절실린더(151)와, 블레이드(122)의 피치각을 조절하는 블레이드 피치각 조절실린더(152)와, 블레이드 피치각 조절실린더(152)에 접속되어 블레이드 피치각 조절실린더(152)의 작동을 제어하는 가변 피치(153)를 구비한 유압회로로 구성될 수 있다. 가변 피치(153)는 소정범위의 전압값 또는 전류값 등과 같인 전기적 신호값이 입력되는 정도에 따라 블레이드 피치각 조절실린더(152)의 작동을 정밀하게 제어하는 전자제어밸브 또는 비례제어밸브의 일종으로 구성된다.
발전기(160)는 수차(120)에 연결되어 수차(120)의 구동에 의해 소정의 전기에너지를 발생시키도록 구성된다.
발전기(160)의 출력단자는 전자 개폐기(미도시)를 통해 한전계통 측에 접속되고, 이러한 전자 개폐기(미도시)는 수차(120)의 회전속도가 정격속도에 도달하면 온작동하여 발전기를 한전계통에 접속시키도록 구성된다.
제어부는 저수조에 형성된 수위 센서(115)를 통해 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 수위가 기 설정된 범위 내에 있도록 블레이드의 피치각을 조절한다. 이로 인해, 제어부는 피치각의 가변에 따라 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 피치각을 조절함으로써, 저수조의 수위를 조절할 수 있다.
제어부는 하드웨어적으로 후술하는 제어유닛 형태로 이루어질 수 있다.
제어유닛 형태로 이루어질 때, 소수력발전장치(100)의 일측에 제어유닛(170)이 설치될 수 있다. 제어유닛(170)은 유압구동부(150), 입구밸브(140), 블레이드(122)의 피치각 제어작동 등을 제어하도록 구성된다. 이러한 제어유닛(170)은 저수조(110)의 상면 또는 수차(120)에 인접한 곳에 설치될 수 있다.
제어유닛(170)은 도 5에 도시된 바와 같이 아날로그 멀티플렉서(171)와, 이 아날로그 멀티플렉서(171)에서 전송되는 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D컨버터(172)와, A/D 컨버터(172)에 의해 변환된 디지털신호를 수신받은 후에 수신받은 디지털신호를 연산처리하여 블레이드(122)의 피치각에 대한 디지털 제어신호를 생성하는 CPU(173)와, CPU(173)에서 전송된 디지털 제어신호를 아날로그 제어신호로 변환하는 D/A컨버터(174)를 포함한다.
아날로그 멀티플렉서(171)에는 저수조(110)의 수위를 감지하는 수위 감지부(M1, 하드웨어적으로 수위 센서(115)), 블레이드(122)의 피치각(a)을 감지하는 피치각 감지부(M2, 하드웨어적으로 위치감지 센서), 수차(120)의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부(M3), 발전기의 내부온도를 감지하는 발전기 온도 감지부(M4)가 접속되어 있다. 이러한 접속구조에 의해 아날로그 멀티플렉서(171)는 수위 감지부(M1)에 의해 감지된 저수조(110)의 수위, 피치각 감지부(M2)에 의해 감지된 블레이드(122)의 피치각, 회전속도 감지부(M3)에 의해 감지된 수차(120)의 회전속도, 발전기 온도 감지부(M4)에 의해 감지된 발전기(160)의 내부온도(특히, 발전기의 코일 온도)를 A/D 컨버터에 순차적으로 전송한다.
여기서, 수위 감지부(M1)에 의해 감지된 저수조(110)의 수위에 대한 정보는 수차(120)의 회전에 사용되는 사용유량값으로 산출되는 저수조(110)의 정수위 유지를 위한 비교 용도로 이용되고, 피치각 감지부(M2)에 의해 감지된 블레이드(122)의 피치각(a)에 대한 정보는 블레이드(122)의 현재 피치각(a)을 확인하는 용도로 이용되며, 회전속도 감지부(M3)에 의해 감지된 수차(120)의 회전속도는 발전기(160)의 정격속도와 비교하는 용도로 이용되고, 발전기 온도 감지부(M4)에 의해 감지된 발전기(160)의 내부온도는 발전기(160) 내의 과열 상태 등과 같은 이상 발생을 확인하는 용도로 이용될 수 있다.
이와 달리, 수위 감지부(M1)에 의해 감지된 저수조(110)의 수위에 대한 정보는 기준 수위값과 비교하기 위한 용도로 이용될 수도 있다.
A/D컨버터(172)는 아날로그 멀티플렉서(171)에 의해 순차적으로 선택된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이렇게 변환된 디지털 신호는 CPU(172)로 전송된다.
CPU(173)는 수신받은 아날로그 신호(저수조(110)의 수위, 블레이드(122)의 피치각, 수차(120)의 회전속도, 발전기(160)의 내부온도) 등을 취합하여 설정된 처리프로세서에 의해 연산처리함으로써 블레이드(122)의 피치각에 대한 디지털 제어신호를 생성하여 전송한다.
D/A 컨버터(174)는 CPU(173)에서 전송된 디지털 제어신호를 아날로그 제어신호로 변환한 후에 유압구동부(150)의 가변 피치(153) 측으로 전송함으로써 가변 피치(153)는 그 개도를 조절하여 블레이드 피치각 조절실린더(152)의 작동을 제어한다.
일 실시예에 따르면, 가변 피치(153) 측으로 전송되는 아날로그 제어신호는 일정범위의 전압값인 것을 특징으로 한다. 예컨대, 아날로그 제어신호가 (-10V)~(+10V)의 전압값로 설정된 경우, -10V의 전압값이 가변 피치(153)로 전송되면 가변 피치(153)는 블레이드(122)의 피치각이 0°(최소 피치각)가 되도록 블레이드 피치각 조절실린더(152)를 최대한 신속히 제어하고, 10V의 전압값이 가변 피치(153)로 전송되면 가변 피치(153)는 블레이드(122)의 피치각이 30°(최대 피치각)가 되도록 블레이드 피치각 조절실린더(152)를 최대한 신속히 제어할 수 있다.
한편, CPU(173)는 수위 감지부(M1)에 의해 감지된 저수조(110)의 수위 변화값을 분석하여 사용유량값을 산출하며, 이렇게 산출된 사용유량값을 이용하여 블레이드(122)의 피치각에 대한 제어신호를 설정할 수 있다. 목표 수위와의 차이를 비교하여 블레이드(122) 피치각에 대한 제어신호를 설정할 수 있다.
또한, CPU(173)에는 시간대 별로 예측된 예측 유량값이 기 입력되어 있으며, 이에 CPU(173)는 예측 유량값과 저수조(110)의 수위 변화에 따라 산출된 사용유량값을 이용하여 블레이드(122)의 피치각에 대한 디지털 제어신호를 생성한후에 D/A 컨버터(174)로 전송하고, 이러한 디지털 제어신호는 D/A 컨버터(174)에 의해 아날로그 제어신호로 변환된 후에 가변 피치(153) 측으로 전송된다.
또한, CPU(173)에는 디지털입력부(176) 및 디지털출력부(177)가 접속되어 있고, CPU(173)와 디지털출력부(177) 사이에는 버퍼(177a)가 접속되어 있다.
디지털입력부(176)에는 자동/수동 선택버튼(SW1), 운전/정지 선택버튼(SW2), 입구밸브(140)의 완전 개방 및 완전 폐쇄상태를 디지털방식으로 전송하는 입구밸브 개폐감지센서(M5), 블레이드(122)의 피치각(a)이 최저 피치각에 위치하거나 최대 피치각에 위치한 상태를 디지털방식으로 전송하는 블레이드 위치감지센서(M6), 블레이드(122)의 피치각(a)을 수동으로 조작할 때 사용하는 수동 조작버튼(SW3), 전자 개폐기의 온/오프 상태를 디지털방식으로 전송하는 전자 개폐기의 작동감지부(M7)가 접속되어 있다.
디지털출력부(177)에는 입구밸브(140)의 완전 개방 및 완전 폐쇄에 대한 제어신호를 출력하는 제1출력부(OUT1), 전자 개폐기의 온/오프 작동에 대한 제어신호를 출력하는 제2출력부(OUT2), 운전제어 상태를 나타내는 제3출력부(OUT3)가 접속되어 있다.
그리고, CPU(173)에는 RS485 통신인터페이스(178)가 접속되어 있고, CPU(178)는 RS485 통신인터페이스(178)를 통해 패널 PC(181) 및 이동단말기(182) 측으로 소수력발전장치(100)의 작동 상태를 전송할 수 있다. 또한, 발전기(160)에 의한 발전상황에 대한 데이터 예컨대, 전압, 전류, 발전전류, 소비전류, 역율, 주파수, 전력량 등을 디지털계기(183)를 이용하여 취득한 후에 이러한 데이터는 통신포트(178)를 거쳐 CPU(173) 측으로 전송한다.
그외에 제어유닛(170)에는 메모리(179a), 배터리(179b)가 구비되어 있다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련하여 블레이드 주변에 형성되는 유로의 일 예를 도시한 개념도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 블레이드(123) 주변의 유로(129)는 상부(이하, 제1 구간이라 한다)가 넓고 하부(이하, 제3 구간이라 한다)가 좁으며 그 중간 부분(이하, 제2 구간이라 한다)은 양측이 평행하게 형성된다. 블레이드(123)의 피치각만으로 유로(129)의 크기를 조절하는 구간은 제2 구간이고, 제1 구간과 제3 구간은 블레이드(123)의 피치각이 각각 최대 또는 최소가 될때, 유로(129)와 함께 하수가 유량을 조절하는 부분이 된다.
예를 들면, 블레이드(123)의 피치각이 최대각 이상인 경우 유량을 조절하기 위해서는 블레이드(123)가 제1 구간으로 더 이동하여 유로(129)와 함께 하수의 유량을 조절하게 된다. 그리고, 블레이드(123)의 피치각이 최소인 경우 블레이드(123)가 제3 구간으로 더 이동하여 유로(129)와 함께 하수의 유량을 조절하게 된다. 블레이드(123)의 이동은 블레이드(123)에 결합된 축(123)을 상하로 왕복운동시킴으로써 이루어질 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예와 관련하여, 저수조의 일 예를 도시한 개념도이고, 도 9는 도 8의 평면도이다.
도 8과 도 9를 참조하면, 저수조(110)는 제1 저수부(112)와 제2 저수부(113)를 포함한다. 제1 저수부(112)는 일측이 유체가 유입되는 유입관(111)에 연결되고, 타측이 월류부(135)에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 저수부(113)는 일측이 제1 저수부(112)에 연통되며 타측이 이송관(130)에 연결될 수 있다. 이로 인해, 유입관(111)으로부터 유입된 유체가 제1 저수부(112)와 제2 저수부(113)를 거쳐 이송관(130)으로 배출될 수 있다.
제1 저수부(112)가 월류부(135)에 연결되는 부분에 제1 단턱이 형성되고, 제1 저수부(112)가 제2 저수부(113)에 연결되는 부분에 제2 단턱이 형성된다. 제1 단턱의 높이(h1)는 제2 단턱의 높이(h2)보다 높게 형성된다. 따라서, 제1 저수부(112)의 수위가 제1 단턱의 높이에 이르지 못하는 경우 제2 저수부(113)로 유체가 이동하게 된다. 그리고, 이송관(130) 상단의 높이(h3)는 제2 단턱의 높이보다 낮게 형성된다.
이와 같은 저수조(110)의 구조로 인해, 유입관(111)을 통해 유체가 유입되면 제1 저수부(112)와 제2 저수부(113)에 유체가 채워지게 된다. 이 때, 저수조(110)의 수위가 제1 단턱의 높이보다 높게 되면, 월류부(135)를 통해 유체가 월류될 수 있다.
수위 센서(115)는 제2 저수부(113)에 형성될 수 있다.
이상 설명한 소수력발전장치(100)를 제어하는 제어방법의 예들은 도 8과 도 9를 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.
소수력발전장치(100)의 제어는 크게 정수위 제어와 불감대를 설정하여 제어하는 밴드 제어로 구분될 수 있다.
정수위 제어
정수위 제어는 수조에서 기준 수위를 설정하고, 블레이드의 피치각을 이용하여 기준 수위에서 발전이 이루어지도록 수위를 조절하는 방법이다.
정수위 제어는 다음의 단계들로 이루어질 수 있다.
먼저 정수위를 설정하고 제1 단턱의 높이 이상인 제2 저수부(113)의 일정 수위를 제3 수위로 설정하고, 제2 단턱의 높이 이하인 제2 저수부(113)의 일정 수위를 제4 수위로 설정한다. 이 때, 제3 수위 이상인 경우 월류부(135)를 통해 원류되는 유체의 양이 증가하고, 제4 수위 이하에서는 이송관(130)을 통해 이송되는 유체의 양이 현저하게 감소한다. 그리고, 원류가 이루어지면서, 안정적인 발전이 이루어지는 최소 수위를 제5 수위로 설정한다. 제5 수위는 제3 수위와 같거나 보다 높을 수 있다.
그리고, 수위 센서(115)를 통해 저수조(110)의 수위를 감지한다.
제2 저수부(113)의 수위가 제5 수위 이상일 때, 이송관(130)에 형성된 입구 밸브를 개방하여 수차를 구동시킨다. 수차가 구동되게 되면, 수위가 내려가기 시작하는데, 이 때 수위를 정수위와 비교하면서 블레이드의 피치각을 조절하면서 정수위 제어를 할 수 있다.
이 때, 유량 변동에 따를 블레이드 피치각의 제어는 목표 정수위를 실시간으로 유지하기 위한 PID(Proportional, Integral, Differential)방식으로 수행될 수 있다. 여기서, PID 방식은 비례 적분 미분 제어로 제한되지 않는다. 이하에서 "PID"는 비례 제어, 비례+ 적분 제어, 비례 + 미분 제어, 및 비례 적분 미분 제어를 구성하는 군으로부터 선택된 하나의 제어를 지칭한다.
PID 제어방식의 일 예로, 수위 센서와 블레이드 피치각을 조절하는 구동장치를 연계시켜 PID 제어가 수행될 수 있다. 이 경우 수학식 1과 같이, 단위 시간당 수위의 증감율을 변수로 하여 비례상수, 미분상수 또는 적분상수를 설정하면 설정된 수위를 유지하도록 블레이드 피치각을 제어할 수 있다.
Figure 112014060525625-pat00001
여기서, e：측정된 수위과 설정된 수위의 편차, MV1：PID 연산값, Kp：비례 게인(gain), TI：적분 시간, TD：미분 시간이다.
그리고, 제2 저수부(113)의 수위가 기설정된 시간 이상으로 제4 수위 이하일 때, 이송관(130)에 형성된 입구 밸브를 폐쇄하여 수차의 구동을 정지시킬 수 있다. 이 때, 제4 수위보다 낮은 임의의 수위를 제6 수위로 설정하고, 제2 저수부(113)의 수위가 제6 수위 이하에 도달하면, 이송관(130)에 형성된 입구 밸브를 폐쇄하여 수차의 구동을 정지시킬 수 있다. 여기서, 블레이드의 피치각의 조절은 블레이드에 연결된 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 피치각의 변동을 감지함으로써, 이루어질 수 있다. 이상 설명한 정수위는 시간이 지남에 따라 변경될 수 있다.
밴드제어1
유량 변동에 대응하여 정수위를 유지하기 위해서는, 관련 장치들의 빈번한 동작이 요구된다. 이 경우에 장치들의 내구성이 감소될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 밴드제어가 사용될 수 있다. 밴드제어는 정수위의 상하로 불감대(Dead End)를 설정하고, 하한값과 상한값 사이의 수위를 유지하도록 수위를 제어하는 방법을 말한다.
밴드제어는 다음과 같은 제어동작을 포함할 수 있다.
먼저 정수위를 설정하고 정수위보다 낮은 일정 수위를 제1 수위(하한값)로 설정하고, 정수위보다 높은 일정 수위를 제2 수위(상한값)로 설정한다. 제1 수위와 제2 수위를 설정하는 것은 블레이드의 피치각의 조절 동작과 관계된다. 제1 수위 및 제2 수위와 정수위 간의 간격이 좁은 경우 빈번하게 피치각을 조절하게 되어 효율이 저하될 수 있기 때문이다. 그리고, 제1 단턱의 높이 이상인 제2 저수부(113)의 일정 수위를 제3 수위로 설정하고, 제2 단턱의 높이 이하인 제2 저수부(113)의 일정 수위를 제4 수위로 설정한다. 이 때, 제3 수위 이상인 경우 월류부(135)를 통해 원류되는 유체의 양이 증가하고, 제4 수위 이하에서는 이송관(130)을 통해 이송되는 유체의 양이 현저하게 감소한다.
그리고, 수위 센서(115)를 통해 저수조(110)의 수위를 감지한다.
제2 저수부(113)의 수위가 기설정된 시간 이상으로 제3 수위 이상일 때, 이송관(130)에 형성된 입구 밸브를 개방하여 수차를 구동시킨다. 또한, 원류가 이루어지면서, 안정적인 발전이 이루어지는 최소 수위를 제5 수위로 설정하고, 제5 수위이상에서 수차를 구동시킬 수도 있다. 수차가 구동되게 되면, 수위가 내려가기 시작하는데, 이 때 수위를 정수위와 비교하면서 정수위 제어를 할 수 있다. 즉, 제2 저수부(113)의 수위가 정수위의 상하로 설정된 제2 수위와 제1 수위 사이에 있도록 블레이드의 피치각을 조절한다. 예를 들면, 수차가 구동되기 시작하면 수위가 점차 내려가다가 제1 수위 이하가 될 수 있다. 이 경우 블레이드 피치각을 감소시키면 수차를 경유하여 배출되는 유체의 유량이 감소하게 되므로 제2 저수부(113)의 수위가 증가할 수 있다. 이와 반대로 수위가 제2 수위 이상인 경우에는 블레이드 피치각을 증가시켜 수차를 경유하여 배출되는 유체의 유량을 증가시킨다. 이로 인해 제2 저수부(113)의 수위가 정수위가 되도록 제어가 가능하게 된다.
여기서, 블레이드의 피치각의 조절은 블레이드에 연결된 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 피치각의 변동을 감지함으로써, 이루어질 수 있다.
한편, 제2 저수부(113)의 수위가 기설정된 시간 이상으로 제4 수위 이하일 때, 이송관(130)에 형성된 입구 밸브를 폐쇄하여 수차의 구동을 정지시킬 수 있다.
밴드제어2
이상 설명한 밴드제어는 다음의 단계를 통해서 이루어질 수도 있다.
먼저 수위 센서(115)를 통해 저수조(110)의 수위를 감지한다. 저수조(110)의 수위가 기설정된 최소 가동 수위 이상인 경우 입구밸브(140)를 개방한다.
입구밸브(140)를 개방(S1)하면, 저수조(110)로부터 이송관(130)을 통해 유체가 수차(120)를 향해 이송되면서 수차(120)가 구동된다. 수차(120)를 구동시킨 이후에는 블레이드(122) 피치각을 서서히 증가시켜 수차(120)의 회전속도를 증가시키면서 발전을 하게 된다. 이 때, 블레이드(122) 피치각은 해당 시간대에서 최적의 발전 효율이 발휘되도록 미리 설정된 피치각일 수 있다.
발전이 이루어진 이후에는 저수조(110)의 수위를 조절하는 단계들이 수행될 수 있다.
먼저, 저수조(110)의 수위를 조절하기 위해 저수조(110)에 형성된 수위 센서(115)를 통해 수위를 감지한다. 그리고, 감지된 수위가 기설정된 유지 범위 내에 있는 지 비교한다. 여기서 기설정된 유지 범위는 해당 시간대에서 발전이 최적 효율을 발휘하는 수위의 기 설정된 범위를 말한다. 예를 들면 정오부터 오후 1시까지에서 기준 수위는 제1 수위 내지 제2 수위로 설정될 수 있다.
수위가 감소되는 경우 저수조(110)의 수위를 조절하는 방법을 먼저 살펴본다.
감지된 수위가 제1 수위에 근접하게 되면 제어부(170)가 유압구동부(150)를 작동시켜 점진적으로 블레이드(122)의 피치각을 감소시킨다. 피치각의 감소에 의해 블레이드(122) 주변에 형성된 유로(129)를 통해 배출되는 유체의 양이 줄어드므로, 저수조(110)의 수위가 제1 수위 이상으로 유지될 수 있다. 이 때, 기 설정된 시간동안 감지된 수위의 변화가 없는 경우 피치각의 조절이 정지될 수 있다. 만약에 블레이드(122) 피치각이 최소각이 되었음에도 불구하고, 제1 설정 시간 이상으로 저수조(110)의 수위가 제1 수위 이하가 되는 경우에는 축(123)을 하부(제3 구간)로 이동시켜 유로(129)의 단면적을 보다 좁히게 된다. 이러한 제어동작에도 불구하고, 저수조(110)의 수위가 제1 수위 이하로 하강하는 시간이 제2 설정 시간 이상으로 지속되는 경우에는 발전을 중단하고 수차(120)를 정지시킨다. 이와 달리, 저수조(110)의 수위가 제1 수위 이상으로 복귀되는 경우에는 순차적으로 축(123)을 제2 구간으로 이동시키고, 블레이드(122) 피치각을 증가시킨다.
다음은, 수위가 증가되는 경우 저수조(110)의 수위를 조절하는 방법을 살펴본다.
감지된 수위가 제2 수위에 근접하게 되면 제어부(170)가 유압구동부(150)를 작동시켜 점진적으로 블레이드(122)의 피치각을 증가시킨다. 피치각의 증가에 의해 블레이드(122) 주변에 형성된 유로(129)를 통해 배출되는 유체의 양이 늘어나므로, 저수조(110)의 수위가 제2 수위 이하로 유지될 수 있다. 이 때, 기 설정된 시간동안 감지된 수위의 변화가 없는 경우 피치각의 조절이 정지될 수 있다. 만약에 블레이드(122) 피치각이 최대각이 되었음에도 불구하고, 제3 설정 시간 이상으로 저수조(110)의 수위가 제2 수위 이상이 되는 경우에는 축(123)을 상부(제1 구간)로 이동시켜 유로(129)의 단면적을 보다 넓히게 된다. 저수조(110)의 수위가 제2 수위 이하로 복귀되는 경우에는 순차적으로 축(123)을 제2 구간으로 이동시키고, 블레이드(122) 피치각을 감소시킨다. 여기서, 블레이드의 피치각의 조절은 블레이드에 연결된 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 피치각의 변동을 감지함으로써, 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 소수력발전장치(100)의 밴드제어는 저수조(110)의 수위를 감지하는 감지단계와, 감지된 수위가 기 설정된 범위 내에 있도록, 이송관(130)으로 유입되는 유체의 유입량을 제어하는 제어단계를 포함함으로써, 시간대별로 저수조(110)의 수위 변화에 능동적으로 대처할 수 있으며, 소수력발전장치(100)가 항상 최적의 효율을 발휘할 수 있다.
본 발명을 따르는 소수력발전장치(100)에서 상기한 제어방법들 중 어느 하나만이 수행될 수도 있고, 서로 다른 복수의 제어방법이 함께 수행될 수도 있다. 예를 들면, 정수위 제어를 통해 정수위까지 저수조의 수위가 빠르게 도달한 이후에는 정수위를 유지하기 위한 밴드제어가 이루어질 수 있다.
상기와 같이 설명된 소수력발전장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 저수조에 일측이 연결되는 이송관;
    피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및
    상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 시간대에 따라 가변되는 제1 수위 내지 제2 수위 범위 내에 있도록, 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 블레이드의 피치각이 변경될 때, 상기 블레이드에 연결된 축이 상하이동하도록 형성되고,
    상기 블레이드 주변에서 상기 하수가 흐르도록 형성되는 유로는 높이에 따라 그 단면적이 변하도록 형성되고, 상기 유로는 상부로 갈수록 그 단면적이 증가하는 제1 구간; 상기 제1 구간에 연결되는 제2 구간; 상기 제2 구간에 연결되며 하부로 갈수록 그 단면적이 증가하는 제3 구간을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 상기 축의 움직임을 감지하여 상기 피치각의 정밀한 제어를 수행하고,
    상기 감지된 수위가 해당 시간대의 제1 수위나 제2 수위에 근접할 때, 상기 피치각을 감소시키거나 증가시키고,
    상기 피치각이 최소각인 상태에서 상기 수위가 기 설정 시간 이상으로 제1 수위 이하로 유지될 때, 단면적이 좁은 상기 유로의 하부를 향하여 상기 블레이드를 이동시키고,
    상기 피치각이 최대각인 상태에서 상기 수위가 기 설정 시간 이상으로 제2 수위 이상으로 유지될 때, 단면적이 넓은 상기 유로의 상부를 향하여 상기 블레이드를 이동시키는 것을 특징으로 하는 소수력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 저수조에 일측이 연결되는 이송관;
    피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및
    상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 기 설정된 정수위를 만족하도록, 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 블레이드의 피치각이 변경될 때, 상기 블레이드에 연결된 축이 상하이동하도록 형성되고,
    상기 저수조는,
    일측이 유체가 유입되는 유입관에 연결되고, 타측이 월류부에 연결되는 제1 저수부; 및
    상기 제1 저수부에 연통되며 일측이 상기 이송관에 연결되는 제2 저수부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 상기 축의 움직임을 감지하여 상기 피치각의 정밀한 제어를 수행하고, 상기 제2 저수부의 수위가 발전을 위한 최소유량인 제5수위 이상이 되어 월류부로 유체가 월류되고 있을 때, 상기 이송관에 형성된 입구 밸브를 개방하여 수차를 구동시키는 것을 특징으로 하는 소수력발전장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 저수조에 일측이 연결되는 이송관;
    피치각이 가변되는 블레이드를 구비하고, 상기 이송관의 타측에 형성되는 수차; 및
    상기 피치각의 가변에 따라 상기 이송관을 통해 유입되는 하수의 유량이 변경될 때, 상기 저수조에 형성된 수위 센서를 통해 상기 저수조의 수위를 실시간으로 감지하여, 상기 수위가 기 설정된 정수위를 만족하도록, 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 블레이드의 피치각이 변경될 때, 상기 블레이드에 연결된 축이 상하이동하도록 형성되고,
    상기 저수조는,
    일측이 유체가 유입되는 유입관에 연결되고, 타측이 월류부에 연결되는 제1 저수부; 및
    상기 제1 저수부에 연통되며 일측이 상기 이송관에 연결되는 제2 저수부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 축의 일측에 형성된 레이저 센서를 통해 상기 축의 움직임을 감지하여 상기 피치각의 정밀한 제어를 수행하고, 상기 제2 저수부의 수위가 기설정된 시간 이상으로 제4 수위 이하일 때, 상기 이송관에 형성된 입구 밸브를 폐쇄하여 수차의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 소수력발전장치.
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