KR101726242B1 - 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법 - Google Patents

바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법에 관한 것으로서, 주변의 바닷물을 끌어다가 저장하는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)를 발전에 필요한 높이 단차와 저수 용량으로 시공하고, 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 바닷물 공급 및 해수 농축물 배출을 겸할 수 있도록 일단에 배수관(22)이 구비되는 충ㆍ배수 겸용 라인(20)을 시공하며, 해안의 바닷물을 공급할 수 있도록 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해안을 해수공급관(21)으로 연결하여 시공하고, 해수공급관(21)의 취수구(21a) 측에 선박 평형수 처리 시스템(30)을 시공하며, 피크부하시 상부인공저수지(10a)에서 낙하되는 물로 발전을 하고, 잉여 전력시 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급하도록 양수발전기(40)를 시공하며, 양수발전기(40)의 발전 전기를 받아 승압시킨 후 전력망(70)에 송전하고, 잉여전력시 전력망(70) 전력이 양수발전기(40)에 공급되면 터빈(41)과 모터(42)가 양수용으로 구동되도록 송전/수전의 변전소(50)를 시공하되
충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해수공급관(21) 및 선박 평형수 처리 시스템(30)은 양수 발전소가 완공되기 6개월~12개월 전에 먼저 시공 완료하여 양수 발전소가 완공될 때까지 6개월~12개월에 걸쳐서 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 중 어느 하나를 저수용량에 맞춰 만수위로 채우거나 둘 모두에 저수용량의 절반씩 바닷물을 채우는 초기 충수 기간을 갖도록 한 것으로서, 충수 및 배수 라인의 설비 비용과 가동에 따른 유지비를 절감할 수 있으며, 양수발전소 완공 전에 바닷물을 채우는 충수 기간이 충분하여 누수 검사와 시운전에 따른 양수 발전 모드를 현지 사정에 맞추어 쉽게 행할 수 있으므로 시운전 기간을 최대한 단축할 수 있는 것이다.

Description

바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법{Using seawater pumped storaged power construction method and operating of the system}
본 발명은 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법에 관한 것으로서, 특히 건조 내륙지방에서도 높이 차이가 나는 상부와 하부 두 개의 인공저수지를 만든 후 해안에서 그 인공저수지까지 끌고 온 바닷물을 이용하여 전력이 남을 때는 하부인공저수지의 바닷물을 퍼 올려서 상부인공저수지에 채우고, 전력이 필요할 때는 상부인공저수지 바닷물을 아래쪽의 하부인공저수지로 낙하시켜 발전하는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 양수 발전(Pumped-Storage Hydroelectricity, PSH)은 전력 에너지의 대용량 저장 수단의 하나로, 대단위 전력 공급망의 로드 밸런싱(Load Balancing)을 위한 전력 부하를 충족시켜주는 방법으로 사용되고 있으며, 대부분 기존 수력발전소와 연계하여 운영되어 오고 있다.
상기 양수 발전 방법은 주로 주ㆍ야간의 전력 수급의 차이를 이용하는 것이다. 즉, 부하가 낮은 심야에는 낮은 고도에 있는 물을 높은 고도에 있는 저수지로 퍼올려 위치 에너지의 형태로 저장하고, 주간의 높은 전기 수요가 있는 시간 동안은 상기 저장된 물을 발전기를 통해 방출하여 발전한다.
상기 양수 발전은 1890년대에 이태리와 스위스에서 시작되었으며, 미국에서도 1930년도부터 활용되기 시작했고, 우리나라는 1979년 건설된 청평 양수 발전소를 비롯하여 현재 총 7개의 양수 발전소가 운영되고 있다.
이러한 양수 발전은 국가 규모 전력망의 부하 조절용의 에너지 저장 수단으로서는 경제성이 제일 뛰어나다고 할 수 있으며, 여타 개발중인 기술을 포함한 전 세계 전력 저장 설비 용량의 99%를 점유하고 있는 실정이다.
2012년 3월 발행된 미국 전력연구소의 보고서에 의하면 세계의 총 양수 발전량은 127GW 으로서, 1000MW 용량의 화력 발전소 127개에 버금가는 규모이며, 양수 발전의 최대 장점은 전력 수요가 가장 낮은 심야의 전력을 저장하여, 오후 시간 전력수요가 가장 높을 때 전력을 공급함으로써 그에 해당하는 규모의 발전소 건설을 대체하여 줄 수 있다는 것이다.
근래 양수 발전 기술 개발의 추세는 전력망의 부하 조절용 에너지 저장 수단 외에 가변속 양수 발전 시스템 기술(Adjustable Speed Pumped Storage Generator)이 개발되어 전력망의 순간적 부하 불균형에 따라 야기되는 전력망 계통의 주파수 변동을 제어하며, 계통 전압을 안정화하는데 사용되고 있다.
따라서 양수 발전은 전력 공급의 변동성이 높은 풍력이나 태양광발전 등 신 재생에너지원이 비중이 높아가고 있는 국가들에게 유용하게 사용될 수 있는 기술이라고 할 수 있다.
이러한 양수 발전으로 개발된 선행기술로는 아래의 특허문헌에 개시된 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0003791호(2012년01월11일 공개)의 "양수발전시스템"이 있다.
상기 선행기술은 물유입구를 통해 물 유입이 지속적으로 이루어지는 상부저수조, 상부저수조보다 낮은 위치에 설치되는 밀폐형 하부저수조, 상부저수조에서 송수관을 통해 하부저수조 쪽으로 떨어지는 수압으로 발전을 하는 종형튜블러터빈, 종형튜블러터빈과 연결되어 송수관 외부에 설치되는 발전기, 상부저수조에 설치되는 에어펌프의 공기를 하부저수조 내부로 공급하는 압축공기공급관, 하부저수조에 공급되는 물과 공기에 의해 하부저수조 상부에 형성되는 공기층, 공기층의 공기를 수압으로 포집하기 위해 하부저수조 상부에 설치되는 압축공기탱크, 하부저수조에 저장된 물을 수압에 의해 상부저수조로 양수하는 양수장치로 구성된 것이며, 압축공기에 의한 공기 유입으로 물의 밀도가 낮아지는 만큼 하부저수조로 물이 낙하 되면서 수압에 의해 발전기가 가동되게 한 것이다.
대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0003791호(2012년01월11일 공개) "양수발전시스템"
상기한 양수 발전의 최대 취약점은 설비의 특성상 상부저수조나 하부저수조 주변에 물이 풍부하여야만 하고, 산처럼 자연적인 고도 차이가 있는 지역이 아닐 경우에는 상부저수조와 하부저수조 사이에 상당한 고도 차이가 있도록 설치하여야만 하므로 발전 시스템 설치비용이 과다하게 소요되는 문제점이 발생 될 수 있다.
양수 발전의 에너지 대용량 저장성이나, 전력망의 부하 조정 및 전력망의 주파수를 안정하게 유지시킬 수 있는 기능 등의 장점들에도 불구하고, 상기의 지역적인 각종 제약은 수자원이 절대적으로 부족한 중동국가나 아프리카 또는 각종 환경적 제약이 심한 유럽과 미국 등에서 광범위하게 사용되기에는 힘든 실정이다.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 주변의 산을 이용하여 두 개의 인공호수인 상부인공저수지와 하부인공저수지를 발전에 필요한 높이 차이가 있도록 만들되 발전에 필요한 물은 내륙 지방을 포함하여 인공저수지가 있는 곳까지 끌어 온 바닷물을 이용하고, 바닷물 이용시 발전설비의 부식 방지와 침전물의 생성을 방지하여 효과적인 발전이 이루어질 수 있는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공 방법 및 운전 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 본 발명의 목적은 바닷물이 채워지며, 발전에 필요한 낙차 높이로 설치되는 상부인공저수지와 하부인공저수지; 전력량 고부하시는 상부인공저수지에서 떨어지는 바닷물로 발전하고, 잉여전력일 때는 하부인공저수지의 바닷물을 상부인공저수지로 공급하는 터빈과 모터로 이루어진 양수발전기; 양수발전기의 발전 전기를 승압시켜 전력망에 송전하고, 양수시는 전력망의 전력을 공급받는 송전/수전의 변전소; 취수구가 해안까지 연결된 해수공급관을 통해 바닷물을 인공저수지로 공급하고, 배수관을 통해 해수 농축물을 배출시키는 충ㆍ배수 겸용 라인; 충ㆍ배수 겸용 라인의 취수구측에 설치되어 바닷물의 이물질을 걸러주며, 관로에서 각종 해양 생물을 살균 제거하는 선박 평형수 처리 시스템;으로 이루어진 바닷물을 이용한 양수발전 시스템을 이용함으로써 달성될 수 있다.
또한 바닷물이 저장되는 상부인공저수지와 하부인공저수지를 발전에 필요한 높이 단차와 저수 용량으로 시공하는 단계; 해수공급관을 통해 취수된 바닷물을 상,하부인공저수지로 공급하고, 배수관을 통해 해수 농축물을 배출시키도록 충ㆍ배수 겸용 라인을 시공하는 단계; 충ㆍ배수 겸용 라인의 취수구 측에 선박 평형수 처리 시스템을 시공하는 단계; 피크부하시 상부인공저수지에서 낙하되는 물로 발전하고, 잉여 전력시 하부인공저수지의 바닷물을 상부인공저수지로 공급할 수 있도록 터빈과 모터로 구성된 양수발전기를 시공하는 단계; 양수발전기의 발전 전기를 받아 승압 후 전력망에 송전하고, 잉여전력시 전력망 전력을 받아 양수발전기가 양수용으로 구동되게 하는 변전소 시공 단계;로 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공방법을 구성함으로써 상기 목적 달성이 가능하다.
또한 본 발명의 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템 운전방법은, 충ㆍ배수 겸용 라인의 선박 평형수 처리 시스템을 통해 이물질 여과 및 살균 소독된 바닷물을 상부인공저수지에 필요한 수량으로 공급하는 단계; 전력량 고부하일 때는 양수와 발전 겸용의 양수발전기가 상부인공저수지에서 떨어지는 바닷물로 발전을 하고, 발전에 사용된 바닷물은 하부인공저수지로 모이도록 하는 단계; 잉여전력일 때는 상기 양수발전기로 하부인공저수지의 바닷물을 상부인공저수지로 재공급하는 단계; 발전하는 동안 자연 증발 등의 이유로 인한 감소로 저수용량 부족이 측정되면 여과 및 살균 소독된 바닷물을 간헐 보충하는 단계; 발전에 사용되는 바닷물의 용해물질 농축으로 인한 수질이 설정치 이하로 확인되면 충ㆍ배수 겸용 라인을 통해 농축 물질을 바닷물과 함께 배출시키고, 그 배출된 수량만큼 깨끗한 바닷물을 보충 공급하는 단계; 로 구성함으로써 달성될 수 있다.
이러한 본 발명은 양수 발전에 사용되는 바닷물을 비교적 작은 구경의 파이프를 해안까지 설치하여 발전소 공사기간 중 충수 되게 한 것이므로 비교적 적은 공사비용으로도 물이 귀하고 바다에서 멀리 떨어진 사막지역이나 건조 내륙지방에서도 고도 차이만 있다면 손쉽게 설치하여 양수 발전이 가능한 효과가 있다.
또한 바닷물을 계속 재사용으로 발생하는 증발이나 기타 자연 감소량 발생시 충수 라인을 통해 수시로 보충하게 되고, 지속된 증발로 인한 농축되는 염분이나 기타 금속 용해물은 필요시 충ㆍ배수 겸용 라인을 배수용으로 운용하여 바닷물의 농축과 침전물의 생성을 방지할 수 있는 것으로서, 충수 및 배수 라인의 설비 비용을 줄일 수 있고, 충수 및 배수 가동을 손쉽게 행할 수 있어 유지비가 저렴한 것이다.
그리고 양수발전소 완공 전에 바닷물을 채우는 충수 기간을 충분히 갖으면서 누수 검사 등을 실시할 수 있고, 시운전에 따른 양수 발전 모드를 현지 사정에 맞추어 쉽게 행할 수 있으므로 시운전 기간을 최대한 단축할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명이 실시된 양수 발전 시스템의 공정도를 일례로 보인 도면
도 2 는 본 발명의 양수 발전 시스템 시공과정을 보인 블록도
이하에서는 본 발명의 목적을 효과적으로 달성할 수 있는 기술적 구성 및 작용을 바람직한 실시 예로 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 의한 400MW 바닷물 양수 발전 공정을 일례로 보인 개요도로서, 이에 도시된 본 발명의 바닷물을 이용한 양수발전 시스템은, 채워진 바닷물을 발전에 필요한 낙차 높이에서 하부로 낙하시키는 상부인공저수지(10a); 발전에 필요한 낙차 높이가 유지되도록 상부인공저수지(10a) 하부에 설치되며, 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물을 받아 저장하는 하부인공저수지(10b);로 구성된다.
그리고 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 사이에 설치되며, 전력량 고부하일 때는 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물로 발전을 하고, 잉여전력일 때는 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급하는 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40); 양수발전기(40)에서 발전한 전기를 승압시켜 전력망(70)에 송전하고, 양수시에는 전력망(70)에서 전력을 공급받는 송전/수전의 변전소(50);로 구성됨을 특징으로 한다.
그리고, 취수구(21a)가 해안까지 연결된 해수공급관(21)을 통해 취수된 바닷물을 하부인공저수지(10b)로 공급하고, 해수공급관(21) 일측에 연결된 배수관(22)을 통해 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 해수 농축물을 배출시키는 충ㆍ배수 겸용 라인(20); 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 취수구(21a)측에 설치되어 바닷물의 이물질을 여과하여 걸러주며, 관로에서 각종 해양 생물(해조류, 따개비 등의 기생물)을 살균하여 제거하는 선박 평형수 처리 시스템(30);이 구비됨을 특징으로 한다.
여기서 도면 중 미설명 부호 (23)은 해수공급관(21)과 배수관(22)에 설치되는 밸브이다.
이러한 본 발명은 첨부된 도 1 의 공정도에서는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 간의 낙차를 200m로 하였으나, 위치에너지는 낙차의 거리에 정비례하기 때문에, 두 저수지간의 낙차가 클수록 필요한 저수용량은 비례적으로 줄어들 수 있으며, 이는 토목 공사비를 절감시키는 효과를 얻을 수 있다.
양수 발전에 사용하기 위해 인공저수지에 저장되는 바닷물은 발전소 건설 초기에 해안에서 발전소 부지까지 설치된 해수공급관(21)으로 이루어진 파이프라인을 통하여 발전소건설 후 초기 시운전을 할 때까지 충수가 되게 한다.
즉, 도 1 과 같이 낙차거리를 200m로 할 경우 상부인공저수지(10a)에 필요한 저수용량은 7백2십만 톤의 바닷물이 필요한데, 이는 해수공급관(21)으로 구경 12인치 내외의 파이프라인을 사용하면 약 12개월에 걸쳐서 충수 할 수 있는 용량이다.
그러므로 이를 이용하여 적어도 6개월 내지 12개월에 걸쳐서 양수발전소 가동 전까지 충수가 되도록 하면 되며, 이때 필요에 따라 파이프 구경을 키우거나 줄여서 충수에 필요한 기간을 가감할 수도 있다.
해안의 바닷물 취수구(21a) 부위에 근접 설치되는 선박용 평형수 처리시스템은 근래에 세계 해양협회 사양에 맞추어 개발 상용화되고 있는 기술로서, 침전물과 해조류나 해양 생물을 폐사시킨 바닷물을 여과 살균 정화하여 공급한다.
이러한 본 발명의 바닷물을 이용한 양수발전 시스템은 하루중 전력 수요가 가장 적은 심야 시간대를 이용하여 변전소(50)를 통해 전력망(70)의 전기를 양수와 발전 겸용의 모터(42)와 터빈(41)으로 공급하면 하부인공저수지(10b)의 물은 펌핑되어 상부인공저수지(10a)로 충수 된다.
그 후, 전력수요가 급증하는 오후 시간대에 전력망(70)의 부하 조절이나 주파수 안정화 등 전력망(70)의 필요에 맞춰 발전을 하면 된다.
즉, 발전을 위해 상부인공저수지(10a)의 바닷물을 하부인공저수지(10b)로 낙하시키면 바닷물의 떨어지는 힘에 의해 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)에서 전기가 발전 되며, 이 발전 전기는 변전소(50)로 보내져 승압 된 후 전력망(70)으로 송전 되어 전력망(70)의 부하 조절 및 주파수 안정화를 이루게 된다.
그리고, 이러한 폐 순환방식(Closed Loop)으로 매일 반복 운전을 하면 계속 증가되는 전력망(70)의 최대 부하(Peak Lood)를 위하여 추가로 설치해야 하는 가스 복합 발전소를 대체하는 환경친화적 신 재생에너지의 역활을 할 수 있으며, 이러한 가변속 양수 발전 시스템의 최대 장점은 전력망(70)의 안정적 운전을 보장해 주는데 큰 기여를 할 수 있다는 것이다.
상기 양수 발전에 사용되는 바닷물은 계속 재사용하게 되면 증발이나 기타 이류로 자연 감소가 있게 되므로 간헐적으로 충수 하여 줄 필요가 있다. 이때의 충수는 상술한 바와 같이 취수구(21a)로 취수되는 바닷물을 선박 평형수 처리 시스템(30)에서 여과 살균 처리하고, 충ㆍ배수 겸용 라인(20)은 충수용으로 전환시키면 된다. 그러면 여과 살균 처리된 바닷물이 보충용으로 하부인공저수지(10b)로 공급된다.
그리고, 바닷물의 계속된 증발은 사용되는 바닷물 속에 용존되어 있는 전해 물질들의 농축을 가져오게 되기 때문에 가끔 소량이나마 배출시켜야 한다. 이를 위해 상기 해수공급관(21) 측 밸브(23)는 잠그고 배수관(22) 측 밸브(23)를 열어주면 충ㆍ배수 겸용 라인(20)은 배수용으로 운용되며, 반대로 해수공급관(21)측의 밸브(23)는 열어주고 배수관측 밸브(23)를 닫아주면 충ㆍ배수 겸용 라인(20)은 충수용으로 운용된다.
상기와 같이 충ㆍ배수 겸용 라인(20)을 필요에 따라 배수용과 충수용의 겸용으로 사용하는 것이므로 각각의 라인을 별도로 설치하지 않고서도 인공저수지의 바닷물에 용해된 각종 물질을 배수관(22)을 통해 수시로 배출시켜 전해 물질들의 농축됨을 방지하고 필요한 수량의 깨끗한 바닷물을 수시로 충수 할 수 있으므로 시공비가 절감되고, 전해물질이 농축되지 않고 깨끗한 최적 상태의 바닷물을 사용하여 발전하므로 설비의 부식 방지와 발전 효율을 높일 수 있다.
그리고, 하부인공저수지(10b)의 일측에는 수질검사소(60)를 구비하여 수량 및 수질을 계속 측정한 다음 적정한 양의 충수 및 배수를 해 줄 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 바닷물을 충수 할 때 이물질을 여과하는 선박 평형수 처리 시스템(30)에는 필요시마다 밴지미다졸(benzimidazole)이나 이미다졸(imidazole) 등을 투입하는 화학첨가제 투입부를 구비하여 산화에 의한 부식 방지와 침전물의 생성을 억제할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 2 는 본 발명의 양수 발전 시스템 시공과정을 보인 블록도로서, 이에 의해 본 발명의 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템 시공 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1단계(상부인공저수지와 하부인공저수지 시공)
이 제1단계(S100)는 주변의 바닷물을 끌어다가 저장하는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)를 발전에 필요한 높이 단차가 유지되고, 필요한 저수 용량으로 시공하는 단계이다.
여기서 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 저수용량은 낙차 높이에 정 비례하기 때문에, 이들 상ㆍ하부인공저수지간의 낙차가 클수록 필요한 저수용량은 아래의 [표1] 과 같이 줄어들며, 이들 인공저수지의 저수부위는 누수 되지 않도록 방수층이 구비되어야 한다.

낙차(m)

100
200
300

저수용량(㎥)
14,400,000
7,200,000
4,800,000

저수지 직경(km)
1.5
1.5
1.5

저수 깊이(m)
8.2
4.1
2.7
상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 토목공사는 두 저수지 모두 가장 경제적인 굴삭 방법으로 행할 수 있으나, 경우에 따라서는 콘크리트 표면 차수벽형 석괴 댐 등의 공사방법이나 기타 방법, 혹은 이들을 조합한 방법을 사용할 수 있다. 그리고 저수지의 저수부위 방수층으로는 차수성 및 내구성이 뛰어나고 경제성이 우수한 인공차수막(Geomembrane)을 시공하는 것이 바람직하다.
이러한 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 저수 용량은 서로 간의 낙차가 클수록 상기의 [표1] 과 같이 비례적으로 줄어들도록 하는 것이 바람직하며, 이는 토목 공사비 절감으로 이어질 수 있다.
일례로, 400MW로 8시간 저장 양수발전소(낙차와 저수량의 관계: 약 80% 효율, 원통형 저수지로 가상)를 이루는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 직경을 1.5km로 동일하게 형성하였을 때를 가정하여 설명하면,
- 낙차가 100m 인 경우는 1천4백40만루배(㎥)의 저수용량이 필요하므로 저수 깊이는 8.2m 정도가 되어야 하며,
- 낙차가 200m 인 경우는 약 7백2십만루배(㎥)의 저수용량이 필요하므로 저수 깊이는 4.1m 정도로 만들면 되고,
- 낙차가 300m 인 경우는 약 4백8십만루배(㎥)의 저수용량이 필요하므로 저수 깊이는 2.7m 정도로 형성하면 된다.
여기서 상기 수치는 예를 들기 위한 것으로서, 실제 시공할 때의 설비는 지형적이나 경제적 조건 등에 의해 설계조건이 바뀔 수 있다.
제2단계(충ㆍ배수 겸용 라인 시공)
제2단계(S200)는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 바닷물 공급 및 해수 농축물 배출을 겸용으로 할 수 있도록 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)에 충ㆍ배수 겸용 라인(20)을 시공하는 단계이다.
상기 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 일단에 배수관(22)을 구비하고, 아래에서 언급되는 해수공급관(21)을 구비하여 충수 및 배수를 겸할 수 있도록 하는 단계이다.
상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 바닷물은 발전에 계속 사용하는 동안 증발이나 기타 이유로 자연 감소가 있으면 간헐적으로 보충을 해 주어야 하고, 특히 바닷물의 용해된 각종 물질들이 농축되어 수질이 나쁠 경우는 농축된 물질들을 배출시킨 후 깨끗한 바닷물을 보충해 주어야 하는데, 이때 상기 하나의 충ㆍ배수 겸용 라인(20)을 충수용과 배수용을 겸하는 용도로 사용할 수 있으므로 시공이 간편하여 공사기간을 단축시킬 수 있다.
제3단계(해안과 연결되는 해수공급관 시공단계)
제3단계(S300)는 내륙 지방을 포함하여 상기 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)가 설치된 곳으로 바닷물을 펌핑하여 끌어올 수 있도록 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해안을 해수공급관(21)으로 연결하는 시공 단계이다.
제4단계(선박 평형수 처리시스템 시공)
제4단계(S400)는 공급되는 바닷물의 이물질 여과와, 관로에서 각종 해양 생물(해조류, 따개비 등의 기생물)을 살균하여 제거할 수 있도록 해수공급관(21)의 취수구(21a)측에 선박 평형수 처리 시스템(30)을 설치하는 단계이다.
이러한 상기 선박 평형수 처리 시스템(30)을 시공할 때는 필요시마다 산화에 의한 부식 방지와 침전물의 생성을 억제할 수 있는 밴지미다졸(benzimidazole) 또는 이미다졸(imidazole)과 같은 첨가제를 투입할 수 있는 화학첨가제 투입부를 갖추는 과정을 포함할 수 있다.
제5단계(양수발전기 시공)
제5단계(S500)는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 사이에 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)를 시공하는 단계이다.
상기 양수발전기(40)는 근래 개발되어 많이 사용되고 있는 가변속 양수 발전시스템 기술(Adjustable Speed Storage Generator)을 채택한 것으로서, 전력 소모가 최대인 전력량 고부하일 때는 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물로 발전을 하고, 전력량 저부하시로 잉여전력일 때는 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급하도록 되어 있다.
상기 가변속 양수 발전시스템은 양수 운전시 부하 조정이 용이하고 발전 운전시 낙차 변동이나 경부하 등의 경우에 적응할 수 있는 운전 영역이 넓은 장점이 있다. 이러한 양수발전기(40)는 바닷물에 의한 부식을 방지하기 위해 특수철강의 재질로 만드는 것이 바람직하며, 필요에 따라 400MW급 1기 또는 200MW급 2기 등과 같이 다양하게 시공할 수 있다.
제6단계(송전/수전의 변전소 시공)
제6단계(S600)는 송전/수전 겸용의 변전소(50)를 시공하는 단계이다.
상기 송전/수전 겸용의 변전소(50)는 양수발전기(40)에서 전기를 발전하여 공급하면 그 전기를 받아서 승압시킨 후 전력망(70)에 송전하고, 양수시에는 전력망(70)의 전력을 양수발전기(40)에 공급하여 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)가 구동되게 하는 것이다.
제7단계(수질검사소 시공)
제7단계(S700)는 하부인공저수지(10b)의 바닷물 수량 및 수질을 측정하는 수질검사소(60)를 시공하는 단계이다.
그러면 하부인공저수지(10b)에 채워지는 바닷물의 양과 농축물에 의한 수질을 측정하여 수질은 괜찮은데 수량이 부족할 경우는 해수공급관(21)을 통해 충수를 해주고, 용해된 각종 물질의 농축과 침전으로 수질이 나쁠 경우에는 적정량의 바닷물을 배수관(22)으로 먼저 배수하여 농축과 침전된 물질을 배출시킨 다음 필요한 저수용량에 맞춰서 해수공급관(21)을 통해 충수를 하여주면 항시 발전에 필요한 수량 및 수질을 유지할 수 있어 양호한 발전이 될 수 있다.
여기서, 바닷물이 귀한 사막이나 내륙지방에서도 상기 제2단계 내지 제4단계로 시공되는 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해수공급관(21) 및 선박 평형수 처리 시스템(30)을 갖추기만 하면 바닷물을 사막이나 내륙지방까지 끌고 올 수 있으므로 어디에서나 본 발명의 양수 발전 시스템 시공이 용이한 것이다.
그리고 상기 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 선박 평형수 처리 시스템(30)은 발전소 공사 초기에 시작하여 양수발전소가 완공되기 6개월~12개월 전에 먼저 구비되도록 한다. 그러면, 양수발전소 건설이 완공되기 전에 6개월~12개월에 걸쳐서 인공저수지에 바닷물을 채우는 초기충수 기간을 갖게 된다.
이러한 초기충수 기간 때 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)에는 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해수공급관(21)이 모두 연결되어 있으므로 초기 충수는 한 저수지의 저수 용량만큼을 둘 중 하나에만 채울 수도 있지만 양쪽 저수지에 절반씩 나누어 채우는 것이 바람직하다. 그러면 초기에 두 저수지 모두의 누수 검사 등을 실시할 수 있고, 또 시운전시 양수나 발전 모드를 현지 사정에 맞춰서 할 수 있는 장점이 있어 바람직하다고 할 수 있다.
이러한 본 발명의 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템을 구동시키는 운전 방법은 다음과 같다.
<제1단계> 발전을 위한 바닷물 공급
즉, 제 1 항 또는 제 2 항의 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템을 이용하되 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 취수구(21a)측에 설치된 선박 평형수 처리 시스템(30)을 통해 이물질을 여과하고 각종 해양 생물을 살균 제거한 바닷물을 상부인공저수지(10a)에 직접 또는 하부인공저수지(10b)를 통해 발전에 필요한 수량으로 공급한다.
<제2단계> 발전
전력량 고부하일 때는 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)로 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물을 이용하여 발전을 하고, 발전에 사용된 바닷물은 하부인공저수지(10b)로 모이도록 한다.
<제3단계> 양수
전력 수요의 비수기로 잉여전력일 때는 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)를 가동시켜서 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 발전에 필요한 수량만큼 상부인공저수지(10a)로 공급한다.
<제4단계> 발전에 필요한 바닷물 간헐 보충
상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 바닷물로 발전하고 양수하는 동안 자연 증발이나 기타 이유로 인한 감소량으로 인해 저수용량이 부족한 것으로 측정 확인되면 선박 평형수 처리 시스템(30)에서 여과 및 살균 소독된 바닷물을 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 해수공급관(21)을 통해 간헐적으로 보충해 준다.
상기 바닷물의 저수용량 측정은 수량을 측정하기 위해 구비한 수질검사소(60)에서 행하는 것이며, 이에 의해 적정 양의 충수를 보충해 줄 수 있다.
<제5단계> 용해물질 농축된 바닷물의 배출과 보충
하부인공저수지(10b)에 저장된 바닷물의 수질을 측정하여 농축된 용해물질로 수질이 설정치 이하로 확인될 경우 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 배수관(22)을 통해 농축된 용해물질을 바닷물과 함께 필요 수량만큼 배출시키고, 그 배출된 수량만큼 선박 평형수 처리 시스템(30)에서 여과 및 살균 소독된 바닷물을 해수공급관(21)을 통해 공급한다.
상기 바닷물의 수질 측정은 수질을 측정하기 위해 구비한 수질검사소(60)에서 행하는 것이며, 이에 의해 필요시마다 적정 양의 배수 및 충수를 수시로 해 줄 수 있어 발전을 위한 바닷물을 항시 양질의 상태로 유지할 수 있다.
여기서 상기 제1단계와 제4단계 및 제5단계에서 선박 평형수 처리 시스템(30)을 통해 이물질 여과와 각종 해양 생물을 살균 제거하여 바닷물을 공급하는 과정은 산화에 의한 부식을 방지하고 침전물 생성을 억제하는 화학첨가제를 투입하는 과정이 포함될 수 있다.
10a: 상부인공저수지 10b: 하부인공저수지
20 : 충ㆍ배수 겸용 라인 21 : 해수공급관
21a: 취수구 22 : 배수관
23 : 밸브 30 : 선박 평형수 처리 시스템
40 : 양수발전기 41 : 터빈
42 : 모터 50 : 변전소
60 : 수질검사소 70 : 전력망

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 양수 발전 시스템 시공방법에 있어서,
    주변의 바닷물을 끌어다가 저장하는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)를 발전에 필요한 높이 단차와 저수 용량으로 시공하는 제1단계;
    상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 바닷물 공급 및 해수 농축물 배출을 겸용으로 할 수 있도록 일단에 배수관(22)이 구비되는 충ㆍ배수 겸용 라인(20)을 시공하는 제2단계;
    해안의 바닷물을 충ㆍ배수 겸용 라인(20)에 공급할 수 있도록 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해안을 해수공급관(21)으로 연결하여 시공하는 제3단계;
    해수공급관(21)의 취수구(21a) 측에 선박 평형수 처리 시스템(30)을 시공하는 제4단계;
    피크부하시 상부인공저수지(10a)에서 낙하되는 물로 발전을 하고, 잉여 전력시 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급할 수 있도록 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)를 시공하는 제5단계;
    양수발전기(40)의 발전 전기를 받아 승압시킨 후 전력망(70)에 송전하고, 잉여전력시 전력망(70) 전력이 양수발전기(40)에 공급되면 터빈(41)과 모터(42)가 양수용으로 구동되도록 송전/수전의 변전소(50)를 시공하는 제6단계;로 구성되며,
    제2단계 내지 제4단계의 충ㆍ배수 겸용 라인(20)과 해수공급관(21) 및 선박 평형수 처리 시스템(30)은 양수 발전소가 완공되기 6개월~12개월 전에 먼저 시공 완료하여
    양수 발전소가 완공될 때까지 6개월~12개월에 걸쳐서 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 중 어느 하나를 저수용량에 맞춰 만수위로 채우거나 둘 모두에 저수용량의 절반씩 바닷물을 채우는 초기 충수 기간을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    수량 및 수질을 측정하는 수질검사소(60)를 시공하는 제7단계를 추가하여 적정 양의 바닷물 충수 및 배수를 해 줄 수 있도록 하고,
    선박 평형수 처리 시스템 시공 단계는 산화에 의한 부식 방지 및 침전물의 생성을 억제하는 화학첨가제 투입부를 포함하여 시공함을 특징으로 하는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 시공방법.
  5. 삭제
  6. 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 운전방법에 있어서,
    바닷물이 채워지며, 발전에 필요한 낙차 높이로 설치되는 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b); 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b) 사이에 설치되며, 전력량 고부하일 때는 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물로 발전을 하고, 잉여전력일 때는 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급하도록 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40); 양수발전기(40)에서 발전한 전기를 승압시켜 전력망(70)에 송전하고, 양수시에는 전력망(70)에서 전력을 공급받는 송전/수전의 변전소(50); 취수구(21a)가 해안까지 연결된 해수공급관(21)을 통해 취수된 바닷물을 하부인공저수지(10b)로 공급하고, 배수관(22)을 통해 상부인공저수지(10a)와 하부인공저수지(10b)의 해수 농축물을 배출시키는 충ㆍ배수 겸용 라인(20); 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 취수구(21a)측에 설치되어 바닷물의 이물질을 걸러주며, 관로에서 각종 해양 생물을 살균 제거하는 선박 평형수 처리 시스템(30);으로 구성되는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템 또는
    상기 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템에 수량 및 수질을 측정하여 적정 양의 충수 및 배수를 해 줄 수 있는 수질검사소(60)를 더 구비하고, 선박 평형수 처리 시스템(30)에는 산화에 의한 부식 방지 및 침전물의 생성을 억제하는 화학첨가제 투입부를 더 구비한 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템을 이용하여
    충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 취수구(21a)측에 설치된 선박 평형수 처리 시스템(30)을 통해 이물질을 여과하고 각종 해양 생물을 살균 제거한 바닷물을 상부인공저수지(10a)에 직접 또는 하부인공저수지(10b)를 통해 발전에 필요한 수량으로 공급하는 단계;
    전력량 고부하일 때는 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)로 상부인공저수지(10a)에서 떨어지는 바닷물을 이용하여 발전을 하고, 발전에 사용된 바닷물은 하부인공저수지(10b)로 모이도록 하는 단계;
    잉여전력일 때는 양수와 발전 겸용의 터빈(41)과 모터(42)로 이루어진 양수발전기(40)를 가동시켜서 하부인공저수지(10b)의 바닷물을 상부인공저수지(10a)로 공급하는 단계;
    발전하는 동안 자연 증발이나 기타 이유로 인한 감소로 바닷물의 저수용량이 부족한 것으로 측정되면 해안과 연결된 해수공급관(21)을 통해 여과 및 살균 소독된 바닷물을 간헐적으로 보충해주는 단계;
    발전에 사용되는 바닷물 수질을 측정하여 농축된 용해물질로 수질이 설정치 이하로 확인될 경우 충ㆍ배수 겸용 라인(20)의 배수관(22)을 통해 농축 물질을 바닷물과 함께 배출시키고, 그 배출된 수량만큼 여과 및 살균 소독된 바닷물을 보충 공급하는 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 운전방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    선박 평형수 처리 시스템(30)을 통해 이물질을 여과하고 각종 해양 생물을 살균 제거하여 바닷물을 공급하는 과정은,
    산화에 의한 부식을 방지하고 침전물 생성을 억제하는 화학첨가제를 투입하는 과정이 포함됨을 특징으로 하는 바닷물을 이용한 양수 발전 시스템의 운전방법.
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