KR102019894B1 - 모듈러 양수발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양에 설치되어 양수발전을 위한 것으로,
상기 해양에 예인되어 해저면에 고정되는 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000);
을 포함하여 구성되되,
상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 모두 동일한 규격의 다각형 평면을 가지므로 어느 한 변이 서로 맞닿아 설치될 수 있으므로 발전규모의 증감이 자유로우며,
상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)이 일렬로 설치되면 방파제 기능을 하는 방파제형(㉠), 모여서 설치되면 인공섬 기능을 하는 인공섬형(㉡) 그리고 개방된 곡선으로 설치되면 외양(open sea) 계류지형(㉢)의 구성이 가능한 것을 특징으로 하는 모듈러 양수발전 시스템에 관한 것이다.

Description

모듈러 양수발전 시스템{the modularized pumped-storage hydroelectric power plant system installed in the ocean}

본 발명은 양수발전을 위한 것으로, 육상에 조성되는 양수발전소에 비하여 해양에 설치하여 지질조건 및 환경영향을 최소화 할 수 있고, 조선기술을 응용하며 규격화된 모듈러 공법(Modular construction method)으로 공장에서 제작하여 현장에 설치하기 때문에 품질 및 생산성이 우수하고, 모듈화로 복수의 발전시설이 조립 가능하여 발전규모의 확장이 쉬운 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템에 관한 것이다.

전력이 수요에 비하여 공급이 부족하면 대규모정전(black out)이 발생하기 때문에 전력공급은 일정량의 여유(전력예비율)를 갖고 최대 수요에 맞추어져 운행되고 있다.

그러나 전력수요는 시간에 따라 변동되며 특히 낮과 밤에 따라 큰 차이가 있어, 대부분의 시간에는 적정 예비율(통상 15%) 이상의 전력이 공급되며, 결과적으로 사용 못하고 잉여전력(surplus power)으로 손실된다.

도 1은 전력수급현황의 일례이다.

일예로 전력수급현황을 보여주는 도 1에서 예비율은 30.0%로 버려지는 전력양은 21,000MW로 1,000MW/ea를 생산하는 원자로 21기분의 전력이며, 적정 예비율을 고려하여도 원자로 11기분의 전력이 잉여전력으로 버려지고 있다. 이는 에너지 낭비이며 전기요금 부담도 커지는 등 경제적인 손실로 전력예비율을 합리적으로 조정 운영하는 것이 바람직하다.

그러나 수력발전과 달리 주요 전력인 원자력이나 화력발전과 같은 기력발전(thermal power generation)의 경우 기민하게 온오프제어(on-off control)가 안 되어 계절에 따른 전력 조절은 가능하나 일일중의 조절은 어렵기 때문에, 전력예비율을 조절하기보다는 버려지는 잉여전력을 이용하는 방법이 효과적으로 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)이 차세대 전력망으로 각광을 받고 있다.

에너지저장시스템은 전기수요가 낮은 시간대(주로 밤)에 사용을 못하고 버려지는 잉여전력을 이용하여 에너지를 저장하였다가 전기수요가 높은 시간대(주로 낮)에 전력공급의 부족분을 보충하는 것으로, 가정이나 기업수준의 소규모의 경우에는 화학적으로 에너지를 저장하는 축전지로 가능하나 대용량으로 장시간 사용에 어려움이 있어, 국가적인 전력공급으로 검증되어 상용화된 것은 양수발전이다.

양수발전은, 잉여전력을 이용하여 하부 조정지(調整池, regulating pondage)의 물을 상부 조정지에 양수하였다가, 전기수요가 발생하면 상부 조정지의 물을 하부 조정지로 낙하하여 발생하는 위치에너지로 전기를 생산하는 것으로, 잉여전기를 사용하여 축전기능을 하는 재생에너지로 전력수급의 운용에 효과적이며, 전력계통 전체적으로 발전원가를 절감한다. 또한 발전 시작과 최대 출력까지의 시간이 짧고, 출력 조정이 쉬워 돌발적인 전력사고 등에 적극적으로 대처 가능하여 양수발전소의 적용은 세계적인 추세이다. 그러나 종래의 육상에 양수발전소를 건설하기 위해서는 조정지 조성에 따른 환경문제와 토지매입을 포함한 막대한 건설비용과 시간이 소요될 뿐만 아니라, 낙차가 있으면서 인접한 2곳의 조정지가 필요하기 때문에 적합 지역이 한정되며, 저수량이 한정되어 확장성에도 한계가 있고, 일반적으로 장소도 외지로 송전설비 비용도 많이 발생하는 등 양수발전에 대한 제약이 많아 이에 대한 대안이 필요하다.

한편 배수량 30만DWT 이상의 거대 선박이나 거대 구조물을 상하로 움직이는 석유시추선과 초대형 구조물을 물위에 띠워 운반하는 등의 제조기술을 갖고 있는 조선 산업은 세계적인 경기 침체로 어려움을 격고 있어 기존의 기술을 활용한 새로운 해양 플랜트의 개발이 요구되고 있다.

[문헌 1] 대한민국 공개특허 제10-2013-0042098호 ‘양수발전’, 2013년04월26일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-1389433호 ‘수력 양수발전 시스템’, 2014년04월21일

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 다음과 같다.

첫째, 종래의 육상에 설치하는 양수발전소와 달리, 해양에 설치함으로서 지질조건 및 환경영향을 최소화하고, 해수를 이용하기 때문에 풍부한 수원 조달이 가능한 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공하고자 한다.

둘째, 배수량 30만DWT 이상의 거대 선박과 구조물을 상하로 움직이는 석유시추선과 초대형 구조물을 물위에 띠워 운반하는 조선기술을 응용하여, 조선소에서 제작하여 해양에서 이동 설치가 가능한 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공하고자 한다.

셋째, 규격화된 모듈러 공법으로 공장에서 생산하여 품질 및 생산성이 우수하며, 종래 육상에 설치하는 양수발전소에 비하여 비용과 시간이 절약되어 경제적인 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공하고자 한다.

넷째, 단일의 발전시설 뿐만이 아니라, 모듈화로 복수의 발전시설이 조립 가능하여, 발전규모가 한정되는 종래 육상에 설치하는 양수발전소에 비하여 발전규모의 증설이 자유로운 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 해양에 설치되어 양수발전을 위한 것으로,

상기 해양에 예인되어 해저면에 고정되는 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000);

을 포함하여 구성되되,

상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 모두 동일한 규격의 다각형 평면을 가지므로 어느 한 변이 서로 맞닿아 설치될 수 있으므로 발전규모의 증감이 자유로우며,

상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)이 일렬로 설치되면 방파제 기능을 하는 방파제형(㉠), 모여서 설치되면 인공섬 기능을 하는 인공섬형(㉡) 그리고 개방된 곡선으로 설치되면 외양(open sea) 계류지형(㉢)의 구성이 가능한 것을 특징으로 하는 모듈러 양수발전 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 기대된다.

첫째, 해양에 양수발전소를 설치함으로서 종래의 육상에 설치하는 양수발전소의 조정지 조성에 따른 지질조건 및 환경문제를 최소하며, 원료공급 및 냉각을 위해 해안가에 있는 기존 화력이나 원자력발전소와 인접하게 설치하면 전력공급을 연동하는 시너지효과를 얻을 수 있으며 송전설비를 포함한 부대비용이 절약되는 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공한다.

둘째, 규격화된 모듈러 공법으로 공장에서 제작하여 품질 및 생산성이 우수하며, 단일의 발전시설 뿐만이 아니라, 모듈화로 복수의 발전시설이 조립 가능하여 발전규모의 증설이 자유롭고, 종래 육상에 설치하는 양수발전소에 비하여 토지 매입을 포함한 막대한 건설비용과 시간이 절약되어 경제적인 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공한다.

셋째, 검증된 조선기술을 응용하여 조선소에서 제작하여 수상으로 이동 및 설치가 가능하여, 종래 육상의 양수발전소와 달리 해외 수출도 가능하여 침체된 조선산업에 새로운 플랜트로서 도움이 되는 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공한다.

넷째, 발전이 불규칙하고 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 신재생에너지인 태양광발전이나 풍력발전의 에너지저장장치로도 가능한 해양에 설치되는 모듈러 양수발전 시스템을 제공한다.

도 1은 전력수급현황의 일례이다.
도 2는 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 다양한 조립 예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 다른 실시예의 개념도이다.

이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 다양한 조립 예를 나타낸 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이,

본 발명의 모듈러 양수발전 시스템은 해양에 설치되어 양수발전을 위한 것으로,

상기 해양에 예인되어 해저면에 고정되는 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000);을 포함하여 구성되되,

상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 모두 동일한 규격의 다각형 평면을 가지므로 어느 한 변이 서로 맞닿아 설치될 수 있으므로 발전규모의 증감이 자유로우며,

상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)이 일렬로 설치되면 방파제 기능을 하는 방파제형(㉠), 모여서 설치되면 인공섬 기능을 하는 인공섬형(㉡) 그리고 개방된 곡선으로 설치되면 외양(open sea) 계류지형(㉢)의 구성이 가능한 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 다수개가 상기 인공섬형(㉡)으로 설치될 때, 평면상 상호간에 빈공간이 없도록 6각형 평면을 가지는 것이 바람직하다.

부연하면,

본 발명의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 단일의 발전시설 뿐만이 아니라, 모듈화로 복수의 발전시설이 조립 가능하여, 발전규모가 한정되는 종래 육상에 설치하는 양수발전소에 비하여 발전규모의 증설이 자유롭다.

그리고 조합형태에 따라, ㉠방파재, ㉡인공섬, ㉢외양(open sea) 계류지를 포함하여 용도에 따라 다양한 방법으로 조립이 가능한 특징이 있다. 모듈의 형태는 제한이 없으나, 확장 및 조립을 고려하면 6각형 모양이 바람직하다.

본 발명의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)을 복수로 조립 증설하면, 상기와 같은 부대기능을 포함하여 발전량의 총량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 부분적으로 유지보수가 가능하여 시설 운영이 쉬워져 결과적으로 생애주기비용(LCC, Life Cycle Cost)을 절감할 수 있어 바람직하다.

실시예로, 상기 탱크(200)의 배수량 10만DWT, 발전운영시간 4시간, 사용수량(Q) 100,000㎥/(4×3600)sec=6.94㎥/sec, 배수 정격낙차(H) 100m, 수차효율(Et) 0.88, 발전기효율(Eg) 0.95, 중력가속도(g) 9.8m/sec²에 대한 발전기 출력(P)은,

P=g×Q×H×Et×Ht=9.8×6.94×100×0.88×0.95=5.69MW

로, 도 1의 ㉠의 실시예와 같이 6기로 증설할 경우 5.69MW×6기=34.14MW로, 섬진강 수력발전소(34.8MW) 수준의 발전이 가능하다.

도 3은 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 개념도이다.

도 3에 도시된 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템은 상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)이,

부력을 받는 하부탱크(130)와 상기 하부탱크(130) 상부의 제어부(110)를 포함하는 본체(100);

상기 본체(100)를 해저면에 고정시키는 앵커기둥(300);

상기 본체(100) 상부에 이격되어 설치되는 탱크(200);

상기 탱크(200)와 상기 본체(100)를 연결하여 설치되는 지주(400);

를 포함하여 구성되되,

상기 앵커기둥(300)이 상부로 잭업(jack-up)된 상태로 예인되고 해저면에 잭다운(jack-down)되어 고정되며,

잉여전력을 사용하여 상기 지주(400)를 통해 상기 탱크(200)로 해수를 양수하여 저장한 후, 필요시 양수된 해수를 상기 하부탱크(130)로 낙하하여 발생된 위치에너지를 상기 제어부(110)에서 전기에너지로 전환하는 것을 특징으로 한다.

상기 본체(100)는 해양에서 이동이 가능하면서 발전, 양수, 송전을 포함한 기계설비와 제어기능을 갖춘 바지선형식으로 2층 구조로 제작되며,

하부층은 해양에서 예인시에 부력실 역할을 하며 설치 후에는 일부 하부 조정지 역할을 하면서 발전시 배수에 의한 주변 환경에의 영향과 급격한 하중변화를 조정하기 위한 하부탱크(130);로 구성되고,

상부층은 발전 및 양수를 포함한 기계설비와 제어기능을 갖춘 제어부(110);로 구성된다.

상기 제어부(110)의 상부 갑판에는 양수용 전력과 생산된 전력을 육지와 송수신하기 위한 송전설비(500)가 설치된다.

상기 앵커기둥(300)은 승강기능이 가능한 것으로 하단이 해저면에 고정되어 앵커 및 지주기능을 한다.

부연하면, 상기 앵커기둥(300)이 이동시 해저면에 닿지 않도록 잭업(jack-up)되고 상기 본체(100)의 부력을 이용하여 상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)을 물위에 띠워, 조선소에서 설치위치까지 예인하여 상기 앵커기둥(300)을 해저면에 닿도록 잭다운(jack-down)하여 고정한다. 이어서 육지와 송전설비를 연결 설치하여, 전기수요가 낮은 시간대에 사용을 못하고 버려지는 육지의 잉여전력을 이용하여 해수를 상기 탱크(200)에 양수하여 에너지를 저장하였다가 전기수요가 발생하면 상기 탱크(200)의 물을 상기 하부탱크(130)로 낙하하여 발생하는 위치에너지를 상기 제어부(110)의 발전설비로 전기를 생산하게 된다.

상기 앵커기둥(300)은 상기 지주(400)와 일체로 형성되어 그 기능을 겸할 수 있고, 해상 이동시의 안전을 위하여 상기 지주(400)도 승강식 기능을 갖추도록 하는 것이 바람직 하다.

상기 지주(400)는 상기 탱크(200)를 지지함과 동시에 수로 기능을 하며, 상술한 바와 같이 상기 앵커기둥(300)과 일체로 구성될 수 있다.

본 발명은 해수를 이용하기 때문에 풍부한 수원 조달이 가능하며, 설치장소에 제한이 없지만, 원료공급 및 냉각을 위해 해안가에 있는 기존 화력이나 원자력발전소와 인접하게 설치하면 전력공급을 연동하는 시너지효과를 얻을 수 있으며 송전설비 등의 부대비용이 절약된다.

본 발명의 상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)의 제작은 수심 150m 이하의 해양에 적합한 승강식(jack-up rig) 시추선과 배수량 30만DWT 이상의 거대 유조선과 초대형 구조물을 물위에 띠워 운반하는 등의 기성의 검증된 조선기술을 응용하여, 규격화된 모듈러 공법으로 조선소에서 제작하고 해양에서 이동 설치함으로서, 품질 및 생산성이 우수하다.

또한 종래 육상에 설치하는 양수발전소의 건설기간이 7~10년 정도 소요되는 것에 반하여 본 발명의 상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 조선소에서 제작하여 2~3년으로 시간이 절약되고, 현장에 맞춘 구조가 아니 규격화된 구조로 생산단가를 낮출 수 있어 경제적이며 해외 수출도 가능하여 침체된 조선산업에 새로운 플랜트로서 도움을 되는 특징이 있다.

도 4는 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템의 다른 실시예의 개념도이다.

도 4에 도시된 본 발명의 모듈러 양수발전 시스템은 상기 하부탱크(130)를 상기 제어부(110)와 하부로 이격시켜 해수면 이하로 이동시키므로 부력을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

도 3의 실시예가 상기 하부탱크(130)와 상기 제어부(110)가 일체화되어 상기 본체(100)를 이루는 것에 반하여,

도 4의 실시예는 상기 하부탱크(130)가 이동시에는 부유하여 바지선 기능을 하면서 설치시에는 해수면 밑으로 잠수하여 하부 조정지 역할과 발전 및 양수설비를 갖추는 것을 특징으로 한다.

도 4의 실시예는 도 3의 실시예보다 수심이 깊은 곳에 설치 가능하며, 발전을 위한 낙차를 크게 할 수 있고, 상대적으로 무게중심을 낮출 수 있어 태풍 등 외력에 대한 안전과, 발전 시 외부로의 배수가 없어 주변 환경에의 영향과 양수 및 발전에 의한 하중의 변화를 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이와 더불어 상기 하부탱크(130)를 상기 제어부(110)의 하부로 이격시켜 해수면 이하로 이동시키므로 부력을 증대시키게 되고 상부에서 가해지는 하중에 대한 저항력을 높일 수 있다.

본 발명은 발전이 불규칙하고 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 신재생에너지인 태양광발전이나 풍력발전의 에너지저장장치로도 가능하며, 상기 탱크(200) 위에 태양광발전시설을 설치하여 양수용 전기로 사용하거나 풍력을 이용하여 양수하면 잉여전력 없이도 자력의 발전이 가능하다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.

따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

1000: 모듈러 양수발전소 유닛
100: 본체
110: 제어부
130: 하부탱크
200: 탱크
300: 앵커기둥
400: 지주

Claims (4)

1. 해양에 설치되어 양수발전을 위한 것으로,
   상기 해양에 예인되어 해저면에 고정되는 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000);
   을 포함하여 구성되되,
   상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 모두 동일한 규격의 다각형 평면을 가지므로 어느 한 변이 서로 맞닿아 설치될 수 있으므로 발전규모의 증감이 자유로우며,
   상기 다수개의 모듈러 양수발전소 유닛(1000)이 일렬로 설치되면 방파제 기능을 하는 방파제형(㉠), 모여서 설치되면 인공섬 기능을 하는 인공섬형(㉡) 그리고 개방된 곡선으로 설치되면 외양(open sea) 계류지형(㉢)의 구성이 가능한 것을 특징으로 하고,
   상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은,
   부력을 받는 하부탱크(130)와 상기 하부탱크(130) 상부의 제어부(110)를 포함하는 본체(100);
   상기 본체(100)를 해저면에 고정시키는 앵커기둥(300);
   상기 본체(100) 상부에 이격되어 설치되는 탱크(200);
   상기 탱크(200)와 상기 본체(100)를 연결하여 설치되는 지주(400);
   를 포함하여 구성되되,
   상기 앵커기둥(300)이 상부로 잭업(jack-up)된 상태로 예인되고 해저면에 잭다운(jack-down)되어 고정되며,
   잉여전력을 사용하여 상기 지주(400)를 통해 상기 탱크(200)로 해수를 양수하여 저장한 후, 필요시 양수된 해수를 상기 하부탱크(130)로 낙하하여 발생된 위치에너지를 상기 제어부(110)에서 전기에너지로 전환하는 것을 특징으로 하되,
   상기 잉여전력은 전기수요가 낮은 시간대에 사용을 못하고 버려지는 육지의 잉여전력을 이용하는 것을 특징으로 하고,
   상기 모듈러 양수발전소 유닛(1000)은 6각형 평면을 가지므로 다수개가 상기 인공섬형(㉡)으로 설치될 때, 평면상 상호간에 빈공간이 없는 것을 특징으로 하고,
   상기 하부탱크(130)를 상기 제어부(110)와 하부로 이격시켜 해수면 이하로 이동시키므로 부력을 증대시키는 것을 특징으로 하되,
   상기 하부탱크(130)가,
   이동시에는 부유하여 바지선 기능을 하면서,
   설치시에는 해수면 밑으로 잠수하여 하부 조정지 역할과 발전 및 양수설비를 갖추며 발전을 위한 낙차를 크게 할 수 있고, 상대적으로 무게중심을 낮출 수 있어 태풍의 외력에 대한 안전과, 발전 시 외부로의 배수가 없어 주변 환경에의 영향과 양수 및 발전에 의한 하중의 변화를 최소화할 수 있으며, 상기 하부탱크(130)를 상기 제어부(110)의 하부로 이격시켜 해수면 이하로 이동시키므로 부력을 증대시키게 되고 상부에서 가해지는 하중에 대한 저항력을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈러 양수발전 시스템.
   
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