KR20110031518A - 전용수문을 보조수문으로 대체한 단조식 조력발전소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저수지와 바다의 조석간만 차를 이용한 단조식 조력발전에 관한 것으로, 밀물(창조)과 썰물(낙조)을 모두 복류식 발전용수로 활용하고, 발전기 가동률을 조절하여 발전효율을 높이고 발전중단시간을 단축하며, 양수발전효율을 높이고, 모든 에너지를 발전에 활용하여 전력수요를 충족시키기 위하여, 지형과 저수량에 따라 발전소 높이를 다단계로 설치하고, 전용수문을 조력발전소의 보조수문으로 대체하며, 저 낙차에서 변환효율이 높은 복류식 동력변환장치를 적용하고, 입수발전용수로 저수지 만수위까지 거의 채울 수 있도록 발전소 규모를 확대하여 추가 입수량을 제한하여 입수발전비율을 높이며, 수차동력으로 직접 양수하는 양수발전으로 발전량의 기복과 양수발전효율을 개선하고, 수중조류발전으로 발전량을 증가하여 평균발전량 범위에서 발전량 조절프로그램을 활용하여 총 발전량을 극대화하고, 단조식 조력발전의 단점을 보완하는 친환경적인 조력발전시스템을 특징으로 한다.

단조식, 복류식, 방조제, 입수발전량, 다단계발전, 전용 수문, 보조 수문,

Description

전용수문을 보조수문으로 대체한 단조식 조력발전소{The tidal generation plant from the single basin with the assistant floodgate instead of the exclusive gate}

본 고안은 단조식 조력발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발전소를 저수지의 지형과 수위별 저수량에 따라 동력변환장치의 높이를 다단계로 설치하고, 변환효율이 높은 동력변환장치로 복류식으로 발전하며, 전용수문을 건설할 장소에 발전소를 증설하여 보조수문을 통한 추가 입수량을 제한하며, 수차동력으로 직접 양수하여 제1저수지로 양수발전하고, 배수 발전한 방류수의 유속을 이용하는 수중조류발전을 추가하여 배수발전량을 평균발전량 범위에서 조절하여 발전효율을 높이고, 양수발전량을 조절하여 조석간만으로 인한 발전중단과 발전량의 기복을 개선하는 단조식 복합 조력발전소에 관한 것이다.

리아스식 해안이 발달하고 조석간만차가 커서 조력발전이 적합한 해역은 대개 갯벌이 4~10도 미만의 완만한 경사도를 이루고 있어, 썰물 때는 상당한 면적의 갯벌이 노출되어 수위에 따라서 저수량이 현격한 차이가 있다.

한편, 외해의 수위는 밀물과 썰물로 약 6시간 25분 간격으로 상승과 하강을 반복하 고, 해와 달의 인력에 따라서 도 1과 같이 하루 2회의 만조수위 및 간조수위가 1m이상 차이가 날 때도 있으며, 조금 때는 간만차가 1.3~1.5m 이하로 좁아지기도 한다. 최고 만조 수위가 7m에 가까운 안흥만의 평균 간만차가 4월 중에 4.2m지만 조금 때 외에는 5m 이상을 유지하는 날이 대부분이고, 조금 때도 하루 평균 2회의 간만조(干滿潮) 중 한번은 5m 이상의 만조와 3m 이상의 간만차를 형성하기도 한다.

그러므로 단조식 조력발전에서 발전량을 극대화하기 위해서는 저수지의 수위별 저수량과 상기와 같은 조석간만의 특성을 고려하여 저 낙차에서 변환효율이 높고 조류의 방향이 변해도 변환효율과 회전방향이 변하지 않는 복류식 동력변환장치의 선택과 발전량 조절수단이 전제돼야 한다. 물길이 좁아져 입수능력이 떨어지고 저수량이 수위별로 매우 큰 차이가 있으므로 저수지 수위에 따라 입수량이 증가하더라도 외해의 만조수위까지 100%까지는 채울 수 없기 때문이다.

발전소 통과수량이 제한되고 발전기 가동률을 조절하지 않으면, 입수 초기에는 내, 외해의 수위가 동반 상승하고 입수량도 적어 발전효율이 떨어지고, 만조가 가까울수록 입수량에 비해 저수용적이 급격하게 늘어나므로 충분히 추가 입수하지 않으면 배수발전량이 감소한다. 프랑스의 랑스 조력발전소의 입수발전비율이 전체 발전량의 1/8밖에 안 되는 이유 중의 하나가 배수발전용수를 확보하기 위해서 입수가 시작될 때부터 전용수문을 통해 입수하기 때문일 것이다.

만일 발전소 규모를 대폭 축소하면 도 2와 같이 만조수위가 낮을 때는 배수발전을 계속할 수 있을 정도로 저수지가 높은 수위를 유지할 수 있으므로 조석간만차를 발전 낙차로 활용할 수 있지만, 간만에 따라 발전량에 엄청난 차이가 발생하므로 그 기복을 보완하지 못하면 순간발전량이 아무리 많아도 잉여전력이 될 수밖에 없고, 평균발전량 범위에서 발전량을 조절하거나 잉여전력이 생산될 때마다 양수발전으로 전환하더라도 총발전량은 평균 낙차를 조석간만차의 1/2 범위 내에서 운전할 때의 발전량을 초과할 수 없으며, 통과수량이 적으므로 총발전량이 적을 수밖에 없다.

그뿐만 아니라 저수지는 조석간만이 중단되어 갯벌과 주변의 환경파괴가 심각하고 특히 간척지의 해수로 인한 침수우려가 커지며 집중호우 때는 더 심각한 홍수피해를 유발할 수 있을 것이다.

발전소규모가 여유있을 때, 외해의 수위는 숨고르기 시간이 거의 없이 1시간에 거의 1.3m 이상씩 일정한 속도로 변하므로, 배수발전으로 낙차가 커지기 시작하면 발전량과 통과수량이 급속도로 증가하므로 최저수위에 도달하기 전에 외해와 저수지 수위가 비슷해지고 발전량이 격감할 것이다.

그러므로 입수발전 초기에만 유효낙차가 될 때까지 잠시 발전을 중단했다가 만조수위에 가까워질 때까지 낙차가 크게 벌어지지 않도록 입수발전량을 증가하고 적절한 시간에 추가입수하며, 배수 발전할 때는 전력수요에 따라 발전량을 조절하고 남는 발전용수는 양수발전용으로 전환하여, 도 3과 같이 외해의 최저수위에 거의 가깝도록 배수하면, 배수발전 중간시간대에는 같은 통과수량으로 배 이상의 전기를 생산할 수 있을 만큼 큰 낙차가 한동안 지속할 것이며 양수발전과 연계함으로써 조금 때에 감소하는 발전량까지 보완할 수 있을 것이다.

그뿐만 아니라 갯벌이 노출되는 시간이 약간 짧아지기는 하지만 종전과 같이 1일 2회의 조석간만이 어김없이 형성되므로 갯벌의 환경변화가 적고 간척지의 침수피해 같은 우려는 거의 없을 것이다.

저수지의 일부 갯벌을 노출시켜 간척지로 활용하고자할 때는 관리수위까지만 침수될 수 있도록 사리 때는 입수발전을 제한하고 조금 때도 추가입수시기를 조정하면 도 4와 같이 일정한 관리수위가 유지될 수 있을 것이다.

복류식 발전용수가 충분함에도 불구하고 입수나 배수중 한번은 발전을 거의 포기할 수밖에 없는 또 하나의 이유는 낙차가 낮을수록 에너지변환효율이 낮아지고 복류식으로 가동할 때 변환효율이 떨어지며 회전방향이 바뀌는 등 기능에 한계가 있는 동력변환장치를 적용하기 때문일 것이다.

시화지구 조력발전에 적용되는 동력변환장치는 통과공간을 좁혀 6m/sec 이상의 유속을 낼 수 있는 낙차가 형성되지 않으면 충분한 에너지를 얻을 수 없다. 그러나 최대 간만차가 7~9m 이상인 곳에서도 조금 시에는 2~3m 이하로 좁아지므로 조석간만으로 적어도 1m 이상의 낙차를 유지할 수 있는 시간이 극히 제한되어 낙차조절이 가능한 때만 발전하면 발전할 수 있는 시간은 하루 중 평균 10시간밖에 안 될 것이며, 조금 때는 더욱 짧아질 것이다. 특히 동력변환장치를 수평으로밖에 설치할 수 없다면 조류의 방향이 바뀔 때마다 180도 회전시키지 않으면 유속을 가속시키는 기능을 전혀 발휘하지 못하므로 복류식 발전용으로는 적합하지 않다.

입수할 때만 발전할 시화지구 조력발전소의 경우, 관리수위 유지를 위해서 발전량을 조절하여 외해가 썰물로 돌아서서 발전할 수 없는 낙차에 도달할 때까지 저수지 수위가 관리수위 이상으로 올라가지 않도록 입수량을 조절하여 발전시간을 연장하거나, 모든 발전기를 동시에 가동하다가 관리수위에 도달하면 발전을 일시에 중단 하는 방안 중 한 가지를 선택하고 썰물 때에 발전 없이 방류하게 되는데, 재사용이 가능한 발전용수를 버리는 이유는 상기와 같은 동력변환장치로는 복류식 발전이 어렵고 배수 발전할 수 있는 유효낙차를 유지할 수 있는 시간이 짧기 때문일 것이다.

0.5m 이하의 저 낙차에도 변환효율이 높은 물주머니 수차와 날개접이식 수차, 및 스프링날개 터빈은 통과수량과 회전속도가 정비례하므로 유효낙차가 상당히 좁혀지고 수직으로 설치되므로 변환효율과 회전방향의 변동이 전혀 없으며, 낙차에 따라 통과수량이나 통과공간이 조절되므로 별도의 가속장치가 필요하지 않다.

날개접이식 수차는 드럼에 경첩으로 부착된 8~12개의 날개가 입수구에서 물을 싣고 중력에 의해 배수구에 도달했을 때 롤러의 압력으로 연쇄적으로 접힘으로써 물을 배출시켜 입수구로 다시 돌아올 때까지는 접힌 상태가 유지되고, 물주머니(water pack)수차는 회전방향과 반대방향으로 약간 기울어지도록 드럼과 원형판에 부착한 8~12개의 날개 사이마다 물주머니를 부착하여 수압을 받으면 그 안에 있던 유체를 밀어내고 수축하면서 생긴 공간에 물을 채워 수압이 낮은 배수구로 회전하면 입수구에서 밀려온 유체에 의해 다시 팽창하면서 실려 온 물을 밀어내어 물을 유체로 치환하고 팽창된 상태로 입수구로 돌아오도록 한 것으로서, 수차 집이 날개가 물을 싣고 회전할 때는 에너지를 충분히 흡수할 때까지 물이 날개를 빠져나가지 못하도록 하고, 입수구로 돌아갈 때는 날개가 접힌 상태나 물주머니의 팽창상태를 유지하도록 입수구의 수압을 차단하며, 배수구의 물이 날개 사이에 남아 입수구로 되돌아가지 못하도록 함으로써 에너지 흡수율을 높이고 저항을 줄인 수직형 수차로, 수중에서도 위치에너지를 회전에너지로 변환할 수 있고 통과수량이 회전수에 정비례하 여 낙차를 스스로 조절할 수 있다. 특히 날개의 구조와 수차집, 유도판 등이 물을 한쪽 방향으로만 통과하도록 대칭 구조로 되어있기 때문에 조류의 방향이 바뀌더라도 회전 방향이 바뀌지 않고, 변환효율이 전혀 떨어지지 않는다.

스프링날개 터빈은 마지막 회전날개에 스프링으로 날개의 열림 폭을 제한하여 날개 밑에 음압이 생기도록 함으로써, 도 11처럼 중력을 받았을 때 스프링의 탄력강도로 열림 각도가 조절되어 좁아진 틈으로 빠져나가는 물의 유속을 가속시켜 에너지흡수율을 높인 것이다. 다만, 물을 반대방향으로 통과시키지 못하므로 복류식으로 발전하기 위해서는 반드시 상부수로와 하부수로 사이에 수직으로 설치하고, 수문을 작동하여 물의 흐름을 터빈으로 유도해야 한다.

수차를 설치한 단조식(單潮式) 조력발전소는 수차와 작업공간 사이에 보조수로를 설치하여 수차의 설치높이에 따라서 충분히 추가 입수할 수 있고 수차를 통해서도 입수되므로 보조수로의 수문개방시점에 따라서 만조수위까지 입수할 수 있으며, 보조수로가 수차의 상하에 이중(二重)으로 설치되면 입수속도가 촉진된다.

터빈을 설치한 단조식 조력발전소는 터빈이 상부수로와 하부수로 사이에 수직으로 설치되어 발전할 때는 각 수로에 설치된 4개의 수문이 수압으로 자동개폐되고, 닫힌 수문을 동력으로 열어 보조수로로도 겸용할 수 있다.

모든 발전소를 똑같은 높이로 건설하면 해저(海底)가 발전소보다 높은 지형은 토사가 밀려들어 수차의 기능이 마비될 수 있고, 최저수위로 내려갈수록 노출되는 면적이 넓어지는 저수지는 수위가 상승할수록 저수량이 기하급수적으로 증가하므로 입수량을 늘리지 않는 한 배수발전용수를 충분히 확보할 수 없다.

그러므로 전용수문을 건설하는 대신 발전소를 증설하되 수차의 높이를 지형에 따라서 다단계로 설치하고, 입수발전용수량만으로 저수지를 채우기에 부족한 물을 추가 입수할 수 있도록 발전소에 보조수문을 설치한다. 전용수문은 건설투자비에 비해 발전량 증가에 거의 도움이 안 되지만, 보조수문은 발전소 구조물의 일부분이므로 건설비용이 거의 추가되지 않을 뿐만 아니라 발전과 입수를 병행할 수 있고 발전량을 증가할 수 있도록 낙차를 조절할 수 있는 여유도 생긴다.

잉여전력이 생산될 때 잉여전기로 양수하는 대신 동력변환장치의 동력으로 직접 양수하여 발전소와 가까운 양수발전용 저수지에 저장했다가 필요할 때마다 발전함으로써 1회의 발전단계를 생략하여 양수발전효율을 2.5배 이상 향상시키고, 전력의 수요를 자체적으로 충족시킬 수 있으며, 양수발전용 저수지의 저수능력과 발전량에 따라서 조금으로 발전량이 감소하는 조력발전의 단점까지 개선할 수 있고, 입수발전과 배수발전을 시작할 때 유효낙차를 확보하기 위해서 조력발전을 잠시 중단하는 동안 양수발전으로 대체함으로써 낙차를 더욱 크게 벌릴 수 있다. 특히 수차동력으로 직접 양수하므로 수원지나 양수장이 생략되고 발전소 구조물을 수로로 활용할 수 있으므로 양수발전시스템 건설비용을 대폭 절감할 수 있다.

그러므로 저 낙차에서 변환효율이 높고 복류식으로 발전할 수 있는 동력변환장치를 적용하고, 전용수문(입수갑문) 대신 보조수로가 설치된 발전소를 증설하여 총발전량과 입수발전비율을 향상시키며, 배수발전량에 따라서 발전기의 가동률을 다단계로 조절함으로써 평균 발전량을 유지하고, 수차동력으로 직접 양수하여 발전함으로써 양수발전효율을 높이고 발전시스템을 운전프로그램으로 조절하여 발전효율을 극대화하고 조력발전의 단점을 개선하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 조력발전소 건설지역의 지형과 조력발전용 제1저수지의 수위별 저수용량에 따라 동력변환장치의 설치높이를 다단계로 건설하고, 전용수문을 대체할 수 있는 보조수로를 상기 동력변환장치의 상단 또는 하단에 추가하며, 상기 동력변환장치를 중심으로 칸막이와 상기 보조수로 등 발전소 구조물을 대칭으로 건설하고, 저 낙차에서 변환효율이 높은 날개접이식 수차, 물주머니 수차, 또는 스프링날개 터빈을 설치장소의 지형에 따라서 하나 또는 두 종류를 단조식 조력발전소에 설치한다.

수심이 깊은 단조식 조력발전소의 상부수로와 하부수로 사이에 상기 스프링날개 터빈을 수직으로 설치하고, 상기 상부수로와 하부수로에 각각 2개씩 4개의 수문을 설치하여 조류가 어느 방향으로 진행하든지 스프링날개 터빈을 통과하도록 상부수로의 수문은 수압으로 자동 개폐하고, 하부수로를 보조수로로 겸용할 수 있도록 외해 쪽 수문을 수직으로 이동하는 문설주에 경첩으로 부착하여 발전할 때는 유속과 수압으로 개폐하고, 추가입수할 때는 상기 문설주를 작업공간까지 들어올린다.

상기 물주머니 수차, 또는 날개접이식 수차 중 하나를 설치하여 복류식으로 발전하는 단조식 조력발전소의 수차 상단과 작업공간 사이, 또는 수차 상단과 하단에 보조수로를 설치하여 추가입수할 때마다 평면형 수문을 수직으로 개폐하거나 호형의 수문을 보조수로와 작업공간 사이에서 개폐한다.

잉여전력이 생산될 때, 수차동력으로 직접 양수할 수 있도록 동력접속장치와 양수 장치를 상기 동력변환장치 옆에 설치하고, 양수한 발전용수를 조력발전소 상단을 연결한 수로를 통하여 외해나 육지, 또는 상기 조력발전용 저수지 내에 축조한 제2저수지에 유입하며, 양수하는 동안에는 발전기 동력접속장치(66a)로 발전을 중단하고, 양수발전소를 상기 제1저수지와 제2저수지 사이에 건설하여 제1저수지로 양수발전함으로써 방류수를 상기 단조식 조력발전소의 배수발전용수로 재활용한다.

배수발전할 때 외해에 방류수와 썰물로 상당히 빠른 유속이 형성되므로 단조식 조력발전소로부터 20~30m 떨어진 외해에 프로펠러 조류발전기를 지그재그로 배치하여 배수발전 방류수와 썰물로 형성된 유속을 이용해 발전한다.

상기 단조식 조력발전소의 평균발전량 범위 또는 전력수요에 따라 수문을 개폐하여 배수발전 가동률을 조정하여 잉여전력의 생산을 억제하고, 일부 갯벌을 노출시켜 간척지로 사용할 수 있도록 상기 보조수로를 통한 추가 입수시기와 입수발전시의 입수량을 조절하여 관리수위를 유지하며, 제1저수지와 외해의 수위 반전으로 발전량이 감소할 때 양수발전으로 대체하여 발전량을 극대화할 수 있도록 낙차를 조절 하고, 잉여전력이 생산되거나 발전용수량이 남지 않도록 전력수요에 따라 단조식 조력발전소의 수차동력을 발전기 또는 양수기에 접속하며, 단조식 조력발전소와 양수발전소와 조류발전소에서 생산하는 전력을 총괄하여 전력수요 또는 평균발전량을 충족할 수 있도록 양수발전량을 조절하여 발전량을 극대화하고 외부 전원이나 석유를 이용하는 엔진발전 없이도 단조식 조력발전의 단점을 개선할 수 있도록 운전방법을 포함하는 저장매체를 개발한다.

방조제를 통과하는 밀물과 썰물을 모두 발전용수로 활용하고 방류수까지 발전에 활용하며, 양수발전과 연계하여 낙차를 조절함으로써 발전량을 극대화하고, 전력의 수요를 충족시키며, 잉여전력의 생산을 억제하고, 조력발전의 단점을 거의 완벽하게 개선할 수 있다.

갯벌을 노출하여 간척지로 활용하거나 종전과 같은 조석간만을 유지하여 환경변화를 억제할 수 있으므로 신 재생에너지의 효율적인 이용률 증대와 함께 자연환경을 거의 훼손하지 않는 친환경적 조력발전시스템이라는데 의의가 크다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 방조제 주변의 해저지형과 제1저수지(113)의 저수능력에 따라 동력변환장치의 높이를 다단계로 설치한 예의 종단면도로서, 수위별 저수량에 따라 수몰되는 순서대로 가동하도록 함으로써 밀물이 시작될 때부터 만조수위에 도달할 때까지 입수 발전량과 낙차를 조절할 수 있다.

도 6은 연동식으로 건설한 조력발전소에 물주머니수차(1)나 날개접이식 수차(5)를 동력변환장치로 채택하여 복류식으로 발전하는 단조식 조력발전소(110) 평면도로서, 상기 수차(1 or 5) 또는 스프링날개 터빈(2)을 중심으로 수차 집(24) 등 부속 구조물들을 완전 대칭으로 건설한다.

도 7은 수심이 얕은 지형에 건설되는 발전소의 수차(1 or 5) 상단과 작업공간(85) 사이에 보조수로(40)를 설치한 단면도로서 수차를 설치하거나 인양하지 않고 수리할 때는 통과수로의 물을 양수해야 하므로 양쪽 수문을 모두 닫아야 한다. 도 8은 좀 더 깊은 곳에 건설되는 발전소에 보조수로(40)를 수차(1) 상하에 이중으로 배치한 횡단면도로서 추가입수할 때는 호형의 수문을 작업공간으로 올려 개방하고 수리할 때는 수로를 모두 닫아야 하므로 한쪽에 3개의 수문을 동시에 작동해야하는 문제가 생길 수 있다.

스프링날개 터빈(2)을 복류식으로 가동할 수 있도록 상부수로(83)와 하부수로(84) 사이에 수직으로 설치하는데 발전만 할 때는 도 9와 같이 상부수로(83)와 하부수로(84)의 수문(35)을 수압에 의해 한쪽 수문이 닫힐 때 상대 수문은 완전히 열리도록 로프(82)로 연결하고, 때때로 추가입수하기 위해서는 도 10과 같이 하부수로(84)의 외해 쪽 수문(35)을 상하로 움직이는 문설주(35a) 상단에 경첩으로 결속하여 정상적으로 발전할 때는 하부수로(84)에서 수문을 수압으로 개폐하고, 추가입수할 때는 문설주를 부착된 수문과 함께 작업공간(85)까지 들어올려 하부수로(84)를 보조수로로 활용한다. 추가입수하는 동안에도 터빈이 회전할 수 있도록 상부수 로(83)의 수문(35)을 자동으로 개폐하고, 하부수로(25)로 추가입수하면, 유속이 빠르고 통과수량이 많을수록 음압이 높아지는 벤투리(venturi) 효과로 추가입수로 감소하는 발전량을 만회할 수 있고, 하부수로(84)보다 빠른 유속으로 상기 스프링날개 터빈(2)을 통과한 물이 하부수로(84)를 수평으로 통과하는 물과 합류한다.

지름이 같을 때 수차(1 or 5)보다 터빈(2)이 통과수량이 많으므로 발전용수량이 풍부할 때는 수심에 따라 터빈(2)을 적용함으로써 발전소 규모를 축소할 수 있고, 발전효율을 높여야 할 때는 효율이 높은 수차(1 or 5)를 적용한다. 수차(1 or 5)는 입수구(23)와 배수구(25)가 완전히 수몰되지 않더라도 낙차가 있으면 회전할 수 있으므로 얕은 곳에 설치할 수 있지만, 스프링날개 터빈(2)은 물의 중력이 스프링날개(90)의 탄력강도보다 커야 회전할 수 있으므로 상부수로(83)와 하부수로(84)의 높이와 공간이 충분히 확보되어야 한다.

도 7 및 도 9와 같이 동력변환장치가 수직으로 설치되고 특히 수차 집(24)은 발전소의 교각을 겸한 구조물이 되며 터빈(2)은 터빈집과 일체형이므로, 인양구(86)와 작업공간(85)을 통해서 수직으로 설치하고 인양하며, 메인샤프트(32)를 연장하여 발전기(27)를 수면에 노출시킬 수 있다.

입수발전할 때는 발전량보다는 입수량 위주로 운전한다. 만조가 가까울수록 외해(22)와 저수지(113) 사이의 낙차가 크게 벌어지지 않도록 수위가 상승할수록 입수발전량을 증가시키고 특히 만조 때는 배수발전용수의 확보를 위해서 추가입수를 해야 하지만, 입수 초기에는 낙차가 커질 때까지 1시간 동안 발전을 중단하더라도 저수량이 적고 낙차가 1.3m 이상 크게 벌어져서 통과수량이 증가하므로 수위가 빨 리 회복한다.

저수지(113)가 발전소(110)와 방조제로 수로(水路)가 좁혀져 있어 추가 입수량을 늘리더라도 외해(22)의 만조 수위까지 100% 채우기는 거의 불가능하고, 하루 두 번의 만조 중에서도 최고수위와 최저수위 차가 도 1과 같이 상당히 큰 격차가 있으므로 도 3과 같이 만조시간에 따라 보조수로(40)의 수문(35) 개방시점을 만조 때마다 조정한다.

상기 제1저수지(113)가 만수위(滿水位)에 도달하는 시점이 외해(22)가 썰물로 바뀐 후가 될 것이며 추가입수시기가 늦거나 추가 입수되지 않으면 양쪽 수위가 같아질 때까지 입수발전이 계속될 것이다.

배수발전하는 동안 모든 수차가 동시에 가동되면, 방류량이 많아 잉여전력이 생산되고 제1저수지(113) 수위가 빨리 낮아져서 저수량이 급격히 감소하는 수위부터는 발전량도 전력수요 이하로 급격히 감소하지만, 평균 발전량 또는 전력수요에 기준을 맞춰 발전기(27) 가동 수를 조절하면, 외해(22)의 수위가 낮아질수록 낙차가 더 크게 벌어져 발전기(27) 가동 수를 추가로 제한할 수 있을 정도로 발전량이 증가하여 최저수위에 도달할 때까지 전력수요를 충족할 수 있고 남은 발전용수를 이용해 양수발전용수로 저장할 수 있다.

평균 발전량은 조류발전량까지 포함하여 사리와 조금 사이의 평균 발전량을 기준으로 설정하여 배수발전용수가 남을 때는 양수동력으로 이용하고 발전량이 부족할 때는 양수발전으로 충당할 수 있도록 운전시스템을 프로그램화한다.

밀물과 썰물의 교차로 인한 발전중단, 특히 발전용수가 일찍 고갈되어 발전이 중단 되지 않도록 배수발전 초기부터 평균발전량 범위 내에서 가동률을 조정하고, 입수발전 초기에 유효낙차와 평균 발전량을 확보할 수 있도록 잠시 발전을 중단하는 1시간 동안 낙차가 1.3m 이상 커지므로 발전을 계속할 때보다 같은 통과수량으로 2~3배 이상의 전기를 더 생산할 수 있다.

갯벌의 일부를 간척지로 이용하고자할 때는 관리수위를 정하여, 도 4의 그래프와 같이 만조수위가 높을 때는 입수발전을 제한하여 저수지(113) 수위가 관리수위보다 높아지지 않도록 하고, 저수지 만수위가 입수발전만으로는 관리수위까지 채울 수 없을 때는 추가입수시기를 조절함으로써 갯벌을 노출할 수 있다. 갯벌이 노출되는 만큼 발전량이 감소하지만 조금과 사리 사이의 발전량 격차를 좁힐 수 있고, 간척지를 매립할 토사를 수몰지역에서 준설함으로써 저수량이 증가한다.

잉여전력이 생산될 때는 수차(1) 또는 터빈(2) 동력으로 직접 양수하여 위치에너지로 저장했다가 전력 수요에 맞춰 양수발전하고 특히 낙차가 적은 입수발전 초기와 배수발전 초기에 양수발전으로 대체함으로써 낙차가 빨리 유효낙차 이상으로 회복하여 양수발전효율과 에너지 이용효율을 크게 향상시킬 수 있다.

도 12와 같이 수차(1) 옆에 양수기(103)를 설치하여 양수할 수 있는 회전속도 또는 발전량에 도달했을 때 수차동력을 발전기(27)로부터 양수기(103)로 전환 접속(66)시켜 발전소 작업공간(85) 위에 설치된 수로(101)를 통하여 발전소(110)와 가까운 곳에 건설된 제2저수지로 양수하여 수문(35)만 열면 언제든지 발전할 수 있다.

배수 발전할 때 발전소 앞에 방류수가 3m/sec 이상의 유속이 형성되고 썰물과 맞물려 유속이 더욱 빨라지므로 20~30m 떨어진 지점부터 수중조류발전기를 지그재그로 설치하여 전기를 추가로 생산할 수 있다. 상기 수중조류발전기에 방향키를 부착하여 360도 회전할 수 있도록 하면 입수 시에도 유속은 느리지만 발전이 가능하다.

중앙 제어실에서는 평균발전량 범위 또는 전력수요에 따라 수문(35)을 개폐하여 배수발전 가동률을 조정하고, 일부 갯벌을 간척지로 활용하고자 할 때는 관리수위를 유지할 수 있도록 보조수로(40)를 통한 추가 입수시기와 입수발전 시의 입수량을 조절하며, 제1저수지와 외해와의 수위 반전으로 발전량이 감소하기 시작할 때부터 유효낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 대체하여 발전량을 극대화하고, 잉여전력이 생산되거나 발전용수량이 남지 않도록 전력수요에 따라 수차동력을 발전기(27) 또는 양수기(103)에 접속하며, 조력발전소에서 생산하는 전력을 총괄하여 전력수요 또는 평균발전량을 충족할 수 있도록 양수발전량을 조절하는 프로그램 등으로 운전하여 발전량을 극대화하고 외부 전원의 도움 없이도 단조식 조력발전의 단점을 완벽하게 해결한다.

사리와 조금 주기로 인한 발전량의 기복까지 완전히 해결하려면 제2저수지의 용적률이 충분하고 대부분의 수차발전기에 양수장치를 설치하여 잉여전력이 5~10% 이상 생산되지 않도록 발전량을 조절한다.

본 단조식 조력발전시스템은 저수지의 조석간만(潮汐干滿)이 외해와 거의 일치하도록 함으로써 친환경적으로 발전하여 신 재생에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록 고안했다.

제1도는 안흥만의 조금과 사리 사이의 조석간만 수위의 변화도

제2도는 다량의 저수량을 소량씩 발전할 때 저수지 수위의 변화와 낙차의 변동폭

제3도는 발전량 극대화를 위한 추가입수시기를 조절할 때의 수위 변화

제4도는 갯벌을 일부 노출시켜 간척지로 사용할 때의 입수시기와 관리수위 조절

제5도는 저수지의 지형에 따라 수차의 높이를 다단계로 배치하는 발전소 단면도

제6도는 물주머니 수차와 날개접이식 수차를 설치한 단조식 조력발전소 평면도.

제7도는 수차 상단에 보조수로를 설치한 단조식 조력발전소 단면도

제8도는 보조수로를 수차 상단과 하단에 설치한 단조식 조력발전소 단면도

제9도는 수문을 자동으로 개폐하는 터빈형 단조식 조력발전소 단면도

제10도는 문설주를 이용해 하부수로를 보조수로로 이용하는 조력발전소 단면도

제11도는 터빈의 중력에 따른 스프링날개의 열림 각도 조정상태 모식도

제12도는 양수겸용 단조식 조력발전소 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1; 물주머니 수차 2; 스프링날개 터빈 5; 날개접이식 수차

16; 중력 18; 열림각도 22; 외해

23; 입수구 24; 수차집(casing) 25; 배수구

26; 수차(터빈) 날개 26a; 접이식 날개 27; 발전기

32; 회전축 35; 수문 35a; 문설주

35b; 수문 궤도 40; 보조수로 42; 날개축

43; 원형보정바 44; 롤러 48; 부력괴

49; 통기관 66; 양수기 동력 접속장치 66a; 발전기 동력 접속장치

82; 로프, 와이어 83; 상부수로 84; 하부수로

85; 작업공간 86; 인양구 90; 스프링날개

98; 교각 101; 수로 103; 양수기

106; 호이스트 110; 복류식 발전소 111; 경첩

113; 제1저수지 113a; 제2저수지 114; 방조제

115; 갑문 116; 물이 흐르는 방향 118; 문설주

119; 수중조류발전기

Claims (7)

1. 조력발전소 건설지역의 지형과 제1저수지(조력발전용)의 수위별 저수용량에 따라 동력변환장치의 설치높이를 다단계로 건설하는 조력발전소와,

   상기 동력변환장치의 상단이나 하단, 또는 상단과 하단에 전용수문을 대체하는 보조수로(40)와,

   상기 동력변환장치를 중심으로 대칭인 조력발전소구조물(21)과,

   상기 동력변환장치가 저 낙차에서 변환효율이 높은 날개접이식 수차(5), 물주머니 수차(1), 또는 스프링날개 터빈(2) 중 하나를 포함하는 단조식 조력발전소.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 발전소구조물의 작업공간(85)과 보조수로(40) 및 통과수로 사이에 인양구(86)와 비상출입구를 설치하고 수로마다 양쪽에 수문을 설치하여 상기 동력변환장치를 인양하지 않고도 보수할 수 있도록 하고, 다단계 발전을 위해 상기 수문을 이용하는 것을 특징으로 하는 단조식 조력발전소.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 물주머니 수차, 또는 날개접이식 수차 중 하나와 수차 집을 설치하는 상기 조 력발전소의 상기 수차와 상기 작업공간(85) 사이, 또는 상기 수차 상단과 하단에 보조수로(40)를 설치하여 추가입수할 때마다 상기 평면형 수문(35)을 개폐하거나 호형의 수문(35)을 보조수로(40)와 작업공간(85) 사이에서 개폐하는 것을 특징으로 하는 단조식 조력발전소.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 단조식 조력발전소의 상부수로(83)와 하부수로(84) 사이에 상기 스프링날개 터빈(2)을 수직으로 설치하고, 상기 상부수로와 하부수로에 각각 2개씩 4개의 수문을 설치하여 상기 상부수로(83)의 수문(35)을 수압에 의해 상기 두 수문을 연결한 로프(82)로 자동 개폐하며,

   상기 하부수로의 외해 쪽 수문을 문설주(118)에 경첩으로 부착하여 발전할 때는 수압으로 개폐하고, 추가입수할 때는 상기 문설주(118)를 작업공간(85)까지 올려 보조수로(40)로 활용하는 것을 특징으로 하는 단조식 조력발전소.(도 10)
5. 양수기(103)를 수직형 동력변환장치 옆에 배치하여 동력접속장치(66)로 접속하여 양수하고, 상기 단조식 발전소 상단을 연결한 수로(101)를 통하여 제2저수지에 유입하며, 양수하는 동안에는 발전기 동력접속장치(66a)로 발전을 중단하고,

   상기 제1저수지와 상기 저수지 사이에 양수발전소를 건설하여 상기 제1저수지로 양 수발전함으로써 배수발전용수로 재활용하며,

   상기 제2저수지와 외해 사이에 전용 입수수문을 설치하는 것을 특징으로 하는 단조식 조력발전소.
6. 상기 단조식 조력발전소로부터 20~30m 떨어진 외해에서 배수발전 방류수와 썰물로 발전하는 프로펠러형 수중 조류발전장치를 특징으로 하는 단조식 조력발전소.
7. 상기 단조식 조력발전소의 평균발전량 범위 또는 전력수요에 따라 배수발전 가동률을 조정하고, 제1저수지의 일부 갯벌을 노출할 수 있도록 상기 보조수로를 통한 추가 입수시기 조절과 입수발전시의 입수량 조절로 관리수위를 유지하며, 전력수요를 양수발전으로 대체하여 상기 조력발전소의 발전량을 극대화할 수 있도록 낙차를 넓히고, 평균 발전량 또는 전력수요에 따라 상기 단조식 조력발전소의 수차동력을 발전기 또는 양수기에 접속하며, 상기 단조식 조력발전소와 상기 양수발전소와 상기 조류발전소에서 생산하는 전력을 총괄하여 전력수요 또는 평균발전량을 충족할 수 있도록 양수발전량을 조절하여 총발전량을 극대화하고 조력발전의 단점을 개선하는 것을 특징으로 하는 단조식 조력발전 운전프로그램을 포함하는 저장매체.

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