KR20110042324A - 격자를 가지는 수력발전 플랜트 및 이를 이용한 운전방법 - Google Patents

격자를 가지는 수력발전 플랜트 및 이를 이용한 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 수력발전 플랜트에 관한 것으로, 수류(W)에 침잠된 워터 터빈(1), 상기 워터 터빈(1)에 근접한 위치에 배치되는 격자(6)를 포함한다. 본 발명에 의한 격자(6)의 배치에 따라, 상기 워터 터빈(1)과 격자 사이의 수류의 속도를 균일하지 않도록 할 수 있다. 또한, 본 발명은 수력발전 플랜트를 통해 생산된 전력을 전력 네트워크로 공급하는 구성과 함께, 수력발전 플랜트의 운영방법에 대해 제시할 수 있다.

Description

격자를 가지는 수력발전 플랜트 및 이를 이용한 운전방법{A HYDROPOWER PLANT PROVIDED WITH A GRATING AND A METHOD FOR OPERATING A SUCH}
본 발명은 적어도 하나의 워터 터빈이 수류 상에 침잠(沈潛)되고, 상기 워터 터빈 부근에 격자가 배치되어 있는 수력발전 플랜트에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 수력발전 및 워터 터빈을 수로를 통해 흐르는 수류에 접촉시키고, 워터 터빈 부근에 격자를 배치하여 구성된 수력발전 플랜트 운전방법에 관한 것이다.
수력발전 플랜트는 일반적으로 격자(格子, grating)를 상류 측에 설치하여, 동물의 사체, 식물, 쓰레기 등과 같은 물체들이 워터 터빈에 접근하지 못하도록 구성할 필요가 있으며, 이러한 격자를 통해 워터 터빈의 손상을 방지할 수 있다.
워터 터빈을 흐르는 물에서 운전하여 전력을 생산하기 위해서는, 많은 요소들을 필요로 한다. 이들 요소들 중 중요한 요소는 상기 워터 터빈이 접촉하는 질량유량으로, 예컨대, 상기 수류(水流, water flow)의 질량 및 속도의 총합을 들 수 있다. 또한, 상기 수류를 마주하는 워터 터빈은 마주하는 상기 수류의 위치에 따라 일정하지 않게 영향을 받을 수 있다. 즉, 워터 터빈의 일부 부분은 전력생산이 높게 형성되고, 또 다른 부분은 전력생산이 낮게 형성될 수 있으며, 일부 부분에서는 전력생산이 마이너스가 될 수도 있다. 이와 같은 일정하기 않은 전력생산 기여도는 현재 사용되는 워터 터빈의 대부분에 해당되지만, 수류에 대하여 수직인 샤프트를 가지는 워터 터빈에 특히 주요하게 나타난다. 이와 같이 수류에 대하여 수직인 샤프트를 가지는 워터 터빈의 경우에는, 수류가 워터 터빈의 반경방향을 통과하기 때문에, 워터 터빈의 절반은 물의 흐름방향과 동일한 방향으로 회전하지만, 나머지 절반은 물의 흐름에 반대 방향으로 회전한다.
대부분의 수력발전 플랜트들은 물이 실질적으로 수직 낙하하는 것으로부터 얻어진 매우 빠른 유속을 가지는 환경에서 운용된다. 이때, 상기 수류에서의 에너지 밀도는 높고, 수류는 워터 터빈에 최적화된 방향으로 조정된다. 따라서 상기 워터 터빈에 대하여, 위치에너지를 이용하여, 빠른 유속에 의한 운동에너지로부터 전환되는 것보다 더 많은 전력 생산이 가능하다.
하지만, 매우 방대하지만, 아직까지 많이 이용되고 있지 않은 에너지원인 천천히 흐르는 물, 예컨대, 잔잔한 강물, 조류, 조석간만의 차에 의한 물의 흐름 등을 이용한 수력발전에도 주목할 필요가 있다. 일반적으로 수력발전에서 사용되는 유속이 매우 빠른 것에 비교하면, 천천히 흐르는 물의 유속은 상대적으로 매우 낮은 유속을 가진다. 그러나 수류의 총질량과 속도의 자승 곱으로 나타낸 수류의 운동에너지(
Figure pct00001
)를 고려한다면, 낮은 유속을 이용한 수력발전에서의 질량 요소는 일반적인 수력발전에 사용되는 물의 질량에 비해 상당히 주요한 요소로 볼 수 있으나, 수류의 속도가 아무리 작더라도, 속도 성분은 상기 수류의 운동에너지에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 불균일한 전력생산 분배를 제어하기 위한 수류의 속도제어는 이와 같은 천천히 흐르는 물에 사용되는 방식의 수력발전 플랜트에서 상당히 중요한 관심을 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은, 수류를 흐름 방향을 가이드 할 수 있도록 배치되는 격자를 구비하여, 격자와 워터 터빈 사이의 속도를 불균일하게 가이드 하는 수력발전 플랜트를 제공하는데 있다.
본 발명은 워터 터빈의 샤프트가, 수류 방향에 대하여 수직이며, 수류의 속도가 상대적은 느린 곳에 적용되는 수력발전 플랜트에 적용되는 것이다.
물론, 상기 워터 터빈의 상류 측에 설치되는 어떤 격자도 이론적으로는 수류의 속도 성분에 대하여 일정한 효과를 부가할 수 있다. 격자를 구성하는 바들은 주된 수류방향의 속도에 대하여, 국소적으로 난류(turbulence)를 형성할 수 있다. 미시적(micro level)으로, 미세한 요동(fluctuation)이 수류 선단의 속도 성분에 발생될 수 있다. 그러나 본 발명에 있어서는, 수류의 불균일한 속도는, 거시적(macro level) 관점에서 정의된다.
균일한 속도 성분으로부터 이탈되는 것은, 유로의 형상 또는 바닥면으로부터의 거리 등과 같은 외부 환경에 기인될 수 있다. 이러한 외부 환경에 기인한 이탈은 본 발명에서 언급하는 불균일한 속도로 표현될 수 없다.
격자의 배치를 통해, 수류를 가이드하고, 이러한 방법으로 전력을 생산하는 워터 터빈의 일정 부분에 더 높은 속도로 물을 가이드하고, 수류의 흐름에 따라 전력생산을 저해하는 워터 터빈의 다른 부분에는 상대적으로 낮은 속도로 물을 가이드 하는 것이 가능하다. 이러한 구성을 통해, 워터 터빈의 총 생산전력을 증가할 수 있으며, 이를 통해 수력발전 플랜트의 전반적인 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 수류 가이드를 위한 기능을 위해서는, 상기 워터 터빈을 향해 수류를 가이드하기 위한 구성요소를 필요로 한다. 이와 같은 구성요소의 추가를 통해 플랜트의 총 투자금액은 증가할 수 있으나, 이러한 격자를 구성하는 것을 통해, 기존의 구성에 비해 보다 나은 효과를 획득할 수 있기 때문에, 격자 구성에 추가되는 비용은 무시해도 좋은 수준이다. 한편, 격자는 2개의 서로 다른 기능을 제공하는데, 이로 인해, 본 발명에 의한 수력발전 플랜트는 비용절감을 달성할 수 있다.
본 발명에 의한 수력발전 플랜트의 바람직한 실시예는 워터 터빈이 수류의 방향에 대하여 수직인 경우로 설명되어, 워터 터빈의 제 1 반부를 회전시키는 수류와, 워터 터빈의 제 2 반부를 회전시키는 수류가 정의된다.
이러한 형식의 워터 터빈은 전력생산에 감소를 야기하는 부분을 가지므로, 수류의 속도 분배는 수류방향에 대해 수직한 회전축을 가지는 수력발전 플랜트에 특히 중요한 요소로 볼 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자는 수류의 제 1 반부의 평균속도를 제 2 반부의 평균속도에 비해 높게 형성할 수 있도록 구성된다. 따라서 수류에 의해 전력을 생산하는 워터 터빈 측면에는 상대적으로 높은 속도의 물이 공급되어, 전력 생산을 증가시킬 수 있고, 반대로, 전력생산을 저해하는 부분에는 상대적으로 낮은 속도의 물이 공급되어, 전력생산 저하를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 격자는 수류의 속도 성분을 워터 터빈의 제 1 반부의 접선 부분에서 최대가 되도록 하고, 상기 워터 터빈의 제 2 반부의 접선부분에서 최소가 되도록 구성할 수 있다. 이에 따라, 상기 워터 터빈의 제 1 반부의 접선방향(전력생산의 대부분이 이루어지는 부분)에서 속도가 최대가 되고, 제 2 반부의 접선방향(전력생산 저하가 이루어지는 부분)에서는 속도가 최소가 되어, 수력발전 플랜트의 억제효과(breaking effect)를 최소화할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자는 각각이 일정 간격 이격되며, 길이방향 연장선에 대한 단면이 수류가 상기 바에 도달하는 노즈 포인트와 상기 수류가 상기 바로부터 이탈하는 테일 포인트 사이의 거리로 정의되는 길이와, 상기 길이에 수직한 폭과, 상기 길이 방향으로 정의되는 가이드 방향을 가지는 복수개의 바들을 포함하는 것이 좋으며, 상기 격자는 상기 길이, 폭, 가이드 방향 중 적어도 하나 이상의 변수(parameter)가 변경되고, 상기 단면의 면적 및/또는 상기 단면의 모양(the profile)이 상기한 길이, 폭, 가이드 방향 중 적어도 하나의 변수가 하나의 바로부터 다른 바들로 변하거나, 하나의 바의 연장선을 따라 변하는 것이 좋다.
상기한 바와 같이 복수개의 바들로 구성된 격자는 이물질(objects)에 대하여, 상기 워터 터빈을 보호하는 것에 있어 보다 유리한 기능을 제공함은 물론, 본 과제와 같이 1개의 차원(1-Dimension)에 대한 가이드 필요성이 있을 경우에 상기 수류의 흐름을 가이드 할 수 있다.
상기한 가이드를 통해 다양한 측정값을 가지는 상기 격자의 설계치를 획득할 수 있다. 다양한 케이스에서 가이드 효과는 상기한 변수들 중 단 하나만을 변경하는 것으로도 얻을 수 있으며, 하나 이상의 변수들을 변경하는 것으로도 얻을 수 있다. 상기한 변수들을 변경할 경우, 워터 터빈의 크기, 일반적인 수류의 속도, 플랜트의 위치 및 비용을 종합적으로 고려한 제반 환경들이 고려되어야 한다. 바람직하게는, 서로 다른 바들에 대해 가이드 방향을 서로 다르게 구비하도록 변경하는 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 격자는 복수 개의 바들을 구비하고, 이들 각각의 바들은 일정 간격(gap)으로 이격되게 배치된다. 상기 각각의 간격들은 갭 폭(gap width)을 형성하는데, 상기 갭 폭은, 일정 간격에서 다른 간격으로 적어도 약간의 간격(some gaps)을 가지도록 변하거나, 및/또는 일정 간격(gap)의 연장선을 따라 변하는 것이 좋다.
상기 간격을 상기한 방법들을 이용하여 선택적으로 변경하는 것에 의하여, 상기 수류를 요구되는 속도 성분으로 효과적으로 가이드 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 격자는 복수개의 바들(bars)을 구비하며, 적어도 일부 바들은 다른 바들과 서로 다른 거리를 가지는 것이 좋다. 즉, 중앙에 배치된 바는 상기 워터 터빈의 샤프트를 관통하는, 상기 수류의 방향에 대하여 수직인 평면에 대하여 폭 방향으로 배치된 바들에 비해, 더 긴 거리를 가지는 것이 좋다. 이에 따라, 상기 격자는 상기 워터 터빈 축을 기준으로 일반적으로 오목한(concave) 형태로 형성될 수 있다. 상기 격자의 보호효과는 상기 워터 터빈을 감싸도록 배치될 경우 향상될 수 있다. 서로 다른 바들 간의 거리를 다르게 하면, 상기 수류의 속도 성분에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 다르면, 상기 바들의 길이방향 연장선은 실질적으로 상기 워터 터빈의 샤프트 방향과 평행하게 마련될 수 있다.
이와 같은 상기 바들의 방향에 따르면, 상기 격자는 전력생산에 최적화된 불균일한 속도 성분을 형성하기에 적절한 형태로 상기 수류를 가이드할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 격자는 제 1 세트의 바들과 제 2 세트의 바들을 포함하여, 이들 제 1 및 제 2 바들이 상호 교차하도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 격자는 이차원(2-Dimension)에 대한 불균일한 속도 분배를 형성하기에 적합하다. 이러한 격자는 상기 격자를 통과할 수 있는 가늘고 긴 물체들로부터 상기 워터 터빈을 보다 효과적으로 보호할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 격자는 가이드 구성에 따라 조절 가능하다.
즉, 이와 같은 실시예는 보다 복잡하게 구성되는 것으로, 이는 일반적인 구성에 비해 비용적으로 부담이 될 수는 있으나, 상기 워터 터빈의 효율을 향상시키는 것으로 그 비용 증가를 상쇄할 수 있다. 이와 같은 실시예는 워터 터빈이 설치되는 위치에 따른 일반적인 수류의 속도 변화 등과 같은 외부 환경요소에 따라 변경될 수 있다.
본 발명에 의한 워터 터빈의 샤프트는 수직으로 배치된다.
이와 같은 구성은 튼튼한 수력발전 설비(robust plant)를 제공함은 물론, 상기 워터 터빈이 손쉽게 설치될 수 있도록 한다. 이와 같은 워터 터빈 샤프트의 수직 배치는 상기 격자에 의해 간단한 방법으로 요구되어 지는 수류의 속도 성분을 가이드 하는 방식에 적합하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 다르면, 상기 샤프트는 수로(水路, watercourse)의 베드(bed)에 마련된 기초(foundation)에 지지되는 것이 좋으며, 상기 격자는 상기 샤프트와 동일한 기초에 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 워터 터빈은 상기 베드의 바닥면에 단단하고 간단하게 설치되어 고정될 수 있다. 또한, 동일한 기초로 상기 격자를 설치하여, 상기 워터 터빈과 격자를 강건하게 설치하는 것이 가능하다.
상기 워터 터빈은 0.5 내지 50rpm의 범위 내의 속도로 회전하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 속도 분배는 상대적으로 천천히 회전하는 워터 터빈에 있어 매우 중요하며, 본 발명은 특히 천천히 회전하는 워터 터빈들에 있어 효과적이다. 본 발명의 최적 실시예로서, 상기 회전수는 대략 2 내지 20rpm으로 마련되는 것이 좋다.
본 발명의 다른 실시예로서, 상기 플랜트는 복수개의 워터 터빈들을 가지며, 각각의 워터 터빈은 개별적으로 격자를 구비할 수 있다. 이 경우, 속도 분배는 각각의 워터 터빈들에게 최적화되고, 이러한 최적화의 효과로 인해, 수력발전 플랜트는 전체적으로 최적화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 플랜트는 복수개의 워터 터빈들을 가지되, 이들 워터 터빈들은 하나의 격자를 공유할 수도 있다. 이는 수력발전 플랜트를 단순화하고, 격자의 설치비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 수력발전 플랜트는 이하에 청구항 제 1 항 및 이를 인용하는 종속항들에 상세하게 기재될 수 있다.
본 발명의 목적에 대한 세 번째 측면은 상기 격자를 이용하여 상기 격자와 워터 터빈 사이의 수류의 속도를 불균일하게 할 수 있도록 수력발전 플랜트를 운영방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명에 의한 수력발전 플랜트 운영방법은, 본 발명에 따른 수력발전 플랜트 및 본 발명의 최적 실시예에 적용될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 격자의 형상을 최적화하여, 격자를 통과하여 워터 터빈을 향해 진행하는 수류속도를 불균일(non-uniform)하게 분배하여, 전력이 발생되는 제 1 반부의 수류속도가 전력생산을 저해하는 제 2 반부의 수류속도보다 빠르게 형성되도록 가이드 할 수 있어, 수력발전 플랜트의 전력생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수력발전 플랜트의 일 실시예를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 측면도,
도 3은 도 1의 요부를 도시한 도면,
도 4 내지 조 7은 도 3에 도시된 요부의 다른 실시예들을 도시한 도면,
도 8은 수력발전 플랜트의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 9는 도 8의 측면도,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 의한 수력발전 플랜트의 또 다른 실시예를 도시한 도면,
도 13은 또 다른 실시예에 따른 격자를 구성하는 바의 측면도,
도 14 및 도 15는 다른 실시예에 따른 격자를 구성하는 바를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 의한 수력발전 플랜트의 구성을 도면과 함께 설명한다.
도 1은 수력발전 플랜트의 개략적인 도면이다.
도시된 바와 같이, 플랜트는 하나의 워터 터빈(1)을 포함하며, 필요에 따라 복수 개의 워터 터빈이 마련되는 것도 가능하다.
상기 워터 터빈(1)은 수류(水流, water flow, 화살표 W) 상에 배치된다. 상기 워터 터빈(1)은 축을 가지며, 이 축은 상기 수류(W)에 대하여 수직이 되도록 배치된다. 상기 워터 터빈(1)은 3개의 베인(vane, 2)을 구비하며, 상기 베인(2)들은 상기 워터 터빈의 샤프트에 평행한 방향으로 연장 형성된다. 상기 베인(2)들은 상기 워터 터빈(1)의 샤프트(4)에 암(3)으로 연결된다. 상기 샤프트(4)의 바닥면은 제너레이터(5)와 연결된다. 상기 워터 터빈(1)의 상류 측에는 격자(6)가 배치되며, 상기 격자는 수직한 바(8)들로 구성되어, 상기 수류에 의해 흘러내려온 이물질들이 상기 워터 터빈(1)에 유입되는 것을 방지한다. 한편, 도시된 화살표 방향과 같이, 상기 워터 터빈(1)은 상기 베인(2)의 연속적인 형상에 따라 반시계 방향으로 회전한다.
격자(6)는 상기 수류를 유도하여, 상기 워터 터빈(1)에 토크를 형성할 수 있는 절반의 위치를 향하도록 형성된다(도면의 좌측 참조). 이와 같은 결과에 따라, 보다 높은 수류 속도(V1)는 상기한 토크를 형성하는 워터 터빈(1)의 절반 위치에서 발생하고, 이보다 낮은 수류 속도(V2)는 그 반대편의 워터 터빈(1)의 위치에서 발생된다(도면의 우측 참조). 이하에서는, 이들 측면들은 각각 공급단(feeding side) 및 소비단(consuming side)으로 지칭한다.
블레이드에 형성된 토크는 속도 증가에 대응하여 증가한다. 균일한 속도로 일반적인 플랜트에 발생하는 속도 V0보다 높은 V1의 수류 속도가 상기 공급단에 걸리기 때문에 상기 토크는 점차 증가한다. 이에 대응하여, 소비단에 부가되는 억제 토크(breaking torque)는 균일한 속도로 일반적인 플랜트에 발생하는 속도 V0보다 낮은 V2의 수류 속도가 상기 소비단에 걸리기 때문에, 상기 토크는 점차 감소한다. 이와 같은 두 가지 효과로 인해, 워터 터빈에 의해 발생되는 전력을 보다 향상시키는 것이 가능하다.
도 2는 도 1에 도시된 플랜트를 도시한 도면으로, 상기 워터 터빈(1)의 마운팅 상태를 수직한 방향에서 바라본 측면도이다. 상기 워터 터빈(1)은 수류를 형성하는 수로(watercourse)에 마련된 베드의 기초(7)에 지지된다. 또한, 상기 격자(6) 또한 동일한 기초(7)에 장착된다.
상기 워터 터빈(1)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 주로 10rpm 가량의 속도로 천천히 회전한다. 이는, 강이나 바다의 조류에 따라 회전하기 적합한 속도이다. 워터 터빈의 치수는 매우 크게 형성되며, 10m 가량의 지름을 가질 수 있다.
도 1에서 상기 격자(6)는 개략도로 도시하였다. 상기 격자(6)의 배치는 상기 격자와 워터 터빈 사이에 결정되는 속도 성분의 분배에 의해 다양하게 결정되는 것이 가능하다.
도 4는 상기 격자(6)를 형성하는 각각의 바(8)가 실질적으로 동일한 단면을 가지는 상태를 도시한 도면이다. 각각의 바(8)는 유체역학적으로 연장된 것으로, 단면의 측면을 길이로 가지고, 상기 바(8)의 모양(bar profile)을 방향(direction)으로 가지는 현(弦)(chord)으로 구성된다.
상기 가이드 효과(guide effect)는 상기 바(8)가 상기 격자(6)가 변하기 전의 수류(W)를 향하는 각도에 의해 달성된다. 좌측현의 바(8)의 경우, 상기 수류(W)의 방향과 평행하게 배치된다. 또한, 우측현의 경우 각도를 상기 수류(W)의 방향에 대응되도록 변경하여, 상기 각도를 최초 배치 위치보다 증가시킨다. 이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수류의 하류에 배치되는 격자는 워터 터빈(1)의 좌측에 흐르는 물의 유속은 우측에 흐르는 물의 유속보다 더 빠르게 형성되는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 워터 터빈의 좌측 및 우측에 서로 다른 속도를 부가할 수 있는 다른 격자의 설계를 도시한 도면이다. 이 경우, 상기 복수 개의 바(8)를 구성하는 현의 길이는 폭 방향으로 서로 다르게 구성되며, 각각의 각도 및 간격은 일정하게 형성된다.
도 5는 각각의 바들의 폭은 변경되지만, 상기 현의 길이 및 각도는 일정한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 상기 바의 캠버(camber)의 형상이 가변하는 것으로, 각각의 바들은 서로 다른 측면 각도를 가지는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 상기 바들 사이의 간격(gap)이 변경되는 것으로서, 각각의 바들의 단면은 실질적으로 동일한 상태를 도시한 도면이다.
또한, 상기한 도 3 내지 도 7에 기재된 실시예들은 필요에 따라 상호 결합되어, 워터 터빈의 좌측단과 우측단으로 유입되는 수류의 속도를 서로 다르게 구성할 수 있다.
한편, 본 발명은 특히 수류 방향에 대해 수직한 축을 가지는 워터 터빈으로 구성되는 수력발전 플랜트에 적용되지만, 이를 한정하는 것은 아니며, 다른 형태의 워터 터빈에도 적용 가능하다. 도 8에는 수류(W)의 방향과 평행하게 배치된 워터 터빈에 본 발명을 적용한 상태를 도시한 도면이다. 상기 격자(6)는 2 세트(set)의 제 1 및 제 2 바 부재(6a, 6b)들로 구성되며, 이들 각각은 상호 교차된다. 각각의 바들은 상기 수류를 가이드 하여, 워터 터빈의 양 날개 측의 수류속도를 더 높은 수류속도인 V1으로 형성하고, 워터 터빈의 중앙부 측의 수류속도를 상대적으로 낮은 수류속도인 V2로 형성한다. 블레이드(12)의 외곽부는 이와 같은 속도 차이에 의해 더 많은 토크를 받게 되고, 블레이드(12)의 내측부는 상대적으로 낮은 토크를 받게 되지만 워터 터빈에 있어서 전체 토크는 증가한다.
도 9는 상기 격자(6)를 수류 흐름방향에서 바라본 상태를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 바들은 반드시 수직으로 상호 교차될 필요는 없다. 또한, 상기 격자들은 상기 토크의 증가효과를 줄여야할 경우, 필요에 따라 단일 세트로 구성되는 것도 가능하다.
도 8 및 도 9에 도시된 2 세트의 바들로 구성된 격자(6)는 도 1 및 도 2 등에 도시된 실시예에 기재된 워터 터빈에 적용될 수 있다. 이는 예시로서, 바닥면으로부터 일정 거리 이격된 강 등에 적용된 것으로, 이 경우, 제 1 바 부재들(6a)은 상기 수류에 대하여 균일한 속도 차이를 형성하여, 이 속도 차이에 의한 반작용에 사용되어, 수류 흐름방향에 대하여 수직방향에 대한 균일한 속도 분배를 형성할 수 있다. 그리고 세로방향의 제 2 바 부재들(6b)은 도 1에 도시된 바와 같이, 수평방향에 대하여, 분균일한(non-uniform) 속도 분배를 형성할 수 있다.
도 10은, 조류의 방향이 상호 반대(밀물 WF, 썰물 WE)인 조석간만의 차가 발생되는 바다에 워터 터빈(1)을 설치한 상태를 도시한 도면이다. 수류의 방향이 서로 반대로 형성되기 때문에, 상기 격자(6c)(6d)는 상기 워터 터빈(1)의 상호 반대편에 설치된다. 이에 따라 밀물 시에는 상기 격자(6c)에 의해 수류가 가이드 되어, 도 1에 도시된 바와 같이, 수류의 속도 성분이 상호 다르게 가이드 된다. 또한 썰물 시에는 상기 격자(6d)가 수류를 가이드 하여, 이젠 공급단이 되는 우측의 수류속도를 더 빠르게 형성한다.
도 11은 복수 개의 워터 터빈(1)을 가지는 수력발전 플랜트의 일예를 도시한 도면이다. 이 경우, 각각의 워터 터빈(1)은 개별적으로 격자(6)를 가진다.
도 12는 2개의 워터 터빈(1)이 격자(6)를 공유하는 상태를 도시한 도면이다. 이 경우, 좌측 워터 터빈은 시계방향으로, 우측 워터 터빈은 반시계방향으로 회전한다. 상기 격자(6)는 수류를 가이드 하여, 상대적으로 높은 속도인 V1과 상대적으로 낮은 속도인 V2를 형성하고, 상기 워터 터빈(1)들 사이로, 수류가 V1 속도를 가지도록 가이드 하고, 상기 터빈(1)들의 바깥쪽으로는 수류가 V2의 속도를 가지도록 가이드 한다.
도 13은 격자의 하나의 바(8)를 도시한 도면이다. 상기 바는 상기 기초(7)에 대하여 조정 가능하게 설치된다. 따라서 상기 바는 길이방향 축에 대하여 회전할 수 있으며, 이에 따라 수류의 방향에 따라 각도를 조정할 수 있다.
도 14는 비틀린 형상의 바를 도시한 도면으로, A측 단부와 상기 A측 단부의 타단을 형성하는 B측 단부를 가진다.
도 15는 단면이 변경되는 바를 도시한 도면으로, C측 단부와 상기 C측 단부의 타단을 형성하는 D측 단부를 가진다.
도 14 및 도 15와 같은 배열에 따르면, 바들의 방향에 대하여, 불균일하게 속도 성분을 분배할 수 있다(도 3 내지 도 7에 도시된 속도 분배에 수직한 구성). 도 3 내지 도 7에 도시된 실시예들 중 어느 하나와 상기 도 14 및 도 15의 구성의 조합하는 것을 통해 이차원(2-Dimension) 적으로 속도 성분을 분배하는 것도 가능하다.
1; 워터 터빈 2; 베인
3; 암 4; 샤프트
5; 제너레이터 6; 격자
7; 기초 8; 바(bar)
W; 수류

Claims (16)

  1. 수류(水流)(water current, W)에 침잠된 상태로, 0.5 내지 50rpm 범위로 회전하는 적어도 하나의 워터 터빈(1)과, 상기 워터 터빈(1)에 인접한 위치에 배치되어, 죽은 동물의 사체나 식물, 쓰레기 등과 같은 이물질이 상기 워터 터빈(1)으로 유입되는 것을 방지하는 격자(grating, 6)를 가지는 수력발전 플랜트에 있어서,
    상기 격자(6)는,
    상기 수류(W)의 흐름에 가이드 되도록 배치되어, 상기 워터 터빈(1)과 격자(6) 사이의 물이 흐르는 속도가 균일하지 않도록 하여, 상기 흐르는 물의 제 1 반부(first half)의 평균 속도가 제 2 반부(second half)의 평균 속도보다 크도록 구성하여,
    상기 워터 터빈(1)으로 도달하는 상기 수류의 속도 성분이 상기 제 1 반부의 물의 접선방향에서 최대가 되고, 상기 제 2 반부의 물의 접선방향에서 최소가 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터 터빈(1)의 축 방향은, 상기 수류(W)에 대부분 수직으로 배치되고, 이에 따라, 상기 워터 터빈(1)의 제 1 반부는 상기 수류에 대응되는 방향으로 회전하고, 상기 워터 터빈(1)의 제 2 반부는 상기 수류에 반대되는 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 격자는, 서로 간에 일정 간격(gap)을 가지는 복수 개의 바(bars)로서,
    각각의 바들의 길이방향 연장선에 대하여 수직한 단면은,
    상기 수류가 상기 바(8)에 도달하는 노즈 포인트(nose point)와 상기 수류가 상기 바(8)로부터 이탈되는 테일 포인트(tail point) 사이의 거리로 정의되는 길이(length)와, 상기 길이에 수직한 폭(width)과, 상기 길이 방향으로 정의되는 가이드 방향(guiding direction)을 가지며,
    상기 격자는 상기 길이, 폭, 가이드 방향 중 적어도 하나 이상의 변수(parameter)가 변경되고,
    상기 단면의 면적 및/또는 상기 단면의 모양(the profile)이 상기한 길이, 폭, 가이드 방향 중 적어도 하나의 변수가 하나의 바(8)로부터 다른 바들로 변하거나, 하나의 바(8)의 연장선을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자는, 일정 간격(g)으로 이격된 복수개의 바들(8, bars)을 구비하며,
    각각의 간격(g)은 갭 폭(gap width)을 형성하고,
    상기 갭 폭은, 일정 간격에서 다른 간격으로 적어도 약간의 간격(some gaps)을 가지도록 변하거나, 일정 간격(one gap)의 연장선을 따라 변하는 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자는 복수 개의 바들(8)을 포함하며,
    상기 바들 중 일부는 상기 워터 터빈(1)의 축을 통과하는 상기 수류(W)에 대하여 수직인 평면에서 다른 바들과 서로 다른 거리를 가져, 중앙 측에 배치되어 있는 바들은 상기 평면에 대하여 측면에 배치되어 있는 바들보다 긴 거리(longer distance)를 구비한 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바들(8, bars)의 길이방향 연장선은 실질적으로 상기 워터 터빈(1)의 축 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자는,
    복수 개의 제 1 바 부재(first set bars)(6a); 및
    상기 제 1 바 부재에 대하여 교차 배치되는 복수 개의 제 2 바 부재(second set bars)(6b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자는 그 가이드 구성에 따라 조정 가능한 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터 터빈(1)의 샤프트(4)는 수직인 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 샤프트(4)는 수로의 베드(bed)에 형성된 기초(foundation, 7)에 의해 지지되며,
    상기 격자(6)는 상기 샤프트(4)와 동일한 기초(7)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터 터빈(1)은 2 내지 20rpm의 범위에서 회전하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터 터빈(1)과 동일한 구조를 가지는 복수 개의 워터 터빈(1)을 구비하며, 각각의 워터 터빈(1)들은 개별적인 격자(6)를 가지는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터 터빈(1)과 동일한 구조를 가지는 복수 개의 워터 터빈(1)을 구비하며, 각각의 워터 터빈(1)들은 하나의 격자(6)를 공유하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산된 전기에너지는 전력 네트워크로 공급되는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트.
  15. 수로 상의 수류에 침잠된 워터 터빈을 물과 접촉시켜, 상기 워터 터빈을 0.5 내지 50rpm의 속도로 회전시키고, 상기 워터 터빈에 근접한 위치에 격자를 배치하여, 상기 격자가 죽은 동물의 사체나 식물, 쓰레기 등과 같은 이물질이 상기 워터 터빈으로 유입되는 것을 방지하는 수력발전 플랜트의 수력발전 플랜트의 운전방법에 있어서,
    상기 격자는 상기 수류(W)의 흐름에 가이드 되도록 배치되어, 상기 워터 터빈(1)과 격자(6) 사이의 물이 흐르는 속도가 균일하지 않도록 하여, 상기 흐르는 물의 제 1 반부의 평균 속도가 제 2 반부의 평균 속도보다 크도록 구성하고, 상기 워터 터빈(1)으로 도달하는 상기 수류의 속도 성분이 상기 제 1 반부의 물의 접선방향에서 최대가 되고, 상기 제 2 반부의 물의 접선방향에서 최소가 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트 운전방법.
  16. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 수력발전 플랜트를 이용하는 것을 특징으로 하는 수력발전 플랜트 운전방법.
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