KR20110055355A - 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법 - Google Patents

친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에 관한 것으로서, 지반을 통과한 지층수를 지층수 정수장치에서 여과 및 취수하여 집수한 뒤 집수된 여과수를 도수터널을 통해 발전장치로 방류하여 전기에너지를 생산하도록 함으로써, 취수된 여과수의 식수 및 생활용수로의 공급, 발전이 모두 가능한 이점과 더불어, 주변지역의 전력수급에 기여할 수 있고, 취수펌프 운전 등에 소요되는 유지관리비용의 절감, 연중 수량 변동에 관계없는 안정적인 발전, 경관훼손이나 민원문제의 원천적 방지를 가능하게 하는 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 발전용수 차단을 위한 밸브의 닫힘을 수격압이 발생하지 않도록 적절히 제어해줌으로써, 조압수조의 설치 없이도 수압 급상승으로 인한 수격압 발생을 방지하고, 이에 조압수조 설치에 따른 비용을 줄일 수 있는 동시에 수격압으로 인한 문제를 해결할 수 있는 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에 관한 것이다.

Description

친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법{Pro-environment-like small hydroelectric system and method}
본 발명은 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반을 통과한 지층수를 지층수 정수장치에서 여과 및 취수하여 집수한 뒤 집수된 여과수를 도수터널을 통해 발전장치로 방류하여 전기에너지를 생산하도록 함으로써, 취수된 여과수의 식수 및 생활용수로의 공급, 발전이 모두 가능한 이점과 더불어, 주변지역의 전력수급에 기여할 수 있고, 취수펌프 운전 등에 소요되는 유지관리비용의 절감, 연중 수량 변동에 관계없는 안정적인 발전, 경관훼손이나 민원문제의 원천적 방지를 가능하게 하는 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에 관한 것이다.
일반적으로 발전방식에는 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등이 있으나, 이들 발전방식은 대규모의 발전설비와 막대한 양의 에너지원이 필요할 뿐만 아니라 설치장소에 큰 제약이 따르는 등 해결해야 할 문제점들이 많다.
특히, 화력과 원자력은 환경파괴를 초래할 수 있어 사용에 제한적일 수밖에 없고, 수력은 풍부한 수량과 낙차를 갖지 않는 한 발전이 어려운 단점이 있다.
이에 최근에는 설치장소에 비교적 제약을 덜 받으면서 지속적인 전력생산이 가능한 소수력 발전방식이 이용되고 있다.
소수력 발전은 소하천의 유수를 이용하여 전력을 생산하는 방법으로, 생산된 전력을 하천 주변의 전력시설물, 예를 들면 가로등이나 조명등과 같이 비교적 소규모 전력이 필요한 곳에 공급한다.
현재 소수력 발전은 다른 신재생에너지원에 비해 설비이용률이 높으면서 이산화탄소 배출량도 가장 적은 친환경적 에너지원으로 인정받고 있고, 일반 하천을 이용한 댐, 수로, 댐수로식 및 정수장, 하수처리장, 농업용 저수지, 다목적댐 여수로 및 조정지 등의 기존 시설을 이용하는 형태로 개발되고 있다.
농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장 및 다목적댐의 용수로 등에 적용할 수 있는 점을 감안할 때, 국내의 개발 잠재량은 매우 풍부하고, 청정자원으로 개발할 가치가 매우 크다 할 수 있다.
이에 국내의 경우도 여러 지역에 소수력 발전설비가 이미 설치되어 있고, 정부의 지원에 따라 그 설치기수와 연간 전력생산량이 증가하고 있는 추세에 있다.
현재 국내 수력설비 총 용량은 1,595MW인데, 이중 소수력은 총 53개소 136기 69,650kW가 보급되어 있고, 국내 개발 가능한 소수력 자원 잠재량은 약 502개소 150만kW 정도로 평가되고 있다.
그러나, 지금까지의 소수력은 주로 계곡수나 하천수를 직접 이용하는 형태로 개발되고 있으며, 이러한 형태의 발전방식은 강수량에 따라 변동이 많고 갈수기에도 수량이 풍부한 지역을 찾기가 쉽지 않다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 지상에 관을 설치하거나 물막이, 굴착 등을 수반하므로 경관을 해칠 수 있음은 물론 공사시 많은 민원을 야기하는 문제점이 있고, 특히 환경보전지역이나 지역주민의 반대로 시행이 어려운 경우가 많아 적합한 입지를 찾기가 어려운 문제점이 있다.
그리고, 통상의 수력발전설비에서는 상부저수지와 하부저수지 사이에 도수관 및 수압관, 수력발전소가 위치하여, 상부저수지에서 도수관 및 수압관을 통해 수력발전소로 유입되는 물의 낙차를 이용하는 수력발전이 이루어지는데, 이때 수압관의 상류측에는 수격압(water hammer)을 고려한 조압수조(surge tank)의 설치가 필수적이다.
도 9는 조압수조를 갖춘 일반적인 수력발전설비를 나타내는 도면으로서, 이를 설명하면, 취수댐에 의해 조성된 상부저수지(101)와 이에 낙차를 가지는 하부저수지(102) 사이에 경사를 가지는 도수관(103) 및 수압관(104)이 연결되고, 수압관(104)의 하단부 위치에는 발전소(105)가 설치된다.
이에 따라, 도수관(103) 및 수압관(104)을 통해 상부저수지(101)에서 유입된 물이 하부저수지(102)로 배출되기 전에 상기 발전소(105)를 통과하는 물에 의해 수력발전이 이루어지도록 되어 있다.
이때, 종래에는 조압수조(106)가 설치되며, 이는 수압관(104)의 입구 전단의 도수관(103) 하단부에 설치될 수 있고, 수압을 떨어뜨리는 역할을 한다.
즉, 관로의 흐르는 물을 급정지시킬 경우 관로 내에 과도한 압력상승이 발생하고 그 파동이 관로 내에 전파되어 주기기 및 관로의 파괴를 초래할 수 있으므로, 상기와 같은 조압수조(106)를 설치하여 관로의 수압을 떨어뜨리는 것이다.
특히, 발전소에서 단전시나 기타 이유로 발전기를 정지시켜야 하는 비상상황에서 차단되는 밸브의 순간적인 닫힘 등 여러 원인으로 인하여 뜻하지 않은 수압의 급상승이 발생할 경우, 조압수조는 수압을 낮추어 관로 파괴를 최소화하는 동시에 수격압에 의한 주기기 설비의 손상을 방지하는 등 중요한 역할을 하게 된다.
그러나, 이러한 조압수조의 설치는 전체 설비비용을 증가시키며, 더욱이 소하천의 유수를 이용하는 소수력 발전설비에 조압수조를 설치하는 것은 비용상으로 많은 불리함이 있는 등 경제성 측면에서 비효율적이다.
한편, 지표수는 지표면의 물 중에서 하천, 호소, 습지 등의 물로서, 최근 지표수의 오염과 질소, 인 등의 유입에 의한 부영양화가 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
이에 지표수를 생활용수 및 수자원으로서 뿐만 아니라 환경의 구성요소로서 재검토할 필요성이 있고, 특히 지표수를 식수로 사용하는데 필요한 기술의 개발이 절실히 요청되고 있다.
일반적으로 식수로 사용될 수 있는 여과수의 취수는 연직 집수정을 설치한 뒤 연직 집수정으로부터 대수층에 수평 또는 경사방향으로 다수의 취수관을 설치하여 유도 취수하는 형태로 이루어진다.
이러한 집수정에서는 하루에 적게는 수천에서 많게는 수십만 ㎥ 가량의 물을 취수하게 되는데, 그 취수량이 많으므로 펌핑 등을 통해 정수장 등의 목표지점까지 이송하는데는 많은 소요전력이 필요하며, 이에 유지관리비용이 크게 드는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 하천, 저수지, 호수, 습지, 오폐수처리(정화)된 물 등의 지표수 중 지반을 통과한 물을 여과 및 취수하여 집수한 뒤 도수터널을 통해 발전장치로 방류하여 전기에너지를 생산하도록 함으로써, 취수된 여과수를 이용한 식수 또는 생활용수의 공급과 더불어 발전이 가능하고, 이에 주변지역의 전력수급에 기여할 수 있는 동시에, 취수펌프의 운전 등에 소요되는 유지관리비용의 절감, 연중 수량 변동과 상관없는 안정적인 발전, 경관훼손이나 민원문제의 원천적 방지가 가능해지는 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발전용수 차단을 위한 밸브의 닫힘을 적절히 제어하여 수격압의 발생을 완전히 배제함으로써, 조압수조의 설치 없이도 수압 급상승으로 인한 수격압 발생을 방지하고, 이에 조압수조 설치에 따른 비용을 줄일 수 있는 동시에 수격압으로 인한 문제를 해결할 수 있는 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은에서 제공하는 친환경적 소수력발전시스템은 지반을 통과한 지층수를 여과필터와 취수유공관을 통해 여과 및 취수하여 집수정에 집수하는 지층수 정수장치와, 상기 지층수 정수장치의 집수정으로부터 경사를 가지고 설치되는 도수터널과, 상기 도수터널의 하부에 설치되어 집수정으로부터 도수터널을 통해 방류되는 여과수에 의해 전기를 생산하는 발전장치와, 상기 도수터널에서 발전장치로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개폐 구동을 제어하기 위한 제어장치를 포함하여 구성되고, 상기 제어장치에는 밸브장치의 닫힘이 완료될 때까지의 시간 및 닫힘속도가 미리 설정되며, 상기 밸브장치의 닫힘시 상기 제어장치의 제어에 의해 밸브장치가 미리 설정된 상기 시간 동안 단계적으로 서서히 닫히도록 하는 완속 닫힘 제어가 수행됨으로써 급격한 밸브 닫힘으로 인한 수격압 발생을 방지할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 밸브장치의 완속 닫힘 제어는 단전시나 발전장치의 이상 발생시에 이루어지는 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 지층수 정수장치의 집수정에 설치되는 수위계를 더 포함하고, 상기 수위계의 검출값을 입력받은 제어장치가 집수정 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위임을 판단하게 되면 상기 밸브장치의 완속 닫힘 제어를 수행하도록 하는 등 수위계와 밸브장치 간의 연계적인 작동이 이루어질 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지층수 정수장치는 지표수 인근의 지반을 굴착하여 시공되는 집수정과, 상기 집수정에 다수개가 적층되어 설치되는 관 형상의 프리캐스트 구조물과, 상기 지표수의 하측 지반을 통과한 뒤 유입되는 여과수를 취수하여 상기 집수정으로 안내하도록 지중에 적어도 한 개 이상으로 설치되는 취수유공관과, 상기 취수유공관 내에 삽입되어 취수유공관으로 유입되는 지층수를 여과하는 여과필터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 상기 지층수 정수장치는 집수정에 집수된 여과수를 펌핑하여 음용수 또는 생활용수로 공급하기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 취수유공관의 외주면에 토목섬유 또는 드레인보드가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도수터널은 발전장치를 통해 음용수 또는 생활용수 공급을 위한 연결수로 또는 착수정으로 연결되고, 상기 도수터널로부터 방류되어 발전장치를 통과한 방류 여과수가 상기 연결수로 또는 착수정으로 배출된 뒤 상수도관 또는 생활용수관을 통해 음용수 또는 생활용수로 공급될 수 있게 된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 지반을 통과한 지층수를 여과필터와 취수유공관을 통해 여과 및 취수하여 집수정에 집수하는 지층수 정수장치를 시공하는 단계와, 상기 지층수 정수장치의 집수정으로부터 경사를 가지도록 도수터널을 시공하는 단계와, 상기 도수터널의 하부에 발전장치를 설치하는 단계와, 상기 도수터널로부터 발전장치로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브장치를 설치하고, 상기 밸브장치의 개폐 구동을 제어하기 위한 제어장치를 구비하는 단계와, 지반을 통과한 지층수가 여과 및 취수된 뒤 상기 집수정에 집수되는 단계와, 상기 발전장치가 집수정으로부터 도수터널을 통해 방류되는 여과수에 의해 전기를 생산하는 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 제어장치에는 밸브장치의 닫힘이 완료될 때까지의 시간 및 닫힘속도가 미리 설정되며, 상기 밸브장치의 닫힘시에 상기 제어장치의 제어에 의해 밸브장치가 미리 설정된 상기 시간 동안 단계적으로 서서히 닫히도록 하는 완속 닫힘 제어가 수행됨으로써, 급격한 밸브 닫힘으로 인한 수격압 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법을 제공한다.
여기서, 상기 밸브장치의 완속 닫힘 제어는 단전시나 발전장치의 이상 발생시에 이루어지는 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 지층수 정수장치의 집수정에 수위계를 설치하고, 상기 수위계의 검출값을 입력받은 제어장치가 집수정 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위임을 판단하게 되면 상기 밸브장치의 완속 닫힘 제어를 수행하는 등 수위계로부터 제공된 신호에 의해 밸브장치의 완속 닫힘 제어가 연계적으로 이루어질 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지층수 정수장치를 시공하는 단계는 지표수로부터 일정거리 이격된 지반을 굴착하여 집수정을 형성하는 단계와, 상기 집수정에 관 형상의 프리캐스트 구조물을 다수개 적층하여 설치하는 단계와, 상기 프리캐스트 구조물의 측면에서 지표수가 있는 방향으로 천공하여 지중에 수평공을 형성하는 단계와, 상기 수평공 내에 여과필터케이싱을 삽입하는 단계와, 상기 여과필터케이싱 내에 취수유공관을 삽입하는 단계와, 상기 취수유공관 내에 여과필터를 삽입하는 단계와, 상기 여과필터케이싱을 수평공으로부터 제거하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집수정에 집수된 여과수를 펌핑하는 펌프를 설치하고, 상기 펌프를 이용하여 집수정에 집수된 여과수를 음용수 또는 생활용수로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 취수유공관의 삽입시 취수유공관의 외주면에 토목섬유 또는 드레인보드를 감싼 상태로 설치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프리캐스트 구조물을 설치한 뒤 도수터널을 시공하는 단계에서 프리캐스트 구조물의 하단부로부터 도수터널을 설치하고, 발전장치를 설치하는 단계에서 상기 도수터널의 하단부 출구에 발전장치를 설치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전장치를 설치하는 단계는 도수터널의 출구측에 수차를 설치하고 상기 수차에 연결하여 발전기를 설치하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템 및 소수력발전방법에서는 하천, 저수지, 호수, 습지 등 인근에 지반을 통과한 지층수를 여과하여 집수하는 지층수 정수장치를 설치하고 집수된 여과수를 도수터널을 통해 발전장치로 공급하여 발전용수로 사용할 수 있도록 함으로써, 여과수를 이용한 전력생산으로 주변지역의 전력수급에 기여하는 동시에 여과수 취수에 소요되는 전력비용 등 유지관리비용을 절감할 수 있고, 여과수를 주변지역의 음용수 또는 생활용수로 공급하는 경우 용수난을 해결할 수 있는 이점이 있다.
또한 하천, 저수지, 호수, 습지 등 수량이 풍부한 지표수를 여과하여 발전에 이용하므로 연중 수량의 변동에 관계없이 안정적인 발전이 가능하며, 여과수의 취수, 식수 및 용수로의 공급, 발전이 모두 가능한 이점과 더불어, 모든 작업이 지하에서 이루어지므로 경관훼손이나 민원문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 영구적으로 활용될 수 있는 에너지원으로서 그 활용가치가 매우 크다.
또한 발전용수를 차단하기 위한 밸브장치를 제어함에 있어서, 비상 닫힘시 미리 설정된 시간 동안에 밸브장치가 단계적으로 서서히 닫히도록 제어함으로써, 조압수조의 설치 없이도 수격압 발생을 효과적으로 방지할 수 있고, 결국 조압수조의 설치에 따른 소요 비용을 절감할 수 있는 동시에 수격압으로 인한 여러 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력발전시스템을 나타내는 개략적인 측면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 소수력발전시스템을 나타내는 개략적인 평면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력발전시스템에서 여과필터를 이용한 지층수 정수장치를 도시한 개략도
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력발전시스템에서 여과필터를 이용한 지층수 정수장치를 시공하는 순서를 도시한 공정도
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력 발전시스템의 발전장치를 나타내는 정단면도, 평단면도 및 측단면도
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력발전시스템의 시공 순서를 도시한 공정도
도 7과 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력발전시스템에서 수위계와 유량계의 검출과 연계한 밸브장치의 가동을 설명하기 위한 그래프
도 9는 일반적인 조압수조를 갖춘 수력발전설비를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력발전시스템을 나타내는 개략적인 측면도와 평면도이다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 지층수 정수장치(A)를 발전용수 공급원으로 이용하는 소수력발전시스템(S)에 관한 것으로서, 지층수 정수장치(A)는 지표수(10) 중 하측 지반을 통해 지중으로 유입된 지층수를 포함하여 주변 지층을 통과하여 유입된 지층수를 여과필터로 여과하여 취수한 뒤 집수정(14)에 집수하고 집수정에 집수된 여과수를 펌프(26)를 이용하여 음용수(식수) 또는 생활용수로 공급하도록 구성된다.
이와 더불어, 본 발명에서는 집수정(14)에 집수된 여과수를 도수터널(32)을 통해 낙차를 가지는 발전장치(34)로 공급하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 주변지역에 공급하면서 발전에 사용된 여과수는 발전장치(34)에서 연결수로 또는 저류조(50)로 방류하여 음용수 또는 생활용수로 공급할 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 소수력발전시스템에서는 단전시나 발전장치의 이상 발생 등 비상시에 도수터널(32)을 통해 발전장치(34)로 유입되는 발전용수(여과수)를 차단하기 위한 밸브장치(40)의 닫힘을 적절히 제어해줌으로써, 조압수조의 설치 없이도 급격한 수압 상승 및 수격압을 방지하고, 수격압으로 인한 문제 발생을 방지할 수 있도록 구성된다.
우선, 본 발명에 따른 소수력발전시스템에서 이용되는 지층수 정수장치의 구성에 대해 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 지층수 정수장치(A)는 지표수(10) 인근의 지반(12)으로부터 굴착하여 시공되는 집수정(14)과, 상기 집수정(14)에 다수개가 적층되어 설치되는 관 형상의 프리캐스트 구조물(16)과, 상기 지표수(10)의 하측 지반을 통과한 뒤 유입되는 여과수를 취수하여 상기 집수정(14)으로 안내하도록 지중에 적어도 한 개 이상으로 설치되는 취수유공관(22)과, 상기 취수유공관(22) 내에 삽입되어 취수유공관으로 유입되는 지층수를 여과하는 여과필터(도 4e에서 도면부호 24임)와, 상기 집수정(14)에 집수된 여과수를 펌핑하여 공급하기 위한 펌프(26)로 구성된다.
즉, 지층수 정수장치(A)는 집수정(14), 프리캐스트 구조물(16), 취수유공관(22), 여과필터(24) 및 펌프(26)가 유기적으로 결합되어 이루어진 장치이다.
여기서, 집수정(14)은 지표수(10) 인근의 지반(12)을 굴착하여 시공되는 것으로서, 지중에 일정한 직경 및 소정 깊이를 가지도록 시공될 수 있으며, 여과필터(24)를 통과하여 취수유공관(22)으로 취수된 뒤 안내되는 여과수가 집수될 수 있도록 형성되는 일종의 우물이다.
또한, 프리캐스트 구조물(16)은 공장에서 제작한 콘크리트관으로서, 일정한 직경 및 높이를 가지는 원형의 콘크리트관이 사용될 수 있고, 다수개의 콘크리트관을 집수정(14)의 내부에 삽입 및 적층하여 시공하며, 집수정(14)의 내부를 따라 시공된 상태에서 집수정의 붕괴를 방지하는 기능을 한다.
그리고, 취수유공관(22)은 여과필터(24)를 통과한 여과수를 취수하여 집수정(14)으로 안내하는 관으로서, 지중에서 집수정(14)으로 연결되도록 설치된다.
이때, 일정한 직경 및 소정 길이를 가지는 하나 또는 다수개의 취수유공관(22)이 수평 또는 경사방향으로 설치될 수 있고, 투수성이 높은 지표수(10) 하측의 대수층에 설치되어 대수층으로부터 지반(12)을 통과하여 여과된 물을 취수하게 된다.
지표수(10)의 하측 지반을 통과한 뒤 여과필터(24)를 통과한 여과수가 상기 취수유공관(22)으로 유입되면, 유입된 여과수가 취수유공관(22)을 따라 집수정(14)으로 안내되어 집수된다.
또한, 여과필터(24)는 일정한 직경 및 소정 길이를 가지는 것으로서, 상기 취수유공관(22)의 내부로 삽입되어 설치되며, 지반을 통과한 뒤 취수유공관(22)으로 유입되는 지층수에서 이물질을 제거하는 구성부이다.
그리고, 펌프(26)는 집수정(14)에 집수된 여과수를 음용수나 생활용수로 사용할 수 있게 취수하기 위한 취수수단으로서, 집수정(14)의 상단에 고정 설치될 수 있고, 집수정(14)이 지중에 설치됨을 고려하여 집수정 내 여과수를 흡입하여 펌핑하는 양수펌프가 사용될 수 있으나, 음용수나 생활용수로 사용하기 위하여 집수정 내 여과수를 퍼올릴 수 있는 두레박 등이 사용될 수도 있음을 밝혀둔다.
또한, 취수유공관(22)의 외주면에는 투수성을 가지면서 외부로부터 이물질의 유입을 방지하는 토목섬유 또는 드레인보드(27)가 추가로 설치될 수 있다.
이하, 상기한 구성으로 이루어진 지층수 정수장치의 시공 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력발전시스템에서 이용되는 지층수 정수장치를 시공하는 순서를 도시한 공정도이다.
도 4a 내지 도 4f에 도시한 바와 같이, 지층수 정수장치(A)의 시공방법은 지표수(10)로부터 일정거리 이격된 지반(12)을 굴착하여 집수정(14)을 형성하는 단계와, 상기 집수정(14)에 관 형상의 프리캐스트 구조물(16)을 다수개 적층하여 설치하는 단계와, 상기 프리캐스트 구조물(16)의 측면에서 지표수(10)가 있는 방향으로 천공하여 지중에 수평공(18)을 형성하는 단계와, 상기 수평공(18) 내에 여과필터케이싱(20)을 삽입하는 단계와, 상기 여과필터케이싱(20) 내에 취수유공관(22)을 삽입하는 단계와, 상기 취수유공관(22) 내에 여과필터(24)를 삽입하는 단계와, 상기 여과필터케이싱(20)을 수평공(18)으로부터 제거하는 단계와, 상기 집수정(14)에 집수된 여과수를 펌핑하여 공급하기 위한 펌프(26)를 설치하는 단계로 이루어진다.
여기서, 상기 집수정(14)은 지반을 수직으로 굴착하여 시공할 수 있으며, 지중에 일정한 직경 및 소정 깊이로 시공할 수 있다.
또한, 상기 프리캐스트 구조물(16)로는 원형의 콘크리트관을 사용할 수 있으며, 집수정(14) 내에 일정한 직경 및 높이를 가지는 원형의 콘크리트관 다수개를 순차적으로 삽입하여 시공할 수 있다.
상기 수평공(18)은 집수정(14) 내에서 지중으로 천공하여 형성하는 것으로, 프리캐스트 구조물(16) 측면에서 지표수(10)가 있는 방향으로 일정한 직경 및 소정 길이로 수평하게 천공하여 형성할 수 있다.
상기 여과필터케이싱(20)은 수평공(18)의 내부에 삽입하여 설치하되, 취수공유관(22) 및 여과필터(24)의 삽입 후 제거하게 되는 가설구조물로서, 집수정(14) 내에서 선 시공된 수평공(18)의 내부로 일정한 직경 및 길이의 여과필터케이싱(20)을 삽입하여 시공할 수 있다.
상기 여과필터케이싱(20)은 수평공(18) 내 취수유공관(22)이 설치되는 구간에 걸쳐 삽입되는 것이므로, 집수정(14) 내에서 일정한 직경 및 길이의 여과필터케이싱 여러 개를 순차적으로 삽입하여 전체 케이싱이 상기 구간에 걸쳐 연속되도록 시공할 수 있다.
상기 여과필터케이싱(20)의 시공이 완료되면, 여과필터케이싱(20)의 내부로 일정한 직경 및 길이의 취수유공관(22)을 삽입하고, 이어 취수유공관(22)의 내부에 일정한 직경 및 길이의 여과필터(24)를 삽입한다.
상기 취수유공관(22)과 여과필터(24) 역시 집수정(14) 내에서 일정한 직경 및 길이의 취수유공관과 여과필터 여러 개를 각각 순차적으로 삽입하여 연속되게 시공한다.
또한, 취수유공관(22)의 삽입시 취수유공관의 외주면에 토목섬유 또는 드레인보드(27)를 감싼 상태로 설치한다.
여기서, 기존 여과 시스템의 경우, 스트레이너관의 외부에 중간크기 자갈 및 잔자갈 등의 조립상의 여과재가 충진되고, 원통형 금속망으로 고정된 여과부가 수평 집수관과 일체로 조립된 단일 여과 시스템을 사용하고 있으나, 본 발명의 경우, 취수유공관 외주면에 투수성을 갖는 토목섬유 또는 드레인보드를 사용한 1차 여과재를 설치하고, 확실한 여과효과를 얻기 위하여 취수유공관 안에 폴리프로필렌 소재의 고밀도 여과필터를 추가로 삽입하는 이중여과 시스템을 적용하고 있다.
따라서, 종래의 단일 여과 시스템에 비하여 보다 뛰어난 여과효과를 기대할 수 있다.
상기와 같이 취수유공관(22)과 여과필터(24)의 삽입이 완료되면, 수평공(18)에 삽입된 여과필터케이싱(20)을 제거하고, 이어 집수정(14)의 상단에 펌프(26)를 설치한다.
이와 같이 하여, 상기한 시공 과정을 통해 지층수 정수장치(A)를 완성하게 되며, 시공된 지층수 정수장치(A)에서는 지표수(10)의 하측 지반을 통해 지중으로 유입된 지층수가 여과필터(24)를 통과하여 여과된 뒤 취수유공관(22)의 내부로 유입되고, 이어 취수유공관(22)의 내부로 취수된 여과수는 집수정(14)으로 안내되어 집수되는 바, 결국 집수정(14)에 집수된 여과수가 펌프(26)의 펌핑에 의해 공급되어 음용수 또는 생활용수로 사용될 수 있게 된다.
한편, 상기 집수정(14)에 집수된 여과수를 발전용수로 사용하여 전기를 생산하는 친환경적 소수력발전시스템(S)이 구성될 수 있으며, 이러한 본 발명의 친환경적 소수력발전시스템(S)은 집수정(14)에 집수된 여과수를 도수터널(32)을 통해 낙차를 가지는 발전장치(34)로 공급하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 주변지역에 공급하면서 발전에 사용된 여과수는 발전장치(34)에서 상수도관 또는 생활용수관 등이 연결된 연결수로 또는 저류조(50)로 방류되도록 하여 주변지역의 주민에게 음용수 또는 생활용수로 공급될 수 있도록 구성된다.
앞서 지층수 정수장치에 대해 설명함에 있어서 하천, 저수지, 호수, 습지 등의 지표수에 한해 여과 및 취수할 수 있는 것으로 설명하였으나, 상기한 지층수 정수장치는 지중에 존재하는 지하수에 대해서도 여과 및 취수가 가능하고, 또한 오폐수처리된 물이 집수되는 집수장 인근에 설치되는 경우 오폐수처리(정화)된 물을 집수장 하측의 취수유공관을 통해 여과하여 취수하는 것이 가능하므로, 이하 본 발명에 따른 소수력 발전시스템에서는 자연의 지표수뿐만 아니라 오폐수처리된 물, 지하수를 처리한 여과수를 발전용수로 이용하는 개념으로 이해함이 타당하다.
따라서, 본 발명의 소수력발전시스템(S)에 따르면, 자연의 지표수나 오폐수처리된 물, 지하수를 상기한 지층수 정수장치(A)를 통해 정수 및 집수하여 발전용수, 음용수 또는 생활용수로 활용할 수 있도록 구성됨으로써, 연중 수량의 변동에 관계없이 안정적인 취수 및 용수 공급과 더불어, 주변지역의 전력수급문제를 해결할 수 있게 되고, 지층수 정수장치(A)의 펌프(26) 등에 소요되는 전력비용을 절감할 수 있게 되고, 기존의 수력발전시스템과 달리 시공 과정에서도 지역 특성 및 경관의 훼손이나 민원문제의 발생을 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템의 구성에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템(S)은 지표수(10) 중 지중을 통과한 지층수나 오폐수처리된 물, 지하수 등을 여과하여 취수 및 집수하는 상술한 지층수 정수장치(A)를 발전용수 공급원으로 이용하게 된다.
그 구성을 살펴보면, 본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템(S)은, 지반을 통과한 지층수를 여과필터(도 4e의 도면부호 24임)와 취수유공관(22)을 통해 여과 및 취수하여 집수정(14)에 집수하는 지층수 정수장치(A)와, 상기 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)으로부터 경사를 가지고 설치되는 도수터널(32)과, 상기 도수터널(32)의 하단에 설치되는 발전장치(34)와, 상기 도수터널(32)로부터 발전장치(34)로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브장치(40)와, 상기 밸브장치(40)의 개폐 구동을 제어하기 위한 제어장치(46)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템(S)은 지표수(10) 인근에 설치되는 지층수 정수장치(A)와 도수터널(32), 발전장치(34), 밸브장치(40), 제어장치(46)가 유기적으로 결합되어 이루어진 시스템이다.
여기서, 지표수는 하천, 저수지, 호수, 습지 등에 저수된 자연의 지표수(10)를 포함하여 오폐수처리장의 집수장에 저수된 정수된 물을 포함하는 개념이다.
상기한 구성 중 지층수 정수장치(A)에 대해서는 전술한 바와 같다.
상기 도수터널(32)은 집수정(14)에 저장된 여과수를 발전용수로 공급하기 위한 유로를 형성하는 부분으로, 일정한 직경 및 소정 길이의 콘크리트관으로 시공될 수 있고, 집수정(14)에서 발전장치(34)까지 길게 연장되도록 시공되는 바, 집수정(14)에서 방류되는 여과수를 발전장치(34)까지 안내하게 된다.
특히, 도수터널(32)은 내부를 통과하는 여과수의 압력, 운동, 위치에너지로부터 전기에너지를 생산할 수 있도록 집수정(14)에서 발전장치(34)까지 낙차를 가지도록 하향 경사지게 형성된다.
이러한 도수터널(32)은 소요 크기에 따라 드릴장비나 마이크로터널 장비 등을 이용하여 지중에 형성하는데, 집수정(14)에 형성된 도수터널(32)의 입구와 최종의 방류처(연결수로 또는 저류조)로 연결되는 도수터널(32)의 출구가 낙차를 가지도록 경사방향으로 길게 형성하여 구축한다.
한편, 본 발명에서의 발전장치에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적 소수력 발전시스템의 발전장치를 나타내는 정단면도, 평단면도 및 측단면도이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시한 바와 같이, 발전장치(34)의 입구측으로 도수터널(32)을 통해 발전장치(34)로 유입되는 여과수를 차단하기 위한 밸브장치(40)가 설치된다.
발전장치(34)는 도수터널(32)의 출구측에 연결되어 설치되고, 도수터널(32)로부터 배출되는 방류 여과수에 의해 회전되는 수차(36)와, 상기 수차(36)에 연결되어 수차(36)의 회전으로 전기를 생산하는 발전기(38)를 포함하여 구성된다.
여기서, 발전기(38)에 연결된 수차(36)는 도수터널(32)에서 방류처로 이동하는 여과수의 이동경로, 즉 도수터널(32)의 출구측에 설치되어 도수터널(32)에서 배출되는 방류 여과수에 의해 회전되도록 구비된다.
결국, 발전장치(34)를 통과하는 방류 여과수는 도수터널(32)의 출구측에 설치된 수차(36)를 회전시킨 뒤 외부로 최종 배출되고, 이때 수차(36)가 회전됨으로써 도수터널(32)의 출구측에 고정 설치된 발전기(38)에서 전기가 생산된다.
상기 발전장치(34)의 수차(36)로는 낙차와 유량에 따라 프로펠러형 수차, 펠턴 수차, 카프란형 수차, 프란시스형 수차 등이 선택적으로 사용될 수 있다.
그 밖에 소수력발전시스템에서 사용될 수 있는 수차로서 벌브식, 튜블러식, 림형, 고정 블레이드형, 고정 가이드 베인형 등 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
또한, 발전장치(34)와 연결된 충전지 등이 구비될 수 있으며, 제어장치(46)가 발전장치(34) 또는 밸브장치(40)에 일체로 구비될 수 있으나, 도 1에 나타낸 바와 같이 별도로 설치될 수도 있다.
상기 밸브장치(40)는 도수터널(32)의 출구측에서 발전장치(34)의 입구측으로 설치되는 것으로, 발전장치(34)의 수차(36) 상류측에 설치되며, 도수터널(32)로부터 발전장치(34)의 수차(36)로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위해 설치되는 것이다.
또한, 상기 밸브장치(40)는 발전용수, 즉 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브(42)와, 상기 밸브(42)를 개폐 구동시키는 액츄에이터(44)를 포함하여 구성되며, 이때 액츄에이터(44)의 구동은 제어장치(46)에 의해 제어된다.
즉, 제어장치(46)는 밸브(42)를 선택 구동하기 위한 제어신호를 발생시켜 출력하고, 이에 액츄에이터(44)가 제어장치(46)에서 인가되는 제어신호에 따라 구동하여 밸브(42)를 개폐시키게 되는 것이다.
본 발명에서 사용되는 밸브장치(40)로는 소수력발전시스템에서 고압으로 투입되는 발전용수의 관로를 선택적으로 차단할 수 있는 것으로서 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
한편, 본 발명의 소수력발전시스템(S)은 단전시나 발전기(38)의 이상 발생시 등 발전기를 정지시키는 상황에서, 밸브장치(40)의 닫힘시 제어장치(46)가 유로 내 수압의 급상승 및 수격압 발생을 방지할 수 있도록 완속 닫힘 제어를 수행하며, 이를 통해 수격압 발생으로 인한 문제를 방지하는데 그 특징이 있다.
즉, 본 발명의 소수력발전시스템에서는 단전시나 발전기(38)의 이상 발생시와 같은 비상시에, 그리고 수동 또는 자동으로 발전장치(36)를 정지시켜야 하는 미리 설정된 상황에서 제어장치(46)가 유로를 차단하도록 밸브장치(40)를 제어하되, 이때 제어장치(46)가 밸브장치(40)의 밸브(42)가 서서히 닫히도록 액츄에이터(44)를 제어하는 완속 닫힘 제어를 수행하여 수압의 급상승 및 수격압을 소멸시키게 된다.
이때, 밸브장치를 닫는데 소요되는 전력으로는 충전지에 충전된 전력이 이용되거나 발전장치 등 발전계통에 잔류하는 전력을 이용할 수 있으며, 특히 제어장치(46)에 밸브 완전 닫힘시까지의 닫힘시간 및 밸브의 닫힘속도가 미리 설정되어, 제어장치(46)가 상기 설정된 닫힘시간 내에 상기 설정된 닫힘속도로 밸브(42)가 서서히 닫힐 수 있도록 액츄에이터(44)를 제어하는 제어신호를 출력하게 된다.
이에 밸브장치(40)의 액츄에이터(44)가 제어장치(46)에서 출력되는 제어신호에 따라 제어되면서 밸브(42)가 저속으로 유로를 닫게 되며, 결국 밸브(42)의 저속 동작으로 도수터널(32)을 통해 유입되는 여과수의 수압 급상승 및 그로 인한 수격압 발생이 효과적으로 방지될 수 있게 된다.
바람직한 실시예에서, 상기 제어장치(46)는 내장된 타이머를 사용하여 액츄에이터(44)의 제어를 통해 밸브(42)를 완전 닫힘시까지의 미리 설정된 닫힘시간 동안 정해진 닫힘속도로 서서히 동작시키도록 구비될 수 있다.
이때, 제어장치(46)가 완전 닫힘시까지 밸브(42)의 닫힘량이 단계적으로 증가되도록 제어한다.
상기와 같이 본 발명에서는, 단전시 닫히도록 된 밸브를 정해진 닫힘속도 및 닫힘 완료 시간없이 순간적으로 고속 폐작동시키는 종래의 방식과 달리, 미리 설정된 닫힘시간 동안 단계적으로 닫힘량이 증가되도록 완속 제어하여 밸브(42)를 정해진 닫힘속도로 동작시켜줌으로써, 도수터널(32) 내 수압의 급상승 및 수격압 발생을 효과적으로 차단시킬 수 있게 된다.
본 발명에서 액츄에이터(44)에 의해 밸브(42)의 완전 닫힘이 이루어지도록 미리 설정되는 닫힘시간으로는 약 7∼15초로 하는 것이 바람직하며, 닫힘속도는 설정된 닫힘시간에 맞추어 밸브(42)의 완전 닫힘상태에 도달하도록 적절히 설정되는 바, 이러한 시간 및 속도는 발전시스템의 전체적인 설계 사양에 따라 적절히 설정될 수 있다.
특히, 상기 밸브장치(40)는 에어 밸브를 구비하고 있어서, 기포를 효과적으로 제거할 수 있는 이점을 제공한다.
예를 들면, 압력변화의 크기는 어느 경우라도 유속변화에 비례하게 되는데, 밸브 상류(상단)는 압력이 상승하고, 밸브 하류(하단)는 압력이 저하되므로, 수차 제작시 하단부에 에어 밸브를 장착하는 것이 바람직하다.
즉, 밸브 하단 꼭대기 부분은 기포가 응집되므로, 이에 따라 하단 부분에 에어 밸브를 장착하여 에어를 효과적으로 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어장치(46)는 발전장치(34)의 보호를 위한 제어를 수행하도록 구성될 수 있는데, 상기한 단전시뿐만 아니라 발전장치(34)의 이상 발생시, 예컨대 발전기의 고정자 과열, 발전기 내부 누수, 발전기의 베어링 파괴 등이 발생한 비상상황에서 밸브장치(40)를 닫아주게 된다.
밸브장치(40)를 닫아주는 방식은 단전시와 같은 완속 닫힘 제어 방식이며, 발전장치(34)의 이상을 감지하기 위하여 도면상 예시하지는 않았으나 발전기 고정자의 온도를 검출하기 위한 온도검출장치, 발전기 내부의 누수를 검출하기 위한 누수검출장치, 발전기 베어링의 온도를 검출하기 위한 온도검출장치 등이 추가로 설치될 수 있다.
이때, 제어장치(46)는 온도검출장치의 검출값이 발전기 이상을 감지하기 위한 설정온도를 초과하거나 누수검출장치로부터 발전기 내부 누수를 감지한 경우 밸브장치(40)를 닫아주게 된다.
그리고, 상술한 바와 같은 본 발명의 소수력발전시스템(S)에서 집수정(14)에는 집수된 여과수의 수위를 검출하기 위한 수위계(48)가 설치될 수 있고, 여과수의 최종 방류처인 연결수로 또는 저류조(50)에는 음용수 또는 생활용수로 공급되는 여과수의 유량을 계측하기 위한 유량계(미도시됨)가 설치될 수 있다.
여기서, 수위계(48) 또는 유량계의 검출값은 제어장치(46)로 입력되며, 특히 제어장치(46)가 수위계(48) 또는 유량계의 검출값을 입력받아 그에 따라 밸브장치(40)를 제어하도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 7의 그래프에서 볼 수 있듯이, 상기 수위계(48)는 집수정(14) 내 여과수가 방류 하한치에 도달함을 검출하기 위해 구비되는 것으로, 제어장치(46)는 수위계(48)의 검출값을 통해 집수정(14) 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위임을 판단하게 되면 유로를 닫아주도록 밸브장치(40)를 제어하게 된다.
이때, 밸브장치(40)의 제어는 앞서 설명한 바와 같이 수압의 급상승 및 수격압 발생을 차단할 수 있도록 미리 설정된 닫힘시간 동안 밸브(42)를 정해진 속도로 서서히 동작시키게 되며, 완전 닫힘시까지 밸브의 닫힘량이 단계적으로 증가될 수 있도록 제어하게 된다.
본 발명에서 수위계(48)로는 음파식(초음파식), 부자식, 압력식 등 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
여기서, 상기 수위계(48)가 구비되어 있지 않는 경우, 집수정 내의 물이 바닥이 들어나도록 방출하게 되고, 이로 인해 기포가 수차에 들어가면 수차의 회전이 가속화되어, 발전기가 과열로 파괴될 수 있게 된다(수차 비속도).
또한, 도 8의 그래프에서 볼 수 있듯이, 유량계의 경우, 관 속 물이 흐름과 불규칙 흐름변화를 방지하며, 또한 불규칙변화를 방지하는 기능을 하고, 유량의 조정기능에 변화는 계측기에 전달하여 밸브장치(40)가 작동될 수 있도록 해주는 역할을 한다.
즉, 상기 유량계는 관 내에 설치되는 유량의 변화를 측정하고, 이때의 측정된 유량을 입력받은 제어장치(46)의 출력 제어에 의해 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어가 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 유량계는 여과수가 최종 방류되는 연결수로 또는 저류조(50)에서 외부의 수요처로 공급되는 여과수의 유량을 검출하기 위한 것으로, 연결수로 또는 저류조(50)에서 외부로 연결되는 상수도관 또는 생활용수관(미도시됨)에 설치될 수 있다.
이 경우, 유량계가 상수도관 또는 생활용수관을 통해 공급되는 공급유량을 검출하여 제어장치(46)로 입력하고, 제어장치(46)는 유량계에 의해 검출된 공급유량을 물값을 계산하는데 사용할 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 상기한 구성의 친환경적 소수력발전시스템(S)은 하천, 저수지, 호수, 습지 등의 소규모 저장수로부터 하측 지반을 통과한 뒤 정수장치(A)를 통해 여과 및 취수되는 여과수를 음용수나 생활용수, 발전용수로 활용할 수 있도록 구성되는 것으로, 정수장치(A)를 소수력발전시스템에 적용하여 구성됨으로써, 부유물 및 잔자갈, 혼탁수를 환경친화적으로 정화하여 음용수나 생활용수로 사용할 수 있도록 하는 기능과 더불어, 도수터널(32)을 통해 방류되는 여과수의 친환경적 압력, 운동, 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 기능을 구비하게 된다.
이로써 주변지역으로의 용수 공급 및 전력 공급에 기여할 수 있게 되며, 조압수조 삭제 등을 통해 건설비용의 절감은 물론 생산 전력의 이용으로 유지보수비의 절감에도 기여할 수 있게 되는 등 여러 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 소수력발전시스템에서는 단전시나 발전장치(34)의 이상 발생 등 비상시에, 그리고 지층수 정수장치(A)의 집수정(14) 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위인 경우 도수터널(32)을 통해 발전장치(34)로 유입되는 발전용수(여과수)를 차단하기 위한 밸브장치(40)의 닫힘을 완속 제어해줌으로써, 종래의 조압수조 설치 없이도 급격한 수압 상승 및 수격압을 방지하고, 수격압으로 인한 문제 발생을 방지할 수 있게 된다.
발전장치에서 밸브장치가 급격히 닫히면, 액체는 기체에 비해 압축성이 적고 밀도가 크기 때문에, 밸브장치에 의해 물의 흐름이 급격히 차단되면서 관로 내에 일시적으로 큰 압력상승이 발생하며, 이러한 압력변화는 유속변화에 비례한다.
이러한 과도한 압력변화가 수격압이며, 이는 주 기기 및 관로의 파괴를 초래할 수 있다.
이에 종래에는 수격압을 고려한 조압수조의 설치가 필요하였으나, 본 발명에서는 밸브의 완속 닫힘 제어로 조압수조의 설치가 생략될 수 있다.
아래는 수격압의 산출 예 및 수격압 해소를 위한 밸브 닫힘시간의 산출 예를 나타낸 것으로서, 밸브의 최적의 닫힘 완속 제어를 위해 설정되는 밸브 닫힘시간을 제공한다.
Ⅰ.수격압으로 인한 압력상승[PRESSURE RISE DUE TO WATER HAMMER(reviewed by Suppller)]
① Design Condition:
Wave velocity a= 1000 m/sec
Length of watersay: L= 650 m
net head: H= 13 m
turbine discharge: Qt= 27.8 cms
diameter of waterway= 4 m
nos of units= 6 ea
g= 9.8 m/sec＾2
pipe period: u=2L/a 1.3 sec
starting time of water column, Tw = LV/(gH)
area of waterway, A= 12.56 m＾2
② Case study of alternative operation :
Nos of V Tw Tg u(Tw/Tg) pressure rise Max.head
Operation (m/sec) (sec) (sec) (%) (m)
6 2.213 11.293 2.5 4.52 2,136 290.7
5 2.26 596 90.4
10 1.13 193 38.1
15 0.75 109 27.1
20 0.56 75 22.7
25 0.45 57 20.3
30 0.38 45 18.9
4 1.476 7.528 2.5 3.01 998 142.7
5 1.51 302 52.2
10 0.75 109 27.1
15 0.50 64 21.4
20 0.38 45 18.9
25 0.30 35 17.6
30 0.25 28 16.7
3 1.107 5.646 2.5 2.26 596 90.4
5 1.13 193 33.1
10 0.56 75 22.7
15 0.38 45 18.9
20 0.28 32 17.2
25 0.23 25 16.3
30 0.19 21 15.7
2 0.738 3.764 2.5 1.51 302 62.2
5 0.75 109 27.1
10 0.38 45 18.9
15 0.25 26 16.7
20 0.19 21 15.7
25 0.15 16 15.1
30 0.13 13 14.7
1 0.369 1.882 2.5 0.75 109 27.1
5 0.38 45 18.9
10 0.19 21 15.7
15 0.13 13 14.7
20 0.09 10 14.3
25 0.08 8 14.0
30 0.06 6 13.8
Ⅱ. 수격압으로 인한 압력상승[PRESSURE RISE DUE TO WATER HAMMER(reviewed by Owner)]
① Design Condition:
Wave velocity a= 1000 m/sec
Length of watersay: L= 739 m
net head: H= 13 m
turbine discharge: Qt= 27.8 cms
diameter of waterway= 4 m
nos of units= 6 ea
g= 9.8 m/sec＾2
pipe period: u=2L/a 1.478 sec
starting time of water column, Tw = LV/(gH)
area of waterway, A= 12.56 m＾2
② Case study of alternative operation :
Nos of V Tw Tg u(Tw/Tg) pressure rise Max.head
Operation (m/sec) (sec) (sec) (%) (m)
6 2.213 12.839 2.5 5.14 2,734 368.4
5 2.57 748 110.2
10 1.28 235 43.5
15 0.86 130 29.9
20 0.64 88 24.4
25 0.51 66 21.6
30 0.43 53 19.9
4 1.476 8.559 2.5 3.42 1,265 177.4
5 1.71 372 61.3
10 0.86 130 29.9
15 0.57 76 22.8
20 0.43 53 19.9
25 0.34 41 18.3
30 0.29 33 17.3
3 1.107 6.419 2.5 2.57 748 110.2
5 1.28 235 43.5
10 0.64 88 24.4
15 0.43 53 19.9
20 0.32 30 17.9
25 0.26 29 16.8
30 0.21 24 16.1
2 0.738 4.280 2.5 1.71 372 61.3
5 0.86 130 29.9
10 0.43 53 19.0
15 0.29 33 17.3
20 0.21 24 16.1
25 0.17 19 15.4
30 0.14 15 15.0
1 0.369 2.140 2.5 0.88 130 29.9
5 0.43 63 19.9
10 0.21 24 16.1
15 0.14 15 15.0
20 0.11 11 14.5
25 0.09 9 14.2
30 0.07 7 14.0
Ⅲ. 조압수조 설치와 관련한 검토(Review for the installation of Surge Tank)
A. 조압수조가 없는 경우(without SURGE TANK)
Installation of Surgetank : No
① Conditions
H = 14.16 M ; Gross Head
Hr = 13 M ; Rated Net Head
Hn = 13 M ; Minimum Net Head
Pinst = 2,940 kW
nos of units = 3 ea
ng = 0.94
Pt / Unit = 521 kW
N = 514 rpm
Fp = 0.8 power factor
kVA = 613 generator rating
Qnax = 27.80 cms
② Calculation of Tw
Warterway Li Vi LiVi Dia. Nos
(m) (m/sec) (m)
Headrace 727.00 2.21 1,608.31 4 1
Steel Penstock 12.00 2.21 26.55 4 1
Sum 736.00 1,634.86
Tw= (LV/Gh)= 12.83 sec
③ Min. starting time for stable governing : Tm
Tm= Fs*Tw= 32.08 sec (with relief valve Fs=2.5)
The required Min.
WR＾2= 6.7*10000*P*Tm/n＾2= 4,241 kg-m＾2
④ Ns
Ns= n*P＾0.5/H＾1.25= 475.41
⑤ Tm(rev,) :
from Table 10-2 and Fig. 10-20 in "Governing of Water Turbines, Blackie and Sones Ltd., 1970"
K= 0.71 <------ Ns
Tg= 30 sec (minimum closing time by supplier)
Tw/Tg= 0.43
dh= 0.30 < 0.7 ok :Pressure rise(designed by supplier)
dV= 0.6 0.6 :Speed Rise(designed by supplier)
Tm= 24.98 sec
⑥ WR＾2 (rev.)
WR＾2= 6.7*10000*P*Tm/n＾2= 3.303 kg-m
⑦ Conclusions
Tm= 24.98 sec
Tw= 12.83 sec
Tm= 24.90 > 32.08 NOT OK (minimum Tm)
Tm/Tw= 1.95 > 2.5 NOT OK
(2.5 is desirable minimum value off-line stability : HARZA)
B. 조압수조가 있는 경우(with SURGE TANK)
Installation of Surgetank : Yes
① Conditions
H = 14.16 M ; Gross Head
Hr = 13 M ; Rated net head
Hn = 13 M ;
Pinst = 2,940 kW
nos of units = 3 ea
ng = 0.94
Pt / Unit = 521 kW
N = 514 rpm
Fp = 0.80 power factor
kVA = 613 generator rating
Qnax = 27.80 cms
② Calculation of Tw
Warterway Li Vi LiVi Dia. Nos
(m) (m/sec) (m)
Headrace 95.00 2.21 210.16 4.00 1
Steel Penstock 12.00 2.21 26.55 4.00 1
Sum 107.00 236.71
Tw= (LV/Gh)= 1.86 sec
③ Min. starting time for stable governing : Tm
Tm= Fs*Tw= 4.65 sec (with relief valve Fs=2.5)
The required Min.
WR＾2= 6.7*10000*P*Tm/n＾2= 614 kg-m＾2
④ Ns
Ns= n*P＾0.5/H＾1.25= 475.41
⑤ Tm(rev,) :
from Table 10-2 and Fig. 10-20 in "Governing of Water Turbines, Blackie and Sons Ltd., 1970"
K= 0.71 <------ Ns
Tg= 13.00 sec (minimum closing time by supplier)
Tw/Tg= 0.14
dh= 0.13 < 0.7 OK :Pressure rise(designed by supplier)
dV= 0.6 0.6 :Speed Rise(designed by supplier)
Tm= 7.10 sec
⑥ WR＾2 (rev.)
WR＾2= 6.7*10000*P*Tm/n＾2= 939 kg-m
⑦ Conclusions
Tm= 7.10 sec
Tw= 1.86 sec
Tm= 7.10 > 4.65 OK (minimum Tm)
Tm/Tw= 3.82 > 2.5 OK
(2.5 is desirable minimum value off-line stability : HARZA)
이하, 상기한 친환경적 소수력발전시스템의 시공 방법에 대해 설명하기로 한다.
우선, 본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템(S)을 시공하기 위해서는 지층수 정수장치(A)를 시공하고, 더불어 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)에서 집수된 여과수가 낙차에 의해 배출될 수 있도록 경사지게 도수터널(32)을 설치하며, 도수터널(32)의 하단에 발전장치(34)를 설치하는 과정으로 진행하게 된다.
지층수 정수장치(A)의 시공 과정에 대해서는 전술한 바와 같으며, 도수터널(32)의 시공은 지층수 정수장치(A)의 시공이 모두 완료된 상태에서 진행할 수 있으나, 집수정(14)과 프리캐스트 구조물(16)을 설치한 뒤 도수터널(32)과 발전장치(34)를 설치하고 나서 수평공(18) 형성, 여과필터케이싱(20) 삽입, 취수유공관(22) 삽입, 여과필터(24) 삽입, 여과필터케이싱(20) 제거 등 지층수 정수장치(A)의 나머지 시공 과정을 이어 실시하는 것도 가능하다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 친환경적 소수력발전시스템의 시공 순서를 도시한 공정도로서, 이는 상기한 바와 같이 도수터널(32)과 발전장치(34)를 설치한 뒤 수평공(18) 형성, 여과필터케이싱(도 4d에서 도면부호 20) 삽입, 취수유공관(도 4d, 도 4e에서 도면부호 22) 삽입, 여과필터(도 4e에서 도면부호 24) 삽입, 여과필터케이싱(20) 제거 등의 나머지 시공 과정을 이어 실시하는 예를 나타낸 것이다.
도수터널(32)의 시공은 전술한 바와 같이 드릴장비나 마이크로터널 장비 등을 이용하여 실시할 수 있으며, 도수터널(32)의 출구측에 수차(36)와 발전기(38)를 설치하여, 발전시스템의 운전 중 집수정(14)으로부터 방류되는 여과수가 도수터널(32)을 통해 공급되면, 낙차에 의한 방류 여과수의 위치에너지에 의해 수차(36)가 회전되면서, 수차(36)에 연결된 발전기(38)가 전기를 생산할 수 있도록 한다.
상기한 바와 같은 친환경적 소수력발전시스템은 수량이 풍부하고 일정한 지표수 하측의 지중 여과수를 발전에 이용하므로 취수펌프 운전 등에 소요되는 유지관리비용을 절감할 수 있도록 하고, 연중 수량 변동에 관계없이 안정적인 발전이 가능하도록 하며, 전력부족지역의 전력난 해소에 도움을 주게 된다.
또한, 여과수의 취수, 그리고 식수 및 용수로의 공급, 발전이 모두 가능한 이점과 더불어, 모든 작업이 지하에서 이루어지므로 경관훼손이나 민원문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 영구적으로 활용될 수 있는 에너지원으로서 그 활용가치가 매우 크다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 지표수 12 : 지반
14 : 집수정 16 : 프리캐스트 구조물
18 : 수평공 20 : 여과필터케이싱
22 : 취수유공관 24 : 여과필터
32 : 도수터널 34 : 발전장치
36 : 수차 38 : 발전기
40 : 밸브장치 42 : 밸브
44 : 액츄에이터 46 : 제어장치
48 : 수위계 A : 지층수 정수장치
S : 소수력발전시스템

Claims (18)

  1. 지반을 통과한 지층수를 여과필터(24)와 취수유공관(22)을 통해 여과 및 취수하여 집수정(14)에 집수하는 지층수 정수장치(A);
    상기 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)으로부터 경사를 가지고 설치되는 도수터널(32);
    상기 도수터널(32)의 하부에 설치되어 집수정(14)에서 도수터널(32)을 통해 방류되는 여과수에 의해 전기를 생산하는 발전장치(34);
    상기 도수터널(32)로부터 발전장치(34)로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브장치(40);
    상기 밸브장치(40)의 개폐 구동을 제어하기 위한 제어장치(46);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제어장치(46)에는 밸브장치(40)의 닫힘이 완료될 때까지의 닫힘시간 및 닫힘속도가 미리 설정되며,
    상기 밸브장치(40)는 제어장치(46)의 제어에 의해 미리 설정된 닫힘시간과 닫힘속도에 따라 그 닫힘이 완속 제어되므로서, 급격한 밸브 닫힘으로 인한 수격압 발생을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브장치(40)는 미리 설정된 7∼15초의 시간 동안 그 닫힘이 완속 제어되는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어는 단전시나 발전장치(34)의 이상 발생시에 이루어지는 것임을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)에 설치되는 수위계(48)를 더 포함하고,
    상기 수위계(48)의 검출값을 입력받은 제어장치(46)가 집수정(14) 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위임을 판단하게 되면 상기 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)의 도수터널(32)에 설치되는 유량계를 더 포함하고,
    상기 유량계의 검출값을 입력받은 제어장치(46)의 출력 제어에 의해 상기 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)는,
    지표수(10) 인근의 지반(12)을 굴착하여 시공되는 집수정(14);
    상기 집수정(14)에 다수개가 적층되어 설치되는 관 형상의 프리캐스트 구조물(16);
    상기 지표수(10)의 하측 지반을 통과한 뒤 유입되는 여과수를 취수하여 상기 집수정(14)으로 안내하도록 지중에 적어도 한 개 이상으로 설치되는 취수유공관(22);
    상기 취수유공관(22) 내에 삽입되어 취수유공관으로 유입되는 지층수를 여과하는 여과필터(24);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)는 집수정(14)에 집수된 여과수를 펌핑하여 음용수 또는 생활용수로 공급하기 위한 펌프(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 취수유공관(22)의 외주면에 토목섬유 또는 드레인보드(27)가 설치되는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브장치(40)는 밸브 하단부에 설치되어 기포를 제거하는 에어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 도수터널(32)은 발전장치(34)를 통해 음용수 또는 생활용수 공급을 위한 연결수로 또는 저류조(50)로 연결되고, 상기 도수터널(32)로부터 방류되어 발전장치(34)를 통과한 방류 여과수가 상기 연결수로 또는 저류조(50)로 배출된 뒤 상수도관 또는 생활용수관을 통해 음용수 또는 생활용수로 공급될 수 있게 된 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전시스템.
  11. 지반을 통과한 지층수를 여과필터(24)와 취수유공관(22)을 통해 여과 및 취수하여 집수정(14)에 집수하는 지층수 정수장치(A)를 시공하는 단계;
    상기 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)으로부터 경사를 가지도록 도수터널(32)을 시공하는 단계;
    상기 도수터널(32)의 하부에 발전장치(34)를 설치하는 단계;
    상기 도수터널(32)로부터 발전장치(34)로 유입되는 여과수의 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브장치(40)를 설치하고, 상기 밸브장치(40)의 개폐 구동을 제어하기 위한 제어장치(46)를 구비하는 단계;
    지반을 통과한 지층수가 여과 및 취수된 뒤 상기 집수정(14)에 집수되는 단계;
    상기 발전장치(34)가 집수정(14)으로부터 도수터널(32)을 통해 방류되는 여과수에 의해 전기를 생산하는 단계;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제어장치(46)에는 상기 밸브장치(40)의 닫힘이 완료될 때까지의 닫힘시간 및 닫힘속도가 미리 설정되며,
    상기 밸브장치(40)는 제어장치(46)의 제어에 의해 미리 설정된 닫힘시간과 닫힘속도에 따라 그 닫힘이 완속 제어되므로서, 급격한 밸브 닫힘으로 인한 수격압 발생을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 밸브장치(40)는 미리 설정된 7∼15초의 시간 동안 그 닫힘이 완속 제어되는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어는 단전시나 발전장치(34)의 이상 발생시에 이루어지는 것임을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)의 집수정(14)에 수위계(48)를 설치하고,
    상기 수위계(48)의 검출값을 입력받은 제어장치(46)가 집수정(14) 내 여과수가 방류 하한치 이하의 수위임을 판단하게 되면 상기 밸브장치(40)의 완속 닫힘 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 지층수 정수장치(A)를 시공하는 단계는,
    지표수(10)로부터 일정거리 이격된 지반(12)을 굴착하여 집수정(14)을 형성하는 단계;
    상기 집수정(14)에 관 형상의 프리캐스트 구조물(16)을 다수개 적층하여 설치하는 단계;
    상기 프리캐스트 구조물(16)의 측면에서 지표수(10)가 있는 방향으로 천공하여 지중에 수평공(18)을 형성하는 단계;
    상기 수평공(18) 내에 여과필터케이싱(20)을 삽입하는 단계;
    상기 여과필터케이싱(20) 내에 취수유공관(22)을 삽입하는 단계;
    상기 취수유공관(22) 내에 여과필터(24)를 삽입하는 단계;
    상기 여과필터케이싱(20)을 수평공(18)으로부터 제거하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 집수정(14)에 집수된 여과수를 펌핑하는 펌프(26)를 설치하고, 상기 펌프(26)를 이용하여 집수정(14)에 집수된 여과수를 음용수 또는 생활용수로 공급하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 취수유공관(22)의 삽입시 취수유공관(22)의 외주면에 토목섬유 또는 드레인보드를 감싼 상태로 설치하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 프리캐스트 구조물(16)을 설치한 뒤 도수터널(32)을 시공하는 단계에서 프리캐스트 구조물(16)의 하단부로부터 도수터널(32)을 설치하고,
    발전장치(34)를 설치하는 단계에서 상기 도수터널(32)의 하단부 출구에 발전장치(34)를 설치하는 것을 특징으로 하는 친환경적 소수력발전방법.
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