KR20110107892A

KR20110107892A - 3-조지식 조력발전소구조물과 운전관리 프로그램

Info

Publication number: KR20110107892A
Application number: KR1020100027030A
Authority: KR
Inventors: 홍문표
Original assignee: 홍문표
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-05

Abstract

본 발명은 복조식에서 복류식 발전에 양수발전을 추가한 3-조지식 조력발전에 관한 것으로, 발전낙차를 크게 벌리고 복류식 발전으로 발전량을 극대화하며 조석간만을 유지하고 발전량의 기복을 해소하기 위하여, 지형적으로 2~3개의 저수지를 만들기가 유리한 해안이나 포구에 지형과 저수능력에 따라 3개의 저수지와 4~5개소의 발전소를 건설하여 입수발전으로 배수발전용수를 만조수위까지 확보하여 각각 다른 시간에 낙차가 큰 쪽으로 발전함으로써 발전효율을 극대화하고, 잉여전력이 발생할 때는 양수발전용 제3저수지에 수차동력으로 양수한 물을 저장했다가 발전량이 부족하거나 발전이 정지될 때 양수발전으로 보충하는 3-조지식 조력발전소 구조물과 운전관리 프로그램에 관한 것으로, 교각의 수중설치공사공법과 수문의 다단계 설치로 공사기간 단축과 투자비용 절감으로 발전원가를 낮추고 4배 이상 증가한 발전량으로 24시간 중단 없이 전력수요를 충족시키며 특히 강 하구에 건설할 때는 홍수조절용으로도 활용하는 것을 특징으로 한다.

Description

3-조지식 조력발전소구조물과 운전관리 프로그램{Reformed tidal generation structures and working management program with the 3 basins}

본 발명은 3개소의 저수지를 활용하는 3-조지식(潮池式) 조력발전소 구조물과 운전관리 프로그램에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 지형적으로 2~3개의 저수지를 만들기가 유리한 해안이나 포구에 저수면적이 넓고 수심이 깊은 곳에는 제1저수지, 수심이 얕은 곳에는 제2저수지를 축조하여 각각 외해로 발전하는 제1발전소와 제2발전소, 및 제2저수지에서 제1저수지로 발전하는 제3발전소를 건설하여, 입수발전으로 배수발전용수를 만조수위까지 확보하여 각각 다른 시간에 낙차가 큰 쪽으로 발전함으로써 발전효율을 극대화하고, 잉여전력이 발생할 때는 제1발전소와 가까운 곳에 축조한 양수발전용 제3저수지에 수차동력으로 직접 양수한 물을 위치에너지로 저장했다가 발전량이 부족하거나 발전이 정지될 때 양수발전으로 보충하여 24시간 계속 전력 수요를 충족시키는 3-조지식 조력발전소 구조물과 운전관리 프로그램에 관한 것이다.

복조식 조력발전의 본래 목적은 2개의 저수지를 축조하여 밀물 때 제1저수지에 저수한 발전용수로 제2저수지로 발전하고, 썰물 때에 외해로 방류하여 제2저수지를 비움으로써 제1저수지와 제2저수지 사이에 항상 큰 낙차를 유지하여 24시간 발전할 수 있도록 하여 단조식 발전의 단점을 해소하는 것으로, 제1저수지의 만조수위와 저수능력 및 제2저수지의 수위 상승 높이에 따라서 입수수문과 배수수문에서도 각각 밀물과 썰물이 교차할 때마다 1일 4~5시간씩 발전할 수 있다.

그러나 이러한 방법도 사리와 조금 사이의 발전량 격차를 해소할 수 없고, 제1저수지는 항상 물이 차있는 저수지로 변하는 반면, 제2저수지는 저수능력에 따라서 거의 60~80% 이상의 갯벌이 영원히 드러나 간척지로 사용할 수는 있지만 제2저수지의 저수능력만큼의 발전량이 감소하여 투자비용에 비해 발전단가가 단조식으로 발전할 때보다 비싸고 두 저수지의 조석간만을 더 이상 기대할 수 없다.

특히 큰 낙차를 확보할 수 없고 낙차조절이 어려운 입수수문과 배수수문에 낙차가 좁을수록 발전효율이 떨어지는 동력변환장치를 적용하고 입수발전과 배수발전 시간을 각각 1일 6~8시간 이상씩 연장하지 못하면 발전량이 기대치만큼 증가하지 못할 수 있다.

그러므로 저수면적이 넓고 수심이 깊은 곳을 제1저수지로, 수심이 얕은 곳을 제2저수지로 축조하여 저수지마다 제1발전소와 제2발전소를 건설하고, 제1저수지와 제2저수지 사이에 제3발전소를 건설하여 입수발전으로 확보한 발전용수로 저수용량에 따라 제1발전소에서 적당한 시간에 배수발전을 시작하여 평균발전량 또는 전력수요에 맞춰 발전량을 조절하다가 낙차가 가장 클 때 집중적으로 발전하고 제1발전소의 발전량이 감소할 때부터 제2, 제3발전소에서 발전하여 발전시간을 최대한 연장한다.

단조식 조력발전에서 단류식으로 발전할 때는 외해의 수위가 간조 전후에 도달했을 때 낙차가 가장 크므로 이때에 집중적으로 발전하고, 저수지 수위가 조석간만의 2/3 수준 이하로 내려가도록 방류량이 많거나 사리 때에 저수한 물로 조금이 지날 때까지의 발전용수로 이용할 때는 발전량이 감소하지만, 복류식 발전 특히 3-조지식 발전에서는 제1저수지의 발전용수량(=저수량)이 많이 남아있을수록 제3발전소의 발전낙차가 좁아지고, 입수발전량이 감소하며 입수발전시간도 늦어지므로, 보조수문이나 통선문을 통해서라도 제1저수지 수위가 외해의 간조수위에 근접하도록 방류를 촉진하지 않으면 안 된다.

제1발전소에서 집중적으로 발전할 때 잉여전력이 발생하면 수차동력으로 직접 양수할 수 있도록 발전동력을 양수동력으로 전환하여 양수한 물을 제1발전소 근처에 건설한 제3저수지에 저수했다가 발전량이 감소하거나 발전이 중단되었을 때 양수발전으로 전력수요를 충족시킬 수 있다.

조력발전의 가장 큰 단점이 순간 발전량이 아무리 많아도 <전기은행>이나 양수발전용수로 저장하지 않으면 잉여전력이 될 수밖에 없으므로, 발전량을 극대화하고 24시간 전력수요를 충족시키기 위해서는 양수발전이 필수적으로 추가돼야 하며, 상기와 같이 수차동력을 직접 이용함으로써 양수발전효율을 16%에서 40%로 2.5배 이상 향상시키고, 제1, 제2, 제3발전소의 낙차조절에도 유효하게 활용할 수 있다.

따라서 발전량을 극대화할 수 있는 조력발전소의 조건은,

첫째, 3개 저수지와 4개 이상의 발전소 건설은 필수이고,

둘째, 제1, 제2발전소 규모가 각 저수지의 최대저수량을 3m/sec의 유속으로 2~3시간 이내에 충분히 통과시킬 수 있어야 하고, 유속이 느려졌을 때 추가 입수하거나 배수할 수 있는 보조수문 또는 통선문이 필요하다.

셋째, 동력변환장치(수차)는 초저낙차에서도 종합효율이 90% 이상이고, 수심에 따라서 수직 다단계로 설치될 수 있어야 하며, 복류식으로 가동할 때 조류의 방향에 따라서 변환효율이 떨어지거나 회전방향이 바뀌지 않아야 한다.

다섯째, 발전소 구조물이 간단하여 임시 물막이 공사를 하지 않고도 교각을 설치함으로써 공사기간을 대폭 단축하고 공사 중에도 조석간만을 그대로 유지할 수 있어야 한다.

현재 건설 중인 시화조력발전소에 적용한 벌브케이스형 수차발전기는 통과유속을 평균 6m/sec로 가속하여 1일 방조제를 통과하는 1억6천만m³의 바닷물 중에서 1/2만 단류식 발전용수로 이용하여 1,512,330kw의 전기를 생산할 계획이므로, 1kw(Pe)당 53m³(Q)의 발전용수가 소요되고, 6m/sec의 유속을 내려면 4.14m(H) (v=√2gh)의 낙차가 필요하므로 발전할 수 있는 시간이 짧으며, 종합효율{=Pe x 102÷(·Q·H)}이 0.454밖에 안 되고 더구나 수평으로 설치되고 벌브케이스 때문에 복류식으로 발전할 수 없어 낙차조절이 불리한 한쪽은 발전을 포기할 수밖에 없다.

그러나 물주머니 수차, 날개 접이식 수차 및 수정날개접이식 수차는 수직으로 설치되어 회전방향이 일정하여 복류식으로 발전할 수 있고, 회전속도와 통과수량이 정비례하여 초저낙차에서도 종합효율이 90% 이상이며, 모든 수차를 규격(지름)이 같도록 제작하면 수직 다단계로 설치하여 발전소 건설규모를 축소할 수도 있고, 호환성이 있는 다른 종류의 수차로 쉽게 교체할 수도 있다.

복류식으로 발전할 수 있는 수차는 1억6천만m³의 물을 모두 발전용수로 활용할 수 있으므로 발전기의 전기출력공식{Pe=(1.024xQxH)÷102}xη에 대입하여 산출하면, 5,927Mw{1.024x160백만m³x4.1m)x0.9÷102=5,927,153}의 전기가 매일 생산된다.

그러나 1억6천만m³의 발전용수는 평균 조차의 2/3선까지 수위가 유지될 때의 발전용수량이고, 복류식으로 발전하려면 저수지 수위를 외해의 간조 수위까지 배수해야 하므로 50% 가까운 발전용수가 더 증가하지만 추가 입수와 배수를 감안하더라도 그 중에서 적어도 80%의 발전용수에서 2m의 낙차로 발전하여 1,157Mw{(1.024x1억6천만m³x0.5x0.8x2m)x0.9÷102}의 전기가 추가로 생산되므로, 1일 발전량이 7,084Mw(연간 2,585,660Mw)로 단류식으로 발전할 때보다 4배 이상 많은 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 시간당 평균 295,000kw씩 1일 24시간 중단 없이 송전할 수 있을 것이다.

인천만과 강화만 및 석모도 서쪽 바다를 포함하는 3-조지식 조력발전의 경우, 1일 18,200Mw~22,598Mw의 전력을 24시간 중단 없이 생산할 수 있고, 한강물을 제2저수지 또는 제1저수지로 유입시킬 때에 1차 발전하고 배수발전용수로 재활용함으로써 발전량을 늘릴 수 있으며, 홍수 때는 유입량을 감안하여 입수발전량을 제한하고 배수발전을 촉진하여 저수지 수위를 조절함으로써 홍수도 예방할 수 있다.

발전소 규모를 여유 있게 건설하여 발전효율을 극대화하고 24시간 전력수료를 충족시킬 수 있도록 운전하기 위해서는,

A.유효낙차에 도달하더라도 발전용수가 허용하는 한도 내에서 최대 발전낙차에 도달할 때까지는 발전을 보류하고,

B.낙차가 가장 클 때 집중적으로 발전하고 양수발전용수도 이때에 확보하되 양수발전 의존도를 낮추며,

C.이후 낙차가 좁아지더라도 발전을 계속하여 저수지 수위가 외해의 만조나 간조수위가 같아지도록 입수량과 방류량을 조절하고,

D.어느 쪽이든지 낙차가 유리한 쪽으로 발전하며,

E.발전량이 평균발전량에 미달하거나 발전이 중단될 때는 양수발전으로 부족한 전력수요를 보충한다.

[문헌 1] KR 10-2006-0015470. 2006. 02. 17 1쪽, 4-5쪽, 도면 1. [문헌 2] KR 10-2009-0088811. 2009. 09. 21. 13-15쪽, 도면 1, 3, 10. [문헌 3] KR 10-2009-0088810. 2009. 09. 21. 17-19쪽, 도면 3, 5, 12. [문헌 4] KR 10-2009-0088796. 2009. 09. 20. 15-17쪽, 도면 1, 4, 7. [문헌 5] KR 10-2009-0088795. 2009. 09. 20. 12-13쪽, 도면 1-5.

[문헌 6] Daum 백과사전. 수력발전. 1-4쪽. 2008. 11. 25. [문헌 7] Daum 백과사전. Tidal power. 1-7. 2008. 11. 25.

그러므로 조력발전소에 3개의 저수지와 4개소 이상의 발전소를 건설하여 발전낙차를 최대한 크게 벌리고, 초저낙차에서도 발전효율이 높은 동력변환장치를 이용한 복류식 발전으로 발전량을 극대화하며, 저수지의 조석간만을 종전과 같이 유지하고, 조석간만으로 인한 발전량의 기복은 물론 사리와 조금으로 인한 발전량의 격차까지 해소함으로써 전력수요를 충족시키고 잉여전력이 거의 발생하지 않도록 하며, 24시간 중단 없이 전력을 공급하는 3-조지식 조력발전소 구조물과 그 운전프로그램을 개발하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 지형적으로 2개 내지 3개의 저수지를 건설할 수 있는 해역이나 포구에, 저수면적이 넓고 수심이 깊은 지역을 제1저수지(131), 수심이 얕은 지역을 제2저수지(132)로 분할하고, 상기 제1저수지(131)와 인접한 해역 또는 육지에 상기 제1저수지(131) 수위보다 15m 이상 높은 양수발전용 제3저수지(133)를 조성한다.

제1저수지 방조제에 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 수심에 따라서 수직 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하고, 일부 발전소에 수차동력으로 양수하는 양수장치를 설치하는 제1발전소(136)와, 상기 제2저수지 방조제에 수심에 따라서 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 수직 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하는 제2발전소(137)와, 상기 제1저수지(131)와 제2저수지(132)사이에 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정날개접이식 수차 중 하나를 적용하여 단류식으로 발전하는 제3발전소(138)를 건설한다.

상기 제3저수지(133)의 외해 측 방조제나, 상기 제1저수지(131) 방조제와 상기 외해 측 방조제가 만나는 코너에서 양쪽 방조제를 연결하는 삼각지의 제3저수지(133) 쪽에 양수발전용 제4발전소를 건설하고 양쪽 방조제에 배수구를 설치하여 방류수가 낙차가 유리한 쪽으로 배수되도록 한다.

상기 제1저수지(131)나 제2저수지(132)로 강물이 유입되는 지류에 나선형 날개수차(15)를 다단계로 설치하는 제5발전소(142) 및 입수수문을 설치하여 강물을 이용하여 입수발전한다.

상기 모든 발전소마다 양쪽에서 수직으로 개폐되는 수문(76) 및 수문타워와, 상기 수문(76) 외측으로 상기 방조제와 연결되는 도로(124)와, 방조제마다 추가 입·배수용 수문을 겸하는 통선문(141)을 설치한다.

상기 제1발전소(136)의 일부 수차와 발전기 사이에 동력접속장치(117)를 장착하여 양수할 때마다 발전을 중단하고, 상기 수차의 하단 원형판(59)에 부착한 대형 기어(58a)와, 상기 대형 기어의 동력을 양수동력으로 전환하는 접속 및 가속장치(58)로 수차동력을 양수기(121) 동력으로 전환하고, 상기 양수기(121)를 교각(95) 내부를 수직으로 통과하여 수평 양수수로(122)와 연결하는 수직 양수수로(122a)와 플랜지(110)로 결합하고, 상기 수직양수 수로(122a) 상단에 역류를 차단하는 체크밸브를 부착하며, 상기 발전소 작업공간(82) 상단을 연결하는 수평 양수 수로(122)를 통하여 양수발전용 제3저수지로 송수하며, 제4발전소(139)를 외해와 접한 방조제에 건설하거나 낙차가 유리한 제1저수지(131) 또는 외해(130)로 발전한다.

상기 각 발전소 건설지점의 수심에 따라서 상기 수차의 높이를 맞춤으로 제작하거나, 일정한 규격으로 제작한 수차의 구동부를 고정한 수차와 수차틀을 발전소구조물(38)의 수차홈(123a)에 다단계로 끼워 조립하고, 상기 수차와 수차 사이에서 조인트(117)로 수차 동력을 연결함으로써 발전기 수(數)와 발전소 길이를 축소한다.

발전소 교각(95)과 발전소 상판(44a), 도로 상판(124a) 등을 지상에서 제작하고, GPS를 이용하여 정확한 위치에 타설한 중심파일(148)에 상기 교각(95)의 중심파일공간(148a)을 끼워 조립하여 기초공간(151)에 있는 연약지반(157)을 준설펌프로 제거함으로써 상기 기초공간 벽(151a)이 암석지반(156)까지 수직으로 내려 앉혀 상기 기초공간(151)부터 출입공간(149)까지 철근 콘크리트로 채워 교각을 세우고, 발전소 상판(44a)과 도로상판(124a)을 조립하여 잔여공사를 교각(95) 위에서 마무리함으로써 임시 물막이 공사를 하지 않고도 발전소를 건설하는 수중교각공사공법으로 추진함으로써 공사기간을 단축하고, 투자비용도 절약한다.

상기 수차발전기마다 인양구(44)를 수직으로 설치하고, 인양구 상단 작업공간(82)에서 타워크레인(120)이 궤도를 따라 이동하면서 상기 수차를 설치하거나 인양하고, 상판(125)이 상기 타워크레과 함께 이동하면서 상기 수차 등을 운반하거나 수리하는 인양장비를 갖춘다.

상기 제1발전소(136)와 상기 제2발전소(137) 앞, 또는 상기 제1방조제(126)와 제2방조제(127)를 따라서 부유식 파력발전설비 또는 바지선식 파력발전설비를 방파벽 겸용으로 파력발전단지(140)에 설치하고, 상기 각 발전소 배수구 앞에 수중 조류발전기를 지그재그로 설치하며, 상기 제1 및 제2저수지를 태양광 발전 및 풍력발전단지로 조성하여 녹색에너지를 추가로 생산한다.

조석간만 조견표를 참조로 각 위치에 배치한 각종 감지장치와 발전량 데이터를 입력하여 작성한 발전소 운전프로그램을 상기 3-조지식 조력발전소 관리본부에 위치한 중앙제어장치에 입력하여, 상기 제1저수지(131)가 썰물로 충분한 배수발전낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 전력수요를 충당하고, 상기 제1발전소(136)가 먼저 배수발전을 시작하여 평균 발전량, 또는 전력 수요에 따라서 발전기 가동률을 조절하다가 적정낙차에 도달했을 때 집중적으로 발전하고, 잉여전력이 생산되지 않도록 일부 동력을 양수동력으로 전환하여 양수발전용수를 확보한다.

상기 제1발전소(136)의 발전량이 평균 이하로 떨어지기 시작할 때부터 상기 제2발전소(137)에서 배수발전을 시작하여 상기 두 발전소의 발전량 합계가 평균을 웃돌도록 상기 제2발전소(137)의 가동률을 조절하고, 간조시간까지 제1저수지(131) 수위가 외해(130)의 간조수위까지 배수되도록 방류량을 조절하다가 밀물로 수위가 반전되는 순간부터 제3발전소(138)의 발전량이 평균 이하로 떨어지기 전까지는 입수발전을 보류한다.

상기 제1저수지(131) 수위가 밀물로 외해보다 낮아진 후부터 상기 제2저수지(132)의 배수발전을 낙차가 유리한 제3발전소(138)로 전환하여 상기 제1저수지(131)와 제2저수지(132)의 수위가 같아질 때까지 상기 제1저수지(131)로 방류하여 발전하고, 제3발전소(138)의 발전량이 평균 이하로 떨어질 때부터 제1발전소(136)와 제2발전소(137)에서 입수발전을 동시에 시작하여 3개 발전소의 발전량 합계가 평균범위에서 입수발전 가동률을 조절하거나, 적정 입수발전낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 부족한 발전량을 보충한다.

외해가 만조수위에 도달하기 1~2시간 전부터 제1발전소(136)와 제2발전소(137)의 모든 발전기를 가동하여 입수발전으로 낙차를 좁히고, 잉여전력이 발생할 때는 일부 수차동력을 양수동력으로 전환하며, 외해의 수위 상승속도와 낙차에 따라서 외해가 만조수위에 도달하기 30분 내지 1시간 전부터 보조수로(118) 또는 상기 나선형날개 수차(15)의 수문(76)과 상기 통선문(141)까지 모두 열어 배수발전용수를 만조수위까지 확보하고, 입수발전량이 평균 이하로 떨어지기 시작할 때부터 배수발전을 재개할 때까지 양수발전으로 전력수요를 보충하는 운전프로그램을 총괄한다.

강 하류를 끼고 조력발전소가 건설될 때는 강물이 유입되는 지류를 깊이 준설하여 강물 유입량을 증가시키고, 다단계 나선형날개 수차(15) 발전기와 입수수문 및 방조제로 지류를 막아 입수를 유도하며, 홍수 때는 제5발전소(142)와 수문을 통한 입수량을 감안하여 제1발전소와 제2발전소(137)의 입수발전량을 제한하고, 제1저수지와 제2저수지의 수위가 상승할 때마다 제1발전소(136)와 제2발전소(132), 및 제3발전소(138)까지 낙차에 상관없이 배수발전하여 저수지 수위를 외해의 만조보다 낮춤으로써 강 유역의 범람을 예방하고 동시에 강물을 이용하여 발전량을 증가시킨다.

양수발전용수를 양수하는 동안 양수 수로(122)와 제3저수지(133) 사이에 큰 낙차가 항상 형성되면 그 낙차를 이용하여 발전하는 것을 고려하거나 방조제를 높이고, 한전 측의 요청에 따라 발전량을 감소시키는 방법으로 외부의 잉여전력을 받아 위치에너지로 저장한다.

똑같은 저수면적에서 단조식에 단류식으로 발전할 때보다 발전량을 4배 이상 증가시켜 24시간 중단 없이 전력수요를 충족시킴으로써 잉여전력의 발생을 억제하고 양수발전용 제3저수지를 제외한 모든 저수지의 조석간만을 유지하여 환경변화를 최소화하며, 강 하구에 건설할 경우 강물을 배수발전용수로 활용하고 홍수 때는 저수지 수위를 외해의 만조수위보다 낮춤으로써 홍수로 인한 강 유역의 범람을 예방할 수 있다.

특히 임시 물막이 공사가 필요 없는 수중교각설치공사공법을 단행함으로써 공사기간을 단축하고 투자비용을 절감하여 발전단가를 원자력발전 수준 이하로 낮출 수 있다.

제1도는 가로림만의 3-조지식 조력발전소 배치도
제2도는 인천만과 강화만 일대를 통합하는 3-조지식 조력발전소 배치도
제3도는 제1발전소(양수장치)의 수차 중심 단면도
제4도는 수차틀을 설치하는 제1발전소(양수) 교각 전면도
제5도는 보조수로를 나선형날개 수차로 대체한 조력발전소 횡단면도
제6도는 수중교각공사공법으로 설치한 교각 종단면도
제7도는 날개접이식 수차를 다단계로 설치한 단류식 발전소 단면도
제8도는 나선형날개 수차를 다단계로 설치한 제5발전소의 단면도
제9도는 수차와 양수기 사이의 동력전달 모식도

이하 도면을 참조하여 3-조지식 조력발전소와 그 운전관리 프로그램에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1과 같이 큰 가로림만을 제1저수지(131), 작은 가로림만을 제2저수지(132), 내리항을 포함하는 해역을 제3저수지(133)로 하거나,

도 2와 같이 강화도-동검도-영종도를 잇는 동측 방조제와 장봉도-주문도-볼음도-서검도-석모도를 잇는 서측 및 북측 방조제로 하는 제1저수지(131)와 강화만을 제2저수지(132)로 분할하고, 장봉도-모도-시도-신도-영종도를 연결하는 중간방조제와 남측 방조제로 구성하는 제3저수지(133)를 축조하여 3-조지식(3-basins) 조력발전소를 건설한다.

도 1 및 도 2와 같이 배치된 제1저수지(131)에 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하고, 일부 발전소에 수차동력으로 양수하는 양수장치를 설치하는 제1조력발전소(136)와, 제2저수지(132)에 물주머니수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하는 제2발전소(137)와, 상기 제1저수지(131)와 제2저수지(132) 사이에서 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정날개접이식 수차 중 하나를 설치하여 단류식으로 발전하는 제3발전소(138)와, 제3저수지(133)에 설치하는 제4발전소(139)와, 강물을 유입하는 지류에 나선형날개 수차를 다단계로 설치하는 제5발전소(142)를 건설한다. 특히 강화만의 경우 지형적 특성 때문에 제3발전소(138)를 서검도와 석모도 사이와 강화도의 장관돈대와 석모도의 탑재 사이에 나누어 건설한다.

각 발전소의 설치규모는 제1저수지(131)와 제2저수지(132)의 최대저수량을 2~3시간 동안에 3m/sec의 유속으로 방류할 수 있도록 여유있게 건설하고, 각 발전소의 발전기 수는 발전소 건설지역의 수심에 따라서 수차를 2단으로 설치할 때는 1/2로, 3단으로 설치할 때는 1/3로 줄어들고 발전소의 길이도 축소한다.

제1발전소(136)와 제2발전소(137)에 수차틀(116)에 고정한 수차를 수직으로 다단계 설치할 때, 도 3과 같이 하단에는 정지 상태에서는 물이 통과할 수 없는 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나를 설치하고, 상단에는 회전이 정지된 상태에서도 통수할 수 있는 나선형날개 수차(15)를 설치하여 보조수로를 대체하며, 경우에 따라서 각 방조제에 위치한 통선문(141)으로도 추가 입수하거나 배수한다.

제1발전소(136)의 40~60%에 도 3, 도 4 및 도 9와 같이 수차동력으로 양수할 수 있는 양수기(121)를 설치하여 잉여전력이 발생할 때마다 양수한 물을 발전소 작업공간 상단을 연결한 양수수로(122)를 거쳐 제3저수지(133)에 저장하여 양수발전용수로 활용한다.

발전소마다 작업공간(82)에서 궤도(87)를 따라 이동하면서 인양구(44)를 통해, 수차를 설치하거나 인양하는 타워크레인(120)과, 상기 타워크레인 밑에서 함께 이동하면서 수차를 운반하거나 수리하는 상판(125)으로 구성한 인양장비를 갖춘다.

도 6과 같이 지상에서 중심선을 따라 중심파일공간(148a)과 출입공간(149)을 배치한 교각부분과, 기초공간(151)의 거푸집을 겸하는 교각기초 벽(151a)과 그 끝에 강철 비트(154)를 부착한 기초부분을 일체형으로 제작한 교각(95)을 GPS를 이용하여 정확한 위치에서 암석지반(156) 층까지 박고 상단이 상기 교각의 2/3 높이까지 올라올 수 있는 길이의 중심파일(148)에 끼어 결합하고, 상기 기초공간(151)에서 준설펌프를 이용하여 연약지반(157)을 제거하여 상기 강철 비트(154)를 암석지반(156)까지 내려 앉힌 후에 상기 기초공간(151)과 출입공간(149)을 철근 콘크리트로 채우고 역시 지상에서 제작한 발전소 상판(44a) 및 다리 상판(124a)을 조립하여 잔여공사를 상기 상판에서 마무리함으로써 임시 물막이 공사를 하지 않고도 교각(95)을 설치하는 수중교각공사공법을 적용하여 공사기간을 단축하고 투자비용을 절감한다.

모든 발전소 배수구 앞에 조류발전기를 지그재그로 설치하여 방류수 유속으로 발전하고, 제1(136), 제2발전소(137) 앞이나 방조제(127) 전체에 방파제 겸 파도에너지로 발전할 수 있는 부유식 파력발전설비나 바지선식 파력발전설비를 배치하는 파력발전단지(140)로 파도로부터 수차와 방조제를 보호하며, 제1(131), 제2저수지(132)에는 태양광발전단지와 풍력발전단지를 조성한다.

당일의 조차(潮差)에 따라서 외해의 수위 상승 또는 하강속도가 시간당 0.3~1.4m 사이에서 대개 일정하고 초저낙차에서는 낙차를 0.1m만 높여도 발전량이 증가하고 낙차가 클수록 통과수량도 따라 증가하며 조금으로 만조수위가 낮을수록 저수량도 적어 발전할 수 있는 시간도 짧아지므로, 조금으로 발전용수가 부족할 때는 배수발전 낙차가 조차의 70~80% 이상이 될 때까지 양수발전으로 전력수요를 충당할 수 있도록 모든 발전소 규모를 여유 있게 건설하여 발전량을 극대화하고 24시간 전력수료를 충족시킬 수 있도록 발전기 가동률을 조절한다.

4개 또는 5개 발전소의 발전량을 총괄하여 관리하는 중앙제어장치에서 평균 발전량 또는 전력수요에 따라서 운전할 수 있도록 중앙제어장치와 연결된 각 요소의 감지장치와 발전량 데이터를 조석간만 조견표에 적용한 프로그램에 따라 수문(76)을 작동하여 가동률을 조절한다.

충분한 배수발전낙차에 도달할 때까지는 양수발전으로 전력 수요를 충당하다가 제1저수지(131)부터 배수발전을 시작하여 썰물에서 밀물로 반전되는 순간까지 지속하도록 발전기 가동률을 조절하여 평균발전량범위 내에서 전력수요를 충족할 수 있도록 발전량을 조절하고, 저수량이 많을 때는 잉여전력이 발생하지 않도록 일부 수차동력을 양수동력으로 전환하여 양수발전용수를 확보한다. 간조 때 제1저수지(131) 수위가 외해의 수위와 같아질 정도로 배수조절이 완벽할수록 제3(138)의 발전낙차가 커지고 입수발전낙차도 충분히 확보할 수 있다.

제1발전소(136)를 100% 가동하더라도 평균발전량 이하로 떨어지기 시작할 때부터 제2발전소(137)에서 배수발전을 시작하여, 밀물로 제1저수지(131) 수위가 외해보다 낮아질 때까지 평균발전량범위 내에서 상기 제2발전소(137) 가동률을 조절하면서 외해로의 발전을 계속하고, 그 후부터는 상기 제3발전소(138)에서 발전낙차가 유리한 제1저수지(131)로 발전하기 시작하여 제1저수지(131)와 제2저수지(132) 수위가 같아질 때까지 계속 발전한다.

잉여전력이 많이 발생할수록 낙차가 빨리 좁아져 입수발전이 시작되기 전에 발전이 중단될 수 있으므로 평균 발전량범위에서 상기 제3발전소(138)의 가동률을 조절하다가 전력수요를 충족할 수 없는 시점에 도달하면, 제1발전소(136)와 제2발전소(137)에서 입수발전을 동시에 시작하거나 입수발전낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 부족한 발전량을 보충한다. 특히 제1저수지(131)는 수위가 낮아질수록 저수량이 적으므로 제2발전소(137)에서 제3발전소(138)로 발전을 전환하는 시기를 적절하게 조절하고, 낙차가 충분히 형성된 후에 입수발전을 시작하며, 적정 낙차범위 내에서 발전기 가동률로 발전량을 조절하지 않으면 저수지 수위 상승속도가 외해보다 빨라져 입수발전낙차가 좁아질 수 있다.

그러므로 제3발전소의 발전과 제1, 제2발전소의 입수발전이 동시에 진행될 때는 3개 발전소의 발전량 합계가 평균을 유지할 수 있도록 입수발전량을 조절한다.

입수발전 후기까지 낙차를 너무 크게 벌려놓으면, 발전량을 유지할 수는 있지만, 만조 때 추가 입수량이 증가하고 추가입수시간이 길어지거나 배수발전용수를 충분히 확보할 수 없으므로, 만조 1.5~2시간 전부터 제1발전소(136)와 제2발전소(137)의 모든 발전기를 100% 가동하고, 이때에 평균 발전량 이상일 때는 제1발전소(136)의 일부 수차동력을 양수동력으로 전환한다.

외해의 수위 상승속도와 외해와 제1저수지(131) 사이의 수위 차에 따라 만조 30분~1시간 전부터 통선문(141)과 보조수로(118) 또는 나선형날개 수차(15)를 통한 추가입수를 촉진하여 배수발전용수를 외해의 만조수위까지 충분히 확보하고, 이때부터 배수발전 낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 전력수요를 충당한다.

따라서 양수발전용수는 주로 사리 전후 7~8일 사이에 저수량이 증가하지만 조금이 가까울 때라도 조차가 클 때는 저수가 가능하고, 매일 추가 입수할 때부터 배수발전을 시작할 때까지 낙차조절을 위해 양수발전이 불가피하며, 조금 물때에 제2발전소(137)와 제3발전소(138)의 발전량으로 전력수요를 충족시킬 수 없거나 입수발전낙차에 도달할 때까지 기다리는 동안 양수발전으로 발전량의 감소와 기복을 해소한다.

평상시에는 강물의 유입량을 증가시켜 배수발전용수로 활용하고, 홍수 때는 제5발전소(142)와 수문을 통한 강물의 유입량을 감안하여 제1발전소(136)와 제2발전소(137)의 입수발전량을 제한하고, 제3발전소(138)에서는 낙차에 관계없이 배수발전을 촉진함으로써 제1저수지와 제2저수지의 수위를 낮출수록 강물의 유입량이 증가하여 강 유역으로의 범람을 예방할 수 있다.

타워크레인(120)의 높이 때문에 양수수로(122)가 만조수위보다 10m 이상 높이 건설되므로 제3저수지(133)의 저수수위가 높고 저수량이 풍부해야 조금 때의 발전량 기복까지 완벽하게 해소할 수 있다. 따라서 양수할 때 양수수로의 유속이 빠르거나 제3저수지와의 합류지점에서 폭포가 형성될 정도로 낙차가 발생하면 그만큼의 위치에너지 손실을 초래하므로, 가동을 처음 시작할 때는 우선 양수수로(122)까지 물이 찰 정도로 제3저수지(133)를 완전히 채운 후에 정상적인 양수발전을 시작하고, 제3저수지 수위가 낮아 낙차를 좁힐 수 없을 때는 양수하는 동안 합류지점에서 발전하는 방안을 강구하거나 제방을 더 높이 축조한다.

제3저수지의 저수능력이 풍부할 때는 한전 측의 요청에 따라서 계약발전용량 이하로 발전량을 줄이는 방법으로 외부로부터 입전하는 잉여전력을 위치에너지로 저장할 수 있다. 그러나 제1발전소(136)에서 발전하는 시간에 양수할 수 있는 낙차가 되지 못할 때는 간조 때에 남은 발전용수를 배수해야 하므로 이 문제에 대한 합의가 있어야 한다.

15; 나선형날개 수차 16; 수정 날개접이식 수차 29; 발전기
32; 파일 38; 발전소 구조물 44; 인양구
44a; 발전소 상판 58; 가속장치 58a; 대형기어
59; 원형판 76; 수문 81; 호이스트
82; 작업공간 95; 교각 103; 수차기초
110; 플랜지 117; 동력접속장치 120; 타워크레인
121; 양수기 122; 양수수로 122a;수직양수수로
123; 수문 홈 123a; 수차틀 홈 124; 도로
124a; 도로 상판 125; 상판 126; 서측 방조제
127; 서측 방조제 128; 동측 방조제 129; 중간 방조제
130; 외해 131; 제1저수지 132; 제2저수지
133; 제3저수지 135; 단류식 발전소 136;제1발전소
137; 제2발전소 138; 제3발전소 138a;제3발전소
139; 제4발전소 140; 파력발전 단지 141; 통선문
142; 제5발전소 143; 체크밸브 148; 중심파일
148a; 중심파일 공간 149; 출입공간 151; 기초공간
151a; 교각기초 벽 154; 강철비트 155; 난간
156; 암석지반 157; 연약지반

Claims

지형적으로 2개 내지 3개의 저수지를 축조하기에 적합한 해역이나 포구(만)에 저수면적이 넓고 수심이 깊은 지역에 축조하는 제1저수지(131)와,
수심이 낮고 어느 정도의 저수능력이 있는 지역에 축조하는 제2저수지(132)와,
상기 제1저수지(131)와 인접한 해역 또는 육지에 수위가 상기 제1저수지(131)보다 15m 이상 높은 방조제로 축조하는 양수발전용 제3저수지(133)를 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소 구조물.
상기 제1저수지 방조제에 수심에 따라서 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 수직 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하고, 일부 발전소에 수차동력으로 양수하는 양수장치를 설치하는 제1발전소(136)와,
상기 제2저수지 방조제에 수심에 따라서 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정 날개접이식 수차 중 하나와 나선형날개 수차를 수직 다단계로 설치하여 복류식으로 발전하는 제2발전소(137)와,
상기 제1저수지(131)와 제2저수지(132)사이에 물주머니 수차, 날개접이식 수차, 수정날개접이식 수차 중 하나를 설치하여 발전하는 제3발전소(138)와,
상기 제3저수지(133)의 외해 측 방조제에 건설하거나, 상기 제1저수지(131) 방조제와 상기 외해 측 방조제가 만나는 코너에 양쪽 방조제를 연결하는 삼각지의 제3저수지(133) 쪽에 양수발전용 제4발전소를 건설하고, 각 방조제에 배수구를 설치하는 것을 특징으로 하는 제4발전소(139)와,
상기 제1저수지(131)나 제2저수지(132)로 강물이 유입되는 지류에 나선형 날개수차(15)를 다단계로 설치하는 제5발전소(142) 및 입수수문과,
상기 발전소의 수차발전기마다 양쪽에서 수직으로 개폐되는 수문(76) 및 수문타워와,
상기 수문(76) 밖으로 상기 방조제와 연결되는 도로(124)와,
각 방조제마다 설치하여 추가 입·배수용 수문을 겸하는 통선문(141)을 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소 구조물.
청구항 2에 있어서,
상기 제1발전소(136)의 상기 수차와 발전기 사이의 동력접속장치(117)와,
상기 수차의 하단 원형판(59)에 부착한 대형 기어(58a)와,
상기 대형 기어의 동력을 양수동력으로 전환하는 접속 및 가속장치(58)와,
상기 수차 동력으로 양수하는 양수기(121)와,
상기 양수기(121)와 플랜지(110)로 결합하고 교각(95) 내부를 수직으로 통과하여 수평 양수수로(122)와 연결하는 수직 양수수로(122a)와,
상기 발전소 작업공간(82) 상단을 연결하는 상기 수평 양수수로(122)와,
상기 수직양수수로(122a) 상단에 부착하여 역류를 차단하는 체크밸브와,
외해(130)로 방류하여 발전하거나, 상기 제1저수지(131) 또는 외해(130)로 발전하는 양수발전소로 구성하는 양수발전시스템을 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소.
청구항 2에 있어서,
상기 각 발전소 건설지점의 수심에 따라서 상기 수차의 높이를 맞춤으로 제작하거나, 일정한 규격으로 제작한 상기 수차의 구동부를 고정한 수차틀(116)을 발전소구조물(38)의 ㄷ자 홈(123a)에 다단계로 끼워 조립하고, 상기 수차와 수차 사이에서 조인트(117)로 동력을 연결함으로써 발전기 수(數)와 발전소 길이를 축소하는 것을 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소 구조물.
발전소 교각과 발전소 상판, 도로 상판 및 수차기초까지 지상에서 제작하고,
GPS를 이용하여 정확한 위치에 타설한 파일에 상기 교각을 끼워 조립한 후에 기초공간에 있는 연약지반을 준설펌프로 제거하여 상기 기초공간의 벽이 암석지반까지 수직으로 내려앉도록 하며,
상기 기초공간부터 출입공간까지 철근 콘크리트로 채우고, 상기 발전소 상판과 도로상판을 조립하여 잔여공사를 교각 위에서 마무리함으로써 임시 물막이 공사를 하지 않고도 발전소를 건설하는 것을 특징으로 하는 수중교각공사공법.
상기 수차발전기마다 수직으로 설치되는 인양구(44)와,
상기 인양구 상단 작업공간(82)에서 궤도를 따라 이동하면서 상기 수차를 설치하거나 인양하는 타워크레인(120)과,
상기 타워크레인 밑에서 좌우로 이동하면서 상기 수차 등을 운반하거나 수리하는 상판(125)으로 구성하는 인양장비를 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소.
상기 제1발전소(136)와 상기 제2발전소(137) 앞, 또는 상기 제1저수지(131)와 제2저수지(132)의 방조제를 따라서 방파제 겸용으로 파력발전단지(140)에 설치하는 부유식 파력발전설비 또는 바지선식 파력발전설비와,
상기 각 발전소 배수구 앞 수중에 지그재그로 설치하는 수중 조류발전기와,
상기 제1 및 제2저수지를 태양광 발전 및 풍력발전단지로 조성하는 것을 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소.
상기 3-조지식 조력발전소 관리본부에 위치한 중앙제어장치에 입력하여,
상기 제1저수지(131)가 썰물로 충분한 배수발전낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 전력수요를 충당하고, 상기 제1발전소(136)가 먼저 배수발전을 시작하여 평균 발전량, 또는 전력 수요에 따라서 발전기 가동률을 조절하다가 적정낙차에 도달했을 때 집중적으로 발전하고, 잉여전력이 생산되지 않도록 일부 동력을 양수동력으로 전환하여 양수발전용수를 확보하고,
상기 제1발전소의 발전량이 평균 이하로 떨어지기 시작할 때부터 상기 제2발전소(137)에서 배수발전을 시작하여 상기 두 발전소의 발전량 합계가 평균을 웃돌도록 상기 제2발전소(137)의 가동률을 조절하고,
간조시간까지 상기 제1저수지(131) 수위가 외해(130)의 간조수위까지 내려가도록 방류량을 조절하다가 밀물로 수위가 반전되는 순간부터 적정 입수발전낙차에 도달하거나 상기 제3발전소(138)의 발전량이 평균 이하로 떨어지기 전까지 상기 제1발전소(136)의 입수발전을 보류하며,
상기 제1저수지(131) 수위가 밀물로 외해보다 낮아진 후부터 상기 제2저수지(132)의 배수발전을 낙차가 유리한 상기 제3발전소(138)로 전환하여 상기 제1저수지(131)와 상기 제2저수지(132)의 수위가 같아질 때까지 제1저수지(131)로 방류하여 발전하고,
상기 제3발전소(138)의 발전량이 평균보다 적어질 때부터 상기 제1발전소(136)와 제2발전소(137)에서 입수발전을 동시에 시작하여 상기 3개 발전소의 발전량 합계가 평균을 유지하도록 입수발전량을 조절하거나, 적정 입수발전낙차에 도달할 때까지 양수발전으로 부족한 발전량을 보충하고,
외해가 만조수위에 도달하기 1.5 내지 2시간 전부터 상기 제1발전소(136)와 제2발전소(137)의 모든 발전기를 가동하여 입수발전으로 낙차를 좁히고, 잉여전력이 발생할 때는 일부 수차동력을 양수동력으로 전환하며,
외해의 수위 상승속도와 낙차에 따라서 외해가 만조수위에 도달하기 30분 내지 1시간 전부터 보조수로(118) 또는 상기 나선형날개 수차(15)의 수문(76)과 상기 통선문(141)까지 열어 배수발전용수를 만조수위까지 확보하고,
입수발전량이 평균 이하로 떨어지기 시작할 때부터 배수발전을 재개할 때까지 양수발전으로 전력수요를 보충하는 3-조지식 조력발전소 운전프로그램을 총괄하는 저장매체.
강물이 유입되는 지류를 깊이 준설하여 더 많은 강물을 유입시키고, 지류를 다단계 나선형날개 수차(15) 발전기를 설치한 제5발전소와 입수수문 및 방조제로 막아 낙차에 관계없이 입수를 유도하며,
홍수 때는 상기 제5발전소(142)를 통한 입수량을 감안하여 상기 제1발전소 또는 제2발전소(137)의 입수발전량을 제한하고, 상기 제1발전소(136)와 제2발전소(132) 및 상기 제3발전소(138)까지 낙차에 상관없이 배수발전하여 강 유역의 범람을 예방하고 동시에 강물을 이용하여 발전량을 증가하는 것을 특징으로 하는 비상발전관리 프로그램 저장매체.
양수발전용수를 양수하는 동안 양수수로(122)와 제3저수지(133)와의 낙차를 이용하여 발전하고,
외부에서 입전하는 잉여전력만큼 발전량을 감소하는 방법으로 외부의 잉여전력을 위치에너지로 저장하는 외부의 잉여전력 저장 및 양수발전을 특징으로 하는 3-조지식 조력발전소구조물.