KR20150090794A - 수로관을 이용한 낙차수력발전 방법 - Google Patents

Abstract

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Description

댐을 신축하지 않는 낙차 수력발전{NON DAM HYDROELECTRIC POWER}

본 발명은 강이나 하천의 유수를 이용하여 중력과 대기압차를 발생시키고 이 중력과 대기압차를 이용하여 낙차를 발생시켜 수차를 회전시킴으로서 전기를 발생시키는 수력발전에 관한 것이다.

수력발전의 일반적인 방법은 강이나 하천의 특정지점을 댐이나 제방으로 막고 그 댐이나 제방내측에 물을 고이게 함으로써 수위를 높이고 이 수위를 이용하여 낙차를 발생시켜 전기를 생산한다.

따라서 댐이나 제방의 최고 높이 이내에서 낙차를 발생시키고 전기를 생산한다. 유역변경식 발전의 경우에는 도수터널을 뚫어 수로의 방향을 바꿈으로서 댐의 높이보다 더 큰 낙차를 얻는 경우도 있으나 이 방법도 도수터널의 표고와 도수터널이 위치한 산의 계곡까지가 낙차의 한계이다.

또한 기 축조 된 댐이나 제방에서 수력발전을 가동하려면 댐이나 제방의 일부를 절개한 후 수로관을 매설하여야만 하였다.

그리고 공개특허 10-2008-0081881은 댐이나 제방에서 그 일부를 절개하지 않고 발전하는 것이지만 당 발명과는 근본적으로 다르다. 공개특허 10-2008-0081881은 사이폰 현상을 원용하는 것으로서 즉 진공펌프를 이용하여 연결관 내부를 진공상태로 만들어서 연결관 내부를 물로 채워 연결관 내부를 통해 물을 흐르게 함으로서 낙차를 발생하여 발전하는 시스템을 설명하고 있다. 이처럼 진공펌프를 이용하여 연결관 내부를 진공상태로 만들기 위해서는 진공펌프의 용량이 대용량이어야 하며 연결관의 직경은 작아야 하고 그 길이는 짧아야한다. 이것은 결국 상업적인 발전에는 부적합하며 비효율적이라는 것을 의미한다.

반면에 당 고안은 양수펌프와 계폐형 공기배출구를 이용하여 수로관 내부의 공기를 배출시키고 물을 채워주는 방법으로서 수로관이 직경이 커도, 그 길이가 길어도 적용 가능하며 그 비용 또한 상대적으로 저렴하다.

전기를 생산하는 대표적인 방법은 원자력발전, 화력발전, 수력발전으로 대별할 수 있다. 물론 신재생에너지나 친환경에너지로 전기를 생산하는 경우도 있지만 아직은 그 규모가 작다. 앞에 열거한 3가지는 각각 문제점을 많이 안고 있다. 원자력은 방사능 오염과 사고 발생시 피폭의 문제, 화력은 이산화탄소 배출의 문제, 수력은 수몰지구와 환경파괴의 문제를 안고 있다. 그래도 그중에서 가장 청정에너지는 수력발전이다. 따라서 수력발전을 하면서도 댐을 건설하지 않고 낙차를 발생시킬 수만 있다면 최상의 선택일 수 있다. 따라서 본 발명은 댐을 건설하지 않고 흐르는 강이나 하천에서 낙차를 발생시키는 것이다. 물론 기존의 댐에서도 댐의 일부분에 도수터널을 뚫지 않고서도 낙차를 발생시키는 것을 목적으로 한다.

흐르는 물 자체에서는 낙차를 발생시킬 수 없다. 그래서 댐을 만들어 인위적으로 낙차를 만든다. 이렇게 발전을 위해 댐을 건설하게 되는데 이때 낙차를 크게 하면 할수록 많은 면적이 수몰되고 수면이 넓어지게 됨에 따라 기존의 환경을 변화시켜 생태계의 교란이 필수적이다. 따라서 댐을 건설하지 않고서도 수위차를 발생하게 하여 낙차를 생성시킬 수 만 있다면 환경파괴나 환경오염 등을 유발하지 않고도 수력발전을 가동할 수 있다. 이렇게 댐을 건설하지 않고 낙차를 발생시켜 전기를 생성하는 것이 본 발명의 목적이다.

일상생활에서 높은 위치의 용기에 있는 액체를 낮은 곳으로 옮길때 고무호스의 한쪽 끝을 높은 곳에 위치한 용기 내에 집어넣고 다른 한쪽 끝은 높은 곳에 위치한 용기의 높이보다 낮은 곳에 위치시키면서 그 끝을 입으로 힘차게 흡입하면 높은 곳의 액체가 계속해서 관을 타고 아래로 흘러내리는 것을 수력발전에 이용하는 것으로서 직경 2m의 수로관 내부에도 계속해서 물을 흐르게 해야 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 강이나 하천의 상류와 하류의 표고차를 수위차로 이용하는 것이다. 중력 때문에 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 상류는 하류보다 표고가 높다. 즉 표고차가 발생한다. 이러한 표고차를 낙차로 활용한다. 상류의 일정지점과 하류의 일정지점을 수로관으로 연결한다. 강 상류 특정지점의 수중에 위치한 유입구에 흘러들어간 물은 수로관을 따라 흘러 하류의 배출구로 빠져나가고 배출구에 연결된 수차를 구동하고 발전기를 기동하여 전기를 생산하게 된다. 이때 중요한 것은 유입구에 유입된 물이 배수관을 통하여 계속해서 흘러가 배출구를 통해 배출되어야 하고 이를 위해 배수관 내부에 공기의 유입이 차단되어야 한다. 즉 배수관내에는 대기압이 작용하지 않아야 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 환경파괴나 대기오염을 유발하지 않으면서 수력으로 전기를 생산하는 것을 목적으로 한다. 수력발전의 가장 큰 장점은 대기오염은 발생시키지 않는다는 것이지만 그와 더불어 댐의 건설로 인한 환경파괴와 수몰지역의 발생을 필연으로 하는 단점을 가지고 있는 양면성이 있다. 그래서 본 발명은 수력발전의 장점은 살리면서 환경파괴와 수몰지역형성의 단점을 유발하지 않게 하는 것이다.

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본 발명의 목적 달성을 위한 구체적인 내용을 도면을 보면서 설명하기로 한다.

[도면1] 은 물이 흐르는 강과 그 강 상부와 강 하부를 연결하는 수로관을 나타낸다. 굵은 실선은 강을 표시한다.

강 상부(1)의 특정지점(예를 들어 표고 650m)과 강 상부(1)에서 10km떨어진 강 하부(2)의 특정지점(예를 들어 표고350m)은 200m의 표고차가 발생하며 강 상부(1)과 강 하부(2)를 직경 2m의 수로관이 연결하고 있다. 표고차가 있기 때문에 중력에 의해 강물은 도면에서 보면 좌에서 우측으로 흐른다. 이 200m의 표고차를 이용하여 낙차를 만들고 그 낙차에 의해 수차를 구동하고 발전기를 회전시켜 전력을 생성시키는 것이다. 강물의 표고보다 수로관의 표고가 더 높게 나타나는데 이것이 본 발명의 특징이다.

수로관은 강물을 따라 형성할 수도 있지만 이를 꼭 고집할 필요는 없다. 산 때문에 강물이 사행천(之자형태)처럼 흐를 경우 배수관은 산을 넘어갈 수 도 있고 장애물이 나타날 경우 그 장애물을 관통하는 것이 아니라 넘어가는 형태로 착설하기 때문에 수로관의 높이(표고)가 강물의 높이(표고)보다 높게 나타난다. 그러나 수로관의 배출구및 수차(10)의 표고는 유입구(3)의 표고보다 낮아야 한다. 그래야만 수로관 내부의 물이 흘러내리고 낙차를 얻을 수 있다.

문제는 강 상부(1)에 위치한 유입구(3)로부터 강 하부(2)에 위치한 배출구및 수차(10)(배출구는 발전을 하기위해 수차와 연결되어있다. 또한 배출구및 수차(10)는 반드시 강 부근에 위치시킬 필요는 없다. 낙차를 크게 발생시키거나 배출수의 이용이 필요하면서 낙차를 생성할 수 있는 곳으로 유도하면 된다.)까지 계속해서 물을 흐르게 하는 방법이다.

물을 계속해서 흐르게 하는 근본원리는 대기압과 중력을 이용하는 것이다.

유입구(3)부터 배출구및 수차(10)까지 연결된 직경 2m의 수로관(9)은 외부의 공기 유입이 단절된 관으로 형성 되어 있다. 이렇게 외부로부터 공기의 유입이 단절된 관으로 형성되어 있기 때문에 이 배수 관 내부에 물이 가득 차 있다면 내부의 압력은 동일하다.

이때 수로관 외부에는 중력이 작용하기 때문에 내부의 물은 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 된다. 도면에서 보면 공기배출및 물급액구(6)가 전체 배수관의 표고 중 가장 높은 위치에 있다. 이 공기배출및 물급액구(6)의 우측부분의 수로관내부에 있는 물은 중력에 의해 배출구및 수차(10)쪽으로 흘러나가게 되고, 이렇게 배출구및 수차(10)쪽으로 흘러나가면 반대편 즉 공기배출및 물 급액구(6)의 좌측 즉 공기배출및 물 급액구(6)를 기준으로 유입구(3)쪽으로 위치한 수로관내부는 순간적으로 진공이 되거나 기압이 낮아서 공기배출및 물급액구(6)쪽으로 올라오게 된다. 이것이 반복되어 나타나게 됨으로서 우리의 눈에는 배수관을 통하여 강 상부(1)의 물이 수로관(9)을 통하여 강 하부의 배출구및 수차(10)쪽으로 흐르는 것으로 나타난다. 즉 강 상부의 표고 650m와 하류의 표고350m의 차이인 200m의 낙차에 따른 유속을 만들 수 있다. 문제는 유입구(3)부터 배출구및 수차(10)까지의 수로관 내부에 물을 흐르게 하기 위해서 최초에는 계폐밸브A(4)부터 계폐밸브B(8)까지의 수로관 내부에 물을 채우는 것이다. 내부에 공기 없이(약간의 공기는 허용됨) 물을 채워야 한다. 당 발명의 가장 중요한 부분이다.

배출구및 수차(10)쪽에서 강한 압력으로 공기를 흡입하여 수로관 내부 전체를 진공상태로 만들거나 대기압보다 훨씬 낮은 기압으로 형성할 수 있다면 흡입구에서 물이 흡입되어 수로관을 따라 배출구및 수차까지 물이 흘러나올 수는 있다. 그러나 이는 수로관의 길이가 짧고 그 직경이 작은 경우는 가능한데 길이가 짧으면 높은 낙차를 형성할 수 없고 직경이 작으면 수량이 적어 당 발명의 목적인 경제성이 유효한 상업 발전에는 부적합하다. 그래서 당 발명은 수로관내부에 물을 흐르게 하는 다른 방법을 제시한다.

먼저 유입구 부근에 위치한 개폐밸브A(4)와 배출구및 수차 부근에 위치한 개폐배브B(8)을 폐쇄시킨다. 그 후 유입구(3)에서 배출구및 수차(10)까지 연결된 수로관 전체 중에서 표고가 가장 높은 공기 배출및 물 급액구(6)를 통하여 양수펌프를 이용하여 수로관 내부로 물을 주입시킨다. 이때 다른 곳보다 위로 올라온 부분에 착설된 공기 배출구A(5)와 공기 배출구B(7)의 밸브를 열어 공기가 배출될 수 있도록 한다. 즉 공기 배출및 물 급액구(6)를 통하여 표고가 낮은 쪽 즉 배출구및 수차(10)쪽으로 물을 주입하면 수로관 내부에 있던 공기는 공기 배출및 물 급액구(6)와 공기 배출구B(7)를 통하여 수로관 외부로 배출되고 내부는 물로 채워진다.

공기배출 및 물급액구(6)를 통하여 양수기로 물을 주입하면 수로관내부에 있는 공기는 공기배출 및 물급액구(6) 및 공기 배출구B(7)를 통하여 수로관 밖으로 배출되면서 급액된 물은 공기배출구B(7)부근을 넘어가고, 계폐밸브B(8)는 막혀있기 때문에 계폐밸브B에서부터 다시 차오르다가 수위가 공기배출구B(7)까지 도달하면 물이 공기배출구B(7)를 통하여 밖으로 흘러나온다. 이렇게 넘쳐 흐르면 공기 배출구B(7)를 막는다. 공기배출구B(7)을 막은 후 다시 계속해서 공기배출 및 물급액구(6)를 통하여 물을 주입하면 결국 공기배출 및 물급액구(6)의 수위까지 차오른다. 공기배출 및 물급액구(6)까지 차오르면 이제는 반대방향으로 물을 주입한다. 공기배출 및 물급액구(6)를 통하여 강 상부(1)쪽으로 물을 주입하면 낮은 곳에서부터 물이 차오르면서 공기는 공기배출구A(5)와 공기배출 및 물급액구(6)를 통하여 외부로 배출되고 물은 결국 공기배출구A(5)부근을 넘어서 계폐밸브A(4)에서부터 다시 차오른다. 물이 차오르면서 수로관 내부에 있던 공기는 공기 배출구A(5)를 통해 수로관 외부로 빠지면서 물이 계속 차올라 공기배출구A(5)의 수위가 되면 공기 배출구A(5)를 통해 물이 넘쳐흘러 나온다. 그러면 공기배출구A(5)를 닫고 계속해서 물을 부으면 마침내 공기배출 및 물급액구(6)까지 차올라 넘쳐 흐르게 된다. 공기배출 및 물급액구(6)를 통해 물이 넘쳐흐르면 공기배출 및 물급액구(6)를 닫는다. 이렇게 되면 계폐밸브A(4)에서부터 계폐밸브B(8)까지 수로관 내부는 물로 가득 찬 상태가 된다. 수로관내부에 존재하던 공기는 모두 빠지고 대신에 물이 가득 채워진 상태가 된다.

이렇게 계폐밸브A(4)에서부터 계폐밸브B(8)까지 수로관 내부는 물로 가득 찬 상태에서 계폐밸브A(4)와 계폐밸브B(8)를 동시에 열면 수로관 내부의 물은 유입구(3)로 물이 계속 유입되어 흐르면서 배출구 및 수차(10)로 배출된다. 엄밀히 보면 배출되면서 유입되는 것이다. 물이 계속적으로 흐르는 원리는 유입구(3)와 배출구및 수차(10)에 미치는 중력과 대기압차이 때문이다.

중력이 작용하기 때문에 내부의 물은 높은 곳에서 낮은 쪽으로 흐르게 된다. 도면에서 보면 공기배출 및 물급액구(6)가 배수관의 표고 중 가장 높은 위치에 있다. 이 공기배출 및 물급액구(6)의 우측부분의 배수관에 있는 물은 중력에 의해 배출구및 수차(10)로 흘러나가게 되고, 이렇게 배출구로 흘러나가면 반대편 즉 공기배출및 물 급액구(6)의 좌측 즉 공기배출및 물 급액구(6)를 기준으로 유입구(3)쪽으로 위치한 배수관내부는 순간적으로 진공이 되거나 기압이 낮아지기 때문에 기압이 상대적으로 높은 공기배출및 물급액구(6)쪽으로 올라오게 된다. 이것이 순간적으로 나타나게 됨으로서 우리의 눈에는 배수관을 통하여 강 상부(1)의 물이 수로관(9)을 통하여 강 하부의 배출구및 수차(10)쪽으로 흐르는 것으로 나타난다. 즉 강 상부의 표고 650m와 강 하부의 표고350m의 차이인 200m의 낙차에 따른 유속을 만들 수 있다. 물론 수로관 내부벽과 물의 마찰로 인하여 수로관의 길이가 매우 긴 경우에는 유속이 느려 직하방 200m의 낙차에는 미치지 못하지만 그에 상응하는 전력을 생산할 수 있다.

수로관 내부에 공기가 전혀 없는 상태로 되는 것이 좋지만 약간의 공기가 존재하더라도 물을 흐르게 하는 데는 지장이 없다. 약간의 공기가 수로관 내부에 존재하더라도 물방울 형태로 배출구및 수차(10)를 통해 밖으로 배출된다.

[도면2] 과 [도면3] 은 기존의 댐이나 제방을 이용하여 낙차를 발생시키고 전력을 생산하는 것을 설명하고 있다. [도면1] 은 댐을 건설하지 않고 유수 즉 흐르는 강이나 하천을 이용해서 전기를 생산하는 과정을 설명한 것이다. 반면에 [도면2] 과 [도면3] 은 기존의 댐을 이용하는 것으로서 댐을 신설하는 것이 아니다. 기존의 댐에는 이미 수력발전을 가동하는 댐도 있고 수력발전을 하지 않는 댐도 있다. 수력발전을 하고 있든 하지 않든지 상관없이 도수터널을 뚫지 않고도 낙차를 생성하고 전기를 생산하는 과정을 설명한 것이다. 발전원리는 [도면1] 에서 전기를 생산하는 과정과 같다.

단지 특징은 짧은 거리에서 큰 낙차를 발생시킬 수 있다는 것이다. 수로관을 댐의 상부를 넘어가는 형태로 설치한다. 댐의 상단에 자동차도로나 인도 등의 시설물이 있으면 댐 상단의 일정높이위에 교량형태로 건설하면 댐의 기존 성능에 전혀 제약 없이, 댐을 일부를 절개하여 수로관을 배치하지 않고도 수력발전을 생산할 수 있다.

[도면2] 는 댐에 건설된 댐에서 수력발전을 형성하는 도면이다. 댐(12)을 건설하여 물을 가두고 댐 내부에 착설된 댐 수로관(13)을 통하여 낙차를 만들고 그 낙차를 이용하여 배출구및 수차(10)에 부착된 수차를 기동시켜 전기를 생산한다. [도면3] 은 기존의 댐에서 낙차를 생성하여 전기를 생산하는 방법이다. 기존의 댐에는 이미 수력발전을 하는 곳도 있고 발전을 하지 않는 곳도 있다.

당 발명은 기존의 수력발전 댐에서 추가로 수력발전을 하든 아니면 수력발전이 건설되지 않은 댐에서 신규로 수력발전을 건설하든 상관없이 기존의 댐을 허물거나 도수터널을 뚫지 않고 낙차를 발생시키고 전기를 생산할 수 있는 방법을 제시한다.

수로관에 설치된 계폐밸브A(4)와 계폐밸브B(8)을 잠근 후 양수펌프를 이용하여 가장 높은 곳에 위치한 공기배출및 물급액구(6)를 통하여 수로관(9) 내부에 물을 주입하면서 수로관(9)내부의 공기를 배출하여 결국은 계폐밸브A(4)와 계폐밸브B(8)사이의 수로관 내부의 공기를 모두 배출시키고 대신에 물로 채운 후 공기배출및 물급액구(6)를 닫은 후 계폐밸브A(4)와 계폐밸브B(8)를 동시에 개방(약간의 시차는 무방함) 하면 물은 댐 내부에서 댐 외부로 수로관을 통하여 흐르면서 낙차를 생성하고 수차를 기동하여 발전을 하게 된다. 유입구(3)과 계폐밸브A(4)사이의 수로관 내부에는 공기가 존재할 수 있지만 그 길이보다 공기배출및 물급액구(6)에서 계폐밸브B(8)까지의 길이가 길기 때문에 수로관 내부이 물은 아래로 흐르게 된다.

1 강 상부 2 강 하부
3 유입구 4 계폐밸브A
5 공기배출구A 6 공기배출 및 물급액구
7 공기배출구B 8 계폐밸브B
9 수로관 10 배출구 및 수차
11 댐 수면 12 댐
13 댐 수로관

Claims (1)

1. 흐르는 강에서 댐을 건설하지 않고 낙차를 발생시키고 수차를 기동하여 전기를 발생시키는데 있어서 강 상부(1)와 강 하부(2)를 연결하는 수로관(9)을 착설하고 강 상부(1) 수중에 유입구(3)를 위치시키고 강 하부(2)에는 배출구 및 수차(10)를 위치시킨다.
   강 상부(1)와 강 하부(2)를 연결하는 수로관은 내부와 외부가 단절된 형태로서 수로관(9)내부의 공기를 수로관(9)외부로 배출하고 수로관(9)내부를 물로 채우기 위해 수로관(9)에 계폐밸브A(4) 계폐밸브B(8) 공기 배출구A(5) 공기 배출구B(7) 공기 배출구및 물 급액구(6)가 착설되고, 수로관(9)을 이용함으로서 댐을 신축하지 않고 낙차를 발생시켜 발전하는 것을 특징으로 하는 댐을 신축하지 않는 낙차 수력발전

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