KR20190045477A

KR20190045477A - 입력 수류의 굴곡각도 영향 최소화와 발전 수차 간 균일한 출력 및 수류의 빠른 배출로 낙차를 유지하는 조력발전소의 수문 설계와 수류 제어에 관한 방법과 시스템

Info

Publication number: KR20190045477A
Application number: KR1020170138123A
Authority: KR
Inventors: 구재삭
Original assignee: 구재삭
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-05-03

Abstract

본 발명은 한 방향으로만 가동하는 단류식 조력 발전기를 이용하며 밀물과 썰물에 대해 모두 발전하는 단류식 복류 발전 방법에서,
조력 발전기 전단에 마련하는 입력수류 선택 호수(Pond)에서 외해와 내해로 두 개의 입력수문을 연결할 때, 각각의 입력수문이 마주보는 조력 발전기에 대하여 일직선상에 일치할 수 없어서 발전기로 향하는 수류의 굴곡으로 인한 압력손실이 발전출력을 감소시키는 문제와;
입력수문과 조력발전기 사이의 각도 불일치로 인한 상기 입력수류의 관성이 수류 진행 방향에서 편류를 일으켜 조력발전기 내 발 전수차 간 출력차이를 일으키는 문제와;
조력 발전기에서 배출되는 수류가 확장에 의한 운동량 감소로 조력 발전기 후단에 마련하는 배출수류 선택 호수(Pond)에서 내해 혹은 외해로 연결된 수문 밖으로 용이하게 빠져나가지 못하고 정체로 인한 낙차감소로 출력을 저하 시키는 문제를,
해결하는 단류식 발전기를 이용한 복류 조력발전 방법에 관한 것이다.

Description

입력 수류의 굴곡각도 영향 최소화와 발전 수차 간 균일한 출력 및 수류의 빠른 배출로 낙차를 유지하는 조력발전소의 수문 설계와 수류 제어에 관한 방법과 시스템 { The method and system for tide gate design and water flow control of tidal power plant which minimized the influence of bending angle of input water flow and which uniform the electricity output between each turbine generator and which keep the falling height by fast discharge of water }

본 발명은 조력 발전기의 전단에 수류(水流)를 선택할 수 있도록 입력수류 선택 호수(Pond)를 만들어 두 개의 입력수문을 내해 및 외해로 연결하고, 조력 발전기 후단에도 배출수류 선택 호수(Pond)를 만들어 두 개의 배출수문을 내해 및 외해로 연결하여 단류식 발전기를 이용한 복류 조력 발전 방법에 있어, 조력발전기와 입력수문의 마주보는 각도가 일치하지 않아서 수류(水流)의 굴곡으로 인한 압력 손실이 발전기의 출력을 저하 시키는 문제와, 수류(水流)의 굴곡으로 인한 관성이 편류를 일으켜 조력 발전기 내 각 발전 수차에 균일하지 않게 도달하여 발전 수차 간의 출력차이를 야기하는 문제 및 조력 발전기 후단에서 배출수류의 운동량 감소에 따른 배출속도 저하로 발전 낙차가 감소하는 문제를 해결하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 기술 분야를 좀 더 상세히 설명하면 첫 번째로, 단류식 조력 발전기의 입구에 입력수류 선택 호수(Pond)를 만들어 내해(內海)와 외해(外海)를 같이 연결하고 조력 발전기 후단에도 배출수류 선택 호수(Pond)를 만들어 내해(內海)와 외해(外海)를 같이 연결하면, 각 수문을 조합하여 개통함으로써 외해→내해 혹은 내해→외해로 동일 방향의 수류(水流)를 발생시킬 수 있어서 단류식 복류 발전이 가능하게 한 기존의 발명기술이 그간 갖고 있던 과도한 수류의 굴곡 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

통상적으로 배관제어 기술에서는 관로 굴곡에 따른 압력손실을 보강하여 설계 가능하지만 조력발전 경우에 수류(水流)의 굴곡으로 발생하는 감압 손실을 보강할 방법이 없어서 발전 출력에 영향을 일으킴으로, 본 발명에서는 입력 수류(水流)의 압력 손실을 최소화하고자 두 개 입력수문의 최적 배치 각도와 최적의 굴곡 유로(流路)를 제공하고자 한다.

두 번째로, 조력 발전기 전단에 입력수문의 선택을 위하여 조성하는 입력수류 선택 호수(Pond) 내에서 조력 발전기와 입력 수문이 일직선상에 있지 않아 굴곡 된 수류의 편류가 불균일한 수류(水流)를 발생하게 하고 결과적으로 각각의 발전 수차에 전달되는 유속이 각각 달라져서 발전 수차 간의 출력이 달라지는 문제를 일으킨다. 또 한 이러한 문제는 입력 수류(水流)가 썰물과 밀물에 따라 변경되면(내해→외해, 외해→내해) 불균일한 수류(水流)는 180도 반대 양상을 나타나게 된다. 본 발명에서는 이러한 굴곡 수류의 편류로 인한 발전 출력의 불균일한 문제를 해결하고자 한다.

세 번째로 조력발전기 후단의 배출수류 선택 호수(Pond)에서는 운동량을 상실한 수류(水流)가 내해 혹은 외해로 신속히 빠져나가지 못하고 정체하면, 낙차가 감소하여 발전 시간을 감소시키는 요인이 되므로 본 발명에서는 배출 수류의 정체 문제를 해결하고자 한다.

따라서 본 발명의 기술 분야를 요약하면, 단류식 복류 발전 방식에서 입력 수류의 굴곡으로 인한 압력손실 문제와 발전 수차의 출력 불균일 문제 및 배출수류의 정체로 인한 낙차 감소 문제를 최소화하는 유체제어(hydrodynamic control)에 관한 분야이다.

통상적으로 90도 배관 연결을 할 경우 가장 큰 문제는 급격한 각도 변화로 인한 압력손실이다. 일반적인 배관설계에서는 압력 손실을 고려하도록 입력 압력을 충분히 부여할 수 있어서 문제가 별로 없지만, 만일 입력 압력이 한정된 상태라면 90도 굴곡에서는 필연적으로 압력손실을 회복할 수 없게 된다. 따라서 압력 손실을 보강하는 방안이 없는 경우에는 굴곡으로 인한 압력 손실을 최소화 하는 방안이 반드시 필요하다.

단류식 조력발전기로 복류발전을 할 경우에는, 하나의 발전기에 두 개의 입력 수문을 연결해야 함으로 발전 수차와 입력수문을 동일 선상에 배치할 수 없다. 따라서 입력수문을 떠나 발전 수차에 이르는 경로에서 굴곡으로 인해 방향과 운동량을 가진 수류(水流) 벡터는, 이론적으로 [도 2]와 같이 경로 변경에 따른 벡터량의 손실이 발생한다.

굴곡 각도별 직선벡터의 벡터 감소량

a) 30°굴곡 경우 : 굴곡 없을 때 벡터 량 1.0일 경우 30도 굴곡 시,
발전 수차로 향하는 벡터 량 : 0.866
b) 45°굴곡 경우 : 각도변경 없을 때 벡터 량 1.0일 경우 45도 굴곡 시
발전 수차로 향하는 벡터 량 : 0.707
c) 60°굴곡 경우 : 각도변경 없을 때 벡터 량 1.0일 경우 60도 굴곡 시
발전 수차로 향하는 벡터 량 : 0.5
d) 90°굴곡 경우 : 각도변경 없을 때 벡터 량 1.0일 경우 90도 굴곡 시
발전 수차로 향하는 벡터 량 : 0.0

위와 같이 방향성을 가진 운동량인 벡터는 각도 변경에 영향을 많이 받음을 알 수 있다.

최근에 조력 발전에 대하여 청정에너지로써 관심은 많으나 활성화되지 못하는 가장 큰 이유 중 하나는, 조력발전의 경제적 편익이 조력발전 건설로 인한 환경 부편익과 비교에서 충분한 이익이 발생 여부에 대해 분명한 우위성이 없기 때문이다. 발전출력 증가를 위하여 조석 간만의 차가 큰 프랑스의 랑스 조력 발전소에서는 밀물발전(창조식) 외에도 썰물발전(낙조식)도 할 수 있는 양방향 조력발전기가 설치되어 가동되었으나 효율이 낮고 잦은 고장 문제로 현재는 한 방향 운전만 하고 있다.

대한민국 특허 1007236390000( 2007.5.23일자 등록 )은 외해에서 물을 끌어들여 제1저수조에 가두고 제2저수조로 낙차 발전을 하는 방식의 특허가 제안되었는데 이는 원하는 시간에 필요 전력을 생산하는 방법을 제시하여 새로운 편익을 제시한 사례이나 경제적 편익이 환경 부편익을 극복할 수 있는지는 미지수이다.

다른 대한민국 특허 등록번호 1010734620000( 2011.10.07일자 등록 )도 제1저수조와 제2저수조를 만들고 그 사이에 조력 발전기를 설치하여 낙차 발전을 하는 방식이며, 제1 및 제2 저수조와 외해/내해를 연결 수문 선택 조합으로 단류식 복류발전을 제안하였는데, 특허의 명세서에서 제안된 형태는 조력발전기 전단에 연결된 내해 및 외해 입력 수문 하나 혹은 두 개 모두가 조력발전기에 대하여 90도 각도를 이루고 있다.

또 다른 대한민국 특허 등록번호 1011806410000( 2012.09.03일자 등록 )도 하나의 단류식 조력발전기에 내해/외해 두 방향의 해수를 유입시켜 썰물/밀물 모두 발전을 하는 방법을 기본사상으로 하고 있는데 이 특허 명세서의 도면에서는 조력 발전기와 입력 수문의 마주보는 각도를 90도보다 완화된 각도(60도) 형태를 제안하였다.

상기 특허 등록번호 1010734620000 및 등록번호 1011806410000 특허는 모두 단류식 발전기로 밀물과 썰물 모두에 대한 복류발전 하는 것을 가장 큰 특징으로 하고 있으나, 입력수문과 조력 발전기 사이에서 수류의 굴곡으로 인한 출력 감소와 출력 불균일 문제 해결에 대해서는 진보된 제안을 명세서에 나타내지 못하였다.

[도 3] 에 의하면, 이미 알려진 복류식(창조식 + 낙조식) 조력발전 시간은 단류식(창조식 or 낙조식) 조력 발전 시간에 비하여 약 1.4 ~ 1.5배이므로 발전량 면에서는 경제적이나, 상기에 언급한 수류의 굴곡으로 인한 발전 출력 감소와 출력 불균일 문제가 발생한다면 본 발명 종류와 같이 이중 수문 구조에 따른 추가의 수문 공사비까지 포함하여 비교할 때 단류 발전에 비하여 발전 이익이 없을 수도 있으므로 반드시 해결대안이 필요한 분야이다.

본 발명은, 단류식 조력 발전소의 경제적 편익을 증진시키기 위하여 단류식 복류(밀물+썰물) 발전 방식을 제안한 기존의 발명에서, 수류의 과도한 굴곡 설계로 인한 압력 손실과 편류에 의한 발전기 간 출력 편차 및 조력발전기 후단의 중간 호수에서 내해 혹은 외해로 빠져나가는 배출 부하로 인한 낙차 감소 문제를 해결하기 위한것이다

본 발명에서 해결하고자 하는 첫 번째 과제는,

하나의 조력발전기 입구 측에 입력수류 선택 호수(Pond)를 만들어 내해와 외해를 각각의 수문으로 연결하고 아울러 조력발전기 배출구 측에도 배출수류 선택 호수(Pond)를 만들어 내해와 외해를 각각의 수문으로 연결하여 단류식 조력 발전기를 이용한 복류발전을 하는 방법에 있어, 두 개의 입력 수문과 조력발전기가 일직선상에 배치할 수 없어서 수류의 굴곡으로 발생하는 압력 손실을 최소화하는 입력수문의 최적 설계 각도와 최적의 굴곡 흐름 설계를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 두 번째 과제는,

두 개의 입력 수문과 조력발전기가 일직선상에 배치할 수 없어서 수류의 굴곡과 관성에 의한 편류로 각 발전 수차 간에 출력 편차가 발생하는 문제를 해결하는 방법과 그 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 세 번째 과제는,

조력발전기 후단에서 배출 수류의 운동량 감소에 따른 속도 저하로 배출 수류가 배출 호수(Pond)) 내에서 정체하면서 낙차 감소를 일으켜 조력발전량이 감소하는 것을 방지하기 위한 최적의 배출 수문 설계 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 단류식 조력 발전기 전/후단에 각각 수류 선택 호수(Pond)를 만들고 각각의 수문으로 외해와 내해를 연결하여 단류식 복류 조력발전을 하는 방법에서, 조력 발전기와 마주보는 입력 수문의 배치 각도와 굴곡부의 수류 흐름을 최적화하여 수류의 압력 손실을 최소화하고, 조력발전기 전단에서 입력수류의 불균일한 흐름을 균일하게 분배하여 발전 수차 간에 출력차이를 최소화하며, 조력발전기 후단에서는 배출수문의 길이를 조정하여 배출을 원활히 함으로써 낙차 효과가 감소 되지 않아 출력감소가 일어나지 않도록 하는 세 가지 과제 해결 수단을 제공하고자 한다.

본 발명의 첫 번째 과제인 반응기 입력 수류의 압력 손실 문제를 해결하는 첫 번째 과제해결 수단은, 하나의 조력발전기 전단에 두개의 입력 수문을 배치함에 있어 입력 수류의 굴곡으로 인한 전달압력 손실을 최소화하도록 입력 수문의 배치 각도를 60도 이하로 설계하는 것이며 바람직하게는 45도 내지 30도 범위로 설계하는 것이다.

본 발명의 첫 번째 과제인 반응기 입력 수류의 압력 손실 문제를 해결하는 두 번째 과제해결 수단은 수류의 굴곡도 값인 Rb/D(곡률) 값을 1.0 내지 2.0 범위로 설계를 하는 것이다.

[도 4]는 입력수문과 조력 발전기 사이의 배치각도와 입력수류의 모양을 나타낸 그림이다. 수문과 조력 발전기 사이의 배치각도가 크면 클수록 수류의 운동량도 발전기 방향이 아닌 다른 방향을 향하기 때문에 그 압력이 발전 수차에 모두 전달되기 어렵다는 것을 알 수 있다. [도 5] 는 일반적인 배관기술에서는 연결재료인 엘보우(Elbow)가 곡률(Rb/D)을 1보다 크게 하면서 굴곡 각을 곡면으로 처리하여 굴곡으로 인한 압력 손실을 줄여주는 사례를 보여준다. 이는 곡률이 커지면 반사계수 값이 감소 되어 압력 손실이 감소 되기 때문이다.

따라서 본 발명에서는 조력 발전기에 방향에 대한 입력수류의 각도를 90도보다 더 작게 줄이는 방법과 수류의 굴곡에서 곡률 값을 1.0~2.0 범위로 늘리는 방안을 제시하는데, 실제 이 과제해결 수단이 효과가 있는지 검증하기 위하여 아래와 같은 계산식을 통하여 검증을 하였다. 대규모 수류의 굴곡에 따른 압력 손실을 구체적으로 계산한 사례는 거의 찾기 어려우나 물리 법칙에 의한 굴곡 유체의 압력 손실을 정량적으로 기술한 자료를 살펴보면, 엔지니어링 기술 자료로서 Thermopedia의 자료에서 다음과 같은 식으로 정의를 하고 있다.

굴곡 유체의 압력손실 계산식

굴곡 유체에서 압력손실 계산 식

압력 손실 요소는 2개 항으로 나누어져 있다. 전반부 식은 마찰계수에 의한 압력 손실이며, 후반부 요소는 반사계수에 의한 압력손실이다 )
( 출처 : http://www.thermopedia.com/content/577/
Bends, Flow and Pressure Drop in
DOI: 10.1615/AtoZ.b.bends_flow_and_pressure_drop_in )
-

: 압력 손실
-

: Moody friction factor in a straight(레이놀즈와 거칠기 종류로 결정)
-

: the density -

: the mean flow velocity
-

: the bend radius -

: diameter
(→

÷

는 1.0, 1.25, 1.5, 2.0을 대입하여 계산한다 )
- π : 3.14 -

: the bend angle
-

: the bend loss coefficient (obtained Extensive data on loss coefficient for bends are given by Idelchik.이 값을 Rb/D ≒ 1에서 찾는다)

위 압력 손실(△P)값은 다음과 같이 크게 두 가지 요소로 되어 있다

- 첫째 항은, 1/2 x (밀도 x 평균속도제곱) x 유체가 흐르는 주변 재질 종류별 상대적 거칠기(Relative Roughness)와 직선에서 레이놀즈 수에 의해 결정하는 마찰 손실 계수 값

x (곡선반경_Rb/직경_D) x (굴곡각도/180) 에 의해 계산되는 값이다. 마찰손실계수는 콘크리트 재질 거칠기 값이 0.001~0.005로 레이놀즈 값이 난류인 10^5~10^7 범위에서 중간 값인 0.03 값을 취했으며, Rb/D(곡률) 값은 약 1.0~1.5 범위에서 여러 가지 값을 선택하여 계산에 반영했고,

/180 값이 90도에서는 0.5이고, 60도에서는 0.33, 45도에서는 0.25, 30도에서는 0.17이므로 첫 번째 항에서 가장 큰 영향 값은 수류의 굴곡 각도에 따른

/180 값이다.

- 두 번째 항은 1/2 x Rb/D(곡률)에 따른 각도별 반사계수 x 밀도 x 평균속도제곱 값으로 나타내는데, 각도별 kb 값은 아래에 주어진 Idelchik Pressure Drop 제공 도표에서 구할 수 있으며, 다른 계산식에서는 ξ(크사이) 값으로도 표시를 한다.

아래는 레이놀즈 값에 대한 마찰계수

값과 Idelchik Pressure Drop에서 제공하는 곡률에 따른 반사손실 계수 선택 도표이다

Moody Friction Factor 도표

( 출처 : Moody friction factor - λ (or f) = 직선 마찰계수 fs와 같음

압력 손실 관련한 kb(반사계수) 값의 도표는 아래와 같다

곡률(Rb/D)에 따른 반사계수(kb) 선정표

Rb/D = 1.0에서( 90도 굴곡 경우)
30도 → 0.2
45도 → 0.28
60도 → 0.33
90도 → 0.4 이고,
※본 발명은 Guide Banks Zone을
설치로 Rb/D = 1.25 ~1.5 범위이다
Rb/D = 1.25에서
30도 → 0.18
45도 → 0.24
60도 → 0.29
90도 → 0.36 이다

굴곡 각도별 θ/180 값과 곡률 값별 반사계수(kb) 값을 정리하면 아래와 같다

	/180	Rb/D = 1.0 kb 값	Rb/D = 1.25 kb 값	Rb/D = 1.5 kb 값	Rb/D = 2.0 kb 값
30도	0.17	0.20	0.18	0.16	0.12
45도	0.25	0.28	0.24	0.21	0.17
60도	0.33	0.33	0.29	0.25	0.19
90도	0.50	0.4	0.36	0.30	0.24

수류가 굴곡부를 통과하면서 발생하는 압력손실을 각도와 관련한 변동 값 (

= 1.0 ~ 1.5) 범위로 다시 표시하면 다음과 같다

각도와 곡률 변화 범위에 따른 압력손실 범위를 표시한 식

△P=1/2 x fs(0.03) x 밀도 x 속도^2 x π x (

= 1 ~ 1.5) x (

= [0.17~0.5] ) + 1/2 x (

_0.16 ~

_0.4 ) x 밀도 x 속도^2

압력손실 단위 환산을 정리하기 위한 다른 압력손실 참고 계산식

PRESSURE LOSSES FOR FLUID FLOW IN 90°PIPE BENDS
(U. S . DEPARTMENT OF COMMERCE, NATIONAL BUREAU OF STANDARDS)

= H (총 Head Loss) = HS + HB + HT
HS (직선마찰계수에 의한 Head_압력 손실)
HB (굴곡반사계수에 의한 Head_압력 손실)
HT (곡선최대마찰계수-직선마찰계수에 의한 Head_압력 손실)

= λs

+ ξ x

+ θ

( γ는 밀도 )

: 직선 마찰계수

: 굴곡거리 (

로도 표시 )

: 관경

: 평균속도 제곱

: 2 x 중력가속도

: 반사계수

: Tangent Coefficient =

, 굴곡마찰-직선마찰 계수 값

통상

는

값의 3배 이내 범위이다 )
γ : 밀도

이식은 마찰계수 값을 직선 구간 값과 곡선구간의 탄젠트 값으로 구분하였을 뿐 같은 식임을 알 수 있다. 그런데 밀도와 속도의 제곱에서

값과 다르게 γ x

값을 사용하였는데 이 경우 단위를 정리하면 아래와 같다

압력손실 단위환산 계산식

=

으로 압력 단위가 된다.

따라서 이식은 위와 같이 압력 구하는 식이므로 압력 단위로 귀결되는 것이 맞으며 다만 앞의 식

값은 중력가속도(

)로 나누지 않기 때문에 압력손실이 더 크게 계산되어 본 검증에서는 더 보수적인 값을 얻을 수 있다.

수류 분배 호수(Pond)를 통과하는 수류의 속도 계산 방법

수문-수차 사이 선택호수(Pond) 내 수류 속도(m/sec)=통과수량/면적이다
→ 가로림 조력발전 설계 기준 값으로 수차/수문 1:1 연결배열 기준에서
- 수차 1기당 통과수량 : 정격 500m^3/sec (26MW 수차 1기 가동량 기준)
- 통과 폭 : (수차구조물간격_41m + 수문구조물간격_38m) ÷2 = 39.5m
- 평균 수심 : 5m ( 가로림 조력 발전 지역 월 평균 수심 )
※ 따라서 통과 면적은 39.5m x 5m = 197.5m^2이고,
선택 호수(Pond) 통과 수류속도 = 500m^3/sec ÷197.5m^2 = 2.54m/sec

상기 (밀도 x 속도^2) = 1,035(해수) x 2.54^2 = 6,677 kg/㎡ 이므로,

첫째 항의 마찰로 인한 압력 손실 값에서

값과 각도변수

/180를 제외한 계산을 하면 1/2 x (0.03) x π(3.14) x 6,677 kg/㎡ = 314.5kg/㎡ 이다

Rb/D = 1.0 경우 kb값은 30도 0.20, 45도 0.28, 60도 0.33, 90도 0.4이므로

Rb/D=1.0에서 각도별 △P의 손실 값

-30도 경우 : 314.5 x 1.0 x 0.17(

/180) + 1/2 x 0.20(kb) x 6,677
= 53.47 + 667.7 = 721.17( ÷10,000 = 0.0721 bar )
-45도 경우 : 314.5 x 1.0 x 0.25(

/180) + 1/2 x 0.28(kb) x 6,677
= 78.63 + 934.78 = 1,013.41( ÷10,000 = 0.1013 bar )
-60도 경우 : 314.5 x 1.0 x 0.33(

/180) + 1/2 x 0.33(kb) x 6,677
= 103.785 + 1,101.705 = 1,205.49( ,000 = 0.121 bar )
-90도 경우 : 314.5 x 1.0 x 0.5(

/180) + 1/2 x 0.4(kb) x 6,677
= 157.25 + 1,335.4 = 1,492.65( ÷10,000 = 0.149 bar )

Rb/D=1.25 경우 kb값은 30도 0.18, 45도 0.24, 60도 0.29, 90도 0.36이므로

Rb/D=1.25에서 각도별 △P의 손실 값

-30도 경우 : 314.5 x 1.25 x 0.17(

/180) + 1/2 x 0.18(kb) x 6,677
= 66.83 + 600.93 = 667.66( ÷10,000 = 0.067 bar )
-45도 경우 : 314.5 x 1.25 x 0.25(

/180) + 1/2 x 0.24(kb) x 6,677
= 98.28 + 801.24 = 899.52( ÷10,000 = 0.090 bar )
-60도 경우 : 314.5 x 1.25 x 0.33(

/180) + 1/2 x 0.29(kb) x 6,677
= 129.731 + 968.165 = 1,097.896( ÷10,000 = 0.110 bar )
-90도 경우 : 314.5 x 1.25 x 0.5(

/180) + 1/2 x 0.36(kb) x 6,677
= 196.563 + 1,201.86 = 1,398.42( ÷10,000 = 0.140 bar )

Rb/D=1.5 경우 kb값은 30도 0.15, 45도 0.20, 60도 0.25 90도 0.30이므로

Rb/D=1.5에서 각도별 △P의 손실 값

-30도 경우 : 314.5 x 1.5 x 0.17(

/180) + 1/2 x 0.15(kb) x 6,677
= 80.198 + 500.8 = 580.99( ÷10,000 = 0.058 bar )
-45도 경우 : 314.5 x 1.5 x 0.25(

/180) + 1/2 x 0.20(kb) x 6,677
= 117.938 + 667.7 = 785.64( ÷10,000 = 0.079 bar )
-60도 경우 : 314.5 x 1.5 x 0.33(

/180) + 1/2 x 0.25(kb) x 6,677
= 155.68 + 834.625 = 990.30( ÷10,000 = 0.099 bar )
-90도 경우 : 314.5 x 1.5 x 0.5(

/180) + 1/2 x 0.30(kb) x 6,677
= 235.88 + 1,001.55 = 1,237.4( ÷10,000 = 0.124 bar )

30도, 45도, 60도, 90도 각도에 대하여 곡률 별 압력손실을 총 정리한 데이터

발전기-수문 굴곡 각도 값	Rb/D = 1.0 압력손실( bar )	Rb/D = 1.25 압력손실( bar )	Rb/D = 1.5 압력손실( bar )
30도 각도 굴곡	0.072	0.067	0.058
45도 각도 굴곡	0.101	0.090	0.079
60도 각도 굴곡	0.121	0.110	0.099
90도 각도 굴곡	0.149	0.140	0.124

Rb/D = 2.0 값은 압력 손실은 더 작으나 수문의 최소화 실시설계 측면에서는 최적화하지 않으므로 계산하지 않았다

위 데이터를 종합하면 크게 세 가지를 알 수 있다.

- 첫째는 마찰계수보다 반사계수에 의한 압력손실 값 가중치가 월등히 크며 반사계수도 굴곡각도와 곡률에 의존하는 값이다.

- 둘째는 동일 곡률에서 30도 굴곡 각도의 압력 손실이 90도에 비하여 절반 이하이다.

- 셋째는 동일 굴곡 각도에서 Rb/D = 1.5일 때 압력손실 값이 Rb/D = 1.0일 때 압력손실 값보다 20%가량 감소한다. 기존의 30도 직각 굴곡(Rb/D = 1.0)에서 압력 손실 값은 0.072 bar 인데, 30도 직각 굴곡(Rb/D = 1.5)에서 압력 손실 값은 0.058 bar로 20% 감소하였다.

이를 종합하면 굴곡 각도를 90도에서 30도로 변경하면 압력손실 값이 50%가 감소하고, Rb/D 값을 1.0에서 1.5로 변경하면 압력손실 값은 그 값의 20%가 다시 감소하여 전체적으로 약 60%가 감소하는데 실제로 90도 Rb/D = 1.0의 0.149 bar에서 30도 Rb/D = 1.5의 0.058 bar로 약 61%가 감소하였다. Rb/D = 2.0에서는 30도의 압력 손실은 Rb/D = 1.0에서 90도보다 30% 수준 이다

또 한 상기 계산에 의하면 입력수류가 발전 수차에 대하여 Rb/D = 1.0 조건일 때 90도 각도 굴곡에서 압력 손실은 0.149 bar로써 약 1.5m의 낙차가 감소한다는 의미이다. 조력 발전에서 낙차가 1m 감소할 때 발전 시간은 약 15% 이상 감소를 하게 되므로 1.2m~1.5m 낙차 감소는 발전시간 감소뿐만 아니라 상당한 발전출력 감소를 의미한다. 비록 본 발명 방식이 밀물, 썰물 양 방향에 대해 발전을 할 수 있다 하여도 직각 굴곡을 하게 되면 낙차 감소로 약 20~25%의 발전시간 감소와 상당한 발전출력 감소를 야기하므로 1.4~1.5배의 발전시간 증가 효과는 의미가 없게 된다.

본 발명에서는 이 계산 검증을 통하여 수류의 굴곡 각도를 줄이면 마찰 계수 값이 감소하고, 굴곡 유로의 반경을 크게 할수록 반사계수가 줄어든다는 것을 정량적으로 확인하였다. 단 굴곡 유로의 반경이 커질수록 유로가 길어지면서 마찰이 커질 수 있으므로 곡률의 설계 범위는 Rb/D = 1.2 ~ 2.0 범위에서 효과가 있으며 더 바람직한 범위는 1.2~1.5 범위이다.

본 발명에서는 조력 발전기 전단에 본 발명 두 번째 과제해결 수단으로 사용하는 Guide Banks Zone을 설치함으로써 자연스럽게 조력발전기와 입력 수문의 사이 간격을 벌려서 곡률을 Rb/D = 1.2~1.5로 설계 가능하도록 하였으며 [도 6] 은 Rb/D = 1.25 및 1.5로 설계한 실시의 예이다.

따라서 본 발명의 첫 번째 과제인 굴곡으로 인한 수류의 압력 손실을 최소화하도록, 조력 발전기에 대한 입력수문의 배치각도를 90도보다 작은 60도 내지 30도 범위로 하고 굴곡 유로의 곡면 반경을 1보다 크게 1.2 내지 2.0 범위로 설계하는 방안을 과제해결 수단으로 제공한다.

본 발명의 두 번째 과제해결 수단은 입력 수류를 균일하게 분배하여 각 발전 수차의 출력을 일정하게 하는 방법과 시스템을 제공하는 것이다.

[도 7] 은 층류 (Reynolds=500)일 경우와 난류(Reynolds=50,000)일 경우 90도 ( Elbow) 굴곡으로 인한 유체의 흐름이 후단에서 어떻게 변하는가를 보여주는 CFD( Computational fluid dynamics ) 해석 자료이다. 레이놀즈 값이 500인 [도면 7-1] 층류 경우에는 유체는 곡면에서 관성에 의하여 바깥 방향으로 흐름이 몰리며 속도가 빨라지고 대신 안쪽으로는 흐름이 느려짐을 보여준다. 반대로 레이놀즈 값이 50,000인 [도 7-2] 난류일 경우에는 바깥 방향으로는 몰리던 흐름이 난류로 압력이 형성되면서 제대로 흐르지 못하고 중심부와 곡면 안쪽으로 흐름이 형성되고 있음을 보여준다. 만일 직각 회전 구간이라면 이 불균일 현상은 더욱 극심했을 것으로 예측이 되며 60도 각도에서도 조금은 완화가 되겠지만 발전 수차 간 출력 편차를 피하기는 불가능해 보였다. 본 발명은 이러한 이유에서도 상기 첫 번째 과제 해결 수단과 같이 입력 수문과 발전기 간의 마주보는 각도 차이를 최소화하려 하였다. 그러나 일단 마주보는 각도가 어긋나 수류(水流)에 굴곡이 생기면 관성과 난류로 인해 전체적으로 균일한 흐름은 생성되지 않으므로 수류(水流)를 발전 수차 방향과 동일하게 만드는 방안이 반드시 필요하다.

본 발명에서는 입력 수문과 발전 수차 사이에서 발전 수차와 동일한 방향으로 수류(水流)를 유도하기 위하여 Guide Banks(수류 유도 둑) Zone을 형성하고 그 안에 각 발전 수차마다 수류를 분배하여 유도하는 Guide Banks를 제공하는 방법을 본 발명 과제의 두 번째 과제 해결 수단으로 제공 한다.

통상적으로 Guide Banks는 대형 하천에서 특정한 목적으로 일부 흐름을 변경할 때 사용하는 구조물이다. 본 발명에서 Guide Banks Zone은 조력 발전기 전단에서 Guide Banks가 균일하게 설치되어 수류(水流)가 방향을 전환하고 안정화하는 지역을 가리키는데 Guide Banks Zone으로 구분을 하는 이유는 본 발명의 첫 번째 과제에서 언급한 곡률 값이 1보다 커지게 하는 역할을 명확히 하기 때문이다. 좀 더 구체적으로 보면 Guide Banks 간의 간격은 발전 수차 간격과 같아야 하고 그 길이는 사선으로 들어오는 수류(水流) 벡터가 Guide Banks 사이를 직선으로 빠져나가지 못하는 길이를 확보해야 한다. 이 길이가 너무 길면 Guide Banks로 인한 마찰력이 증가한다. Guide Banks는 밀물 발전과 썰물 발전 양쪽에 대하여 동일한 효과를 나타내야 하므로 발전 수차에 대하여 좌우 대칭 구조를 가지며 상세한 설계 방법은 각 조력 발전지역의 여건에 맞게 CFD( Computational fluid dynamics ) 해석을 통하여 그 위치와 길이 및 간격을 구체화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 세 번째 과제해결 수단은,

조력발전기의 낙차 발전에 있어 이미 부여된 낙차 높이를 안정적으로 보장하기 위한 배출 수문의 길이에 관한 설계 방안이다.

특허 등록번호 1010734620000에서는 조력발전기 후단을 통과한 수류가 배출수류 분배 호수(Pond) 내에서 반대편 벽에 필연적으로 부딪히게 되고 그 반사 수류가 조력발전기에서 배출되는 수류와 만나게 되는데, 조력 발전기를 통과한 수류는 공간 확대로 인하여 운동량을 상실한데다 반대 수류의 영향까지 받게 되면 더욱 운동량이 감소 된다. 따라서 조력 발전기를 통과한 수류는 후단의 배출수류 선택 호수(Pond) 내에서 방향성을 갖는 운동을 하지 못하므로 난류 상태가 되어 정체되면서 내해 혹은 외해로 빠져나가므로 조력 발전기 후단의 선택 호수의 수위는 자연적으로 높아지게 되고 이는 부여된 발전 낙차를 감소시키는 요인이 된다. 특허 등록번호 1011806410000에서도 배출 수문의 길이에 대한 명확한 제안이 없으며 다만 명세서 제출된 도면에 의하여 입력 수문과 배출 수문의 길이가 거의 같다는 것만 알게 한다.

따라서 본 발명에서는 조력발전기 후단에서 운동량을 상실한 수류가 정체되어 낙차 감소 와 출력 저하를 야기하는 문제를 해소하기 위하여 입력 수문보다 더 긴 배출수문을 구비하는 방법을 본 발명의 세 번째 과제해결 수단으로 제공하고자 한다. 본 발명에서 배출 수문의 바람직한 형태는 [도 10] 실시 도면과 같이 배출 수문이 조력발전기에 대하여 60도 각도로 배치하고 그 길이는 입력 수문의 배치 각도가 30도일 경우에는 1.7배이며 입력 수문의 배치 각도가 45도 일 때는 그 길이의 비율은 입력 수문보다 1.4배 정도 길게 하는 것이다.

배출 수문의 길이가 입력 수문보다 길게 하였을 경우 어느 정도 배출 효과가 있는지 알아보기 위하여 게이트 밸브의 압력강하 프로그램 계산식을 이용하였다. 입력수문-발전수차-배출수문 각 1개가 한조를 이루는 경우를 가상하여, 26MW 발전기 유량인 180만㎥/hr를 기준으로 수면 높이는 가로림만 평균 높이 5.5m 하고 배출수문은 입력수문과 같은 15m 기준 값과 1.4배인 21m 및 1.7배인 25.5m에서 어느 정도 부하가 감소하는지 계산한 결과는 다음과 같다

15m 배출수문의 압력 강하 계산 값

Pressure Drop OF Gate valve

Diameter of pipe D : 15000
Height H : 5500
Flow medium : Water(해수) 20 °
Condition : liquid
Volume flow : 1,800,000㎥/h ( 26MW 1개 발전수차 실제 통과유량 기준 )
Weight density : 1030 kg/㎥
Dynamic viscosity : 1001.61^-6 kg/m·
Pressure (inlet, abs) : 1 bar
Temperature (inlet) : 20 ℃
Temperature (outlet) : 20 ℃
-----------------------------------------
Calculation output

Flow medium: Water 20 °/ liquid
Volume flow: 1800000 m³
Weight density: 1030 kg/m³
Dynamic Viscosity: 1001.61 10-6 kg/ms
Element of pipe: Gate valve
Dimensions of element: Diameter of pipe D: 15000 mm
Height H: 5500 mm
Velocity of flow: 2.83 m/s
Reynolds number: 43856156
Flow: turbulent
Resistance coefficient: 5.75
Pressure drop: 237.25 mbar ( 0.24 bar )

21m 배출수문의 압력 강하 계산 값

Pressure Drop OF Gate valve

Diameter of pipe D : 21000
Height H : 5500
Flow medium : Water(해수) 20 °
Condition : liquid
Volume flow : 1,800,000㎥/h ( 26MW 1개 발전수차 실제 통과유량 기준 )
Weight density : 1030 kg/㎥
Dynamic viscosity : 1001.61^-6 kg/m·
Pressure (inlet, abs) : 1 bar
Temperature (inlet) : 20 ℃
Temperature (outlet) : 20 ℃
-----------------------------------------
Calculation output

Flow medium: Water 20 °/ liquid
Volume flow: 1800000 m³
Weight density: 1030 kg/m³
Dynamic Viscosity: 1001.61 10-6 kg/ms
Element of pipe: Gate valve
Dimensions of element: Diameter of pipe D: 21000 mm
Height H: 5500 mm
Velocity of flow: 1.44 m/s
Reynolds number: 31174493
Flow: turbulent
Resistance coefficient: 15.26
Pressure drop: 163.75 mbar ( 0.16 bar )

25.5m 배출수문의 압력 강하 계산 값

Pressure Drop OF Gate valve

Diameter of pipe D : 25500
Height H : 5500
Flow medium : Water(해수) 20 °
Condition : liquid
Volume flow : 1,800,000㎥/h ( 26MW 1개 발전수차 실제 통과유량 기준 )
Weight density : 1030 kg/㎥
Dynamic viscosity : 1001.61^-6 kg/m·
Pressure (inlet, abs) : 1 bar
Temperature (inlet) : 20 ℃
Temperature (outlet) : 20 ℃
-----------------------------------------
Calculation output

Flow medium: Water 20 °/ liquid
Volume flow: 1800000 m³
Weight density: 1030 kg/m³
Dynamic Viscosity: 1001.61 10-6 kg/ms
Element of pipe: Gate valve
Dimensions of element: Diameter of pipe D: 25500 mm
Height H: 5500 mm
Velocity of flow: 0.98 m/s
Reynolds number: 25673112
Flow: turbulent
Resistance coefficient: 26.73
Pressure drop: 127.02 mbar ( 0.13 bar )

배출 수문의 길이별 압력강하와 유속 변화 값 정리 데이터

배출수문 길이	유량(㎥/hr)	유속(m/sec)	압력강하(bar)
15m(기준)	1,800,000	2.83	0.24
21m(1.4배)	1,800,000	1.44	0.16
25.5m(1.7배)	1,800,000	0.98	0.13

위 계산 결과와 같이 26MW 조력 발전기 1대에서 초당 500㎥의 수량이 배출되어 후단의 배출수류 선택 호수에서 내해 혹은 외해로 나갈 때 15m 폭 배출수문에서 유속은 2.83m/sec 이고 압력강하는 0.24 bar 인데, 1.4배(21m)로 늘리면 유속은 1.44m/sec 이고 압력강하는 0.16 bar 이며, 1.7배(25.5m)인 경우 유속은 0.98m/sec 이고 압력강하는 0.13 bar로 대폭 감소 된다. 동일 유량의 통과 속도가 느려지고 압력강하가 작아진다는 것은 유체가 통과 과정에서 부하가 줄어든다는 의미로써 이는 그만큼 쉽게 배출이 된다는 뜻이다.

따라서 본 발명의 세 번째 과제를 해결하는 수단으로 배출수문의 길이를 입력수문의 길이보다 2배 범위 내에서 더 길게 부여하는 방안은 적절한 과제 해결수단임이 입증되었다.

본 발명은 단류식 조력 발전기 전후에 입력 및 배출 수류 선택 호수(Pond)를 형성하고 각각 수문을 이용하여 외해(外海)와 내해(內海)로 연결함으로써 수문의 조합 조작으로 복류 발전을 가능하게 하는 방법에 있어, 조력 발전기 전단과 마주보는 외해(外海)와 내해(內海)의 입력수문 각도를 30도 내지 60도 이내로 배치하고 굴곡된 수류의 곡률(Rb/D)의 범위를 1.0 내지 2.0, 더 바람직하게는 1.25 내지 1.5로 함으로써, 수류의 압력 손실을 최소화하여 발전 출력 영향을 최소화하는 방법과；

입력 수문이 조력 발전기와 일직선상에 배치될 수 없어서 굴곡된 수류가 중간 경로에서 관성에 의해 특정 방향으로 쏠리면서 각 발전 수차에 고르게 전달되지 않아 발전 수차 간에 출력 편차가 발생하는 문제를 해결하도록 수류의 고른 분배를 유도하고 안정화하는 다수의 Guide Banks를 발전 수차 전단에 배치하는 방법과；

조력발전기 후단에서 배출되는 수류가 가능한 저항을 받지 않고 빠르게 배출되어 부여된 낙차가 계속 유지되도록, 조력 발전기 후단의 배출 수문 길이를 입력수문보다 더 길게 제공하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 첫 번째 과제 해결로 인한 구체적인 효과는 다음과 같다.

하나의 조력 발전기에 두 개의 입력 수문을 연결하는 과정에서 발생하는 수류의 굴곡이 압력손실을 발생하는 문제에 대하여 기존의 발명 기술에서는 진보된 제안이 없었으나, 본 발명은 수류가 굴곡부를 통과하면서 발생하는 압력손실 값을 계산하였고 이를 분석한 결과 수류( 혹은 수문 )의 굴곡 각도는 30도 내지 45도 이하일 때 압력손실 감소 효과가 크게 있으며, 굴곡 유로에서 수류의 곡률 값(RB/D)이 직각인 1.0보다 클수록 압력손실 감소 효과가 크다는 것을 확인하였다. 좀 더 구체적으로 본 발명의 첫 번째 과제해결 수단을 검증하기 위하여 압력 손실을 계산한 결과를 다시 보면, 조력 발전기에 대한 입력수문의 굴곡 각도를 90도에서 30도로 바꾸고 곡률(Rb/D)을 1.0에서 1.5로 바꾸면 압력 손실 감소 값은 0.149 bar에서 0.058 bar로 0.091 bar가 감소하는데 이는 0.9m의 낙차 감소 효과뿐만 아니라(압력 손실 61% 감소) 정격 출력에서도 그 이상의 감소 효과를 기대할 수 있다. [도 11] 에서 낙차 1m는 대조기 기준으로 1회 발전 시간이 6.3시간에서 5.2시간으로 약 17.5% 감소하므로 수류의 굴곡으로 인한 압력 손실은 조력발전 사업의 경제성에 매우 큰 악 영향을 끼치고 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에서 두 번째 과제 해결로 인한 구체적인 효과는 다음과 같다.

곡면에 진입하는 수류는 필연적으로 관성의 영향을 받는데, 속도가 느린 층류의 경우에는 반경이 큰 쪽으로 속도가 빨라지고, 난류 경우에는 반경이 큰 쪽에 수류의 관성에 의한 압력이 더해지면서 오히려 유속은 느려지고 반경이 작은 쪽으로 유속이 빨라지는 현상을 보였다. 따라서 이곳에 발전 수차가 배치된다면 발전 수차 간에 출력이 불균일해지는 것을 피할 수가 없다. 본 발명에서는 입력 수문과 조력 발전기 사이에 수류의 각도를 발전 수차 방향으로 전환 시키는 Guide Banks( 수류 유도 제방 )를 설치하여 수류의 방향을 발전 수차 축 방향과 일치시키고 안정화시키며 동시에 발전 수차 숫자 만큼으로 분배하여 입력된 수류가 각 발전 수차에 골고루 분배되는 효과를 갖게 하였다. 아울러 Guide Banks는 발전 수차와 입력 수문들 사이에서 좌우로 대칭되도록 배치를 하여 외해 수류와 내해 수류 모두에 대하여 동일한 효과가 실시되도록 하였다. 입력 수류를 각각의 발전 수차에 대하여 균등히 분할을 할 경우 그 실시 효과가 균등하게 나타날 수 있는 구체적 이유는 [도 9] 와 같이 Guide Bank의 설치로 인하여 분할된 각 수류의 전체 이동 경로가 서로 비슷해져 전체적 부하 가중치가 같아지기 때문이다. 좀 더 자세히 설명을 하면 [도 9-2] 를 볼 때, ①번 수문을 따라 분할된 수류는 입력 측 경로는 짧으나 배출 측 이동 경로가 길고 ⑥번 수문을 따라 분할된 수류는 비록 발전 수차까지는 이동 경로가 길지만 발전 수차 통과 후 바로 배출되기 때문에 경로가 전체적으로 서로 비슷하다. 이는 발전 수차를 통과할 때 ①번 수류는 입력 속도는 좀 높지만 배출 부하가 높고, ⑥번 수류는 입력 속도는 좀 낮지만 배출 부하가 낮으므로 전체적으로 그 효과 차이가 상쇄되어 발전 수차에서는 거의 유사한 통과 속도를 갖게 된다는 뜻이다.

본 발명에서 세 번째 과제 해결로 인한 구체적인 효과는 다음과 같다.

본 발명의 세 번째 과제해결 계산 검증 과정에서, 입력수문-발전 수차-배출수문이 한 조를 이루는 조건에서 입력수문과 동일한 유량이 배출 수문을 통과해 나갈 때 때 발생하는 압력강하 값을 배출수문의 기준 폭 15m와 21m(1.4배) 및 25.5m(1.7배)에 대하여 계산을 하면 아래와 같았다.

배출수문 길이 증가에 따른 배출부하 감소 효과 정리 데이터

배출수문 길이	유량(㎥/hr)	유속(m/sec)	압력강하(bar)
15m(기준)	1,800,000	2.83	0.24
21m(1.4배)	1,800,000	1.44(50%감소)	0.16(33.3%감소)
25.5m(1.7배)	1,800,000	0.98(65.4%감소)	0.13(45.8%감소)

배출수문의 압력강하 값은 배출부하와 비례적 의미로써 그 값이 작다는 것은 그만큼 배출이 용이하다는 의미이다. 배출 수문은 길게 할수록 배출 압력 부하는 계속 작아지겠으나 이는 수문의 길이가 공사비와 매우 밀접한 관계가 있으므로 2배 이상은 고려하지 않는다.

본 발명에서는 기존 발명에서 제안하지 않은 입력 수류의 압력손실과 배출수류의 낙차 감소 효과를 정량적으로 계산하여 이를 최소화 하는 최적 범위를 제시함으로써 본 발전사업의 발전량을 높일 수 있게 하였고, 발전 수차 간의 출력 불균일 문제의 해결 방안을 제시함으로써 단류식 조력 발전기를 이용한 복류 조력 발전 방법의 실시 가능성을 더욱높게 하였다.

기존의 발명특허에서 제시한 단류식 복류 발전이 밀물과 썰물 모두 발전이 가능하여 기존의 단류 발전에 비하여 발전 시간이 1.4~1.5배 증가할 수 있음에도 실시가 되지 못한 이유, 수류의 과도한 굴곡으로 압력 손실과 출력 불균일 및 발전기 후단의 호수에서 배출 수류가 정체되어 낙차를 감소시키는 문제가 예견되었기 때문이었다. 본 발명은 이러한 문제들을 최소화함으로써 이중 수문 건설로 인한 공사비가 증가하더라도 발전사업 수익성이 더 높은 방안을 제시한 것으로써 향 후 조력발전 건설 분야에서 유용한 기술이 될 것이다.

또 한 본 발명은 단류식 복류 발전을 위하여 조력발전기 전 후단에 설치하는 수류 선택 호수(Pond)를 최소화 하는 조건에서의 실시 방법이므로, 단류식 복류 조력발전 방식에서는 가장 공사비는 작고, 발전시간은 가장 길게 효과를 볼 수 있는 방법이다.

아울러 [도 8-2] 와 같이 본 발명 입력 수문과 배출 수문 구조물 상부에 일방통행 도로를 개설하고, 조력발전기 양단에 인접한 내해 및 외해 지역에 휴게소, 관망대, 운전 정비시설을 설치하면 기존 제방 도로와 연결하여 매우 유용하게 활용할 수 있을 뿐만 아니라 조력발전기 구조물 상단에도 왕복도로를 설치하면 각각의 원래 방향으로 회차가 가능하므로 본 발명 조력 발전 시설을 종합적인 관광 상품으로도 활용이 가능 하다.

[대표도] 는 본 발명의 전체적인 형태를 나타낸다.
[도 1] 은 본 발명 장치의 각 부호 위치를 나타낸다.
[도 2] 는 각도 변경으로 인해 감소된 직선 벡터의 이론적 벡터량를 표시한다.
[도 3] 은 조력 발전 방식별 발전시간을 표시한다 (노란색)
[도 4] 는 입력수문의 어긋난 배치각도로 인한 입력 수류의 굴곡 각도를 표시한다.
[도 6] 은 입력수문과 조력 발전기 사이의 Guide Banks Zone을 이용하여 간격을 벌려서 1.0 이상의 곡률을 부여하는 실시 예 이다.
[도 7] 은 층류 및 난류 유체의 굴곡 부에서 수류의 흐름을 분석한 예이다. 굴곡부에서 바깥쪽이 관성으로 속도와 압력이 증가면서 층류와 난류의 흐름 양상이 다르고 전체적으로 불균일한 흐름이 발생함을 보여준다.
[도 8] 은 30도 및 45도 각도 입력 수문의 배치 실시 예 이다.
[도 9] 는 Guide Banks가 입력수류를 발전 수차 방향으로 방향을 전환 시키고 아울러 골고루 분배하는 역할의 실시 예 이며, 각 수류의 전체적인 경로를 유사하게 함으로써 발전 수차를 통과하는 속도가 비슷해지도록 한다.
[도 10] 은 수문 배치 각도별 삼각함수 법에 의한 길이 비율을 나타낸다.
[도 11] 은 낙차 감소에 따른 발전 시간 감소량을 산출한 예 이다. 낙차가 1m 감소에 따라 발전 시간은 15~20% 감소한다.
[도 12] 및 [도 13] 은 조력 발전기 전단의 입력 수문 배치설계 실시 예 이다.
[도 14] 는 입력 수문 길이를 주어진 각도에서 최대로 확대하여 전체 수문 형태가 비대칭 마름모형으로 배치하는 실시 예 이다.

1) 발명의 실시를 위한 전체적 설명

본 발명은 단류식 조력 발전기 양단에 수류 선택 호수(Pond)를 형성하고 각 각을 수문을 이용하여 외해(外海)와 내해(內海)로 연결함으로써 복류 발전을 가능하게 하는 방법에 있어 [대표도] 및 [도 1] 과같이 구성되어 있으며 주요 발명 구성은 다음과 같다.

본 발명의 가장 중요한 구성은, 단류식 조력 발전기의 전 후단에 설치된 수류 선택 호수(Pond)에서 내해 및 외해로 연결되는 배치 각도가 최적화된 2개의 입력수문과 입력 수문보다 항시 길이가 더 긴 2개의 배출 수문과 2개의 입력수문 및 조력 발전기 사이에 설치되는 Guide Banks Zone 과 그 안에 설치하는 다수의 Guide Banks(방향유도 제방)이다.

상기 2개의 입력수문은 수류의 굴곡으로 인해 발생하는 수류의 압력 손실을 최소화하도록 그 배치 각도를 최적화하여 선정을 하였고 Guide Banks Zone 지역을 이용하여 수류의 곡률을 1.2배 내지 1.5배 되도록 하여 반사계수를 줄였으며 Guide Banks는 수류의 분배를 고르게 하여 각 발전 수차 간 출력 차이가 없도록 하였고, 2개의 배출수문은 입력수문보다 길이를 길게 하여 운동량이 줄어든 배출 수류가 내해 및 외해로 용이하게 빠져나가 낙차 감소가 발생하지 않도록 하였다.

이상과 같이 본 발명은 비교적 구성이 단순하면서도 효과가 명백한 발명이다.

2) 발명의 실시를 위한 구체적 설명

2-1) 두 개 입력수문의 배치 각도 최적화 실시 설계방안

본 발명과 같이 밀물 혹은 썰물의 수류가 수문을 통해 들어와 조력 발전기를 통과하는 배치에서는, 두 개의 수문이 조력 발전기에 같이 일직선상으로는 배치될 수가 없으므로 중앙을 기점으로 각각 좌우로 대칭 배치를 해야 하고 따라서 각각의 수문은 최대한 조력 발전기를 향하도록 해야 한다. 좀 더 구체적 실시 예는 [도 8] 및 [도 12], [도 13] 과 같으며, [도 12], [도 13] 을 보면 단류식 조력 발전기의 중심에서 조력 발전기 전단의 직각 방향으로 조력 발전기 전체 길이의 0.5배 내지 1.0배 이내 떨어진 지점에서 조력발전기와 평행 하는 가상 선에 대해 30도 혹은 45도 각도로 좌우 동일하게 수문이 배치되는 A-1 및 A-2 선분을 긋고, 상기 조력발전기 구조물의 양 끝단에서도 동일한 직각 방향으로 방조제가 배치되는 B-1 및 B-2 선분을 그어 A-1과 B-1 및 A-2와 B-2 선분들이 만나는 꼭지점 들을 모두 연결하면 두 변이 평행한 대칭 오각형 모양의 수류 선택 호수가 형성된다. 이렇게 함으로써 조력 발전기에 대하여 두 개의 입력 수문은 모두 동일한 입력수류 조건을 갖는다. 이때 A-1과 B-1 및 A-2와 B-2 선분들이 만나는 꼭지점 들은 Guide Banks 공간과 최소로 겹치지 않도록 두 개의 입력 수문(A-1과 A-2 선분)이 만나는 꼭지점이 조력발전기에 대하여 후방으로 조절됨으로써 두 개 입력수문의 배치 각도 최적화 실시 방안이 설계된다.

두 개 입력 수문의 배치각도 θ1( 7 ) 은 작을수록 조력 발전기와 평행배치에 가까워 수류는 직선 성을 가질 수 있으나, 반면에 수류가 조력 발전기 전체로 확산하는데 불리하므로 바람직한 최저 각도를 30도로 하고 굴곡 각도가 커지면 압력 손실 값도 커지므로 상한 각도를 60 이내로 한다.

[도 10]에 의하면 입력 수문의 길이는 조력 발전기 구조물과 평행하는 가상 선으로부터 배치 각도 θ1에 의하여 결정이 되는데, θ1 = 30도 각도에서는 조력 발전기 전체 길이를 2 x √3 으로 할 때 입력 수문 구조물의 길이가 2로써 2 ÷( 2 x √3 = 0.577 ) 배이고, θ1 = 45도 각도에서는 조력 발전기 전체 길이를 2로 할 때 입력 수문 구조물의 길이가 √2로 0.707 배이다.

입력수문의 배치 각도를 최적 범위 내에서 어느 값으로 결정할지는 해당 지역의 조류속도와 간만의 차이 등을 고려하여 결정할 수 있는데 조수 간만의 차가 크고 조류 속도가 빠를 경우에는 유량이 많이 유입될 수 있으므로 수문 길이가 조금 짧더라도 수류 선택 호수(Pond)내 이동 경로가 짧고 압력 손실이 적은 30도 각도가 유리하고, 조수 간만의 차가 적을 경우에는 입력 유량을 늘리기 위하여 수문의 길이가 좀 더 긴 45도 각도가 유리할 것으로 예상된다. 이는 각 조력 발전소의 여러 가지 입지 조건을 압력 손실 계산과 흐름 Simulation(CFD) 분석을 통하여 최적의 배치 각도를 결정할 수 있다. 복류(밀물 및 썰물) 발전의 최대 발전 규모 산정과 조력 발전기 길이 결정은 내해의 가용 수량 규모에 의해 먼저 결정이 되어야 하고, 이어서 위와 같은 계산과 모사 방법에 의하여 수문의 배치 각도와 길이를 결정하는 순서로 설계를 해야 한다.

[도 14] 는 낙차가 적은 지역에서는 입력 수류를 최대한 많이 받아들이기 위하여 입력 수문의 길이를 확대한 형태인데, 발명의 전체적인 모양을 비대칭 마름모 형태로 실시 모양을 변경한 예이다.

2-2) Guide Banks

모든 유체는 관성을 가지기 때문에 각도가 휘어지면 직선방향으로 흐르는 관성으로 인해 굴곡 면을 통과할 때 편류가 발생한다. 본 발명의 분야와 같이 다수의 발전 수차를 구비한 조력 발전기에 편류가 유입되면 발전 수차 간 출력 변동이 발생하므로 이 문제는 반드시 해결해야 한다.

[도 1] 에서, 조력발전기( 11 )와 입력 수문( 3,4 ) 사이에 형성하는 입력 수류 선택 호수(Pond, 부호 9번)에서 수류의 각도를 발전 수차( 11 ) 회전축 방향과 일치시키고, 고른 분배를 하기 위해서는 수류를 유도하고 분배하는 제방이 필요한데 이를 Guide Bank( 6 )라 하며 다수를 설치할 때는 서로 평행하게 하고 그 길이는 수문에 출발하여 각각의 Guide Bank(6)에 사선 방향으로 진입한 수류의 벡터가 직선으로 빠져나가지 못할 정도의 거리를 확보해 주어야 한다. 아울러 두 개의 입력 수문에서 교대로 수류가 입력되므로 조력 발전기 방향에 대하여 좌우로 대칭되는 구간 안에서 Guide Bank Zone(5)이 설계되어야 하고 그 안에 발전 수차 수만큼의 분배 수류가 형성되도록 Guide Bank(6)를 설치해야 한다. Guide Bank(6)의 세부 형태는 와류를 최소화하도록 직각 면에 대하여 곡면 처리를 한다. [도 1] 에서 수차 구조물( 12 )의 전단 모양도 Guide Banks가 분배한 수류가 효과적으로 각 발전 수차로 유입되도록 경사면 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

[도 9] 는 Guide Bank(6) 실시에 대한 효과를 나타내는 도면인데 길이와 조력 발전기 및 입력수문과의 거리 간격은 각 발전 지역의 조류 상황에 맞게 CFD 해석을 통하여 결정할 수 있다.

2-3) 배출 수문의 길이

조력 발전기( 11 ) 후단의 배출수류 분배 호수(Pond)에서 내해로 배출되는 배출 수문( 1 )과 외해로 배출되는 배출 수문( 2 )의 길이가 입력 수문들( 3,4 )보다 길면 배출수류 분배 호수(Pond)에서 내해 혹은 외해로 수류가 부하를 덜 받으며 용이하게 빠져나갈 수 있어서 부여된 낙차 감소가 발생하지 않는다.

이 방법의 실시를 위하여 조력 발전기 길이를 밑변으로 하고 후단 방향으로 이등변 삼각형을 구성하는데 밑변의 각도 θ2( 8 )는 항시 입력 수문의 배치 각도 θ1( 7 )보다 크게 한다. [도 10] 에서 입력 수문의 배치 각도 θ1은 30도 혹은 45도일 때 θ2는 60도로 항시 더 크게 하고, 입력 수문의 배치 각도 θ1이 30도일 경우 그 길이를 2라고 했을 때 배출 수문의 길이는 2 x √3 (1.73) 배 비율이 되며, 입력 수문의 배치 각도 θ1이 45도일 경우 그 길이를 √2 라고 했을 때 배출 수문의 길이는 2로써 1.414배 비율이 된다.

도 1에서 주요부분의 장치 명칭
1 : 내해 배출 수문
2 : 외해 배출 수문
3 : 외해 입력 수문
4 : 내해 입력 수문
5 : 가이드 뱅크 존( Guide Banks Zone )
6 : 가이드 뱅크 ( Guide Banks - 수류 유도 제방 )
7 : 조력 발전기에 대한 입력수문의 배치 각도
8 : 조력 발전기에 대한 배출수문의 배치 각도
9 : 입력수류 선택 호수( Pond )
10 : 배출수류 선택 호수( Pond )
11 : 발전 수차
12 : 발전 수차 구조물
21 : 방조제 도로
※ 부호 11 및 부호 12를 합하여 조력 발전기라 칭한다.

Claims

단류식 조력발전기 전단에 구비하는 입력수류 선택 호수(Pond)에 내해(內海)와 외해(外海)로 두 개의 입력수문을 동시에 연결하는 방법에서, 두 개의 입력수문의 각도는 조력발전기와 평행 되는 가상선과 30도 내지 60도 이내 범위에서 대칭으로 배치하고, 각각의 입력수문에서 조력 발전기로 수류가 유입되는 굴곡 면의 곡률(수류의 회전반경/수문 폭)을 1.2 내지 2.0 범위가 되도록 조력 발전기와 수문 사이에 Guide Banks Zone으로 공간을 부여하는 설계 방법과；
조력발전기 전단의 입력수류 선택 호수(Pond) 내에서 내해 및 외해 입력수문으로부터 입력된 수류(水流)를 발전 수차 숫자 만큼으로 동일하게 분배함과 동시에 수류의 방향도 발전 수차 축과 일치하도록 수류의 분배 및 유도 기능을 갖는 수류 유도제방(Guide Banks)을 제공하는 방법과；
조력 발전기 후단에 구비되는 배출수류 선택 호수(Pond)에서 내해(內海)와 외해(外海)로 수류를 배출하는 배출수문의 길이를 입력수문의 길이보다 1배 내지 2배로 더 길게 설계하는 방법；
을 특징으로 하는 단류식 발전기를 이용한 양방향 조력 발전 방법과 시스템
제1항에서, 조력 발전기를 밑변으로 하는 대칭형 오각형 모양의 입력수류 선택 호수를 구비하고 오각형 중앙 꼭지점을 중심으로 좌우 변에 두 개의 입력수류 수문을 대칭모양으로 배치하는 것을 특징으로 하는 단류식 발전기를 이용한 양방향 조력 발전 방법과 시스템.
제1항에서 (발전 수차 숫자 - 1) 개 수로 설치되는 Guide Banks로 구성된 Guide Banks Zone이 조력발전기와 입력 수문 사이에 설치되어 공간을 벌림으로써 입력 수류의 곡률이 1보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 단류식 발전기를 이용한 양방향 조력 발전 방법과 시스템.
제1항에서, 조력 발전기 후단에 마련되는 배출수류 선택 호수는 조력발전기를 밑변으로 하는 이등변 삼각형 형태를 하고, 조력 발전기에 대한 배출수문 각도가 입력수문 각도보다 항시 더 크게 설계하는 것을 특징으로 하는 단류식 발전기를 이용한 양방향 조력 발전 방법과 시스템.
조력 발전기 전단에 내해 및 외해와 연결하는 수문 배치를 할 때, 조력 발전기를 밑변으로 하고 양 이등변에 입력 수문으로 배치하여 이등변 삼각형 형태의 입력수류 선택 호수로 구비하고 ；
조력 발전기 후단에도 내해 및 외해와 연결하는 수문 배치를 할 때, 조력 발전기를 밑변으로 하고 양 이등변에 배출 수문으로 배치하여 이등변 삼각형 형태의 배출수류 선택 호수로 구비하여 ；
배출 수문 2개는 항시 대응하는 입력 수문 2개보다 길이가 길어서 전체적으로 4개의 수문 연결 모양이, 밑변은 같고 높이가 다른 두 개의 이등변 삼각형을 맞붙여 놓은 비대칭형 마름모 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 단류식 발전기를 이용한 양방향 조력 발전 방법과 시스템.