KR20190045615A - 저온해수를 이용한 복합발전시스템 - Google Patents

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KR20190045615A KR1020170138403A KR20170138403A KR20190045615A KR 20190045615 A KR20190045615 A KR 20190045615A KR 1020170138403 A KR1020170138403 A KR 1020170138403A KR 20170138403 A KR20170138403 A KR 20170138403A KR 20190045615 A KR20190045615 A KR 20190045615A
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Abstract

본 발명은 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 관한 것으로서, 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부(10)와, 상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양(20)과, 상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지(30) 및 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부(40)를 마련하되, 특히 별도의 하부저수지의 구축없이 직접 하부해양이 하부저수지 기능을 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 하부저수지 구축에 따른 비용발생을 없애 결과적으로 시스템 전반에 걸친 비용절감을 도모할 수 있게 되고, 또한, 해수로써 저온해수를 이용하여 별도의 냉각장치의 구현없이 다양한 발전부로 냉각수를 직접 공급할 수 있도록 함으로써, 이 역시 냉각장치의 삭제에 따른 비용절감은 물론 직접적이고 지속적인 저온해수의 냉각기능에 따른 발전효율의 향상을 꾀할 수 있게 되는 등의 효과를 얻는다.

Description

저온해수를 이용한 복합발전시스템{COMPLEX GENERATING SYSTEM USING LOW TEMPERATURE SEA WATER}
본 발명은 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력잉여시 저온해수를 양수하여 상부저수지에 저장한 후 다양한 발전부의 냉각수로써 활용하고 전력부족시 저온해수를 하부해양으로 방류하여 양수발전부에서 발전이 이루어지도록 하며, 또한 상부저수지에 저온해수를 저장할 때 수상태양광을 두어 태양광발전을 수행하는 동시에 저온해수를 통해 태양광발전의 효율을 높일 수 있는 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 양수발전은 수력발전의 한 형태로 야간이나 전력이 풍부할 때 펌프를 가동해 아래쪽 저수지의 물을 위쪽 저수지로 퍼 올렸다가 전력이 필요할 때 방수하여 발전하는 방식을 말한다.
이러한 양수발전은 발전소의 아래와 위에 저수지를 만들고 발전과 양수를 반복하는 수력발전으로써, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 여름처럼 물이 많을 때나 야간에 풍부하게 남는 전력으로 펌프를 가동하여 아래쪽 저수지의 물을 위쪽 저수지로 퍼 올렸다가 물이 부족해지는 시기나 주간처럼 전력이 많이 필요할 때 방수하여 발전을 수행하게 된다.
이렇게 수력발전소의 연간 발전전력량은 연간 강수량과 자연유량에 제한을 받으나 양수방식을 사용하면 더 많은 전력을 생산할 수 있게 되며, 양수발전을 위해서는 발전소보다 충분히 높은 위치에 많은 양의 물을 저장할 수 있는 자연호수 또는 인공호수가 있어야 한다.
그리고, 양수발전은 수차로 발전기를 돌려 전력을 생산할 뿐 아니라 전동기로 펌프를 돌려 다시 물을 퍼 올리기도 하는데, 이때 발전기와 전동기는 같은 원리로 작동하기 때문에 발전용과 양수용을 따로 설비하는 경우와 같은 설비를 사용하는 경우로 나누어진다.
여기서, 따로 하는 경우는 높은 효율로 발전과 양수를 할 수 있지만 건설비가 비싸고, 반면에 같은 설비를 공용할 경우는 건설비는 싸지만 발전할 때 발전기가 구동되는 속도보다 양수할 때 전동기가 구동되는 속도가 훨씬 더 빨라야 하므로 전동기(발전기)의 구조가 복잡해진다.
그래서, 두 형태의 중간적인 형태로 수차와 펌프 설비를 따로 하되 같은 축에 연결한 텐덤형이 많이 사용되며, 이 형태에서는 양수할 때는 수차가 공회전(空回轉)하고 발전할 때는 펌프가 공회전되는 구조이다.
한편, 양수발전의 필요성으로써 자연유량으로 대규모의 발전을 할 수 있는 지점은 이미 대부분 개발되었고 전력의 수요는 날로 증가되고 있기 때문에 자연유량에 의존하는 방식을 벗어나 양수에 의한 발전이 필요하고 대형 발전소에서는 항상 일정한 전력을 생산하는 것이 유리하므로 따라서 야간에는 전력이 남고 주간에는 부족해지는데 야간의 값싼 잉여전력을 이용하여 양수를 하였다가 주간에 발전하는 것은 매우 합리적이고 유리하여 양수발전소의 건설은 세계적인 추세라고 볼 수 있다.
일례로 종래 기술의 양수발전시스템에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
종래 기술의 양수발전시스템은 주변의 바닷물을 끌어다가 저장하는 상부인공저수지와 하부인공저수지를 발전에 필요한 높이 단차와 저수 용량으로 시공하고, 상부인공저수지와 하부인공저수지의 바닷물 공급 및 해수 농축물 배출을 겸할 수 있도록 일단에 배수관이 구비되는 충ㆍ배수 겸용 라인을 시공하며, 해안의 바닷물을 공급할 수 있도록 충ㆍ배수 겸용라인과 해안을 해수공급관으로 연결하여 시공하고, 해수공급관의 취수구 측에 선박 평형수 처리시스템을 시공하며, 피크부하시 상부인공저수지에서 낙하되는 물로 발전을 하고, 잉여 전력시 하부인공저수지의 바닷물을 상부인공저수지로 공급하도록 양수발전기를 시공하며, 양수발전기의 발전 전기를 받아 승압시킨 후 전력망에 송전하고, 잉여전력시 전력망 전력이 양수발전기에 공급되면 터빈과 모터가 양수용으로 구동되도록 송전/수전의 변전소를 시공하되 충ㆍ배수 겸용 라인과 해수공급관 및 선박 평형수 처리 시스템은 양수 발전소가 완공되기 6개월~12개월 전에 먼저 시공 완료하여 양수 발전소가 완공될 때까지 6개월~12개월에 걸쳐서 상부인공저수지와 하부인공저수지 중 어느 하나를 저수용량에 맞춰 만수위로 채우거나 둘 모두에 저수용량의 절반씩 바닷물을 채우는 초기 충수 기간을 갖도록 한 것이다.
그러나, 이러한 종래 기술의 양수발전시스템은 단순히 전력잉여시 전력망을 통해 펌프를 작동시켜 해수를 양수하여 상부저수지에 저장하고 전력부족시 하부저수지로 해수를 방류하여 터빈을 작동시켜서 발전하는 정도로써, 양수발전을 위해서 반드시 하부저수지가 필요하게 되어 시스템 설치 비용이 많이 소요되는 문제점이 있고, 또한, 상기 해수는 단순히 하부저수지로의 방류에 따른 발전 용도 이외에 전력망 등 타 발전장치를 냉각시키기 위한 수단이 마련되어 있지 않기 때문에 펌프로 전력을 공급하는 전력망을 냉각시키기 위해서는 별도의 냉각수 공급장치가 추가로 필요하게 되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부; 상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양; 상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지; 및 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부를 마련하되, 특히 별도의 하부저수지의 구축없이 직접 하부해양이 하부저수지 기능을 수행할 수 있도록 하는 저온해수를 이용한 복합발전시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 해수로써 저온해수를 이용하여 별도의 냉각장치의 구현없이 다양한 발전부로 냉각수를 직접 공급할 수 있도록 하는 저온해수를 이용한 복합발전시스템을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템은 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부; 상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양; 상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지; 및 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 상기 해수는 연안저층수 또는 해양심층수인 저온 해수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 상기 수상발전부는 상기 상부저수지의 수면상에 마련되어 부유된 상태로 상기 상부저수지의 수면을 덮어씌워 하부의 저온해수를 보온하는 동시에 상기 저온해수에 의해 직접 냉각이 이루어지는 복수의 태양광모듈을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 상기 수상발전부는 상기 상부저수지 수면상에서 서로 연결되어 있는 복수의 태양광모듈의 일측에 상단부가 연결되고 하단부가 상기 상부저수지의 저면으로 연장 고정되는 계류부가 더 마련된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부 또는 잉여전력을 보내는 육상발전부가 더 마련된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 상기 육상발전부는 상기 상부저수지와 연통된 상태에서 상기 상부저수지의 저온해수를 상기 육상발전부의 냉각수로써 공급하기 위한 냉각수공급로가 더 마련된 것일 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 저온해수를 이용한 복합발전시스템은 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부; 상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양; 상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지; 및 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부를 마련하되, 특히 별도의 하부저수지의 구축없이 직접 하부해양이 하부저수지 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 하부저수지 구축에 따른 비용발생을 없애 결과적으로 시스템 전반에 걸친 비용절감을 도모할 수 있게 되는 등의 효과를 얻는다.
또한, 해수로써 저온해수를 이용하여 별도의 냉각장치의 구현없이 다양한 발전부로 냉각수를 직접 공급할 수 있도록 함으로써, 이 역시 냉각장치의 삭제에 따른 비용절감은 물론 직접적이고 지속적인 저온해수의 냉각기능에 따른 발전효율의 향상을 꾀할 수 있게 되는 등의 효과를 얻는다.
도 1은 종래 기술에 따른 양수발전 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템 중 상부저수지 부근을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템 중 상부저수지 수면에 수상발전부가 설치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템 중 상부저수지에 설치된 수상발전과 옥외발전을 비교한 개략적인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 4에서 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템은 양수발전부(10)와, 하부해양(20)과, 상부저수지(30)와, 수상발전부(40)와, 육상발전부(50)를 포함한다.
상기 양수발전부(10)는 상방의 상부저수지(30)와 하방의 하부해양(20) 사이에 위치된 것으로써, 발전을 위한 터빈(미도시)과 양수를 위한 펌프(미도시)가 마련되어 있다.
상기 하부해양(20)은 상기 양수발전부(10)의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 곳으로써, 특히 연안저층수나 해양심층수 등의 저온해수를 제공한다.
상기 상부저수지(30)는 상기 양수발전부(10)의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양(20)의 해수를 저수하기 위한 기능을 수행한다.
상기 수상발전부(40)는 상기 양수발전부(10)의 펌프로 전력을 공급하기 위한 것으로써, 상기 수상발전부(40)는 상기 상부저수지(30)의 수면상에 마련되어 부유된 상태로 상기 상부저수지(30)의 수면 전체 또는 일부를 덮어씌워 하부의 저온해수를 보온하는 동시에 상기 저온해수에 의해 직접 냉각이 이루어지는 복수의 태양광모듈(41)을 포함한다.
그리고, 상기 수상발전부(40)는 상기 상부저수지(30) 수면상에서 서로 연결되어 있는 복수의 태양광모듈(41)의 일측에 상단부가 연결되고 하단부가 상기 상부저수지(30)의 저면으로 연장 고정되는 계류부(42)가 마련되어 있다.
그리고, 상기 양수발전부(10)의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부 또는 잉여전력을 보내는 육상발전부(50)가 마련되어 있다.
여기서, 상기 육상발전부(50)는 상기 상부저수지(30)와 연통된 상태에서 상기 상부저수지(30)의 저온해수를 상기 육상발전부(50)의 냉각수로써 공급하기 위한 냉각수공급로(51)가 마련되어 있다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템의 작동 과정을 살펴보면, 우선 야간이나 전력이 풍부할 때에 양수발전부(10)의 펌프를 가동시켜 하부해양(20)의 연안 저층수나 해양 심층수를 양수하여 상부저수지(30)에 저장하였다가 물이 부족해지는 시기나 주간처럼 전력이 많이 필요할 때 상기 상부저수지(30)의 물을 하부해양(20)으로 방류하여 양수발전부(10)의 터빈을 통해 발전을 수행한다.
여기서, 상기 수상발전부(40)와 육상발전부(50)의 유휴전력을 양수발전부(10)의 펌프로 공급하여 펌프를 가동시킬 수 있도록 하고, 상기 수상발전부(40)와 육상발전부(50)의 발전 과정에서 발생되는 열은 냉각수 기능을 하는 저온해수를 통해 냉각이 이루어지도록 한다.
이와 같이, 수상발전부(40)는 상부저수지(30)의 저온해수 수면에 부유된 상태로 직접적인 냉각이 지속적으로 이루어지게 되고, 또한, 상부저수지(30)의 저온해수가 냉각수공급로(51)를 통해 육상발전부(50)로 공급 및 냉각 기능을 수행할 수 있게 하여 수상발전부(40) 및 육상발전부(50)의 발전에 기여할 수 있도록 한다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 수상발전부(40)를 상부저수지(30)의 수면상에 배치함으로써 태양광발전소 설치에 따른 자연 훼손(산림 및 임야의 훼손)이 없고, 수면을 이용함으로써 국토의 효율적 이용이 가능하며, 산간 오지 설치에 따른 접근도로의 부설이 불필요하고, 수면에 설치되므로 기초공사가 불필요하며, 해수의 낮은 온도로 인한 지속적인 냉각을 통해 발전 효율의 상승을 도모할 수 있게 된다.
그리고, 수위 변동에 따라 해상부유체인 태양광모듈(41)이 자유로이 움직일 수 있도록 해야 하고, 동시에 발전효율이 감소하지 않도록 정남향을 유지해야 하며, 바람에 의해서 수상 부유체의 좌우 움직임이 최소화 되도록 고정(계류)하기 위해 상기 계류부(42)가 마련되어 있다.
여기서, 국내외 사례는 수심이 얕고 연중 수위 변동이 크지 않은 저수지나 연못에 설치한 것들이 대부분이어서 육상에 계류선을 연결하면 충분하기 때문에 계류가 크게 문제되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온해수를 이용한 복합발전시스템 중 상부저수지에 설치된 수상발전과 옥외발전을 비교한 개략적인 그래프로서, 일례로,수상태양광 발전기술 개요 및 현황 논문을 참조하여, 함안옥상과 합천수상태양광의 발전량과 주변 및 모듈온도를 비교해 보면, 일평균 주변온도는 함안옥상이 합천수상에 비해 약 3℃, 모듈온도는 약 4.3℃가 높으며 이용률은 14.3%가 낮음을 알 수 있다.
즉, 여름철(2014년 7월 1일) 합천 수상태양광과 약 40km 떨어진 함안 옥상태양광을 비교한 결과를 살펴보면, 보다 구체적인 온도와 발전량 상관관계를 알 수 있는데, 옥상태양광은 오전 10시부터 주변온도가 35℃일 때 모듈온도가 50℃를 초과하게 되면 급속히 발전량이 감소되는 것에 비해, 수상태양광은 주변온도가 일 최고 28℃를 넘지 않으며 모듈온도가 55℃까지 상승해도 육상에 비해 발전출력이 감소되지 않음을 알 수 있다.
이는 동일한 일사량 조건에서 발전 임계점에 도달하는 모듈온도는 55℃ 정도이며, 이때 발전최고 출력은 주변대기온도에 반비례하여 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 저온해수를 이용한 복합발전시스템은 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부; 상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양; 상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지; 및 상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부를 마련하되, 특히 별도의 하부저수지의 구축없이 직접 하부해양이 하부저수지 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 하부저수지 구축에 따른 비용발생을 없애 결과적으로 시스템 전반에 걸친 비용절감을 도모할 수 있게 된다.
또한, 해수로써 저온해수를 이용하여 별도의 냉각장치의 구현없이 다양한 발전부로 냉각수를 직접 공급할 수 있도록 함으로써, 이 역시 냉각장치의 삭제에 따른 비용절감은 물론 직접적이고 지속적인 저온해수의 냉각기능에 따른 발전효율의 향상을 꾀할 수 있게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명은 상기의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 이러한 실시예를 종래의 공지 기술과 단순히 조합 적용한 변형예는 물론 본 발명의 발명청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 용이하게 변경하여 이용할 수 있는 모든 기술들은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10 : 양수발전부 20 : 하부해양
30 : 상부저수지 40 : 수상발전부
41 : 태양광모듈 50 : 육상발전부
51 : 냉각수공급로

Claims (3)

  1. 발전을 위한 터빈과 양수를 위한 펌프가 마련된 양수발전부;
    상기 양수발전부의 하부에 위치되고 상기 펌프를 통해 해수를 양수하기 위한 하부해양;
    상기 양수발전부의 상부에 위치되고 양수된 상기 하부해양의 해수를 저수하기 위한 상부저수지; 및
    상기 양수발전부의 펌프로 전력을 공급하기 위한 수상발전부;
    를 포함하는 저온해수를 이용한 복합발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 해수는 연안저층수 또는 해양심층수인 저온 해수인 것을 특징으로 하는 저온해수를 이용한 복합발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수상발전부는 상기 상부저수지의 수면상에 마련되어 부유된 상태로 상기 상부저수지의 수면을 덮어씌워 하부의 저온해수를 보온하는 동시에 상기 저온해수에 의해 직접 냉각이 이루어지는 복수의 태양광모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온해수를 이용한 복합발전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102548669B1 (ko) * 2023-02-24 2023-06-28 한국수력원자력 주식회사 양수의 위치 에너지를 이용한 양수발전 효율 측정 및 이를 이용한 가이드 베인 개도량 제어 방법

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