KR20200009417A

KR20200009417A - 수력 발전 시스템

Info

Publication number: KR20200009417A
Application number: KR1020180083754A
Authority: KR
Inventors: 김도형
Original assignee: 김도형
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-30

Abstract

본 발명의 수력 발전 시스템은 수력 발전을 위하여 물이 수용되는 수조와, 상기 수조의 상측에서 이격되도록 설치된 진공탱크와, 진공탱크 내부를 진공으로 형성하기 위하여 진공압을 공급하는 진공펌프와, 상기 진공탱크의 상부와 진공펌프 사이를 연결하여 공기 이동의 통로를 제공하는 진공 공급라인과, 상기 수조의 물을 상기 진공탱크로 이동시키는 통로로서, 상기 진공탱크의 상부와 상기 수조를 연결하는 흡입관과, 상기 흡입관과 진공탱크 사이에 개재되고, 상기 진공탱크로 이송되는 물을 이용하여 터빈을 동작시켜 전기를 생산하는 발전기와, 상기 진공탱크의 하부와 수조를 연결하고, 상기 진공탱크 내의 물을 상기 수조로 배출하기 위한 배출관을 포함한다.

Description

수력 발전 시스템{HYDROELECTRIC SYSTEM}

본 발명은 일정한 양의 물이 마련된다면 지속적으로 발전할 수 있는 수력 발전 시스템에 관한 것이다.

물은 사람이 살아가는데 반드시 필요한 요소들 중 하나이다. 물은 위치 에너지를 갖고 있기 때문에, 이러한 위치 에너지를 이용한 수력 발전소가 이용되고 있다. 즉, 수력발전소에서는 물의 위치 에너지를 이용하여 전기를 발생시키기 위해, 높이 위치한 댐에 물을 저장한 후 높은 위치에서 떨어지는 물기둥을 이용하여 수력 발전기를 구동하고 있다.

최근 수력 발전에 의한 발전 의존도가 점점 줄어들고 있는데, 이러한 흐름은 수력 발전이 갖는 구조적인 단점에 기인한다고 볼 수 있다. 수력발전은 일반적으로 발전에 필요한 수자원을 축적하기 위해 강이나 하천에 대규모 토목 공사가 진행되어야 하며, 수자원을 가두기 위해 물의 흐름을 막는 댐건설이 필수적이다. 이와 같은 대규모의 댐을 건설하는 과정에서 넓은 지역의 수몰지구가 생기고, 발전소를 만들면서 주변 환경을 파괴시키게 된다.

이러한 문제점과 수몰지역의 보상, 이주민 대책 등의 경제적인 문제들이 엮이게 되면서, 새로운 수력 발전 건설의 요구가 더욱 줄어들고 있다.

또한, 수력 발전의 대안으로 사용되고 있는 양수발전 역시 건설적인 측면에서는 수력발전과 같은 댐 건설의 문제가 야기되고, 운영의 측면에서도 심야시간대 전력 사용량이 증가하는 추세에 따라 더이상 지속적으로 발전을 실시하기 어려운 상황에 있다.

그리고, 양수발전 자체가 하류에 있는 물을 상부로 올릴 때 펌프를 이용하여 물을 이동시켜야 하고, 이로 인해 모터 및 펌프의 효율과 마찬 손실 등의 영향으로 에너지 손실이 발생하기 때문에, 펌프를 사용하여 물을 이동시키는 동안 소비되어야 하는 동력에 비해 생산되는 발전량이 작아 전기 소비가 적은 야간에 펌프를 동작시키고 전력 소비가 많은 주간 시간대에만 발전을 하게 되므로, 24시간 지속적인 발전을 유지하는 것이 어렵다.

이러한 한계를 개선하고, 나아가 한계를 극복하기 위하여, 대형 댐을 건설하지 않고도 물의 낙차를 확보하여 발전할 수 있고, 발전시 수자원의 소모를 줄이기 위한 양수식 발전 형태를 취하면서 24시간 지속적인 발전이 가능한 고효율의 양수식 수력 발전 설비가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 현재의 수력 발전에 대한 문제를 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 수조 상부에 흡입관과 진공탱크 및 연통된 배출관을 설치함으로써, 대형 댐을 건설하지 않고도 기압차를 이용한 물의 운동에너지로 지속적인 발전을 수행할 수 있는 시스템을 제안한다.

또한, 한 번 발전해 사용한 수자원을 하류로 흘려보내던 기존의 수력발전 시스템과 달리 일정량의 물을 저류한 동일한 수위의 수조 위에 본 발명의 발전 설비를 마련하여 수자원의 소모없이 24시간 지속하여 발전을 수행할 수 있는 높은 효율의 양수식 수력 발전 시스템을 제안한다.

또한, 본 발명은 수력 발전을 위하여 수자원을 충분히 확보할 수 없는 환경이나 물의 낙차를 확보할 수 없는 경우에도 본 발명의 시스템을 1회 가동시킬 정도의 물의 양을 확보한다면 어느 지역에나 설치가 가능한 수력 발전 시스템을 제안한다.

또한, 일반적으로 물 펌프가 물을 직접 이송시켜 터빈을 구동시키는 경우에 배관의 마찰 손실과 모터와 발전기의 저효율로 인해 발전 효율이 낮아지는 문제를 해결하기 위하여 본 발명이 제안되며, 물을 수조 상부의 탱크까지 이송하는데 최소한의 동력으로 물을 이송할 수 있는 구성의 진공펌프를 이용하여 에어 리프트 펌프를 구현할 수 있으며, 물을 직접 이송시키지 않고 압력차에 의한 기체의 팽창력을 이용하여 물을 이송할 수 있는 고효율의 발전 시스템을 제안한다.

본 발명의 수력 발전 시스템은 대형 댐을 건설하지 않고도 진공압을 이용하여 수력 발전을 이룰 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 수력 발전 시스템에 의하면, 일정량의 물을 저류한 동일한 수위의 수조 상측에 발전설비가 제공되며, 수자원의 소모, 또는 시간에 관계없이 발전을 지속할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 1사이클의 가동에 요구되는 물이 확보된다면, 어느 지역에나 설치가 가능하고, 종래의 화력 발전을 대체하여 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 오일 베인식 진공펌프의 성능 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 수봉식 진공펌프의 성능 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 수력 발전 시스템을 에어 리프트 펌프의 구조와 비교한 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력 발전 시스템의 구성도이다.

도 1에는 본 실시예에 따라 진공 펌프(1)를 이용한 에어 리프트 펌프와 터빈 발전기가 구성된 발전 시스템이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 물을 수용하는 수조(7)와, 상기 수조(7) 상측에 배치된 진공탱크(2)와, 상기 진공탱크(2)와 연통되면서 상기 진공탱크(2) 상측에 배치되어 진공압을 공급하는 진공펌프(1)와, 상기 수조(7)의 물이 이송되는 통로가 되는 흡입관(3)과, 상기 진공탱크(2)의 상측과 연결되고 상기 흡입관(3)에 의해 이송되는 물을 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 발전기(5)와, 상기 흡입관(3) 내로 흡입되는 공기량을 조절하기 위하여 상기 흡입관(3) 하측부에 구성되는 공기 조절밸브(6)와, 상기 진공탱크(2)의 하측부와 상기 수조(7) 사이에 연결되면서 상기 진공탱크(2)의 물을 상기 수조(7)로 배출시키는 배출관(4)을 포함한다.

또한, 상기 진공탱크(2) 내부를 진공으로 형성하기 위하여 진공탱크 내부의 공기를 배출시키기 위하여 상기 진공탱크(2)의 상부에는 진공 공급라인(8)이 연결되고, 상기 진공 공급라인(8)의 타측은 상기 진공펌프(1)와 연결된다.

상세히, 상기 수조(7)는 일정 수량 이상의 물이 수용된다. 그리고, 상기 진공탱크(2)는 상기 수조(7)로부터 대략 9m 높이의 위치에 설치되고, 상기 진공탱크(2) 상측에 구성된 터빈 발전기(5)에 상기 흡입관(3)이 연결된다.

상기 흡입관(3)은 하측에 배치된 수조(7) 내부에 연통되어 있으며, 상기 수조(7)의 물을 흡입하여 상기 진공탱크(2)로 이송시키는 역할을 수행한다. 그리고, 상기 흡입관(3)에는 공기 조절밸브(6)가 구성되어 있으며, 상기 공기 조절밸브(6)는 진공탱크(2) 내의 운전압을 설정 및 유지하기 위하여 상기 흡입관(3) 내부로 유입되는 공기의 양을 조절하는 역할을 수행한다.

상기 흡입관(3)은 상기 공기 조절밸브(6)에 의하여 에어 리프트 펌프의 형태를 취하게 되며, 물을 상측의 진공탱크(2)로 이송시키는데 산업현장에서 사용될 수 있는 블로워나 콤프레셔의 압축 공기를 에너지원으로 사용하는 것과는 다르게 진공펌프(1)가 제공하는 진공압을 이용하여 대기를 흡입함으로써 수조의 물을 상측의 진공탱크로 이송시킨다. 이와 같이, 상기 진공펌프(1)에 의하여 진공압을 이용한 대기를 흡입하는 압력을 이용하여 물을 이송시키는 것은 큰 장점을 갖는다.

첫째, 기존의 에어 리프트 펌프는 물을 이송할 때에 파이프 내의 유체 형태가 기액혼상류 형태로 이동되므로, 양정(揚程, lift)이 높아질수록 파이프 내의 기액혼상류가 중력에 의해 분리되어 이송하는 액체의 슬립율이 높아지고, 이에 따라 효율이 크게 떨어지는 것과 다르게, 진공압을 이용한 에어 리프트 펌프는 수조(7)와 진공탱크(2)의 압력차이로 인해 수조(7)에서 흡입관 내부에 진공압에 의한 자연스러운 물기둥이 생성되고, 물기둥 상부에서 최소한의 양정고만을 양수하여 액체의 슬립 현상을 최소화 한다.

이러한 구성을 통해, 10m 이하의 높이에서는 양정고의 부담이 없고, 슬립 현상이 최소화되므로 효율적인 에어 리프트 펌프가 된다.

둘째, 상기 흡입관(3)에 마련되는 공기 조절밸브(6)를 통하여 유입되는 공기만으로도 상기 흡입관(3)에서 상기 진공탱크(2)로 상방향 이송이 가능하며, 기압차에 의해 공기가 팽창되므로 그 팽창되는 만큼 효율적인 이송이 가능하다.

예를 들어, 상기 진공탱크(2)가 운전압을 0.05bar로 유지하고, 상기 공기 조절밸브(6)를 통해 0.2m³/min의 유량으로 공기가 흡입관 내로 유입되고 있다면, 상기 흡입관(3)에서 상측의 진공탱크(2)로 상승하면서 다음과 같은 동작을 나타낸다.

기체는 보일의 법칙에 따라 PV=P'V' 이므로,

0.2 m³/min × 1bar = 0.05bar × V'

V' = 0.2 m³/min × 1bar / 0.05bar = 4 m³/min

즉, 공기 조절밸브를 통하여 흡입관 내로 유입된 소량의 공기가 상기 진공탱크(2)로 이동하며, 부피가 20배 정도 팽창하게 되고, 이 팽창된 공기를 이용하여 흡입관(3) 측에서 터빈 발전기(5) 측으로 물을 밀어 올려주게 된다. 이와 같이, 적은 공기의 유입만으로도 효율적인 물의 이송이 가능하다.

유입되는 공기 유량 중에서 하부로부터 흡입되는 1bar 15℃의 공기 유량을 표준 유량(SCFM : Standard Cubic Feet per Minute)이라고 하고, 흡입된 공기가 진공탱크(2)에서 팽창되었을 때의 공기 유량을 진공 운전 압력하의 실제 유량(ACFM : Actual Cubic Feet per Minute)이라고 한다. 물은 비압축성 유체이므로, 높은 진공압(0.05bar)하에서 팽창된 기체의 실제 유량만큼 물이 진공 탱크 (2) 측으로 이동하게 된다.

셋째, 상기 진공펌프(1)는 공기 조절밸브(6)를 통해 유입된 공기를 이송하는 펌프이고, 물을 이송하는 것과 관련하여서는 관여하지 않기 때문에, 실제 발전 시스템을 유지하는데 펌프에 장착된 규격 모터의 동력보다 작은 동력을 소모하므로, 발전 시스템에 투입되는 동력을 줄일 수 있다. 즉, 결과적으로 높은 효율의 발전 시스템을 구축할 수 있다.

진공펌프는 동일한 운전압 하에서 이송하는 공기량이 많을수록 그리고 배출하는 공기의 압축률이 높을수록 가장 많은 일을 하는데, 이러한 운전 조건에서 가장 많은 동력을 소비한다. 도 2는 오일 베인식 진공펌프의 성능 곡선을 나타내는 그래프이고, 도 3은 수봉식 진공펌프의 성능 곡선을 나타내는 그래프이다.

상기의 성능곡선을 참조할 경우, 도 2의 진공펌프의 성능 곡선은 일반적으로 산업 현장에서 많이 사용하는 오일 베인식(oil vane) 진공펌프로 25HP 정격모터를 갖는 630모델과, 20HP 정력모터를 갖는 400모델을 나타낸다. 진공펌프 형식이 동일한 오일 베인 타입의 경우, 동일한 모델의 용량과 거의 동일한 특성 곡선을 갖는다. 그리고, 도 2에서 확인할 수 있듯이, 두 종류 모델 모두 실제 진공압이 -15"Hg(0.5bar)에서 -23"Hg(0.22bar)에서 가장 높은 동력을 소모하고 본 발명의 운전 영역대에 해당하는 -28.5"Hg(0.05bar)에서는 14.5HP과 10HP 정도의 동력을 소모하는 것을 확인할 수 있다.

위와 같은 진공펌프의 에너지 소비 스타일은 도 3의 수봉식 진공펌프에서도 오일 베인 타입의 진공펌프와 유사한 형태를 갖는다.

상세히, 본 발명의 발전 시스템에서 진공펌프(1)는 하측에 마련되는 공기 조절밸브(6)를 통해 유입된 소량의 공기만을 배출하여 진공을 유지시키며, 전술한 공기의 부피 팽창은 진공압과 대기압의 압력차로 인해 발생하는 것이다. 팽창한 공기와 함께 물이 상부로 이송되는 것은 중력에 의하여 이루어지고, 팽창한 공기가 상측으로 이동하면서 발생되는 빈 공간에 다시 물을 채워 연속적인 흐름이 가능하도록 하는 것은 대기압에 의하여 이루어진다고 할 수 있다.

주지의 사실로서, 기존의 양수 발전이 펌프의 힘을 이용하여 물을 직접 상부로 이송시켜 전기를 생산할 경우, 모터와 펌프 자체가 갖는 모터와 펌프의 효율 문제와, 배관 상의 마찰 손실 등으로 인해서 기존의 양수식 발전방식으로는 발전을 위해 물을 직접 퍼 올리는 펌프의 운전에 소모되는 전기의 양보다, 펌프에 의해 퍼 올려진 물을 이용해 터빈을 돌려 획득하는 전기의 양이 더 적어 비효율적인 점은 잘 알려진 사실이다.

그리고, 이로 인해 양수식 발전은 경제적으로 비용이 저렴하고 전력이 여유있는 야간 시간대에만 펌프를 이용하여 물을 상류로 이송시킨 후, 전기 수요량이 많은 주간에만 저류된 물을 하류로 흘려보내 발전을 수행하여 왔던 한계를 가지고 있었으나, 상기에서 설명한 본 발명의 발전 시스템을 이용할 경우, 진공펌프(1)에서 소모하는 전력량이 터빈 발전기(5)를 구동시켜 발전이 가능한 양보다 적기 때문에, 24시간 지속적인 운영이 가능한 양수식 발전이 가능해진다.

또한, 상기 진공펌프(1)는 본 발명의 발전 시스템이 구축되는 설비의 규모에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 배기량이 큰 진공펌프를 단독으로 선정하여 발전 시스템을 구성하는 것도 가능하고, 배기량을 늘리고 동력 소모를 줄여서 더욱 높은 효율을 얻기 위하여, 진공 부스터 펌프(roots vacuum pump)와 백킹 진공펌프(oil vane pump 또는 liquid ring vacuum pump)를 조합하여 효율을 향상시키는 것도 고려할 수 있다.

넷째, 기존의 에어 리프트 펌프가 양수고(H)와 침수율의 변화에 따라 이송 유체의 유량이 변화되어 이송량 계산에 관해 여러가지 실험식이 동원되어 왔으나 진공펌프(1)를 이용한 에어 리프트 펌프의 경우, 설계된 배기량을 그대로 유체 이송량으로 대체하여 계산할 수 있기 때문에, 시스템의 설계에 더 높은 편의를 제공할 수 있다.

일반적으로, 진공펌프(1) 설계시에 배기량은 표준상태 공기(1기압, 15℃)의 배기량을 나타내는 것으로 밀폐된 진공탱크(2)에서는 전혀 다른 방식으로 진공펌프의 다운타임이나 설계식이 필요하였다.

그러나, 본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 진공탱크(2)가 공기 조절밸브(6)에 의하여 대기압에 계속하여 연통하여 있으며, 진공탱크(2)의 상부의 운전압으로 인해 공기 조절밸브(6)를 통해 공기가 유입되어 상측으로 올라가면서 팽창하고, 팽창된 공기의 부피만큼의 물을 터빈 쪽으로 밀어올리며 물을 진공 탱크로 흡입하게 된다. 이 경우, 진공펌프(1)가 일반적인 물을 이송하는 펌프와 같이 동작하게 되므로, 진공펌프(1)의 배기량을 설비에서의 물 이송량으로 치환하여 생각할 수 있다.

좀 더 상세히 설명하면, 물 펌프와 진공펌프가 갖고 있는 설계 유량(설계 배기량)은 각 펌프의 대상 유체의 성질에 따라 상이한 개념을 갖고 있다.

물 펌프의 경우, 펌프의 유량은 단위 시간당 배출하는 물의 부피이며, 물은 비압축성 액체로 압력에 따라 부피가 변하지 않으므로 펌프의 가동 시간에 설계 유량을 곱한 값이 펌프가 배출한 물의 양이 된다

그러나, 진공펌프의 경우, 밀폐된 용기 안에서 진공펌프가 기체를 배기시키면 배기에 의하여 발생된 빈 공간을 나머지 기체들이 채워버리기 때문에, 기체의 부피는 변함이 없고 기체의 밀도(압력)가 변한다.

따라서, 단위시간당 배출하는 기체의 양을 펌프에 의해 배출되는 부피만으로 나타낼 수 없고, 그때마다 변하는 공기의 밀도(압력)를 곱해주어야 한다.

이로 인해, 펌프의 단위시간당 배출 능력이 같다고 하더라도, 실질적인 배출량은 물 펌프보다 진공펌프가 훨씬 작아진다. 예를 들어, 한 용기에 있는 물을 반씩 나누어 버리면 물은 두번 만에 모두 비워지지만, 공기를 덜어낸다고 가정할 경우 처음에는 1/2, 다음에는 1/4=(1/2)/2, 그 다음은 1/8=(1/4)/2, 이러한 방법으로 배출량이 계속 줄어들게 된다. 이러한 특성으로 진공펌프의 배기량은 대수 그래프를 그리게 되고, 진공펌프의 용량과 압력에 실제 배기시간은 다음 식으로 표현된다.

t : pump down time, V : 진공탱크의 체적, S : 진공펌프의 배기량

P1 : 가동 초기의 진공도, P2 : 도달 진공도

다만, 본 발명의 발전 시스템에서 일단 운전이 시작되면, 전술한 바와 같이 진공압을 진공펌프(1)로 유지시키며 운전하고 흡입관(3)을 가득 채우고 있는 물로 인해 기체는 파이프 내의 다른 공간으로 분산되지 못하고, 부력에 의해 흡입관(3) 상부로 이송되며, 이와 같이 이송된 공기는 흡입관(3)에서 팽창된 부피만큼의 물을 진공 탱크 (2) 측으로 밀어낸다. 그리고, 이 과정에서 터빈 발전기(5)를 구동시킬 수 있는 속도압과 압력을 이송되는 물에 부여한다.

이러한 이유로 인해, 진공탱크(2)의 운전압이 일정하게 유지되는 상황에서 흡입관(3)의 공기 조절밸브(6)를 통해 유입되어 팽창되는 공기의 부피는 진공 탱크 (2)측으로 밀어낸 물의 양과 거의 같다고 할 수 있으며, 같은 의미로 이송되는 물의 양은 진공펌프(1)가 운전압을 유지하기 위하여 배출하는 팽창된 공기의 배기량과 같다고 할 수 있다.

흡입관이 에어 리프트 펌프로서 동작할 수 있는 것에 관하여 설명하여 본다.

일반적으로 사용되는 블로워나 공기압축기를 이용한 에어 리프트 펌프에 있어서, 양수량과 공기량의 관계를 살펴보면 물을 퍼 올리는데 필요한 일량과 공기를 압축하는데 필요한 일량이 같다고 할 경우, 다음과 같은 수학식이 성립한다.

Qa : 필요 공기량(m³), Hℓ : 전손실 수두(m)

Q : 양수량, H : 양정고, Hs : 침수 깊이(m)

위의 수학식 2에서와 같이, 침수 깊이가 깊어질수록 필요 공기량은 줄어들고, 양정고가 높아질수록 물을 이송하는데 요구되는 공기량은 증가하는 것을 알 수 있다.

이해를 돕기 위하여, 에어 리프트 펌프의 구조와 본 발명의 발전 시스템의 구성을 비교한 도 4와, 위의 수학식 2를 참조하여 실시예를 설명하여 본다.

예를 들어, 침수 깊이 2m 정도의 에어 리프트 펌프를 가정할 경우, 공기량과 양수량의 관계 Va(Qa/Q)는 경험식에 의해 아래의 표 1과 같이 계산하여 사용할 수 있다.

표 1을 참조하면, 침수 깊이 2m, 침수율 0.67에서 양정이 1m인 경우에 양수량과 필요 공기량이 동일함을 알 수 있다. 본 발명의 발전시스템에 상기 수학식 2를 적용하게 되면, 양정을 1m 정도로 유지하고, 침수 깊이를 2m 이하로 내린다면 진공펌프의 공기 흡입량만큼 물을 이송시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 본 발명의 발전시스템의 발전 효율에 관하여 설명한다.

상기의 예시된 오일 베인타입의 630 펌프 두 대를 이용하여 시스템을 구성하는 경우, 각 펌프의 상세 사양과 기대되는 발전량은 다음 표 2와 같다.

진공펌프 사양

상기 진공펌프 630C 모델을 이용하여 발전하는 경우, 배기량은 460CFM(Cubic Feet per Minute)이고, 이를 m3 단위로 환산할 경우에 1ft³ = 28.315ℓ이므로, 배기량 Capa.=460×0.028315=13.024 m³/min이다.

그리고, 두 대의 초당 배기량 Q = 13.024 m³/min × 2set ÷ 60 = 0.434 m³/s가 된다.

예상 발전량

물이 상류에서 방류수면으로 낙하하면, 물의 위치에너지를 이용하는 일반적인 발전설비의 출력 계산은 다음의 수학식 3과 같다.

η_{t :}수차효율, η_g : 모터 효율

Q : 사용 유량[m³/s], H : 유효 낙차[m](방류수면과 상류 수위 차)

수학식 3을 변형하여 본 발명의 발전 시스템에서의 기대 발전량을 계산하는 경우, 진공탱크 상부의 터빈 발전기 출력은 다음의 수학식 4가 된다.

η_{t :}수차효율, η_g : 모터 효율

Q : 사용 유량[m³/s], △P : 압력차[m](대기압과 발전시스템 진공압의 차)

여기서, 대기압은 1.013bar이고 진공 발전 시스템의 운전압을 0.05bar라고 할 때, 압력차는 0.963bar이므로, 압력차(△P)를 수두차로 환산할 경우,

수두차[m] = 0.963bar × 10.33m/1.013bar = 9.82m

발전 시스템의 발전 효율은 출력에 따라 다를 수 있으나, 대략 80~90%이므로, 발전 효율을 80%로 가정하면,

Pg = 9.8 × 0.434 × 9.82 × 0.8(효율)[kW] = 33.4kW 의 발전량을 얻게 된다.

본 발명의 발전 시스템에서의 발전기가 위와 같은 33.4kW의 발전량을 얻기 위하여 필요한 전력은, 도 2에 도시된 성능 곡선에 기초하면 630 펌프 개당 필요 축동력은 11kW(14.5HP)이므로, 두 대의 경우 22kW가 필요하다.

따라서, 발전효율은 22kW 대비 33.4kW의 동력이 발전되므로 151.8%가 된다. 예상 발전량은 단순한 오일 베인 타입만의 조합으로 얻어질 수 있는 발전량인 것이며, 더 높은 효율을 얻기 위하여 진공 부스터 펌프와 조합하여 사용하는 경우에는 그 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. 이것은 수봉식 또는 다른 진공펌프의 경우도 마찬가지이다.

Claims

수력 발전을 위하여 물이 수용되는 수조와,
상기 수조의 상측에서 이격되도록 설치된 진공탱크와,
진공탱크 내부를 진공으로 형성하기 위하여 진공압을 공급하는 진공펌프와,
상기 진공탱크의 상부와 진공펌프 사이를 연결하여 공기 이동의 통로를 제공하는 진공 공급라인과,
상기 수조의 물을 상기 진공탱크로 이동시키는 통로로서, 상기 진공탱크의 상부와 상기 수조를 연결하는 흡입관과,
상기 흡입관과 진공탱크 사이에 개재되고, 상기 진공탱크로 이송되는 물을 이용하여 터빈을 동작시켜 전기를 생산하는 발전기와,
상기 진공탱크의 하부와 수조를 연결하고, 상기 진공탱크 내의 물을 상기 수조로 배출하기 위한 배출관을 포함하는 수력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수조와 발전기를 연결하는 흡입관에 설치되고, 상기 흡입관으로 유입되는 공기의 양을 조절하기 위한 공기 조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 진공탱크 내부로 진공압을 공급하기 위한 진공펌프는 진공 부스터 펌프(roots vacuum pump)와 배킹 진공 펌프(oil vane pump 또는 liquid ring vacuum)를 조합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.