WO2018088769A1 - 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법 - Google Patents

보 형식 소수력발전 수로의 설치방법 Download PDF

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WO2018088769A1
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박순석
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해양복류발전 합자회사
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/08—Machine or engine aggregates in dams or the like; Conduits therefor, e.g. diffusors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a method of installing a beam-type hydroelectric power channel, and more specifically, a power plant is installed at the top of a beam to close a river or a river and adjacent to a riverbank bottom or embankment.
  • the present invention relates to a method of installing a beam-type hydroelectric power channel that can increase the amount of power generated by increasing the fall from the top of the beam to the power plant by installing a long extension in the downstream direction.
  • hydroelectric and pumped hydroelectric power generation is made by blocking dams to produce hydroelectric power, and hydroelectric power generation is blocked by dams.
  • small hydroelectric power generation which is used to block the damage, is so low that power generation is low and economic efficiency is low, and the installation place is infinite.
  • the conventional hydroelectric power generation blocks the beam and installs a power plant in the vicinity, so if the height of the beam is 5m, the power generation is inevitably generated due to the drop of 5m.
  • the conventional hydroelectric power generation technology (dam waterway hydropower generation, waterway hydropower generation, watershed change hydropower generation, etc.) has low economical efficiency by installing a generator if there is a free fall that can be developed to a certain degree (low drop).
  • the barrier is simply used for agriculture and industrial water only by blocking the beam, and there is a problem in that it is not used for hydropower generation.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of hydrophobic hydropower generation, the problem to be solved by the present invention, in the beam type hydroelectric power generation to produce electricity by blocking the beam in the river or river, from the top of the beam to the power plant It is to provide a waterway installation method to increase the free fall of water.
  • the present invention in the installation method of the beam-type hydroelectric power generating channel to produce electricity by blocking the beam in the river or river, the waterway gate is installed adjacent to the upper end of the beam overflowing little by little, It is installed in the form of a tunnel-type structure adjacent to the riverbed (riverside) floor or embankment so that power generation water can flow using the slope of river or river, and extends in the downstream direction from the top of the beam to the bottom of the waterway where the power plant is installed.
  • the installation provides a method of installing a beam-type small hydro power channel that increases the drop from the top of the beam to the power plant.
  • the downstream end of the water channel communicates with the water channel, the upper part is open to the air, and the water channel tower is installed higher than the upper end of the beam.
  • the waterway can be installed in various forms depending on the terrain, but in places where there is no difficulty in installing the waterway, if one block is blocked and the length of the waterway is installed as long as possible, the fall of the water can be increased without installing more beams. It has the effect of saving.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a beam type hydroelectric power channel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a method of installing a beam-type small hydro power generating channel installed adjacent to one side embankment according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a beam type hydroelectric power channel installed adjacent to both banks according to another embodiment of the present invention.
  • the waterway in the beam-type hydroelectric power generation generating electricity by blocking a beam in a river or a river, can be formed in the form of a tunnel-type structure adjacent to a river bed or river bank so that power generation water can flow using the slope of the river or the river. It was derived by paying attention to the fact that the installation height of the waterway from the top of the beam to the bottom of the waterway in which the power plant is installed to extend in the downstream direction can greatly increase the drop height from the top of the beam to the power plant.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a beam type hydroelectric power channel according to an embodiment of the present invention.
  • the beam-type hydroelectric power channel 9 is installed in the form of a tunnel-type structure adjacent to the bank 1 so that power generation water can flow using a slope of a river or a river, and the channel 9 Located in the upstream end of the channel (11) for the flow of water flowing from the beam (2) to the waterway (9), and located in the downstream end of the waterway and blocked the flow of water flowing into the waterway (11) It includes an aberration gate 4 and aberration 5 for operating the generator 6 of the power plant 3 on one side.
  • the aberration 5 and the generator 6 are installed in multiple units for each generation capacity so as to cope with changes in the flow rate flowing into the channel 9.
  • the beam 2 is installed with a sloping esophagus 10 with a zigzag curve to help the passage of fish.
  • the water flowing in the channel 9 is stagnated because the flow of water flowing into the channel hydrograph 11 is blocked at the downstream end of the tunnel channel.
  • a corresponding water column is formed inside, and a corresponding water pressure (water pressure) is generated at the downstream end of the waterway (9) by the height of the water column (water head), and the aberration water door installed on the downstream end of the waterway.
  • the aberration (5) is turned to produce electricity.
  • the pressure according to the height (water head) of the water column formed stagnant in the tunnel channel 9 can be calculated by the following equation (1).
  • the inclination of the waterway is the inclination between the waterway hydrology 11 and the aberration hydrology 4
  • the length of the waterway indicates the length of the waterway in which the water column is formed between the waterway hydrology 11 and the waterway hydrology 4.
  • Equation 1 the pressure acting on the aberration 5 of the power plant 3 is calculated as 100,000 kg f / m 2 as follows.
  • the power generated by the aberration 5 can be calculated as follows.
  • the height (water head) of the water column is 140 m according to the same formula and the water aberration (5).
  • the pressure applied to) is 140,000 kg f / m 2
  • the power generated by the aberration 5 is 1,372 kw, which acts on the height of the water column (water head) and the aberration 5 in proportion to the length of the water channel in which the water column is formed. The power generated by the pressure and the aberration 5 increases.
  • the water head formed in the channel when the slope is 1 ° on average and the length of the channel is 5,730m is 100m as in the previous example, and the slope is moderately high.
  • the water head of the water column formed in the water channel at the average channel length of 0.5 ° and the water channel formed in the water channel at the same channel length is 0.3 ° in the case of low slope.
  • the head of the water (30) according to the above equation 2 the head 100m, 50m is a good place for small hydro power generation, but the head 30m is capable of small hydro power generation, but low economical.
  • the water head of the water column formed in the water channel can be greatly increased.
  • the water head when the water column is formed in the waterway 9 between the waterway waterway 11 and the waterway waterway 4 is equal to the drop height of water between the waterway waterway 11 and the waterway waterway 4.
  • the waterway sluice 11 is installed adjacent to the upper end of the beam 2
  • the water sluice 4 is installed adjacent to the power plant 3, so that the waterway can be extended in the downstream direction using the slope of the river or river. If installed so as to extend, the drop height from the top of the beam (2) to the power plant (3) can be said to be greatly increased.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a method of installing a beam-type small hydro power generating channel installed adjacent to one side embankment according to another embodiment of the present invention.
  • the beam type hydroelectric power channel blocks the beam 2 to allow water to flow into the waterway sluice 11 of the waterway 9, and on one side of the downstream end of the waterway 9.
  • a waterway tower (H) communicating with the waterway (9) is installed. By opening the waterway tower (H), the water pressure is prevented by the flow of water inside the waterway (9) and the drop pressure is maintained. Do it quickly.
  • the waterway tower H communicates with the waterway 9 at one side of the downstream end of the waterway 9, the waterway tower H and the waterway 9 form a U-shaped tube to form the U-shaped tower. Since the water level is equal to the water level of the upper position (A) of the beam (5), the height of the aqueduct tower (H) is installed above the height of the upper position (A) of the beam (5).
  • the aqueduct tower (H) forms a U-tube with the channel (9) can be measured in real time as the water head of the water column (water head) formed in the channel as the water level of the aqueduct (H).
  • the total length of the channel 9 to be installed by using a variety of devices that can measure downfall and waterway down the river or river without using the trigonometric definition formula (sinA a / c) of Equation 2 above
  • the free fall height can be greatly increased by estimating the free fall height for the road and installing the channel as long as possible from the top of the beam to the bottom of the water channel where the power plant is installed.
  • the capacity of the generator to be installed can be determined in consideration of the average annual flow rate of the river or river.
  • Table 1 calculates the drop height for each section of the channel (9) by using Equation 2 according to the slope of the channel (9) for each section (1, 2, 3, 4, 5) of FIG. This is an example of calculating the drop height for the total length of 9).
  • the beam 2 is blocked to allow water to flow into the upper portion of the channel 9, and the channel 9 communicates with the channel 9 at one side of the downstream end of the channel 9, and the upper part is opened to the atmosphere.
  • the water tower (H) is equipped with a water level tower (Hs), and the water level (water head) of the water tower (H) drops due to lack of power generation water, and when the water level tower (Hs) rings a bell, Reduce power generation capacity, such as closing the water gate.
  • Hs water level tower
  • the power plant 3 is installed at the downstream end of the waterway 9, and a river water level sensor Bs capable of confirming the water level is installed at the river water surface position B at the downstream end of the waterway 9.
  • a river water level sensor Bs capable of confirming the water level
  • the water overflowing the beam (2) flows to the river or river, and when the river water level sensor (Bs) rings, the other water gate is opened, which increases the generation capacity.
  • the power plant (3) when the power generation is always able to overflow a little water over the beam (2) to maintain the normal head (drop), the power plant (3) according to the flow rate (water capacity) so that the bell sound of the waterway tower water level sensor (Hs) does not ring Opening and closing each aberration door 4 of) can effectively generate power.
  • FIG. 3 conceptually shows a tunnel-type water channel installed in a reinforced concrete tank so that power generation water flows adjacent to both banks of the river or river when the flow rate of the river or river is large.
  • the installation method of the beam-type hydro-power generation channel of the present invention is calculated for the slope height of the channel and the slope height of the channel to be installed from the slope and the waterway of the river or river, Estimate the drop height for the total length of the channel to be installed using various devices that can estimate the drop height, or go down rivers or rivers, and measure the drop and water distances. As long as the channel can be installed as long as possible to the bottom of the channel, the drop height can be greatly increased, and the amount of power generated can be greatly increased.
  • many industrial beams and agricultural beams which are already installed but are not used for small hydropower due to low drop, can be used for small hydro power generation.
  • Power can be secured greatly, and due to thermal power generation Pollution can be greatly reduced, and the capacity of the channel can be increased to prepare for heavy rains, and as the flow rate of the river or river increases, it opens and closes the water gate of the generator according to the capacity, thus contributing to the prevention of flooding of the river and efficiently It can produce electricity and can also install waterways in various forms depending on the terrain, but if there is no difficulty in installing waterways, blocking one beam and extending the length of the waterway as long as possible can increase the drop without installing more beams. Since the construction cost of the beam can be reduced, it has industrial applicability.

Abstract

본 발명은 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법에 있어서, 보 위로 조금씩 물이 넘치는 보의 상단에 인접하여 수로 수문을 설치하고, 하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 하천변(강변) 바닥이나 제방에 인접하여 터널형식의 구조물 형태로 설치하되, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 하류방향으로 길게 연장되도록 설치함으로써 보의 상단에서 발전소까지의 낙차를 높이는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은 하천이나 강의 경사도와 물길거리로부터 설치할 수로의 경사도 구간별 낙차높이를 삼각비 정의공식(sinA = a/c)을 원용하여 산출하고 합산함으로써 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하거나, 하천이나 강을 따라 내려가며 낙차와 물길거리를 측정할 수 있는 여러 가지 기기를 사용하여 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하고, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 최대한 길게 설치하면 낙차높이를 크게 높일 수 있어 발전량을 크게 늘릴 수 있는 효과를 가진다.

Description

보 형식 소수력발전 수로의 설치방법
본 발명은 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하천이나 강에 보를 막고 하천변(강변) 바닥이나 제방에 인접하여 터널형식의 발전용 수로를 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 하류방향으로 길게 연장되도록 설치함으로써 보의 상단에서 발전소까지의 낙차를 높여 발전량을 늘릴 수 있는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법에 관한 것이다.
일반적으로 수력전기를 생산하기 위하여 댐을 막아 수력 발전, 양수 수력발전을 하고, 보를 막아 소수력발전을 한다.
이들 중 보를 막아 이용하는 소수력발전은 낙차가 너무 낮아 발전량이 저조하고 경제성이 낮아, 설치장소는 무궁무진한데 현재까지 극소수만 설치되어 있다.
즉, 종래의 소수력발전은 보를 막고 인근에 발전소를 설치하므로 보의 높이가 5m이면, 5m의 낙차로 발전할 수밖에 없어 발전량이 저조하여 경제성이 매우 낮은 문제점이 있었다.
한편, 종래의 수력발전 기술(댐수로식 수력발전, 수로식 소수력발전, 유역변경식 소수력발전 등)은 어느 정도 발전할 수 있는 낙차만 있으면(낮은 낙차에) 발전기를 설치하여 발전하므로 경제성이 낮으며 특히, 수로식 소수력발전소를 설치한 곳은 찾아볼 수 없고, 유역변경식 소수력발전소는 높은 산에 위치한 도암댐을 제외하고 모두 낙차가 낮으며, 유역변경 발전소를 설치할 수 있는 장소도 극소수에 불과하다.
종래에는 물의 양도 많고 보 막은 위치에서부터 하류방향으로 내려가며 경사도가 높은 곳이 많은데도, 단순히 보를 막아 농업, 공업용수로만 이용하고 있고 소수력발전에 이용하지 못한 문제점이 있다.
따라서 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전에 있어, 가장 시급한 것은 발전소의 발전 낙차를 높이는 것이며, 이를 위하여 보의 상단에서 발전소까지의 물의 낙차를 높일 수 있는 수로의 설치기술이 절실하게 필요한 실정이다.
본 발명은 수로식 소수력발전의 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전에 있어, 보의 상단에서 발전소까지의 물의 낙차를 높일 수 있는 수로의 설치방법을 제공하는 것이다.
또한, 경사도가 높은 하천이나 강이 많아 소수력발전소를 설치할 장소가 풍부한 우리나라에 적용할 경우 전력을 크게 확보할 수 있는 소수력발전 수로의 설치방법을 제공하는 것이다.
또한, 이미 설치되어 있으나 낙차가 낮아 소수력발전에 이용되지 못하는 수많은 공업용 보, 농업용 보를 이용하여 전력을 더욱 크게 확보할 수 있고 원자력발전, 화력발전 등으로 인한 환경오염을 크게 줄일 수 있는 소수력발전 수로의 설치방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법에 있어서, 보 위로 조금씩 물이 넘치는 보의 상단에 인접하여 수로 수문을 설치하고, 하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 하천변(강변) 바닥이나 제방에 인접하여 터널형식의 구조물 형태로 설치하되, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 하류방향으로 길게 연장되도록 설치함으로써 보의 상단에서 발전소까지의 낙차를 높이는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법을 제공한다.
여기서 본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은, 하천이나 강의 유량이 많을 경우, 양측 하천변(강변) 바닥이나 양측 제방에 인접하여 각각 1개씩 2개의 수로를 설치한다.
또한, 여기서 본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은, 수로의 하류 말단부에 상기 수로와 연통하고, 상부가 대기 중에 개방되며, 보의 상단보다 높게 수로옥탑을 설치한다.
본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은 하천이나 강의 경사도와 물길거리로부터 설치할 수로의 경사도 구간별 낙차높이를 삼각비 정의공식(sinA = a/c)을 원용하여 산출하고 합산함으로써 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하거나, 하천이나 강을 따라 내려가며 낙차와 물길거리를 측정할 수 있는 여러 가지 기기를 사용하여 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하고, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 최대한 길게 설치하면 낙차높이를 크게 높일 수 있어 발전량을 크게 늘릴 수 있는 효과를 가진다.
또한, 경사도가 높은 하천이나 강이 많아 소수력발전소를 설치할 장소가 풍부한 우리나라에 본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법을 적용할 경우 전력을 크게 확보할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 이미 설치되어 있으나 낙차가 낮아 소수력발전에 이용되지 못하는 수많은 공업용 보, 농업용 보를 소수력발전에 이용할 수 있어 전력을 크게 확보할 수 있고, 화력발전 등으로 인한 환경오염을 크게 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한, 집중호우를 대비하여 수로의 용량을 크게 함으로써 하천이나 강의 유량이 늘어나는 만큼 용량에 맞는 발전기의 수차 수문을 열어 발전하게 되어 하천의 범람방지에도 기여함과 동시에 효율적으로 많은 전력을 생산할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 지형에 따라 여러 형태로 수로를 설치할 수 있으나, 수로를 설치하는데 어려움이 없는 곳은 1개의 보를 막고 수로의 길이를 최대한 길게 연장하여 설치하면 보를 더 설치하지 않고도 낙차가 높아지므로 보의 설치공사비를 절감할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 수로와 수문을 먼저 설치하고 보 설치를 위한 물막이 공사를 나중에 하면 모든 하천이나 강물이 미리 설치된 수로를 통하여 흘러갈 수 있어 보 설치공사를 편하고 안전하게 할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보 형식 소수력발전 수로를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 일측 제방에 인접하여 설치된 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 양측 제방에 인접하여 설치된 보 형식 소수력발전 수로의 개념도이다.
[부호의 설명]
1: 제방 2: 보
3: 발전소 4: 수차 수문
5: 수차 6: 발전기
9: 수로 10: 어도
11: 수로 수문 A: 보의 상단 위치
B: 수로 하류 말단부의 강물 수면위치 H : 수로옥탑
Bs: 강물 수위센서 Hs: 수로옥탑 수위센서
①, ②, ③, ④, ⑤: 경사도에 따라 구분한 수로의 구간 번호
본 발명은 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전에 있어서, 하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 하천변(강변) 바닥이나 제방에 인접하여 터널형식의 구조물 형태로 수로를 설치하되, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 하류방향으로 길게 연장되도록 설치하면 보의 상단에서 발전소까지의 낙차높이를 크게 높일 수 있다는 점에 착안하여 도출된 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보 형식 소수력발전 수로를 나타내는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보 형식 소수력발전 수로(9)는 하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 제방(1)에 인접하여 터널형식의 구조물 형태로 설치되고, 수로(9)의 상류 말단부에 위치하며 보(2)로부터 넘쳐흐르는 물을 수로(9)로 유입하기 위한 수로 수문(11)과, 수로의 하류 말단부에 위치하며 수로 수문(11)으로 유입된 물의 진행이 차단된 일 측에 발전소(3)의 발전기(6)를 가동시키기 위한 수차 수문(4)과 수차(5)를 포함하여 이루어진다.
수차(5)와 발전기(6)는 수로(9)에 유입되는 유량의 변화 등에 대응할 수 있도록 발전 용량별로 여러개 설치한다.
보(2)에는 지그재그의 곡선으로 경사도가 완만한 어도(10)를 설치하여 어류의 통행을 돕는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보 형식 소수력발전 수로(9)는 수로 수문(11)으로 유입한 물의 직진방향 흐름이 터널형 수로의 하류 말단부에서 차단됨으로써 수로(9)에 흐르는 물이 정체되어 수로(9) 내부에 상응하는 물기둥이 형성되며, 상기 물기둥의 높이(수두: water head)에 의해 수로(9)의 하류부 말단에는 상응하는 압력(수압)이 발생하고 수로의 하류 말단부 측방에 설치된 수차 수문(4)을 통해 그 압력이 해방되면서 수차(5)를 돌려 전기를 생산하게 된다.
터널형 수로(9)에 정체되어 형성되는 물기둥의 높이(수두)에 따른 압력은 다음 식 1로 계산될 수 있다.
압력(P) = 물의 밀도(ρ) x {지구중력 가속도(g)/지구중력 환산계수(gc)} x 수두(h)---------------------------------------------------------------(식 1)
여기서, 수온 4℃일 때의 물의 밀도(ρ) = 1000kg/㎥
표준 지구중력 가속도(g) = 9.8m/sec2
지구중력 환산계수 = 9.8 kg·m/sec2/kgf 이고,
물기둥의 높이(수두)는 수로의 경사도와 수로의 길이로부터 삼각비 정의공식(sinA = a/c)에 의해 다음 식 2로 계산될 수 있다.
즉, 『sin(수로의 경사도) = 물기둥의 높이(수두)/수로의 길이』에서,
물기둥의 높이(수두) = sin(수로의 경사도) x 수로의 길이--------(식 2)
여기서, 수로의 경사도는 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이의 경사도이며, 수로의 길이는 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이에 물기둥이 형성된 수로의 길이를 가리킨다.
지금, 보(2)의 상단으로부터 항상 물이 흘러넘치게 하여 수로(9)에 연속적으로 물이 유입되고, 수로(9)의 경사도는 평균 1°이며, 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이의 수로(9)의 길이가 5,730m이고, 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이의 수로(9)에 빈틈없이 수온 4℃의 물기둥이 형성될 경우, 상기 식 2에 따라 아래와 같이 물기둥의 높이(수두)는 100m가 되고,
물기둥의 높이(수두) = sin 1˚x 5,730m
= 0.0175 x 5,730m
= 100m
이를 상기 식 1에 대입하면 발전소(3)의 수차(5)에 작용하는 압력이 아래와 같이 100,000 kgf/m2 로 계산되어진다.
압력(P) = 1000 kg/㎥ x {9.8m/sec2 / 9.8 kg·m/sec2 /kgf} x 100m
= 100,000 kgf/m2
그리고 상기 압력(P)으로 수차(5)를 가동시키며 유출되는 물의 유량을 1초당 1m3라고 하면 수차(5)에 의해 생성되는 동력이 다음과 같이 계산될 수 있다.
100,000 kgf/m2 x 1m3/sec = 100,000 kgf·m/sec
= 980kw (∵ 1 kgf·m/sec = 0.009800kw)
나아가 같은 경사도(1°)에서 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이에 물기둥이 형성된 수로의 길이를 8,000m로 늘일 경우, 같은 계산식에 따라 물기둥의 높이(수두)는 140m, 수차(5)에 작용하는 압력은 140,000 kgf/m2, 수차(5)에 의해 생성되는 동력은 1,372kw가 되어 물기둥이 형성된 수로의 길이에 비례하여 물기둥의 높이(수두), 수차(5)에 작용하는 압력 및 수차(5)에 의해 생성되는 동력이 증가한다.
하천이나 강의 경사도가 높은 경우로서, 경사도가 평균 1°이고, 수로의 길이가 5,730m 일 때의 수로에 형성되는 물기둥의 수두(water head)는 앞의 예시와 같이 100m이고, 경사도가 중간 정도로 높은 평균 0.5°이고 같은 수로의 길이에서의 수로에 형성되는 물기둥의 수두(water head)는 상기 식 2에 따라 50m이며, 경사도가 낮은 경우로서 평균 0.3°이고 같은 수로의 길이에서의 수로에 형성되는 물기둥의 수두(water head)는 상기 식 2에 따라 30m로서, 수두 100m, 50m는 소수력발전 장소로서 좋은 곳이나, 수두 30m는 소수력발전은 가능하나 경제성이 낮다.
이와 같이 하천이나 강의 경사도를 이용하여 수로를 하류방향으로 길게 연장되도록 설치하면 수로에 형성되는 물기둥의 수두(water head)를 크게 높일 수 있다.
그리고 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이의 수로(9)에 빈틈없이 물기둥이 형성될 경우의 수두(water head)는 수로 수문(11)과 수차 수문(4) 사이의 물의 낙차높이와 동일하고, 수로 수문(11)이 보(2)의 상단에 인접하여 설치되며, 수차 수문(4)은 발전소(3)에 인접하여 설치되므로, 하천이나 강의 경사도를 이용하여 수로를 하류방향으로 길게 연장되도록 설치하면 보(2)의 상단에서 발전소(3)까지의 낙차높이를 크게 높일 수 있는 것으로 바꾸어 말할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 일측 제방에 인접하여 설치된 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 보 형식 소수력발전 수로는 수로(9)의 수로 수문(11)에 물이 유입될 수 있게 보(2)를 막아주고, 수로(9)의 하류부 말단의 일 측에 수로(9)와 연통하는 수로옥탑(H)를 설치하는데, 수로옥탑(H)의 상부를 개방함으로써 수로(9) 내부의 물 흐름에 의해 발생하는 감압을 방지하고 낙차압을 유지시켜 물 흐름을 빠르게 한다.
또한, 수로옥탑(H)이 수로(9)의 하류 말단부의 일 측에서 상기 수로(9)와 연통하므로 수로옥탑(H)과 수로(9)가 U자 관을 형성하여 수로옥탑(H)의 수위는 보(5)의 상단위치(A)의 수위와 같아지므로 수로옥탑(H)의 높이를 보(5)의 상단위치(A)의 높이 이상으로 설치한다.
또한, 수로옥탑(H)은 수로(9)와 U자 관을 형성하므로 수로에 형성되는 물기둥의 수두(water head)를 수로옥탑(H)의 수위로써 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법 및 작동을 도 2에 따라 설명하면 다음과 같다.
하천이나 강의 상부에 보(2)를 막기 전에 하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 하천이나 강의 일 측 제방(1)에 인접하여 터널형식으로 철근 콘크리트제 수로(9)를 설치한다.
이때 하천이나 강의 경사도와 물길거리로부터 설치할 수로(9)의 경사도 구간별 낙차높이를 상기 식 2의 삼각비 정의공식(sinA = a/c)을 이용하여 산출하고 합산함으로써 설치할 수로(9)의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하고, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 최대한 길게 설치하면 낙차높이를 크게 높일 수 있다.
또한, 상기 식 2의 삼각비 정의공식(sinA = a/c)을 이용하지 않고 하천이나 강을 따라 내려가며 낙차와 물길거리를 측정할 수 있는 여러 가지 기기를 사용하여 설치할 수로(9)의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하고, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 최대한 길게 설치해도 낙차높이를 크게 높일 수 있다.
이와 같이 수로의 설치장소가 결정되면 하천이나 강의 연간 평균유량 등을 고려하여 설치할 발전기의 용량을 결정할 수 있다.
다음 표 1은 도 2의 수로(9) 구간별(①, ②, ③, ④, ⑤) 경사도에 따라 상기 식 2를 원용하여 수로(9) 구간별 낙차높이를 산출하고, 이를 합산하여 수로(9)의 전체길이에 대한 낙차높이를 산정한 예시이다.
구간 경사도(°) 길이(m) 낙차높이(m)
① 15 40 10.32
② 2 600 20.4
③ 1.5 500 13.0
④ 1 800 13.6
⑤ 0.7 100 1.2
합산 2,040 58.52
표 1에서 알 수 있는 바와 같이 수로(9)의 전체길이 2,040m에서 58.52m의 낙차높이를 확보할 수 있고, 이는 보의 상단위치(A)에서 수로 하단의 강물 수면위치(B)까지 58.52m의 낙차를 확보할 수 있음을 의미한다.
다음 상기 수로(9) 상부로 물이 통할 수 있게 보(2)를 막아 주고, 상기 수로(9)의 하류 말단부의 일 측에서 상기 수로(9)와 연통하고, 상부가 대기중에 개방되며, 보(5)의 상단위치(A)의 높이 이상으로 높게 수로옥탑(H)을 설치한다.
수로옥탑(H)에는 수로옥탑 수위센서(Hs)가 설치되며, 발전용수의 부족으로 수로옥탑(H)의 수위(수두)가 내려가 수로옥탑 수위센서(Hs)가 벨 소리를 울리면 가동중인 일부의 수차수문을 닫는 등, 발전용량을 줄인다.
수로(9)의 하류 말단부에 발전소(3)을 설치하고, 강물의 수위를 확인할 수 있는 강물 수위센서(Bs)를 수로(9) 하류 말단부의 강물 수면위치(B)에 설치하는데, 하천이나 강의 유량이 많아져 보(2) 위로 넘쳐나는 물이 하천이나 강으로 흐르게 되어 강물 수위센서(Bs)가 벨 소리를 울리면 대기중인 다른 수차수문을 여는 등, 발전용량을 늘여 발전의 효율을 높인다.
이와 같이 수로(9)와 수로 수문(11)을 먼저 설치한 후, 보(2)를 설치하기 위한 물막이 공사를 나중에 하면, 모든 물이 수로(9)를 통하여 내려갈 수 있어 보(2) 설치 공사를 편하고 안전하게 할 수 있다.
또한, 발전할 때는 항상 보(2) 위로 조금씩 물이 넘칠 수 있어야 정상적인 수두(낙차)를 유지할 수 있으며, 수로옥탑 수위센서(Hs)의 벨 소리가 울리지 않게 유량(물의 용량)에 따라 발전소(3)의 각 수차수문(4)을 개폐하면 효과적으로 발전을 할 수 있다.
도 3은 하천이나 강의 유량이 많을 경우 하천이나 강의 양측 제방에 인접하여 발전용수가 흐를 수 있게 철근콘크리트조로 터널형식의 수로를 설치한 모습을 개념적으로 나타내고 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 설명한 것이지 이들 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능할 것임은 명백한 사실이다.
상기 기재사항으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법은 하천이나 강의 경사도와 물길거리로부터 설치할 수로의 경사도 구간별 낙차높이를 산출하고 합산함으로써 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하거나, 하천이나 강을 따라 내려가며 낙차와 물길거리를 측정할 수 있는 여러 가지 기기를 사용하여 설치할 수로의 전체 길이에 대한 낙차높이를 산정하고, 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 수로를 최대한 길게 설치하여 낙차높이를 크게 높일 수 있어 발전량을 크게 늘릴 수 있고 또한, 이미 설치되어 있으나 낙차가 낮아 소수력발전에 이용되지 못하는 수많은 공업용 보, 농업용 보를 소수력발전에 이용할 수 있어 전력을 크게 확보할 수 있고, 화력발전 등으로 인한 환경오염을 크게 줄일 수 있으며 또한, 집중호우를 대비하여 수로의 용량을 크게 함으로써 하천이나 강의 유량이 늘어나는 만큼 용량에 맞는 발전기의 수차 수문을 열어 발전하게 되어 하천의 범람방지에도 기여함과 동시에 효율적으로 많은 전력을 생산할 수 있으며 또한, 지형에 따라 여러 형태로 수로를 설치할 수 있으나, 수로를 설치하는데 어려움이 없는 곳은 1개의 보를 막고 수로의 길이를 최대한 길게 연장하여 설치하면 보를 더 설치하지 않고도 낙차가 높아지므로 보의 설치공사비를 절감할 수 있어 산업상 이용가능성을 가진다.

Claims (3)

  1. 하천이나 강에 보를 막아 전기를 생산하는 보 형식 소수력발전 수로의 설치 방법에 있어서,
    보 위로 조금씩 물이 넘치는 보의 상단에 인접하여 수로 수문을 설치하고,
    하천이나 강의 경사도를 이용하여 발전용수가 흐를 수 있게 하천변(강변) 바닥이나 제방에 인접하여 터널형식의 구조물 형태로 수로를 설치하되,
    수로를 보의 상단에서부터 발전소가 설치되어 있는 수로의 하단까지 하류방향으로 길게 연장되도록 설치함으로써 보의 상단에서 발전소까지의 낙차를 높이는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하천이나 강의 유량이 많을 경우, 양측 하천변(강변) 바닥이나 양측 제방에 인접하여 각각 1개씩 2개의 수로를 설치하는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법.
  3. 제1항에 있어서,
    수로의 하류 말단부에 상기 수로와 연통하고, 상부가 대기 중에 개방되며, 보의 상단보다 높게 수로옥탑을 설치하는 보 형식 소수력발전 수로의 설치방법.
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