복류조력 발전방식의 종류

1. 프랑스의 랑스 조력발전소의 양방향 복류 발전방식.

2. 단(한)저수조에 단류 식 발전소를 창조 식, 낙조 식

동시에 두 군데 건설하는 복류발전 방식.

3. k10 조력발전소의 한 방향 복류 발전방식.

(수문변경 복류 조력발전시스템)

개발자: 문제경, 이한석

1. 프랑스 랑스 조력발전소는 양방향으로 복류하는 발전방식이다.

위 그림은 프랑스 랑스 조력발전소의 개념도이다. 수차구조물에 수차가 설치되어 있고 그 통로를 오고가며 양방향으로 창조 식, 낙차 식 발전방식으로 설계되어 있다.

조력발전소는 저 낙차 튜블린 수차 일체형으로 직경 10~15m 길이 60~70m의 관수로에 길이 15~20m의 발전기를 통과하여 발전하게 된다.

랑스 조력발전소는 이러한 관수로를 양방향으로 움직이는 복류발전방식이며 발전기는 길이 60~70m 관수로 끝부분에 설치되어 한 방향으로 발전 되어 정격발전이 되지만 반대방향으로 발전할 때는 관수로 구조나 위치 때문에  유체역학상 정격발전이 이루어 지지 않는다.

반대방향으로 발전하는 복류발전이 이루어지는 단계에는 관수로 구조로 인하여 낙차(수압)가 커져야하며 랑스 조력발전소의 복류발전이 가능하려면 최소한 11m이상의 수위 차가 이루어져야 정격발전이 이루어지는 발전효력과 비슷해진다. 그러나 그러한 낙차가 이루어지는 주기는 한 달 중 수일에 불과하다.

실질적으로 복류 발전하는 시간은 연중 800시간 내외이며 이것도 양수발전을 통하여 가능한 시간이다.

랑스 의 복류발전도 1973년 연중 800시간, 1974년 500시간, 1975년 278시간 점차 줄어들어 마침내 1975년 복류발전을 멈추고 그 이후 현재까지 단류 식으로 발전하고 있다.

랑스 의 양방향 복류발전방식은 한 방향으로 정격발전을 하고 반대방향으로 복류발전을 할 때는 터빈의 날개를 변형하여 정격발전 할 때보다 관수로 구조의 유체역학상 더 큰 수위낙차로 발전해야 하기 때문에 조수간만의 수위변화로 인한 복류 발전하는 시간이 제한적이며 축의 케이싱고정이 매일 반복되는 비 동주기성 시동에 걸리는 응력의 문제점이 판명되어 기술적으로 무리임을 알게 되어 양방향 복류발전방식은 중단 되었다.

반대방향으로 복류 발전이 정상적인 정격발전이 이루어지기 위해서는 날개의 변형뿐만 아니라 발전기의 위치와 흡입 부, 배수 부등 정격발전이 가능하도록 위치를 변경 해주어야 한다.

반대방향의 복류발전은 관수로 내 수면의 와동으로 인한 공기흡입은 발전기의 성능저하를 가져오게 되고, 발전기의 가동중단 및 발전기의 수명 저하 및 고장을 일으키게 된다.

우리의 관심을 끄는 것은 계통 내에 흡입구에서 자유수면 와동이다.

유체입자가 한 유동영역에서 어떤 축 주위를 회전하면서 유동할 때 이 유동을 회전유동 혹은 와동 류 라고 말하는데 이러한 유동이 댐이나 취수구, 화학 및 식품처리공정 등에서 발생할 때 증기 또는 공기가 와동중심을 통하여 흡입되어 이상유동이 발생하게 되며 이것은 수력기계(조력기계) 계통의 성능저하를 가져온다.

이렇게 되면 계통의 계기들의 값에 신뢰성이 상실되어 운전자로 하여금 오작동과 오판을 불러일으키고 기포 율이 5% 이상의 공기가 유입되면 계통의 펌프(발전)성능이 급격히 저하되고 10%이상이면 펌프(발전)가 정지하여 결국 계통상실을 유발한다.

임계수위( 어떠한 물리현상이 갈라져서 다르게 나타나기 시작하는 경계)로 인한 와동(와류)으로 낮은 수위(적은수량)에서의 와동은 상당히 연속적이고 자주 일어나며 와동핵도 작고 높은 곳에서 와동은 빈도가 매우 드문 반면에 와동 핵이 크기 때문에 일어나면 대량 공기흡입이 이루어짐이 밝혀졌다.

결론적으로 랑스 조력발전소의 관수로를 통한 양방향발전 방식의 복류 발전하는 구간은 관수로에서 발생하는 유체역학으로 인한 비효율성과 높은 수위와 유체역학적으로 관수로의 구조상 공기가 유입되어 계통의 펌프(발전)성능이 급격히 저하되어 정지 및 계통상실로 인한 고장으로 중단 할 수밖에 없다.

2. 단(한)저수지에 창조 식, 낙조 식을 동시에 설치하여

복류발전 하는 방식

위에 평면개념도에서 왼쪽에 조력발전소는 창조 식을 오른쪽 조력발전소는 낙조 식으로 발전 하면 복류조력발전소가 된다.

시화호에 기존의 창조 식 발전소외에 시화호 다른 곳에 기존과 똑같은 발전기 10대에 수문 8기가 설치된 낙조 식 발전소를 설치하면 시화조력발전소는 복류발전이 가능한 시화조력발전소가 된다.

물론 기존의 창조 식 발전소의 건설비용의 2배가 들어가지만 발전량은 2배가량 늘어나고 기존의 방조제 건설비용이 추가로 들어가지 않기에 기존의 시화호의 창조 식 발전소에 비하여 발전량대비 건설단가는 낮아진다.

순수 에너지 확보차원에 인천만 조력발전소를 비교하여도 이방식은 단류 식으로만 건설 하는 것보다 상당히 건설단가가 낮아지며 에너지 효율차원에서도  효율적이라 볼 수 있다.

인천만 예상 건설단가는 총 3조9,000억을 예상하며 이중 방조제 건설비용을

2조5,000억을 예상하고 있다. 순수에너지 차원에서 추가로 1조4천억이 추가로 투입되면 연간 24억 킬로와트(kw/h)에서 48억 킬로와트가 생산된다면

방조제 건설하는 2조5,000억이 절약 된다는 결론이다.

3. k10 조력발전소의 한 방향 복류발전방식

(수문변경 복류 조력발전시스템)

1. 시화조력발전 발전방식

시화조력발전 개념도 위 그림은 외해에서 밀물이 들어오고 내해인 호수 측을 채우면서 발전이 이루어지고 있으며 아래그림은 내해인 호수 측에 가득 찬 해수를 썰물  때 발전기의 수차구조물을 통하여 내보내는 발전방식이다.

내보내는 해수로 발전하지 못하는 이유는 발전기의 수차날개의 변형과 수차구조물의 흡입 부, 배수구의 위치도 변형해야 하고 발전기의 위치도 변형세팅 해야 외해에서 발전하는 정격수두와 정격유출량이 이루어 질수 있지만 그러한 변형하기는 토목공학적으로 불가능하기 때문이며 여기서 더욱 중요한 것은 외해에서 호수 측으로 정격발전 하는 효과를 호수 측에서 외해로 발전하는 정격발전이 이루어지기 위해선 2배가량의 물리력이 가해져야 가능하다.

문제는 2배가량의 물리력을 가하려면 정격수두(수위 차)가 두 배가량 높아져야 하는데 수차구조물의 모든 여건이 공기흡입을 유발해 발전기의 기능저하는 물론이고 발전기의 치명적인 손상까지 유발해 고장을 일으키는 결과를 프랑스 랑-스 조력발전소에서 발견됨으로 랑-스 조력발전소는 한 통로를 이용해 양방향으로 복류발전 하는 방식을 1975년 중단하고 현재까지 단류 식으로만 발전 해왔고, 1975년 이후 조력발전에 많은 관심 선진 조력발전 연구소는 복류발전방식 연구 보다는 좀 더 효율적인 일체형 튜뷰린 수차에 오랜 동안 연구하고 시설용량이 큰 2만5천~5만kw/h에 이르는 단계까지 되었다.

1대에 1만kw/h 24대를 설치한 랑스 조력은 총 시설용량이 24만 kw/h , 최대 수위는 13.6m이다. 정격수두는 5.6m에 정격유출량이 6,600m3/sec (수차 1대에 초당 275톤 정도 정격유출) 이다.

랑스 조력발전소를 시화호처럼 수차를 2만5천kw로 교체하여 리모델링한다면 시화조력보다 더 많은 발전량이 생산됨을 알 수 있으며 결론은 같은 총 시설용량이라  해도 1대의 수차 시설용량의 크기에 따라 발전량이의 효율이 연간 총발전량에 상당한 차이가 있기 때문에 조력발전 선진국들은 수차의 시설용량에 매우 커다란 연구노력을 해왔고 이러한 노력이 대체에너지로서 조력발전소의 타당성에 한 발짝 더 다가서는 기술의 핵심 이라 할 수 있다.

그러나 단류 식으로 수차에 대한 무한한 노력을 하여도 한계치라는 것이 있기에 이용률이 20~30%를 넘어서기 위해서는 하루에 2번 발전하는 방식보다는 4번을 발전하는 복류 식에 해답이 있으며 수력을 제외한 대체에너지에서 이용률이 30% 이상 해결할 대체에너지는 당분간 기술적으로 상당한 기간이 흘러야 가능하지만 기후온난화의 속도로 보아서는 복류가 가능한 조력발전만이 해결책이라고 본다(# 발전 이용률이란 시간당 시설용량 대비 실질적으로 시간당 발전하는 발전량이다. 시화조력발전소의 시간당 시설용량은 25만kw/h 이며 실질적인 발전량은 시간당 6만2,500kw/h 이며 이용률은 25% 이다).

화석연료를 사용하지 않고, 대체에너지로 30%이상의 이용률이 가능한 에너지는 원자력, 수력, 복류발전이 가능한 조력발전소만이 이지구상에서 가능하다. 이들 3개의 에너지만이 탄소를 방출하지 않는 에너지이며 기후온난화를 막을 수 있는 유일한 대책이며 이들 3개 에너지 외에 대량의 에너지를 생산 할 수 있는 대체에너지는 기술과 경제면에서 당분간 쉬워 보이지 않는다. 인류의 생존 없이 환경을 논할 수 없고, 생태계를 논할 수가 없다.

2. k10 조력발전방식

위 그림은 밀물 때 호수로 들어올 수 있는 수문을 열어두고, 외해 빠져 나갈 수 있는 수문을 막아서 창조식과 같은 원리로 발전하고, 아래그림은 썰물 때 호수에 가득 찬 해수가 외해로 나갈 수  있는 수문을 열어두고, 호수로 들어올 수 있는 수문을 막고 발전기를 통과하여 발전하는 낙조 식 발전방식이다.

여기서 눈여겨 볼 것은 발전기를 통과하는 해수가 같은 방향으로 일정하게 통과 한다. 결론은 수차구조물을 통과하는 해수가 한 방향으로 발전기의 터빈을 통과하여 수차날개를 회전하여 발전을 일으키며 터빈 날개를 비롯하여 수차구조물의 모든 위치가 변동 없이 제자리에서 밀물, 썰물 때 창조 식, 낙조 식 발전방식이 이루어지는 것을 알 수 있다.

k10 조력발전소 개념도(수문변경 복류 조력발전시스템)

a) 밀물 시 창조 식 발전      b) 썰물시 낙조 식 발전

a) 외해(바다)에서 밀물이 들어와 호수(저수지) 유입되면서 발전기를 통과하여 발전되는 개념도이며  b) 그림은 호수(저수지)에서 외해(바다)로 썰물 때 가득 찬 저수지의 해수가 발전기를 통과하여 발전하는 개념도 이다.

이두 개념도에서도 발전기와 수차의 날개는 고정 되어있고 흡입 부, 배수 부 그리고 발전기의 위치도 같은 위치에 고정되어 같은 방향으로 발전 된다.

시화조력발전소는 밀물 때 외해(바다)에서 해수가 비워있는 해수를 채우기 위하여 창조 식으로 발전이 가능 하지만 썰물 때 호수 측(저수지)에서 외해로 발전기를 통과하여 발전을 못하고 다음주기의 밀물 때 발전 하기위하여 호수(저수지)에 채워진 해수를 비우기 위하여 수차구조물을 통과하여 내보내는 역할만 하게 된다.

그러나 k10 조력발전소는 밀물 때 발전하던 수차구조물을 통과하던 같은 방향으로 썰물 때도 가득 찬 호수(저수조)의 해수를 썰물 때 외해로 발전기를 통과하여 발전 하게 된다.

시화조력발전소와 같은 단류 식은 하루 1주기에 밀물(창조 식)또는 썰물(낙조 식) 둘 중 하나의 방식만이 선택 하여 하루 2회를 발전 하며  k10 조력발전소는 하루 1주기에 밀물(창조 식)과 썰물(낙조 식)에 2회를 발전하여 하루 4회를 발전하는 방식이다.

시화조력발전소의 시설용량은 시간당 25만kw/h로 연간 22억kw/h 의 시설용량을 갗 추었지만 실질적으로 연간 5.5억kw/h를 생산한다. 그러므로 시설용량대비 실질적인 발전량은 25% 이다( 발전이용 율이 25%).

시화조력발전소에 k10 조력발전소 방식으로 발전하게 되면 대략 40~50%의 발전이용률이 발생하여 대체에너지로서 40~50%의 이용률이 발생 할 수 있는 자연환경을 이용한 조력의 힘으로 무한한 해양에너지를 발굴하는 계기가 되었으면 한다.

우선 k10 조력발전방식은 2번 항에(단저수조에 낙조 식, 창조 식을 동시에 설치) 비하여 발전소를 공사하는 가물막이 공사와 건설단가의 비중을 많이 차지하는 발전기의 수량이 2분1로 감소하며 발전기에 비하여 건설단가의 비중이 크지 않은 발전소의 수문을 늘려 한 방향으로 복류발전 하는 방식이므로 1항에서(랑스 조력발전방식) 발생하는 문제점이(터빈 날개변형 및 와류현상) 전혀 일어나지 않으며 수문구조물을 통한 유량조절로 정격발전이 이루어지며 전체적인 저수조내의 해수유통량의 원활한 교류로 조간 대 및 해수환경에 미치는 영향까지 반영 될 수 있다.

k10 조력발전소는 랑스 발전방식에서 진행되는 수차구조물 내 에서 왕복되는 양방향 복류발전 되는 방식이 아니라 수문구조물을 조절하여 한쪽 방향으로만 진행되어 복류 발전하는 방식이므로 날개의 변형이나 와류현상이 발생되지 않는다. 단류 식에서 사용되는 방식에서 수문변경으로 복류발전이 진행된다.

*** 송원오 박사의 랑스 조력발전소의 운전성과에 대한 문헌, 오율권, 장완호, 이종원, 김상녕 의 대한기계학회논문집에서 배관 내 자유 수면에서 와류현상에 대한연구 논문에 좀 더 자세한 내용이 수록 되어 있다.