KR20130073929A - 수력발전 효율 증대방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미 건설되어 있는 기존의 대, 중, 소 수력발전소의 수압관로에 구멍 하나를 뚫고 부압관로를 설치하여 별도의 동력을 사용하지 않고 수인력(水引力)으로 발생된 부압을 이용해 이미 낙차에 의해 발전 에너지로 사용된 물을 다시 끌어올려 유량 및 유속을 증대 시키는 수력발전 효율증대 방법으로서 발전 출력을 높여 발전 효율을 최소 30%이상 증대 시키거나 극대화시켜 그 가치를 높이고자 하는 것이며, 그 구조를 간단히 하여 기존 수력발전소에 설치하기도 쉬울 뿐 아니라 내구성이나 고장에 대한 염려 없이 반영구적으로 사용할 수 있게 하므로 설치비용 및 유지관리비를 최소화 하여 최저 비용으로 최대 효율을 낼 수 있다. 이러한 본 발명은 기존에 경제성이 낮아 건설하지 못했던 중, 소형 댐을 높아진 발전효율로 경제성을 높여서 청정에너지 생산을 활성화 할 뿐 아니라 이산화탄소 배출 감소와 홍수 방지 및 물 부족 현상을 감소시키고 물 사용료까지 낮출 수 있게 한다.

Description

수력발전 효율 증대방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ENLARGING HYDROPOWER EFFICIENCY}

본 발명은 수력발전에 관한 것으로, 특히 기존의 수력발전소 수압관로에 외부 유체를 끌어 들일 수 있는 부압관로를 설치하여 유량과 유속을 증대시켜 출력을 높이는 방식으로 수력 발전의 효율을 극대화할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

수력발전은 우리나라 전력생산량의 1%대를 벗어나지 못하고 있으며 투자비용과 환경에 미치는 잠재적인 영향을 고려한다면 발전 설비 투자비용에 전력생산 효율은 크지 않다고 볼 수 있다.

그런데 수력발전은 청정에너지이며, 발전을 위해 국가차원에서 에너지원의 수입이 필요 없는 순수 자원에너지라는 점, 또 발전 시에 에너지 변환 효율이 화력 발전의 2배가 될 정도로 변환 효율이 높다는 점 등이 장점으로 작용한다.

물부족국가로 분류된 국가차원에서도 물 부족분을 확보하여서 농·공업용수, 생활용수 공급의 안정화를 시켜야 하고, 화석연료 수입 및 이산화탄소 배출을 줄여야 하는 현실과 맞물려 신·재생에너지 생산능력을 더욱 높여야 하는 당위성 등이 중형이나 소형 댐을 이용한 수력발전의 활성화를 부추기고 있다.

하지만 수력발전은 발전효율이 낮아 상업적 가치가 높지 못한 단점이 있다.

그 일 예로서, 수력발전소의 취수구 수문은 담수량 조절기능으로 이용되는 것이 아니라 발전기의 고장이나 기능을 못하게 되는 비상시에 수압관로(댐이나 수조의 취수구에서 발전 수차까지의 도수관로)로의 물 유입을 차단하기 위한 시설로만 주로 사용되고 평상시에는 사용하지 않고 있는 것이 현실이고, 또 이 수문은 상시 개방되어 있는 시설물이기에 강한 압력을 견디기 위해 수문이 고가의 비용을 들여 제작된다는 측면에서 볼 때에는 상당히 비효율적인 이용이라 할 수 있다.

등록특허 제10-0728421호 "수처리 시스템에 대한 수력발전"

따라서 본 발명의 목적은 이미 건설되어 있는 기존의 대형, 중형, 소형 수력발전소의 수압관로에 구멍하나 뚫어 부압관로를 설치하여 별도의 동력을 사용하지 않고 수인력(水引力)(물 분자끼리 서로 끌러 당기는 힘과 중력가속한계속도에 이르려는 힘이 동시에 작용하는 힘)으로 인해 발생되는 부압(대기압보다 압력이 낮아지는 감압현상)을 이용해 이미 낙차에 의해 발전에너지로 사용된 물을 다시 끌어올려 유량 및 유속을 증대시키는 방법으로 발전 출력을 높여 발전효율을 최소 30%이상 증대시키거나 극대화시킬 수 있는 수력발전 효율 증대장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하면서도 기존 수력 발전소에 설치하기도 쉽고 내구성이 좋을 뿐아니라 고장에 대한 염려 없이 반영구적으로 사용할 수 있게 하여 설치비용 및 유지 관리비를 최소화하면서 최대효율을 낼 수 있는 수력발전 효율증대 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 사용유량이 적어 경제성이 낮아 건설하지 못했던 중, 소형 댐을 높아진 발전효율로 경제성을 높임으로 청정에너지 생산을 활성화 할 뿐 아니라 이산화탄소배출 감소와 홍수 방지 및 물 부족 현상을 감소시킬 수 있는 수력발전 효율증대방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적에 따른 본 발명은, 수력발전 효율증대 방법 및 장치에 있어서, 기존 수력발전소에 설치된 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하고 상기 부압흡입구에 외부 유체를 끌어들일 수 있는 부압관로를 설치하며, 상기 부압흡입구에는 외부 유체의 흡입량을 조절할 수 있는 흡입량 조절밸브를 설치하고, 상기 수압관로의 최대유량보다 상대적으로 낮은 유량이 수압관로로 흘러들도록 댐 수문의 개폐량을 조절하여 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압관로를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 수력발전 효율증대 방법 및 장치에 있어서, 수력발전소에 설치되는 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하되, 상기 수압관로는 수력발전 시설의 최대 사용유량에 맞게 설계된 수압관로 단면보다 더 큰 단면을 갖는 관로로 시공하고 상기 부압흡입구에 외부 유체를 끌어들일 수 있는 부압관로를 설치하며 상기 부압흡입구에는 외부 유체의 흡입량을 조절할 수 있는 흡입량 조절밸브를 설치하여서 상기 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압관로를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 수력발전 효율증대 장치 및 방법에 있어서, 이미 건설된 수력발전소에서 최대 사용유량이 결정되는 수압관로의 단면을 키워 재시공할 수 없다면 밸브외에 기계장치 없이 기존 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압관로를 설치하며, 갈수기 또는 평소 댐의 담수량을 조절하기 위해서 등의 이유로 사용유량을 감소시켜 비록 최대유량을 낙하시키지 않음에도 불구하고 별도의 동력 사용없이 단지 수인력에 의해 발생되는 부압으로 외부유체를 흡입하여 수압관로내 유량과 유속을 높여서 최대 설계출력까지 낼 수 있게 함으로써 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 한다.

본 명세서에서 언급되는 용어에 대한 정의나 의미를 이해의 편의상 정리하면 아래와 같다.

· 수압관로: 댐이나 수조의 취수구에서 발전수차까지의 도수관로

· 중력가속 한계속도: 어떤 질량을 가지는 유체가 정해진 낙차 안에서 낼 수 있는 중력가속도의 최고한계속도

· 수인력: 물 분자끼리 서로 끌어당기는 힘과 중력가속 한계속도에 이르려는 힘이 동시에 작용하는 힘

· 부압관로: 수압관로의 부압흡입구에 외부 유체를 끌어들일 수 있게 만들어진 유체 흡입관

· 부압흡입구: 수압관로에 외부 유체를 끌어 들이기 위해 뚫은 구멍

· 정상류: 수문을 100% 개방하여 유량의 흐름을 방해하지 않은 상태

· 부압유량: 부압에 의해 부압관로를 통해 끌어올려진 유량

· 부압낙차: 부압관이 설치된 부압흡입구까지의 낙차

본 발명은 기존 수력 발전소의 출력을 높여 발전효율을 높혀주므로 화력발전소에서 감당했던 화석연료 수입을 감소시킬 수 있을 것이며 이산화탄소 배출을 줄여 교토협약에 따른 배출 분담권을 높일 수 있을 것이며, 수력발전의 경쟁력을 높이므로 해서 청정에너지 생산률을 높여 지구 온난화 방지 및 더욱 안정된 물 이용관리에 도움을 줄 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따라 질량을 가지는 유체가 위치에너지에 의해 중력가속도가 작용하며 부압이 생기는 원리를 설명하기 위한 수조의 개략 측면도,
도 2는 본 발명에 따라 질량을 가지는 유체가 자유낙하하며 중력가속한계속도까지 이르러는 물리적 현상과 물분자간의 친화력으로 인해 발생되는 운동력(수인력)을 설명하기 위한 수조의 개략 측면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 부압관로가 설치된 수력발전소의 개략 측면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 부압관로가 설치된 수력발전소의 개략 측면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

기존의 수력발전소에서는 수문의 계폐시에 부압이 발생하며 유속이 느려져 손실되는 낙차는 유속의 제곱에 비례하여 증가하므로 수압관로에서 부압이 발생하는 것을 방지하기 위해 별도의 공기 흡입구를 설치하거나 수문 뒷편에 공간을 두어 공기 출입을 허락하고 있다.

하지만 본 발명에서는 부압 발생을 방지하는 것이 아니라 오히려 부압을 유도하여 발전 효율을 설계출력보다 더 높여 극대화 하며 댐의 수문을 이용해 담수량을 조절 하면서 유량이 부족한 곳에서도 좀 더 효율적으로 운용할 수 있도록 구현하는 것이다.

본 발명에서 실시하려는 외부의 동력없이 수력 발전효율의 증대를 도모하는 원리를 설명하면 아래와 같다.

(수력발전의 기본 원리)

수력발전소는 물이 가지고 있는 위치에너지를, 수차를 이용해 기계에너지로 바꾸어 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 발전 방식이다. 수력발전 출력은 물의 낙차와 사용유량의 곱에 비례한다. 그러므로 수력발전의 출력을 늘이기 위해서는 유수로를 바꾸어 물이 한곳으로 집중되게 해야하며 물이 큰 낙차를 얻을 수 있는 발전 지점을 잘 선정해야 한다.

(이론 수력의 출력계산)

사용유량 Ｑ[㎥／ｓ]과 그 유량이 가지는 유효 낙차 Ｈ[ｍ]로 얻을 수 있는 것이 동력Ｐ[㎾]이다.

Ｐ[㎾]＝ 9.8ＱＨ

즉 동력(전력)은 유량(Q)과 낙차(H)의 곱에 약 10배(중력가속도) 정도가 되는 것이다. 그러므로 수력을 이용해 전력 생산량을 높이기 위해서는 정해진 물의 유량(Q)을 어떻게 더 경제적으로 이용할 것인지 또 어떻게 하면 더 큰 낙차(H)를 얻을 수 있는가 하는 것이 관건이다.

기존의 수력발전소는 유량과 낙차에 대한 최적요건을 찾아 건설하였을 것이므로 더 이상 출력을 높일 수 없을 것이 일반적인 개념이나, 본 발명에서는 새로운 개념으로서 기존 수압관로에 유체 흡입관인 부압관로를 하나 설치하는 것으로 유효낙차(H)와 유량(Q)을 극대화 시킬 수 있음을 제시한다.

(본 발명에 따라 무동력으로 수력발전 효율증대시키는 기술)

본 발명에서의 수력발전 효율증대의 방식은 동력을 사용하지 않고도 기존 수력발전소 수압관로 내부의 유량과 유속을 높여 출력을 높이는 기술이다. 상기 수압관로는 댐저수조의 취수구에서 발전소 수차 입구까지의 도수관로를 말한다.

본 발명에서는 수압관로의 상부 한 지점에 부압흡입구인 구멍을 뚫고 그 부압흡입구에 물 및 공기와 같은 유체가 흡입 될 수 있는 부압관로를 설치하는 것이다. 여기서 '부압관로'란 수압관로의 부압흡입구를 통해 외부유체를 끌어 들일 수 있게 만들어진 유체흡입관을 의미한다.

상기와 같이 수압관로의 상부 일측에 부압관로를 설치하면 수압관로를 통해 물이 흘러내리며 낙차에 의한 중력가속도로 인해 발생되는 수인력(물 분자끼리 서로 끌어당기는 힘과 중력가속 한계속도에 이르려는 힘이 동시에 작용하는 힘)은 부압(대기압보다 압력이 낮아진 감압현상)을 발생시키며, 이로 인해 유체가 자동으로 수압관로 안으로 빨려 들어가게 되며 수압관로 안으로 빨려 들어간 유체는 내부 유체와 혼합되어 수압관로 속 유량의 부피가 늘어나 유속을 키우게 된다. 유속을 키우게 되면 수압관로의 하류단 방수구 근처에 위치된 수차를 밀어내는 힘이 증대 되지만 댐저수조의 수압관로 입구에 위치된 수문을 통과해서 수압관로로 빨려 들어가는 유량이나 유속은 늘어나지 않는다.

또 본 발명에서는 수압관로의 상부 일측에 설치한 부압관로에 밸브를 장치해 흡입시키는 유체량을 조절할 수 있다. 부압관로에 밸브를 장치하게 되면 수압관로의 방수구가 배출하는 유속(출력)을 세부적으로 조절할 수 있음에 의해 유속에 따라 발전량을 증대시키거나 조절할 수 있게 된다.

본 발명에 따라 수압관로에 설치된 부압관로로 유체가 빨려 들어가는 이유를 설명하면 하기와 같다.

질량 불변의 법칙에 대한 유체방정식에서 증명되듯이, 비압축성 이상유체 정상류일 때는 관로 속을 지나는 유체의 에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하므로 관로 속을 지나는 유체의 유량은 관로의 단면이 좁은 곳에서나 넓은 곳에서나 단위시간 동안 이동하는 유체의 양은 일정하다고 증명되었다.

그런데 그 유체를 공기와 물로 가정하여 비교해 볼 때 유체를 통과 시키는 관로의 구조를 바꾸면 다른 효과가 발생하게 된다.

도 1은 본 발명에 따라 질량을 가지는 유체가 위치에너지에 의해 중력가속도가 작용하며 부압이 생기는 원리를 설명하기 위한 수조(2)의 개략 측면도로서, 수압관로 역할의 호스(4)를 뉘여 설치한 것이고 (b)는 수압관로 역할을 하는 호스(4)를 경사지게 설치한 것이다.

그리고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 부압관로(34)가 설치된 수력발전소의 개략 측면도로서, 도 1의 (b)에 따른 수력발전 모델을 실제로 적용한 수력발전 효율증대 장치의 구성이다.

도 1과 같은 수조(2)를 이용해 수력발전 모델구조를 만들어 놓고 실험을 한다고 가정 했을 때, 간단하게 밸브(6)가 달린 수도 꼭지에 물 호스(4a)(4b)를 끼워 놓고 실험할 수도 있다. 밸브(6)는 수력발전 댐에서 수문(도 3의 26)의 역할을 하며 물 호스(4a)(4b)는 수압관로(도 3의 24)의 역할을 하는 것이다.

도 1에서, (a)(b)는 유사한 구조이지만 호스의 배설방향이 서로 다르다.

서로 다른 A,B호스(4a)(4b)(수압관로에 해당됨) 속으로는 물의 중력에 의한 정상류(수문을 100% 개방하여 유량의 흐름을 방해하지 않은 상태) 압력과 동일한 압력으로 물과 공기를 흘려 보낸다고 가정할 때, 만일 유체로서 공기를 흘려 보내면 A,B호스(4a)(4b)에 뚫린 구멍(12)으로 공기가 새어 나오게 된다.

그러나 A,B호스(4a)(4b) 속으로 유체로서 물을 흘러 보내면 도 1의 (a)(b)의 구멍(12)은 서로 다른 역할을 하게 된다.

도 1의 A호스(4a) 및 B호스(4b)에는 작은 구멍(12)이 뚫려 있고 호스(4a)(4b)의 길이도 똑 같지만, A호스(4a)는 그 취수구(8) 위치와 방수구(10) 위치가 동일한 고도인 수평 높이에 놓여 있다. 그런데 B호스(4b)는 그 방수구(10)의 위치가 상대적으로 취수구(8)의 위치보다 낮은 높이에 놓여 있는 것이다.

이러한 상태의 각 수조(2)에서 물을 흘러 보내면 A호스(4a)의 구멍(12)에서는 유체의 점성이나 마찰로 인해 생기는 저항이 압력손실로 이어진다. 그렇기 때문에 공기나 물이 새어나와 도 1의 (a)에 도시된 A호스(4a)의 구멍(12)은 분출구 역할을 한다.

그런데 B호스(4b)의 구멍(12)에서는 유체가 공기일 때는 A호스(4a)와 마찬가지로 마찰 저항으로 인해 공기가 새어 나오지만, 유체가 물일 경우 중력 이상의 압력을 가하지 않은 상태에서는 물이 새어 나오는 것이 아니라 오히려 유체가 빨려 들어가며 흡입구 역할을 한다.

그 이유는 아래와 같다.

먼저 유체가 공기일 경우에는 질량이 작아 중력의 영향을 거의 받지 않고 마찰 저항의 영향을 더 크게 받는 관계로 A,B호스(4a)(4b) 내부에서는 공기가 저항을 받으며 밀려가는 속도보다 밀어내는 압력의 속도가 더 빠르게 된다. 그 결과 A,B호스(4a)(4b) 내부 압력이 대기압보다 높아져 구멍(12)로 공기가 새어나오는 것이다.

다음으로 유체가 물일 경우를 설명하면 아래와 같다.

A호스(4a)에서는, 수조(2)의 수압만 작용하여 유체인 물을 밀어내기 때문에 호스(4a) 속으로 밀려들어가며 유체의 점성마찰로 인한 압력손실이 생기게 되고 호스(4a) 내부에는 낙차가 없어 중력 가속도가 작용하지 않는다. 그러면 호스(4a) 내부 표면과의 마찰 저항이 커지며 물이 밀려가는 속도가 수조(2)에서 밀어내는 수압의 속도보다 늦기 때문에 내부 압력이 대기압보다 높아져 구멍(12)이 분출구 역할을 하며 물이 새어 나오는 것이다.

이와 같이 유체의 점성 마찰로 인한 압력손실을 계산하는 방법은 다르시-바이스바흐(Darch-Weisbach)의 계산식을 이용할 수 있다.

다르시-바이스바흐(Darch-Weisbach)의 계산식은 동일 내경의 원형관 내부를 평균 유속으로 유체가 흐를 때 미리 정한 거리만큼 떨어진 두 점 간에 유체의 점성 마찰에 의해 생기는 압력손실의 양을 나타내는 것으로, 하기 수학식 1과 같다.

여기서, d: 내경, V: 평균유속, L: 떨어진 거리, λr: 마찰계수, ΔP: 압력손실, g: 중력가속도.

한편 B호스(4b)에서는,

A호스(4a)와 같이 수조(2)의 수압으로 물이 밀려나와 호스(4b) 내부표면과 유체의 점성마찰로 인한 압력손실이 생기지만 호스(4b) 내부에는 낙차로 인해 유체의 질량이 가지는 위치에너지에 의한 중력 가속도(g = 9.81m/s²)가 작용한다.

위치에너지에 의한 중력 가속도가 작용하면 마찰 저항의 힘을 능가하게 되고 B호스(4b)내에서 중력에 의해 밑으로 떨어지는 물은 호스(4b)의 입구인 취수구(8) 쪽 물보다 방수구(10) 쪽 물의 속도가 가속도에 의해 더 빨라지려는 현상이 생긴다.

하지만 밀폐된 호스(4b) 속에서는 물 분자가 서로 끌어당기는 힘에 의해 낙차에 대한 중력가속 한계속도(어떤 질량이 정해진 낙차 안에서 낼 수 있는 중력가속도의 최고 한계속도)에 이르지 못하기 때문에 그 질량에 대한 한계 가속도까지 이르려는 힘에 의해 호스(4b)의 내부가 대기압보다 압력이 낮아져 감압상태가 되므로 물이 밀려 나오지 않고 압력을 회복하려고 오히려 외부 유체를 빨아들이게 된다. 다만, 중력 가속도 이상의 압력을 가하게 된다면 중력 가속도에 의해 떨어지는 속도보다 밀어내는 압력의 속도가 빨라 내부 압력이 대기압보다 높아진다.

또한 호스(4b)에 낙차가 있더라도 호스의 기울기가 완만할수록 부압의 힘도 약해진다.

유체방정식에서 증명하듯이 관로 속을 지나는 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정해야 한다.

만약 대기 중에 물 컵을 높이 들고 컵의 물을 조금씩 서서히 쏟으면 중력에 의해 밑으로 떨어지며 가속도에 의해 속도가 빨라짐에 따라 떨어지는 물줄기는 점점 가늘어지다가 속도가 더 빨라지면 공기의 저항에 의해 물방울이 되어 떨어지며 가속도에 의해 물방울끼리의 거리도 점점 멀어지게 된다.

물줄기가 가지는 단면적이 작아져야만 어떤 지점에서라도 단위 시간당 통과하는 질량이 같아지며 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정해지는 것이다.

그런데 물이 밀폐된 관로 속에서 중력에 의해 밑으로 떨어질 때 질량에 대한 정상적인 한계 가속력을 내려면 물줄기의 단면이 가늘어져야 하는데 규격화된 관로 속에서는 물줄기가 가늘어질 수 없어 결국 속도를 줄여야만 에너지의 합이 일정하게 된다. 그래서 기존의 수력발전소 수압관로의 내부 단면을 중력 가속도에 따라 밑으로 내려갈수록 점점 가늘게 만들면 지름이 같은 수압관로 보다 유속을 더 높일 수 있다.

그런 관계로 밀폐된 관로 속에서는 중력에 의해 낙하되는 물의 속도가 줄어들게 되고 물의 속도가 줄어든 만큼 한계가속도에 이르려는 힘이 커지게 되어서 감압력이 커지게 되는 것이다.

만약 얇은 비닐로 된 물호스를 만들어 가로로 놓아 두고 물을 흘려보내면 비닐 호스가 타원형으로 부풀며 물이 흘러가지만 세로로 세워 놓고 아래로 물을 흘려보내면 감압 때문에 공중의 비닐호스는 그 단면을 줄이기 위해 찌그러들게 된다.

이것이 바로 중력가속 한계속도에 이르려는 힘에 의한 감압으로 외부의 유체가 부압흡입구 즉 수압관로에 외부유체를 끌어들이기 위해 뚫은 구멍(12)을 통해 빨려 들어가는 원인이다.

이때 호스가 길수록 즉 낙차가 클수록, A호스(4a)에서는 내부 압력이 높아지는 반면 B호스(4b)에서는 내부압력이 낮아짐을 이해하여야 한다.

B호스(4b)에 있어 낙차가 클수록 압력 저하가 더 커져서 유체를 빨아들이는 힘이 강해지지만 A,B호스(4a)(4b)에서 그 압력의 변동범위는 질량과 낙차에 따른 중력가속 한계속도까지이다. 그렇기 때문에 압력의 변동범위는 수조(2)의 수압(질량)보다 높아지거나(A호스) 낮아지질 않는다(B호스).

도 1의 A,B호스(4a)(4b)에서 방수되는 차이를 보면,

A호스(4a)에서는, 구멍(12)을 통하여 물이 새어 나가기 때문에 압력이 더욱 낮아져 A호스(4a)의 취수구(8)를 통해 유입되는 유량 및 유속보다 방수구(10)에서 빠져나가는 유량과 유속이 줄어들어 출력 에너지도 줄어든다. 단 구멍(12)이 없으면 마찰저항에 따른 압력손실 뿐이라도 낙차가 작기 때문에 발전에너지는 크지 않다.

B호스(4b)에서는, 호스(4b) 속에 흐르는 유량을 제어할 목적으로 수문 등의 제어밸브(6)를 통해 정상류(수문을 100% 개방하여 유량의 흐름을 방해하지 않은 상태)에서 방출유량을 줄이면 줄어든 유량만큼 유속이 줄어들고 호스(4b) 속 유체는 중력가속 한계속도에 이르려는 힘에 의해 감압력이 더욱 커지게 되어 호스(4b) 내부 압력을 대기압보다 더 많이 낮추게 되며 낮아진 만큼 반비례로 부압이 크게 발생한다. 그리고 부압흡입구(도 3의 32)인 구멍(12)을 통해서는 부압만큼의 외부 유체를 빨아 들이게 된다.

이를 도 3의 수력발전소에 적용하면, 수문(26)을 이용해 유량의 단면을 축소시킬 경우 수입관로(24)내에 부압이 발생되며 유속이 느려져 낙차의 손실이 생기게 된다. 상기 낙차의 손실은 유속의 제곱에 비례하여 증가하는 것인만큼, 발생되는 부압은 마찬가지로 크게 일어난다. 이때 부압의 발생량은 수문(26)을 통해 정상류에서 줄인 양과 중력가속도에 의해 줄어든 감압과 유체의 점성마찰로 인한 압력 손실량이지만, 점성 마찰에 의한 압력손실은 아주 미약한 관계로 무시한다.

그러므로 부압 발생량에 관계된 두 요인 즉 수문(26)을 통해 정상류에서 줄인 양과 중력가속도에 의해 줄어든 감압으로 인해 수압관로(24)의 상부 일측에 형성된 부압 흡입구(32)를 통하여 외부 유체가 빨려 들어가기 때문에 수압관로(24) 속 유량의 부피가 늘어나 수압관로(24)의 상단 취수구(28)를 통해 유입되는 유량 및 유속의 에너지보다 수압관로(24)의 하류단에 설치된 수차(36)에 가해지는 유량 및 유속의 에너지가 더 커지게 된다.

이때 유량이 늘어나는 양은 부압흡입구(32)를 매개로 수압관로(24)와 연통된 부압관로(34)를 통해 흡입되는 유체량이며, 그 만큼 출력에너지도 늘어난다.

즉 상기 흡입되는 유체량을 늘여 출력에너지를 높이려면 수압관로 설치시에 사용유량을 설계된 최대 사용유량보다 높인다고 생각하고 기존 설계된 사용유량의 약 40%까지도 부압을 이용해 늘일 수 있으므로 기존 취수구(28)의 단면보다 수압관로(24)의 단면을 40% 크게 하면 된다.

또 수문(26)을 100% 개방하지 않고 일부분 닫아 놓았을 때 부압흡입구(32)를 통한 유체 흡입량이 많아지고 유속은 수문(26)을 100% 개방했을 때보다 조금 더 빨라지게 된다.

그런데, 방수구(30)에서 배출되는 유속은 수문(26)을 100% 개방했을 때보다 조금 밖에 빨라지지 않으며 낙차가 크지 않다면 무시할 수 있을 정도다. 그 이유는 속도에서 큰 차이를 줄 정도의 낙차가 아니기 때문이며 질량의 낙차에 따른 정상 중력가속도보다 빨라질 수 없기 때문이다.

그래서 수문(26)을 100% 열었을 때는 수압관로(24)의 단면을 키우지 않는 한 중력가속도에 의한 감압이나 내부 점성마찰에 의한 압력손실 만큼만 수인력(水引力)에 의한 부압이 생겨, 흡입되는 유체량이 그리 크지 않아 에너지가 크게 늘어나지 않는다.

하지만 만약 갈수기 때나 평소에도 댐저수조(22)의 담수량을 조절하기 위해 수문(26)을 조작하여 취수구(28)를 통과하는 유량을 30% 줄이면 수압관로(24) 안에서는 줄어든 질량에 대한 유속이 정상 가속도보다 30% 줄어든다. 이때 수압관로(24) 내부에서는 줄어든 유속만큼 반비례로 부압이 30% 커져 부압흡입구(32)로 흡입되는 유체량은 최대, 줄어든 유속(30%)만큼 가능하게 된다.

즉 유체가 부압관로(34)를 통해서 30% 흡입되면서 수압관로(24)에 유량이 늘어나 유속은 다시 중량가속 한계속도로 원상회복되므로 수압관로(24)의 하류단에 위치한 수차(36)에서의 발전효율을 높일 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면,

질량 불변의 법칙의 유체 방정식에서 증명되듯 수압관로(24) 속을 지나는 유체의 유량에 있어, 수압관로(24)의 어느 단면에서나 단위 시간동안 이동하는 유체의 양은 일정하게 된다.

그래서 수압관로(24)의 입구를 수문(26)을 이용해 30% 닫아 버리면 단위시간동안 이동하는 유체의 양이 수문(26)을 빠르게 통과하는 유량과 수압관로(24) 속의 유량이 일정해야 하므로 단면이 수문(26)보다 상대적으로 큰 수압관로(24) 속에서는 유속이 줄어들 수밖에 없다.

그러므로 유속이 줄어든 만큼 중력가속도에 의한 저항(밑으로 떨어지려는 힘)이 커지게 되어 수압관로(24) 속 압력은 대기압보다 더 감압되어 부압흡입구(32)에 설치된 부압관로(34)를 통해 압력을 회복하려고 외부 유체를 빨아들이게 되는 것이다.

이때 흡입되는 유체는 공기 또는 물이 될 수 있는데, 물일 경우에는 부압관로(34)의 입구를 도 3과 같이 댐하류조(23)에 놓이도록 설치한다.

그러면 부압관로(34)는 댐저수조(22)의 물을 끌어 들이는 것이 아니라 수압관로(24)를 통해 이미 발전에너지로 사용된 후 버려진 물을 다시 끌어올려서 수압관로(24)에서 부족한 유체량을 채워 발전량을 최대로 유지케 하는 것이다.

즉 본 발명에서는 사용유량을 줄이면 줄인 만큼의 부압이 늘어나 흡입 유체량이 늘어나는 원리를 응용하여서, 수압관로(24)에 부압관로(34)를 설치함으로써 수문(26)에서 사용유량을 줄여도 방수된 물을 이용해 수차(36)에 의한 발전량은 변하지 않게 한 것이다.

본 발명의 명세서에서 정의하고 언급한 수인력(水引力)에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

어떤 질량을 가지는 유체가 자유낙하 하여 중력가속도를 낙차에 따른 최대 한계속도까지 내려고 하는 물리적 현상과 물이 분자 간에 서로 끌어 당기는 친화력에 의해 생기는 점성의 힘이 있는데, 이렇게 두 가지의 힘이 동시에 작용하는 운동력을 본 발명에서는“수인력(水引力)”이라 정의한 것이다.

수인력에 대한 역학적 원리를 도 2를 참조하여 설명하면 아래와 같다.

도 2는 본 발명에 따라 질량을 가지는 유체가 자유낙하하며 중력가속한계속도까지 이르러는 물리적 현상과 물분자간의 친화력으로 인해 발생되는 운동력(수인력)을 설명하기 위한 수조의 개략 측면도이다.

도 2의 구조를 보면, 취수구(8)는 앞서 도 1의 B호스(4b)와 같이 방수구(10)와의 낙차가 있다. 취수구(8)와 방수구(10) 사이의 낙차가 클수록 호스(4) 속의 물이 빠져 나가려는 힘이 강해져 유속이 빨라진다.

먼저 도 2의 호스(4)를 도시된 바와 같이 a ~ e 구간으로 나누고 물이 빠져 나가는 원리를 해당 구간별로 상세하게 설명한다.

수조(2)의 수압에 의해 취수구(8)로 물이 밀려들어가는 것이 아니다. 수압과는 관계없이 호스(4)의 각 구간 a ~ e에 모두 중력이 작용하지만 e구간 호스(4) 속의 물이 중력을 받아 떨어질 때 물 분자들은 친화력으로 인해 분자들끼리 서로 붙들고 잡아당기게 된다. 즉 유체의 점성과 중력가속도에 의해 내부 압력을 낮추게 된다는 것이다.

이 때문에 e구간의 물이 d구간의 물을 끌어당기게 되고 d구간의 물이 끌려 내려가며 c, b, a구간의 물을 차례로 끌어 당겨 a,b 구간의 물은 중력을 거슬러 올라와 수조(2) 안에 있는 물이 동력 없이도 배수를 통하여 연속적으로 흘러내리는 것이다.

이때 만약 호스(4) 내부 압력이 수인력에 의해 감압되지 않으면 중력을 거슬러 끌려 올라오지 않는다. 물 분자들이 서로 붙들고 있는 친화력이 없다면 c,d,e구간의 물은 중력에 의해 가속도를 내며 밖으로 떨어지고 a,b구간의 물은 수조(2) 안으로 떨어져 거슬러 올라올 수 없게 된다.

e구간의 물이 호스(4)의 제일 하류에 있으니 중력에 의해 가속력을 한계속도까지 내고 싶으나 분자들끼리 서로 붙들고 있는 친화력으로 인해 한계속도까지 가속도를 내지 못하고 잡아당김으로 인한 감압현상이 일어나며 그 힘은 중력을 거슬러 올라갈 수 있는 힘이 되는 것이다.

도 2에서의 구조를 도 3에 도시된 실제 수력발전소의 구조와 비교한다면, 도 2의 부압관로(34)가 도 2의 수조(2) 안에 들어 있는 a,b구간이며, 도 3의 수압관로(24)가 도 2의 수조(2) 밖에 있는 c,d,e구간으로 보면 된다.

이때 물을 끌어 올리는 부압관로(34)쪽(도 2의 a,b 구간)이나 내려가는 수압관로(24)쪽(도 2의 c,d구간)이나 부압흡입구(32)에서 방수구(30)까지 높이가 서로 같기 때문에 같은 유량에 대해서는 오르내리는 것에 똑같은 힘이 작용하지만, 도 2에서 e의 구간에 대한 작용을 하는 것이 도 3의 댐저수조(22) 수면에서 부압흡입구(32)까지의 낙차이다. 즉 질량에 대한 중력에너지인 것이다.

이는 도 2의 e구간의 역할처럼 수인력에 의해 물이 끌려 내려오듯 도 3의 수압관로(24) 속으로 지속적으로 댐저수조(22)에서 물을 내려 보내 수인력을 발생시키기 때문에 부압관로(34) 속 유체가 도 2의 a,b구간처럼 수인력에 의한 부압으로 중력을 거슬러 끌려 올라오게 되는 것이다.

더 상세하게는, 수압관로(24) 내에 외부공기가 들어가지 않도록 하면 질량 불변의 법칙인 유체방정식에 따라 좁은 수문(26)을 통해 들어오는 물이 넓은 수압관로(24)의 공간을 다 채워야 밑으로 떨어질 수 있으므로 그 지체되는 시간이 수량이 줄어든 양이며, 또 중력가속도가 줄어든 시간이며 부압에너지라는 것이다.

도 3과 같은 구조에서는 지체되어 떨어지는 물이 중력가속도의 영향을 받기 때문에 지체된 시간만큼 감압되는 것이며 이것이 부압의 힘으로 작용하여 부압관로(34)를 통해 외부 유체를 끌어들여 수압관로(24)속 내부 공간을 채워 감압을 회복해 정상적인 중력 가속도를 낙차에 따른 한계속도까지 내려고 하는 물리적 현상과 물이 분자 간에 서로 끌어 당기는 친화력에 의해 생기는 점성의 힘, 이렇게 두 가지의 힘이 동시에 작용하는 운동력 즉 수인력이 생긴다.

그러므로 두 가지의 힘 중 어느 한 가지만 없어도 수인력은 발생하지 않는다.

그리고 부압으로 인해 흡입되는 유체의 양이 무한정한 것이 아니라 단위 시간당 수인력으로 인해 발생되는 부압 만큼이며 이 부압이 발생하는 힘의 범위는 수압관로(24) 입구인 수문(26)을 통과하는 유량의 단면과 낙차가 있는 수압관로(24) 단면과의 차이이다. 만약 액체가 아니거나 또 친화력이 너무 크거나 없는 물질에서는 수인력이 발생하지 않아 연속적으로 흐르지 아니하며 부압도 생기지 않는다.

또 도 2의 e구간 호스(4)를 잘라 버리면 낙차가 없어져 수인력도 사라지기 때문에 중력을 거슬러 물이 끌려 나오지 않는다.

수인력에 의한 부압은 일정범위(중력가속도) 안에서는 낙차의 크기가 클수록 크게 작용하게 되고 수차에 가하는 에너지도 크게 되기 때문에 수압관로(24) 상부의 수문(26)에 인접한 한 지점을 부압흡입구(32)로 정하고 공기 또는 물을 끌어 들이는 부압관로(34)를 설치하거나, 도 4의 다른 실시예에서와 같이 부압관로(34) 없이 부압흡입구(32)에 흡입량조절밸브(40)를 장치하여 부압흡입구(32)를 통해 공기만을 끌어 들여도 내부 유속 및 유량을 높여 발전량이 증대되지만 공기와 물의 밀도 차이에서 그 증대량이 차이가 난다.

본 발명의 실시예에 따른 수인력의 원리를 이용하면 지상 1km 높이까지라도 동력 없이 많은 양의 물을 지속적으로 오르내리게 할 수도 있다.

(발전효율 증대에 대한 계산 예시)

유효사용유량(Q)이 100㎥/s이며, 유효낙차(H)가 80m인 수력발전소가 있다면 변환효율과 손실을 배제한 이론 수력의 최대(100%) 출력은 78,400kw이다.

이때 갈수기에 담수량을 조절하기 위해 수문을 통해 사용유량을 70㎥/s으로 30% 줄여 발전하면 출력이 54,880kw로 줄어든다.

이런 곳에 도 3과 같이 부압관로(34)를 설치하여 운용한다면 부압관로(34)를 통해 흡입되는 부압유량(Qr)은 줄인 30%인 30㎥/s가 되며 낙차는 부압흡입구(32)에서 부압낙차(Hr)가 시작된다.

그러므로 부압관로(34)를 통해 흡입되는 부압유량(Qr) 30㎥/s와 부압낙차(Hr) 70m이라면, 더해져 증대된 출력과 효율은 아래와 같다.

P[kw] = 9.8QH + 9.8QrHr

P[kw] = 9.8×70㎥/s×80m + 9.8×30㎥/s×70m

75,460kw = 54,880kw + 20,580kw

상기 출력값 P[kw]의 구성 요소(54,880kw 및 20,580kw)중에서, '20,580kw'값은 증가된 출력이며, 효율은 유량 70㎥/s의 관점에서 볼 때 37.5%가 증대 된 것이다.

하지만 부압낙차(Hr)에서 손실낙차가 10m 생기기 때문에 최대출력(78,400kw)에 약 4% 정도가 못미치게 된다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

본 발명은 수력 발전의 효율을 극대화하는데 이용할 수 있다.

(2)-- 수조 (4)(4a)(4b)-- 호스
(6)-- 밸브 (8)(28)--- 취수구
(10)(30)-- 방수구 (12)-- 구멍(부압흡입구)
(22)-- 댐저수조 (23)-- 댐하류조
(24)-- 수압관로 (26)-- 수문
(28)-- 취수구 (32)-- 부압흡입구
(34)-- 부압관로 (36)-- 수차
(40)-- 흡입량 조절밸브

Claims (7)

1. 수력발전 효율증대 방법에 있어서,
   기존 수력발전소에 설치된 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하고 상기 부압흡입구에 외부 유체를 끌어들일 수 있는 부압관로를 설치하며, 상기 수압관로의 최대유량보다 상대적으로 낮은 유량이 수압관로로 흘러들도록 댐 수문의 개폐량을 조절하여 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압관로를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
2. 수력발전 효율증대 방법에 있어서,
   수력발전소에 설치되는 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하고 상기 부압흡입구에 외부 유체를 끌어들일 수 있는 부압관로를 설치하되, 상기 수압관로는 수력발전 시설의 최대 사용유량에 맞게 설계된 수압관로 단면보다 더 큰 단면을 갖는 관로로 시공하여서 상기 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압관로를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부압관로의 입구가 댐저수조의 하류조에 연통되게 형성하여 댐저수조에서 이미 방류된 유체가 흡입되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부압관로에 밸브를 장치하여 흡입 유체량을 조절함에 따라 수압관로의 방수구가 배출하는 유속을 세부적으로 조절되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
5. 수력발전 효율증대 방법에 있어서,
   기존 수력발전소에 설치된 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하되 상기 부압흡입구에는 외부 유체의 흡입량을 조절할 수 있는 흡입량 조절밸브를 설치하고, 상기 수압관로의 최대유량보다 상대적으로 낮은 유량이 수압관로로 흘러들도록 댐 수문의 개폐량을 조절하여 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압흡입구를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
6. 수력발전 효율증대 방법에 있어서,
   수력발전소에 설치되는 낙차 있는 수압관로의 상부 일측에 외부 유체를 흡입할 수 있는 부압흡입구를 형성하되, 상기 수압관로는 수력발전 시설의 최대 사용유량에 맞게 설계된 수압관로 단면보다 더 큰 단면을 갖는 관로로 시공하고 상기 부압흡입구에는 외부 유체의 흡입량을 조절할 수 있는 흡입량 조절밸브를 설치하여서 상기 수압관로의 취수구로 유입된 물이 낙차에 의한 중력가속도로 인해 수인력(水引力)이 작용하고 상기 수인력이 수압관로 내에 부압을 발생케 하며, 상기 부압을 이용해 외부 유체를 부압흡입구를 통해서 흡입하여 수압관로내 방수구로 향하는 유량 및 유속을 높혀주므로 수력발전 출력효율이 증대되게 함을 특징으로 하는 수력발전 효율 증대방법.
   
7. 제1항 및 제2항, 제5항 및 제6항중 어느 한항의 수력발전 효율 증대방법을 수력발전소에 적용되게 구성함을 특징으로 하는 수력발전 효율증대 장치.

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