[논문]하동화력 방수로 조류식발전 개발규모 산정 및 수리특성 분석

김지영; 강금석; 이대수

하동화력 방수로 조류식발전 개발규모 산정 및 수리특성 분석
Estimation of Development Capacity Applicable to Current Power Generation System at the Discharge Channel of Hadong Thermal Power Plant 원문보기

김지영 (한국전력공사 전력연구원) , 강금석 (한국전력공사 전력연구원) , 이대수 (한국전력공사 전력연구원)

국내외에 아직 적용 실적이 없는 발전소의 해수방류수를 이용한 조류식발전시스템의 개발을 위하여 하동화력발전소 방수로에 시험용 조류식 발전시스템을 설계 및 제작하여 현장시험이 진행 중이며, 이를 확장하여 상업용 발전을 위한 총 개발 규모를 산정하고 경제성을 분석하였다. 조류식발전구조물의 형상 설계, 가이드 베인을 이용한 출력 조정을 통하여 방수로의 수류상태를 적절히 조절하여 설계하는 것이 가능할 것으로 판단되며, 조류식발전구조물 설치시 방수로의 수류특성 수치계산 결과로 판단할 때 발전출력에 의한 에너지 회수뿐만 아니라 조류식발전구조물의 단면축소 효과 및 수두손실이 방수로의 수위 변화에 상당한 규모로 영향을 주고 있음을 확인하였다. 조류식발전구조물 설치 이전의 유속 관측 결과를 이용하여 발전량을 산정한 경우 소수력발전 단가 적응시 경제성이 떨어지지만, 조류식발전시스템의 설치시 유속 증가 효과가 나타날 뿐만 아니라 가이드 베인 등을 이용하여 발전량 증대를 꾀하면 충분한 경제성을 확보할 수 있는 조류식발전시스템의 설치가 가능할 것으로 판단된다.

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문제 정의

이에 대하여 본 연구에서는 현재 개발 중인발전소 온배수를 이용한 조류식발전 시스템의 상업용 발전올 위한 종 개발 가능 규모를 산정하기 위해 수리특성 분석 및 발전원가 계산 및 경제성 분석을 실시하였다.

가설 설정

연간 발전량은 발전소의 가동조건을 고려하여 계절별로 연간 방류량 분포를 가정하여 계산하였다. 방수로에 조류식발전구조물을 설치할 경우 단면축소 효과를 인하여 관측시보다 유속이 증가 하게 되어 발전량 또한 증가할 가능성이 크지만 보수적인 관점에서 관측값을 이용한다.

제안 방법

국내외에 아직 적용 실적이 없는 발전소의해 수방류수를 이용한 수력발전시스템의 개발을 위하여 하동화력발전소 방수로에 설치하는 조류식 발전시스템을 설계 및 제작하여 현장시험이 진행 중이며, 이를 확장하여 상업용 발전을 위한 총 개발 규모를 산정하고 경제성을 분석하였다.
발전원가 계산은 연간등가비용을 연간발전량 으로 나누어 산출하는 방식을 채택하였으며 이와 아울러 경제성분석을 실시하였다.
방류된다. 방수로 중간부 및 말단부에서 2회에 걸쳐 조위, 유속, 수위를 관측하였으며, 발전시스템 설치 지점인 중간부에서의 유속관측 결과는 그림 2와 같다. 수심은 3m ~ 5m 사이로 매우 불규칙한 양상을 보이고 있다.
시험설비 제 작시 유도발전기를 적용하려고 하였으나 높은 제 작 단가로 인하여 브레이크시스템을 갖는 동기발 전기를 채택하였다. 그러나, 상용발전소의 경우 다수의 발전기를 제작하므로 유도발전기를 적용 할 수 있을 것으로 판단된다.
실제 시스템 형상을 그대로 반영하기에는 해석시간이 과다하게 소요되는 등 무리가 있어, 구조물을 개략적으로 표현하였고 수차 회전에 의한 영향을 수두손실로 가정하여 평가하는 등 개략 추정치임을 밝히며, 정성적인 경향을 살펴보는데 주력하였다.
열인 5열로 하였다. 열간의 간섭을 피하기 위하여 40m의 이격거리를 두었다.
자유수면 해석에 탁월한 FIOW-3D를 이용하여 발전시스템 설치시의 수위변화 및 유속분포를 살펴보았다. 실제 시스템 형상을 그대로 반영하기에는 해석시간이 과다하게 소요되는 등 무리가 있어, 구조물을 개략적으로 표현하였고 수차 회전에 의한 영향을 수두손실로 가정하여 평가하는 등 개략 추정치임을 밝히며, 정성적인 경향을 살펴보는데 주력하였다.
출력계산시 터빈 크기는 1.5m X 1.8m 이며, 터빈효율 35%, 발전설비효율 85%를 적용하였다 （전체 효율 29.75%）.

대상 데이터

발전원가는 표 3과 같이 연간등가비용을 연간 발전량으로 나누어 계산하였으며 본 사업의 연간 발전량은 2,793 MWh이다.

성능/효과

89로서 경제성이 불리한 것으로 나타났다. 그러나, 조위의 조화분석 결과와 수위-유속 관계식을 적용할 경우와 3.0m/s의 발 전유속을 적 용할 경우는 B/C rat io가 1.0 이상으 로 경제성을 확보하는 것으로 계산되었다. 또한, 풍력발전 단가를 적용하는 경우에는 B/C ration] 1.
저조시 에도 유량이 적을때）에는 조류식발전구조물의 설 치시 수두손실이 작아 상하류의 급격한 수위 변화가 적었다. 그리고 조위 및 방류량의 변화에 따른 모든 경우에 대하여 조류식발전소에서 단면 축소에 의한 유속 증가 효과가 기대되었다. 조류 식발전구조물의 설치에 따라 상류의 수위가 증가 하는데 특히, 저조일때 수위 증가 효과가 크게 나 타나고, 만조일때는 흐름단면적이 커서 상대적으로 수위 증가가 적다.
0 이상으 로 경제성을 확보하는 것으로 계산되었다. 또한, 풍력발전 단가를 적용하는 경우에는 B/C ration] 1.32로 매우 경제성이 있는 것으로 나타났다.
조류식발전구조물의 형상 설계, 가이드 베인 을 이용한 출력 조정을 통하여 방수로의 수류상태를 적절히 조절하여 설계하는 것이 가능할 것으로 판단되며 , 개략적인 수치 계산 결과로 판단 할 때 발전출력에 의한 에너지 회수 뿐만 아니라 조류식발전구조물의 단면축소 효과 및 수두손실 이 방수로의 수위 변화에 상당한 규모로 영향을 주고 있음을 확인하였다. 조류식발전구조물의 형 상 및 발전출력량（설치 열수 결정）에 따라서 방 수로의 수위 및 유속의 변화량이 결정되고 조절 이 가능함（방류량 및 조위에 따른 수위 변화에 따라 방수로의 수위 변화는 2m 이상도 가능함）을 알 수 있었다. 유속 관측 결과를 이용하여 발전량을 산정한 경우는 B/C ratio가 1이하로 경제성이 떨 어지지만, 조류식발전시스템의 설치시 유속 증가 효과가 나타날 뿐만 아니라 가이드 베인 등을 이 .
조류식발전구조물의 형상 설계, 가이드 베인 을 이용한 출력 조정을 통하여 방수로의 수류상태를 적절히 조절하여 설계하는 것이 가능할 것으로 판단되며 , 개략적인 수치 계산 결과로 판단 할 때 발전출력에 의한 에너지 회수 뿐만 아니라 조류식발전구조물의 단면축소 효과 및 수두손실 이 방수로의 수위 변화에 상당한 규모로 영향을 주고 있음을 확인하였다. 조류식발전구조물의 형 상 및 발전출력량（설치 열수 결정）에 따라서 방 수로의 수위 및 유속의 변화량이 결정되고 조절 이 가능함（방류량 및 조위에 따른 수위 변화에 따라 방수로의 수위 변화는 2m 이상도 가능함）을 알 수 있었다.
조류식발전구조물의 형상에 따라 흐름단면적 축소 효과 및 수두 손실량이 결정되며, 발전출력 과 함께 중요한 설계조건임을 확인하였다. 즉, 조류식발전구조물의 설치에 따른 에너지 감쇄량 （수위증가, 유속저감）은 설계결과에 따라 조절될 수 있다.

후속연구

따라서, 시험설비의 운 전을 통하여 적절한 발전량 산정 및 발전량 증대 를 도모할 수 있을 것이다. 결론적으로 충분한 경 제성을 확보할 수 있는 조류식발전시스템의 설치 가 가능할 것으로 판단된다. 다만, 상용발전소의 건설시 고려사항으로는 다음과 같은 것이 있다.
연간등가비용 산출에 필요한 사업비는 시 험설 비 제작비를 단순히 산술합하여 총 5열의 조류식 발전 시설 사업비를 산출하였다. 여기에서, 시험 설비에 비해 상용발전소의 경우는 내구연한 및 구조물 안정성을 고려하여 제작비용의 증가가 발생할 수 있는 반면, 다수 호기 제작으로 인한 부 품 제작 비용 및 부대비용의 감소 효과를 기대할 수 있지만, 본 검토에서는 고려하지 않았다.
유속 관측 결과를 이용하여 발전량을 산정한 경우는 B/C ratio가 1이하로 경제성이 떨 어지지만, 조류식발전시스템의 설치시 유속 증가 효과가 나타날 뿐만 아니라 가이드 베인 등을 이 .용하여 발전량 증대를 꾀하면 충분한 경제성을 확보할 수 있는 조류식발전시스템의 설치가 가능 할 것으로 판단된다. 향후 시험설비를 통한 실제 발전량 측정이 완료되면 보다 구체적인 개발규모 및 경제성을 평가할 수 있을 것이다.
용하여 발전량 증대를 꾀하면 충분한 경제성을 확보할 수 있는 조류식발전시스템의 설치가 가능 할 것으로 판단된다. 향후 시험설비를 통한 실제 발전량 측정이 완료되면 보다 구체적인 개발규모 및 경제성을 평가할 수 있을 것이다.

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