[특허로 본 유망 미래기술⑭] 소수력 발전기

특허뉴스 박진석 기자 | 기사입력 2019/07/31 [18:41]

[특허로 본 유망 미래기술⑭] 소수력 발전기

특허뉴스 박진석 기자 | 입력 : 2019/07/31 [18:41]

 

▲ 방류수 소수력 발전 및 조류발전     © 특허뉴스

 

소수력 발전기는 고효율 수류터빈 설계에 관한 기술로 소수력 및 조류 발전 분야는 물론 원자력 및 화력발전소 방수로 발전장치 등에 다양하게 활용된다. IP타깃이 발행한 기술 & 시장 리포트를 기반으로 소수력 발전기 시장 및 특허 동향을 분석해 본다. <편집자>

 

소수력 발전기는?

 

소수력 및 조류 발전 등에 적용되는 소수력 발전기는 유체의 유속 및 유동방향에 대해 일정한 토크를 발생시키며 편심회전 장치를 적용해 항력의 크기에 따라 이너 가변 블레이드 각도 변환이 가능한 고효율 가변형 듀얼 블레이드 수류터빈 구조기술이다.

 

수력발전은 물의 위치에너지를 이용해 수차와 같은 유체기계에 회전력을 발생시켜 전기를 생산하는 기술로, 하천이나 수로에 댐 및 보를 설치하거나 수리시설을 활용해 전력을 생산하는 가장 일반적인 발전기술이다.

 

이러한 수력발전은 이산화탄소를 배출시키지 않는 청정에너지이며 타 신·재생에너지원에 비해 에너지 밀도가 높아 발전효율이 우수하고 발전설비가 비교적 간단해 설치 및 유지관리가 용이한 장점을 가진다. 또한 농업용수를 비롯한 상·하수도 시설, 방수로, 조력발전 등 기존 수리시설을 이용한 발전설비 및 계획이 가능한 것도 큰 장점으로 나타난다.

 

이 같은 수력발전 시스템은 대형하천, 저수지 등의 물의 유동에너지를 이용해 생산 전력 10MW이상을 발전하는 수력발전 시스템과 10MW 이하의 전력을 생산하는 소수력 발전 시스템으로 나뉘며 200kW 이하의 전력을 생산하는 초소수력 시스템으로 구분할 수 있다.

 

소수력 발전의 경우 계획, 설계, 시공 등을 포함한 공사기간이 1년 이내로 타 신재생에너지원에 비해 단기간에 에너지 생산이 가능하고 환경 친화적인 에너지이며 일부형식을 제외하고는 수차발전기의 국산화로 기존 시설물을 활용하면 초기 투자비용의 절감과 환경훼손의 최소화를 기할 수 있다.

 

또 국내 부존자원을 활용한 전력생산과 운영비가 저렴한 장점 등이 있으나 반면에 대수력이나 양수발전과 같이 첨두부하에 대한 기여도가 적고 초기 건설비 투자의 부담이 크며 발전량이 계절과 강수량에 따라 변동이 많다는 단점이 있다. 그러나 화력 및 원자력과 비교할 때 환경에 대한 영향이 거의 없는 청정에너지이고 초기의 투자비에 비해 유지관리비용이 낮으며 지역의 특성 및 개발형식에 따라 경제성을 더욱 높일 수도 있다.

 

우리나라의 경우 에너지 자원이 빈약해 96.7%를 수입에 의존하고 있는 현실에서 각 지역에 산재한 미활용 소수력 자원의 활용이 필요한 것으로 조사된다.

 

주목받는 신·재생에너지

 

소수력 발전을 위한 발전설비의 종류로는 수차(Hydraulic turbine), 발전기(Generators), 제어시스템(Control system), 개폐장치(Switch gear), 기타 보조 전기 장비(Ancillary electrical equipment) 등으로 구성되어 있다. 특히 물의 유동에너지를 기계적 에너지로 변환하는 수류터빈의 경우 효율성 향상 및 내구성 확보 측면에서 다양한 종류와 형상이 적용된 터빈구조가 적용된다. 터빈은 기존 풍력발전시스템을 비롯해 수류터빈에 이르기까지 그 형태와 종류가 다양하게 적용되고 있다.

 

선진국의 경우 1970년대에 두 차례의 석유파동 이후 정부가 수력분야의 기술개발에 집중적으로 투자해 1990년 초에 낙차와 유량에 따라 표준범위에 적합한 수차를 형식별로 표준화하고, 대량생산에 의한 수차 건설비용을 절감해 경제성을 향상시켰으며 개발가능한 자원에 대해 적극적으로 지원하고 있는 실정이다.

 

수력발전은 다른 신·재생에너지에 비해 개발 역사가 오래되었으며, 가동실적도 많고 축적된 기술력도 높은 편이다. 수력발전은 신·재생에너지원 중에서 에너지변환 효율이 가장 높으며, 지속적인 기술개발을 통해 발전효율이 3% 정도 높아질 것으로 전망된다.

 

국내 수력발전 기술개발 동향은 제1차 석유파동 이후 에너지 개발의 필요성을 절감한 정부에 의해 추진되어 1974소수력 개발 입지조사1975시범 소계곡 발전소의 연구조사 설계가 수행됐다.

 

소수력에 대한 관심은 1978년 제2차 석유파동 이후 더욱 고조되면서 1982소수력발전 개발방안을 마련해 민간자본에 의한 소수력 발전소 건설을 장려하고, 이와 병행해 소수력 개발에 수반되는 기술적인 사항에 관한 연구를 지원하기 시작했다. 1987년부터 대체에너지개발촉진법에 의거해 정부주도로 소수력 기술개발에 관한 연구를 지원해 주로 자원조사, 수차개발, 운용기술 등의 설계기술을 확보하는 실증 연구를 추진하는 등 소수력에 대한 기술개발이 진행되어 왔으며 국내 수력분야의 기술개발은 정부 주도의 연구개발을 통해 발전돼 왔다.

 

초기에는 한국에너지기술 연구원과 대양전기를 중심으로 연구과제가 수행되었으나, 점차 다양한 기관에서 수력분야 연구를 수행했다. 최근에는 저낙차 소용량의 소수력에 대한 연구와 대수력의 현대화를 겨냥해 10MW급과 50MW급에 대한 연구개발까지 다양하게 진행되고 있다.

 

소수력 발전기 특허기술 개발 동향

 

산업계는 수력 시설의 유연성, 효율성, 신뢰성을 제고하기 위한 혁신을 계속해 왔다. 제조사들은 양수 발전으로 증가하는 전력수요에 대응해 왔는데, 이는 변동성을 갖는 재생에너지 전력 비중의 증가를 반영하기 위해서이다. 특히 북미와 유럽에서는 수력의 효율성과 발전량 증대뿐만 아니라 새로운 환경규제 기준에 부합하는 수력발전 시설을 개선하려는 의지가 높아지고 있다.

 

혁신의 다른 요인은 낮은 발전단가에 대한 요구이다. 낮은 발전단가는 고효율 설비개발을 달성하는데 기여했고, 2014년 중국에 설치된 800MW 2기의 Xiangjiaba 수력발전소가 여기에 속한다. 수력분야는 기후변화 위기에 대응하며 취약성 관련 연구를 확대해 왔고, 일부 경우에서 프로젝트 설계와 운영 방식을 통합하고 있다. 유량의 잠재적 변동 예측, 홍수로 인한 댐의 안전성, 발전량 변동성 전망, 유량의 변동성 증가에 따른 터빈 최적화와 기타 설계변수 등이 이에 해당한다.

 

주요 제조사로는 알스톰(프랑스), 안드리츠 하이드로(오스트리아), 호이트하이드로(독일)를 꼽을 수 있으며, 이들 기업은 비등한 시장 점유율을 나타내고 있다. 그 외의 제조사로는 하얼빈(중국), 동방전기(중국), 파워머신(러시아) 등이 있다.

 

이런 가운데 국내 발명가가 개발한 모듈화된 소수력 발전 시스템특허는 유수로에서 취수된 물을 상부로 유입시키고, 하단의 배수구에서 배수하는 과정에서 형성되는 와류의 회전력을 이용하여 수차를 회전시킨다. 수차의 회전력을 이용해 발전기를 회전시켜 발전함으로써 유수로의 낙차가 낮은 지역에서도 효율적인 발전이 가능하다.

 

▲ 모듈화된 소수력 발전 시스템 특허 도면     © 특허뉴스

 

소수력 발전모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 물을 효율적으로 이용할 수 있으며, 취수량이 적은 지역에서도 효과적인 발전할 수 있다. 전력수용가들의 분포에 따라 적합한 설치가 가능하며, 유입된 물이 와류를 일으키면서 배수되는 과정에서 용존산소량이 증가하게 되어 수질을 개선할 수 있는 것도 장점이다.

 

리엔텍엔지니어링이 등록한 마이크로 소수력 발전장치특허는 유입구 및 배수구가 형성된 원통형의 수조본체와 수류에 의해 회전하는 임펠러, 그리고 임펠러와 결합되는 회전축과, 회전축으로부터 발생하는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기로 구성된다. 일정 높이 이하의 낙차를 가지는 수류에서 수력발전이 가능하도록 수조본체에는 둘레면에서 상호 대향되게 형성되는 한 쌍의 관통구와 둘레면의 접선방향에서 수류가 유입되는 유입구가 존재한다.

 

▲ 마이크로 소수력 발전장치 특허 도면     © 특허뉴스

 

수조본체 내에 와류가 양방향으로 균일하게 유입되어 임펠러의 회전력을 극대화시켜 발전 효율을 크게 향상시킴으로써 저유량 및 2미터 이하의 저낙차의 수류 환경에서도 경제적인 발전출력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

 

천호산업이 등록한 해양 양식단지 방류구용 친환경 소수력 발전시설특허는 해안에 인접하여 바닷물을 직접 끌어들여 사용하는 해양 양식단지에서 배출되는 고유속의 방류수를 직접 이용해 고출력의 발전을 가능할 수 있는 친환경 소수력 발전 기술이다. 해안에 인접해 바닷물을 직접 끌어들여 사용하는 해양 양식단지의 방류구에 설치되며, 물의 흐름 방향으로 시공된다. 양측에는 방류되는 바닷물의 유속을 증속시킬 수 있도록 물이 유입되는 상류쪽에서 물이 배출되는 하류쪽으로 양측 폭이 점차적으로 좁아드는 양 측벽이 구비된 발전수로가 설치된다. 발전수로 내부에는 물과 접촉해 발전터빈의 회전을 통해 전기를 생산하는 회전 발전수단과 전기를 축전하는 축전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

 

▲ 해양 양식단지 방류구용 친환경 소수력 발전시설 특허 도면     © 특허뉴스

 

소수력 발전기 시장 전망

 

 

세계 각국은 소수력 보급 확대정책을 공급측면과 수요측면, 발전설비용량과 발전량을 고려한 다양한 제도를 도입·시행하고 있다. 가장 보편적으로 시행되고 있는 시장 확대 정책의 수단으로 많은 국가에서 시행중인 기준가격 의무구매제(FIT)는 소수력의 기술개발을 촉진하고, 투자자의 관심을 유도해 지난 수년간 독일과 스페인, 덴마크에서 소수력 보급 확대에 크게 기여했다. 또한 신재생에너지 의무할당제(RPS)는 미국과 캐나다, 인도를 중심으로 확산되고 있다.

 

유럽연합(EU)은 재생에너지 개발보급 활성화 정책의 일환으로 소수력발전 개발 장려책을 실시하고 있지만, 실제 소수력 개발에는 규제나 환경 측면의 장애요인들이 남아 있는 실정이다.

 

유럽연합의 수질보전에 관한 기본법령과 재생에너지 이용 확대에 관한 법령의 상충으로 인해 개발에 어려움을 겪고 있어 소수력 발전설비용량의 증가는 미미하다. 중국은 소수력 보급률이 세계 최고이지만, 지속적으로 소수력발전소를 개발하고 있으며, 풍부한 자원량을 이용하되, 대용량보다는 소용량의 발전소라도 설치가능한 곳이라면 어디든지 설치할 수 있도록 법적, 제도적 장치를 마련하고 있다.

  • 도배방지 이미지

소수력발전기,조류발전,원자력,풍력,화력발전소,수류터빈,가변블레이드,위치에너지,신재생에너지, 관련기사목록
스페셜 기획 많이 본 기사