2.1 창조식 조력발전의 운영 개요

창조식 조력발전은 그림. 1과 같이 밀물 때 해측 수위와 조수지(潮水池) 수위와 낙차를 이용하여 발전하는 방식이다. 밀물 때 해수위는 시간에 따라 정현파 형식으로 상승하고 썰물 때 다시 같은 모양으로 하강하게 되는데 수위가 상승하는 조건에서 발전운영에 충분한 낙차가 발생하면 발전을 시작하며, 썰물이 되어 낙차가 발전 정지 낙차에 도달하게 되면 발전을 정지한다.

이러한 운영 순서에 대하여 각 모드별 수차와 수문의 동작 조건을 살펴보면 먼저 썰물 주기에서 조수지의 수위가 해수위와 같아질 때 까지 조수지를 배수하고 수차와 수문을 모두 Close하여 ①대기모드 상태를 유지한다. 이후 밀물 주기가 되어 해수위가 상승하여 수차를 회전시킬 수 있는 낙차에 도달하게 되면 수문은 Close된 상태를 유지하고, 수차는 Wicket Gate를 Open하여 해수를 조수지 쪽으로 유입시키면서 발전을 시작하게 되는데 이를 ②발전모드라 한다. 발전을 시작하면 해수가 조수지 쪽으로 유입되기 때문에 조수지 수위는 상승하며, 해측의 수위는 상승하다가 썰물이 되면 하강하게 된다. 이렇게 연속적으로 변하는 해수위와 조수지의 수위차가 발전운영 낙차가 된다. 썰물이 되어 낙차가 발전 정지 낙차에 도달하게 되면 수차의 Wicket Gate를 Close 시키고 발전을 정지한다. 그리고 조수지 배수를 위하여 해측 수위가 조수지 수위보다 낮아질 때까지 대기하게 되는데 이를 ③ 대기모드라 한다. 그리고 해측 수위가 조수지 수위 보다 낮아지는 시점에서 수문과 수차의 Wicket Gate를 모두 개방하여 조수지의 해수를 해측으로 방류하게 되는데 이를 ④ 배수모드라 한다. 이러한 순서로 조석주기에 맞추어 하루 2회씩 반복한다.

창조식 조력발전의 조석주기별 발전량은 조석의 크기 및 조수지의 용적에 의하여 결정되고 또한 발전완료 후 배수량에 의한 조수지 최종 수위도 다음 조석 주기의 발전량에 영향을 미치는 요인이 된다. 조석현상은 밀물과 썰물의 주기적 현상을 말하며, 이 때 방조제를 기준으로 해수위와 조수지의 수위차를 이용하여 발전한다. 따라서 창조식 조력발전에서 밀물 때 발전을 시작하게 되면 수차 사용수량에 의하여 조수지 수위도 상승하지만 해수위의 상승 속도가 빠르기 때문에 발전기 출력도 연속적으로 상승하게 된다. 식(1)은 수차발전기 사용수량(Q_TPP)에 대한 수치모형을 낙차 H(=H_TPP의 다항식으로 표시한 것이다. 사용수량은 낙차에 따라 변화하기 때문에 낙차를 8단계로 나누고 각 단계별 낙차의 평균 사용수량을 산출하여 각각을 Q_TPP1~Q_TPP8로 구분하였다. 정격낙차 이상에서는 유량제어를 통하여 발전기 정격출력을 유지하기 때문에 유량특성 곡선식을 정격낙차(H_R)를 중심으로 2가지 서로 다른 다항식으로 표현하였다.

마찬가지로 식(2)는 사용수량에 따른 발전기 출력에 대한 발전량을 나타낸 것으로 정격낙차(H_R) 이하에서는 낙차가 증가하게 되면 사용수량도 함께 증가하면서 발전기 출력이 증가하지만, 정격낙차 이상이 되면 발전기는 정격출력(P_max) 유지를 위하여 유량을 조절하여야 하기 때문에 정격낙차를 기준으로 2가지로 구분하였다⁽²⁾.

이러한 운영 형태에 대하여 1개월 정도 약 55주기에 대하여 조석주기별 발전량을 예측해 보면 그림. 2와 같이 나타나는데 X축은 조석주기, Y축은 예상 발전량을 표시한 것이다. 조수간만의 차가 큰 보름과 망 시기에 접근할수록 발전량이 커지다가 조수간만의 차가 작은 상현과 하현 시기로 접근하게 되면 점차적으로 줄어들게 되어 전체적으로 조수간만의 크기와 유사한 형태로 발전량이 결정되는 것을 알 수 있다.

2.2 발전개시 낙차에 따른 발전량 민감도

조석현상은 매 주기마다 크기가 다른 주기성을 가지고 있으며, 조석에너지는 저장할 수 없기 때문에 해당 조석주기에서 최대한 많은 전력량을 생산하여야 한다. 그림. 3은 현재 운영중인 시화호조력발전소를 대상으로 대조기에 대하여 발전개시낙차를 변경하면서 이에 따른 발전량 민감도를 분석한 것이다. 이 그림에서 X축은 발전개시낙차를 증가(△H)시키는 것을 나타낸 것이며, Y축인 X축의 각 낙차별 발전량(㎾h)을 표시하였다. 이를 위하여 해수위와 조수지 사이의 낙차를 최소기동낙차(H_min)에서 부터 정격낙차(H_R)까지 발전개시 낙차를(△H) 만큼 증가시키면서 E₁에서 E₄₁번까지 발전량을 측정하였는데, 조석주기별 발전량은 발전개시 낙차에 의하여 민감하게 변하는 것을 확인하였으며, 결과적으로 각 조석주기별 발전량을 최대로 생산하기 위해서는 최적의 발전개시 낙차를 결정하여야 함을 알 수 있다.

동일한 방법으로 중조기 및 소조기에 대해서도 발전개시낙차에 따른 발전량을 비교한 결과 조석 크기마다 발전을 시작하는 기동낙차에 의하여 해당 조석주기의 총 발전량이 달라지는 것을 확인하였으며, 조석 크기별 발전 개시낙차에 따른 발전량 차이를 표 1과 같이 정리할 수 있다.

2.3 새로운 조력발전기 운영 모델 정립 및 효과

조력발전의 발전개시낙차 결정을 위하여 함수를 이용한 발전개시낙차 결정 방법 보다는 발전량 비교에 의한 발전개시낙차 결정 방법이 적용의 용이성 및 효과가 높기 때문에 본 절에서는 발전량 비교에 의한 발전개시낙차 결정 방법을 바탕으로 그림. 8과 같이 운영 모델을 수립하였다. 이 모델에서는 우선 최적의 발전개시 낙차 결정을 위하여 운영에 양향을 미치는 7개 운영요소를 입력 Data로 결정하였다. 발전량에 가장 큰 영향을 미치는 조석의 크기에 대해서는 조위예측프로그램인 T-Tide를 이용하였다⁽⁴⁾. 조수지의 내용적 곡선은 수차를 통해 유입되는 물의 양에 의한 조수지의 수위 변화로 해수위와 함께 낙차가 결정되기 때문에 유량별 조수지 수위 곡선을 입력 요소로 결정하였다. 수차 및 수문 운영 댓수는 조수지의 수위변화에 의한 운영 낙차 이용 시간에 영향을 미치며 또한 설비 유지보수의 경우 운영댓수를 변경하여야 하는 경우가 발생되기 때문에 운영조건에 입력하여야 한다. 수차/수문 특성곡선은 낙차별로 수차의 효율이 다르고 수문의 개폐 시간에 의하여 배수량에 영향을 미친다. 마지막으로 조수지 주변의 환경의 변화 또는 제약사항 등은 조수지 운영 수위 제한에 영향을 미치며, 홍수시 조수지로 유입되는 수량은 조수지 수위에 영향을 미치기 때문에 이에 대해서도 고려하여야 한다. 이 운영모델에서 제시한 발전량 비교방법에 의하면 해수위가 조수지 수위보다 높고 밀물이 되는 조건에서 낙차가 최소발전개시 낙차인 2m에 도달하면 수차 통과 유량 및 수차발전기 효율과 조수지 수위 계산에 따른 낙차별 발전량을 △t 시간 간격으로 발전기 정지조건에 해당될 때 까지 각각 계산하여 합산하는 방법으로 E₁을 계산한다. 그리고 다음에는 발전개시낙차(H_s)를 0.1m 증가 시키고 동일한 방법으로 E₂를 계산한다. 이러한 방법으로 H_s를 0.1m 간격으로 증가시키면서 계산하여 발전개시낙차(H_s)가 정격낙차인 5.82m에 도달할 때까지 E_n을 계산한다. 이렇게 계산된 결과를 서로 비교하여 발전량이 가장 많은 E_max의 발전개시낙차를 해당 조석 주기에서 최적 발전개시낙차로 결정한다. 이러한 방법으로 1년간 711개 조위에 대한 시뮬레이션 결과 함수를 이용한 발전개시낙차 결정 방법에 의한 발전량인 503,049[㎿h]보다 7,691[㎿h]가 증대된 510,740[㎿h]가 됨을 확인하였다.