2.1 취수보(Intake weir)

청정에너지를 이용해서 전기를 생산하기 위해서는 우선 유량과 낙차의 확보가 매우 중요하다. 안정적인 유량을 얻기 위해서는 하천에 물의 취수가 가능한 보의 확보, 이로부터 물을 이동시키기 전에 모래 등 불순물을 제거할 수 있는 침전설비, 다음으로 수차까지 물이 원활하게 이동시킬 수 있는 수압관로 등이 필요하다. 낙차를 얻기 위해서는 물이 수압관을 통해 유입되는 침전지에서 수차에 유입되는 높이의 유지가 필요하다.

표 1은 수로식 발전에서 취수구에서 방수로에 흐르는 물의 흐름 방식에서 기존 사용하고 있는 것과 지하 저수조를 이용할 때 변경 가능한 방식을 비교한 것이다. 위치에너지를 얻기 위해서는 취수구와 수압관로 및 발전소와 방수로는 절대 필요한 요소이다. 그러나 침사지를 취수보 옆이나 취수보 하단의 지하에 설치하는 경우 수로나 수조의 기능을 제외하고도 수압관로에 물을 바로 보낼 수 있다. 따라서 하천의 생태계에 영향을 주지 않으면서 청정한 물의 확보가 가능하다.

취수보를 선택할 때는 다음과 같은 기준으로 선정할 필요가 있다.

∙ 하천 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 곳

∙ 하천의 홍수위 변화가 가장 적은 곳

∙ 공사로 인한 자연환경 파손이 가장 작은 곳

∙ 발전 수량의 확보가 가능한 곳

수차에 유입되는 일정 유량을 확보하기 위한 취수보는 그림 2 및 3과 같이 소하천에 콘크리트 보를 설치하고, 콘크리트의 중간에 물이 흐를 수 있도록 일정한 간격을 유지하게 한 다음에 이곳에 물이 항상 일정하게 유지될 수 있는 저수조에 해당하는 별도 공간의 지하 저수조 구조물을 만들었다. 그림 3과 같이 지하 저수조에는 이물질이 들어가지 않도록 취수보에 철제 스크린을 설치하였다.

그림 2는 취수보와 지하 저수조 공사의 구조물 모습을 나타낸 것으로서 하천의 물은 위에서 아래로 흐르도록 하고서 이 물의 일부가 그림에서 점선으로 표시한 바와 같이 취수보를 통과해서 지하 저수조로 이동하도록 구축하였다. 이 지하 저수조에서 물이 침전되도록 해서 수압관을 거쳐 수차에 물이 유입되는 구조로 구성하면 된다.

그림 2 취수보와 지하 저수조

Fig. 2 Intake weir and under water tank

그림 3은 취수보와 스크린을 나타낸 것으로서 상류에서 흐르는 물이 지중 저수조로 들어가기 전에 부유물이 걸러지도록 철제 스크린이 설치된 모습이다. 상류에서 이물질이 운반되어도 물의 흐름에 의해 스크린에 대부분 걸러지도록 설계하였으며, 실제 운전해본 결과 스크린의 간격을 적절하게 조정하면 이물질이 지하 저수조로 들어가는 경우가 거의 없었다.

그림 3 취수보와 철제 스크린

Fig. 3 Intake weir and iron screen

2.2 수압관로

위치에너지를 운동에너지로 변환하기 전에 사용하는 수압관로는 물을 수차에 공급하는데 사용하는 것이다. 이 수압관로는 시설에 따라 긴 파이프 또는 긴 채널 형태를 가질 수 있다. 최근에는 철제 파이프 형태의 펜스톡을 대신하여 폴리에틸렌 파이프(PE)를 주로 이용하고 있다. PE를 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.

∙ 높은 유연성을 가지고 있어 설치가 쉽다.

∙ 지하 설치에도 토질의 운동에 영향을 받지 않고, 깨질 우려가 낮다.

∙ 높은 내충격성과 급속한 균열 전파 저항이 있다.

∙ 안쪽의 거칠기가 작으므로 프로젝트 설계에서 직경의 선택에 유리하다.

∙ 접합에 따른 추가 비용이 낮다.

∙ 토양의 구조에 포함된 연마 효과의 원인이 되는 유해 물질의 영향을 받지 않는다.

∙ 물 냄새와 맛을 바꾸지 않는다.

∙ 수명이 길다.

∙ 식물과 나무뿌리 등이 파이프 내부에 침투가 어렵다.

PE는 단일 피스 길이가 길어 수압손실을 최소화하고, 더 적은 접합이 가능하며, 짧은 시간에 라인의 설치가 가능한 장점을 갖고 있다. PE 파이프 선택에서는 양정을 고려하여 사이즈를 신중하게 선택해야 한다. 이것은 사이즈에 따라 최소 요구 강도(MRS ; Minimum Required Strength)가 달라지기 때문이다. 따라서 설치하고자 하는 곳의 양정을 고려하여 제작사의 규격을 참조하여 선택하면 된다.

펜스톡으로 사용될 PE의 단면적(A)이나 직경(D)은 유량(Q)의 공식으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서 $v$는 수압관 내의 평균유속이다.

펜스톡을 매설하는 방법에 따라 공사비 및 유지관리비에 차이가 날 수 있다. 펜 스톡은 땅에 매설하지 않고 개방 형태로 설치하는 경우 유지관리는 편하지만, 토지의 보상 등이 민원이 문제가 될 수 있다. 지중에 매설하는 경우 외관상 깨끗한데다 적정한 길이마다 점검구를 두면 유지보수의 어려움을 해결할 수 있다. 그림 4는 PE 펜스톡을 도로상에 설치하기 위해 터파기를 한 모습을 나타낸 것이고, 그림 5는 PE관을 열 접합을 통해 연결하는 모습이다. PE관의 열 접합을 통해 도로를 따라 땅에 묻으면 된다.

그림 4 수압관의 도로 매설

Fig. 4 Road buried of hydraulic pipe

그림 5 PE 관 열 접합

Fig. 5 PE pipe thermal bonding

2.3 수차

물의 흐름이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 곳이라면 어디에서라도 수력 에너지를 얻을 수 있다. 수두 또는 양정으로 알려진 물의 수직 낙하는 수력발전에 필수 불가결한 요소이다. 일반적으로 더 많은 유량보다는 더 큰 양정을 갖는 것이 장비를 작게 하여 유지보수를 쉽게 할 수 있다. 수압관을 거쳐 발전에 이용한 물은 다시 하천으로 방류하여 하천의 유지용수로 역할을 다할 수 있다.

수력발전설비에서 핵심 요소는 수차와 발전기이다. 물이 가지고 있는 위치에너지를 운동에너지로 변환하기 위해서는 수차의 형식 결정이 매우 중요하다. 수차는 크게 충동형(impulse sype)과 반동형(reaction type)으로 구분한다^[1,2]. 충동형은 수차를 통과한 물의 흐름이 대기압을 받게 되는 낙차가 큰 곳에 효율적이고, 반동형은 물의 흐름 속도보다는 압력에 의해 작용하는 방식으로 낙차가 낮은 곳에 유리하다. 표 2는 수차의 종류와 효율 범위를 구분한 것이다.

그림 6 유량-낙차를 고려한 터빈 적용 표

Fig. 6 Turbine application chart according to discharge and head

그림 6은 유량과 낙차에 따라 미니 및 마이크로급 수력에 적용되는 수차 터빈의 종류를 나타낸 것이다^[3]. 유량이 풍부하고 낙차가 적은 곳에서는 프로펠러 수차나 카플란 수차의 적용이 가능하고, 유량은 적지만, 낙차가 큰 경우에는 펠턴 수차나 튜고 수차의 적용이 적합하다. 유량이 1[cms] 이내이고, 낙차가 50[m] 이하에서는 크로스 플로 수차가 적합하고, 유량이 1 ~ 5[cms]이고, 낙차가 50[m]를 넘는 경우는 프란시스 수차가 적합한 것을 알 수 있다.

유량과 낙차의 값이 정해진 경우 수차 및 발전기의 용량과 형식을 선정해야 한다. 이때 유량이 항상 일정한지 아니면 계절의 변화에 따라 달라지는 경우 수차의 신중한 선택이 필요하다. 그림 7은 지중 취수보에서 확보된 물을 PE관 펜스톡을 거쳐 방류구를 통해 하천에 보낼 때 발생하는 에너지를 횡류식 수차를 이용하여 45㎾ 2대를 설치한 발전소의 내부 모습이다.

그림 7 수차 발전기

Fig. 7 Water turbine generator

수차는 수압을 기계적인 축동력으로 변환하여 발전기를 회전시키는데 사용한다. 발전기로 생산된 전력은 초당 변환된 에너지로 동작한 일의 비율로 와트로 측정한다. 수력발전기를 설치해서 얻을 수 있는 전력의 개략적인 크기는 수차와 발전기의 효율을 고려하여 식 (3)과 같이 유량과 양정의 곱에 비례한다.

마이크로급 수차발전기의 출력은 중·대형에 비해 수차나 발전기의 효율이 크게 높지 않아 위의 식 (3)과 같이 개략적으로 산출할 수 있다. 이 수식은 제작사로부터 수차와 발전기의 효율을 알지 못하는 경우 수차발전기의 출력을 알고자 할 때 많이 사용된다. 발전을 통해 정확한 전력의 산출을 위해서는 수차의 효율과 발전기의 효율과 역률 등에 대해서는 설계할 때 미리 파악할 필요가 있다.

2.4 발전기

수차의 축에서 발생하는 기계적인 힘은 다음 식 (4)와 같이 구할 수 있다.

여기서 $\rho$ 는 물의 밀도이고, $\eta$ 는 변환된 에너지의 효율 퍼센트이며, $g$ 는 중력가속도로 9.807이고, $H$ 는 높낮이 차인 양정 또는 터빈 전체의 압력 차이며, $Q$ 는 유량으로 단위 시간당 물의 흐름을 나타내고 있다.

실제 수차의 효율과 발전기의 효율을 알고 있는 경우 수차발전기의 출력은 다음 식 (5)와 같이 구하면 된다.

여기서, $\eta_{t},\: \eta_{g}$는 각각 수차와 발전기의 효율이다.

수차발전기로 사용되는 발전기로는 동기발전기와 유도발전기가 있다^[4,5]. 동기발전기는 계통과는 격리된 장소나 발전출력이 큰 곳에 주로 적용되고 있고, 유도발전기는 계통과 연계가 쉽고, 발전출력이 낮은 곳에 많이 적용하고 있다. 또한 동기발전기는 유도발전기에 대해 신뢰도가 높지만, 초기 투자비가 높은 데다 유지보수가 높은 편이다^[7-9]. 이들 두 발전기의 특징은 표 2와 같다.

미니급이나 마이크로급 수력발전소에서는 주로 설비 구축의 편의성과 유지보수 측면을 고려하여 동기발전기보다는 유도발전기를 많이 사용한다[7,8,9]. 유도발전기에도 회전자의 형상에 따라 농형(squirrel cage type)과 권선형(wound rotor type)으로 분류할 수 있다. 권선형은 회전자의 속도 조절이 가능하여 풍력발전 등에 사용하고 있고, 마이크로 수력과 같이 계통 연계형에는 구조가 간단하고, 유지보수가 쉬운 농형을 많이 사용한다.

2.5 변압기

수차발전기를 통해 확보된 전력을 계통을 통해 수용가로 전송하게 된다. 이때 중요한 부분은 발전기에 대응하는 변압기의 용량 산정이 중요하다. 동기발전기를 선택하는 경우 변압기의 용량은 발전기의 용량보다 조금 더 큰 용량에 해당하는 정격을 사용하면 되지만, 유도발전기를 선택하는 경우 동기속도 이상으로 운전하여 계통에 연결할 때 돌입전류에 의한 전압강하의 영향 때문에 변압기의 용량선정에 주의해야 한다^[10]. 돌입전류에 의한 전압강하의 비율을 줄이기 위해서는 발전기 출력에 대해 변압기의 용량을 증가하면 된다. 그러나 변압기의 용량을 높이면 초기 투자비가 커지고, 사용하면서 발생하는 무부하손 등을 고려해서 신중하게 용량을 산정해야 한다. 발전기 용량에 대해 약간 큰 변압기를 선정하고서 리액터 기동이나 소프트 스타터 기동 방식을 적용하여 전압강하를 줄이기도 한다.