[ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 [ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 Jouna of h Koan Soa Engy Soy Vo, No 2, 21 IS S N 1 5 9 8-6 4 1 1 hp://dxdoog/1786/k21278 하수처리수를이용한소수력발전소설계및성능예측 이철형 *, 박완순 *, 김원경 *, 김정연 *, 채규정 * * 한국에너지기술연구원 (hg@kk,pwn@kk) ** 한라건설 ( 주 ) 기술연구소 (kmwk@haaok,mao@haaok) *** 코오롱글로벌 ( 주 )R&BD 센터환경기술연구소 (kj@koonom) Dgn and Pfoman Pdon of Sma Hydopow Pan Ung Td Effun n Ww Tmn Pan L,Chu-Hyung*,Pak,Wan-Soon*,Km,Won-Kyoung*,Km,Jong-Yon*, Cha,Kyu-Jung * *KoaInuofEngyRah(hg@kk,pwn@kk) **R&D Cn,HaaE&C(kmwk@haaok,mao@haaok) ***EnvonmnaThnoogyRahLab,R&BD Cn,KoonGobaCop(kj@koonom) Ab A mhodoogyopdhoupupfomanofmahydopowpanungdfunnw wmnpanhabnuddexngwwmnpanodnkyungg-dowd andhoupupfomanhafohpanwanayzdbadonhmoddvopdnh udy,hhydoogpfomanhafoshphavbnanayzdthuhow hhfow duonhaofmahydopowpanfowwmnpanhavqudfnompad whmahydopowpanfohvaau,wafoundhhdvopdmodnhudyan budoanayzhoupuhafomahydopownwwmnpanaddonay, pmaydgnpfonuhadgnfow,apy,oponaandannuaypoduon wmdanddudiwafoundhhmoddvopdnhudyanbudoddh dgnpfomanofmahydopowpanfowwmnpanfvy Kywod:Wwmnpan( 하수처리장 ),Smahydopowpan( 소수력발전소 ),Dgnpfoman ( 설계성능 ),Inadapy( 시설용량 ),Annuaopona( 연간가동율 ) ubmd:21115, judgmnd:21127, pubonddd:2141 ommunonauho:l,chu-hyung(hg@kk) 78 한국태양에너지학회논문집 Vo, No 2, 21
하수처리수를이용한소수력발전소설계및성능예측 / 이철형외 기호설명 :Inadapy( ) :Fow duonfunon :Annuadypoduon( ) :Cumuvdnyfunon :Gavonaaon( ) :Had( ) :Efvhad( ) :Loadfo(%) :Powpunm( ) :Hydopow( ) :PaaPow( ) :Rdpow( ) :Fow( ) :Dgnfow( ) 으며 (), 향후하수처리장에널리보급될수있는청정에너지원이라고할수있다 본연구에서는경기도용인시에위치한기흥레스피아하수처리장을대상으로수행된소수력발전에대해분석하였다 2 소수력발전의출력특성하수처리장의처리수를이용한소수력발전은월류댐을갖는일반소수력발전과마찬가지로유량과낙차로부터에너지를추출한다 g 1은월류댐을갖는소수력발전소의경우, 단위낙차, 단위시간당, 유량변화에대한출력의변화를나타내는그림이다 순수한소수력에너지 P 는유량변화에따라선형적으로변하게되지만소수력발전소의출력 P a 는발전소의설계유량이존재하기때문에특성이바뀌게된다 (4) :Wdny( ) :Efny 1 서론문명의발달과인간의생활이윤택해짐에따라산업체와개인별사용하는물의양이증가함에따라하수의양도증가하고있다 최근하수처리량의증가로인해하수처리장에서사용하는에너지의중요성이재인식되고있다 에너지다소비원인하수처리시설은기후협약에따른온실가스저감시설로서의그역할이증대되고있다 환경부는 하수처리시설에너지자립화계획 을통해 215 년까지에너지자립율 18% 를목표로하고있으며 (1), 이를위해서는미활용에너지를이용한능동적에너지생산이필요하다 그중소수력발전은공급안정성이우수하고장기적으로보면발전가격이안정적이다 (2) 특히소수력발전은일정한처리수가방류되는하수처리장에적용되었을때그가동율은하천에설치되는소수력발전소에비하여매우높다고알려져있 P, kw P Pa P1 P2 g1oupuhaofmahydopowpan 소수력발전소의출력은설계유량이하에서는유량변화에따라거의선형적으로변하게되지만, 발전설비의효율로인하여순수한소수력에너지보다항상적은값을갖는다 또한설계유량이상에서는설계유량에해당하는유량만을사용하고이를초과하는유량은월류시켜방류하기때문에출력은일정하게유지된다 소수력발전소에서의단위시간당생산되는평균발전량 P a 를구하면다음과같다 Q Jouna of h Koan Soa Engy Soy Vo, No 2, 21 79
[ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 (1) 소수력발전소의설비용량 C, 연평균가동율 L f 그리고연간발전량 E a 는다음과같다 (2) () g2 는연도별일하수처리량의변화를보여준다 일하수처리량은연도별로도변화가심하며, 계절적인영향을많이받는것으로나타났다 g 은 g2 의자료를일별로산술평균하여표시한것이다 g 을통하여일하수처리량은여름철에크게증가하는것을알수있다 (4) 2 결과및검토 16 21 211 본연구에서분석대상으로선정한기흥레 스피아하수처리장은일처리량이 5, m으 로설계되어있다 Q, m /day 6, 5, 4,, 2, 27 28 29 21 211 Q, m /hou 12 8 4 6 9 12 15 18 21 24 Hou g4vaonofhouydfunwfoya 5 1, 4 7 146 219 292 65 Day g2vaonofdaydfunwfoya 2 6, 1 Q, m /day 5, 4,, 2, 1, 7 146 219 292 65 Day gvaonofavagdaydfunw 6 9 12 15 18 21 24 Hou g5vaonofavaghouydfunw g4 는기흥레스피아하수처리장의시간대별하수처리량의변화를보여준다 21 년과 211 년도의동일한날을대상으로분석한결과, 하루중시간대별하수처리량의변화는매우비슷한경향을갖는다는것을알수있 8 한국태양에너지학회논문집 Vo, No 2, 21
하수처리수를이용한소수력발전소설계및성능예측 / 이철형외 다 오후 12 시를기점으로오전 6 시경까지는 하수처리량이감소하고 9 시경정도까지는증 가하며, 이후에는비교적일정하게유지된다 g5 는 g4 의시간당하수처리량을산 술평균하여시간대별로초당유량으로표시 한것이다 F(Q) 1 8 6 4 2 1 2 4 5 6 7 g6cumuvdnyhaofdfun w 7 6 5 4 2 1 2 4 6 8 1 T, % g7fowduonhaofwwmn pan 하수처리장에서처리되는하수처리수의방 류량자료를이용하여누적밀도함수 F(Q) 를 얻을수있다 g6 은 g2 의방류량자료 를초당유량으로환산하고등급별로구분하 여크기별로누적시킨누적밀도분포를나타 내는그림이다 하수처리장의방류량특성을나타내는유량지속특성은 D(Q)=1-F(Q) 의관계를가지므로하수처리장의유량지속특성을산정할수있다 (5) g7 은기흥레스피아하수처리장의유량지속곡선을나타낸다 하수처리수를이용한소수력발전소를계획하기위해서는처리수의단기변화와장기변화를모두고려하여야한다 단기변화는하루중시간대별유량변화이며, 장기변화는연간유량지속특성을의미한다 (6) 하수처리수를이용한소수력발전은하천에서의소수력발전과는다르게설계되어야한다 하천에건설되는소수력발전소는발전소용량이크고계절적, 또는강우상태에따라유량변화가크기때문에여려대의수차발전기를채택하여유량변화에대응한다 이에비하여하수처리장에건설되는대부분의소수력발전소는용량이작기때문에여러대의수차발전기를구비하지못하고수차발전기한대가유량변화에능동적으로대응하여야한다 기흥레스피아의경우, 유량변화에대응할수있는수차로는피치조절형프로펠러수차가적합하다 g8 은설계유량의변화에따른연평균가동율, 설비용량및연간발전량의변화를나타내는그림이다 이때발전소의총효율은 75 로가정하였고, 낙차는단위유효낙차를적용하였다 소수력발전소의설비용량은설계유량변화에따라선형적으로변하게된다 연평균가동율은설계유량이증가할수록감소하며, 설계유량이작은영역에서는서서히, 큰영역에서는급히감소하게된다 이러한현상은일반하천에건설되는소수력발전소의성능특성과는전혀다른현상으로, 하수처리장의유량지속특성이하천과는크게다르기때문에나타나는현상이다 (7) 연간발전량은설계유량이증가함에따라증가하게되며, 설계유량이점차커지면증가율이서서히둔화된다 이러한현상은설계유량이커짐에따라설비용량은 Jouna of h Koan Soa Engy Soy Vo, No 2, 21 81
[ 논문]한국태양에너지학회 논문집 선형적으로 증가하지만 연평균가동율이 점차 감소하기 때문이다 1 Lf C Ea Lf, % 8 15 6 1 4 C, kw, Ea, MWh 2 g9ma u dhadd ha g 5 2 1 2 4 6 Q, m/ g8 Va on of apa y, oad f a oand annua yp odu onw hd gnf ow 기흥레스피아 하수처리장의 경우,설계유 량을 5 m/ 으로 선정하면,설비가동율은 7 4%이며,연간발전량은 16 6 MWh로 산정 된다 하수처리장의 소수력발전 가능성을 검토하 기 위해서는 하수처리장의 본래의 목적인 하 수처리공정에 지장을 초래하지 않고 계획된 하수처리량을 원활히 방류시키면서 소수력발 전이 가능할 수 있도록 기술적인 특성분석이 필요하다또한 이를 통하여 각 하수처리장에 적합한 발전규모,발전소의 연평균가동율 및 연간발전량 등을 예측하여야 한다 g9는 기흥레스피아 하수처리장의 방류 구에서 낙차를 산정하기 위해 측량한 결과를 보여준다방류구의 표고는 94 4 4m이며 방 류수면의 표고는 89 91 2m로 사용할 수 있는 총낙차는 4 6 19m로 산정되었다사용낙차를 증가시키기 위하여 방류구의 높이를 인위적 으로 높이는 것을 검토하였으나,이럴 경우 방류구 전단의 처리공정에서 문제가 발생되 는 것으로 판명되어 방류구의 낙차를 현상태 로 유지하여 자연적인 낙차만을 이용하는 방 안을 채택하였다 82 g1 Pho og aphofd ha g g1 은 방류구의 사진으로 방류된 물은 신갈천으로 합류하게 된다방류구 주변의 지 형과 시설물이 일반적인 소수력발전소를 건 설하기 어려운 여건이라 수압관을 지상에 노 출되도록 구상하였다또한 방류구 주변의 시 설물들을 보전하고 발전소를 건설하기 위하 여 사이폰 형상의 수압관을 갖는 댐-수로식 소수력발전소의 형태를 택하였다 Tab 1Summa y ofd gn p f o man of ma hy d opowf owa w mnp an Sp f on D gnf ow,q Ef f vh ad,h I n a d apa y,c Annua yp o d u o n,ea Annua oadf a o,lf Con n 5 m/ 4 m 11 kw 71 MWh 74% 한국태양에너지학회 논문집 Vo, No 2, 21
하수처리수를이용한소수력발전소설계및성능예측 / 이철형외 4 결론본연구를통하여하수처리장의처리수를이용한소수력발전의성능특성을예측하는방법이제시되었다 개발된모델은하수처리장의방류수를이용한소수력발전소의성능특성을잘표현하여준다는것이밝혀졌다 하수처리수는비교적일정한방류량을가졌다고알려져있으나, 시간별, 일별, 계절별변화가심하였다 하수처리수를이용한소수력발전소의경우, 단기적인유량변화, 즉하루중시간대별유량변화를고려하여사용되는수차발전기를선정하여야하며, 장기적인유량변화, 즉유량지속곡선을통한설계유량산정이필요하다 하수처리수를이용한소수력발전은일반하천에서의소수력발전소의가동율이 4% 전후로결정되는것에비하여연간가동율 7% 중반으로산정되어, 에너지회수율이크기때문에하수처리장의에너지자립화에크게기여할것으로판단된다 또한본연구에서제시된모델은하수처리장방류수를이용한소수력발전소의설계시소수력발전시스템의신뢰성을향상시킬수있을것으로사려된다 4Pak,WS,L,CH,andJong,SM, "AnAnayofPfomanCha fosmahydopowpan",kwra, Vo2,No1,21 5Pak,WS,L,CH,"ThSudyof PfomanPdonMhodfoSma HydoPowS",KWRA, 2 6Pak,W S,L,CH,"Hydoog PfomanChaVaonof SmaSa Hydo Pow Pan wh VaonofInfow",KWRA,Vo4,No4, 21 7Pak,W S,L,CH,"Hydoog Pfoman Cha of Sma HydoPowRoufoRvSym", KSES,Vo,N2,21 사사본연구는환경부 글로벌탑환경기술개발사업 으로지원받은과제임 ( 과제번호 :GT-11-B-1-1-) 참고문헌 1Mny ofenvonmn, Engy Sf SuppongPanofWWTmn Pan,21 2KoaEngy ManagmnCop,Nw andrnwabengycn, Nw and Rnwab Engy R&D Sgy 2 S: Sma Hydopow,Bookh, 28 CHL,WSPak, FabySudy ofsmahydopowfoww TmnPan,KoaInuofEngy Rah,Rpo,2 Jouna of h Koan Soa Engy Soy Vo, No 2, 21 8