소수력용 튜블러수차의 최적설계 및 성능특성에 관한 연구

Abstract

국내 에너지 자원의 대외환경은 환경 오염에 대한 규제, 고유가에 따른 에너지시장의 수급불안, 세계 각국의 에너지자원 확보경쟁 심화 등의 문제로 갈수록 어려워지고 있다. 따라서 대안이 절실히 필요한 시점에서 신재생에너지의 한 분야인 수력은 국내의 자연적인 지역조건과 조화를 이루며, 부존 잠재량이 많고 특히 탄산가스를 배출하지 않는 청정에너지로서 범세계적인 환경오염 규제에 적극적으로 대비하여 지역의 분산전원에 기여할 수 있는 유용한 자원으로 평가되고 있으며, 이에 따른 국내 신재생에너지 기술개발현황은 Table. 1과 같다. [1]

1987년부터 대체에너지개발촉진법에 의거 정부주도로 소수력 기술개발에 관한 연구를 지원하여 주로 자원조사, 수차개발, 운용기술 등의 설계기술을 확보하고 국산화 기술개발을 추진하였다. 또한 1989년부터 소수력 자원조사, 2004년부터는 기존시설물을 활용한 소수력발전 지점조사를 실시하였다. 기술개발내용으로는 ‘99년까지 카프란수차 설계기술 및 국산화 개발, 튜블러 수차개발, 횡류형 수차개발을 하였으며 카프란수차 개발은 국산화율이 95% 이상이다. 수력분야에서 가장 핵심이 되는 것은 수차이며, 현재까지의 국산화율은 55% 수준에 머물러 있다.[2]

일본에서는 소수력발전에 대한 오랜 연구와 개발활동을 해 왔으며, 이미 다양한 형태의 소수력 발전을 활용하고 있다. 그 중에서도 도심 한가운데에서 수도관에 설치한 튜블러 수차는 구조적인 면에서나 실용성에서 돋보인다. Tsukamoto 등[3]은 튜블러 수차의 날개 가변에 따른 실험을 통해 수차 성능에 대해서 연구하였다. 하지만 일반적인 설계법은 일부 알려져 있지만 상용화를 위한 상세설계 및 제작과 관련한 기준자료 등은 공개되지 않고 있다. Fig. 1.1에서는 일본 동경발전에서 건설하여 운용중인 애가사키 발전소의 수차 설치 현황을 보이고 있다. Fig. 1.2는 애가사키 발전소에 공급된 수차발전기의 제작사인 후지전기에서 공개한 수차발전기에 대한 설명 자료를 보이고 있다. 한편 국내에서는 튜블러 수차의 기본 개념을 참고로 5kW급 모형실험장치 실험을 수행하였으며, 수차의 기본적인 특성에 대한 연구를 수행하였다.[4]-[7] 나아가 10m 이상의 낙차에서도 적용이 가능한 튜블러 수차의 설계를 위한 최적설계법을 제안하여, 이론적인 해석 및 CFD 해석과 실험을 통한 검토를 통하여 설계법의 신뢰성을 확보할 수 있는 계기를 마련하였다.

The world is now facing a serious energy problem. Mass consumption of fossil fuel such as oil and coal causes global warming and the environmental problems due to acid rain. To deal with this matter, the hydropower is taking attention as cleam and cool energy sources with highest density. However, suitable turbine type is not determined yet in the range of micro hydropower(less than 100kW) and it is necessary to study for the effective turbine type. By using a small hydropower generator of which main concept is based on using the different water preassure levels in pipe lines, energy which was initially wasted by use of a reducing valve at the end of the pipeline, is called by turbine in the hydropower generator. A propeller shaped hydropower has been used in order to use this renewable pressure energy.

The results are summarized as follows.

(1) Optimum design method is proposed for a small tubular type hydraulic turbine with consideration for the operation condition at the installation site circumstances.

(2) Performance characteristics of the test turbine are examined in detail for the operation characteristics of output power, head, efficiency with the variation of flow rate.