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1. 서 론

최근 지구온난화나 화석연료의 고갈에 대한 대책이 필요한 가운데 환경에 악영향이 적은 재생에너지를 개발하기 위한 각국의 관심이 높아지고 있으며, 해양에 존재하는 에너지원을 바탕으로 해양에너지 개발을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

또한 기후변화 및 에너지 수요 증가로 인한 수급 불안 문제에 직면하면서 신·재생에너지 개발의 필요성이 높아지고 있다. 특히 최근에는 국가적으로 원전에 대한 의존도를 낮추고 있는 실정이며, 해상풍력, 태양광 등 친환경 해양에너지 개발을 통해 국가 에너지 안보 강화 및 신산업 창출을 위한 노력이 지속적으로 추진되고 있다.

2021년 국내 총발전량 611,015 GWh 중 신·재생에너지 발전량은 50,657 GWh로 8.29%에 해당하며, 이 중 재생에너지 발전비중은 2020년 6.41%에서 2021년 7.15%로 0.74% 증가하였다. 해양에너지는 국내 신·재생에너지 발전량 중 극히 작은 비중을 차지하고 있으며, 2020년 1.0%에서 2021년 0.8%로 비중이 더 감소하였다(MOTIE and KNREC, 2021). 그 원인으로 현재까지 2011년 준공하여 전력을 공급 중인 시화 조력발전이 유일하게 해양에너지 전력 공급에 기여하고 있으며 그 외 다른 해양에너지원이 존재하지 않기 때문이다. 따라서 새로운 해양에너지원의 개발이 필요한 시점이다.

Lee(1992)는 조력발전을 포함한 수력발전 기술에 대하여 소개한 바 있다. 한편 삼면이 바다인 우리나라의 경우, 각 해역별로 풍부한 조력, 조류, 파력에너지를 보유하고 있으며, 국내 서해안 지역은 지형적인 영향으로 큰 조차가 발생하고 있어 세계적인 조력발전 후보지로 평가받고 있다. 우리나라의 서해안 중부, 경기만 일대는 조력에너지 개발 적지로 경제성 확보가 가능한 조력에너지가 약 2,400 MW 정도로 추정된다(Lee, 2005; Oh et al., 2007). Jeong et al.(2008)은 조력발전시스템에 대한 검토를 위하여 소규모 수조를 제작하고 시간에 따른 수위의 변화를 관측한 후 이를 이론적인 계산값과 비교하였다. Park and Youn(2017)은 기존의 방조제 방식이 가지는 환경영향을 최소화한 신형 조력발전 기술인 Dynamic Tidal Power를 서해안 조력발전 후보지에 적용하고 가능성을 분석하였다. 한편, Lee et al.(2019)은 시화호 조력발전소의 운영경험과 데이터를 기반으로 개발한 양방향 조력발전 운영 프로그램을 개발하였다.

Frid et al.(2012)은 조력발전용 방조제 건설에 따른 생태계 변화, 재생산에 대한 직접 영향 그리고 수괴 및 수문학에 미치는 영향 등을 소개하였다. 우리나라는 2011년 시화 조력발전소 준공 이후, 가로림만, 인천만, 강화, 아산만 그리고 새만금 등에 조력발전소 건설을 추진하였으나 대규모 방조제 조성에 따른 막대한 건설비용, 해양 환경의 변화 문제 등으로 중단된 상태이다. 즉, 이러한 환경변화 문제와 고가의 방조제 건설비용이 조력에너지 개발에 대한 가장 많은 논란과 우려의 대상이 되고 있다. 우리나라에는 1,682지구 2,012개소에 약 1,168.6 km 연장의 방조제가 이미 건설되어 있다. (MAFRA and KRC, 2022). 기존의 방조제 운영시 기본적인 용도 또는 생태학적으로 친환경적인 흐름에서 발생하는 유량을 이용한 조력발전이 가능하다. 이 경우 유입수와 유출수를 연결시키는 수로의 조성 방법과 이러한 수로내에 수차 설치 방법 등이 중요한 요소가 된다. 기존 방조제 하부에 수로가 설치되어 있는 경우, Fig. 1과 같이 기존의 조력발전 방식으로 수차 및 발전기를 설치하여 발전을 할 수 있다(ESHA, 2004).

Figure 1.

Low head scheme using an existing dam bottom outlet (ESHA, 2004).

방조제의 천단고가 높지 않은 경우, Fig. 2와 같이 사이펀을 사용하여 발전이 가능하며, 이 경우 수두 차 10 m, 설비 용량 1 MW의 발전시설이 가능하다(ESHA, 2004). 본 연구에서는 방조제를 활용한 조력발전시 발생하는 고가 건설비용 및 환경비용 문제를 절감하기 위하여 방조제가 이미 설치되어 있는 해역에 적용가능한 조력발전 장치의 개발 및 성능 검증을 위하여 현장실험을 실시하였다. 이러한 목적을 위하여 수차 및 수문 케이슨을 활용하는 기존 조력발전 방식을 대신한 사이펀을 활용한 조력발전 계획을 고려하여 관로, 만곡부, 밸브 등을 사용하여 실험설비를 제작하였다.

Figure 2.

Low head scheme - siphon intake (ESHA, 2004).

2. 지배방정식

2.1 에너지 방정식

Fig. 3과 같이 두 수조 A, B를 하나의 관수로를 이용하여 연결하면 물은 높은 수조에서 낮은 수조로 흐르게 된다.

Figure 3.

Connection with a pipe for two water tanks.

이때 물이 가진 에너지는 수차를 회전시키고 수차에 연결된 발전기에 전달되어 전기에너지로 변환하게 된다. Fig. 3.에서 양수조의 수면차를 H, 관의 입구와 출구의 기준수평면으로부터의 높이와 수심을 각각 z₁, z₂ 및 h₁, h₂라고 하면 양수조 사이에 에너지 방정식을 적용하면 다음과 같이 표현된다(Esposito, 1998).

(1) p1γ+h1+z1+V122g=p2γ+h2+z2+V22+2g+ht+hf+∑hm

여기서, p는 압력, γ는 물의 단위중량(비중량), g는 중력 가속도, V는 물의 유속, h_t는 터빈에 의한 수두 손실(turbine head loss), h_f는 관내에서 발생하는 마찰에 의한 수두 손실, ∑h_m는 형상변화에 의하여 발생하는 미소 수두손실의 총합이다. 수두 손실은 다음 절에서 설명하였다. 고수조 A와 저수조 B는 대기압에 접해있고 양 수조내의 유속을 0이라고 하면, 위 식은 다음과 같이 된다.

(2) h1+z1=h2+z2+ht+hf+∑hmHe=h1+z1-h2+z2-hf-∑hm=H-hf-∑hm

일정한 유량 Q를 계속적으로 송수하게 되면 물은 계속적으로 일을 하게 되는데, 이 때 단위시간에 하는 일이 일률(power)이 된다. 유체에 의한 일률(E_t, hydraulic power, fluid power)은 다음과 같다(Ahn, 1995; IEC 60041, 1991; IEC 60193, 2019; ESHA, 2004).

(3) Et=γQH-hf-∑hm=γQHe

여기서, H_e 는 유효 수두 또는 유효 낙차(effective head)이며 일률은 양수조의 수면차인 H에서 마찰 및 형상변화에 의하여 발생하는 손실수두를 뺀 값인 H_e 에 비례한다. 전기 일률(E_e, Electrical power)과 유체에 의한 일률(E_t)은 다음과 같은 식으로 표현된다(IEC 60041, 1991; IEC 60193, 2019).

(4) Ee=ηtηgEt=ηtotEt

여기서, η_t는 수차 효율, η_g는 발전기 효율, η_tot는 전체 효율(total efficiency)이다.

3. 실험 장치

현장실험은 충청남도 논산시 소재의 금성 E&C 공장 야외에 설치된 수력성능 시험장을 개조하여 사용하였으며, 그 형상은 Fig. 4에, 수류 계통도는 Fig. 5에 각각 제시하였다. 금성 E&C 수력성능 시험장에서는 과거에 이와 유사한 실험을 진행한 바 있다(MOLIT, 2019).

Figure 4.

View of tidal power performance test site.

Figure 5.

Schematic diagram of water flow system.

관측 항목은 관수로의 유속, 좌·우측 수조의 수위 그리고 일률이며, 계측 지점위치는 Fig. 5에 도시하였다. 여기서, , 는 고수위 및 저수위, 는 유속, 그리고 는 일률 측정 지점을 각각 나타낸다. 본 실험에 사용한 측정 장비들의 사양은 Table 1과 같다.

Table 1.

List of measuring equipments

현장실험에 사용한 프로펠러형 유속계는 흐름의 방향으로 바르게 향하지 않으면 유속을 정확히 측정할 수 없고, 날개 모양의 형태가 조금 변하면 검정에 따라 구해진 계수가 비교적 큰 폭으로 변하므로 취급에 주의가 필요하다. 또 평판부의 것이라도 날개수가 적으면 변형의 영향이 크다(KICT, 1998).

현장실험에 사용한 수차 및 발전기의 사양은 Table 2와 같다.

Table 2.

Specifications of hydraulic turbine generator

본 실험에 사용한 장비의 마찰 및 형상손실 계산치는 각각 Table 3, 4와 같다. 본 연구에서는 n 값으로 0.014(주철관), 관로 직경 D = 0.5 m를 사용하였다. 마찰에 의한 수두손실에 비하여 미소 수두손실이 큰 이유는 전체 관길이는 8.92 m로 짧은 반면, 만곡부 및 밸브 손실 등이 상대적으로 크기 때문이다.

Table 3.

List of the friction loss coefficients

Table 4.

List of the minor loss coefficients

4. 실험 및 결과 분석

실험설비는 하부의 수조탱크에 저장되어있는 물을 상부의 탱크로 이송하여 임의로 낙차를 조성하고 수차를 설치하여 가동시키면서 실험하는 설비로 구성되어 있다. 타워형의 실험 설비는 운영중 유속, 유량과 수위를 측정하였고, 발전 출력은 30 kW 용량의 부하기(Electronic load bank)를 사용하여 소멸시켜가면서 조력설비 출력성능을 측정하였다.

실험은 고수조에 물을 채운후 밸브를 개방하여 저수조로 물을 보내면서 실험을 수행하되, 고수조는 초기 수위를 변화시키고, 저수조는 초기 수위를 위어(weir)의 정점에 고정시키고 실험을 수행하였다. 이때 유량 조절을 위하여 밸브의 개방율을 조절하였고, 개방율은 50%, 55%, 60% 총 3가지 경우로 제한하였다. 또한 발전 유량 확보를 위하여 펌프를 이용하여 저수조의 유량을 고수조로 회류시키면서 추가 실험을 진행하여 시간 변화에 따른 고수조 및 저수조의 수위, 관내 유속, 관내 압력 등을 측정하였다. 실험 Case는 Table 5에 정리한 바와 같이 총 5종류에 대하여 수행하였다.

Table 5.

Experimental cases

본 실험에서는 밸브를 사용하여 유량 조절을 하므로, 이러한 밸브 작동으로 인하여 관수로내 난류 발생 및 공기 유입 등으로 관측치의 변화가 심하다. 1/10초 간격으로 측정을 수행하였으며, 유속 및 일률 관측자료는 10초 간격으로 중심화 이동평균(moving average)하여 정리하였다. 이처럼 중심화 이동평균을 수행한 이유는 프로펠러 유속계를 이용하여 짧은 관측 간격으로 실험을 한 결과 유속 및 일률 관측치의 변동이 심하기 때문이다. 중심화 이동평균치와 관측치의 잔차에 대한 평균오차(Mean Error; ME), 제곱평균제곱근오차(Roor Mean Square Error; RMSE)와 Percent Mean Absolute Relative Error(PMARE)를 산정한 결과는 Table 6에 정리하였다. PMARE는 3~3.4%로 Ali and Abustan(2014)가 제안한 우수(excellent) 영역에 해당한다.

Table 6.

Statistical and efficiency based indicators for accuracy of errors

5종류의 실험에 대하여 시간별 수위 변화의 관측치, 유속, 발전량, 발전효율 분석결과를 Fig. 6~Fig. 10에 도시하였다.

Figure 6.

Plots of results for Case p1.

Figure 7.

Plots of results for Case p2.

Figure 8.

Plots of results for Case p2.

Figure 9.

Plots of results for Case p4.

Figure 10.

Plots of results for Case p5.

전술한 5가지 경우에 대하여 현장실험을 통하여 관측된 발전량과 이론 수리학적 발전량, 그리고 효율을 정리한 도시한 결과는 Fig. 11과 같다.

Figure 11.

Plots of measured, hydraulic power and efficiency for 5 Cases.

5. 결론 및 토의

발전기의 운동특성은 정격출력(Rated output)에 도달하기까지 Ramp up 구간, 정격 출력되는 정상상태(유효전력) 구간, 그리고 발전 정지에 의한 Ramp down 구간으로 나누어져 있다. 이러한 경향은 5종류의 실험결과를 도시한 Fig. 6~Fig. 11에 잘 나타나 있으며, Ramp up/down 구간 전력은 무효전력구간이므로 분석에서 제외하고, 정상상태 구간의 값을 통계분석하여 Table 7에 정리하였다.

Table 7.

Statistical data of operation time, power and efficiency for 5 Cases

결과를 종합분석한 결과, Case p5의 경우, 밸브 개폐율이 60%로 가장 크고, 초기 수위차도 가장 크며, 펌프를 가동하여, 비교적 장시간 동안 물을 순환하면서 관측을 수행하여 관측 발전량 및 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 이는 식 (3)과 (4) 예측 식과도 부합하는 결과이다.

이미 건설된 방조제가 설치되어 있는 해역에 적용가능한 조력발전 장치의 개발 및 성능 검증을 위하여 관수로를 이용한 5종류의 현장실험을 실시한 결과, 10 kW 이상의 발전출력과 발전효율 60% 이상이 가능한 발전시스템 개발 가능성을 확인하였다. 이 결과는 조력, 조류, 파력 발전 등 기존의 해양에너지 발전효율보다 큰 값으로, 현장의 해양 물리 환경에 적합한 수차 및 발전기 및 유입수로(조차 4 m 이상, 관 지름 2.5 m 이상) 등을 배치하는 경우, 고가의 방조제 설치 비용없이 1 MW급 이상의 조력발전 개발이 가능함을 확인하였다. 기 건설된 약 1,168.6 km 연장의 방조제의 이용현황, 담수화 여부, 배수 갑문의 설치 및 운영 현황 등을 분석하면, 조력 발전 가능 방조제 현황 파악이 가능하다.

현장적용이 가능한 10 kW급 조력발전장치 개발이 목표인 본 연구를 위해서는 해상실험이 적절하나, 비용상의 문제로 중규모 현장실험을 실시하였다. 최근의 해양에너지 기술 동향은 실제 해상에 실물 크기의 발전장치를 제작, 배치, 운용하여 상용화 가능성에 접근하고 있으며, 이러한 경향에 부합하여 국내에도 발전시스템의 출력과 하중에 대한 성능시험이 가능한 해상성능시험장으로 구성된 실해역 시험장을 구축중이다. 차후 해양에너지 연구는 실해역 실증시험을 중심으로 수행하는 것이 바람직하다.

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