Analysis of Small Hydropower Resource Characteristics for Nakdong River System

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(1)[ 논문]한국태양에너지학회 논문집. [논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society. Vol. 32, No. 6, 2012 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2012.32.6.068. 낙동강수계의 소수력자원 특성 분석 박완순* ,이철형* * *한국에너지기술연구원 책임연구원( pws n@ki e r . r e . kr ) **한국에너지기술연구원 책임연구원( l c hg@ki e r . r e . kr ). Analysis of Small Hydropower Resource Characteristics for Nakdong River System Par k ,Wan-Soon* Lee,Chul -Hy ung* * *De pt .ofRe ne wabl eEne r gyCe nt e r ,Ph. D. ,Kor e aI ns t i t ut eofEne r gyRe s e ar c h( pws n@ki e r . r e . kr ) , **De pt .ofRe ne wabl eEne r gyCe nt e r ,Ph. D. ,Kor e aI ns t i t ut eofEne r gyRe s e ar c h( l c hg@ki e r . r e . kr ). Abst r act Sma l lhyd r o p o we ri so neo ft hema nyt yp e so fne wa ndr e ne wa bl ee ne r gy,whi c hi sp l a nni ngt od e ve l o p ,a st he c o unt r yi sa bund a nti ne nd o we dr e s o ur c e s .I no r d e rt of ul l yut i l i z es ma l lhyd r o p o we rr e s o ur c e s ,t he r ei sane e df o r gr e a t e rp r e c i s i o ni nq ua nt i f yi ngs ma l lhyd r o p o we rr e s o ur c e sa nde s t a b l i s ha ne nvi r o nme nti nwhi c he ne r gys o ur c e s c a n bed i s c o ve r e d us i ng t hes ma l lhyd r o p o we rr e s o ur c ema na ge me nts ys t e m.Thi ss t ud y ha sgi ve n gr e a t e r p r e c i s i o nt oc a l c ul a t ea nnua le l e c t r i c i t y ge ne r a t i o na ndc a p a c i t yo fs ma l lhyd r o p o we rp l a nt so fNa kd o ng r i ve r s ys t e m byi nq ui r i ngi nt oa ve r a gea nnua lr a i nf a l l ,ba s i na r e aa ndr uno f fc o e f f i c i e nt ,whi c hi sa nt i c i p a t e dt op r o mo t e s ma l lhyd r o p o we rr e s o ur c e sut i l i z a t i o n.Sma l lhyd r o p o we rr e s o ur c ema na ge me nts ys t e m wa sa l s oe s t a b l i s he dby a d d i t i o na l l yp r o vi d i ngb a s ei nf o r ma t i o no nq ua nt i f i e ds ma l lhyd r o p o we rr e s o ur c e sa nda na l ys i sf unc t i o na nds ma l l hyd r o p o we rge ne r a t o rs t a t us ,r i ve r s ,b a s i n,r a i nf a l lga ugi ng s t a t i o n,wa t e rl e ve lga ugi ng s t a t i o ne t c . .Sma l l hyd r o p o we rr e s o ur c ema na ge me nts ys t e mc a nbeus e dga t he rb a s i ci nf o r ma t i o nf o rp o s i t i vea p p l i c a t i o nso fs ma l l hyd r o p o we re ne r gyna t i o nwi d e . Ke ywo r ds:소수력( Sma l lhyd r o p o we r ) ,낙동강수계( Na kd o ngr i ve rs ys t e m) ,유출계수( Ru no f fc o e f f i c i e nt ) ,시설용량 ( Ca p a c i t y) ,연간전기생산량( An n u a le l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n ). 기 호 설 명  . :유역면적(  ) :연간출력량(  ).   . :비출력량(  ).   . :중력가속도(   ) :낙차( ) :낙차( ). submi tdat e:2012.9.18, j udgme ntdat e:2012.9.24, publ i cat i ondeci dedat e:2012.12.17 communi cat i onaut hor:Lee ,Chul -Hyung( l chg@ki er . r e. kr ). 68. 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 32, No. 6, 2012.

(2) 낙동강수계의 소수력자원 특성 분석/박완순 외. . :소수력발전소의 가동율( %). . :단위시간당 출력량(   ). . :이상적인 수력에너지(   ).  . :수력가용량(   ).   . :비가용량(  ) :부분출력량(   ). . :정격출력량(  .   . :We i bul l 분포의 확률밀도함수. 2.유량지속 및 소수력발전 성능예측모델. . . :유량(   ). . :월유입량(   ). . :설계유량(  ).    . :비설계유량(    ) :월강수량(  ).  . :시간비( ) :We i bul l 분포의 형상모수. 하천에서의 월유입량은 해당유역의 월강수 량과 유역면적,그리고 유출계수로부터 다음 과 같이 산정된다..  ×   ×  ×  ×    ×  ×  × . . . :We i bul l 분포의 척도모수(   ).  . :물의 밀도(   ) :소수력발전소의 효율. 1.서. 축 및 종합관리시스템 개발 사업의 일환인 소수력 자원지도작성 연구를 통하여 소수력 자원관리시스템을 구축하였으며,이를 이용 하여 낙동강수계의 소수력자원량을 산정하 였다.. 론. 에너지자원이 절대 부족하여 에너지 해외 의존도가 97 % 이상인 우리 나라의 입장에서 는 에너지 해외의존도를 경감시키고 에너지 를 안정시키기 위하여 국내의 부존에너지를 최대한 활용하는 것이 매우 중요하다.또한 지구온난화에 대처하는 범세계적인 규제에 대비하기 위하여,청정한 에너지를 적극 개발 하여 에너지자립도를 향상시켜야 한다. 소수력자원은 다른 신･ 재생에너지원에 비 하여 에너지밀도가 매우 높기 때문에 개발할 1) 가치가 큰 부존자원으로 평가되고 있다. 소수력발전의 활용 확대를 위해서는 국민 의 인식변화와 관련기술개발,정부의 제도적 기반 확충 및 관련산업의 육성 등 다각적인 2) , 3 ) 노력이 필요하다. 본 연구에서는 신재생에너지 자원지도 구. ( 1). 식( 1) 을 통하여 관측소에서 측정된 월강수 량자료는 월유입량으로 환산될 수 있으며, 이를 이용하여 유량지속곡선을 작성할 수 있 다.유량지속곡선은 유입량을 크기별로 누적 시킨 것으로 누가분포함수의 형태로 표시할 수 있다.본 연구에서는 We i bul l 분포의 누가 분포함수를 이용하여 유량지속곡선을 특성 화하였으며,누가분포함수는 다음과 같이 표 시된다. .   .       exp   . ( 2). . 여기서    는 We i bul l 분포의 확률밀도함 수를 나타내며,다음과 같이 표시된다.         exp  . ( 3). 소수력발전소에서의 유량지속곡선을 나타 내는 유량지속함수는 누가분포함수와의 관계 4) 를 통하여 다음과 같이 구해진다..           exp     . Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 32, No. 6, 2012. ( 4). 69.

(3) [ 논문]한국태양에너지학회 논문집. Fi g.1은 낙차가 일정한 경우,유입량변화 에 따른 소수력발전소의 출력의 변화를 나타 내는 것으로,월류댐을 갖는 소수력발전소의 특성을 나타내는 그림이다.. .     . .     . .     . . ∞. .        . ( 7). P, kW. 또한 시설용량,연간가동율 및 연간전기생산 량은 다음과 같이 산정된다.. Pi. Pa.        . ( 8 ).      . ( 9 ).        P1. 3.소수력 자원의 수문학적 성능특성 분석. Qr. Q, m3/s Fi g.1Out putofs mal lhy dr opowerpl ant. 소수력발전소는 월류댐을 사용하기 때문에 설계유량 이하의 유입량은 모두 출력으로 변 환할 수 있으나,설계유량 이상의 유입량의 경우에는 설계유량에 해당되는 유입량만을 사용하고 초과되는 유입량은 월류댐 상단을 통하여 방류하게 된다. 하천의 유입량은 항상 변하기 때문에 단위 시간당의 이상적인 소수력에너지는 다음과 같이 산정할 수 있다..     . . ∞.     . ( 5). . 소수력가용량은 이상적인 소수력에너지의 연간 총량으로써 다음과 같이 산정된다..       . ( 6). 소수력발전소에서 얻을 수 있는 단위시간 당의 출력량은 다음과 같이 구할 수 있다.. 70. ( 10). P2. 낙동강수계의 소수력자원의 특성분석에 앞 서 본 연구에서 개발된 유량지속함수의 유용 성을 확인하기 위하여 낙동강수계의 안동댐 에서 32년간( ' 7 7∼' 0 8)측정된 유입량자료를 분석하였다.안동댐은 낙동강의 상류지점에 있으며,유역면적이 1 , 58 4 이다. Fi g.2 는 안동댐 유역의 3 2 년간의 강수량자 료를 이용하여 유량지속특성을 예측한 것으 로 식( 4) 의 유량지속함수가 실제 유입량분석 을 통하여 작성한 유량지속특성을 효과적으 5) 로 표현해 준다는 것을 알 수 있다. 특히 소 수력발전소의 설계유량은 시간비가 2 0∼30% 에서 결정되는데 본 연구에서 사용한 유량지 속함수가 측정값을 매우 정확하게 예측한다 는 것을 알 수 있다. 낙동강수계의 소수력자원 성능특성을 분석 하기 위하여 12개소의 소수력발전입지를 선 정하였다.선정된 입지는 지리적인 영향을 고 려하여 경상북도 안동군 길안면 대사리 등 경 상북도에 8개소,경상남도 거창군 남하면 대 야리 등 경상남도에 4 개소로 낙동강수계 전 반에 걸쳐 골고루 분포시켰으며,유역면적에 대한 영향을 고려하기 위하여 유역면적은. 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 32, No. 6, 2012.

(4) 낙동강수계의 소수력자원 특성 분석/박완순 외. 14 8∼1, 2 19 로 분포시켰다.. 100 90 T25%. 80. 350. Nakdong river. 70. 300. 60. Q, ㎥/s. Lf, %. Measured('77-'08) 250. Predicted. 50 40. 200. 30. 150 20. 100. 10. 50. 0 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. A, km2. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. T, %. Fi g.5 Var i at i onofannuall oadf ac t orwi t hbas i nar ea. Fi g.2Pr edi c t i onoff l ow d ur at i onc har ac t er i s t i cf orAndong dam. 1600 1400 T25%. 4000. 1200. Pia/A, kWh/km. 2. 3000. Ea/A, kWh/km. 2. 3500 Nakdong river. 2500. Nakdong river. 1000 800 600. 2000. 400 1500. 200 1000. 0 0.015. 500 0 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. 0.02. 0.025 Qr /A, m3/s/km2. 0.03. 0.035. Fi g.6Var i at i onofs pec i f i cout putwi t hbas i nar ea. A, km2. Fi g.3Var i at i onofs pec i f i cpot ent i alwi t hbas i nar ea 0.06. 는 관계없이 1, 410 ∼2 , 29 0 의 분포를 나타낸다.비가용량은 유역면적의 크기보다 는 해당유역의 강우상태에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. Fi g.4 는 유역면적의 크기에 따른 비설계유 량의 특성을 나타낸 것으로,시간비가 25 %에 해당하는 유량을 설계유량으로 선정한 경우,. T25%. 0.05. Qr/A, m3/s/km 2. Nakdong river. 0.04. 0.03. 0.02. 0.01. 0 0. 250. 500. 750 A, km2. Fi g.3 은 유역면적의 크기에 따른 비가용량 의 특성을 나타낸 것으로,유역면적의 크기에. 1000. 1250. 1500. Fi g.4Var i at i onofs pe c i f i cde s i gnf l owr at ewi t hbas i nar ea. 0. 02 042 ∼0 . 0 322 8 의 분포를 나타낸 다.비설계유량도 비가용량과 마찬가지로 유 역면적의 크기보다는 해당유역의 강우상태에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 32, No. 6, 2012. 71.

(5) [ 논문]한국태양에너지학회 논문집. Fi g.5 는 시간비가 25 %에 해당하는 유량을 설계유량으로 선정한 경우,유역면적에 따른 연간가동율의 특성을 나타낸 것이다.연간가동 율은 유역면적의 크기와는 큰 관계없이 일정하 였으며,4 4 . 7 ∼4 7 . 3 %의 범위에서 변하였다. Fi g.6 은 비설계유량에 따른 비출력량의 변 화를 나타내는 것으로,시간비가 25 %에 해당 하는 유량을 설계유량으로 선정한 경우이다. 비설계유량. 0 . 0 253 2∼0. 040 68 에서. 비출력량은 64 8∼102 6 로 변하며,비 설계유량이 증가함에 따라 비출력량은 거의 선형적으로 변하였다.. Fi g.8Ri v eri nf or mat i on. 4.소수력 자원관리시스템 적용 소수력자원관리시스템의 데이터베이스 구 성은 Fi g.7과 같이 분류체계에 의한 시스템 기능별로 구축하였으며,유역정보,하천정보, 기상정보,수문정보,지형정보 및 분석정보 6 ) 등으로 구성하였다.. Fi g.9Rai nf al lobs er v at or y. Fi g.7Compos i t i onofdat abas e. Fi g.8,Fi g.9및 Fi g.1 0은 각각 소수력자 원관리시스템에서 구축한 하천정보현황,강 우관측소현황 및 표준유역도를 보여준다.. 72. 본 연구에서는 Fi g.9 에 보여준 강우관측소 에서 관측된 기상정보를 이용하였다.강우자 료는 강우관측소에서 측정된 3 0년치 자료를 분석하였으며,신설된 관측소에 한하여 10년 치 자료를 분석하여 사용하였다. 소수력 자원관리시스템은 대권역,중권역 및 표준유역에 대한 연평균유량,단위 유효낙 차당 시설용량,연간전기생산량 등 소수력자 원량 산정이 가능하다.또한 연간전기생산량 을 산정하기 위하여 연간가동율은 Fi g.5 에서 분석된 4 4. 7∼47. 3%의 평균값인 4 6. 0%를 적 용하였다.또한 유효낙차는 단위낙차를 적용 7) 하였다.. 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 32, No. 6, 2012.

(6) 낙동강수계의 소수력자원 특성 분석/박완순 외. 을 이용하여 산정된 낙동강수계의 연평균강 수량,설계유량,시설용량 및 연간전기생산량 의 분포를 나타내는 그림이다.Fi g.1 1 에서와 같이 연평균 강수량은 남서쪽이 많고,북동쪽 은 적은 분포를 보였다.. Fi g.10St andar dbas i nar ea. Fi g.1 2Di s t r i but i onofdes i gnf l owr at ef orNak dongr i v er s y s t em. Fi g.1 1Di s t r i bu t i onofav er ag eann ualr ai n f al lf orNak d on g r i v ers y s t em. Fi g.1 1∼Fi g.1 4는 소수력자원관리시스템. Fi g.1 2는 설계유량의 분포를 나타낸다.일 반적으로 설계유량은 수계의 유역면적이 커 질수록 증가하므로 낙동강 본류의 하류쪽으 로 갈수록 증가하는 것을 알 수 있다. Fi g.1 3은 시설용량의 분포를 나타낸다.시 설용량은 설계유량에 비례하는 것으로 설계 유량의 변화와 동일하게 하류쪽으로 갈수록 증가하는 것을 알 수 있다. Fi g.1 4는 연간전기생산량의 분포를 나타 낸다.연간전기생산량은 시설용량과 연간가 동율의 곱으로 표시되는 양으로 시설용량의 변화와 마찬가지로 하류쪽으로 갈수록 증가 하는 것을 알 수 있다.. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 32, No. 6, 2012. 73.

(7) [ 논문]한국태양에너지학회 논문집. Tabl e.1Smal lhy dr opowerr es our c esf orNak dongr i v er s y s t em. Di vi s i onof Annual Nakdong Capac i t y e l e c t r i c i t y Re mar k r i ve r ( MW) pr oduc t i on s ys t e m ( MWh) Nakdong 8 6. 51 3 48, 581 . 4 9 r i ve r Hyungs an 0. 53 2, 147 . 6 0 r i ve r Tae wha 0. 30 1, 217 . 7 0 r i ve r Whe yaㆍ 0. 20 813 . 0 8 Suyoung Eas t 0. 66 2 637 . 5 4 Nakdong Sout h 0. 54 2, 178 . 4 5 Nakdong Tot al 8 8. 74 3 57, 575 . 8 6. Fi g.13Di s t r i b ut i onofi ns t a l l e dc ap ac i t yf orNak don gr i v e r s y s t e m. Tabl e1 은 Fi g.14 에 표시된 연간전기생산 량의 분포를 기본으로 산정된 낙동강수계 권 역별 소수력자원량을 나타낸다.권역별 소수 력자원량은 권역에 포함된 각각의 표준유역 별로 신정된 설계유량값을 이용하여 설비용 량을 산정하였으며,연간 가동율을 적용하여 표준유역별로 자원량을 산정하여 합산하였 다.이때 낙차는 단위유효낙차인 1 m로 가정 하였고 시스템효율은 0. 8로 가정하였다.다른 권역에 대해서도 동일한 방법으로 소수력자 원량을 산정하였으며,이를 낙동강수계로 확 대하여 소수력자원량을 예측하였다.. 5.결. Fi g.1 4 Di s t r i but i on ofannualel ec t r i c i t y pr oduc t i on f or Nak dongr i v ers y s t em. 74. 론. 본 연구에서는 낙동강수계의 소수력자원을 평가할 수 있는 소수력 자원관리시스템을 구 축하였고,낙동강수계 각 권역에 대한 소수력 자원량을 산정하였다. ( 1)소수력 자원관리시스템을 이용하여 낙동 강수계 권역별 단위 유효낙차당 시설용 량과 연간전기생산량 등을 산출하였으며, 그 결과 낙동강수계는 시설용량이 약 8 9 MW, 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 32, No. 6, 2012.

(8) 낙동강수계의 소수력자원 특성 분석/박완순 외. 연간전기생산량은 약 357 . 6 GWh/ yr 로 산 정되었다. ( 2)본 연구를 통해 개발된 소수력 자원관리 시스템은 객관적이고 정밀하게 소수력자 원의 평가가 가능하여 소수력 개발에 대 한 기초자료로 활용할 수 있다.. 참 고 문 헌 1.Par k,W.S. ,Le e ,C.H. ,andShi m,M.P. , " Fe as i bi l i t yAs s e s s me ntf orSmal lHydr o Powe rSi t e si n Kor e a" ,KSCE,Vol .1 7, No.Ⅱ-3 ,1 997 . 2.Par k,W.S. ,Lee,C.H," TheSt udyof Pe r f or manc e Pr e di c t i on Me t hods f or Sma l lHydr oPowe rSi t e s " ,KWRA,2 0 0 3 . 3.Ki m,K.H. ,e tal . ," De t e r mi nat i onoft he Opt i malI ns t al l at i on Capac i t y ofSmal l Hydr oPo we rt hr o ught heus eo fEc o no mi c Anal ys i s " ,KWRA,Vol .40 ,No.1 2,200 7. 4.Pa r k ,W.S. ,Le e ,C.H," Hy d r o l o g i cPe r f o r ma n c e Char ac t e r i s t i c sVar i at i on ofSmal lSc al e Hydr o Powe r Pl ant wi t h Var i at i on of I nf l ow" ,KWRA,Vol . 43 ,No. 4 ,2 010 . 5.Par k,W .S. ,Lee,C.H. ,"Anal ysi sof Pe r f or manc e Char ac t e r i s t i c sf or Smal l Sc a l eHydr oPo we rPl a ntwi t hLo ngTe r m I nf l ow Co ndi t i onCha nge " ,KSNRE,Vol . 5 , No. 4,20 09. 6 .WAMI S:Wat e rManage me ntI nf or mat i on Sys t e m 7 .Kang,Y.H.e tal . ," TheEs t abl i s hme ntof Ne w and Re ne wabl e Ene r gy Re s our c e Map& Ut i l i z at i onSys t e m" ,KI ER,20 11.. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 32, No. 6, 2012. 75.

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