수력발전 프로젝트를 위한 수차 설계

수력 에너지를 위한 수차 설계
수력 에너지 아이콘수력 에너지는 움직이는 물의 운동 에너지를 기계적 또는 전기적 에너지로 변환하는 기술이며, 움직이는 물의 에너지를 사용 가능한 작업으로 변환하는 데 사용된 가장 초기의 장치 중 하나는 수차 설계입니다.
수차의 설계는 시간이 지남에 따라 수직으로 배치된 수차, 수평으로 배치된 수차, 그리고 정교한 풀리와 기어가 부착된 수차 등으로 발전해 왔지만, 모두 동일한 기능을 하도록 설계되었습니다. 즉, "움직이는 물의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하여 회전축을 통해 연결된 기계를 구동하는 데 사용할 수 있도록 하는 것"입니다.

전형적인 수차 설계
초기 수차 설계는 매우 원시적이고 간단한 기계로, 둘레에 균등하게 고정된 나무 칼날이나 양동이가 달린 수직 나무 바퀴로 구성되었으며, 이 모든 것이 수평 샤프트에 지지되고, 그 아래로 흐르는 물의 힘이 칼날에 대해 접선 방향으로 바퀴를 밀어내는 방식이었습니다.
이 수직형 수차는 고대 그리스와 이집트인들이 설계한 초기 수평형 수차보다 훨씬 뛰어났습니다. 왜냐하면 움직이는 물의 운동량을 동력으로 변환하여 더욱 효율적으로 작동할 수 있었기 때문입니다. 수차에는 도르래와 기어가 부착되어 회전축의 방향을 수평에서 수직으로 바꾸어 맷돌을 돌리고, 나무를 자르고, 광석을 파쇄하고, 압착하고, 자르는 등의 작업을 할 수 있었습니다.

수차 설계 유형
대부분의 수차는 물레방아 또는 간단히 수차라고도 하며, 수평 축을 중심으로 회전하는 수직으로 설치된 수차입니다. 이러한 유형의 수차는 물이 수차 축을 기준으로 수차에 가해지는 방식에 따라 분류됩니다. 예상하시겠지만, 수차는 비교적 큰 기계로, 각속도가 낮고 마찰 손실이나 양동이에 물이 완전히 채워지지 않는 등의 이유로 효율이 낮습니다.
물이 바퀴의 양동이 또는 패들을 밀어내는 작용은 축에 토크를 발생시키지만, 바퀴의 여러 위치에서 패들과 양동이에 물을 분사하면 회전 속도와 효율을 향상시킬 수 있습니다. 가장 일반적인 두 가지 유형의 수차 설계는 "언더샷 수차"와 "오버샷 수차"입니다.

언더샷 수차 설계
언더샷 수차 디자인은 "수차 바퀴"로도 알려져 있으며, 고대 그리스인과 로마인이 설계한 가장 일반적으로 사용되는 수차 유형으로, 제작하기 가장 간단하고 저렴하며 쉬운 유형의 바퀴이기 때문입니다.
이러한 유형의 물레방아 설계에서는 물레방아를 빠르게 흐르는 강물에 직접 놓고 위에서 지지합니다. 아래 물의 움직임이 물레방아 아랫부분의 물에 잠긴 패들을 밀어내는 작용을 일으켜, 물의 흐름 방향에 대해 한 방향으로만 회전하게 됩니다.
이러한 유형의 수차 설계는 일반적으로 자연 경사가 없는 평탄한 지역이나 물의 흐름이 충분히 빠른 지역에서 사용됩니다. 다른 수차 설계와 비교했을 때, 이 유형의 설계는 매우 비효율적이며, 물의 위치 에너지의 20%만이 실제로 수차를 회전시키는 데 사용됩니다. 또한, 물의 에너지는 수차를 회전시키는 데 한 번만 사용되며, 그 후에는 나머지 물과 함께 흘러갑니다.
언더샷 수차의 또 다른 단점은 빠른 속도로 흐르는 많은 양의 물이 필요하다는 것입니다. 따라서 언더샷 수차는 일반적으로 강둑에 설치되는데, 작은 하천이나 개울은 흐르는 물에서 충분한 위치 에너지를 얻을 수 없기 때문입니다.
언더샷 수차의 효율을 약간 개선하는 한 가지 방법은 강물의 일부를 좁은 수로나 덕트를 따라 유향시켜 유향된 물의 100%가 수차를 회전시키는 데 사용되도록 하는 것입니다. 이를 위해서는 언더샷 수차가 좁아야 하며, 물이 수로 측면으로 새어 나가는 것을 방지하기 위해 수로 안에 매우 정확하게 맞아야 합니다. 또는 패들의 개수나 크기를 늘려야 합니다.

오버샷 수차 설계
오버샷 수차(Overshot Water Wheel)는 가장 일반적인 수차 설계 유형입니다. 오버샷 수차는 물을 모으고 저장하는 데 양동이 또는 작은 공간을 사용하기 때문에 이전의 언더샷 수차보다 구조와 설계가 더 복잡합니다.
이 양동이들은 바퀴 위쪽으로 흘러 들어오는 물로 채워집니다. 가득 찬 양동이 안의 물의 중력으로 인해 바퀴가 중심축을 중심으로 회전하는 반면, 반대편에 있는 빈 양동이는 가벼워집니다.
이 유형의 수차는 중력을 이용하여 출력과 물 자체를 향상시킵니다. 따라서 오버샷 수차는 언더샷 수차보다 훨씬 효율적입니다. 물과 그 무게의 거의 대부분이 출력 전력을 생산하는 데 사용되기 때문입니다. 하지만 이전과 마찬가지로, 물의 에너지는 수차를 회전시키는 데 한 번만 사용되며, 그 후 나머지 물과 함께 흘러갑니다.
오버샷 수차는 강이나 하천 위에 매달려 있으며, 일반적으로 언덕 비탈에 건설되어 위에서 물을 공급합니다. 5~20미터 사이의 낮은 낙차(정상 수위와 하천 수위 사이의 수직 거리)를 갖습니다. 작은 댐이나 보를 건설하여 수차 꼭대기까지 물을 끌어올리고 속도를 높여 수차에 더 많은 에너지를 공급할 수 있습니다. 하지만 수차 회전에 영향을 미치는 것은 물의 속도가 아니라 수량입니다.

일반적으로 오버샷 수차는 물의 중력이 수차를 회전시킬 수 있는 최대 수두 거리를 확보하기 위해 최대한 크게 제작됩니다. 그러나 직경이 큰 수차는 수차와 물의 무게로 인해 제작이 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다.
각 양동이에 물이 채워지면, 물의 중력에 의해 수레바퀴가 물의 흐름 방향으로 회전합니다. 회전 각도가 수레바퀴 바닥에 가까워질수록 양동이 안의 물은 아래의 강이나 개울로 흘러가지만, 뒤에서 회전하는 양동이의 무게 때문에 수레바퀴는 원래 속도로 계속 회전합니다. 빈 양동이는 회전하는 수레바퀴 주위를 계속 돌다가 다시 위로 올라와 더 많은 물을 채울 준비가 되면 이 순환이 반복됩니다. 오버샷 수레바퀴 설계의 단점 중 하나는 물이 수레바퀴 위로 흘러갈 때 한 번만 사용된다는 것입니다.

피치백 수차 디자인
피치백 수차 설계는 이전의 오버샷 수차의 변형으로, 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 동시에, 수차 아래의 폐수 흐름을 이용하여 추가적인 추진력을 제공합니다. 이 유형의 수차 설계는 저수두 유입 시스템을 사용하여 위쪽의 펜트워프에서 수차 상단 부근까지 물을 공급합니다.
물이 수차 위로 직접 흘러가 물의 흐름 방향으로 회전하는 오버샷 수차와는 달리, 피치백 수차는 깔때기를 통해 물을 수직으로 아래로 보내 아래의 양동이로 보내고, 수차가 위쪽 물의 흐름과 반대 방향으로 회전합니다.
이전의 물레방아처럼, 양동이에 담긴 물의 중력으로 인해 물레방아가 시계 반대 방향으로 회전합니다. 회전 각도가 물레방아 바닥에 가까워지면 양동이 안에 갇힌 물이 아래로 비워집니다. 빈 양동이가 물레방아에 부착되면, 물레방아는 이전처럼 물레방아와 함께 계속 회전하여 다시 위로 올라와 더 많은 물을 채울 준비를 하고, 이 순환이 반복됩니다.
이번의 차이점은 회전하는 버킷에서 비워진 폐수가 (갈 곳이 없기 때문에) 회전하는 수차 방향으로 흘러간다는 것입니다. 이는 언더샷 수차의 원리와 유사합니다. 따라서 피치백 수차의 주요 장점은 물의 에너지를 두 번, 즉 위에서 한 번, 아래에서 한 번 사용하여 수차를 중심축을 중심으로 회전시킨다는 것입니다.
결과적으로 수차 설계의 효율은 유입되는 물의 중력과 위에서 버킷으로 향하는 물의 힘 또는 압력, 그리고 아래에서 버킷을 밀어내는 폐수의 흐름에 의해 구동되므로 물 에너지의 80% 이상으로 크게 향상됩니다. 그러나 피치백 수차의 단점은 수차 바로 위에 슈트와 펜트그루브를 갖춘 약간 더 복잡한 물 공급 장치가 필요하다는 것입니다.

브레스트샷 수차 디자인
브레스트샷 수차 설계는 또 다른 수직 장착 수차 설계로, 물이 축 높이의 중간쯤이나 바로 위까지 버킷에 유입된 후, 하단에서 수차 회전 방향으로 흘러나갑니다. 일반적으로 브레스트샷 수차는 수두가 부족하여 오버샷 또는 피치백 수차 설계에 위에서 동력을 공급할 수 없는 상황에서 사용됩니다.
이 방식의 단점은 물의 중력이 회전의 약 4분의 1 동안만 사용된다는 점인데, 이는 이전에는 회전의 절반 동안만 사용되었던 것과는 다릅니다. 이러한 낮은 낙차 높이를 극복하기 위해, 물레방아의 버킷을 더 넓게 만들어 물에서 필요한 양의 위치 에너지를 추출합니다.
브레스트샷 수차는 수차를 회전시키는 데 물의 중력을 거의 사용하지만, 수두 높이가 일반적인 오버샷 수차의 약 절반 정도이기 때문에 버킷 폭이 기존 수차 설계보다 훨씬 넓어 버킷에 모이는 물의 양이 늘어납니다. 이러한 설계의 단점은 각 버킷이 운반하는 물의 폭과 무게가 증가한다는 것입니다. 피치백 설계와 마찬가지로, 브레스트샷 수차는 수차가 물속에 잠겨 있도록 설계되어 폐수가 하류로 흘러내리면서 수차 회전에 도움을 주므로 물의 에너지를 두 배로 사용합니다.

물레방아를 사용하여 전기를 생산하다
역사적으로 물레방아는 밀가루, 곡물, 그리고 기타 기계적인 작업에 사용되어 왔습니다. 하지만 물레방아는 수력 발전 시스템이라고 불리는 발전에도 사용될 수 있습니다. 발전기를 물레방아의 회전축에 직접 또는 구동 벨트와 풀리를 사용하여 간접적으로 연결함으로써, 물레방아는 태양 에너지와 달리 하루 24시간 연속 전력을 생산할 수 있습니다. 물레방아가 올바르게 설계되면, 소형 또는 "마이크로" 수력 발전 시스템으로 일반 가정의 조명 및/또는 가전제품에 전력을 공급할 수 있는 충분한 전력을 생산할 수 있습니다.
비교적 저속에서 최적의 출력을 내도록 설계된 수차 발전기를 찾아보세요. 소규모 프로젝트의 경우, 소형 DC 모터를 저속 발전기 또는 자동차용 교류 발전기로 사용할 수 있지만, 이러한 발전기는 훨씬 더 높은 속도에서 작동하도록 설계되어 있으므로 기어링이 필요할 수 있습니다. 풍력 터빈 발전기는 저속 고출력 작동에 적합하도록 설계되어 수차 발전기로 이상적입니다.
집이나 정원 근처에 유속이 빠른 강이나 개울이 있다면, 소규모 수력 발전 시스템이 "풍력"이나 "태양열"과 같은 다른 재생 에너지원보다 시각적인 영향이 훨씬 적기 때문에 더 나은 대안이 될 수 있습니다. 또한 풍력이나 태양열과 마찬가지로, 계통 연계형 소규모 수차 발전 시스템을 지역 전력망에 연결하면, 생산했지만 사용하지 않은 전기는 전력 회사에 판매할 수 있습니다.
수력 에너지에 대한 다음 튜토리얼에서는 수력 발전을 위해 수차 설계에 연결할 수 있는 다양한 유형의 터빈을 살펴보겠습니다. 수차 설계 및 물의 힘을 이용하여 직접 전기를 생산하는 방법에 대한 자세한 정보, 다양한 수차 설계에 대한 수력 에너지 정보, 또는 수력 에너지의 장단점에 대한 자세한 내용을 알아보려면 여기를 클릭하여 아마존에서 수차의 원리와 구조에 대한 책을 주문하세요.