스크랩 미국 북켈리포니아 살몬강 물레방아초초소수력 / 가정에서의 신재생에너지를 이용한 에너지 자립

[파란하늘7]

가정에서의 신재생에너지를 이용한 에너지 자립

1975년에 매트와 로센나올슨의 디젤발전기가 맛이 갔다.

수리비용이 엄청나게 되자,  매트는 과거 4년동안 모와 왔던 부품들을 가지고 소수력발전소를 구상해왔던 생각들을 실천할 좋은 시기라고 생각했다.  이웃이자 친구인 로드와드의 도움으로 기존 발전기 문제를 해결하기 위한 가건물(가고정) 건설에 착수했다.

                          <그림>18피트(5.5m) 직경을 가지는 오버샷 물레방아바퀴는 2kW의 전력을 발생한다.

18년이 지난 지금도,  가건물(가고정장치)은 여전히 신재생(청정) 에너지(전력)를 생산하고 있다.  폐기된 디젤발전소에서 예비부품들을 오랬동안 조달해왔다.

위치선정이 중요하다.

매트와 로지는 북켈리포니아의 살몬강과 Methodist지류 근처에 살고있다. 그들의 택지는 크라매쓰 국립수립 지역의 북쪽에 위치해있다.  이 강물의 흐름경로는 비록 1930년대이후 광산등이 생겼지만, 경치는 매우 칼라풀하고 아름답다. 1930년대 이후 2번의 큰 화재 및 도로확장, 무분별한 목재벌채로 환경이 많이 파괴되었다.

살몬강지역의 아름다움은 올슨지역에 사는 주민들에 의해서 많은 부분이 복구되고, 광산도 소규모이기 때문이다.

이지역은 저충동 초초소수력을 적용하기에 아주 적당한 곳인데, 이유는 살몬강으로 유입되는 많은 여울(지류)과 샘들이 있기 때문이다.   이근에 가장가까운 전력송배전라인은 23마일(37km)이나 떨어져 있다. 이 곳은 켈리포나이에서 가장 회화적인 아름다움을 간직한 강, 계곡들로 이루어져 있는 곳이므로 전력송전망을 건설하기는 힘들다.

지역주민들이 전력망을 전력회사에 요구하더라도, 또 전력회사에서 기꺼이 이런 요구를 수용할수 있을지라도 비용및 특히 환경적 파괴로 말미암아 이지역에는 인조물의 사용이 금지되어 있다.  이런 원인 때문에 자연을 이용하는 방법들을 고려하게 되었다.

물이용...

적당한 양의 물을 물레방아(오버샷)를 가동시키기 위해서 끌어들인다. 매트와 로지에의 초초소수력및 관계용 물은 광산 수로(ditch)를 수리한것으로서 이곳을 통해, 그들의 발전기로 물을 끌어들인다.  둑(댐,wier), 이것은 가동수문을 가지고 있어, 메트호디스트 지류로부터 인테이크를 통해 유입수량을 조절한다.  이 유입된 물은 램펌프로 유입,  오버플루는 관계시설에 이용, 그리고 마지막으로 오버셧 물레방아를 돌린다.

이 물막이 둑(댐)의 제어는 2가지 기능을 한다. 

첫째는 매써디스트 여울에 사는 물고기의 침입을 막음으로  산란지역에서 물고기가 살도록 하는 역할을 한다. 산란지역을 인테이크(취수구) 상부에 둠으로서, 환경영향을 최소화한다.

둘째로, 둑(댐)은 논둑의 침식등에 인한  고수위로 발생할수 있는 다량의 유입수량을 통제하므로서, 물레방아의 과속을 방지한다. 논둑을 따라, 나무, 덤불, 검은딸기, 포도 같은 식물들이 논둑을 흐르는 물의 일부를 소비한다.

얼마나 에너지가 발생될까?

매튜는 온도가 높은 계절에 발전량이 떨어진는것을 경험했는데, 그에 따르면 한여름 가장더운 시간대인 오후에 시간당 약 500와트의 전력이 생산된다. “풀, 잔디 및 특별히 로지에의 정원은 수량과 밀접한 연관이 있다”라고 매튜는 말한다.

저유량이 나타나는 계절에는(3개월), 물우선 배급권 때문에 발전을 중지하게 된다. 물레방아를 가동시킨후 물은 지상에 설치된 광산용 방수로로 흘러 살몬강으로 다시 돌아간다. 악영향은 전혀 없다.

 

                                               <그림> 매트 올슨이 수력용 동력변환장치를 점검하고 있다.

리사이클, 재사용, 재건

매튜와 로지에의 수력발전용 부속품들은 거의 폐품으로부터 재활용하고 있다. 13피트 직경의 허브및 중요축은 24인치 펠톤바퀴로부터 얻은것으로서,  펠톤에서 컵부분만 제거했다.

허브로부터 빠져 나온 1인치 금속로드는 금속말뚝의 조각으로부터 얻었다. 바킷의 바닷부분은 및 18인치*132인치 깊이의 바킷은 구형의 덤프트럭몸체에서 잘라내어 용접과정을 거쳐 만들었다. 속도증속용 기어에 사용된 대부분의 풀리, 사슬용 톱니, 잭샤프트등은 물물교환, 또는 폐광산 및 농당등에 버려진것을 여기저기 찾아서 구했다. 새로이 구매한 유일한 물건은 주 및 잭사프트용 베아링및 V밸트뿐이었다.

1975년에 이런 시설에 소요된 경비는 대략 250불이였다. 이두를 대체하는데 드는 비용은 오늘날에는 약 550불 정도가 된다.

1800rpm, 2.6kW Kurz-Root 교류 발전기는 40년대 휴대 군수발전용 장치로부터 떼어냈다. 메튜는 일년에 2번 정도 브러쉬를 교체하는데, 실제로는 컴뮤테이터(전류장치) 및 슬립링등은 일년에 4번정도이다. 닳아 없어진 전류장치(코뮤테이터) 절연장치를 JB용접으로 수리한 이야기는 한편의 장편이야기거리라고  메튜는 말한다. 절연장치(인슐레이터)는 비전도체로서 선반을 이용해서 수리를 했다.  이것은 다 몇 년전에 걸쳐서 일어났던 이야기야며, 이 빌어먹을 장치는 지금도 여전히 잘 작동되고 있다.

초초소수력발전소

올슨 소수력의 총낙차는 대략 14피트정도 된다. 이것은 나무로 만든 도랑을 포함하며, 나무로 만든 도랑끝이 노즐 역확을 하여, 13피트 직경의 물레바퀴를 돌린다.

올슨의 초초소수력발전시스템애서 총 최대출력은 2.5kW이며 전압은 120볼트, 60헬즈이다.

이 초초소수력은 요란스럽지만,  하루에 40kWh정도를 생산한다. 바퀴는 시간당 1입방 피트의 물을 사용하여, 발전중 분당 12회로 회전한다.  로베 골드버그라고 자랑하는 잭사프트 시스템을 통해서,  회전속도가 거의 분단 2000회로 증속된다. 

보수의 대부분은 매주 베어링에 그리스를 주입하는 업무이고, 한겨울 동안에는 바뀌에 두껍게 얼어붙은 얼음을 떠어주는 것이다.

교류수력발전의 생활이용

교류수력발전은 단독운전에 필요한 밧데리 및 인버터 또는 콘트럴러가 필요없다.

이것은 요란한 소리를 내면서 도는데, 이힘을 사용목적에 맞게 사용할수 있다. 발전부담이 증대되면 전압 및 주파수 강하가 되므로 일부부하에 절전을 시도해야 한다. 이와는 반대로 발전기 부담이 감소가 일어날경우는 물레바퀴의 속도가 증가하게 되므로, 고압 및 고주파 영향을 받을수 있는 전등, 가전제품등을 회로에서 분리해야 한다.

       <그림> 동력변환장치는 저속(분당12회)의 오버샷 물레바아를 고속(분당 2000회)으로 변환하여 발전기를 돌린다. 

      물레바퀴는 그림에서와 같이 상부축에 연결되어 있다. 여기에서 체인장치는 동력을 보다 고속의 다음축에 

      전달하는데 사용되어진다. 모두 합해서, 4개의 축이 속도를 증가시키는데 사용되어, 발전기를 동작시키기

       위해서 160배의 증속을 가진다.

 

                                                              <그림> 매튜와 로지에의 수력발전 택지

떨어지는 물은 전기를 생산할뿐 아니라, 정원 물공급 및 집에 물을 공급하기 위한 램펌프를 가동하는데에도 사용된다. 한낮 거실에 불을 켜놓는것은 화재의 위험이 있다는 것을 주의해야 한다. 이것은 120볼트 60헬쯔  수력시스템의 전형적인 예시이다.

                                  <그림>초당 1입방피트의 물량을 가지는 수량을 이용한 물레바퀴 가동용 수로

떨어지는 물의 수력동력학

오버 샷 물레방아는 중력을 이용하는데, 물이 떨어질때 일을 한다고 하는데, 이는 물체의 낙하에 의해서 물체가 가속되기 때문이다. 오버 tit  물레방아는 물의 에너지를 물레방아축을 이용하여 기계동력으로 변환하게 된다.  가용변환 에너지량은  2가지 요소에 의존한다.

(1) 시간당 물레바퀴로 흐르는(유입되는) 물의량

(2) 떠어지는 물의 수직 낙차

여기에 적용되는 방정식은

  P = MH/ 0.7376

여기서  P =  가용전력[W]

        M = 초당 유입수의 무게(파운드)

               물 1갤런의 무게는  대략 8파운드

               1입방 피트의 물 무게는 대략 64파운드

        H =  물이 떨어지는 거리(피트)

              대부분의 오버샷 물레방아는 회전각 120도로 물을 캐취한다

              회전각 120도에서,  H는 바퀴 직경의 1.5배에 해당한다.

0.7376은  퍼지팩터로서 이것은 단위당(초당 피트-파운드) 동력을 전력으로  변환하는 데 필요한 상수이다.

이 방정식으로부터 수력학에 관한 2가지 사실을 알수 있는데, 초당 유입유량이 많으면 많을수록.. 그리고 떨어지는 폭수의 높이가 높으면 높을수록 좋다는 것이다. 이러한 두가지 요소, 즉 유량과 낙차가 수력종류에 관계없이 가용용량을 결정하게 된다.

                                                                            <사진> 매튜 올슨

매튜와 로지에는 단순한 형태이 매뉴월을 사용하는데 이를 가지고 부하관리를 하고 있다.   그들은 불을 켠채로 집을 비운다.  로지에는 농담삼아 다음과 같이 말한다.

“ 우리 시스템에 대해서 잘 모르는 친구들과 집에 올 경우, 지난밤은 당신들이 불을 켠채로 침실로 간것 때문에 지난밤은 악몽이였어,   또 부엌 싱크대 와 냉장고 사이에 설치된 전압계, 주파수계를 계속해서 주시하는것이 마치 독수리눈과 같어,, 라는 말들을 종종한다“  우리는 이런것들을 확인하는것을 다른사람들이 주시하곤 하는데, 로지에의 말에 따르면 이제 더 이상 이런 말들에 신경쓰지 않는다...라고,..

<<위 내용해설---편집자주.....>>

위 물레방아 소수력은 조속기(Governer)가 없으므로 부하가 적게 걸리게 되면 물레방아가 가속하게어 주파수민 전압이 상승

할수 있어  밤에 부하를 죽일 경우 가전제품에 치명적인 악영향을 미칠수 있습니다. 따라서 올슨 가족은 밤에 잘때도 불을 켜놓는것 같습니다.. 이럴 경우  차짓 전등이 과열되어 미국같은 목조건물은 화재의 위험도 내포하고 있다고 볼수 있습니다. 따라서 독립형이라도 밧데리등을 활용한 인버터 방식으로 사용한는 것이 훨씬 전력을 안정적으로 사용할수 있습니다.

집에서 가장 교통이 편리한(계기를 주시하기 위한) 장소가 어딜까??  신재생에너지를 사용하는 가정에서 신재생시스템을 설치하는데 가장 중요한것이 인스르먼트(기계기구)의 설치이다.

이러한 종류의 부하관리는펠톤과 같은 충동터빈에서는  어려을뿐 아니라 다소 위험스럽기도 하다. 그렇지만 오버샷 물레방아는 단지 분당 12회전정도이므로, 전압및 주파수 변동변위가 그리 크지 않다. 가전품및 가동시키기에 충분한 시간이지만,  접시닦기 기기등을 가종시킬때는 잠시 동안 전등을 끄기도 한다.

수력기기

매튜와 로지에의 시스템은 그들이 필요로 하는 모든 가전제품에 전력을 공급한다.  소수력으로 전기를 생산해서 사용하고 있는 대부분의 주민들과 마찬가지로 그들은 상당한 전력을 소비한다.  출력 제어관점에서  소수력 살펴보면,  전등과 같은 물건은 불이 나기 쉽다. 매튜와 로지에는 조명, 위성텔레비젼, 메튜의 작업장, 그리고 부엌가전제품 등에 전력을 사용한다. 요리와 물가열은 프로판가스를 이용하고 있다.

물을 사용하기 위한 물의 사용

가정용 펌프를 가동시키는 것은 전력을 사용하기보다는 램펌프(매튜와 로지에가 40년동안 사용한 Rife 램펌프)를 사용하는 편이 좋다.  Rife펌프는 2인치 직경의 파이프를 통해서 물을 공급하는데,  약 20피트 깊이의 또다른 예전의 광산 방수로에서 취수하고 있다.

이들은 Rife램펌프를 24년 이상 사용해 오고 있다. 램펌프는 대형수압탱크가(여름의 잔디용 스프링클러, 겨울 오버플로용) 와 조합으로 사용한다. Rife는 용량이 10-15gmp정도이다.

                                                               <사진>로지에 올슨의 아름다운 정원

이정도의 취수량을 끈임없이 유지하기 위해, 탱크압력을 25-30psi정도로 유지한다. 이정도의 수량은 대부분의 가정용 물사용에 충분하다.

                                                <사진> Rife 수력이용 램펌프 24년동안 올슨가정에 물을 공급    

매튜는 소형 펫콕을 부가함으로서 램펌프상에 있는 에어탱크의 용량을 변경해 왔다.  이밸브는 매주 해주어야 하는 에어 벤트(5분내 기동하기 위한 펌프에서의 에어큐선작업),  드레인작업등의 자잘구레한 일들을 해준다. 또 다른 유지보수 업무는 24년동안 사용한 램펌프의 고무실링및 가스켓을 5년마다 한번씩 교체해주는 것이다. 처음으로 교체가스켓을 산 이후로 매튜는 콘베어 벨트를 이용해서 자체로 가스켓을 만들어 사용하고 있다.

결론

 올슨의 라이프 스티일 과 재사용철학에 바탕을 두어 오랜시간에 걸쳐 해온 것은은 이것이 전부는 아니다.  오늘날 우리의 대부분은 이런 방법을 이용하는 신재생에 대해서 커다란 주의를 가지고 있지 않지만, 올슨가족은 이런 신재생 사용이 가능하다는 것을 입증시켜주고 있다.