배터리리스 계통연계형 초초소수력 시스템

[세옹지마]

http://cafe.naver.com/renewableenergy/78173

A Batteryless, Utility Intertie Microhydor system 

배터리리스  계통연계형 초초소수력 시스템

 

 

Sophia likes the Aqua Shear intake—from here, 1,000 feet of pipe runs to the turbine.

소피아씨는 여기에 보이는 아쿠아시어 인테이크를 선호.. 1000피트(305미터) 파이프를 사용 터빈을 돌림

 

Kitty Couch lives near the end of a gravel road outside Burnsville, North Carolina. Plum Branch drops out of a ridge facing the Black Mountains along the east boundary of her property. It is a small, seasonal stream with a flow range of around 60 to 130 gallons per minute. At her location, a 75 foot (23 m) head over a distance of 1,000 feet (305 m) is available.

키티 코우치는 자갈길 바깥쪽 번스빌의 끝자락 근처에 살고 있는데 이곳은 북켈리포니아에 있는 지역이다. 풀름브렌지(지류의 한 강이름)는 블렉산맥에 이어진 산등성이로부터 떨어져 내리는 냇물으로서, 그녀가 소유하고 있는 부동산의 동쪽경계에 있다.  이 여울은 작고 계절적으로 형성되는 지류로서, 약 분당 60에서 130겔론(초당 3.8에서 8.2리터)정도의 수량을 가진 냇물이다. 그녀가 살고 있는 곳에서 약 23미터의 낙차를 얻을수 있는데, 총 긍장은 대략 305미터 정도이다.

 

Kitty is a potter and uses electric kilns. Between her home and shop, she had been using about 650 KWH per month. She wanted to reduce her US$80 monthly electric bill, and wanted to take advantage of the water resource of Plum Branch. She called The Solar Guys, a local renewable energy business that I run, and asked me to design and build a microhydro system for her.

키티는 도공으로서,  전기화로를 이용한다.  그녀의 집과 가게에서 사용하는 전기는 월 650[kWh/월]정도의 전력을 사용한다. 그녀는 매월 80불(약 10만원) 정도의 전기요금을 내는데,  푸름브렌지의 물을 이용해서 전력을 생산할수 있기를 바랬다. 그녀가 알고 있는 솔라기술자(지역 신재생 사업자)에게 이런 내용을 문의, 설계에 반영해서, 초초소수력을 지어줄것을 요청했다.

 

Site Analysis (입지분석)

The site survey started by determining Kitty’s property boundaries, and where the stream lay within these boundaries. She had just acquired another 3.5 acres at the upper part of her property, which increased the length of the stream she owned. I took advantage of the fact that the surveyor was coming to map her new boundaries; I met him and got him to show me the highest point of the creek on her property.

입지조사분석을 통해 키티의 경계내에서 가용량을 조사했고,  그녀의 경계지역 냇물에서 이런 자원조사가 이루어졌다. 그녀는  그녀가 소유한 부동산 윘쪽에 3.5에이커의 또다른 부동산을 획득했다.  측량기사가 그녀가 소유한 냇물의 길이를 지도에 표시해서 가져왔다. 이것을 바탕으로 초고높은 지점에서 낙차를 산정했다.

From a point within a few feet of the boundary, there was a small waterfall that would work perfectly for the Aqua Shear intake I was hoping to use. After determining the highest possible point on the stream, I needed to determine the lowest. The most obvious place was the existing man-made pond at the bottom end of her property. It already had a 4 inch PVC penstock buried along the stream for about 400 feet (120 m).

그녀 소유 토지의 경계지역 부근에 작은 폭포가 있는데, 이곳이 아쿠아시어 코안다 인테이크 장치를 설치할 최적의 장소로 생각되었다.   가장높은 위치(취수설비 위치)를 결정한후 발전위치(가장 낮은 위치)를 결정해야 했는데, 이곳은 그녀의 부지 하단경계에 있는 연못이 있는 위치이다. 이곳은 이미 약 400 피트 (120m)의 흐름을 따라 매설된  4인치(101밀리) PVC의 수압관을 가지고 있었다.

This looked like the best place to put the turbine house. All I had to do was tie into the pipe flowing into the pond, and let the tailwater spill into the pond. Next I used a transit and worked my way up the hillside to the small waterfall. I determined that Kitty had 75 feet (23 m) of head for her hydro site. After measuring this out along the proposed path of the penstock, I concluded that adding another 600 feet (180 m) to the existing 400 foot (120 m) penstock would do the job.

이곳이 터빈하우스로는 최적의 장소같이 보였다.  취수구로부터 폰드까지 물이 파이프로 흘러내릴수 있도록 모든 파이프를 연결해야만 한다. 다음으로 조금의 망설임도 없이, 작은 폭포에서 언덕까지 내 방식대로 파이프를 연결하는 작업을 시작했다. 나는 키티가 그녀가 제안한 수력 사이트에 대한 낙차가 75 피트 (23m)을 가지고 있다고 판단했다.  수압관의 제안된 경로를 따라, 이를 측정 한 후, 나는 기존의 400 피트 (120m) 수압 관에 다른 6백피트 (180m)을 추가하는 일을 해야한다는 결론을 내렸다. 

 

Next I needed to determine the flow of the stream. By setting up a small weir to determine the volume, and using a bobber and a stopwatch to determine the speed of the stream, I came up with fairly consistent figures. The stream was yielding 130 gallons per minute (8.2 liters per second) during the wet season.

다음으로, 나는 냇물로부터 취수가능 유량을 결정해야만 했다. 유량을 결정하기 위한 작은 보(노치)를 만들어 낙시찌와 스톱워치를 가지고 물의 유속을 측정했고, 이를 통해서 신뢰성 있는 값을 얻었다. 스트림은 우기 동안 분당 1백30갤런을 (초당 8.2 리터) 산출이 가능 하였다.

The neighbor above Kitty’s property also has a hydro system on the same stream. Since he is farther up the stream, he has less flow. But he was able to let me know that the stream usually cuts to half its wet season flow during the dry season. From this I figured that the stream would reduce to roughly 60 gallons per minute (3.8 lps) during the dry season.

키티의 이웃사림은 이미 같은 스트림을 이용한 수력 발전 시스템을 가지고 있습니다. 그는 스트림에서 멀리 있었기 때문에, 그는 더 적은 취수유량을 하고 있다. 그러나 나는 그가 스트림에서 취스할수 있는 양은 일반적으로 건기시에는 절반정도, 우기시에는 취수에 심각한 장애가 있을수 있음을 알수 있었다.  이에서 나는 스트림이 건기 동안 분당 약 60갤런 (3.8 LPS)로 줄어들 것이라고 예상된다.

Now I knew that the head was about 75 feet (23 m), the length of the penstock 1,000 feet (305 m), and the flow of the stream 60 to 130 gpm. I only wanted to use half of that, so I would size the system to use 30 gpm (1.9 lps) in the dry season and 65 gpm (4.1 lps) in the wet season.

내가 결정한 초초소수력 제원은 

(1) 낙차 : 23미터

(2) 팬스탁 긍장: 305미터 ( 122m : 101밀리,  183m : 75밀리 )

(3) 팬스탁 직경: 101밀리

(4) 냇물 유량: 30 ~ 130 gpm

(5) 취수가능 유량: 30 ~ 65 gpm ( 1.9 ~ 4.1 lps )

     - 건기 : 1.9  lps

     - 우기 : 4.1  lps

(6) 터빈 : Harris Hydroelectric turbine, 2 nozzle, 48 V ( 건기 노즐경: 8밀리,  우기 노글경: 11밀리)

(7) 계통연계 인버터: AES GC 1000 inverter, GFI, & disconnect

10.37	(Kf,eg.Entrance+ 90's)
0.001524	pipe roughness (mm)				1	1. 플라스틱
7.5	pipe dia (cm)		2.953	pipe dia (in)		2. 상철
305	pipe length (m)		1000.7	pipe length (ft)		3. 회주철
23.0	static or total head (m)		75.46	static head (ft)		4. 도금철
2	number of nozzles					5. 주철
79%	turbine efficiency(%)
80.0%	generator efficiency'(%)					런너직경입력
70.9	runner pitch diameter (mm)			choose	1	70
48.0%	Runner %Vjet				0:직접입력
2	극수(Pole)				1 : 70.9mm
0.08	pipe dia (m)			빨간색:입력	10: 122.1mm
0.004	area(m2)
2.032E-05	eps/dia
2.86%	est % motor slip
0.1	lps step		% slip	motor rated rpm
			2.857%	3500	1차풀리경	1	0.925
				3600	2차풀리경	1	최대낙차
				3703		1.00000	23

lps 취수량	v (m/sec)	dp(m) 마찰손	Eff.Head(m) 유효낙차	Shaft(W) 축동력	Electric(W) 발전정격	Vjet (m/sec)	터빈 RPM	~Hz output 2pole	D-nozzle (mm)	D-nozzle (mm)	동적효율 %	마찰로스 %
4.1	0.93	4.15	18.8	598	479	19.2	2486	40.3	11.651	16.477	51.75%	18.06%
0.5	0.11	0.10	22.9	89	71	21.2	2740	44.4	3.875	5.480	62.89%	0.43%
1.0	0.23	0.33	22.7	176	140	21.1	2726	44.2	5.494	7.770	62.24%	1.45%
1.5	0.34	0.69	22.3	259	207	20.9	2705	43.8	6.756	9.554	61.28%	2.98%
2.0	0.45	1.14	21.9	339	271	20.7	2677	43.4	7.841	11.089	60.02%	4.98%
2.1	0.48	1.25	21.8	354	283	20.7	2670	43.3	8.045	11.377	59.73%	5.43%
2.2	0.50	1.36	21.6	369	295	20.6	2664	43.2	8.244	11.659	59.43%	5.90%
2.3	0.52	1.47	21.5	384	307	20.6	2657	43.1	8.440	11.937	59.12%	6.39%
2.4	0.54	1.59	21.4	398	318	20.5	2650	42.9	8.634	12.210	58.80%	6.90%
2.5	0.57	1.71	21.3	412	330	20.4	2642	42.8	8.824	12.479	58.47%	7.42%
2.6	0.59	1.83	21.2	426	341	20.4	2634	42.7	9.012	12.745	58.13%	7.96%
2.7	0.61	1.96	21.0	440	352	20.3	2627	42.6	9.198	13.008	57.78%	8.52%
2.8	0.63	2.09	20.9	453	363	20.3	2618	42.4	9.381	13.267	57.42%	9.09%
2.9	0.66	2.23	20.8	467	373	20.2	2610	42.3	9.563	13.524	57.04%	9.68%
3.0	0.68	2.37	20.6	479	384	20.1	2601	42.1	9.743	13.778	56.66%	10.29%
3.1	0.70	2.51	20.5	492	394	20.1	2592	42.0	9.921	14.031	56.27%	10.91%
3.2	0.72	2.66	20.3	504	403	20.0	2583	41.8	10.098	14.281	55.86%	11.56%
3.3	0.75	2.81	20.2	516	413	19.9	2573	41.7	10.274	14.529	55.45%	12.21%
3.4	0.77	2.96	20.0	528	422	19.8	2563	41.5	10.448	14.776	55.02%	12.89%
3.5	0.79	3.12	19.9	539	431	19.7	2553	41.4	10.622	15.022	54.58%	13.58%
3.6	0.81	3.29	19.7	550	440	19.7	2542	41.2	10.795	15.266	54.14%	14.28%
3.7	0.84	3.45	19.5	560	448	19.6	2532	41.0	10.967	15.510	53.68%	15.01%
3.8	0.86	3.62	19.4	570	456	19.5	2521	40.8	11.139	15.752	53.21%	15.75%
3.9	0.88	3.80	19.2	580	464	19.4	2509	40.7	11.310	15.994	52.74%	16.50%
4.0	0.91	3.97	19.0	589	472	19.3	2498	40.5	11.480	16.236	52.25%	17.27%
4.1	0.93	4.15	18.8	598	479	19.2	2486	40.3	11.651	16.477	51.75%	18.06%
4.2	0.95	4.34	18.7	607	486	19.1	2474	40.1	11.821	16.717	51.25%	18.86%
4.3	0.97	4.53	18.5	615	492	19.0	2461	39.9	11.991	16.958	50.73%	19.68%
4.4	1.00	4.72	18.3	623	498	18.9	2448	39.7	12.162	17.199	50.20%	20.52%

 

Water Intake & Screen

The nice little 18 inch (46 cm) waterfall channeled the stream into a narrow flow of about 6 inches (15 cm) in width. After reading the HP71 article on the Aqua Shear screen, I had a feeling that this was going to work out well. 

46 cm의 작은 낙차를 갖은 폭포로부터 물을 취수하기 위해서 15cm 의 좁은 폭을 갖는 코안다를 설치한다. HP 71 아쿠아 스크린에 관한  기사를 읽은 후 , 나는 취수설비에 있어서 이방식을 적용 해야겠다는 느낌을 강하게 받았다. 

The screen isn’t cheap, at almost US$200 a square foot. But it’s worth it to have no maintenance on the intake. Especially since Kitty is in her 70s, and wouldn’t want to be continuously cleaning the screen.

이 스크린 장치는 결코 싸지 않았는데, 가격이 1피트당 미화 200불 ( 한화로 220,700원, 2016.09.24기준)에 달했다. 특히 키티여사는 나이가 70대 이기 때문에 지속적으로 스크린을 청소해야 하는 부담을 안고 싶지 않아 했다.

When I received the screen, which was the smallest piece I was allowed to order (1 foot by 1 foot; 0.3 x 0.3 m), I made up a mock intake box with plywood. I had to make it so that it conformed to the rocks in the small waterfall and allowed the screen to receive the bulk of the water coming over it.

주문후 스크린이 도착했는데, 이 스크린 조각의 크기는 겨우 가로 세로 각각 0.3 x 0.3 미터인 작은 조각이였다.  나는 합판으로 모의 흡기 박스를 만들었다.  나는 그것이 작은 폭포에서 바위 사이를 통해 흘러 내린 물의 대부분을 스크린이 받을 수있도록 했다.

Then I had to determine where the penstock would attach and how. I also made a little overflow slit above the penstock and below the Aqua Shear screen. This was because we were only taking half the water flowing onto the screen (this was controlled by the size of the orifices at the turbine). The overflow slit helps determine when the orifices need to be changed. When water stops coming out of the overflow, it’s time to reduce the size of the orifice.

코안다 스크린 설치시 수압관을 어떻게 배치, 연결하느냐를 결정해야만 했다. 나는 또한 아쿠아 스크린 전단에  수압관으로 취수하는 양 대비 셀프 스크린을 위해서 약간의 오버 플로우를 하도록 했다. 우리는 스크린위를 흐르는 물의 단지 절반만을 (이 터빈의 오리피스의 크기에 의해 제어 된) 취수할 예정이기 때문이었다. 오버 플로우 슬릿은 구멍을 변경할 필요가있을 때를 결정하는 데 도움이 됩니다. 물 넘침현상이 발생되지 않을 경우엔 , 오리피스의 크기를 감소해야 할 필요성이 있다.

 

Once I had perfected this, I took it to a local welder. Fortunately, he had done a lot of work similar to this for the local mining industry over the years. He made a simple 1/4 inch (6 mm) steel plate box from my plywood mockup. It had a footprint that was roughly a square foot (0.09 m2), with a back wall 18 inches (46 cm) high like that of the waterfall, and a front wall that was determined by the 40 degree pitch of the square foot Aqua Shear screen.

일단 완벽한 제작에 성공했고, 이것을 만드는데 있어서 이지역 용접공의 도움을 받았다. 대행히도 이 용접공은 이와 유사한 제품을 인근 광산에서 많이 만들어 본 경험이 있는 사람이였다.  그는 내가 만든 합판 목업을 보고,  단순하게 6밀리 철판으로 박스롤 만들었다.  이 코안다 박스는 대략 1평방 피트(0.09 평방미터)로서 약 46센티 높이의 폭포벽에 접해있고, 스크린은 약 40도의 경사각을 갖도록 구성되어 있다. 

 

It allowed enough room for the penstock flange to be mounted, and still had room for a 3/4 inch (19 mm) slit for overflow. I later had to put mesh over the slit to keep salamanders from crawling in. The side walls were brought up about 22 inches (56 cm) high to create a channel to force the water toward the screen. On one side, I had to leave a small section out to accommodate a rock.

이 코안다 스크린 박스엔 팬스탁 연결용 플랜지가 장착될수 있는 충분한 공간을 확보토록 하였는데, 이렇게 하고도 물을 오버플로우 하기 위해서 여전히 19밀리 정도의 틈새가 있다.   나중에 크롤링 도롱뇽의 생태에 영향이 없도록 슬릿을 통해 이동을 할수 있어야 한다. 보의 벽은 약56센티의 높이로서 물이 스크린을 통해서 유입된다. 한 측면에서, 나는 바위를 수용하기 위해 밖같쪽의 작은 부분을 그대로 남겨놓아야 했다. 

The stainless steel Aqua Shear screen filters to a 0.5 mm (0.02 inches) particle size, and can draw 350

gallons per minute (22 lps) per square foot (0.09 m2). It is self cleaning, and should require little or no maintenance.

스텐레스 스틸 아쿠아시어 스크린 필터는 0.5밀리의 미립자를 필터링할수 있을뿐 아니라 0.09평방 미터당 초당 22리터의 물의 취수가 가능하다.  이 코안다 장치는 자정능력을 가지며, 유지보수가 거의 필요없다.

Penstock

There was already a 4 inch schedule 40 PVC pipe run from the stream to a pond where the turbine now sits on Kitty’s property. This pipe had been installed to feed the man-made pond. The intake for this pipe was some 600 feet (180 m) below the intake needed for the turbine.

키티의 소유부지에 설치된 터빈이 있는 연못으로부터, 냇물까지는 이미 101밀리 플라스틱 수압관이 깔려있는 상태이다. 이 파이프는 인공연못에 물을 유입하기 위해서 만들어 놓았던 시설이다.  이 파이프를 통한 취수된 물은 약 180미터 아래에 있는 터빈으로 유입된다.

 

 

<그림> A hinged roof covers the two-nozzle Harris turbine. The tailrace dumps into Kitty’s pond.

열고 닫을수 있는 힌찌(돌쩌귀)가 붙은 지붕이 있는 터빈실엔 2노즐 하리스 펠톤이 장착.  방류수는 키티의 연못으로 방류된다.

 

<그림> The air release valve between the 600 feet of 3 inch pipe and 400 feet of 4 inch pipe.

75밀리(600피트, 183미터) 파이프와 101밀리(400피트, 122미터) 파이프 사이에 설치된 공기방출변 

 

 

I ran a 600 foot section of 3 inch black polyethylene from the turbine intake to the existing PVC pipe. The 4inch pipe had been buried, and I was able to tie into the top of it with the poly pipe, and run that up through the woods. It ran along the stream, but far enough away to not be affected by flooding.

터빈취수설비로부터 현존하는 플라스틱 파이프까지 75밀리 블랙 폴리에틸렌 파이프 600피트(183미터)를 깔았다.  101밀리 파이프는 땅속에 뭍혀었고, 나는 숲을 통해 내려온 파이프를 폴리 파이프와 연결 할 수 있었다. 이 스트림을 따라 병행해서 파이프를 깔았지만,  홍수를 대비 충분히 냇가에서 이격해서 설치함으로서 홍수의 영향을 최소화 했다. 

I was not able to bury the pipe any farther up the stream because of the rough terrain (rock and laurel thickets), so I went with poly pipe. Three inch was sufficient for the water flow, and poly was my choice because of cost, sunlight resistance, freezing durability, and flexibility. I used 100 foot (30 m) lengths of pipe with slip fittings and clamps.

나는 거친 지형 (바위와 월계수 덤불) 때문에 스트림까지 더 파이프를 묻을수는 없었다. 그래서 나는 노출에 강한 폴리 파이프를 설치했다. 75밀리 파이프의 사용이 물취수에 전혀 영향이 없는 크기이며,  단가, 햇볕부식, 동결방지, 그리고 유연성등을 고려해서 폴리파이프를 선정했다. 한롤당 30미터의 길이를 갖는 파이프간의 연결은 슬립피팅 및 클램프를 사용해서 연결했다.

I secured the pipe with metal fence posts and used stranded galvanized wire with a plastic sheathing to attach the pipe to the posts. In one section, there was an old mining road. I cut a metal culvert in half lengthwise, laid it over the pipe, and buried it. This was to protect it from the frequent 4-wheelers that use the road for recreation.

나는 금속 울타리 기둥 파이프를 확보하고 포스트에 플라스틱 피복 파이프를 연결, 아연 도금 연선 와이어  사용해서 팬스탁을 보호했다.  인근에 오래된 광산 도로가 있었다. 나는 길쪽에 반 금속 구를 잘라 파이프에 그것을 배치하고 매설함으로서 휴양 도로상 사용 빈도높은  4 륜차로부터 파이프를 보호할수 있도록 하였다.

The only other thing noteworthy about the penstock was that where I joined the 3 inch pipe to the 4 inch

pipe, I put a breather in so air pockets can be released manually. The outflow from the turbine is directed to the pond.

4 인치(101밀리) 파이프와 3 인치(75밀리) 파이프의  합류지점의 수압 관에 대한 주목할만한 유일한 다른 점은, 공기 주머니를 수동으로 해제 할 수 있게 함으로서, 팬스탁의 원할한 동작을 가능하게 하는 것이다. 터빈에서 유출되는 수량은 직접 연못으로 배출된다.

The turbine is set 2 feet (0.6 m) above the ground level to enable easy changing of nozzles without removing the turbine housing. The turbine house is constructed of concrete block with a hinged roof. There is very little noise, and the turbine is well protected from the elements.

터빈은 터빈하우징을 제거하지 않고 쉽게 노즐을 교체하기 위해서 지상 0.6미터 위치에 설치했다. 터빈 하우스는 힌지 지붕 콘크리트 블록으로 구성되어 있어, 소음이 거의 없으며, 터빈은 각종 위해요소들로 부터 보호된다.

Turbine & Controls

Analysis of Kitty’s water resource indicated that the flow and head were adequate for a DC hydro system

generating 200 to 400 watts. It would use dual 5/16 inch (8 mm) jets during the dry season for about 200 watts of output. During late fall and winter, up to 400 watts could be generated using dual 7/16 inch (11 mm) jets.

키티의 물 자원에 대한 분석결과 유량과 낙차가 200 ~ 400 와트를 생성하는 DC 수력 발전 시스템이 적합 함으로 나타났다. 건기 동안 약 200W 출력이 발전되며, 노즐은 5/16 인치 (8mm) 제트를 사용한다. 늦은 가을과 겨울 동안 최대 400W가 발전되며,  7/16 인치 (11mm) 제트를 사용하여 발전한다.

The projected flow rates were 30 to 65 gallons per minute (1.9 ~ 4.1 lps), or about half the stream flow.

취수유량은 분당 30 ~ 65갤런 (1.9  ~ 4.1 LPS) 또는 스트림 흐름 반정도 이다.

 

<그림> The Advanced Energy Systems GC1000 inter tie inverter and Trace C-40 used as a diversion controller. 

Advanced Energy Systems GC1000 인터타이 인버터 및 Trace C-40는 디비전 컨트롤러로 사용된다.

 

<그림> Kitty Couch’s Grid-Intertied Hydro System

키티 소파의 계통연계 초초소수력 시스템

 

The system would generate 5 to 10 KWH per day or 150 to 300 KWH per month. A 48 volt turbine from

Harris Hydroelectric Systems was chosen. It is designed for battery charging of systems up to 48 volts, and can generate up to 1,500 watts. Don Harris told me that 57 volts is the optimum voltage for this unit. In Kitty’s system, the controller will not allow the voltage to go over 60 volts maximum.

이 시스템은 하루에 5 ~ 10 kWh 또는 한 달에 150 ~ 300  kWh를 발전합니다. 해리스 초초수력 발전 시스템에서 48 볼트 터빈이 선택되었다. 그것은 48 볼트까지 시스템의 배터리 충전을 위해 설계, 1,500 와트까지 생성 할 수 있습니다. 돈 해리스씨는 "57 볼트가 본 기기에 대한 최적의 전압이다"라고 나에게 이야기했다. 키티의 시스템에서, 제어기는 전압이 최대 60 볼트 초과를  허용하지 않을 것이다.

Kitty needed the grid to meet her average and peak electric needs, and she was not interested in a backup power system. So she decided to go with an intertie system without batteries. This presented several opportunities and challenges. She would not need battery charging capacity in her system, or a charge controller. There is no need to limit DC output voltage to that of the battery bank for this sort of system.

키티는 그녀의 평균 및 최대 전기 요구를 충족하기 위해 그리드가 필요하며, 그녀는 백업 전원 시스템에 관심이 없었다. 그래서 그녀는 배터리없이 계통연계 시스템으로 가기로 결정했다. 이것은 여러 가지 기회와 도전을 제시했다. 그녀는 시스템의 배터리 충전 용량 또는 충전 컨트롤러를 필요로하지 않을 것이다. 이 시스템의 이러한 종류의 배터리의 뱅크에 DC 출력 전압을 제한 할 필요는 없다.

Using the grid as the load and in place of a battery bank also means saving the cost of batteries and having to maintain them. These factors led to choosing an inverter that did not have battery charging capability and which would accept a higher DC input voltage. This reduced the wire size needed between the turbine and the house, where the inverter was to be installed. This distance is about 225 feet (70 m), and #2 (34 mm2) copper wire is sufficient to keep losses below 2 percent.

부하와 같은 배터리 뱅크 대신에 계통연계를 사용해서 전지의 비용을 절감되는 시스템을 이룩하는 것을 의미한다. 이러한 요인은 배터리 충전 기능을 갖고 있지 않음으로서,  더 높은 DC 입력 전압을 받아들일수 있는 인버터가 선택되었다. 이 인버터를 설치 하므로서 터빈과 집 사이에 필요한 와이어의 크기를 감소시켰다. 이 거리는 약 225 피트 (70m) 및 #2 (34 MM2) 구리 와이어를 사용하므로서 2 % 이하로 손실을 유지하기에 충분한 굵기이다.

The system design is shown in the schematic. The Advanced Energy Systems GC 1000 used in this system is a 1 KW inverter designed for interfacing fuel cells with the grid. It does not have power point tracking, which the standard GC 1000 designed for PVs does have. It will accept DC input voltages from 45 to 75 volts.

시스템 설계가 개략적으로 도시되었다. 이 시스템에서 사용하는 어드밴스드 에너지 시스템 GC 1000는 그리드 연료 전지의 인터페이스를 위해 설계된 1kW 인버터이다. 그것은 PV를 위해 설계된 표준 GC 1000에 내장된 전력 점 추적을 가지고 있지 않다. 그것은 45 ~ 75 볼트의 DC 입력 전압을 받아 들일 것이다.

The inverter and microhydro generator are coupled so that the inverter controls the generator output voltage at 57 volts. Turbine alternator output is regulated via parallel shunt regulation. The inverter output is 120 volts, 60 cycle synchronized with the grid, and the GC 1000 has all the disconnect features required for interconnection with the grid.

인버터 및 초초소수력 발전장치는 서로 상호 조합되어 있는데, 이렇게 함으로서 인버타가 발전기를  57 볼트 출력 전압을 제어하도록 한다. 터빈 발전기의 출력은 병렬로 설치된 분로저항의 조절을 통해 조절된다. 인버터의 출력 전압 120, 그리드와 동기화 주파수 60으로,  계통연계형 인버터 GC 1000이 계통연계 배전에 필요한 모든 차단 기능을 갖고있다.

The system needed a dump load in case grid power failed, shutting down the inverter, or if the inverter itself shut down. Without a constant load, the turbine will overspeed and be damaged. I chose the Enermaxer 1,800 watt, 48 volt (30 amps at 60 volts) air heater for a diversion load because it met the specs of the system. I felt that putting in a water heater for diversion was more trouble than it was worth because the system will rarely go down.

이 시스템은 계통연계 실패, 인버터 자체 차단에 기인한 인버팅정지 등에 대비한 덤프로드가 필요하다. 일정한 부하없이 무부하 운전을 할경우, 터빈이 과속하고 손상 될 수있다. 이 시스템의 사양을 충족하기 때문에 Enermaxer 1,800W 인버터 및  48 볼트 (60 볼트 30 암페어) 공기 히터를 선택했다. 나는 시스템 가격이 거의 내려 가지 않기  때문에  온수기용 히터를 두는 것은 더 많은 문제가 있다고 느꼈다.

 

 

<표> Couch Hydro System Costs

Item	Cost (US$)	비용(원)  [16.09.24기준]
AES GC 1000 inverter, GFI, & disconnect	$1,785	1,969,748
Harris Hydroelectric turbine, 2 nozzle, 48 V	$1,360	1,500,760
Penstock&pipefittings	$1,000	1,103,500
Wire, conduit, & miscellaneous electrical	$600	662,100
AESAM100invertermonitor	$540	595,890
Turbine house & penstock hardware	$500	551,750
Steelintakepieces	$200	220,700
TraceC-40	$195	215,183
Aqua Shear intake screen	$185	204,148
Enermaxerairdiversixxxxxxxxonload,48V	$175	193,113
Electrolyticcapacitor	$56	61,796
Total	$6,596	7,278,686

한화로 약 750만원 정도 소요

 

 

Smoothing It Out

Batteries in a microhydro system are like a flywheel, and serve to smooth out voltage fluctuations. A controller such as the Trace C-40 can be used as a load controller, and can switch to a dump load when voltage increases above a set level. In this application, the C-40 is set in charge control mode to dump power when the voltage rises above 60 volts. However, the control function is not reliable if voltage fluctuates.

초초소수력 발전시스템에서 밧데리는 플라이휠 역활을 하며, 전압의 요동을 방지하는 역할을 한다. 이러한 트레이스 C-40 등의 제어기는 부하 제어기로서 사용될 수 있고, 전압이 증가 할 때 설정된 레벨 이상의 덤프 부하로 전환 할 수있다. 본 시스템에서, C-40은 전압이 60 볼트를 초과하여 상승 할 때 파워 덤프 충전 제어 모드로 설정된다. 그러나, 조절 기능은 전압이 변동하는 경우, 신뢰성이 없을수 있다.

When initially installed, the C-40 load controller was set to switch to the dump load at 60 volts. However, during tests it would sometimes switch even when there was no loss of power or inverter output. Worse yet, it would fail to trip when the inverter was shut down. The challenge was to smooth voltage fluctuations.

처음에 설치되었을때, C-40 부하 제어부는  60 볼트에서 덤프 부하로 전환 되었다. 전원이나 인버터 출력의 손실이 없었다. 그러나, 테스트 중에 때때로 전환되곤 하었는데 심지어 인버터 출력이 없을때 조차도 전환되곤 했다. 그것은 인버터가 종료 될 때 트립 실패로 이어질수 있다. 문제의 해결점은 전압 변동을 원활하게 잡아주는 것이다.

 

A high capacity (110,000 microfarad) electrolytic capacitor was double-lugged with the leads from the hydro turbine across the battery input terminals of the C-40. The PV input terminals on the C-40 are connected to the dump load. The C-40 now properly senses the voltage and switches to the dump load within a fraction of a second whenever the DC voltage exceeds 60 volts. In this way, it protects the turbine from overspeeding.

전압변동을 잡기 위해서 높은 용량 (110,000 마이크로 패럿)의 이중러그 전해 콘덴서가  C-40의 배터리 입력 단자에 걸쳐 수력 터빈의 직류라인에 설치되었다.  C-40의 PV 입력 단자에 덤프 부하가 접속된다.  C-40가 전압을 감지하여 DC 전압이 60 볼트를 초과 할 때마다 순식간에 덤프 부하로 전환한다. 이러한 방식으로, 과속에서 터빈을 보호한다.

My thanks to Mark McCray of RMS Electric, Dean VanVleet of Trace Engineering, Ed Hall and Chris Badger at AES, Don Harris of Harris Hydro, and Derek Veenhuis and Dennis Ledbetter of APC for their help in figuring out how to handle the dump load diversion.

덤프 부하 전환을 처리하는 방법을 알아내는  도움울 준 RMS 전기의 마크 맥크레이, 트레이스 엔지니어링사의 딘 반비레트  AES사의  에드 홀과 크리스 배드거, 해리스 하이드로의 돈 해리스,  APC의 데릭 빈후이스, 데니스 레베터등 여러분께 감사드린다.

 

Net Metering (넥 메터링, 전력상계 시스템)

North Carolina does not have net metering legislation. But the French Broad Electric Membership Corp. (“French Broad” refers to a river in the area), which serves Western counties in NC, supports distributed renewable energy systems and allows net metering.

노쯔 켈리포니아주는 전력상계 제도를 운영하고 있지 않지만, 프렌치 보드 전력 멤버쉽 회사( 프렌치보드는 이지역 강과 연관된 내용을 취급하는 기관임)는 노쯔케롤라이나의 서쪽 주에 신재생에너지를 공급하는 일을 하는 회사인데, 전력상계시스템을 허가해 주었다.

They are more than willing to let their customers sell power back to the grid. They require that customers don’t produce more power than they use, have a lockable disconnect on the system accessible by the utility company, and use inverters in their systems that are proven to not backfeed the grid in times of power outages (such as Trace and AES).

그들은 고객이 기꺼이 계통에 전력을 팔수 있도록 하는것 이상의 도움을 주었다. 그들은  고객(전력사용자)이 그들이 사용하는 전력이상을 생산하기를 원치 않는데, 초과 전력량이 생길경우 전력사는 선로를 차단하는데, 출력전력이 계통으로 흘러들어가지 않도록 특별히 고안된 인버터를 사용한다.

They also require that you pull a permit and get an electrical inspection and an inspection by French Broad. And last but not least, they have you pay your utility bill once a year instead of once a month. So if you are out of town for a month and make more than you use, it won’t confuse the meter reader into thinking that your meter turned over a full 100,000 KWH instead of just spinning backwards a few KWH. In the event that you do make more than you use in a year, they will charge you a US$50 processing fee. If there is still any more owed, they will write the customer a check.

그들은 또한 허가를 당겨 전기 검사와 프랜치 보드에 의한 검사를받을 것을 요구하고 있습니다. 그리고 마지막으로, 그들은 당신이 한 달에 한 번 내는 방식에서  일년에 대신 한 번 공공 요금을 지불해야 합니다. 당신이 한 달 동안 도시에서 거주하여 사용량보다 더 많은 발전을 한다면, 그것은 당신의 미터가 대신 뒤로 몇 KWH 회전하므로서  풀10만 KWH 인 계량기 범위를 초과하지 않은한 생산된 전력에 의한 미터 판독기를 혼동하지 않습니다. 당신이 금년에 사용하는 것보다 더 많이 전력을 생산할  경우, 그들은 당신에게 US $ 50의 처리 비용을 청구합니다. 여전히 더 빚이 있을 경우(발전량보다 사용량이 많을 경우), 고객에게 청구서가 작성합니다.

 

<사진> Kurt and Kitty—proud and powered.

 

I used a local electrician, Danny Honeycutt, to pull the permit and wire the AC side of the system to meet code and the grid-tie requirements. Danny also proved to be extremely valuable in helping me fine tune the running of the system. We established a great working relationship on this project, and now work together on every install I do, whether it be grid-tie, stand-alone, PV, wind, or hydro. We now can also offer to wire the complete house, which the customer tends to like.

나는 허가를 당겨 코드와 그리드 타이 요구 사항을 충족하기 위해 시스템의 AC 측를 연결하는 로컬 전기기술자, 대니 허니을 고용했다. 대니는 나에게 있어서, 미세 조정 시스템의 실행을 돕는 데 매우 유용한 것으로 판명되었다. 우리는이 프로젝트에 큰 협력 관계를 모색, 모든 내가 할 설치에 지금은, 그리드 연계, 독립형 태양 광 발전, 풍력 또는 수력등의 연계 여부를  함께 의논합니다. 우리는 이제 고객이 좋아하는 경향(연계, 독립형등)에 맞는  완전한 집배선에 제공 할 수 있습니다.

 

Up & Running

Kitty’s system became operational at the end of May, 2000. Charles Tolley, General Manager of French Broad, came to the site to inspect and approve the system. He was pleased that the system was installed according to code, and pulled the meter himself to see that the system posed no danger to his linemen during power outages.

키티의 시스템이 월 말에서 운영되었고, 2000 년 찰스 톨리, 프랜치 보드사의 일반 관리자, 검사 시스템 승인받기 위해 사이트에 왔다. 그는 시스템의 코드에 따라 설치 한 것을 기쁘게 생각하고, 시스템이 정전 동안 그의 보선공에 위험을 제기하지 않기 위해서 플러그를 뽑았다.

An Advanced Energy AM 100 inverter monitor was also installed. It logs all inverter operating data. Data is averaged over 15 minute intervals, and stored for up to the last twenty days. It also maintains an event log with data on startup and stops, grid power failures, and the like. The system is generating 4.9 KWH per day in the dry season. Earlier, at the end of the wet season, the measured output was about 10 KWH per day.

향상된 Energy AM 100 인버터 모니터도 설치했다. 그것은 모든 인버터 작동 데이터를 기록합니다. 데이터는 15 분 간격으로 평균 및 지난 20 일 동안 저장한다. 또한, 시작 및 정지, 그리드 정전 등의 데이터와 이벤트 로그를 유지합니다. 이 시스템은 건기에 하루에 4.9 kWh를 생산한다. 앞서 우기의 끝에서, 측정 된 출력은 하루에 약 10 kWh 이었다.

 

Responsible for Our Energy Use

Kitty has had an interest in doing this for many years. She loves nature, and lives right in the heart of it. Over the years, she has noticed the impact that pollution has had on the local environment. This is especially evident when you go to the top of Mount Mitchell and see the damage that acid rain has done to the vegetation on the mountain.

키티는 몇 년 동안이 이 일에 관심을 가지고 있었다. 그녀는 자연을 사랑하고, 권리의 중심부에 살고있다. 수년에 걸쳐, 그녀는 오염 이 지역 환경에 미치는 영향을 발견했습니다. 당신이 미첼산의 정상에 올랐을 떼, 우리가 무분별하게 사용한 에너지의 영향으로 산성비가 내려, 산에있는 식물에 영향을 주어 피해를 볼수 있다는 것이 분명하다는 것을 알았다.

Kitty realizes that she is a part of the reason this acid rain is here. She drives a car, and uses electricity that is predominantly produced by coal (one of the main contributions to the pollution in North Carolina, which is only third to California and Texas in pollution production). Kitty wanted to do her part to fix that. She realized that she only had a small stream, and that her power production would be minor, but it was still important to her. Of course cost was an issue, so figuring out how to grid-tie the system without a battery bank was a key factor in making this project affordable.

키티는 그녀가 이 산성비를 내리게 하는 이유의 일부임을 깨닫는다. 그녀는 차를 구동하며, 주로 석탄 (오염물 생산에 캘리포니아와 텍사스 및  3 번째로 노스 캐롤라이나에 있는 오염원 생성의 주요 공헌 중 하나)에 의해 생산되는 전기를 사용합니다. 키티는 그 문제를 해결하기 위해 그녀가 사용하는 에너지의 일부를 직접 생산하고 싶었다. 그녀는 단지 작은 스트림을 활용했고, 그녀의 전력 생산이 사소한 것이라고,하지만 여전히 그녀에게 중요한 것을 깨달았다. 물론 비용을 고려해서 이 프로젝트가 저렴하게 구성할수 있는 배터리 뱅크 시스템을 사용하지 않고, 계통연계 시스템을 선택하게 된것이 이런 중요한 요인이었다.

The savings on her power bill has been moderate, but not insignificant. During the wet season, the turbine cuts almost US$30 off Kitty’s bill (300 KWH times 9.5 cents per KWH), and during the dry season it is doing about half that. She now gets a kick out of looking at her meter. She can see how much power she is producing, and feel good that it is coming from a renewable source, and not from burning coal.

 그녀의 전력요금 절감폭은 크지 않지만, 그런것은 그다지 중요하지 않다. 우기 동안, 터빈으로 인한 절감은 거의 US $30에 달한다[키티의 고지서 (300 kWh ×  kWh 당9.5 센트 = 28.50 달러 )]. 그리고 건기는 우기의 절반에 대한다. 그녀는 지금 그녀의 미터를 바라보고 기뻐한다. 그녀는 그녀가  얼마나 많은 전력을 생산하고 있는지,  그리고 자신이 생산한 전력이 석탄 연소에서 온것이 아니라, 신 재생 소스에서 온다는 것을 온몸으로 느끼고 있다.

Access (자료 제공)

Kurt Johnson, The Solar Guys, 99 Hannah Branch Rd., Burnsville, NC 28714

• 800-614-1484 or 828-675-9866 / Fax: 828-675-4555

• kurtj12@aol.com / www.solarguys.com

[세옹지마]

주택용 초초소수력 가격 / Brownell Micro Hydro
http://cafe.naver.com/renewableenergy/78446

좋은 자료 감사합니다.
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