수력발전소

수력발전소

수력발전소(hydroelectric power stations, 水力發電所)는 물의 위치에너지와 운동에너지를 이용해 전기를 만들어내는 발전소이다. 수력발전소에서는 공해가 발생하지 않고 연료의 공급도 필요하지 않다. 또 홍수나 가뭄의 조절에도 유용하며 운영하는 데에 드는 비용이 적지만 아무 곳에나 지을 수 없고 건설 비용이 크다는 한계가 있다.

개요

수력발전소는 강물, 호수 등 저수가 갖고 있는 중력 퍼텐셜 에너지를 물레방아, 터빈 등을 이용해 전기로 바꾸는 발전소로 물의 낙수차를 이용하여 전기를 생산한다. 물의 낙차에너지를 사용하는 발전 방법은 대개 2가지가 있는데 하나는 물에 대전된 전하를 특정 방향으로 집진하여 전기를 생산하는 것이고 다른 하나는 떨어지는 물의 운동에너지를 사용해 터빈을 돌려 발전기를 구동하는 식이다. 당연히 후자의 방법이 가장 많이 쓰인다. 수력발전소는 발전설비 용량이 5,000kW 이하는 소수력 발전으로 구분한다. 수력발전소는 전기 생산뿐만 아니라 다양한 용도로 사용되고 있다. 첫 번째 시민들에게 용수를 공급한다. 두 번째 집중 호우시 댐 방류를 통한 홍수조절로 자연재해를 예방하고 가뭄에는 댐에 저장된 물을 활용하여 농, 공업용수를 공급해 가뭄을 극복할 수 있게 해준다. 수력발전은 많은 양의 전기에너지를 얻기 위해 낙차가 커야 하며 낙차를 키우는 다양한 발전 방식을 가지고 있다. 물을 위에서 아래로 흘려보내는 수로식, 댐식, 댐수로식, 유역변경식과 아래에 있는 물을 끌어올려 다시 흘려보내는 양수식으로 크게 나누어진다. 수력발전에 사용하는 자연의 물(강우, 하천)은 순환계를 통하여 지속적으로 공급된다. 물을 이용한 발전은 탄소 배출이 거의 없으므로 만들어지는 에너지를 신재생에너지, 청정에너지로 분류한다.

전 세계의 에너지 사용량 증가에 따른 온실가스 배출로 극심한 가뭄, 국지적 집중호우 등의 기후변화가 발생하고 있으며 기후와 가장 큰 연관이 있는 수력발전소의 댐 운영 환경이 변화되고 있다. 수력 발전량에 가장 많은 영향을 주는 강수량의 편차도 최소 787㎜에서 최대 2,204㎜로 증대되고 있으며 과거 5~10년 주기의 가뭄이 90년대 이후 2~3년 주기로 자주 발생하고 있다. 전기는 기본적으로 전자의 이동이라서 저장해놓고 쓸 수 있는 게 아니라 생산과 동시에 소비할 수 있을 뿐이다. 물론 휴대전화 쓰듯이 화학 에너지로 저장하여 사용할 수도 있지만 예전에는 발전소에서 대량의 에너지를 저장할 수 있는 배터리 기술이 없었고 배터리 수명 문제 때문에 수지 타산이 전혀 맞지 않았다. 2000년대 들어서 신재생에너지 발전이 폭발적으로 늘어나면서 남는 전기를 저장하는 방법에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며 에너지저장장치(ESS) 라고 하며 가장 각광받고 있는 분야이다. 발전소의 경우에 출력을 함부로 낮추었다간 다시 복구하는데 시간이 오래 걸려 문제가 생길 있기 때문이다. 그런데 밤에는 전기 사용량이 적어져서 남는 전기가 많이 생기므로 수력발전소 댐의 물로 거꾸로 올리기도 한다. 이것을 양수식 수력발전소라고 하며 청평양수수력발전소가 대표적이다. 이러한 발전소는 발전을 하는 하부 댐과 물을 끌어올려 저장하는 상부 댐으로 나뉘어 있다. 일종의 배터리라 볼 수 있는데 화학식 배터리에 비해 저장 가능한 양이 매우 많으면서 수력 발전소 효율이 최소 90%이며 최근엔 거의 95%정도이기 때문에 손실율도 적다는 장점이 있다. 단점이라면 거대한 시설이 필요하다는 점이며 한편 물을 퍼서 저장하기 때문에 얻는 또 다른 이점은 유량이 적은 시기에도 일반 수력발전소보다 출력이 덜 줄어든다는 장점도 있다. 추가로 이러한 배터리 같은 특성 때문에 신재생에너지와 함께 사용되는 경우가 많다. 신재생에너지는 발전량이 불안정하다는 특징이 있기 때문에 수요에 맞게 공급하기 힘들 가능성이 높은데 양수식 수력발전소와 병행하여 일종의 거대 배터리를 겸용하는 시스템을 구축하면 이러한 문제를 해결할 수 있기 때문이다.

수력발전의 원리

수력발전은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 때 발생하는 위치에너지를 기계적 에너지(운동에너지)로 변환하고 이것을 다시 전기에너지로 변환하는 발전 방식이다. 높은 곳에 있는 물은 큰 위치에너지를 가지고 있어 물을 아래로 떨어뜨리면 높이의 차이만큼 해당하는 위치에너지가 발생한다. 이때 쏟아지는 물줄기 아래에 물레방아를 놓으면 물레방아가 돌아간다. 물의 높이 차이에 의해 발생한 위치에너지가 운동에너지로 변환되어 물레방아를 돌아가게 하는 것이다. 수력발전소에서는 바로 이러한 원리를 이용하여 위치에너지를 운동에너지로 바꾸고 이를 다시 전기에너지의 형태로 만들어 가정이나 공장 등과 같이 전기를 필요로 하는 곳에 공급한다. 댐에 저장되어 있는 물이 떨어지면 스크린 취수구를 통해 수차에 유입된다. 물은 수차에 유입되면서 회전력을 발생시키고 방수로로 빠져나간다. 이때 수차에서 발생한 회전력에 의해 발전기에서 전기를 생산하고 송전설비를 통하여 각 가정에 전기가 공급되는 원리이다.

수력발전소 단면 도해

수력발전소 단면도

• 수문 (gate): 움직이는 수직의 판이며 수압관의 수량을 제어한다.
• 갠트리 크레인(gantry crane) : 다리 형태의 권양기. 레일을 따라 움직인다.
• 변압기(transformer) : 전압을 바꾸는 장치. 전압은 전류를 발전소에서 내보낼 때 높아지며 이로써 전류를 멀리까지 운반할 수 있게 한다.
• 회로 차단기(circuit breaker) : 과부하가 걸리면 자동으로 전력 공급을 차단하는 장치이다.
• 모선/버스바(busbar) : 전류를 교류 발전기에서 변압기로 운반하는 커다란 알루미늄 도선이다.
• 부싱/애관(bushing) : 도체가 변압기의 벽을 통과하게 한 뒤 그것을 변압기와 구분시키는 장치이다.
• 피뢰침(lightning arrester) : 번개에 의해 전류가 급격히 흐를 때 전기 설비를 보호하는 장치이다.
• 이동식 기중기(traveling crane) : 지상의 평행 레일을 따라 움직이는 권양 장치로 무거운 짐을 들어 올리고 운반한다.
• 기계실(machine hall) : 전기를 생산하는 발전기가 들어 있는 구역이다.
• 진입통로(access gallery) : 댐의 여러 부분을 검사하고 관리할 수 있도록 그곳으로 접근하게 하는 지하 통로이다.
• 갠트리 크레인(gantry crane) : 다리 형태의 권양기이며 레일을 따라 움직인다.
• 스크롤 케이스(scroll case) : 나선 계단처럼 생긴 송수관이다. 물을 터빈 주위로 골고루 분배하여 터빈이 부드럽게 돌아가게 한다.
• 방수정(afterbay) : 터빈을 통과한 물이 방출되는 수로 구역이다.
• 수문(gate) : 움직이는 수직의 판이며 방수로로 나가는 물의 방출을 제어한다.
• 방수로(tailrace) : 물을 수로로 되돌리기 위해 방수정으로 방출시키는 통로이다.
• 발전장치(generator unit) : 물의 역학에너지를 발전기의 회전자로 전달하여 그것을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 터빈을 갖춘 장치이다.
• 흡출관(draft tube) : 터빈의 밑부분에 있는 도관이며 물이 나갈 때의 압력을 낮춤으로써 수차의 출력을 증가시킨다.
• 수압관(penstock) : 가압수를 발전소의 터빈까지 운반하는 통로이다.
• 취수구(water intake) : 입수정으로부터 수압관까지 물을 유도하여 발전소의 동력으로 만드는 구조물이다.
• 스크린(screen) : 터빈의 작동을 방해할 만한 무엇인가를 막기 위해 취수구의 앞에 설치하는 여러 개의 막대이다.
• 저수지(reservoir) : 댐의 건설에 의해 형성된 웅덩이로 매우 많은 양의 물을 가두고 있으므로 그 유속을 제어할 수 있다.

수력발전소의 주요 설비

수력발전에 있어 가장 중요한 설비는 터빈, 발전기, 그리고 변압기이다. 터빈은 물레방아와 같은 것으로 위에서 떨어지는 물에 의해 회전하게 된다. 즉 물의 위치에너지를 운동에너지의 형태로 바꾸는 역할을 한다. 터빈에는 발전기가 붙어 있어 터빈의 운동에너지가 발전기에 의해 전기에너지로 바뀌게 된다. 발전기에 의해 얻어진 전기에너지는 변압기에 의해 전압이 달라진다. 보통 발전기에 의해 생산된 전압은 3000V~ 16000V정도인데 전선을 타고 아주 먼 거리까지 전기가 흐르다 보면 손실에 의해 전압이 매우 약해진다. 그래서 변압기를 이용해 이보다 더 높은 전압으로 바꾸어 전기를 수송한다.

수력발전 터빈 종류

프란시스수차

펠톤수차

카플린수차

• 프란시스(Francis)수차

자동차 엔진의 터보차저 혹은 동글동글한 블로워의 드럼같이 생긴 터빈과 그 케이스를 통해 달팽이 모양처럼 동글동글한 수로를 만들며 수차의 정 중앙으로 물이 빠져나오는 구조를 가진다. 고도 차이가 20-500m 댐에 물의 위치에너지 압력을 런너에 유입시켜 반작용으로 동력을 발생하는 반동 수차로서 낙차, 유량의 범위가 넓어 ​소형부터 대형까지 많이 사용하는 수차다. 물이 가로 방향으로 수차에 유입되어 축 방향 직각으로 유출되기 때문에 물에 흐름이 직각으로 변화한다. 댐 건설 및 수로 공사 비용과 구동 장치, 유량 조절 제어 장치 등이 구성되는 투자 비용이 큰 터빈이며 초대형 발전 시스템에 많이 쓰인다.

• 펠톤(Pelton)수차

물의 양은 적으나 고도 차이가 200-2,000m 댐에 물의 위치에너지 압력을 배관을 통한 노즐(nozzle)로부터 분출된 물이 수차의 스푼 버킷에 충동시켜 발전하는 충동형 수차이다. 일반적으로 집에 쓰는 수력발전 시스템이나 유역 변경 방식을 이용한 초고 낙차 발전소에 많이 적용된다. 반 갈라진 컵이 여러 개 붙은 형태로 된 수차인데 고압의 물을 저 컵에 쏘아 돌리는 형식으로 유량이 적지만 수압이 높을 때 쓰면 효율적이다.

• 카플란(Kaplan)수차

프로펠러 수차에 가변익을 설치해서 낙차에 따라 효율이 높아질 수 있도록 날개의 각도를 조정할 수 있는 수차이다. 저 낙차 반동 수차로서 프랜시스수차와 비슷한 구조로서 선박의 추진기(프로펠러)와 같은 형태를 취하고 안내 날개와 함께 수차 날개의 기울기도 변경시킬 수가 있어 유량이 많고 낙차의 변화가 큰 경우에도 안정적으로 사용이 가능하다.

• 헬리컬(Helical)수차

사실 거의 안 쓴다. 오히려 풍력발전에 많이 사용하며 연안 발전 시스템을 설치할 때 이 방식을 사용한다. 이 터빈 하나만 서 있으면 작동이 되기 때문에 등대 부분의 연안발전기가 이 형식으로 되어있다.

참고자료

• 〈수력발전소〉, 《나무위키》
• 〈수력발전소〉, 《네이버 지식백과》
• "Hydroelectricity", Wikipedia

같이 보기

• 발전
• 발전기
• 수력발전

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