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발전기
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발전기(發電機, electric generator)는 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 일반적으로 전자기 유도를 이용한다. 발전기 동작의 기본 원리는 전동기의 원리와 같이 앙페르 법칙과 패러데이의 유도 법칙이다. 따라서 전기에너지의 역변환은 전동기로 수행되며 모터와 발전기는 많이 흡사하다. 원리적인 구분으로 직류발전기, 동기발전기, 유도발전기 등이 있다. 역학적 에너지의 근원은 터빈엔진, 터빈 또는 수차를 통해 떨어지는 물, 내부 연소 엔진, 바람 터빈, 태양 또는 태양에너지, 압축공기 등이 있다.
개요
발전기는 전기를 얻는 장치이다. 역학적 일에 의해 전기에너지를 만드는 역학적 발전기는 전통적으로 사용되어 왔으며 지금도 전력 수급의 상당 부분을 차지하고 있다. 고전적인 수력 발전, 화력 발전 뿐 아니라 원자력발전, 그리고 자원 고갈 문제, 환경 문제 등을 극복하기 위한 대안으로 제시되고 있는 풍력 발전, 조력 발전 등도 역학적 일을 전기에너지로 바꾸는 작용을 하는 발전 방식이다. 역학적 발전기 외에도, 제베크 효과에 의한 열기전력이나 태양광에 의해 전기가 생성되는 태양광발전 등 다양한 방식이 시도되고 있으며 산업적으로 중요성이 대두되고 있다.
발전기는 대부분이 회전기(回轉機)이나, 직선운동에 의해서 발전기의 작용을 하는 것이 개발되어 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다. 전자기유도작용(電磁氣誘導作用)으로 기전력을 발생시키는 점에서는 기계의 대 ·소, 직류 ·교류 발전기 등 모두 공통된 원리에 기초를 두고 있다.
기전력의 크기는 자기장의 세기와 도체의 길이 및 자기장과 도체의 상대적 속도에 비례하며, 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 알 수 있다. 발전기를 구성하는 데는 자기장을 만들기 위한 강력한 자석과 기전력을 발생시키는 도체가 필요한데, 이 둘 중 어느 하나가 작용할 수 있도록 되어 있어야 한다.
실제로 사용되는 발전기에는 회전계자형(回轉界磁型)과 회전전기자형(回轉電機子型)이 있다. 회전계자형은 도체가 정지(靜止)하고 자기장이 회전하는 발전기이고, 회전전기자형은 이와 반대의 것이다. 매우 작은 발전기에는 영구자석이 사용되는 예가 있으나, 일반적으로는 철심에 계자코일을 감고 이것에 직류를 흐르게 하는 전자석이 사용된다.
구조를 조금만 변형하면 모터가 된다. 발전기는 움직여서 전기를 만들고 모터는 전기를 집어넣으면 움직이므로 입출력물은 서로 정반대인 관계고 입력된 에너지를 축회전운동으로 전환한다는 점에서 같다.
역사
마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의한 두 개의 영구자석 사이에 구리판을 닿지 않게 통과시키고 이 구리판을 회전시키면 전류가 발생한다는 것을 입증하는 "Faraday Disc" 발명이 발전기의 시발점이다. 자기와 전기의 관계가 발견되기 전 발전기는 정전기 원리를 사용하여 발명되었다. 이는 고압 저전류를 발생시켰다. 하전된 벨트, 판, 원판을 움직여 작동시켰는데 고압의 전극으로 전하를 옮겼다. 전하는 두 메카니즘 중 하나로 발생되었다.
- 정전기 유도
- 마찰전기효과, 두 절연체 간의 접촉은 하전되게 하였다.
최초의 실용적인 발전기는 1860년대 후반 프랑스의 공학자이자 발명가인 제노브 테오필 그람이 제작한 그람 발전기이다. 지멘스는 1866년에 처음으로 전자석을 사용한 대형발전기를 완성시켰는데, 그것은 기술사상(技術史上) 와트의 증기기관에 비교할 만한 획기적인 것이었다. 이에 이어서 벨기에의 그람(Gramme)은 1870년에 고리형(環型) 코일의 발전기를, 독일의 알테네크(Alteneck)는 1873년에 드럼형 코일의 발전기를 발명했다. 그러나 그 당시의 발전소는 전압의 안정성이라든가 효율과 같은 점에서 볼 때 만족할 수 있는 것은 아니었다. 에디슨은 그 때문에 자기가 발명한 탄소선전구(炭素線電救)에 사용할 수 있는 새로운 발전기의 연구를 추진하게 되었다.
1882년 9월, 뉴욕시에 최초의 대규모 화력발전소(증기기관으로 운전되는)를 건설하였고, 중앙발전소로부터 말단의 전등까지 110V의 직류 송전 계통을 이룩해 내고, 이것을 기업화시켰다. 그 후 곧 이어 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse, 1846 ~ 1914)에 의해서 교류 송전 방식이 실현되었다. 삼상교류 방식이 완성된 것은, 과거에 에디슨 밑에서 일하고 있었던 니콜라 테슬라에 의해 1891년에 교류발전기를 개발하여 상업화한 것이며 이로 인해 산업 발전에 기여를 하였다. 발전기는 전기사업자용의 상용발전기와 수용가에서 구비하는 비상용발전기로 구분되어 설치된다.
1894년 독일 엔지니어인 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)은 별도의 점화장치 없이 연료의 압축 착화를 이용한 내연기관으로 특허를 얻어 1897년 MAN사의 지원으로 최초의 디젤엔진을 제작하였다. 디젤의 엔진은 동시대의 다른 엔진에 비하여 고효율의 성능을 가지고 있었다. 오늘날 디젤엔진 발전기는 전전압에 도달하는 출력 속도가 빠르며, 신뢰성이 높고, 설치가 쉽고, 고용량도 적용이 용이하며, 시공비 등이 경제적이라는 장점을 가진다. 이에 따라 자가발전설비로서 비상용발전기는 소음 및 매연의 단점에도 불구하고, 중, 대형 용량으로서 디젤엔진 비상발전기가 일반화 되어 가장 많이 사용되고 있다.
국내의 발전기 도입은 1899년 5월 17일 동대문에 발전소 개설이 효시였다. 1898년(고종 34년) 1월 26일 한성전기회사에 의한 설치였으며, 1903년에는 제2발전소가 마포에 세워졌다. 한국 최초의 수력발전소는, 1923년에 금강산전기철도회사의 자가용 발전소인 금강산 중대리(中臺里)발전소에 의해 서울로 송전한 것이 최초이고, 1929년에 부전강 제1발전소가 송전하기 시작하였다. 그리고 압록강에는 60만㎾의 시설용량을 가진 동양 제1의 수풍(水豊)발전소(1941년 완성)가 있다. 8·15 직전 조사 결과에 의하면 남북한의 수력 총발전 지점은 163개 소였다. 하지만 1972년 말의 남한의 총발전량은 118억 3,900만 ㎾h, 총시설용량은 387만 2,000㎾, 최대출력은 209만 7,000㎾, 평균출력은 134만 8,000㎾였다.
원리
면적이 A이고 N번 감긴 코일이 균일한 자기장 B 안에서 자기장에 수직한 축을 중심으로 회전시킬 때 유도 기전력은 다음과 같이 구한다. 시각 t일 때 코일 면의 법선이 자기장과 θ각을 이루고 있다. 이 때 코일 면을 통과하는 자속은 Φ=BAcosθ이므로 코일이 일정한 각속도 ω로 회전하면 Φ=BAcosωt가 된다. 그러므로 코일에 유도되는 기전력은
유도 기전력은 B, A, N, ω가 클수록 크다.
분류
생산하는 전기으 특성에 따라
- 직류발전기 : 직류전력을 발생시키는 발전기이다. 보통 사용되는 것은 직류로 여자(勵磁)된 자기극(磁氣極) 안쪽에 전기자(電氣子)라고 하는 회전부분이 있고, 이것에 다수의 코일이 넣어져 있다. 전기자를 원동기로 회전시키면, 코일 안에 교류의 기전력이 생기며, 이 교류를 정류자(整流子)와 브러시에 의해 직류로 만들어 끌어낸다. 교류를 직류로 하는 것을 정류라고 한다.
- 전기자 내의 임의의 한 개의 코일에 기전력이 생기면, 브러시를 통해서 이를 직류기전력으로서 끌어낼 수 있다. 코일이 반회전하고, 정류자편도 반회전하면 도선 aa'의 위치는 바뀌지만, 양 ·음의 브러시를 통해서 꺼내는 전압의 극성은 변하지 않는다. 즉, 직류 기전력을 꺼낼 수 있다. 정류자편은 원통을 2개로 쪼갠 것 같이 되어 있으나, 실제의 발전기에서는 전기자의 코일수와 같게 원통을 분할한 꼴로 되어 있다.
- 특수한 직류발전기로, 정류할 필요가 없는 단극(單極) 발전기라는 것이 있다. 구리의 원통을 고속도로 회전시키면 양 ·음 브러시 사이에 기전력이 생긴다. 이것은 완전한 직류이다. 단극식에서는 높은 기전력을 얻기는 곤란하며, 최고 수십 V밖에 얻을 수 없다. 그러나 전류는 10만 A 이상의 것도 있다.
- 교류발전기 : 수력이나 화력 등의 에너지를 교류전력으로 변환하는 발전기이다. 교류발전기의 대부분은 3상사인파이지만, 단상사인파 교류발전기도 있다. 발전소에서 운전되는 것은 모두가 3상교류발전기이며, 용량이 일반적으로 크다. 수십만 kVA에 달하는 것도 있는데, 이런 것은 발전기 단자(端子)의 전압이 2만 V 정도이고, 주파수는 50~60 Hz, 축의 회전속도는 화력발전일 때는 매분 3,000 또는 3,600이지만, 수력발전일 때는 100~1,000이다. 작은 용량의 주택용이나 실험용의 교류발전기는 용량이나 전압이 각각 다르다.
- 용량의 대소에 관계없이 그 구조는 회전측(回轉側)에 직류로 여자(勵磁)된 전자석(電磁石), 고정측(固定側)에 교류를 발생하는 코일(coil)이 있다, 이와 반대의 구조로 된 것도 있으나 드물다. 원동력은 화력일 때는 증기터빈 ·가스터빈 또는 내연기관이고, 수력일 때는 수차(水車)가 쓰이며, 전동기나 풍력 ·조력(潮力) 등을 사용하는 것도 있다.
동력의 특성에 따라
- 디젤발전기 : 대부분의 벤더에서 만드는 4기통 이상의 내연기관을 붙인 내연력 발전기의 일종. 가솔린 엔진을 안 쓰고 디젤을 사용한다.
- 수동발전기 : 사람의 힘으로 발전기를 돌려서 전기를 생산하는 것이다. 개인적으로 제작해서 쓰는 경우도 있으며 시판되는 제품도 있다. 축전지와 연결하여 전기를 저장해서 쓸 수 있게 하는 모델도 있다.
- 인버터 발전기 : 가장 큰 차이는 역시 발전기 동체의 크기 차이일 것이다. 인버터 발전기는 발전기 동체서 수백~수KHz 의 전기를 만들어내는데, 이를 통해 엔진의 rpm 을 줄이고, 나아가 인버터에서 DC 정류시의 ripple 을 줄일 수 있도록 한다. 3상인 것도 한몫하지만. 덕분에 발전기가 상당히 얇다. 그리고 가볍다. 발전기의 로터에는 보통 네오디뮴이 적용된다.
- 터보샤프트 엔진 발전기 : 실린더 엔진이 아닌 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 발전기이다.
- MHD 발전 :열에너지나 운동에너지를 바로 전류로 변환시켜주는 꿈의 발전기를 사용한 발전으로 전자기유체역학 발전이라고 한다. 자기장의 수직적인 방향으로 전기 전도성 유체(플라즈마, 액체 금속 등)을 보내, 이로 인해 전자기 유도에 의하여 일어나는 전력을 이용한 발전이다. 아직도 연구개발이 이뤄지고 있다.
목적에 따라서
- 비상발전기 : 위급상황 시에 전원이 공급되지 않는 경우에 전기를 생산하는 발전기이다. 대부분의 발전기는 이 용도로 못 쓴다. 참고로, 백업발전기나 상시발전기 등 다른 종류의 발전기들이 있는데, 비상발전기는 다른 용도로는 사용이 가능하다.
참고자료
같이 보기
