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.

참고자료

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

같이 보기

• 발전
• 발전기
• 수력발전

이 수력발전소 문서는 에너지에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

산업 : 산업, 산업혁명, 기술, 제조, 기계, 전자제품, 정보통신, 반도체, 화학, 바이오, 건설, 유통, 서비스, 에너지 □■⊕, 전기, 소재, 원소, 환경, 직업, 화폐, 금융, 금융사, 부동산, 부동산 거래, 부동산 정책, 아파트, 건물, 토지 에너지 SMR • 가속운동 • 가시광선 • 가열 • 각속도 • 감마선 • 감속운동 • 강력 • 고압 • 고온 • 고전역학 • 관성력 • 관성모멘트 • 광선 • 광속 • 광전자 • 광전효과 • 광합성 • 기압 • 냉각 • 냉방 • 뉴턴 • 대류 • 대체에너지 • 동력 • 동력원 • 라디오파 • 마이크로파 • 마찰 • 마찰계수 • 마찰력 • 마찰에너지 • 만유인력 • 만유인력의 법칙 • 무중력 • 물리에너지 • 바이오에너지 • 발열 • 발열반응 • 발화 • 방사선 • 방열 • 베타선 • 복사 • 복사선 • 복사에너지 • 부력 • 불 • 블루에너지 • 빛 • 빛에너지 • 삼투압 • 생물에너지 • 석유에너지 • 석탄에너지 • 섭씨 • 소리에너지 • 소수력 • 속력 • 수력 • 수력에너지 • 수소에너지 • 수압 • 수열 • 수열에너지 • 수직항력 • 신생에너지 • 신에너지 • 신재생 • 신재생에너지 • 알짜힘(합력) • 알파선 • 압력 • 압축응력 • 약력 • 양극선 • 양자역학 • 에너지 • 에너지밀도 • 에너지보존법칙 • 에너지원 • 에너지 효율 • 엑스선 • 엔트로피 • 역반응 • 역파장 • 역학적 에너지(기계에너지) • 열 • 열대류 • 열량 • 열복사 • 열분해 • 열에너지 • 열역학 • 열전도 • 열전도도 • 열전도율 • 열절연 • 열팽창 • 열팽창계수 • 열효율 • 온도 • 온도차 • 왕복에너지 • 왕복운동 • 운동에너지 • 원운동 • 원자력 • 원자력에너지 • 위치에너지 • 음극선 • 응력 • 인공태양 • 인장응력 • 인화 • 입자선 • 자외선 • 자유낙하 • 작용 • 재가열 • 재생에너지 • 저온 • 저압 • 적외선 • 전기에너지 • 전도 • 전자기력 • 절대온도 • 정반응 • 정지에너지 • 조력 • 조력에너지 • 조류에너지 • 줄 • 줄의 법칙 • 중력 • 중력에너지 • 지열 • 지열에너지 • 직사광선 • 직선운동 • 진동 • 진동에너지 • 진자 • 진자운동 • 천연에너지 • 청정에너지 • 친환경에너지 • 칼로리 • 탄성 • 탄성에너지 • 태양 • 태양광 • 태양광에너지 • 태양에너지 • 태양열 • 태양열에너지 • 텐서 • 파동 • 파력 • 파력에너지 • 파워 • 파장 • 폐기물에너지 • 폭발 • 풍력 • 풍력에너지 • 풍압 • 항력(드래그포스) • 해양에너지 • 핵반응 • 핵분열 • 핵분열에너지 • 핵붕괴 • 핵에너지 • 핵융합 • 핵융합에너지 • 화력 • 화씨 • 화학 • 화학에너지 • 회전 • 회전수 • 회전에너지 • 회전운동 • 흡열 • 흡열반응 • 힘 발전 교류발전기 • 마이크로 수력발전 • 물레방아 • 박테리아 발전소 • 발전 • 발전기 • 발전소 • 발전효율 • 변전소 • 비상발전기 • 소수력발전 • 소수력발전소 • 소형모듈원전(SMR) • 수력발전 • 수력발전소 • 원자력발전 • 원자력발전소 • 조력발전 • 조력발전소 • 조류발전 • 조류발전소 • 지열난방 • 지열발전 • 지열발전소 • 직류발전기 • 태양광발전 • 태양광발전소 • 태양광패널 • 태양열발전 • 태양열발전소 • 파력발전 • 파력발전소 • 풍력발전 • 풍력발전소 • 풍차 • 해양 온도차 발전 • 핵융합발전 • 핵융합발전소 • 화력발전 • 화력발전소 • 회전축 연료 CNG • LNG • LPG • 가스 • 가스충전소 • 가연성 • 갈탄 • 개질수소 • 경유(디젤) • 경질유 • 고급휘발유 • 고압가스 • 고체연료 • 그레이수소 • 그린수소 • 기체연료 • 나무 • 난방연료 • 두바이유 • 등유 • 땔감 • 면세유 • 무연탄 • 무연휘발유 • 바이오 • 바이오가스 • 바이오디젤 • 바이오매스 • 바이오에탄올 • 바이오연료 • 방사성물질 • 배기가스 • 배출가스 • 번개탄 • 부생수소 • 분별증류 • 뷰테인(부탄) • 브라운수소 • 브렌트유 • 블루수소 • 석유 • 석유화학 • 석탄 • 셰일가스 • 셰일오일 • 수소 • 수소연료 • 수소전기 • 순도 • 숯(목탄) • 압축가스 • 액체연료 • 액화가스 • 역청탄 • 연료 • 연료첨가제 • 연료화 • 연비 • 연소 • 연탄 • 오일샌드 • 오일셰일 • 옥탄가 • 용해가스 • 원유 • 유사경유 • 유연탄 • 유연휘발유 • 윤활유 • 일반휘발유 • 장작 • 점화 • 정유 • 정제 • 조개탄 • 주입 • 중유 • 중질유(中質油) • 중질유(重質油) • 증류 • 질소산화물 • 천연가스 • 천연자원 • 친환경연료 • 코크스 • 타르 • 텍사스유 • 프로페인(프로판) • 합성경유 • 핵연료 • 혼유 • 혼합가스 • 혼합기체 • 혼합연료 • 화석연료 • 화재 • 휘발유(가솔린) 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반