[전기 특집] 전기의 기초 지식 6부: 발전소에서 변전소로의 전기 흐름과 수력 발전

[전기 특집] 전기의 기초 지식 6부: 발전소에서 변전소로의 전기 흐름과 수력 발전

 

전기의 구조, 발전소로부터 가정에 보내지는 전기의 흐름, 직류와 교류의 차이 등 전기의 기초 지식에 대해 소개합니다.

 

전기는 어디에서 만들어져, 어떻게 옮겨져 오는가 하는 기본적인 전기의 구조로부터, 전기를 흘려 보내기 위한 도체와 반도체, 절연체의 차이 등 전기의 기초 지식을 배울 수 있습니다.

 

전기의 잡학 지식 외에, 오일 히터나 전기 주전자, 공기 청정기 등 가정용의 백색 가전에 대한 해설과 함께 소비 전력을 적게 억제해 전기 요금을 절약하는 똑똑한 사용법이나, 가전의 구조 및 동작 원리와 같은 기술적인 내용도 소개합니다.

 

이 시리즈에서는 전기설비의 전문 설계에 관한 기술 소개를 최소화하고, 읽기 쉽고 알기 쉬운 형식으로 정보를 제공하고자 합니다.

 

수력 발전소

 

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발전소에서 변전소로의 전기 흐름

 

발전소에서 공급되는 전원은 수십만 볼트의 높은 전압으로 시작합니다. 전압을 초고압으로 높이는 이유는 송전 손실을 최소화하기 위해서입니다. 전류값은 전압에 반비례하기 때문에 동일한 전력을 송전하는 경우, 전압을 높게 하면 할수록 전류가 작아집니다. 전류는 저항값에 따라 열을 발생시키기 때문에 이 열량분이 송전의 손실이 됩니다. 따라서 전압을 높여 전류값을 한없이 0에 가까워지면 손실도 0에 가까워집니다.

 

도심부에 접근하면 초고압에서는 사정이 나빠집니다. 거리를 바라보면 알 수 있듯이 도로에 세워진 전주의 상단에 3개의 전선이 부설되어 있는 것에 대해서는 22,900V까지 강압된 전원입니다. 초고압의 전원은 절연하는 것이 곤란하고 도심부에서는 위험하기 때문에 비교적 낮은 22,900V까지 전압을 떨어뜨려 각 가정의 근처까지 배전하고 있습니다.

 

이 고압의 전력을 가정용인 220V로 변압기로 강압하여 공급하거나 그대로 고압을 시설 내에 공급하고 있습니다.

 

 

각종 발전 설비의 특징

 

전기는 멀리 산속이나 연안 등 도심부로부터 비교적 떨어진 장소에 설치되어 있는 발전소에서 태어나 전선에 의해 전해져 각 곳에 전달되고 있습니다. 국내에서는 일부 산속 등을 제외하고 전기 공급률이 매우 높아 거의 모든 장소에 전기를 공급하고 있습니다. 국내에서는 수력발전, 화력발전, 원자력발전, 지열발전, 신재생에너지발전의 5종류가 대표적인 발전시스템으로 여겨집니다.

 

국내에서 생산되는 전기는 화력발전·수력발전·원자력발전 등을 혼재시켜 믹스라는 방식으로 공급되고 있습니다. 급격한 변동에 대응할 수 없는 원자력 발전을 기저 전력으로 하고 부하의 변동에 대응할 수 있는 화력 발전을 사용하면서 대전력이 돌발적으로 필요하게 되었을 경우, 수력 발전으로 피크 부하에 대응합니다.

 

여름철은 14~16시에 에어컨의 가동이 피크가 되고, 겨울철은 아침 8~10시경에 공조기가 일제히 가동됩니다. 낮에는 경제활동에 의해 큰 전력을 사용하고 있으며, 야간에는 전력이 별로 사용되지 않습니다. 격렬한 변동을 추종하기 위해 다양한 방식의 발전설비를 조합하여 운용하고 있습니다.

 

 

수력 발전이란?

 

수력발전은 산간부에 많이 설치되어 있는 발전설비로써 물의 흐름으로 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 발전 방식입니다. 발전시키기 위해 사용하는 물은 자연에 흐르는 것으로 깨끗한 발전 방식이라고 할 수 있습니다.

 

화력발전과 달리 발전시 온실가스의 발생도 없고 유해한 산화물의 방출도 없습니다. 국내는 산간지역이 많기 때문에 수력발전용 댐을 구성하는 환경에 유리합니다.

 

그러나 댐을 건설하거나 산간부의 물의 흐름을 전환하는 등 수력발전설비를 설치하기 위해서는 대규모 자연의 파괴가 필요하기 때문에 환경에 악영향을 미칩니다.

 

장기간 댐을 사용함으로써 토사 등이 댐의 바닥부에 체류하고 초기에 확보되어 있던 발전량이 변동하거나 비가 적으면 발전 능력을 확보할 수 없는 등 자연의 영향을 강하게 받는 발전 설비라고 할 수 있습니다.

 

 

수력 발전의 종류

 

수력 발전에는 자류식, 조정 연못식, 저수지식, 양수식의 4종류의 방식이 있습니다.

 

자류식 수력 발전 설비는 자연적인 물의 흐름을 수력 발전 설비에 도입하여 터빈을 회전시키는 방식입니다. 자연에 대한 영향이 적기 때문에 건설 비용은 저렴합니다. 물을 모으거나 수량을 조정하지 않는 발전 방식이므로 전기의 생산량을 조정할 수 없는 것이 단점입니다.

 

조정 연못식 수력 발전 설비는 조정 연못에 물을 일단 모아서 전기가 필요할 때 발전에 필요한 수량을 개방하여 발전량을 조정할 수 있는 수력 발전 설비입니다. 저류를 위한 시설이 필요하므로 자류식 수력발전설비보다 고가의 시스템입니다.

 

저수지식 수력발전설비는 하천을 댐으로 막아 대규모의 저수를 행하는 수력발전시스템입니다. 큰 전력을 안정적으로 확보할 수 있습니다. 조정 연못식 수력 발전 방식보다 안정된 대규모 전력을 생산할 수 있지만 댐을 건축하기 위해 자연의 훼손이 큽니다.

 

양수식 수력발전은 상기 3종류와 달리 야간 경부하 시 전기를 사용하여 물을 높은 곳으로 운반하고 전기를 많이 필요로 하는 시간에 방수하여 발전하는 방식입니다. 중력을 이용한 ‘배터리’라고 알려져 있습니다.

 

 

수차의 종류와 특징

 

수력 발전을 위해서는 수차가 필요합니다. 물의 위치 에너지를 발전기에 효율적으로 전달시키기 위한 수차로서 프랜시스 수차·펠튼 수차·프로펠러 수차·카플란 수차 등이 대표적입니다.

 

프랜시스 수차는 물이 가지는 압력과 속도를 러너라고 불리는 임펠러에 전달시켜 발전시키는 방식입니다. 국내 발전 방식으로 가장 많이 사용되고 있는 방식으로 낙차 40~600m라는 폭넓은 범위에서 적용할 수 있는 범용성으로 인해 약 70%의 보급률을 기록하고 있습니다.

 

펠튼 수차는 노즐로부터 불어내는 수류를 러너(날개차)에 대고 회전시키는 방식의 수차로 수류가 적고 낙차가 큰 경우에 적합합니다. 물의 압력은 이용하지 않고 물의 속도만 이용하기 때문에 200~1,800m의 큰 낙차가 있는 환경에 적합합니다.

 

프로펠러 수차는 프랜시스 수차와 마찬가지로 물의 압력과 속도를 이용하는 수차이지만 낙차가 낮고 수량이 많은 장소에 적합합니다. 낙차는 5~80m 정도가 적용 범위입니다. 프로펠러 수차의 날개 각도를 자유롭게 변화시켜 효율 변화를 줄이고 안정된 전력 공급을 기대할 수 있는 구조로 한 것은 「카플란 수차」라고 부릅니다.

 

 

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