티스토리 뷰
우리는 어떻게 물에서 전기를 얻습니까?
실제로 수력 발전소와 석탄 발전소는 비슷한 방식으로 전기를 생산합니다. 두 경우 모두 전원을 사용하여 터빈이라고 하는 프로펠러와 같은 부품을 회전시킨 다음 전기를 생산하는 모터인 발전기에서 금속 샤프트를 회전시킵니다.
석탄 화력 발전소는 증기를 사용하여 터빈 블레이드를 돌립니다. 수력 발전소는 떨어지는 물을 사용하여 터빈을 돌립니다. 결과는 같습니다.
이론은 고도가 크게 떨어지는 큰 강에 댐을 건설하는 것입니다. 댐은 저수지 뒤에 많은 물을 저장합니다. 댐 벽의 바닥 근처에는 취수구가 있습니다.
중력으로 인해 댐 내부의 펜 스톡을 통해 떨어집니다. 펜 스톡의 끝에는 움직이는 물에 의해 회전하는 터빈 추진기가 있습니다.
터빈의 샤프트는 발전기로 올라가 동력을 생성합니다. 전력선은 집과 광산으로 전기를 운반하는 발전기에 연결됩니다. 물은 추진기를 지나 테일 레이스를 통해 댐을 지나 강으로 이어집니다.
덧붙여서 물이 풀릴 때 댐 바로 아래 물에서 노는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 터빈과 발전기가 전기를 생산합니다. 수력 터빈은 흐르는 물의 에너지를 기계 에너지로 변환합니다.
수력 발전기는 이 기계 에너지를 전기로 변환합니다. 발전기의 작동은 패러데이가 발견한 원리를 기반으로 합니다. 자석이 도체를 지나 이동할 때 전기가 흐르게 합니다.
대형 발전기에서 전자석은 자성 강판 적층 체에 감겨 진 와이어 루프를 통해 직류를 순환시켜 만들어집니다. 이를 계 자극이라고 하며 로터 주변에 장착됩니다.
로터가 부착되어 있습니다. 회전자가 회전하면 전기 자극 (전자석)이 고정자에 장착된 도체를 지나 이동하여 전기가 흐르고 전압이 발생합니다.
양수 저장은 최대 전력 수요를 위해 물 재사용이 됩니다. 전기 수요는 "평평"하고 일정하지 않습니다. 수요는 낮 동안 오르락내리락하며 밤새도록 가정, 기업 및 기타 시설에서 전기가 덜 필요합니다.
예를 들어, 8월의 더운 주말 오후 5시에 수백만 개의 에어컨을 가동하기 위해 엄청난 전력 수요가 있을 것입니다. 하지만 밤 12시간 후 오전 5시에는 별로 수요가 많지 않을 것입니다.
수력 발전소는 화석 연료 및 원자력 발전소보다 단기간에 최대 전력 수요를 제공하는 데 더 효율적이며 이를 수행하는 한 가지 방법은 같은 물을 두 번 이상 재사용하는 "펌프 저장"을 사용하는 것입니다.
펌핑 저장은 터빈을 통해 이미 흐르는 물을 펌핑하여 고객의 에너지 수요가 낮은 시기에 발전소 위의 저장 풀을 백업하여 피크 기간 전력 수요에 대비해 물을 예비로 유지하는 방법입니다.
그런 다음 물은 수요가 높고 시스템에 무거운 부하가 가해질 때 터빈 발전기를 통해 다시 흐를 수 있습니다. 저수지는 배터리처럼 작동하여 수요가 적을 때 전력을 물 형태로 저장하고 일일 및 계절적 피크 기간 동안 최대 전력을 생산합니다.
펌핑 저장 장치의 장점은 수력 발전 장치가 신속하게 시작되고 출력을 빠르게 조정할 수 있다는 것입니다. 한 시간 또는 몇 시간 동안 사용하면 효율적으로 작동합니다.
펌핑된 저장 저수지는 상대적으로 작으므로 기존 수력 발전 시설과 비교하면 건설 비용이 일반적으로 낮습니다. 모두 중학교 고등학교 때, 운동에너지와 위치에너지를 배웠을 겁니다.
높은 곳에서 아래로 내려가는 힘, 많은 곳에서 적은 곳으로 가는 힘을 이용한 것이 수력 발전소라고 할 수 있습니다.
물의 흐름이 운동에너지이고, 그 운동에너지를 발생시키는 것은 위치에너지와 많은 곳에서 적은 곳으로 가는 물리 법칙에 의한 것입니다.
어떻게 보면 해당 원리는 지극히 단순한 원리이며, 누구라도 생각할 수 있는 부분이었습니다. 그래서 수력발전소는 옛날부터 많이 고려되었던 기술 중 하나입니다.
예를 들어 한국에서는 물레방아가 있어서, 물의 흐름을 이용하여, 떡 방앗간에 사용되기도 하였습니다. 재래식 댐은 인공 호수 또는 그 뒤에 있는 저수지에 물을 보유하고 있습니다.
물이 댐을 통해 방출되면 전기를 생산하는 발전기에 연결된 터빈을 회전시킵니다. 물은 댐의 하류에 있는 강으로 되돌아갑니다. 그래서 보통 물이 고여진 댐은 하류에 있는 강보다 위치가 높은 곳에 있게 됩니다.
수력발전소와 같은 원리로 이용되는 펌프식 저장 플랜트도 마찬가지입니다. 펌핑된 저장 플랜트는 두 개의 저수지를 사용하는데 하나는 다른 하나보다 훨씬 더 높은 고도에 있습니다.
전력을 생산하기 위해 지하 발전소의 발전기를 구동하기 위해 산의 터널을 통해 더 높은 저수지에서 물이 방출됩니다. 즉 위치에너지와 운동에너지를 활용하는 것입니다.
하지만 이 단순한 물리 법칙을 이용한 수력발전소의 단점은 높은 곳에서 물이 고여있게 된다는 것입니다. 큰 댐일수록 자연적 훼손이 크게 됩니다.
상류의 깨끗한 물을 모아서 높은 고지대에 모아야 하니, 생태계에 안 좋은 영향을 끼치게 되는 것입니다. 앞으로 우리는 더욱 기술을 개발하여 이런 단점들도 하나씩 개선을 해나가야 합니다.
하지만 세상은 사람들이 생활에 필요한 기술인 IT, 스마트폰, 자동차는 확연히 개발되지만, 자연을 고려하는 기술은 더딘 부분이 있는 거 같습니다.
물론 지구를 위해 끊임없이 연구하는 분들이 계시지만, 아직은 좋은 기술들이 상용화는 되지 않고 있는 거 같습니다. 또한, 기존의 어마한 댐을 지어 놓은 상태에서 개선하기는 쉽지도 않은 거 같습니다.
운동에너지와 위치에너지를 고려한 수력 발전소를 좀 더 개선하여 자연을 훼손도 안 하고 더 효율적인 댐이 미래에는 세워질 수 있도록 우리가 사는 지구를 위해 모두 관심을 가져야 할 것입니다.