수력 발전소의 작동 원리

전 세계적으로 수력 발전소는 전 세계 전력의 약 24%를 생산하며 10억 명이 넘는 사람들에게 전력을 공급합니다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면 전 세계 수력 발전소의 총 발전량은 67만 5천 메가와트(MW)로, 석유 36억 배럴에 해당하는 에너지에 해당합니다. 미국에는 2천 개가 넘는 수력 발전소가 운영되고 있으며, 이는 수력이 미국 최대의 재생 에너지원임을 의미합니다.
이 글에서는 낙수가 어떻게 에너지를 생성하는지 살펴보고, 수력 발전에 필수적인 물의 흐름을 만들어내는 수문 순환에 대해 알아보겠습니다. 또한, 일상생활에 영향을 미칠 수 있는 수력 발전의 독특한 활용 사례도 살펴보겠습니다.
강물이 흘러가는 모습을 보면 그 힘을 상상하기 어렵습니다. 급류 래프팅을 해 본 적이 있다면 강의 위력을 조금이나마 느껴봤을 것입니다. 급류는 강물이 많은 물을 내리막으로 흐르게 하면서 좁은 통로를 통해 병목 현상을 일으키면서 형성됩니다. 강물이 이 좁은 통로를 통과하면서 흐름은 더욱 빨라집니다. 홍수는 엄청난 양의 물이 얼마나 큰 힘을 지닐 수 있는지 보여주는 또 다른 예입니다.
수력 발전소는 물의 에너지를 이용하고 간단한 원리를 사용하여 그 에너지를 전기로 변환합니다. 수력 발전소는 사실 다소 간단한 원리에 기반합니다. 댐을 흐르는 물이 터빈을 돌리고, 터빈은 발전기를 돌립니다.

기존 수력 발전소의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.
댐 – 대부분의 수력 발전소는 물을 가두어 큰 저수지를 만드는 댐에 의존합니다. 이 저수지는 워싱턴주 그랜드쿨리댐의 루즈벨트 호수처럼 레크리에이션 호수로 자주 사용됩니다.
취수구 – 댐의 수문이 열리고 중력에 의해 물이 수문(터빈으로 이어지는 파이프라인)을 통해 흐릅니다. 물은 이 파이프를 통과하면서 압력을 형성합니다.
터빈 – 물은 터빈의 큰 날개에 부딪혀 회전하는데, 이 날개는 위쪽 발전기에 샤프트를 통해 연결되어 있습니다. 수력 발전소에서 가장 흔히 사용되는 터빈 유형은 프랜시스 터빈으로, 곡선 모양의 날개가 달린 큰 원반처럼 보입니다. 물·에너지 교육 재단(FWEE)에 따르면, 터빈은 최대 172톤의 무게를 지니며 분당 90회전(rpm)으로 회전합니다.
발전기 - 터빈 블레이드가 회전하면 발전기 내부의 일련의 자석도 회전합니다. 거대한 자석이 구리 코일을 지나 회전하면서 전자를 움직여 교류(AC)를 생성합니다. (발전기 작동 원리는 나중에 자세히 알아보겠습니다.)
변압기 – 발전소 내부의 변압기는 교류를 받아서 더 높은 전압의 전류로 변환합니다.
전력선 - 모든 발전소에는 네 개의 전선이 있습니다. 동시에 생산되는 3상 전력과 세 상 전력에 공통인 중성선 또는 접지선입니다. (전력선 송전에 대해 자세히 알아보려면 배전망 작동 원리를 참조하세요.)
유출 – 사용된 물은 방수로라고 불리는 파이프라인을 통해 흘러가 하류의 강으로 다시 흘러 들어갑니다.
저수지의 물은 저장된 에너지로 간주됩니다. 수문이 열리면 수압관을 흐르는 물은 운동 에너지가 됩니다. 이는 물이 움직이기 때문입니다. 발전량은 여러 요인에 의해 결정됩니다. 그중 두 가지 요인은 유량과 수두입니다. 수두는 수면과 터빈 사이의 거리를 나타냅니다. 수두와 유량이 증가할수록 발전량도 증가합니다. 수두는 일반적으로 저수지의 물의 양에 따라 달라집니다.

양수 발전소라고 불리는 또 다른 유형의 수력 발전소가 있습니다. 일반적인 수력 발전소에서는 저수지의 물이 발전소를 통과하여 흘러나와 하류로 흘러갑니다. 양수 발전소에는 두 개의 저수지가 있습니다.
상부 저수지 – 일반 수력 발전소처럼 댐은 저수지를 만듭니다. 이 저수지의 물은 수력 발전소를 통과하여 전기를 생산합니다.
하부 저수지 – 수력 발전소에서 나오는 물은 강으로 다시 들어가 하류로 흐르는 대신 하부 저수지로 흐릅니다.
발전소는 가역 터빈을 사용하여 물을 상부 저수지로 다시 펌핑할 수 있습니다. 이는 비수기 시간대에 이루어집니다. 즉, 두 번째 저수지가 상부 저수지를 다시 채우는 것입니다. 물을 상부 저수지로 다시 펌핑함으로써 발전소는 최대 전력 소비 시간대에 전력을 생산할 수 있는 더 많은 물을 확보할 수 있습니다.

발전기
수력 발전소의 핵심은 발전기입니다. 대부분의 수력 발전소에는 이러한 발전기가 여러 개 있습니다.
발전기는 짐작하셨겠지만 전기를 생성합니다. 이러한 방식으로 전기를 생성하는 기본 과정은 전선 코일 안에 있는 일련의 자석을 회전시키는 것입니다. 이 과정은 전자를 이동시켜 전류를 생성합니다.
후버 댐에는 총 17개의 발전기가 있으며, 각 발전기는 최대 133메가와트의 전력을 생산할 수 있습니다. 후버 댐 수력 발전소의 총 발전 용량은 2,074메가와트입니다. 각 발전기는 다음과 같은 기본 부품으로 구성됩니다.
샤프트
엑시터
축차
스테이터
터빈이 회전하면 여자기가 회전자로 전류를 보냅니다. 회전자는 스테이터라고 하는 구리선으로 단단히 감긴 코일 내부에서 회전하는 일련의 큰 전자석입니다. 코일과 자석 사이의 자기장은 전류를 생성합니다.
후버 댐에서는 16,500 암페어의 전류가 발전기에서 변압기로 흐르고, 변압기에서 전류는 전송되기 전에 230,000 암페어까지 증가합니다.

수력 발전소는 비가 내리고 강물이 불어나는 자연적으로 발생하는 연속적인 과정을 이용합니다. 지구는 매일 자외선이 물 분자를 분해하면서 대기를 통해 소량의 물을 잃습니다. 하지만 동시에 화산 활동을 통해 지구 내부에서 새로운 물이 방출됩니다. 생성되는 물의 양과 손실되는 물의 양은 거의 같습니다.
언제든 지구상의 총 물은 다양한 형태를 띱니다. 바다, 강, 비처럼 액체 상태일 수도 있고, 빙하처럼 고체 상태일 수도 있으며, 대기 중 눈에 보이지 않는 수증기처럼 기체 상태일 수도 있습니다. 물은 바람의 흐름에 의해 지구 곳곳으로 이동하면서 상태가 변합니다. 바람의 흐름은 태양의 열 활동에 의해 생성됩니다. 기류 순환은 태양이 지구의 다른 지역보다 적도에 더 많이 비춰지기 때문에 발생합니다.
기류 순환은 수문 순환이라는 자체적인 순환을 통해 지구의 물 공급을 촉진합니다. 태양이 액체 상태의 물을 가열하면 물은 공기 중에서 수증기로 증발합니다. 태양이 공기를 가열하면 대기 중 공기가 상승합니다. 높은 곳의 공기는 더 차가워지므로 수증기가 상승하면서 냉각되어 물방울로 응결됩니다. 한 지역에 충분한 양의 물방울이 쌓이면, 물방울은 강수가 되어 다시 땅에 떨어질 만큼 무거워질 수 있습니다.
수력 발전소는 물의 흐름에 의존하기 때문에 수문 순환이 중요합니다. 발전소 근처에 비가 오지 않으면 상류에 물이 고이지 않습니다. 상류에 물이 고이지 않으면 수력 발전소로 흐르는 물의 양이 줄어들어 발전량도 줄어듭니다.