수력발전 개요

수력 발전은 자연 하천의 수력을 사람들이 사용할 수 있는 전기로 변환하는 것입니다. 발전에는 태양열, 하천의 수력, 기류를 이용한 풍력 발전 등 다양한 에너지원이 사용됩니다. 수력 발전을 이용한 수력 발전은 비용이 저렴하며, 수력 발전소 건설은 다른 수자원 보존 사업과 병행할 수 있습니다. 우리나라는 수력 자원이 매우 풍부하고 발전 여건 또한 매우 양호합니다. 수력 발전은 국가 경제 건설에 중요한 역할을 합니다.
강의 상류 수위는 하류 수위보다 높습니다. 강의 수위 차이로 인해 수력이 발생합니다. 이 에너지를 위치 에너지 또는 위치 에너지라고 합니다. 강물의 높이 차이를 낙차라고 하며, 수위차 또는 수두라고도 합니다. 이 낙차는 수력 발전의 기본 조건입니다. 또한 수력 발전의 크기는 강물의 흐름 크기에도 의존하는데, 이는 낙차만큼 중요한 또 다른 기본 조건입니다. 낙차와 흐름은 모두 수력 발전에 직접적인 영향을 미칩니다. 낙차의 수량이 클수록 수력 발전이 커지고, 낙차와 수량이 상대적으로 작으면 수력 발전소의 출력이 작아집니다.
낙차는 일반적으로 미터 단위로 표시됩니다. 기울기는 낙차와 거리의 비율로, 낙차의 농도를 나타낼 수 있습니다. 낙차가 더 집중될수록 수력 발전이 더 편리해집니다. 수력 발전소에서 사용하는 낙차는 수력 발전소 상류 수면과 터빈을 통과한 후 하류 수면의 차이입니다.

유량은 단위 시간당 강에 흐르는 물의 양이며, 1초당 세제곱미터로 표현됩니다. 1세제곱미터의 물은 1톤입니다. 강의 흐름은 언제든지 변하기 때문에 흐름에 대해 이야기할 때는 특정 장소의 시간을 설명해야 합니다. 흐름은 시간에 따라 매우 크게 변합니다. 우리나라의 강은 일반적으로 여름과 가을의 우기에 유량이 많고 겨울과 봄에는 비교적 적습니다. 일반적으로 강의 흐름은 상류에서 비교적 적습니다. 지류가 합류하기 때문에 하류 흐름은 점차 증가합니다. 따라서 상류 낙차는 집중되어 있지만 유량은 적고 하류 흐름은 많지만 낙차는 비교적 분산됩니다. 따라서 강의 중류에서 수력을 활용하는 것이 종종 가장 경제적입니다.
수력 발전소에서 사용되는 낙하와 유량을 알면 다음 공식을 사용하여 출력을 계산할 수 있습니다.
N= GQH
공식에서 N-출력은 킬로와트로 표시되며 전력이라고도 합니다.
Q-흐름(초당 입방미터)
H – 미터 단위의 드롭
G = 9.8 , 중력 가속도, 단위: 뉴턴/kg
위 공식에 따르면, 이론 전력은 손실을 차감하지 않고 계산됩니다. 실제로 수력 발전 과정에서 터빈, 송전 장비, 발전기 등은 모두 불가피하게 전력 손실을 겪습니다. 따라서 이론 전력은 할인되어야 합니다. 즉, 실제로 사용할 수 있는 전력에 효율 계수(기호: K)를 곱해야 합니다.
수력 발전소에서 발전기의 설계 전력을 정격 전력이라고 하고, 실제 전력을 실전력이라고 합니다. 에너지 변환 과정에서 에너지의 일부가 손실되는 것은 불가피합니다. 수력 발전 과정에서는 주로 터빈과 발전기의 손실이 발생합니다(파이프라인의 손실도 있습니다). 농촌 소규모 수력 발전소의 다양한 손실은 전체 이론 전력의 약 40~50%를 차지하므로 수력 발전소의 출력은 실제로 이론 전력의 50~60%만 사용할 수 있습니다. 즉 효율은 약 0.5~0.60입니다(터빈 효율은 0.70~0.85, 발전기 효율은 0.85~0.90, 파이프라인 및 송전 장비 효율은 0.80~0.85). 따라서 수력 발전소의 실제 전력(출력)은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
K-수력 발전소의 효율(0.5~0.6)은 소규모 수력 발전소의 대략적인 계산에 사용됩니다. 이 값은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.
N=(0.5～0.6)QHG 실제 전력=효율×유량×손실×9.8
수력 발전은 수력을 이용하여 수차라고 불리는 기계를 구동하는 것입니다. 예를 들어, 우리나라의 고대 수차는 매우 단순한 수차입니다. 현재 사용되는 다양한 수력 터빈은 다양한 유압 조건에 맞춰 설계되어 더욱 효율적으로 회전하고 물 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 또 다른 기계인 발전기는 터빈에 연결되어 발전기의 회전자가 터빈과 함께 회전하여 전기를 생성합니다. 발전기는 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 터빈과 함께 회전하는 부분과 발전기의 고정 부분입니다. 터빈에 연결되어 회전하는 부분을 발전기의 회전자라고 하며, 회전자 주위에는 여러 개의 자극이 있습니다. 회전자 주위의 원은 발전기의 고정 부분인 발전기의 고정자이며, 고정자에는 여러 개의 구리 코일이 감겨 있습니다. 회전자의 여러 자극이 고정자의 구리 코일 중앙에서 회전하면 구리선에 전류가 발생하고, 발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.
발전소에서 생성된 전기 에너지는 다양한 전기 장비를 통해 기계 에너지(전기 모터 또는 전동기), 빛 에너지(전구), 열 에너지(전기로) 등으로 변환됩니다.
수력 발전소의 구성
수력 발전소의 구성은 다음과 같습니다: 수력 구조물, 기계 장비, 전기 장비.
(1) 수리구조물
여기에는 웨어(댐), 흡입구, 수로(또는 터널), 압력전방탱크(또는 조절탱크), 압력파이프, 발전소 및 방수로 등이 있습니다.
강에 둑(댐)을 건설하여 강물을 막고 수면을 높여 저수지를 형성합니다. 이렇게 하면 둑(댐) 위의 저수지 수면과 댐 아래 하천의 수면 사이에 집중 낙차가 형성되고, 이 물은 수도관이나 터널을 통해 수력 발전소로 유입됩니다. 비교적 가파른 강에서는 유수로를 사용하여 낙차를 형성할 수도 있습니다. 예를 들어, 일반적으로 자연 하천의 1km당 낙차는 10m입니다. 이 구간의 상류에 수로를 열어 강물을 유입하면 강을 따라 수로가 굴착되어 수로의 경사가 더 평평해집니다. 수로의 낙차가 1km당 1m만 떨어지면 물은 수로를 따라 5km를 흐르고 수면은 5m만 떨어지지만 자연 하천을 따라 5km를 이동한 후에는 50m가 떨어집니다. 이때 수로에서 흘러온 물은 물관이나 터널을 통해 강을 거쳐 발전소로 다시 흘러가는데, 여기서 발전에 활용할 수 있는 집중 낙차는 45m이다. 그림 2

집중낙차가 있는 수력발전소를 형성하기 위해 분기수로, 터널 또는 물파이프(플라스틱 파이프, 강철 파이프, 콘크리트 파이프 등)를 사용하는 것을 분기수로 수력발전소라고 하며, 이는 수력발전소의 전형적인 배치입니다.
(2) 기계 및 전기 장비
위에 언급된 수력 공사(보, 수로, 전면 정원, 압력 파이프, 작업장) 외에도 수력 발전소에는 다음과 같은 장비가 필요합니다.
(1) 기계장비
터빈, 조속기, 게이트 밸브, 송전 장비 및 비전원 장비가 있습니다.
(2) 전기 장비
발전기, 배전 제어반, 변압기, 송전선로 등이 있습니다.
그러나 모든 소규모 수력 발전소가 위에서 언급한 수력 구조물과 기계 및 전기 설비를 갖추고 있는 것은 아닙니다. 저수위 수력 발전소의 수두가 6m 미만인 경우, 일반적으로 유도수로와 개수로 수로를 사용하며, 압력전저수지와 압력수관은 없습니다. 전력 공급 범위가 좁고 송전 거리가 짧은 발전소의 경우, 직접 전력 송전을 채택하며 변압기가 필요하지 않습니다. 저수지가 있는 수력 발전소는 댐을 건설할 필요가 없습니다. 심층 취수구, 댐 내부 배관(또는 터널), 여수로를 사용하면 보, 취수문, 수로, 압력전저수지와 같은 수력 구조물이 필요하지 않습니다.
수력 발전소를 건설하려면 우선 면밀한 측량 및 설계 작업이 필요합니다. 설계 작업은 기본 설계, 기술 설계, 시공 상세 설계의 세 단계로 구성됩니다. 설계 작업을 성공적으로 완료하려면 먼저 철저한 측량, 즉 지형, 지질, 수문, 자본금 등 해당 지역의 자연 및 경제 상황을 완전히 파악해야 합니다. 설계의 정확성과 신뢰성은 이러한 상황을 완벽하게 파악하고 분석한 후에야 보장될 수 있습니다.
소수력 발전소의 구성 요소는 수력 발전소의 종류에 따라 다양한 형태를 갖는다.
3. 지형 측량
지형 측량 작업의 질은 엔지니어링 레이아웃과 엔지니어링 수량 추산에 큰 영향을 미칩니다.
지질 탐사(지질학적 조건 이해)는 유역 및 하천 주변의 지질에 대한 전반적인 이해와 연구 외에도 발전소 자체의 안전에 직접적인 영향을 미치는 기계실 기초의 견고성 여부를 파악하는 것이 필수적입니다. 일정 저수량을 가진 댐이 파괴되면 수력 발전소 자체뿐만 아니라 하류 지역에도 막대한 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있습니다.
4. 수문학적 시험
수력 발전소의 경우, 가장 중요한 수문학적 데이터는 하천 수위, 유량, 퇴적물 함량, 결빙 조건, 기상 데이터, 그리고 홍수 조사 데이터입니다. 하천 유량의 규모는 수력 발전소의 방류로 설계에 영향을 미칩니다. 홍수의 심각성을 과소평가하면 댐 손상으로 이어질 수 있으며, 하천에 의해 운반된 퇴적물은 최악의 경우 저수지를 빠르게 채울 수 있습니다. 예를 들어, 유입수로는 하천에 토사가 쌓이게 되고, 굵은 입자의 퇴적물은 터빈을 통과하여 터빈 마모를 유발할 수 있습니다. 따라서 수력 발전소 건설에는 충분한 수문학적 데이터가 반드시 필요합니다.
따라서 수력 발전소 건설을 결정하기 전에 먼저 전력 공급 지역의 경제 발전 방향과 향후 전력 수요를 조사해야 합니다. 동시에 개발 지역의 다른 전력원 현황도 예측해야 합니다. 이러한 상황을 조사하고 분석한 후에야 수력 발전소 건설 필요성 여부와 규모를 결정할 수 있습니다.
일반적으로 수력발전 조사 업무의 목적은 수력발전소의 설계 및 건설에 필요한 정확하고 신뢰할 수 있는 기본 정보를 제공하는 것입니다.
5. 입지선정을 위한 일반조건
입지 선정에 대한 일반적인 조건은 다음의 네 가지 측면에서 설명할 수 있다.
(1) 선정된 부지는 수력 에너지를 가장 경제적으로 활용할 수 있어야 하며, 비용 절감 원칙, 즉 발전소 완공 후 최소 비용으로 최대 전력을 생산할 수 있어야 합니다. 이는 일반적으로 연간 발전 수익과 발전소 건설 투자액을 추산하여 투자 자본을 얼마나 회수할 수 있는지를 측정함으로써 측정할 수 있습니다. 그러나 지역마다 수문학적, 지형적 조건이 다르고 전력 수요도 다르기 때문에 건설 비용과 투자는 특정 수치에 제한을 받아서는 안 됩니다.
(2) 선정된 부지의 지형, 지질, 수문학적 조건은 비교적 우수해야 하며, 설계 및 시공에 있어 가능성이 있어야 한다. 소규모 수력 발전소 건설 시 건축자재는 최대한 “현지 자재 사용” 원칙에 따라야 한다.
(3) 선정부지는 전력송전설비의 투자 및 전력손실을 최소화하기 위하여 전력공급 및 처리구역과 최대한 가까운 곳이어야 한다.
(4) 부지 선정 시 기존 수력 구조물을 최대한 활용해야 합니다. 예를 들어, 관개수로에 물방울을 활용하여 수력 발전소를 건설하거나, 관개 저수지 옆에 수력 발전소를 건설하여 관개 유량을 이용하여 전기를 생산하는 방식 등이 있습니다. 이러한 수력 발전소는 물이 있을 때 전기를 생산하는 원리를 충족할 수 있기 때문에 경제적 의의가 더욱 뚜렷합니다.