카플란, 펠턴, 프랜시스 터빈이 가장 일반적인 수력 터빈은 운동 에너지와 위치 에너지를 수력 발전으로 변환하는 대형 회전 기계입니다. 수차의 현대판인 이 터빈들은 135년 이상 산업용 발전에 사용되어 왔으며, 최근에는 수력 발전에도 활용되고 있습니다.
오늘날 수력 터빈은 무엇에 사용되고 있을까요?
오늘날 수력 발전은 전 세계 전력 생산량의 16%를 차지합니다. 19세기에는 전력망이 보편화되기 전까지 수력 터빈이 주로 산업용 전력 생산에 사용되었습니다. 현재는 전력 생산에 사용되고 있으며, 댐이나 유량이 많은 지역에서 찾아볼 수 있습니다.
전 세계 에너지 수요가 급증하고 기후 변화 및 화석 연료 고갈과 같은 요인들이 심화됨에 따라 수력 발전은 친환경 에너지로서 전 세계적으로 큰 영향을 미칠 잠재력을 지니고 있습니다. 환경 친화적이고 깨끗한 에너지원을 찾는 노력이 지속되는 가운데, 프랜시스 터빈은 향후 몇 년 동안 매우 인기 있고 점차 널리 채택될 수 있는 해결책으로 자리매김할 것으로 예상됩니다.
수력 터빈은 어떻게 전기를 생산할까요?
자연적으로 또는 인공적으로 흐르는 물의 수압은 수력 터빈의 에너지원으로 작용합니다. 이 에너지를 포착하여 수력 발전으로 전환합니다. 수력 발전소는 일반적으로 흐르는 강에 댐을 건설하여 물을 저장합니다. 그런 다음 저장된 물을 조금씩 방류하여 터빈을 통과시키고 회전시켜 발전기를 작동시켜 전기를 생산합니다.
수력 터빈은 얼마나 클까요?
수력 터빈은 작동 수두에 따라 고낙차, 중낙차, 저낙차로 분류할 수 있습니다. 저낙차 수력 발전 시스템은 터빈 날개에 가해지는 수압이 낮은 상태에서 높은 유량을 얻기 위해 터빈의 크기가 커야 하므로 규모가 더 큽니다. 반면, 고낙차 수력 발전 시스템은 유속이 빠른 물에서 에너지를 얻기 위해 사용되므로 터빈 날개의 크기가 그렇게 크지 않아도 됩니다.
수력 발전 시스템의 다양한 부품(수력 터빈 포함)의 크기를 설명하는 도표
수력 발전 시스템의 다양한 부품(수력 터빈 포함)의 크기를 설명하는 도표
아래에서는 다양한 용도와 수압에 사용되는 여러 유형의 수력 터빈의 몇 가지 예를 설명하겠습니다.
카플란 터빈 (0-60m 압력 수두)
이러한 터빈은 물의 흐름을 이용하여 압력을 변화시키기 때문에 축류 반동 터빈으로 알려져 있습니다. 카플란 터빈은 프로펠러와 유사하며, 다양한 수압 범위에서 효율을 극대화하기 위해 날개 크기를 조절할 수 있습니다.
카플란 터빈 다이어그램
펠턴 터빈 (300m-1600m 압력차)
펠턴 터빈(또는 펠턴 휠)은 흐르는 물에서 에너지를 추출하는 충격식 터빈으로 알려져 있습니다. 이 터빈은 수압이 높아야 숟가락 모양의 버킷에 힘을 가해 디스크를 회전시키고 동력을 생성할 수 있기 때문에 높은 낙차에 적합합니다.
펠턴 터빈
프랜시스 터빈 (60m-300m 압력차)
마지막으로 가장 유명한 수력 터빈인 프랜시스 터빈은 전 세계 수력 발전량의 60%를 차지합니다. 중간 낙차에서 작동하는 충격-반동 터빈인 프랜시스 터빈은 축류와 방사류의 개념을 결합합니다. 이를 통해 고낙차 터빈과 저낙차 터빈 사이의 간극을 메워 더욱 효율적인 설계를 구현했으며, 오늘날 엔지니어들에게 이를 더욱 개선하도록 하는 과제를 제시하고 있습니다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 프랜시스 터빈은 나선형 케이싱을 통해 흐르는 물이 (정적) 안내 날개로 들어가면서 작동하며, 이 안내 날개는 물의 흐름을 (회전하는) 러너 블레이드 쪽으로 제어합니다. 물은 충격력과 반작용력의 결합으로 러너를 회전시키고, 최종적으로 드래프트 튜브를 통해 러너 밖으로 배출되어 외부 환경으로 물이 흐르게 됩니다.
수력 터빈 설계는 어떻게 선택해야 할까요?
최적의 터빈 설계를 선택하는 것은 결국 한 가지, 즉 활용 가능한 수두와 유량에 달려 있습니다. 활용 가능한 수압을 파악한 후에는 프랜시스 터빈과 같은 밀폐형 "반동 터빈" 설계가 적합한지, 아니면 펠턴 터빈과 같은 개방형 "충격 터빈" 설계가 적합한지 결정할 수 있습니다.
수력 터빈 도면
마지막으로, 설계하려는 발전기의 필요한 회전 속도를 정할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 7월 15일
