전 세계적으로 수력 발전소는 전 세계 전력 생산량의 약 24%를 차지하며 10억 명이 넘는 사람들에게 전력을 공급합니다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면 전 세계 수력 발전소의 총 발전량은 67만 5천 메가와트이며, 이는 석유 36억 배럴에 해당하는 에너지량입니다. 미국에는 2,000개 이상의 수력 발전소가 운영되고 있어 수력 발전은 미국에서 가장 큰 재생 에너지원입니다.
이 글에서는 떨어지는 물이 어떻게 에너지를 생성하는지 살펴보고, 수력 발전에 필수적인 물의 흐름을 만들어내는 수문 순환에 대해 알아보겠습니다. 또한, 우리의 일상생활에 영향을 미칠 수 있는 수력 발전의 독특한 활용 사례도 살펴볼 것입니다.
강물이 흐르는 모습을 바라보면 그 힘이 얼마나 대단한지 상상하기 어렵습니다. 하지만 급류 래프팅을 해본 적이 있다면 강의 위력을 조금이나마 느껴본 적이 있을 것입니다. 급류는 강물이 경사면을 따라 흐르면서 좁은 수로를 통과할 때 형성됩니다. 강물이 이 좁은 틈을 통과하면서 유속이 빨라지는 것이죠. 홍수 또한 엄청난 양의 물이 얼마나 큰 힘을 발휘할 수 있는지 보여주는 또 다른 예입니다.
수력 발전소는 물의 에너지를 활용하여 간단한 역학적 원리로 전기를 생산합니다. 수력 발전소는 실제로 매우 간단한 개념에 기반합니다. 댐을 통해 흐르는 물이 터빈을 회전시키고, 이 터빈이 발전기를 돌리는 방식입니다.
다음은 일반적인 수력 발전소의 기본 구성 요소입니다.
터빈과 발전기를 연결하는 축
댐 – 대부분의 수력 발전소는 물을 가둬 거대한 저수지를 만드는 댐에 의존합니다. 이 저수지는 종종 워싱턴 주 그랜드 쿨리 댐에 있는 루즈벨트 호수처럼 레크리에이션용 호수로 활용됩니다.
취수구 – 댐의 수문이 열리면 중력에 의해 물이 수압관(터빈으로 이어지는 파이프라인)을 통해 빨려 들어갑니다. 물은 이 파이프를 통과하면서 압력이 증가합니다.
터빈 – 물이 부딪히면서 터빈의 커다란 날개를 회전시키는데, 이 터빈은 축을 통해 위쪽의 발전기에 연결되어 있습니다. 수력 발전소에 가장 흔하게 사용되는 터빈은 프랜시스 터빈으로, 곡선형 날개가 달린 커다란 원반 모양을 하고 있습니다. 수자원 및 에너지 교육 재단(FWEE)에 따르면, 터빈의 무게는 최대 172톤에 달하며 분당 90회전(rpm)으로 회전할 수 있습니다.
발전기 – 터빈 날개가 회전하면 발전기 내부의 자석들도 함께 회전합니다. 거대한 자석들이 구리 코일을 지나 회전하면서 전자를 움직여 교류(AC)를 생성합니다. (발전기의 작동 원리에 대해서는 나중에 더 자세히 배우게 될 것입니다.)
변압기 – 발전소 내부에 있는 변압기는 교류를 더 높은 전압의 전류로 변환합니다.
송전선 – 모든 발전소에서는 네 가닥의 전선이 나옵니다. 하나는 동시에 생산되는 3상 전력이고, 다른 하나는 이 세 상에 공통으로 연결된 중성선 또는 접지선입니다. (송전선로 전송에 대해 더 자세히 알아보려면 '전력 배전망 작동 방식'을 참조하세요.)
유출 – 사용된 물은 방수로라고 불리는 파이프라인을 통해 하류의 강으로 다시 흘러 들어갑니다.
저수지에 저장된 물은 에너지로 간주됩니다. 수문이 열리면 수압관을 통해 흐르는 물은 운동 에너지를 갖게 됩니다. 이때 생성되는 전력량은 여러 요인에 의해 결정되는데, 그중 두 가지가 유량과 수두입니다. 수두는 수면과 터빈 사이의 거리를 의미합니다. 수두와 유량이 증가할수록 생성되는 전력량도 증가합니다. 수두는 일반적으로 저수지에 저장된 물의 양에 따라 달라집니다.
수력 발전소에는 양수 발전소라는 또 다른 유형이 있습니다. 기존 수력 발전소에서는 저수지의 물이 발전소를 통과하여 배출된 후 하류로 흘러갑니다. 양수 발전소는 두 개의 저수지를 가지고 있습니다.
상부 저수지 – 기존 수력 발전소와 마찬가지로 댐은 저수지를 만듭니다. 이 저수지의 물은 수력 발전소를 통해 흘러가 전기를 생산합니다.
하부 저수지 – 수력 발전소에서 나온 물은 강으로 다시 흘러 들어가 하류로 흐르는 대신 하부 저수지로 흘러 들어갑니다.
가역 터빈을 사용하여 발전소는 물을 상부 저수지로 다시 펌핑할 수 있습니다. 이는 전력 소비가 적은 시간대에 이루어집니다. 기본적으로 두 번째 저수지의 물이 상부 저수지를 다시 채우는 역할을 합니다. 물을 상부 저수지로 다시 펌핑함으로써 발전소는 전력 소비가 많은 시간대에 더 많은 물을 확보하여 전기를 생산할 수 있습니다.
발전기
수력 발전소의 핵심은 발전기입니다. 대부분의 수력 발전소에는 이러한 발전기가 여러 대 있습니다.
이름에서 짐작할 수 있듯이 발전기는 전기를 생성합니다. 이러한 방식으로 전기를 생성하는 기본적인 과정은 코일 내부에 있는 여러 개의 자석을 회전시키는 것입니다. 이 과정에서 전자가 움직여 전류가 발생합니다.
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 몇 가지 기본 부품으로 구성되어 있습니다.
터빈이 회전하면 여자기가 회전자에 전류를 보냅니다. 회전자는 고정자라고 불리는 촘촘하게 감긴 구리선 코일 내부에서 회전하는 여러 개의 대형 전자석으로 구성됩니다. 코일과 자석 사이의 자기장이 전류를 생성합니다.
후버 댐에서는 16,500암페어의 전류가 발전기에서 변압기로 이동하고, 변압기에서 전류는 송전되기 전에 230,000암페어까지 증가합니다.
수력 발전소는 자연적으로 발생하는 지속적인 과정, 즉 비가 내리고 강물이 불어나는 과정을 이용합니다. 지구에서는 매일 자외선이 물 분자를 분해하면서 대기를 통해 소량의 물이 손실됩니다. 하지만 동시에 지구 내부에서는 화산 활동을 통해 새로운 물이 분출됩니다. 생성되는 물의 양과 손실되는 물의 양은 거의 같습니다.
어느 한 시점에 지구상의 물은 다양한 형태로 존재합니다. 바다, 강, 비처럼 액체 상태일 수도 있고, 빙하처럼 고체 상태일 수도 있으며, 공기 중에 있는 눈에 보이지 않는 수증기처럼 기체 상태일 수도 있습니다. 물은 바람에 의해 지구 곳곳으로 이동하면서 상태를 변화시킵니다. 바람은 태양의 열 활동에 의해 발생합니다. 태양이 지구의 적도에 다른 지역보다 더 많이 비추기 때문에 바람의 순환이 일어납니다.
대기 순환은 지구의 물 공급을 수문 순환이라고 불리는 독자적인 순환 과정을 통해 움직이게 합니다. 태양이 액체 상태의 물을 가열하면 물은 공기 중에서 수증기로 증발합니다. 태양열은 공기를 가열하여 대기 중으로 상승하게 합니다. 상층부의 공기는 더 차갑기 때문에 수증기는 상승하면서 냉각되어 물방울로 응결됩니다. 한 지역에 충분한 물방울이 모이면, 물방울은 무거워져 강수 형태로 다시 지구로 떨어집니다.
수력 발전소는 물의 흐름에 의존하기 때문에 수문 순환은 매우 중요합니다. 발전소 근처에 비가 부족하면 상류에 물이 모이지 않습니다. 상류에 물이 모이지 않으면 수력 발전소로 흐르는 물의 양이 줄어들고, 결과적으로 발전량도 감소합니다.
수력 발전의 기본 원리는 흐르는 물의 힘을 이용하여 터빈 날개를 회전시키는 것입니다. 일반적으로 이러한 기능을 수행하려면 강 한가운데에 대형 댐을 건설해야 합니다. 새로운 발명품은 이러한 수력 발전의 원리를 훨씬 소규모로 활용하여 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는 방식을 제시합니다.
캐나다 온타리오 출신의 발명가 로버트 코마레치카는 신발 밑창에 소형 수력 발전기를 장착하는 아이디어를 생각해냈습니다. 그는 이 초소형 터빈이 거의 모든 전자기기를 작동시킬 만큼 충분한 전기를 생산할 수 있다고 믿습니다. 코마레치카는 2001년 5월, 이 독특한 발로 작동하는 장치에 대한 특허를 받았습니다.
우리가 걷는 방식에는 아주 기본적인 원리가 있습니다. 발은 걸음을 내디딜 때마다 발뒤꿈치에서 발가락으로 이동합니다. 발이 땅에 닿을 때 발뒤꿈치에 힘이 전달됩니다. 다음 걸음을 준비할 때는 발을 앞으로 굴리면서 힘이 발 앞꿈치로 전달됩니다. 코마레치카는 이러한 걷기의 기본 원리를 발견하고 이 일상적인 활동의 힘을 활용하는 아이디어를 개발했습니다.
코마레치카의 특허에 설명된 "수력 발전기 조립체가 장착된 신발"은 다섯 부분으로 구성됩니다.
유체 – 이 시스템은 전기 전도성 유체를 사용합니다.
체액을 담는 주머니 - 하나는 신발의 뒤꿈치 부분에, 다른 하나는 발가락 부분에 위치합니다.
도관 – 도관은 각 자루를 마이크로 발전기에 연결합니다.
터빈 – 바닥에서 물이 앞뒤로 움직이면서 작은 터빈의 날개를 돌립니다.
소형 발전기 – 발전기는 유체로 채워진 두 개의 주머니 사이에 위치하며, 축을 구동하여 발전기를 회전시키는 날개형 회전자를 포함합니다.
사람이 걸을 때, 신발 뒤꿈치에 있는 주머니 안의 액체가 압축되면서 도관을 통해 수력 발전 모듈로 액체가 밀려 들어갑니다. 계속 걸으면 뒤꿈치가 들리면서 발바닥 앞쪽의 주머니에 아래쪽으로 압력이 가해집니다. 이 액체의 움직임이 회전축과 회전자를 회전시켜 전기를 생산합니다.
휴대용 기기에 전선을 연결할 수 있도록 외부 소켓이 제공됩니다. 또한 사용자의 벨트에 착용할 수 있는 전력 제어 출력 장치가 제공될 수 있습니다. 전자 기기는 이 전력 제어 출력 장치에 연결하여 안정적인 전력을 공급받을 수 있습니다.
특허 문서에는 "배터리로 작동하는 휴대용 기기가 증가함에 따라 오래 지속되고 적응성이 뛰어나며 효율적인 전원을 제공해야 할 필요성이 커지고 있다"고 명시되어 있습니다. 코마레치카는 자신의 장치가 휴대용 컴퓨터, 휴대전화, CD 플레이어, GPS 수신기 및 무전기에 전원을 공급하는 데 사용될 것으로 예상합니다.
게시 시간: 2022년 7월 21일
