1. 수력 발전 개요
수력 발전은 자연 하천의 수력을 전기 에너지로 변환하여 사람들이 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 발전소에서 사용하는 에너지원은 태양 에너지, 하천의 수력, 바람 등 다양합니다. 수력 발전은 비용이 저렴하고, 수력 발전소 건설을 다른 수리 사업과 병행할 수도 있습니다. 중국은 수자원이 풍부하고 수력 발전에 유리한 조건을 갖추고 있어 국가 경제 건설에 중요한 역할을 합니다.
강의 상류 수위는 하류 수위보다 높습니다. 강의 수위 차이로 인해 수력 에너지가 발생하는데, 이 에너지를 위치 에너지 또는 잠재 에너지라고 합니다. 강 수면 높이의 차이를 낙차라고 하며, 수두 또는 수위차라고도 합니다. 이 낙차는 수력 발전의 기본 조건입니다. 또한, 수력 발전량은 강의 유량에도 영향을 받는데, 이는 낙차만큼 중요한 기본 조건입니다. 낙차와 유량 모두 수력 발전량에 직접적인 영향을 미칩니다. 낙차가 클수록 수력 발전량은 커지고, 낙차와 유량이 상대적으로 작으면 수력 발전소의 출력은 작아집니다.
낙차는 일반적으로 미터 단위로 표시됩니다. 수면 경사는 낙차를 거리로 나눈 값으로, 낙차의 집중도를 나타낼 수 있습니다. 낙차가 비교적 집중되어 있을수록 수력 발전 이용이 더 용이합니다. 수력 발전소에서 이용하는 낙차는 수력 발전소 상류의 수면과 수력 터빈을 통과한 후 하류의 수면 간의 차이입니다.
유량은 단위 시간 동안 강을 통해 흐르는 물의 양으로, 세제곱미터/초로 나타냅니다. 1 세제곱미터의 물은 1톤입니다. 강의 유량은 시간과 장소에 관계없이 변하기 때문에 유량에 대해 이야기할 때는 물이 흐르는 특정 지점의 시간과 위치를 함께 고려해야 합니다. 유량은 시간에 따라 크게 변합니다. 일반적으로 중국의 강은 여름, 가을, 우기에 유량이 많고 겨울과 봄에는 유량이 적습니다. 유량은 월별로도, 연도별로도 변동이 심합니다. 대부분의 강은 상류에서 유량이 비교적 적고, 지류들이 합류하면서 하류로 갈수록 유량이 점차 증가합니다. 따라서 상류에서는 낙차가 집중되지만 유량은 적고, 하류에서는 유량이 많지만 낙차는 비교적 분산됩니다. 이러한 이유로 수력을 이용할 때는 강의 중류 지역을 이용하는 것이 가장 경제적입니다.
수력 발전소에서 이용하는 낙차와 유량을 알면 다음 공식을 사용하여 출력을 계산할 수 있습니다.
N= GQH
공식에서 N은 출력이며 단위는 kW(전력이라고도 함)입니다.
Q — 유량(초당 세제곱미터);
H — 낙차(미터)
G=9.8은 중력 가속도이며, 단위는 뉴턴/kg입니다.
이론 출력은 위 공식에 따라 계산되며 손실은 고려되지 않습니다. 그러나 실제 수력 발전 과정에서는 수력 터빈, 송전 설비, 발전기 등에서 불가피한 출력 손실이 발생합니다. 따라서 이론 출력은 손실된 값을 보정해야 하며, 실제로 사용 가능한 출력은 효율 계수(기호: K)를 곱하여 계산합니다.
수력 발전소에서 발전기의 설계 출력은 정격 출력이라고 하고, 실제 출력은 실효 출력이라고 합니다. 에너지 변환 과정에서 에너지 손실은 불가피합니다. 수력 발전 과정에서 발생하는 손실은 주로 수력 터빈과 발전기(송수관 손실 포함)에서 발생합니다. 농촌 소규모 수력 발전소에서는 각종 손실이 이론 출력의 40~50%를 차지하므로, 실제 발전량은 이론 출력의 50~60% 정도만 활용할 수 있습니다. 즉, 효율은 약 0.5~0.60 정도입니다(터빈 효율 0.70~0.85, 발전기 효율 0.85~0.90, 송수관 및 송전 설비 효율 0.80~0.85 포함). 따라서 수력 발전소의 실효 출력(발전량)은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
K는 수력 발전소의 효율이며, 소형 수력 발전소의 대략적인 계산에는 (0.5~0.6)이 사용됩니다. 위의 공식은 다음과 같이 간소화할 수 있습니다.
N=(0.5 ～ 0.6) QHG 실제 출력=효율 × 유량 × 낙차 × 9.8
수력 발전은 물을 이용하여 수력 터빈이라는 기계를 구동하는 것을 말합니다. 예를 들어, 중국의 고대 물레방아는 매우 간단한 형태의 수력 터빈입니다. 현재 사용되는 다양한 수력 터빈은 각각의 수력 조건에 맞춰 설계되어 더욱 효율적으로 회전하고 물의 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있습니다. 발전기는 수력 터빈에 연결되어 발전기의 회전자가 수력 터빈과 함께 회전하도록 하여 전기를 생산합니다. 발전기는 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데, 하나는 수력 터빈과 함께 회전하는 부분이고 다른 하나는 고정된 부분입니다. 수력 터빈과 함께 회전하는 부분을 회전자라고 하며, 회전자 주위에는 많은 자기극이 있습니다. 회전자 주위의 원형 영역을 고정자라고 하며, 고정자에는 많은 구리 코일이 감겨 있습니다. 회전자의 많은 자기극이 고정자의 구리 코일 중앙에서 회전할 때, 구리선에 전류가 흐르게 되고, 발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.
발전소에서 생산된 전기 에너지는 다양한 전기 장비를 통해 기계 에너지(모터 또는 모터), 빛 에너지(전등), 열 에너지(전기 용광로) 등으로 변환됩니다.
2. 수력 발전소의 구성
수력 발전소는 수력 구조물, 기계 장비 및 전기 장비로 구성됩니다.
(1) 수리 구조물
여기에는 위어(댐), 취수구, 수로(또는 터널), 저수지(또는 조절 탱크), 수압관, 발전소 및 방수로 등이 포함됩니다.
강에 댐(보)을 건설하여 강의 흐름을 막고 수면을 높여 저수지를 만들 수 있습니다. 이렇게 하면 댐 위의 저수지 수면에서 댐 아래 강 수면까지 집중적인 낙차가 발생하고, 그 물을 송수관이나 터널을 통해 수력 발전소로 보낼 수 있습니다. 경사가 급한 강바닥에서는 우회 수로를 이용하여 낙차를 줄일 수도 있습니다. 예를 들어, 자연 하천의 낙차가 킬로미터당 10미터라고 가정해 보겠습니다. 이 구간의 상류에 수로를 만들어 물을 유입시키면, 수로는 강을 따라 굴착되어 경사가 완만해집니다. 수로의 낙차가 킬로미터당 1미터에 불과하다면, 물은 수로를 따라 5킬로미터를 흐르면서 5미터만 낙차하게 됩니다. 반면 자연 하천에서는 5킬로미터를 흐른 후 50미터의 낙차를 경험하게 됩니다. 이때, 수로의 물은 강을 따라 수도관이나 터널을 통해 발전소로 다시 보내지며, 45m의 집중 낙차를 이용하여 전기를 생산할 수 있습니다.
수로, 터널 또는 수도관(플라스틱관, 강관, 콘크리트관 등)을 이용하여 집중 낙차를 형성하는 수력 발전소를 도수로형 수력 발전소라고 하며, 이는 수력 발전소의 전형적인 배치 방식입니다.
(2) 기계 및 전기 장비
상기 수리 시설(댐, 운하, 저수지, 수압관 및 발전소) 외에도 수력 발전소에는 다음과 같은 장비가 필요합니다.
(1) 기계 장비
수력 터빈, 조속기, 게이트 밸브, 변속 장비 및 비발전 장비가 있습니다.
(2) 전기 장비
발전기, 배전반, 변압기, 송전선 등이 있습니다.
그러나 모든 소규모 수력 발전소가 위와 같은 수리 구조물과 기계 및 전기 설비를 갖추고 있는 것은 아닙니다. 수두가 6미터 미만인 저낙차 수력 발전소는 일반적으로 도수로와 개방형 도수로실 방식을 채택하며, 저수조와 수압관이 필요하지 않습니다. 전력 공급 범위가 작고 송전 거리가 짧은 발전소는 변압기 없이 직접 송전 방식을 사용합니다. 저수지형 수력 발전소는 댐을 건설할 필요가 없으며, 심수 취수 방식을 채택하고 댐의 내부 배관(또는 터널)과 여수로를 설치하여 위어, 취수 게이트, 수로, 저수조와 같은 수리 구조물을 사용하지 않습니다.
수력 발전소를 건설하려면 먼저 신중한 조사와 설계가 이루어져야 합니다. 설계는 예비 설계, 기술 설계, 시공 상세 설계의 세 단계로 구성됩니다. 효과적인 설계를 위해서는 먼저 철저한 조사를 실시해야 하는데, 이는 지형, 지질, 수문, 자본 등 지역의 자연적, 경제적 조건을 완벽하게 파악하는 것을 의미합니다. 이러한 조건들을 정확히 파악하고 분석한 후에야 설계의 정확성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
소형 수력 발전소의 구성 요소는 수력 발전소의 유형에 따라 다양한 형태를 지닌다.
3. 지형 측량
지형 측량의 품질은 프로젝트 배치 및 물량 산정에 큰 영향을 미칩니다.
지질 탐사(지질 조건에 대한 이해)는 유역 지질 및 하천변 지질에 대한 일반적인 이해와 연구뿐만 아니라, 발전소 자체의 안전에 직접적인 영향을 미치는 기계실 기초의 견고성 파악 또한 요구합니다. 일정 저수량을 가진 댐이 파괴될 경우, 수력 발전소 자체에 피해를 줄 뿐만 아니라 하류 지역에 막대한 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 저수지 전면부의 지질학적 선정은 최우선 순위로 고려됩니다.
4. 수문측정법
수력 발전소 건설에 있어 가장 중요한 수문학적 데이터는 하천 수위, 유량, 퇴적물 농도, 결빙, 기상 데이터 및 홍수 조사 데이터입니다. 하천 유량 규모는 수력 발전소의 여수로 설계에 영향을 미치며, 홍수의 심각성을 과소평가할 경우 댐 파괴로 이어질 수 있습니다. 또한, 하천이 운반하는 퇴적물은 최악의 경우 저수지를 빠르게 채울 수 있습니다. 예를 들어, 하천으로 유입되는 퇴적물은 하천 바닥에 침전물을 쌓이게 하고, 굵은 퇴적물은 수력 터빈을 통과하면서 터빈 마모를 유발합니다. 따라서 수력 발전소 건설에는 충분한 수문학적 데이터가 필수적입니다.
따라서 수력 발전소 건설을 결정하기 전에 해당 전력 공급 지역의 경제 발전 방향과 미래 전력 수요를 조사하고 연구해야 합니다. 동시에 개발 지역의 다른 에너지원의 현황도 평가해야 합니다. 이러한 조건들을 연구하고 분석한 후에야 수력 발전소 건설의 필요성 여부와 건설 규모를 결정할 수 있습니다.
일반적으로 수력발전소 조사의 목적은 수력발전소 설계 및 건설에 필요한 정확하고 신뢰할 수 있는 기초 자료를 제공하는 것입니다.
5. 선정된 역 부지의 일반적인 조건
역 부지 선정의 일반적인 조건은 다음과 같은 네 가지 측면에서 설명할 수 있습니다.
(1) 선정된 발전소 부지는 수력 에너지를 가장 경제적으로 이용할 수 있고 비용 절감 원칙에 부합해야 한다. 즉, 발전소 완공 후 최소 비용으로 최대 전력을 생산할 수 있어야 한다. 일반적으로 발전으로 인한 연간 수익과 발전소 건설 투자액을 추산하여 투자 자본 회수 기간을 측정할 수 있다. 그러나 수문학적 및 지형적 조건과 전력 수요의 차이로 인해 비용과 투자액은 특정 값으로 제한되어서는 안 된다.
(2) 선정된 발전소 부지는 우수한 지형, 지질 및 수문 조건을 갖추고 설계 및 시공이 가능해야 합니다. 소형 수력 발전소 건설은 건축 자재 측면에서 가능한 한 “현지 자재”의 원칙을 준수해야 합니다.
(3) 선택된 변전소 부지는 송전 설비 투자 및 전력 손실을 줄이기 위해 전력 공급 및 처리 구역에 최대한 가까워야 합니다.
(4) 발전소 부지 선정 시 기존 수리 구조물을 최대한 활용해야 한다. 예를 들어, 관개수로에 수력발전소를 건설할 때 낙차를 이용하거나, 관개용수량을 이용하여 전기를 생산하기 위해 관개용저수지 근처에 수력발전소를 건설하는 등의 방법이 있다. 이러한 수력발전소는 물이 있을 때 전기를 생산하는 원리를 만족하므로 경제적 의의가 더욱 뚜렷하다.
게시 시간: 2022년 10월 25일
