자연 하천에서는 물이 상류에서 하류로 퇴적물과 섞여 흐르며, 종종 강바닥과 제방 사면을 휩쓸고 지나갑니다. 이는 물속에 일정량의 에너지가 잠재되어 있음을 보여줍니다. 자연 상태에서는 이러한 잠재 에너지가 수중 세척, 퇴적물 밀어내기, 마찰 저항 극복에 소모됩니다. 건물을 짓고 필요한 장비를 설치하여 수차를 통해 물이 안정적으로 흐르도록 하면, 수차는 마치 풍차처럼 끊임없이 회전하는 물의 흐름에 의해 구동되고, 물 에너지는 기계적 에너지로 변환됩니다. 수차가 발전기를 함께 회전시키면 전기를 생산할 수 있으며, 이 물 에너지는 다시 전기 에너지로 변환됩니다. 이것이 수력 발전의 기본 원리입니다. 수차와 발전기는 수력 발전에 가장 기본적인 장비입니다. 수력 발전에 대한 간략한 지식을 간략하게 소개해 드리겠습니다.
1. 수력발전과 물흐름발전
수력 발전소 설계 시 발전소 규모를 결정하기 위해서는 발전소의 발전 용량을 알아야 합니다. 수력 발전의 기본 원리에 따르면 발전소의 발전 용량은 전류가 할 수 있는 일의 양에 따라 결정된다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 일정 시간 동안 물이 할 수 있는 총 일을 수력이라고 하며, 단위 시간(초) 동안 할 수 있는 일을 전류 전력이라고 합니다. 당연히 물의 흐름이 클수록 발전소의 발전 용량도 커집니다. 따라서 발전소의 발전 용량을 알기 위해서는 먼저 물의 흐름 전력을 계산해야 합니다. 하천의 유수력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 하천의 특정 구간에서 수면 낙차를 H(미터)라고 가정하고, 단위 시간(초) 동안 하천 횡단면을 통과하는 물의 양 H를 Q(세제곱미터/초)라고 가정하면, 유수력은 물의 무게와 낙차의 곱과 같습니다. 당연히 낙차가 높을수록 유량이 많아지고 유수력도 커집니다.
2. 수력발전소의 출력
특정 수두와 유량 하에서 수력 발전소가 생산할 수 있는 전기를 수력 출력이라고 합니다. 당연히 출력 전력은 터빈을 통과하는 물의 흐름에 따라 달라집니다. 물 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정에서 물은 상류에서 하류로 흐르는 강바닥이나 건물의 저항을 극복해야 합니다. 수차, 발전기, 송전 장비 또한 작업 과정에서 여러 저항을 극복해야 합니다. 저항을 극복하기 위해서는 작업이 수행되어야 하며, 불가피하게 물의 흐름 전력이 소모됩니다. 따라서 전기를 생산하는 데 사용할 수 있는 물의 흐름 전력은 공식으로 구한 값보다 작아야 합니다. 즉, 수력 발전소의 출력은 물의 흐름 전력에 1보다 작은 배수를 곱한 값과 같아야 합니다. 이 계수를 수력 발전소의 효율이라고도 합니다.
수력 발전소 효율의 구체적인 값은 물이 건물과 수차, 송전 설비, 발전기 등을 통과할 때 발생하는 에너지 손실량과 관련이 있으며, 손실량이 클수록 효율은 낮아집니다. 소규모 수력 발전소에서는 이러한 손실의 합계가 수류 전력의 약 25~40%를 차지합니다. 즉, 100kW의 전기를 생산할 수 있는 수류가 수력 발전소에 유입되고 발전기는 60~75kW의 전기만 생산할 수 있으므로 수력 발전소의 효율은 60~75%에 해당합니다.
앞의 서론에서 알 수 있듯이, 발전소의 유량과 수위차가 일정할 때 발전소의 출력은 효율에 따라 달라집니다. 실무에서는 수력 터빈, 발전기, 송전 장비의 성능 외에도 건물 시공 및 장비 설치 품질, 운영 및 관리 품질, 수력 발전소 설계의 적정성 등 수력 발전소의 효율에 영향을 미치는 다른 요인들이 모두 효율에 영향을 미치는 요인이라는 것이 입증되었습니다. 물론 이러한 영향 요인 중 일부는 1차적이고 일부는 2차적이며, 특정 조건에서는 1차 요인과 2차 요인이 서로 영향을 미치기도 합니다.
그러나 어떤 요인이든 결정적인 요인은 사람이 사물이 아니고, 기계는 사람이 제어하며, 기술은 사고의 지배를 받는다는 것입니다. 따라서 수력 발전소의 설계, 시공 및 장비 선정 과정에서 인간의 주관적 역할을 최대한 활용하고, 물 흐름의 에너지 손실을 최소화하기 위한 기술의 우수성을 추구해야 합니다. 이는 낙차 자체가 비교적 낮은 일부 수력 발전소의 경우 특히 중요합니다. 동시에 수력 발전소의 운영 및 관리를 효과적으로 강화하여 발전소의 효율을 높이고 수자원을 최대한 활용하며, 소규모 수력 발전소의 역할을 더욱 강화해야 합니다.
게시 시간: 2021년 6월 9일
