수력 발전소의 작동 원리

전 세계적으로 수력 발전소는 세계 전력의 약 24%를 생산하고 10억 명 이상의 사람들에게 전력을 공급합니다.국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)에 따르면 세계 수력 발전소는 총 675,000메가와트를 생산하며 이는 36억 배럴의 석유에 해당하는 에너지입니다.미국에는 2,000개 이상의 수력 발전소가 운영되고 있으며 수력 발전은 미국 최대의 재생 가능 에너지원입니다.
이 기사에서는 떨어지는 물이 에너지를 생성하는 방법을 살펴보고 수력 발전에 필수적인 물의 흐름을 생성하는 수문 순환에 대해 배웁니다.또한 일상 생활에 영향을 미칠 수 있는 수력 발전의 고유한 적용을 엿볼 수 있습니다.
강물이 흘러가는 것을 볼 때 강이 운반하는 힘을 상상하기 어렵습니다.급류 래프팅을 해본 적이 있다면 강의 힘의 작은 부분을 느꼈을 것입니다.급류는 강으로 만들어지며 많은 양의 물을 내리막길로 운반하며 좁은 통로를 통해 병목 현상이 발생합니다.강이 이 구멍을 통해 강제로 흐르면 흐름이 빨라집니다.홍수는 엄청난 양의 물이 얼마나 많은 힘을 가질 수 있는지에 대한 또 다른 예입니다.
수력 발전소는 물의 에너지를 활용하고 간단한 역학을 사용하여 그 에너지를 전기로 변환합니다.수력 발전소는 실제로 댐을 통해 흐르는 물이 발전기를 돌리는 터빈을 돌리는 다소 단순한 개념에 기반을 두고 있습니다.

다음은 기존 수력 발전소의 기본 구성 요소입니다.
댐 – 대부분의 수력 발전소는 물을 저장하는 댐에 의존하여 큰 저수지를 만듭니다.종종 이 저수지는 워싱턴 주의 그랜드 쿨리 댐에 있는 루즈벨트 호수와 같은 레크리에이션 호수로 사용됩니다.
흡기 – 댐의 문이 열리고 중력이 터빈으로 연결되는 파이프라인인 펜스톡을 통해 물을 끌어당깁니다.물은 이 파이프를 통해 흐를 때 압력을 높입니다.
터빈 – 물은 샤프트를 통해 그 위의 발전기에 부착된 터빈의 큰 블레이드를 치고 돌립니다.수력 발전소용 터빈의 가장 일반적인 유형은 휘어진 블레이드가 있는 큰 디스크처럼 보이는 Francis Turbine입니다.물 및 에너지 교육 재단(FWEE)에 따르면 터빈의 무게는 최대 172톤이며 분당 90회전의 속도로 회전할 수 있습니다.
발전기 – 터빈 블레이드가 회전함에 따라 발전기 내부의 일련의 자석도 회전합니다.거대한 자석은 구리 코일을 지나 회전하여 전자를 움직여 교류(AC)를 생성합니다.(제너레이터가 어떻게 작동하는지 나중에 더 배우게 될 것입니다.)
변압기 – 발전소 내부의 변압기는 AC를 가져와 더 높은 전압 전류로 변환합니다.
전력선 – 모든 발전소에서 4개의 전선이 나옵니다. 동시에 생성되는 3상 전력과 3개 모두에 공통인 중성선 또는 접지선이 있습니다.(전력선 전송에 대해 자세히 알아보려면 배전 그리드 작동 방식을 읽으십시오.)
유출 – 사용한 물은 테일레이스(tailrace)라고 하는 파이프라인을 통해 운반되어 강 하류로 다시 들어갑니다.
저수지의 물은 저장된 에너지로 간주됩니다.문이 열리면 펜스톡을 통해 흐르는 물은 움직이기 때문에 운동 에너지가 됩니다.생성되는 전기량은 여러 요인에 의해 결정됩니다.이러한 요인 중 두 가지는 물의 흐름의 양과 수두의 양입니다.수두는 수면과 터빈 사이의 거리를 나타냅니다.수두와 유량이 증가함에 따라 생성되는 전기도 증가합니다.수두는 일반적으로 저수지에 있는 물의 양에 따라 다릅니다.

양수 저장 발전소라고 하는 또 다른 유형의 수력 발전소가 있습니다.기존 수력 발전소에서 저수지의 물은 발전소를 통해 흘러 나와 하류로 운반됩니다.양수 저장 설비에는 두 개의 저장소가 있습니다.
상부 저수지 – 기존 수력 발전소와 마찬가지로 댐은 저수지를 만듭니다.이 저수지의 물은 전기를 생산하기 위해 수력 발전소를 통과합니다.
하부 저수지 – 수력 발전소에서 나오는 물은 강으로 다시 들어가 하류로 흐르지 않고 하부 저수지로 흐릅니다.
가역 터빈을 사용하여 플랜트는 물을 상부 저수지로 다시 펌핑할 수 있습니다.이 작업은 사용량이 적은 시간에 수행됩니다.기본적으로 두 번째 저장소는 상단 저장소를 다시 채웁니다.물을 상부 저수지로 다시 펌핑함으로써 발전소는 최대 소비 기간 동안 전기를 생성할 수 있는 더 많은 물을 갖게 됩니다.

발전기
수력 발전소의 핵심은 발전기입니다.대부분의 수력 발전소에는 이러한 발전기가 여러 대 있습니다.
발전기는 짐작할 수 있듯이 전기를 생성합니다.이러한 방식으로 전기를 생성하는 기본 프로세스는 와이어 코일 내부에서 일련의 자석을 회전시키는 것입니다.이 과정은 전류를 생성하는 전자를 이동합니다.
후버 댐에는 총 17개의 발전기가 있으며 각 발전기는 최대 133메가와트를 생성할 수 있습니다.후버 댐 수력 발전소의 총 용량은 2,074메가와트입니다.각 생성기는 특정 기본 부품으로 구성됩니다.
샤프트
엑사이터
축차
고정자
터빈이 회전함에 따라 여자기는 회전자에 전류를 보냅니다.회전자는 고정자라고 하는 단단히 감긴 구리선 코일 내부에서 회전하는 일련의 대형 전자석입니다.코일과 자석 사이의 자기장은 전류를 생성합니다.
후버 댐에서 16,500암페어의 전류가 발전기에서 변압기로 이동하고 여기에서 전류는 전송되기 전에 최대 230,000암페어까지 상승합니다.

수력 발전소는 자연적으로 발생하는 연속적인 과정, 즉 비가 내리고 강이 상승하는 과정을 이용합니다.매일 우리 행성은 자외선이 물 분자를 분해하면서 대기를 통해 소량의 물을 잃습니다.그러나 동시에 화산 활동을 통해 지구의 내부에서 새로운 물이 방출됩니다.생성되는 물의 양과 손실되는 물의 양은 거의 같습니다.
한 때 세계의 물 총량은 다양한 형태로 존재합니다.그것은 바다, 강, 비에서와 같이 액체일 수 있습니다.빙하에서와 같이 고체;또는 공기 중의 보이지 않는 수증기와 같이 기체 상태입니다.물은 바람의 흐름에 의해 행성 주위를 이동할 때 상태를 바꿉니다.바람의 흐름은 태양의 가열 활동에 의해 생성됩니다.기류 순환은 행성의 다른 지역보다 적도에서 더 많이 빛나는 태양에 의해 생성됩니다.
기류 순환은 수문 순환이라고 하는 자체 순환을 통해 지구의 물 공급을 구동합니다.태양이 액체 상태의 물을 가열함에 따라 물은 공기 중의 증기로 증발합니다.태양은 공기를 가열하여 대기 중 공기를 상승시킵니다.공기는 더 높은 곳에서 더 차갑기 때문에 수증기가 상승함에 따라 냉각되어 물방울로 응축됩니다.한 지역에 물방울이 충분히 쌓이면 물방울이 무거워져 강수로 다시 지구로 떨어질 수 있습니다.
수력 발전소는 물의 흐름에 의존하기 때문에 수문 순환은 중요합니다.공장 근처에 비가 오지 않으면 물이 상류로 모이지 않습니다.상류에 물이 모이지 않으면 수력 발전소를 통해 흐르는 물이 줄어들고 전기가 덜 생산됩니다.