1. 수력 발전

[환타(기원)]

1. 수력 발전

1. 수력 발전의 개요

  수력 발전이란?      

   물의 위치에너지 ⇒ 기계 에너지(수차) ⇒ 전기에너지(발전기)

  수력 발전소의 특징

      (가) 국내 부존자원 활용
      (나) 설비의 운전절차 간단, 기동에 소요되는 시간이 5분 이내로 짧아서 필요한 양의 전력을 신속히 생산
      (다) 고장률이 낮고 수명이 길다(50年)
      (라) 홍수조절기능
      (마) 운전비용 저렴
      (바) 댐건설에 초기투자비가 많이 소요

[1] 수력발전소의 종류와 역할

   구조에 의한 분류

  (가) 수로식 발전소
         ① 하천의 상류지점
         ② 취수댐을 만들고 수로를 통하여 수차에 물을 유입시켜 낙차를 얻는 방식
         ③ 취수댐→취수구→침사지→수로→수조→수압관로→발전소→방수로
         ④ 화천댐
      ※방수로 : 홍수의 피해를 막고 수력발전소에서 이용한 물을 하천으로 흘려 보내기 위하여
                      인공으로 만든 물길
      (나) 댐식 발전소
         ① 하천의 중하류지역
         ② 하천을 가로질러 댐을 막아 낙차를 얻어 발전하는 방식
         ③ 댐→취수구→수압관로→발전소→하천의 방수구
         ④ 춘천, 대청, 임하, 소양강, 팔당댐
         ⑤ 우리나라 대부분이 댐식 발전방식
      (다) 댐 수로식 발전소
         ① 댐식과 수로식의 혼합방식
         ② 댐에서 얻어진 낙차와 수로에 의해서 낙차를 증가시켜 발전하는 방식
         ③ 댐→취수구→수로→수조→수압관로→발전소→하천의 방수구
         ④ 화천, 안흥, 강릉 수역 등
      (라) 유역 변경식 발전소
         ① 발전소를 댐이 위치하는 하천 유역이 아닌 다른 하천 유역으로 변경
         ② 상부저수지→분수계→조압수조→발전소
         ③ 장진강, 부전강, 보성강

   운용 방법에 의한 분류

      (가) 자류식…자연유량에 의한 발전, 대부분의 소수력발전소가 해당
      (나) 저수지식…홍수조절기능, 댐식과 댐수로식 발전소가 해당
      (다) 조정지식…단기간의 유량조절기능을 가지는 발전
      (라) 양수식…저수지식 또는 조정지식 발전소의 일종

    형성평가

     1. 수력 발전은 어떤 에너지를 이용한 것인가?  

       ① 물의 위치 에너지       ② 증기의 압력 에너지     ③ 원자력의 열에너지

       ④ 풍력 에너지              ⑤ 지열 에너지

    2. 수력 발전소의 종류 중 구조에 의한 분류가 아닌 것은?  

       ① 수로식 발전소      ② 댐식 발전소      ③ 댐 수로식 발전소

       ④ 양수식 발전소     ⑤ 유역 변경식 발전소

[2] 수력 자원

   ⑴ 물의 압력
      ① 점성도 없고 압축도 없는 이상적 유체         ② 순수한 물은 4[℃]에서 최대밀도
      ③ 1[㎥]의 물의 무게는 1000[kg]                   ④ 물의 밀도는 온도변화에 따라 일정
      ⑤ 물의 압력 : 물기둥의 높이에 비례

  ⑵ 수   두
     ① 위치 수두 : 단위 체적당 유체가 가지는 위치에너지 H[m](위치수두는 높이에 비례)
     ② 압력 수두 : 단위 체적이 가지는 물의 에너지 H_P
     ③ 속도 수두 : 단위 체적당 물의 운동 에너지 H_V

     ④ 베르누이의 정리 : 에너지 불변의 법칙의 하나로 물의 속도 수두, 압력 수두, 위치 수두의
                                   각각의  크기는 같지 않지만 그 총합은 항상 일정하다.

⑶ 하천 유량 및 낙차
   [1] 하천 유량과 유량 곡선
      (가) 강수량과 유량
         ◎ 수력발전용 수자원-하천에 흐르는 유량에 의존
         ◎ 유출계수(=유출고) : 강수량 전체 중 하천으로 흐르는 물의 비율(65∼75%)
      (나) 유량의 크기 구분 :

명   칭	내                        용
갈수량	1년 365일 중에서 355일 이상은 이 이하로 내려가지 않는 유량
저수량	1년 365일 중에서 275일 이상은 이 이하로 내려가지 안는 유량 (9개월)
평수량	1년 365일 중에서 185일 이상은 이 이하로 내려가지 않는 유량 (6개월)
풍수량	1년 365일 중에서 95일 이상은 이 이하로 내려가지 않는 유량 (3개월)
고수량	매년 1∼2회 나타나는 정도의 유량
홍수량	3∼4년에 한 번 나타나는 정도의 유량

      (다) 유량도 : 하천에 나타나는 유량을 날짜순서에 따라 나타낸 것
                         유량의 크기(세로축), 날짜 순서(가로축)
      (라) 유량곡선 : 유량도를 기준으로 매일매일 발생된 유량크기순서에 따라 기록한 그래프
      (마) 적산유량곡선 : 매일매일의 사용 수량을 적산하여 나타낸 것
                                   일수(가로축), 유량(세로축)

   [2] 유량 측정 : 하천의 유량(Q)을 알기 위해서는 단면적(S)과 유속(v) 측정  
                            Q=Sv[㎥/s]
                         유량 측정법 : 유속계법, 부자법, 염수 속도법, 깁슨법, 피토관법

   [3] 낙차 : 수력발전소의 발생 전력을 결정하는 중요한 요소

       ① 총 낙차 : 취수구 수위와 방수구 수위와의 차
       ② 손실 낙차 : 취수구 손실, 수로 손실, 수로 구조물에 의한 손실
       ③ 유효 낙차 = 총 낙차 - 손실 낙차

⑷ 수력발전소의 출력
   ① 유량(Q[㎥/s])과 낙차(H[m])에 의해 결정
   ② 이론출력  :  P=9.8QH [kW]
   ③ 실제 출력  :  P=9.8QH η_t η_g [kW]   (η_t  : 수차 효율, η_g : 발전기 효율)

  형성평가

   1. 유량의 크기를 나타내는 것이 아닌 것은?  
    ① 갈수량      ② 저수량    ③ 평수량    ④ 고수량     ⑤ 담수량

   2. 유체의 운동에서 '운동 에너지, 위치 에너지, 압력 에너지의 총합은 같다.'라는 정리는 누구의 정리인가?
     ① 랭킨         ② 베르누이   ③ 칼빈     ④ 옴          ⑤ 패러데이

  3. 유량도의 세로에는 유량을 기록한다. 그러면 가로에는 무엇을 기록하는가?
     ① 각 지방    ② 산의 명칭    ③ 강의 명칭      ④ 날짜        ⑤ 해안 이름

  4. 매일 사용하는 수량을 기록한 곡선은?  
     ① 유량도    ② 유량 곡선    ③ 적산 유량 곡선   ④ 유량 측정도    ⑤ 낙차 곡선

  5. 최대 사용 수량이 60[㎥/s]인 수력 발전소에서 이론 출력 6000[kW]를 얻을 수 있는 유효 낙차는 몇 [m]인가?

2. 수력 설비

(1) 댐 및 부속 설비

  [1] 댐
    ① 댐 ; 유수의 저수나 취수를 위하여 하천을 막는 구조물 

    ② 댐의 종류 :

       사용목적에 따라…취수댐, 저수댐(수량조절)

       댐 건설에 사용재료에 따라

종  류		특    징
콘크리트댐	중력 댐	댐 자체의 무게로 물의 압력에 견디도록 한 것
	중공 중력 댐	중력 댐과 비슷, 기초가 견고한 경우에 댐 내부를 부분적으로 비어 재료를 절약
	아치 댐	댐이 활처럼 휘어 아치작용에 의해 수압에 견디게 함
	부벽 댐	부벽으로 지지되는 경사형의 콘크리트 벽에 의해서 수압에 견디도록 설계
흙 댐		토질 재료나 모래 재료로 축조하고 홍수토를 설치한 것
사력 댐		암석이나 자갈을 쌓아 올리고 누수를 방지하고 콘크리트 등으로 처리한 댐

   [2] 수문 … 댐의 정상부에 수문을 만들어 상류측의 수위 및 일류량을 조정할 수 있게 하여,
                   홍수시 수문을 열어 수위의 상승을 방지하고 상류측에 최적한 토사를 토해 내는 기능

종   류	특     징
슬루스 게이트	긴 직사각형의 문작을 문기둥을 따라 상하로 개폐하는 구조
롤러 게이트	문짝에 롤러를 만들어 문기둥 사이에 마찰을 감소시킨 것
스토니 게이트	문틀에 사다리형 롤러를 별도로 달아 문짝이 반절만 움직이도록 하여 마찰을 아주 작게 한 것 -- 대형 수문에 적합
롤링 게이트	긴 원통형 수문을 수평으로 설치, 열 때에는 래크 또는 레일을 따라 원통을 회전시켜 끌어올림
테인터 게이트	차수판의 일부가 반달형
틸팅 게이트	문짝 몸체의 하부는 지지되어 회전할 수 있고, 상부는 카운터 웨이트에 의해 끌어 올려짐

   [3] 댐의 부속설비
      (가) 취수구…댐에 괸 물이 수로 또는 발전소로 유입되도록 만든 구조물
      (나) 수로…취수구로부터 수조 또는 발전소까지 물이 흐르게 하는 통로
      (다) 수조…수로의 끝에 설치하여 수로와 수압관을 연결
      (라) 수압관로…수조에서 수차에 압력수를 송수하기 위하여 매설하는 수로
      (마) 방수로…수차로부터 흘러 나오는 물을 원래의 하천으로 방류하기 위한 수로
             방수구…방수로의 출구
      (바) 안전설비…댐 내부 점검 통로 및 방류 경보 시설
      (사)기타…어도(fish way) , 갑문

  형성평가

   1. 수력 설비 중에서 물의 저수나 취수를 위하여 하천을 막는 구조물을 무엇이라고 하는가?
      ① 수문       ② 롤러 게이트     ③ 댐          ④ 반동 수차       ⑤ 방수로

  2. 댐의 부속 설비가 아닌 것은?  
      ① 취수구    ② 수로      ③ 수조         ④ 흡출관            ⑤ 수압관로

 (2) 수차

   [1]수차의 종류

    (가) 물이 가지고 있는 위치에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기계
    (나) 종류

에너지 바꾸는 방법	수차 종류	낙차	특      징
충동 수차	팰턴	고낙차	물의 압력 수두를 속도 수두로 변환하여 수차의 날개에 충돌시켜 날개를 회전
반동 수차	프랜시스	중낙차	회전 날개차, 와권 케이싱, 스피드링, 안내 날개, 흡출관 등으로 구성
	사류	중낙차	프랜시스 수차 특성을 갖음. 날개는 프로펠러 수차 특성
	프로펠러	저낙차	프로펠러 형상으로 구조가 간단하다.
	카플란	저낙차	유량에 따라 회전 날개차의 각도를 조정 가능

   [2] 수차 부속 설비
      (가) 입구 밸브…수차내부를 점검 또는 보수시 수차에 들어오는 물을 차단하는 밸브
      (나) 조속기…부하변동에 따른 속도변화를 감지하여 입력수량을 자동 조절하는 장치
      (다) 압력 조정 장치…부하의 증감시 조속기 동작에 의해 수차 입력을 줄임과  동시에
                                     여분의 물을 다른 곳으로  배수시켜 압력 상승을 억제하는 자동 장치
      (라) 흡출관…낙차를 회수하기 위해서 수차와 방수면 사이에 설치하는 관

형성평가

   1. 수차의 종류 중 충동 수차에 속하는 것은?  
      ① 팰턴 수차           ② 프랜시스 수차           ③ 프로팰러 수차  
      ④ 카플란 수차        ⑤ 사류 수차

(3) 전기설비

   [1] 수차 발전기
      (가) 발전기의 구조
         ① 수차를 원동력으로 하는 발전기
         ② 회전계자형 3상 교류 동기 발전기 - 돌극형 회전자 사용
         ③ 정격 전압 : 소형 - 3.3[kV]
                              중형 - 6.6[kV]
                              대형 - 11[kV], 13.8[kV], 18[kV], 20[kV]
      (나) 축의 배치
         ① 횡축형 - 소형, 고속 회전
         ② 입축형 - 대형, 저속 회전 - 저낙차일 때 낙차를 유효하게 이용
    

   [2] 전동 발전기 : 양수시 수차가 펌프로 되기 위해 발전시와 반대 방향으로 돌려 주어야 하므로
                             이에 직결된 발전기가 전동기로 되어야 한다.

(4) 양수 설비

     ※ 양수 발전소 : 낮은 곳에 있는 물을 높은 곳으로 퍼올렸다가 필요할 때에 이 물로
                             발전하는 방식  
     ※ 양수 발전의 우수성 : 발전 원가 절감, 발전 효율 향상, 전력계통 신뢰도 향상

주간<발전시>	야간<양수시>

  [1] 양수 발전 방식의 종류
 
   ① 순 양수식 발전소…발전에 사용되는 수량이 전부 양수된 물만으로 운영
   ② 혼합 양수식 발전소…상부 저수지에 외부로부터 유입량이 있는 발전소

   ③ 기기 배치에 따른 분류 : 직결식, 별치식, 가역식

<직결식>	<별치식>	<가역식>

  [2] 펌프-수차
     ① 특성
     ② 펌프-수차 :수차를 역방향으로 회전시키면 펌프로도 사용가능
     ③ 프랜시스형 펌프-수차