발전소의 종류와 원리

[류명한]

■ 수력 발전

▶ 수력 발전소란 무엇인가?

수력 발전소란(그림1)과 같이 높은 곳에 있는 물을 낮은 곳으로 유도하여, 물이 떨어지는 힘, 즉 물이 가지고 있는 위치에너지를 운동에너지로 바꿔 수차를 돌리고, 수차에 연결된 발전기로 발전하여 전기에너지를 일으키는 것을 말한다. 수력 발전소는 일반적으로 험한 산속에 건설되어 전기 소비지에서 멀기 때문에, 송전선이나 댐 등의 건설에 많은 비용과 기간을 필요로 한다.

▶ 수력 발전소의 종류

발전에 이용할 수 있는 물의 에너지는 낙차와 유량의 곱이 클수록 더욱 커진다. 이 낙차를 얻는 방법에 따라 발전소의 형식이 달라진다.

* 댐식 : 강을 가로질러 높은 댐을 쌓아 물을 저장하고, 이것을 수압이 걸린 터널을 통하여 바로 아래의 발전소로 물을 떨어뜨려 발전한다.

* 수로식 : 강을 상류에서 막아 취수구를 만들고 물을 수로로 유도한 다음, 본류와의 낙차를 이용하여 발전한다.

* 댐·수로식 : 댐으로 저장한 물을 수로에 의해 더욱 낙차를 크게 하여 발전한다.



수력 발전소(댐식)

▶ 양수 발전소란 무엇인가?

양수 발전이란(그림2)와 같이, 수력 발전소의 위와 아래에 저수지를 만들고, 야간에 화력 발전 등에 의한 전기를 사용하여 발전에 이용한 물을 아래의 저수지에서 퍼올려 놓은 다음, 다음날 주간에 재차 이 물을 방출하는 방법을 말한다. 즉 야간에 발전한 전기를 물의 상태로 저장해 놓고, 주간에 재차 전기로 바꾸는 셈이다. 이와 같은 발전소를 양수 발전소라 한다.


양수 발전소


■ 화력 발전 ...
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▶ 화력 발전소란 무엇인가?

화력발전소는 그림3 과 같이 원유나 중유 등을 연료로 하여 보일러로 증기를 발생시킨 다음, 그 압력으로 터빈·발전기를 돌려 발전하여 전기 에너지로 바꾸는 곳이다.

화력 발전소에서 원유나 중유 등의 연료는 보일러 내에서 연소하는데 연소한 폐가스는 굴뚝으로 방출된다 , 그 열 에너지를 보일러 내의 보일러 물(水)에 가하여 고압·고온의 증기를 만든다. 이 증기는 터빈에 보내지고, 터빈에서 그 열 에너지를 회전의 기계 에너지로 바꾼다. 그리고 터빈에 직결된 발전기를 돌려 발전하면, 전기 에너지로 변환되는 것이다.

화력 발전소는 연료로 사용하는 석유 등을 해외에서 운반해오기 때문에, 수송이 편리하고 운전에 필요한 대량의 물을 얻기 쉬운 해안가에 만들어진다

화력 발전소


■ 원자력 발전 .

▶ 원자력 발전소란 무엇인가?

원자력 발전도(그림4)와 같이 증기의 압력으로 터빈이나 발전기를 돌려 발전한다는 점에서 화력 발전과 똑같다.
다만 화력 발전의 보일러를 원자로로 바꿔 놓은 것인데, 증기는 원자로에서 우라늄 등의 핵분열 반응에 의해 생기는 열로 인해 발생한다.
원자력 발전소는 우라늄 235라는 물질을 2∼3% 함유한 것을 핵연료로 사용하기 때문에 거의 100%우라늄 235로 되어 있는 원자폭탄처럼 폭발할 염려는 없다.


원자력 발전소

■ 기타 발전

그밖의 발전방식으로 태양광을 이용한 태양광발전과 풍력을 이용한 풍력발전, 그리고 바닷물의 조수 간만의 차를 이용한 조력발전 등이 있다. 이와 같은 자연에너지 이용은 세계적인 관심사 중의 하나이며, 일부에서는 이미 실용화되고 있다. 그러나, 자연에너지 개발에는 현실적인 어려움이 많다. 태양광이나 풍력을 이용해 대규모 발전을 하기 위해서는 평탄하고 넓은 장소와 거대한 설비가 필요해 발전원가가 높아지게 되며 야간이나 흐린날, 바람이 없는 날에는 사용할수 없는 등 자연조건에 크게 좌우된다. 이들 자연에너지느 원자력과 같이 안정된 대형 에너지원으로는 적합하지 않지만 소규모의 분산형 에너지원으로 활요될 수 있도록 각각의 특징을 살린 연구개발이 이루어지고 있다.

▶ 태양광 발전
태양광 발전기술은 1954년 미국의 벨연구소가 세계 최초로 개발한 이래 우주탐사와 반도체 산업의 발달과 함께 획기적인 기술개발을 거듭해 왔다. 그러나 발전과 이용의 편리정에도 불구하고 시스템 가격이 워낙 비싸기 때문에 아직은 등대나 통신 및 낙도의 소규모 발전 등 특수한 곳에만 이용되고 있다. 우리나라는 현재 제주도 남쪽에 위치한 마라도에 30kW급 태양광 발전소가 세워져 27가구에 전력을 공급하고 있으면 전남 하화도에 25kW급, 충남 호도에 100kW급이 건설되어 가동중이다.

▶ 풍력발전
풍력발전기술은 1975년 미국 항공우주국(NASA)이 100kW급 대형 풍력발전 시스템을 개발하면서부터 지금까지 양수관개용 동력원으로 사용되어 왔다. 우리나라는 지난 1975년 한국과학원에서 경기도 황성군 엇섬에 설치한 2kW급이 국내 풍력발전기의 효시인데 최근에는 한국에너지기술연구소가 한국관공공사와 공동으로 제주도 중문에 설치한 250kW급(1992), 제주도 월령에 설치한 100kW급과 30kW급(1995년) 풍력 발전기가 정상운전되어 각종 특성시험을 성공적으로 수행하고 있다.

▶ 해양에너지 이용발전
조력, 파력, 해류, 해수 온도차 등과 같은 해양에너지는 발전용 에너지로 이용 가능한 자원이 특정지역에 편재되어 있기 때문에 몇 몇 해양 선진국을 중심으로 기술개발이 활발하게 추진되어 있다. 프랑스는 이미 24만kW급에 이르는 랑스 조력발전소를 건설하며 1966년부터 현재까지 가동하고 있는 중이다. 우리나라는 서해안 일부에 개발 가능한 지역이 있으나 조수간만의 차를 이용한 5m이내의 저낙차 발전기와 해수 부식방지 재료의 개발 등 기술력과 비 경제성 등으로 실용화를 검토하고 있는 실정이다.
-수력발전
① 수력 발전의 원리
물의 위치 에너지와 운동 에너지를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 얻는 방식으로는 높은 하천의 수량 일부를 낮은 하천으로 끓어 들이는 유역 변경식이 있으며, 최근에는 주로 댐을 건설하여 하천의 적당한 곳을 막아 수위를 높여서 낙차를 얻는 방법을 많이 사용하고 있습니다.
② 수로식과 댐식 발전소의 장소 선정과 장단점
수로식은 강 상류에 취수 댐을 만들고 수로를 통하여 물을 흐르게 하여 전기를 얻으므로 물의 양이 적고 낙차가 큰 곳에 좋습니다.
댐식을 건설하는 경우 수량만 많으면 낙차는 크지 않아도 되고, 다량의 물을 댐에 저장하여 사용하므로 비가 적은 갈수기에도 발전이 가능하며 이 물을 식수원, 농업·공업 용수, 홍수 조절 등 다목적으로 사용할 수 있습니다.
③ 수력 발전의 장·단점, 발전소 건설의 입지 조건
공해가 없으며 천연 자원의 이용으로 연료의 공급 없이 오래 사용할 수 있어 운영비가 저렴합니다.
또한 홍수 조절 등 다목적으로 사용할 수 있고 발전하는데 시작이 빠르며 발전량을 조절하기 쉬운 반면에 건설 경비가 많고 건설 기간도 깁니다.
댐을 건설할 수 있는 지형이 한정되어 장소 선정이 곤란합니다.
기상 조건의 영향을 받으며 송전 거리가 멀어 전력 손실이 많습니다.
장소로는 수량이 풍부하며 침수 지역이 좁고 땅값이 싼 곳이 좋습니다.

-화력발전
① 화력 발전의 원리
화력 발전은 에너지원으로 석탄, 석유, 천연가스 등 화석 연로를 사용하며 최근에는 중유를 많이 사용합니다.
연료를 연소시켜 발생한 열로 물을 가열하여 압력을 100∼200기압. 500℃ 이상의 고온 고압 증기를 만들어 터빈을 회전시켜 전기를 얻는데 터빈을 통과한 증기는 복수기에서 물로 되며 이때 많은 냉각수가 필요합니다.
② 화력 발전의 방식과 각각의 장단점
연소 가스를 이용하는 가스터빈식(내연력 발전), 증기를 이용하는 증기터빈식(기력 발전), 두 가지를 결합한 복합 발전이 있습니다.
가스터빈식은 증기 터빈에 비해 구조가 간단하고 건설비가 적게 들지만 열효율이 낮고 발전 용량이 적고 복합식은 한번 사용한 가스를 재활용하여 열효율을 48% 정도 증가시킬 수 있습니다.
③ 화력 발전의 장단점과 입지 조건
소비지에 가까운 곳에 건설할 수 있어 전력 손실이 적습니다.
건설비가 저렴하며 공사 기간이 짧고, 전기를 안정적으로 생산할 수 있지만 반면에 연료를 계속 공급해 주어야 하므로 연료의 저장과 공급이 어려워 운영비가 비싸고 대기 및 수질 등 환경 오염을 일으킵니다.
장소로는 연료를 사용하므로 연료의 수송과 공급이 쉽고 냉각수가 풍부한 환경을 갖추어야 합니다.

-원자력발전
① 원자력 발전의 원리
우라늄이나 플루토늄 등의 원자핵이 분열할 때 생기는 질량의 결손 에너지로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기로 발전기의 터빈을 돌려 전기를 얻는데 이 때 핵분열을 일으키게 하는 장치를 원자로라 합니다.
냉각재로서 보통의 물을 이용하는 방법이 경수로인데 냉각수가 오염될 가능성이 있으므로 2차 증기를 만들어 터빈으로 보내는 간접 순환 방식을 많이 사용하고 있습니다.
② 원자력 발전의 장단점
이산화탄소를 배출하지 않으므로 환경 보존에 공헌하며 연료비와 운영비가 싸고 다른 산업으로의 파급 효과가 크지만 건설비가 비싸고 방사능 누출 및 핵폐기물 처리가 어렵습니다.
③ 화력 발전과 원자력 발전의 차이점은 무엇인가 ?
화력 발전은 고온 고압의 증기가 직접 발전기의 터빈을 돌려 전기를 얻는 방식이고 원자력 발전은 냉각재를 고온 고압으로 만든 후 열 교환기에서 2차 증기를 발생시켜 발전기의 터빈을 돌려 전기를 얻는 방식입니다.

-태양열 발전과 태양광 발전의 차이점과 장단점
태양광 발전은 태양 광선이 반도체로된 태양 전지에 쪼이면 그 빛의 일부가 전기 에너지로 전환되어 전기를 얻는 방식으로 계산기, 시계, 카메라, 인공 위성 등 주로 소량의 전기를 얻는데 많이 쓰입니다.
태양 전지는 증기 터빈이나 발전기 없이 적접 전기를 얻을 수 있는 장점이 있죠.
태양열 발전은 화석 연료 대신에 태양에서 복사하는 열에너지를 반사경이나 포물경을 이용하여 빛을 초점에 모으고 초점에 물이 지나가는 파이프를 설치하여 물을 끓여 전기를 생산하는 방식으로 화력 발전의 원리와 유사합니다.
발전 방식으로는 탑 집광 방식과 포물경 집광 방식이 있습니다.
태양광 발전이나 태양열 발전 모두 깨끗하며 공해가 없고 에너지가 무한하나 기상 조건에 영향을 받으며 넓은 지역이 필요하고 설치비가 많고 에너지 밀도가 낮습니다.
특히 태양광 발전은 터빈이나 발전기가 없으나 태양열 발전보다 에너지 밀도가 낮죠.

-그 밖의 발전 방식과 내용
열병합 발전 : 연료를 연소시켜 터빈을 돌려 전기를 생산하고 그 폐열을 유효하게 이용하는 종합적인 발전 방식입니다. 다른 발전 방식은 전기만 생산하고 폐열, 송전, 배전에서 발생하는 손실 등으로 효율이 35% 정도인데 열병합 발전은 그 폐열을 냉난방에 이용하여 효율을 70∼80로 향상시킬 수 있죠. 열 병합 발전소는 신도시 같은 아파트 밀집 지역에 유리하며, 평촌 열병합 발전소, 일산 열병합 발전소 등이 있습니다.
양수 발전 : 수력 발전의 일종으로 아래와 위에 저수지를 만들어 놓고 심야에 남는 전기를 이용하여 아래 저수지의 물을 위에 있는 저수지로 올린 후 전기가 많이 필요한 낮에 이 물을 이용하여 전기를 발전하는 방식입니다. 원자력 발전에서는 항상 일정한 출력으로 발전이 유리한데 심야에 값싼 남는 전력을 이용하는 것이 합리적이므로 양수 발전소의 건설은 세계적인 추세이지만 건설비용이 많이 듭니다.
지열 발전 : 천연 증기를 쓰는 방법, 열수를 쓰는 방법, 천연 증기나 열수를 이용하여 다른 액체 증기를 만들어 쓰는 방법 등이 있습니다. 연료나 증기 발생을 위한 보일러가 필요없고 환경 오염이 없으나 많은 전기를 얻을 수 없고 지역이 제한되어 있습니다. 일반적으로 화산 지역에 적합한 방식입니다.
조력 발전 : 밀물과 썰물의 조수간만의 차를 이용한 방법으로 연료가 필요없으므로 환경 오염이 없으나 조수간만의 차가 큰 지역에서만 가능하고 건설비가 많이 듭니다. 세계적으로 조수간만의 차가 큰 곳은 인천 8.1m이고 프랑스 서부 지역의 랭수강 하구에서는 간만의 차가 13.5m나 되어 대규모의 조력 발전을 하고 있습니다.
기타 : 바람의 힘을 이용한 풍력 발전, 생활 쓰레기나 산업 폐기물에서 발생하는 가스나 열을 이용하여 전기를 생산하는 바이오매스 발전이 있습니다.

수력 발전소관련 댐- 소양강 다목적댐, 충주 다목적댐, 횡성 다목적댐
안동 다목적댐, 임하 다목적댐, 합천 다목적댐, 낙동강 하구둑
남강 다목적댐, 밀양 다목적댐 ,대청 다목적댐, 섬진강 다목적댐,
주암 다목적댐, 부안 다목적댐, 용담 다목적댐 등이 있다.

원자력 발전소-고리, 울진, 영광, 월성에 위치해 있다.


화력 발전소 - 해안에 인접한 우리나라 화력발전소는 모두 14개로 그 중 7개가 인천과 전북
군산사이의 서해안에 몰려있다. 추가건설이 진행중이거나 신규건설이 계획된
10개 지역중 6개가 집중된 곳도 이 구간이다.

풍력발전소- 제주도에 위치

수력>화력>원자력>풍력 이 순입니다..