1. 전기가 만들어지는 원리
◇ 직류와 교류
○직류(Direct current : DC) : 건전지에 저항을 연결해서 회로를 만들면 이 회로를 흐르는 전류는 항상 크기가 일정하며 흐르는 방향도 변하지 않는다. 전류나 전압의 시간적인 변화가 평탄한 직선이다.
○교류( Alternating Current : AC) : 우리가 가정에서 사용하는 전기는 전류나 전압이 주기적으로 변화한다. 즉 전류나 전압의 시간적 변화가 일정시간마다 (+), (-)가 반복되는 등 주기적인 변화를 일으키며 사인웨이브(정현파)의 그래프가 되고 있다. 가정에서 사용하는 전기 제품의 플러그는 꽂는 방향에 관계없이 작동이 된다. 이 교류의 파형을 보면, 전류와 전압이 시시각각으로 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 각 시각에 있어서의 값을 순시값(瞬時値)이라 하고, 파형(波形)의 최대값을 진폭, 파(波)가 1진동하는데 걸리는 시간을 주기(週期)라고 한다.
1초간에 진동을 반복하는 회수를 주파수라고 하는데, 옛날에는 사이클(Cycle)이란 단위도 썼으나 지금은 헤르쯔(문자기호는 Hz)로 통일되어 있다. 우리나라에서 사용하고 있는 교류 주파수는 60헤르쯔, 그러나 외국에서 50헤르쯔를 사용하는 곳도 있다.
다시한번 교류파형을 살펴보면 1주기 사이에 플러스와 마이너스가 한 번씩 찾아오고 그 사이에 두 번 제로가 되고 있다. 따라서 60헤르쯔의 교류로 전등을 켜면 1초사이에 120회 점멸하는 것을 알 수 있다. 그 때문에 형광등 밑에서 손을 빨리 흔들면 깜박거려 보이는 것이다.
레코드 플레이어의 스트로보, 스코프는 이 원리를 이용한 것이다. 즉, 전등의 규칙적인 점멸을 이용하여 레코드의 회전수를 체크하는 것이다.
◇ 교류의 실효치
교류의 순간값 중에서 제일 큰 값을 최대값이라 하고, 순간값들을 평균하여 직류화한 값을 교류의 실효값이라 한다. 교류의 실효값과 최대값 사이에는 다음의 식이 성립한다.
▶ 교류 전류의 최대값 = √2x(교류 전류의 실효값)
▶ 교류 전압의 최대값 = √2x(교류 전압의 실효값)
▶ 교류 전력의 최대값 = 2x(교류 전력의 실효값)
◇ 전자기 유도
코일에 전류를 흐르게 하면 코일이 전자석이 된다. 이와는 반대로 자기장의 변화를 주면 코일에 전기가 생기는데, 이러한 현상을 자기 유도라고 한다.
아래 화면과 같이 막대 자석을 코일에 가까이 했다 멀리했다 하여 코일 속을 지나는 자기력선에 변화를 주면 코일에 전기가 발생된다. 이 경우 전류의 세기는 코일의 감은 횟수와 자기력선의 변화에 비례하여 커지며, 교류 발전기는 이 원리를 이용한 것이다.
◇ 교류 발전기의 원리
다음 그림과 같이 자석의 양극 사이에 네모꼴의 코일을 넣고 자기장에 수직인 축을 중심으로 코일을 빠르게 회전시키면, 코일을 지나는 자기력선의 변화 때문에 코일에 유도 전류가 생긴다. 발전기는 이러한 원리를 이용한 것이다. 이렇게 해서 생긴 전류가 교류이며, 아래 그림과 같이 전류의 세기와 방향이 주기적으로 변화된다. 가정이나 공장에서는 주로 교류를 사용한다.
◇ 금속의 이온화 현상(전지의 원리)
금속의 전기 화학 작용을 응용한 발전은 서로 다른 두 개의 금속을 전기가 통하는 전해질 용액에 담그고 도선으로 두 금속을 연결하면 금속의 이온화 현상에 의한 전자의 이동으로 전류가 흐르는 원리이다.
여기서 말하는 이온화 현상은 금속 물질이 안정상태를 유지하기 위하여 전자를 외부로 방출하고 양이온이 되거나, 외부로부터 전자를 흡수하여 음이온이 되려는 현상이다.
◇ 광전효과(태양전지)
광전효과를 응용한 발전은 전자를 방출하려는 성질이 있는 반도체(P형)와 전자를 흡수하려는 성질이 있는 반도체(N형)를 접합하고 그 접합부에 빛을 쪼이면 P형 반도체에서 전자가 방출되어 N형으로 이동하여 전기가 발생하는 원리이다.
2. 여러 가지 발전 방식
◇ 열병합 발전 ( Co-generation System )
열병합발전은 "하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜 용도별로 적절히 공급하여 에너지 이용 효율의 극대화를 추구하는 시스템"이라고 말할 수 있다. 열병합발전소를 기존 발전소들과 비교했을때 가장 큰 장점은 효율입니다. 일반 상용화력발전소와 같은 발전전용방식은 투입에너지의 1/3만 전력으로 생산하고 2/3에 해당하는 에너지는 복수기를 통해 강이나 바다로 버려지고 있으나 집단에너지공급의 주요 열원시설로 채택한 열병합발전방식은 이러한 손실열을 회수 이용하여 냉.난방열로 이용함으로써 에너지이용효율(종합 열효율87%) 의 극대화를 이루어 나가고 있습니다. 열 병합 발전소 시설은 크게 발전시설과 열 생산시설로 나누어지며 일반적으로 고온부는 동력, 저온부는 열로 사용하는 에너지 시스템(Combined Heat & Power generation)을 운영하고 있습니다.
☆ 일반 화력 발전소와 열병합 발전소의 비교
구분 |
일반화력발전소 |
열병합발전소 | |
생산 |
전기만 생산 |
전기와 열 동시 생산 | |
효 |
발전효율 |
35% ~ 40% |
30%∼35% |
열효율 |
0% |
45%∼50% | |
종합효율 |
35%∼40% |
75%∼85% |
※ 열병합 발전 효과
에너지 이용효율 극대화로 대규모의 에너지를 절감 (20~30%) 할수 있다. 또한 연료사용량의 감소와 공해방지시설의 집중관리에 의하여 환경을 개선하는데도 크게 기여할수 있는 발전 방식이라 할 수 있다.
▷ 산업 및 주거부문에 편익제공
- 산 업 : 양질의 저렴한 에너지공급으로 기업경쟁의 강화
- 주 거 : 24시간 연속난방으로 쾌적한 주거환경 조성
▷ 열이 필요한 도시 근처나 공장이 밀집한 곳에 발전소를 설치할 수 있어 송전과정에서 생기는 송전손실을 감소시킬 수 있고 발전소 부지난 완화에도 기여할 수 있다.
▷ 하절기 전력첨두부하 완화에 기여
- 지역난방 부문 : 지역난방열을 하절기에 냉방열을 열원으로 활용
▷ 연료다원화에 의한 석유의존도 감소 및 폐자원 활용증대
▷ 증기나 열을 상당히 저렴한 값으로 생산할 수 있으므로 경제적이며, 국가적인 차원에서도 상당한 에너지를 절약할 수 있는 좋은 방안이다.
※ 우리나라에서 현재 운영실태
20여 곳의 산업체에서 개별로 또는 산업공단에서 단체로 열 병합 발전소를 운영하여 전기와 함께 공장에서 필요한 증기를 동시에 생산하여 사용하고 있으며, 남서울과 3 - 4곳의 신도시에서 열 병합 발전에 의해 전기를 생산함과 동시에 고온수를 생산하여 난방과 급탕 등의 열로 활용되고 있다.
◇ 원자력 발전
우라늄이나 플루토늄 등의 핵분열 반응 때 생기는 질량 결손 에너지를 이용하여 발전하는 방식이다. 이 때, 즉 핵연료의 핵에너지가 열에너지로 전환되고, 이것이 다시 전기 에너지로 전환되는 것이다. 핵분열을 일으키게 하는 장치를 원자로라고 한다. 원자로의 기본 구성은 다음과 같다.
○ 핵연료
우라늄 가루를 구어서 만든 길이 1cm 정도의 분필 같은 모양의 핵연료를 펠릿이라고 부르며, 이것을 약 4m의 피복재에 한 줄로 넣어 둔다. 이 4m 정도의 핵연료를 가로, 세로 각각 14개, 16개 혹은 17개씩 얽어매어 핵연료로 집합체를 만든다.
○ 감속재
핵분열시 나오는 고속의 중성자의 속도를 늦추어 주는 물질로, 원자 번호가 적고 중성자를 잘 흡수하지 않아야 한다. 감속재로 물(경수), 중수, 흑연, 베릴륨 등이 있으며, 가장 널리 사용하는 것은 물이다.
○ 제어 물질
원자로의 출력을 일정하게 유지시키거나 원하는 대로 변동시키기 위해 중성자 수를 적절하게 조절하는 역할을 한다. 제어 물질로는 붕소, 카드뮴, 인듐, 하프늄 등이 사용된다.
◇ 태양광 발전
주로 태양 전지를 이용하여 발전한다. 태양 전지는 태양의 빛에너지를 받아서 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 실리콘 결정체로 된 반도체 소자로서 보통 p-n 접합 반도체와 금속의 결합으로 이루어져 있다. 태양 전지는 증기 터빈이나 발전기 없이 직접 전기를 얻을 수 있는 장점이 있다. 인공 위성에서는 이 태양 전지를 에너지원으로 사용하고 있고, 카메라, 전자 계산기 등에도 태양 전지가 사용되고 있다.
◇ 태양열 발전
태양에서 복사하는 열에너지를 흡수하여 열기관과 발전기를 움직여서 발전하는 방식이다. 발전 방식으로는 탑 집광 방식과 포물면 집광 방식이 있다. 탑집광 방식은 탑 위에 물 탱크를 두고 탑 주위에 많은 반사경을 설치하여 여기서 반사된 태양광이 끊임없이 물 탱크면을 비추면서 물을 가열한다. 포물경 집광 방식은 직선상으로 배열한 포물면경의 초점위에 위치한 물이 지나가는 파이프를 설치하여 물을 가열시키는 방식이다. 흐린 날에나 비오는 날에는 효율이 급격히 떨어지거나 작동이 불가능하다는 단점이 있다.
◇ 수력 발전
물의 위치에너지와 운동에너지를 이용하여 전기를 얻는 방식이다. 높은 곳의 물이 떨어지는 힘으로 수차를 돌리면 수차의 축에 붙어 있는 발전기가 돌아가게 되어 전기가 발생하게 된다. 무공해한 클린 에너지( Clean energy) 이다. 주요 설비는 터빈, 발전기, 변압기 등이다. 수력발전을 할 수 인는 지역이 한정되어 있다는 것과 건설비용이 많이 든다는 단점이 있다.
<수력발전의 구조 및 수차의 구조>
○ 터빈 : 낙차와 유량에 따라 결정되며, 터빈의 회전수를 일정하게 유지시켜 주는 장치가 있다. 한편, 터빈의 축은 발전기의 축과 직접 연결되어 있으므로 터빈 축의 회전에 의해 전기 에너지로 변환된다.
○ 발전기 : 대부분이 삼상 교류 발전기이며, 주파수는 60Hz 이다. 용량이 큰 것은 13000∼16000V 정도이며, 용량이 작은 것은 3000∼11000V 정도이다. 대부분의 발전소에서는 여러 대의 발전기를 병렬로 연결하여 사용하고 있다.
○ 변압기 : 발전기에 의해 생산된 전압은 3300∼16000V 정도이다. 이것을 장거리로 송전하는 것은 불리하므로 변압기를 써서 아주 높은 전압으로 높인 후 송전선으로 보낸다.
◇ 화력 발전
수력과는 반대로 화력을 이용한 것이 화력발전이다. 중유, 석탄, 천연가스(LNG) 등이 연료로 사용된다. 수력발전은 무공해(無公害)한 클린 에너지(Clean Energy)인데 비해 화력발전은 배기가스로 인한 공해가 심각한 문제이다. 그럼에도 불구하고 1950년대부터 화력발전소가 급격히 증가하여 오랫동안 주류의 위치에 있던 수력발전을 제치고 현재에는 전력을 지배하고 있다. 그 이유는 수력에 비해 건설비가 싸고 조기완성시킬 수 있기 때문이다. 또 화력발전소는 위치의 선정에도 유리하여 산간벽지에 건설할 필요가 없는 것도 이점의 하나이다. 연료인 중유나 석탄이 배로 운반되기 때문에 바닷가에 건설되는 경우가 많다. 그 때문에 수용가까지의 송전거리가 짧은 것도 큰 이점의 하나이다. 우선 중유나 석탄 등의 연료를 보일러에 넣은 다음, 적당량의 공기와 혼합하여 보일러 내에서 연소시킨다. 보일러 내에서는 관을 통하여 들어온 물이 가열되면 고압증기(100 - 200기압, 온도 200도 이상의 고온)로 변해 터빈에 보내진다. 터빈은 수력발전소의 수차에 상당하는 것으로, 많은 회전 날개를 가지고 있다. 따라서 보일러에서는 고온, 고압의 증기를 이 회전날개에 불어넣어 터빈을 회전시키는 것이다. 터빈의 회전은 매우 빨라서 수력발전의 수차가 1분간에 125회전에서 750회전인데 비해 화력터빈은 3천회전에서 3천6백 회전을 한다. 60Hz의 주파수를 가진 전압을 발생시킨다. 터빈을 회전시킨 후의 증기는 복수기 속에서 냉각수에 의해 냉각되어, 재차 물로 돌아가게 된다. 그런 다음 급수펌프에 의해 급수로서 공급되어 과열기에서 가열, 다시 보일러로 보내진다.
◇ 양수발전
전력소비가 적은 밤에 높은 곳에 있는 저수지로 물을 퍼 올려서 저장한 후, 전력소비가 많은 낮 시간에 이 물을 떨어뜨려서 발전하는 방식. 전기에너지를 저장하는 효과를 낳는 발전방식이다. 보통 수력발전소는 발전에 사용한 물을 흘려보내지만, 이 물을 버리지 않고 아래쪽에 저수지를 만들어 저장해 두었다가 다시 퍼 올려서 이용하는 발전소가 있다. 양수발전소(揚水發電所)가 그것이다. 얼핏 생각하면 아주 경제성이 없는 방법처럼 느껴지지만 실제로는 그렇지 않다. 일반 가정에서는 밤이 되면 전등을 사용하므로 전력의 수요도 밤에 많을 것으로 생각하는 사람이 많으나 사실은 그렇지 않다. 대량으로 전력이 필요한 곳은 공장이기 때문이다. 따라서 공장이 일제히 가동되는 오전 10시부터 오후 5시까지가 전력의 수요가 가장 많다. 그러나 발전소의 입장에서 보면 전력의 수요에 관계없이 일정한 발전량을 유지해야 한다. 전력의 사용량이 절반으로 줄었다고 해서 발전량을 줄이거나 운전을 정지하는 것을 그리 간단하지 않다. 끊임없이 일정한 발전량을 유지해야 가장 효율이 좋은 것이다. 그런데 야간이 되면 전력이 남기 때문에 발전량을 줄여야 하는 경우도 생긴다. 양수발전소는 하부 저수지와 상부 저수지를 만들어 주간에 전력의 수요가 많을 때는 상부 저수지의 물로 보통의 수력발전소처럼 발전을 한다. 그리고 사용한 물은 하부 저수지에 저장해 두었다가 야간이나 휴일과 같이 전력이 남아 돌 때, 화력발전소나 원자력발전소의 전력을 이용해서 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼올린다. 이 경우 수차(水車)를 펌프로, 발전기를 모터로 역이용하는 것도 가능하기 때문이다. 그렇다면 경제적인 측면에서도 양수발전은 효과적일까. 간단한 계산을 해보자. 수차와 발전기의 합성효율을 85%라고 하면 양수와 발전의 왕복효율은 0.85 S0.85=0.72로 72% 가 된다. 즉 100원의 전력으로 어떤 물을 양수해서 발전에 사용했다고 하면 72원이 회수되는 셈이어서 나머지 28원은 손실이 된다. 그러나 심야의 전력 요금은 주간의 반 정도밖에 되지 않으므로 100원의 전력도 50원이면 된다. 따라서 50원으로 양수할 경우 이번에는 22원의 흑자가 생긴다. 이렇게 양수발전소는 에너지적으로도 경제적으로도 합리적인 좋은 발전소이다.
◇ 풍력발전
바람의 운동에너지를 이용하여 풍차를 돌리고, 이것이 다시 발전기의 수차를 회전시켜 발전하는 방식이다. 환경오염이 없으나 바람이 연중 계속 부는 지역에서만 소규모 발전이 가능하다. 섬 지방의 소규모 발전에 적합하다.
◇ 조력발전
조수 간만의 차가 큰 만에 물을 저장하여, 바닷물이 들어오고 나갈 때의 위치 에너지의 차이를 이용하여 발전하는 방식이다. 연료가 필요없으므로 환경오염이 없으나 간만의 차가 큰 지역에서만 가능하고 건설비가 많이 든다.
◇ 지열발전
지하의 고온의 지열을 이용(땅속에서 나오는 고온의 증기 이용) 하여 전기 에너지를 얻는 방식이다. 연료나 증기 발생을 위한 보일러가 필요 없고 환경 오염이 없으나 많은 전기를 얻을 수 없고 지역이 제한된다.
◇ 파력발전
바닷물의 해파의 에너지를 이용하여 전기 에너지를 얻는 방식이다.
◇ 바이오매스 발전
생활 쓰레기나 산업 폐기물에서 발생하는 가스나 열을 이용하여 전기를 생산하는 방식으로, 환경오염 물질을 줄일 수 있다.
◇ 핵융합 발전
핵융합 반응시 발생하는 열에너지를 이용하는 발전 방식으로, 미래의 대체 에너지의 한 방편으로서 연구 중에 있다.
그림 1 전기를 얻는 여러 가지 발전 방식
3. 변압기 ◇ 변압기의 공식
Np : 1차코일 감은 수 NS : 2차코일 감은 수 ◇ 페러데이의 전자기 유도 이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력(起電力)이 발생하는 현상을 전자유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력(誘導起電力), 흐르는 전류를 유도전류라고 한다. 유도기전력의 크기에 관해 패러데이는 '유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다'는 사실을 알아냈다. 이것을 패러데이의 전자유도의 법칙이라고 한다. 이 법칙은 언뜻 보기에는 간단한 것 같지만 매우 중요한 현상을 나타내는 대법칙이다. 이 법칙이 근거가 되어 발전기나 변압기도 발명할 수 있었던 것이다. 한편 유도기전력의 방향에 대해서는 렌츠가 '유도기전력은 유도전류가 만드는 자계가 원래의 자계의 변화를 방해하는 방향으로 발생한다'는 법칙을 밝혀냈다. 이것을 렌쯔의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 의해서 코일에 흐르는 유도전류의 방향을 알 수 있게 되었던 것이다. |
4. 전기가 공급되는 과정
전기는 발전소에 있는 변압기에서 적정 수준의 전압(15만 4000V 또는 34만 5000V)으로 승압되어 1차(송전용) 변전소로 보내지고, 몇 개의 발전소로부터 1차 변전소에 모아진 전기는 송전선을 따라 2차(배전용) 변전소로 보내진다. 2차 변전소에서 배전용 전압(주로 2만 2900V)으로 낮추어 배전선으로 보내고, 이것이 주상 변압기를 통하여 적정 전압(주로 110V 또는 220V)으로 변환되어 가정이나 공장의 소비자에게 공급된다. 전기는 일반 상품처럼 저장할 수 없으며, 생산과 소비가 동시에 이루어 지기 때문에 발전소에서 사용 장소까지 송전선과 배전 선로를 통하여 공급해야 한다. 또한, 전기는 소비되는 양만큼 발전되어야 하기 때문에 수요 증가를 대비하고 발전기가 고장날 때를 대비하여 예비 전력까지를 고려해서 충분한 양을 발전해서 공급해야 한다. 아래 그림은 전기가 발전소로부터 우리의 가정이나 공장 등에 공급되기까지의 과정을 나타낸 것이다.
그림 2 전기의 공급 과정
◇ 전압을 높게 하여 송전하는 이유
우리들이 가정에서 사용하는 전기는 110볼트와 220볼트이지만, 전주의 배전선(配電線)에는 22,900볼트라는 높은 전압으로 보내지고 있다. 더 거슬러 올라가 발전소와 변전소를 잇는 고압송전선(高壓送電線)이되면 15만 4천 볼트에서 34만 5천 볼트라는 대단히 높은 전압으로 송전되고 있다. 전압이 높으면 그만큼 위험성도 많기 때문에 송전선도 지상에서 높이 가설해야 하고, 철탑도 키가 높은 튼튼한 것을 사용해야 한다. 그렇다면 어째서 그런 고전압으로 송전하는 것일까.
잘 알려져 있지 않은 사실이지만, 에디슨은 저전압의 직류송전을 지지하였다. 그래서 미국에서 처음 발전소가 건설되었을 때, 에디슨은 110볼트의 직류전기를 송전하도록 지도하였던 것이다. 그리고 발전소에서 가까울수록 굵은 전선을 사용하고 멀어질수록 가는 전선으로 가정에 배전했다. 그러자, 발전소에 가까울수록 전구가 밝아진다는 불공평이 발생했다. 교류전기일 경우, 이러한 일은 일어나지 않는다. 교류는 변압기로 전압을 자유로이 올리고 낮출 수 있기 때문이다. 그렇지만 직류로는 이러한 변압을 간단히 할 수가 없다. 변압기로 교류전기의 전압을 높여서 송전하면 전선을 굵게 하지 않아도 멀리까지 송전할 수 있는 것이다. 물론 에디슨은 변압기에 대해서도 알고 있었다. 그러나 고압의 교류전기의 위험성에 대해서 우려한 나머지 그런 고안을 했던 것이 아닌가 여겨진다. 그러나 에디슨의 의도와는 달리 점점 교류 송전선망(送電線網)이 확대되어, 더욱 높은 전압으로 송전하였다가, 공장이나 집 근처에 와서 다시 전압을 낮추어 쓰고 있다. 물론 이 다음부터는 여전히 에디슨이 발명한 전등에 불을 켜고 있다. 그렇다면 전압을 높게 하면 구체적으로 어떤 이점이 있을까.
송전선은 거리가 길어질수록 전선에 의한 저항도 상당히 커진다. 그 때문에 전기저항이 큰 송전선에 전류가 흐르면 큰 주울 열이 발생하고 이것이 손실로 되어 없어져 버린다. 더구나 이 손실은(송전선의 전류)2 X (전선의 저항), 즉 I2R(W)라는 형태로 전류의 제곱에 비례하므로 전류가 클수록 손실은 더욱 많아진다는 것을 알 수 있다. 그래서 송전전압을 높여서 송전하면 그만큼 전류를 적게 할 수 있는 것이다. 또는 같은 손실 전력이라면 전선을 가늘게, 시설비를 적게 들여도 될 것이다. 즉, 같은 전력이라면 전력 = 전압 X 전류, P=VI(W)의 관계가 성립되어 V를 크게 하면 I를 적게 해도 된다.
전류를 적게 함으로써 열 손실을 적게 하는 것이 이상적이긴 하지만, 그렇다고 전압을 무한정 높일 수는 없다. 송전선의 전압을 높게 하면 전선의 둘레에 코로나 방전(放電)이라는 방전현상이 일어나 도리어 전력손실이 오기 때문이다. 또 애자(碍子)도 큰 것을 사용하지 않으면 안되어 시설비가 늘어난다. 결국 전체의 조건을 고려해서 전압을 정하는 것이다. 여기서는 교류송전에 대해서 살펴보았지만, 직류를 고압으로 송전할 수 있다면 사실은 그 편이 훨씬 뛰어난 점이 많다는 것도 덧붙여 두고자 한다.
◇ 송전선의 전력 손실을 줄이는 방법
발전소에서 각가정이나 공장가지 송전될 때 송전선의 저항에 의해 전기에너지가 소모된다. 송전선의 저항을 R이라 하면 송전선에의한 전력손실은 △P = I2R = (P/V)2R 이 된다. 따라서 전력손실을 줄이려면, 저항이 작은 물질로 송전선을 만들거나 도선의 길이를 짧게 , 굵기를 크게 하면 된다. 그러나 같은 거리를 연결하는 경우에는 송전선의 길이를 줄일수 없고 굵기를 크게 해야 하는데 이경우도 재료가 많이 들고 소선이 무거워 운반과 설치에 많은 비용이 든다. 이러한 여러 가지 상황을 고려해 볼때 송전선의 저항을 줄이기는 현실적으로 어렵다. 위 식에서 알 수 있듯이 저항( R) 값이 일정한 경우 전류를 줄이면 손실전력을 줄일 수 있다. 전력이 일정할 경우 전압을 높이면 전류의 세기가 감소한다. (P=VI, 전력 = 전압 Χ 전류) 송전 전압을 높이면 송전할수 있는 전력을 증가시키면서도 송전선을 흐르는 전류가 작아져 송전선에서 발생하는 열( 주울열 = I2 R) 줄여 손실전력을 감소시킬 수 있다. (송전전압을 n배→전류는 1/n배 → 전력손실 1/n2배)
결론적으로 송전과정에서 손실되는 전기에너지는 전류의 제곱과 저항의 곱에 비례하는데, 저항이 일정할 때 전류의 세기를 줄여야 손실되는 전기에너지가 작아진다.
◇ 110V를 220V로 승압하는 까닭
기존의 옥내 배선으로 최대 사용 전력을 증가시키기 위함이며 옥내 배선을 굵은 전선으로 바꾸는 공사에 드는 비용과 시간을 절약할 수 있고, 최대 사용 전력을 2배로 늘릴 수 있으므로 대용량의 가전 제품을 안전하고 편리하게 사용할 수 있다.
○ 지름이 2mm 인 구리선을 옥내 배선으로 사용할 때의 승압 전후의 가전 제품 사용 능력
구분 |
110V |
220V |
사용이 가능한 가전 제품 |
소형 냉잔고, 텔레비전, 다리미, 밥솥 |
대형 냉장고, 텔레비전, 다리미, 밥솥 |
최대 사용 전력 |
2640w |
5280W |
출처 : 한국전력공사, 홍보자료
5. 주요 발전 방식의 에너지원 및 장단점
발전방식 |
에너지원 |
장 점 |
단 점 |
수력 발전 |
물의 위치에너지 |
Ο 공해가 적다. |
Ο 건설비가 많이 든다. |
화력 발전 |
화석 연료 |
Ο 건설비가 적게 든다. |
Ο 연료비가 많이 든다. |
원자력 발전 |
원자핵 에너지 |
Ο 핵연료의 값이 싸다. |
Ο 시설비가 많이 든다. |
태양열 발전 |
태양의 열에너지 |
Ο 공해가 없다. |
Ο 시설비가 많이 든다. |
태양광 발전 |
태양의 빛에너지 |
Ο 공해가 없다. |
Ο 시설비가 많이 든다. |
풍력 발전 |
바 람 |
Ο 공해가 없다. |
Ο 발전량이 적다. |
조력 발전 |
조 류 |
Ο 공해가 적다. |
Ο 시설이 어렵고 비용이 많이 든다. |
지열 발전 |
땅 속의 열 |
Ο 공해가 적다. |
Ο 시설비가 많이 들고, 특수지역에 한정된다. |
6. 안전한 전기 사용
전기는 소리도 색도 냄새도 없으며, 전기를 띠고 있는지 끊어진 상태인지 겉으로는 전혀 알 수 없기 때문에 위험을 미리 느낄 수 없을 뿐 아니라, 사고가 났을 때도 대처할 수 있는 시간적 여유 없이 곧바로 아주 짧은 순간에 치명적이 피해를 입힌다. 따라서 전기를 얕보고 함부로 취급하는 것은 매우 위험한 일이며, 그렇다고 전혀 이해조차 하지 않으려 하는 것도 곤란하다. 가장 바람직한 것은 전기에 대한 기본적인 지식과 안전한 사용법을 익혀 전기로부터 재해를 당하는 일이 없도록 하는 것이다.
◇ 감전이란?
감전이란 사람의 인체가 전기에 접촉되었을 때 전기를 느끼는 현상을 말하며, 그 상태는 약간의 찌릿함을 느끼는 정도에서 사망에 이르는 것까지 여러 가지가 있다. 뱀이나 지네를 보면 겁을 안내는 사람도 전기에 쏘이면 깜짝 놀라서 자신도 모르게 몸을 움찔한다. 그것도 예기치 않았다가 당하면 쇼크가 크다. 같은 전기라도 1.5볼트의 건전지인 경우 감전의 위험은 없다. 그러나 가정에 들어오고 있는 110볼트와 220볼트의 전기는 간단히 만질 수 없다. 110볼트에는 감전되어도 죽는 일은 적겠지만, 220볼트라면 위험은 훨씬 커진다. 즉, 감전에 대한 위험률은 전압이 높을수록 커지는 것이다. 감전은 인체의 외부에서 전압이 걸려 근육이나 내장에 전류가 흘러 들어가 상해를 주는 것인데, 특히 심장에 전류가 흘러 들어가면 치명적이다. 이때 인체를 흐르는 전류의 세기에 따라 위험의 정도가 달라지는데, 보통 인체에 50밀리암페어(mA) 이상의 전류가 흐르면 심장을 움직이고 있는 근육이 경련을 일으켜 목숨을 잃을 수 있다.
◇ 감전사는 전압 때문인가? 전류 때문인가?
뱀이나 지네라면 겁이 없는 사람도 쏘이면 깜짝 놀라서 자신도 모르게 손을 움찔한다. 그것도 예기치 않은 경우, 쇼크는 크다.같은 전기라도 1.5볼트의 건전지인 경우 감전의 위험은 없다. 그러나 가정에 들어오고 있는 100볼트의 전기는 간단히 만질 수 없다. 100볼트에서 감전해도 죽는 일은 적겠지만, 이것이 220볼트의 삼상교류(三相交流)라면 위험은 훨씬 커진다. 그런데 고압송전선에 곧잘 새가 앉아있지만, 아무렇지도 않다. 어째서 감전하지 않을까? 새가 송전선에 앉아 있는 것을 보면 한 가닥의 전선에 두 발을 얹고 앉아 있다. 전선의 전기 저항은 매우 적기 때문에 양쪽 발 사이의 전압은 매우 낮을 수 밖에 없다. 그 때문에 새의 몸을 우회해서 흐르는 전류는 극히 적고 그 때문에 감전되지 않는 것이다. 전기에 쏘이면 찌릿한데, 이것은 무엇 때문일까. 이렇게 찌릿한 것은 교류전압이 60헤르쯔로 진동하고 있기 때문일까. 직류전압에 접촉해서 실험해 보았더니, 역시 교류와 마찬가지였다. 그런데 감전사의 위험률은 전압이 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 그렇다면 감전사란 전압에 의한 것일까 아니면 전류에 의한 것일까. 감전은 인체의 외부에서 전압이 걸려 인체의 근육이나 내장에 전류가 흘러 들어가 상해를 주는 것을 말한다. 특히 심장에 전류가 흘러 상해를 입히면 치명적이다. 이처럼 인체를 흐르는 전류의 크기가 문제인 것이다. 보통 인체에 50밀리암페어 이상의 전류가 흐르면 심장을 움직이고 있는 근육이 경련을 일으켜 치사할 위험성이 있다. 도표는 인체를 통과하는 전류에 의한 반응을 나타낸 것이다.
전류의 크기에 따라 이렇게 반응도 달라진다. 인체를 흐르는 전류의 크기는 옴의 법칙에 따르므로 높은 전압에 접촉할수록 큰 전류가 흐른다. 인체의 저항은 조건에 다라 다르지만, 대략 400오옴에서 2000오옴 정도라고 한다. 손발이 젖어 있으면 그만큼 저항이 적어져 위험이 높아진다.
◇ 어스의 역할
어스를 하지 않은 채, 전기세탁기를 사용하면 감전할 위험성이 있다. 또 가솔린 탱크차는 반드시 쇠사슬은 늘어뜨려 어스를 하고 있다. 도대체 어스(接地)의 필요성은 어떤 의미를 갖고 있을까. 전기는 편리한 반면, 사용하는 사람에게 감전이란 위험을 준다. 감전이란 대개의 경우 전기기구에서 인체를 통해 지면으로 전류가 흐름으로써 일어난다. 지면(大地)은 전기에 있어서는 양도체(良導體)이다. 지면이란 흙인데 양도체라니 하고 의문을 가질지도 모르나, 다음과 같은 실험으로 확인해 보면 의문이 풀릴 것이다. 지면의 떨어진 두군 데에 철봉을 꽂은 다음, 테스터로 도전 시험을 한다. 지면의 건조 상태에 따라 다소 차이는 있으나 전류는 잘 흐른다.
지면에 전류가 잘 흐르는 이유는 흙의 입자 사이에 수분이 함유되어 있기 때문이라고 생각된다.
그런데 전기기구를 어스한다고 하는 것은 3항에서 본 바와 같이 전기기구의 바깥부분이나 사람의 몸이 닿을 우려가 있는 곳의 전위를 0볼트로 하려는 것이다. 지구의 전위가 0볼트라는 것은 지구를 무한히 큰 도체로 보고 전위의 기준을 정할 필요성에서 지구를 대상으로 삼은 것이다. 여담이지만 지구의 전위에 대해서 다른 천체 이를테면 달이나 화성의 전위가 몇 V냐는 것은 흥미가 있다. 천체가 다소 대전하고 있으면 천체에 따라 전위가 달라도 무방할 것이다. 그 경우에는 천체와 천체 사이에 전기력선이 뛰어나와 전계가 형성될 수 있지만, 우주공간에서는 중력장(重力場)의 지배가 압도적이므로 전계의 영향은 크게 나타나지 않는 것으로 알려져 있다.
전기기기의 노출 부분을 어스시킴으로써 전기기기와 대지는 동전위가 되며, 따라서 기기의 외부를 만져도 감전되지 않는다. 또한 전기회로로부터 절연되어 있어 안전하다고 생각되는 부분이라도 만일에 대비해서 어스시켜 두는 편이 좋을 것이다. 이를테면 세탁기, 탈수기, 냉장고, 쿨러, 전자렌지 등이나 물을 사용하는 전기제품은 확실하게 어스시키지 않으면 안된다. 어스를 하지 않아 감전사한 사례도 많이 있기 때문이다.
어스선은 튼튼한 전선을 사용해서 직접 땅 속에 묻든가, 금속의 수도관에 연결하면 된다. 가스 파이프는 전류가 흐르면 위험하므로 어스로 사용해서는 안된다.
◇ 감전의 방지 대책
감전은 전기를 사용하는 이상 피할 수 없는 면도 있지만, 전기의 기초지식이 있으면 감전사고는 줄일 수 있다. 전원을 넣은 채로 전기기구를 수리하면 감전의 위험성이 많으므로 조심해야 한다. 전기가 흐르고 있는지의 여부는 눈으로 보아서는 알 수 없다. 그렇기 때문에 검전 드라이버나 테스터가 필요하다.
감전은 인체를 흐르는 전류의 크기에 따라서 위험성이 커진다. 인체에 50밀리암페어 이상의 전류가 흐르면 심장의 근육이 경련을 일으켜 사망할 우려가 있다. 50밀리암페어가 한도이므로 이 숫자는 기억해 두자. 수리할 때, 전기기구나 회로에 접촉하기 전에 테스터로 전압을 재어 보던가 검전기로 전압이 걸렸는지를 확인한 다음에 수리하도록 하자. 기구나 회로를 만질 때는 먼저 오른손을 사용해야 한다. 그것은 오른손 쪽이 왼손 쪽보다 심장에서 멀기 때문이다. 전기기구는 낡아지면 절연이 열화되어 누전되기 쉬워진다. 특히 코드의 고무 피복이 열화하거나, 비닐 피복의 경우는 경화(硬化)하거나 또는 열로 녹거나 해서 기구에 접촉되는 수가 있다. 그러한 경우에는 새로운 코드로 교체하지 않으면 안된다. 코드는 가장 빨리 손상되는 부분이다. 전기기구에는 반드시 안전하게 접지를 해두자. 감전사고의 대부분은 기구의 대지전압(對地電壓)에서 일어나므로 기구의 대지전압을 0볼트로 하기 위해 접지가 필요한 것이다. 젖은 손으로 전기기구를 만지지 않도록 하자. 특히 목욕탕은 위험하다. 목욕탕에는 전원 플러그가 없는 것이 보통 이지만, 목욕탕에서 젖은 손으로 전기 면도기를 사용하던가, 전등이 안들어 온다고 하여 습기 가득한 목욕탕 안에서 젖은 손으로 전구를 바꾸어 끼우는 등의 일은 위험하기 짝이 없다. 플러그를 반쯤만 꽂는다거나, 전선을 불완전하게 접속하는 것은 과열이 되면 위험하므로 접속 해두는 습성을 가져야 한다.
◇ 누전이란 ?
전류가 흘러야 할 정상적인 도선으로 흐르지 않고 도선과 접촉되어 있는 다른 도체로 새어 나가 비정상적으로 흐르는 경우를 말한다. 이러한 누전 사고를 방지하기 위해서 모든 도선에 연결 피복이 벗겨지지 않도록 단단히 연결한 다음 절연 테이프를 잘 감아 둔다. 또, 세탁기와 같은 전기 제품은 모두 접지시키며 콘센트에 있는 접지선도 최대한 활용하도록 한다. 누전 차단기를 꼭 설치해야 한다. 또, 도선의 허용 전류(안전 전류)를 지켜서 전기 제품을 사용하여야 한다.
◇ 안전한 전기사용 요령
<가정에서>
Ο 젖은 손으로 전기기구를 만지지 말자. 전기는 물기가 있을 때 더욱 잘 통하기 때문이다.(우리 몸의 저항은 피부가 땀에 젖었을 때에는 1/12 정도로, 물에 젖었을 때에는 1/25 정도로 감소하여 인체에 많은 전류가 흐르기 때문이다.)
Ο 누전차단기를 부착하자. 그러면 옥내 배선과 전기기구의 고장 등으로 누전이 된다 하더라도 자동적으로 전기가 끊어지기 때문에 감전사고와 화재를 예방할 수 있다.
Ο 정기적으로 집 안의 모든 스위치를 꺼 놓은 상태에서 적산 전력계가 돌고 있는지 확인한다. 집안의 모든 스위치를 꺼 놓았는데도 적산 전력계가 돌고 있다면 누전되고 있음을 확인할 수 있기 때문이다.
Ο 한 콘센트에 여러 전기제품을 동시에 사용하지 말자. 한꺼번에 꽃아 사용하면 큰 전류가 흐르게 되고 열이 발생하여 화재의 위험이 있다.
Ο 코드를 뺄 때는 반드시 플러그의 몸체를 잡고 빼자. 코드를 뺄 때 전선을 잡고 당기면 플러그 연결선이 끊어져 사고가 날 가능성이 있다.
Ο 세탁기나 모터 제품은 반드시 접지를 한 후 사용하자. 접지는 전기제품에 이상이 있을 때 땅으로 전류를 흘러 보내 감전의 위험을 막아준다.
Ο 전기제품의 사용이 끝나면 전원측 코드를 뽑아 전원을 제거해주자. 기기 몸체측만 뽑아두면 전선에는 계속 전기가 살아 있어 감전의 위험이 있다.
Ο 전선에 긴 막대나 도선이 닿지 않도록 하며, 전선 가까이 안테나를 세우지 않는다. 감전의 위험이 있기 때문이다.
Ο 새로 구입한 전기 제품을 처음 사용할 때에는 사용 설명서를 잘 읽어 본다. 각 전기 제품의 특성과 사용상의 주의 사항을 알 수 있기 때문이다.
<집 밖에서>
Ο 텔레비전 안테나는 전선에서 멀리 떨어진 곳에 세워야 한다.
Ο 전력선 부근에서 하는 공사는 미리 한전에 연락하여 안전조치를 취한 후에 해야 한다.
Ο 농촌에서 비닐하우스를 설치하거나 지하수를 개발하기 위하여 쇠파이프를 다를 때, 그리고 가지치기나 과일을 수확할 때 나무 가지나 공구가 전선에 닿지 않도록 주의해야 한다.
Ο 늘어져 있는 전선이나 끊어진 전선은 만지지 말고, 즉시 한전에 연락하여 신속한 조치를 받아야 한다.
<장마철 가옥이 침수되었을 때>
Ο 전선이 물에 잠겨 있을 경우 주위에 접근하면 감전의 위험이 있으므로 접근하지 말고 가까운 한전 사업소에 연락해야 한다.
Ο 집이 침수되었을 때는 빨리 안전기의 스위치를 열어 집안의 전기공급을 끊고, 한전이나 전기안전공사의 안전점검을 받은 후 다시 사용한다.
Ο 물에 잠겼던 가전제품을 그대로 사용하면 감전사고의 위험이 있으므로 마른 천으로 오물과 물기를 제거하여 건조시킨 다음 제작회사의 서비스 센터로부터 점검을 받은 후 사용한다.
<벼락이 칠 때>
Ο 나무나 전주 바로 밑에는 있지 말고 적어도 1∼2m이상 떨어져 있으며, 주위에 건물이 있으면 멈출 때까지 거기서 기다린다.
Ο 제방이나 바위, 언덕과 같은 곳에는 벼락이 떨어지기 쉬우므로 동굴이나 우묵한 곳으로 피한다. 피할 곳이 없는 평지에서 벼락을 만나면 몸을 굽히고 다리를 오무린 상태에서 엎드린다.
Ο 몸에 지니고 있는 금속체는 벼락을 맞기 쉬우므로 몸에서 멀리 떼어놓는다.
7. 전기 에너지 절약법
전기 기구 |
방 법 |
절약되는 전력량 |
텔레비젼 |
Ο 사용하지 않을 땐 전원 플러그를 뽑음 |
2.7kWh |
냉장고 |
Ο 냉장고 문을 자주 여닫지 않음 |
5.4kWh |
오디오 |
Ο 사용하지 않을 땐 전원 플러그를 뽑음 |
2.7kWh |
세탁기 |
Ο 탈수 후 헹굼 |
1.2kWh |
선풍기 |
Ο 미풍으로 사용(30% 절전) |
1.2kWh |
에어컨 |
Ο 실내 온도를 26℃∼28℃로 유지 |
10.43kWh |
다리미 |
Ο 세탁물이 완전히 마른 후 사용 |
3.02kWh |
조명 기구 |
Ο 백열등을 전구식 형광등으로 교체 |
12.7kWh |
전기 장판 |
Ο 전기 장판의 밑과 위에는 모포나 얇은 홑이불을 깔아서 사용함 |
5.3kWh |