수력 발전소란? - 작동 및 유형, 장단점

수력발전소란?

사람들은 시냇물과 강에 흐르는 물의 힘을 이용하여 기계적 에너지를 만들어 온 오랜 역사를 가지고 있습니다. 수력발전은 발전에 사용된 최초의 에너지원 중 하나였으며 2019년까지 수력발전은 미국 전체 연간 재생 가능 전력 생산의 가장 큰 원천이었습니다.

2020년에 수력 발전은 미국 전체 유틸리티 규모1 발전의 약 7.3%, 전체 유틸리티 규모의 재생 가능 전력 생산의 37%를 차지했습니다. 미국 총 발전량에서 수력 발전이 차지하는 비중은 시간이 지남에 따라 감소했는데, 이는 주로 다른 소스의 발전량이 증가했기 때문입니다.

 

물 순환에 의존하는 수력 발전

물 순환을 이해하는 것은 수력 발전을 이해하는 데 중요합니다. 물 순환에는 세 단계가 있습니다.

▷ 태양 에너지는 강, 호수 및 바다 표면의 물을 가열하여 물을 증발시킵니다.
▷ 수증기는 구름으로 응축되어 강수 비와 눈으로 내립니다.
▷ 강수는 개울과 강에 모여 바다와 호수로 흘러들어가 증발하고 다시 순환을 시작합니다.

지리적 영역의 강과 시내로 흘러드는 강우량은 수력 발전에 사용할 수 있는 물의 양을 결정합니다. 강수량의 계절적 변화와 가뭄과 같은 강수량 패턴의 장기적인 변화는 수력 발전의 가용성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

수력 발전소 작동원리

실제로 수력 발전소와 석탄 화력 발전소도 비슷한 방식으로 전기를 생산합니다. 두 경우 모두 전원을 사용하여 터빈이라고 하는 프로펠러 모양의 부품을 돌리면 금속 샤프트가 전기를 생산하는 모터인 발전기로 바뀝니다.

석탄 화력 발전소는 증기를 사용하여 터빈 블레이드를 돌립니다. 반면 수력 발전소는 떨어지는 물을 사용하여 터빈을 돌립니다. 결과는 동일합니다.

세부 사항을 보려면 수력 발전소의 이 다이어그램(테네시 밸리 당국 제공)을 살펴보십시오.

이론은 고도가 크게 떨어지는 큰 강에 댐을 건설하는 것입니다(캔자스나 플로리다에는 수력 발전소가 많지 않음). 댐은 저수지 뒤에 많은 양의 물을 저장합니다. 댐 벽의 바닥 근처에는 취수구가 있습니다.

중력으로 인해 댐 내부의 펜스탁을 통해 떨어지게 됩니다. 펜스탁의 끝에는 움직이는 물에 의해 회전하는 터빈 프로펠러가 있습니다. 터빈의 샤프트는 발전기로 올라가서 전력을 생산합니다.

전력선은 집과 광산에 전기를 공급하는 발전기에 연결됩니다. 물은 테일 레이스를 통해 프로펠러를 지나 댐을 지나 강으로 계속 흐릅니다. 그건 그렇고, 물이 나올 때 댐 바로 아래 물에서 노는 것은 좋은 생각이 아닙니다!

 

터빈과 발전기는 전기를 생산합니다.

수력 터빈은 흐르는 물의 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다. 수력 발전기는 이 기계적 에너지를 전기로 변환합니다. 발전기의 작동은 Faraday가 발견한 원리를 기반으로 합니다.

그는 자석이 도체를 지나갈 때 전기가 흐른다는 것을 발견했습니다. 대형 발전기에서 전자석은 자성 강철 적층판 주위에 감긴 와이어 루프를 통해 직류를 순환시켜 만들어집니다.

이것을 필드 폴(field pole)이라고 하며 로터의 둘레에 장착됩니다. 로터는 터빈 샤프트에 부착되어 고정된 속도로 회전합니다. 회전자가 회전하면 자기장 극(전자석)이 고정자에 장착된 도체를 지나 이동합니다. 이것은 차례로 전기가 흐르고 발전기 출력 단자에서 전압이 발생합니다.

 

양수 저장: 최대 전력 수요를 위해 물 재사용

전기 수요는 "고정"이 아니며 일정하지 않습니다. 낮에는 수요가 오르락내리락하며 밤에는 가정, 기업 및 기타 시설에서 전기가 덜 필요합니다.

수력 발전소는 화석 연료 및 원자력 발전소보다 짧은 기간 동안 최대 전력 수요를 제공하는 데 더 효율적이며 이를 수행하는 한 가지 방법은 동일한 물을 두 번 이상 재사용하는 "양수 저장"을 사용하는 것입니다.

양수 저장은 중기 등 고객의 에너지 수요가 낮은 시기에 터빈을 통해 이미 흐른 물을 발전소 위의 저장 풀로 다시 펌핑하여 피크 기간 전력 수요를 위해 물을 비축해 두는 방식입니다. 밤. 그런 다음 물은 수요가 높고 시스템에 무거운 부하가 가해질 때 터빈 발전기를 통해 다시 흐르도록 허용됩니다.

 

수력발전소의 종류

수력 발전 시설에는 저수, 전환 및 양수 저장의 세 가지 유형이 있습니다. 일부 수력 발전소는 댐을 사용하고 일부는 사용하지 않습니다.

모든 댐이 수력 발전을 위해 건설된 것은 아니지만, 그리드에 재생 에너지 톤을 펌핑하는 데 유용한 것으로 입증되었습니다. 미국에는 90,000개 이상의 댐이 있으며 2020년 기준으로 2,300개 미만의 댐이 전력을 생산합니다. 다른 댐은 레크리에이션, 축산/농장 연못, 홍수 조절, 물 공급 및 관개용으로 사용됩니다.

수력 발전소의 규모는 단일 가정이나 마을에 적합한 소규모 시스템에서 유틸리티용 전기를 생산하는 대규모 프로젝트에 이르기까지 다양합니다. 수력 발전소의 규모에 대해 자세히 알아보십시오.

 

 

1. Impoundment(저수)
가장 일반적인 유형의 수력 발전소는 저수 시설입니다. 일반적으로 대규모 수력 발전 시스템인 저류 시설은 댐을 사용하여 저수지에 강물을 저장합니다.
저수지에서 방출된 물은 터빈을 통과하여 회전하고 발전기를 작동시켜 전기를 생산합니다.
물은 변화하는 전기 수요 또는 홍수 통제, 레크리에이션, 물고기 통행 및 기타 환경 및 수질 요구와 같은 기타 요구를 충족시키기 위해 방출될 수 있습니다.

2. 전환
때때로 "강변" 시설이라고 하는 전환은 운하 및/또는 축사를 통해 강의 일부를 흐르게 하여 강바닥 표고의 자연적 감소를 활용하여 에너지를 생산합니다.
펜스톡은 게이트, 밸브 및 터빈에 의해 조절되는 물 흐름과 함께 물 흐름을 터빈으로 보내는 닫힌 도관입니다. 우회에는 댐을 사용할 필요가 없습니다.

3. 양수 저장
양수 저장 수력 발전(PSH)이라고 하는 또 다른 유형의 수력 발전은 거대한 배터리처럼 작동합니다. PSH 시설은 나중에 사용하기 위해 태양열, 풍력 및 원자력과 같은 다른 전원에서 생성된 전기를 저장할 수 있습니다. 이 시설은 낮은 고도에 있는 저수지에서 높은 고도에 있는 저수지로 물을 펌핑하여 에너지를 저장합니다.
전력 수요가 적을 때 PSH 시설은 하부 저수지에서 상부 저수지로 물을 펌핑하여 에너지를 저장합니다. 전기 수요가 높은 기간 동안 물은 다시 아래쪽 저수지로 방출되어 터빈으로 변해 전기를 생성합니다.

 

수력 발전소의 규모

1. 대규모 수력발전
정의는 다양하지만 DOE는 대규모 수력 발전소를 30MW(메가와트) 이상의 용량을 가진 시설로 정의합니다.

2. 소수력발전
정의는 다양하지만 DOE는 소규모 수력 발전소를 100킬로와트에서 10MW 사이의 발전 프로젝트로 정의합니다.

3. 초소형 수력발전
마이크로 수력 발전소는 최대 100킬로와트의 용량을 가지고 있습니다. 소규모 또는 초소형 수력 발전 시스템은 단일 가정, 농장, 목장 또는 마을에 충분한 전기를 생산할 수 있습니다.

 

수력발전의 장점

▷ 수력발전은 재생 가능한 에너지원입니다. 수력 발전을 통해 생성된 에너지는 태양에 의해 구동되는 물 순환에 의존하여 재생 가능합니다.
▷ 수력 발전은 물을 연료로 사용하므로 깨끗한 에너지원이 됩니다. 수력 발전은 석탄이나 천연 가스와 같은 화석 연료를 태우는 발전소처럼 공기를 오염시키지 않습니다.
▷ 수력 발전은 국내 에너지원으로 각 주가 국제 연료원에 의존하지 않고 자체 에너지를 생산할 수 있습니다.
▷ 저류 수력 발전은 낚시, 수영, 보트 타기와 같은 레크리에이션 기회를 제공하는 저수지를 만듭니다. 대부분의 수력 발전 설비는 대중이 이러한 기회를 이용할 수 있도록 저수지에 대한 대중의 접근을 제공해야 합니다.
▷ 수력 발전은 유연합니다. 일부 수력 발전 시설은 제로 전력에서 최대 출력으로 빠르게 갈 수 있습니다. 수력 발전소는 그리드에 즉시 전력을 생성할 수 있기 때문에 대규모 정전 또는 중단 시 필수 백업 전력을 제공합니다.
▷ 수력 발전은 홍수 조절, 관개 지원 및 깨끗한 식수를 제공함으로써 발전 이상의 이점을 제공합니다.
▷ 수력발전은 저렴합니다. 수력 발전은 다른 에너지원에 비해 시간이 지남에 따라 저렴한 전기와 내구성을 제공합니다. 교량, 터널, 댐과 같은 기존 구조물을 사용하여 건설 비용을 절감할 수도 있습니다.
▷ 수력 발전은 다른 재생 가능한 에너지원을 보완합니다. 양수 저장 수력 발전(PSH)과 같은 기술은 수요가 높을 때 풍력 및 태양열 발전과 같은 재생 에너지와 함께 사용할 에너지를 저장합니다.

 

수력 발전의 단점

1. 수력 발전소는 주변 환경에 악영향을 미칠 수 있습니다.
수력 발전은 재생 가능한 에너지원이지만 수력 발전소 건설과 함께 발생하는 몇 가지 중요한 환경 영향이 있습니다. 가장 중요한 것은 저장 수력 발전 또는 양수 저장 수력 발전 시스템이 하천 시스템의 자연 흐름을 방해한다는 것입니다.
이는 동물 이동 경로 방해, 수질 문제, 인간 또는 야생 동물의 이동으로 이어집니다.
수력 발전의 이러한 부정적인 환경 영향은 일반적으로 강 유수, 파력 에너지 또는 조력 발전 설정에서 더 낮지만 현재 수력 발전 시스템의 대다수는 강 흐름을 차단하는 저장 또는 양수 저장 시스템입니다.

2. 수력 발전 시설을 건설하는 데 비용이 많이 듭니다.
많은 수력 발전소는 댐, 저수지 및 발전 터빈을 건설하는 대규모 기반 시설 프로젝트입니다. 상당한 금전적 투자가 필요합니다. 대규모 수력 발전 시설은 건설 후 50~100년 동안 저렴한 전기를 공급할 수 있지만 초기 건설 비용이 클 수 있습니다.
여기에 저수지에 적합한 장소가 시간이 지남에 따라 점점 더 희귀 해지고 있다는 사실과 함께 대규모 수력 발전소 건설 비용이 계속 상승 할 수 있음을 의미합니다.

3. 지역 수문학에 의존하는 수력 발전 시설
수력 발전은 신뢰할 수 있는 에너지원이지만 여전히 궁극적으로 날씨와 강수 추세에 의해 제어됩니다. 대부분의 수력 발전은 강물에 의존하기 때문에 낮은 물 흐름을 유발하는 가뭄은 수력 발전 용량에 영향을 미칩니다.
월별 및 연도별로 수력 발전 시스템에 사용할 수 있는 물의 양이 달라질 수 있으므로 수력 발전 시설의 전기 생산도 달라질 수 있습니다.