수력발전

수력 에너지와 발전력

물의 위치 에너지로부터 얻을 수 있는 동력의 크기는 물의 중량과 떨어지는 높이의 곱에 비례하며, 다음과 같이 표시된다. 즉 단위 시간당 수차에 사용되는 수량을 Q(㎥/sec), 낙차를 H(m), 물의 밀도를 γ(㎏/㎥)라고 하면 기계적인 동력 P_m=γ·Q·H(㎏·㎧)가 된다. 이 동력이 수차발전기의 입력으로 작용되며, 수차발전기의 효율(장치의 능률을 의미하며 입력의 크기에 대한 출력의 비)을 η라 하면 발전기의 전기 출력 P_e={(γ·Q·H)/102}×η(kW)가 된다. 그러나 물의 밀도가 1,000㎏/㎥이므로 실용적 공식에서는 P_e=9.8·Q·H·η(kW)로 사용된다.

수차발전기의 종합효율(η)은 기기의 크기와 형식에 따라 차이가 있으며, 용량이 작으면 낮아지고, 용량이 증가할수록 높아진다. 발전소에 설치된 보통 규모(5~100√2㎿) 수차와 발전기기의 종합 효율은 0.84~0.92이다.

유량과 낙차

수력발전은 지표수의 여러 형태 가운데 하천을 흐르는 물에 의존하는 것이 일반적이다. 따라서 유량이 풍부하고, 지형의 물매(기울기)가 큰 곳일수록 낙차를 쉽게 조성할 수 있어 경제성이 좋은 후보지로 평가된다. 또한 하천을 통해 흐르는 물의 총량은 거의 일정하므로 계절적으로 유량의 변화가 심한 하천은 수력발전뿐만 아니라 수자원 이용 측면에서도 좋지 않다.

하천유역에 내리는 강수량과 기상환경이 하천의 유량을 결정하며, 강수량 중 일부분은 하천에 도달되기 전에 증발하거나 지하로 침투되고, 하천에는 강수량의 55~65％만 흘러든다.

수력발전소 설치방식

개요

수력발전은 낙차를 조성하는 방법과 저수능력의 크기에 따라 형식이 조금씩 다르다.

기본적으로는 하천의 기울기가 작은 곳에서 낙차를 형성하기 위해 댐을 건설하여 저수지를 만들고, 저수지로부터 발전소에 필요한 수량을 통과시킬 수 있는 수로와 높은 압력에 견딜 수 있는 수압관로를 견고한 지형에 설치하며, 수압관이 끝나는 부분에 발전소 구조물을 건축하고, 그 안에 수차발전기와 각종 부속장치를 설치한다. 발생된 전력을 송전하기 위한 전기설비의 설치장소는 발전소가 소규모일 때는 건물의 일부분을 이용하기도 하나 대부분의 발전소는 가깝고 안전한 장소에 별도로 마련한다.

수력발전소는 지형조건에 따라 이용하는 방법이 달라지며, 특히 낙차를 얻는 방식에 따라 다음과 같이 분류한다.

수로식 발전

하천의 상류나 소지류와 같이 자연적으로 물매가 크고, 지형조건에 따라 커다란 'Ω'자 형태로 돌아흐르는 지점을 이용하여 단축된 경로에 기울기가 완만한 인공수로를 조성하면, 수로의 끝부분이 하천과 다시 만나는 곳에서 자연하천의 길이(L)와 평균물매의 각도(α°)에 의해 낙차(H=tanα×L)를 얻을 수 있으며 이를 발전에 이용한다.

댐은 저수능력을 거의 고려하지 않고, 취수기능만 갖도록 소규모로 건설하기 때문에 건설비용의 부담이 가벼워지는 이점이 있으나, 풍수기나 홍수기의 풍부한 수량을 저수할 수 없기 때문에 수자원의 이용률이 낮아지는 단점이 있다. 주요시설물로는 취수댐·수로·침사지·수조·수압관·수차·방수구·방수로 등이 있다. 침사지는 하천상류의 침식작용에 의해 수중에 포함되는 토사가 수차에 유입되지 않도록 수로의 도중에 설치하나, 충분한 크기의 저수지를 보유하는 일반 수력발전소는 저수지가 침전지 역할을 대신하므로 별도의 침사지를 설치하지 않는다.

댐식 발전

하천의 중·하류 지역은 수량이 상류에 비해 많으나, 하상(河床)의 물매가 크지 않아 많은 건설비를 들여 수로를 연장해도 낙차가 별로 증가되지 않는다.

따라서 입지조건을 고려하여 가능한 높은 댐을 설치하여 낙차를 형성한다. 댐이 높아지면 저수능력이 증대되므로 풍수기에 여유수량을 저수해 두었다가 갈수기에 이용하는 등의 수자원 이용률이 증가하나, 수몰되는 지역이 넓으며 건설비용이 많이 든다는 단점이 있다. 주요시설물로는 댐·취수구·수로·수조·수압관·방수구·방수로 등이 있다.

댐·수로식 발전

하천의 물매가 다소 큰 중·상류 지역에 댐과 수로를 건설함으로써 어느 하나만 있을 때보다 더 큰 낙차를 얻을 수 있고, 보다 풍부한 수량을 이용할 수 있다는 장점을 지닌 댐식과 수로식의 절충방식이다.

주요시설물로는 댐·수로·침사지·수조·수압관·수차·방수구·방수로 등이 있다.

유역변경식 발전

낙차를 크게 하기 위해 하천의 상류에 설치한 댐으로부터 유량의 일부 또는 전부를 인접한 다른 하천이나 분수령을 달리하는 다른 유역으로 변경하여 발전하는 방식으로 수력자원의 가치가 상승한다.

그러나 이 방식은 원래의 하천 하류에 유량이 감소하는 데 따른 역기능도 함께 고려해야 한다. 함경남도의 허천강발전소·부전강발전소·장진강발전소, 강원도의 강릉발전소, 전라북도의 칠보발전소가 유역변경식 발전소이다.

양수발전

양수발전소는 하천과는 무관하게 자연적인 지형을 이용하여 높은 곳과 낮은 곳에 각각 별개의 소규모 저수지를 건설하고, 심야나 주말 또는 휴일 등 전력의 수요가 적은 시간대에 다른 발전소(원자력 또는 대규모 화력발전소)로부터 전력을 공급받아 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 양수하여 저수한 다음, 전력수요가 많은 시간대에 저수되어 있는 물을 이용하여 발전한다.

이와 같은 방식은 같은 규모의 석유 및 석탄을 원료로 사용하는 화력발전소에 비해 건설비용이 저렴하고, 양수시 전력을 공급해주는 기존 발전소의 이용률 및 열효율을 향상시켜 발전원가를 절감할 수 있으며, 환경오염이 거의 없다는 이점을 지닌다. 주요시설물로는 상부댐·취수댐·수로·수조·수압관·수차·방수구·방수로 등이 있다.

조력발전

해양에서 발생하는 조차(潮差)를 이용하여 발전하는 방식으로 썰물과 밀물의 차가 큰 지역에 둑(방조제)을 만들어 둑의 일부에 수차발전기를 설치한다.

한국의 서해안은 간만의 차이가 크며, 잘 발달된 리아스식 해안으로 조력에 매우 적합하다. 그러나 조차가 크지 않아 에너지 밀도가 낮으며, 긴 방조제를 건설해야 하는 등 비용이 많이 들어 화석연료를 이용한 화력발전의 원가보다 비싸기 때문에 건설이 유보되고 있다(조석).

썰물이 완료된 시점을 기준으로 하여 발전소 운영방식을 설명하면 다음과 같다.

모든 수차발전기의 수문을 폐쇄한 상태에서 밀물이 시작되면 바다측의 수위는 점점 상승되나 육지측은 썰물시점의 낮은 수위 상태가 그대로 유지된다. 밀물이 어느 정도 진행되어 방조제의 내측과 외측 사이의 수위 차이가 증가하면서 수차발전기를 가동시킬 수 있을 만큼의 낙차가 생겼을 때 발전을 시작한다. 발전시간이 경과함에 따라 수위 차이가 감소되어 발전기 출력이 적정치 이하가 되면 운전을 중지한다. 이와 반대로 썰물이 시작되면 이번에는 반대로 육지측에 갇혀 있던 물을 바다쪽으로 내보내며 발전할 수도 있다.

어느 한 방향으로만 발전하는 것을 단류식(單流式), 양 방향 모두 운전하는 것을 복류식(複流式)이라 한다. 세계적으로 가장 큰 조력발전소는 프랑스의 랑스 발전소로 1㎿짜리 24대가 설치되어 1967년부터 가동되고 있다.

수력발전소의 중요기기

개요

수차

중력에 의해 운동하고, 관로(管路) 내부를 흐르는 물은 임의의 위치에 따라 정해지는 위치, 속도 및 압력 에너지로 배분되어 존재한다.

이와 같은 수력 에너지로부터 동력을 얻는 기계의 형식은 여러 종류가 있으며, 위치에 따라 배분되는 에너지의 형태에 따라 효과적인 동력변환이 되도록 고안된 수차는 기본적으로 충동식과 반동식으로 분류된다. 수차날개차의 분당 회전수는 물의 속도와 날개차의 지름에 의해 결정되는 것으로 화력발전소의 증기 터빈에 비해 매우 속도가 낮다. 수력발전용 발전기는 특별한 경우를 제외하면 수차의 축에 직접 결합하여 사용된다.

수차발전기도 일반 원동기로 구분되는 발전기와 원리는 같으나 정격회전수가 수차의 회전수와 같게 되는 관계로 자극수(磁極數)가 증가하고, 내부구조와 형상이 약간 다르다.

수차발전기의 설치방식은 수차와 발전기를 각각 같은 높이에 설치하고 서로의 축이 수평상태에서 결합되게 하는 가로축 방식과 수차축을 수직으로 하여 바닥에 먼저 설치하고 그 위쪽에 발전기를 결합시키는 세로축 방식으로 구분할 수 있다. 설비의 크기와 지형 및 이용되는 낙차의 높낮이에 따라 유리한 방식을 선택한다.

세로축 방식은 낙차의 유효이용, 설치면적의 축소 및 튼튼한 구조로 제작하기 쉬운 점 등의 장점이 있어 대형기에 주로 채택되나 기초의 굴착 깊이가 증가하고 건물이 높아지는 단점도 있다.

펠톤 수차(Pelton turbine)

회전원판의 주위에 12~24개의 버킷을 부착하고, 높은 압력으로부터 노즐(nozzle)을 통해 뿜어져나오는 고속도의 분사수(噴射水)를 충돌시켜 회전력을 얻는 충동식 수차의 대표적인 형식이다.

물의 압력 수두가 H(m)일 때 분사수의 이론적 속도 υ(㎧)는 √2gh 가 되므로 고낙차일수록 동력변환이 효과적으로 이루어진다. 이용되는 낙차의 범위는 100kW 이하의 소형 수차의 경우에는 50~100m에도 사용될 수 있으나, 대규모 발전소의 경우는 250~1,500m의 범위에 사용된다.

따라서 여러 형식의 수차 중 가장 높은 낙차영역에 사용된다.

프랜시스 수차(Francis turbine)

비교적 높은 낙차에 사용되는 반동식 수차로서 원추형 회전체 보스에 날개깃을 8~20매 붙이고, 날개깃 외곽의 가장자리는 링 모양의 밴드로 막는다.

큰 압력 에너지를 갖고 있는 물은 보스와 밴드 및 날개깃 사이로 빠르게 지나가며, 이때 날개차도 상대속도로 운동하게 되어 회전한다. 동력 변환은 대부분 물의 압력 에너지에 의존하나 약간의 충동력도 작용된다. 이용되는 낙차는 소형 수차의 경우 30m 이하에도 사용되며, 용량이 클수록 증가하여 대규모 발전소의 경우 50~400m의 매우 넓은 범위에 사용된다. 국내의 발전소에 가장 많이 설치된 형식으로 양수발전소에 사용되는 펌프-터빈도 고낙차 지점에서는 프랜시스형을 사용한다.

프로펠러 수차(propellar turbine)

팽이 모양의 회전체 보스 주위에 3~7매의 날개깃을 부착한 간단한 구조로 가격이 저렴하다.

50m 이하의 낮은 낙차에 사용되나 정격유량 이외의 영역에서는 효율 저하라는 큰 결점이 있으므로 항상 일정한 수량을 사용할 수 없는 조건에는 적합하지 않다. 이 문제를 개선하기 위하여 수차에 들어가는 유량을 필요에 의해 가감시켜 날개의 열림상태를 자동적으로 적당한 위치가 되도록 고안한 것이 카플란(Kaplan) 수차이다. 카플란 수차는 구조가 복잡해 가격이 비싸지만 출력이 변동되어도 효율의 저하가 심하지 않으므로 대규모 발전소에서는 프로펠러 수차 대신 사용한다.

그밖에 저낙차 지점의 이용 효율을 개선하기 위해 모양을 조금씩 변화시킨 사류형 수차, 원통형 수차 등도 널리 사용된다.

세계의 수력발전

전세계의 각 지역에 부존된 수력발전 자원의 총량은 50억~60억kW에 이르는 것으로 추산된다. 그러나 선진공업국이 주도한 개발지역을 제외하면 대부분 미개발 상태로 남아 있다. 특히 대륙의 미개척지로 남아 있는 시베리아·아프리카 등 오지에 부존된 수력자원은 개발하는 것도 어렵지만 생산된 전력을 수요지역까지 송전하는 데 소요되는 비용도 적지 않기 때문에 개발이 이루어지지 못하고 있다. 그밖에도 다른 에너지와의 경쟁관계 또는 지구환경문제 등과 관련되어 있으므로 대규모 개발에 대한 전망이 불투명한 실정이다.

한국의 수력발전

괴산 수력발전소

한반도의 지형은 하천이 잘 발달되어 수력발전에 비교적 유리한 조건을 갖추고 있으나 계절적으로 유량의 변동이 심하다는 단점이 있다.

수력발전 시설은 1905년 평안북도 운산광산에 설치된 500kW의 자가용 수력발전소를 효시로 소규모로 건설이 이루어지다가 개마고원에서 압록강으로 흘러가는 하천의 유량을 함경산맥을 관통시켜 동해로 유역변경하는 대규모의 발전소 건설과 함께 한강수력(북한강) 및 압록강수력 등이 차례로 개발되어 한국 전력공급의 중추적 역할을 담당해왔다.

그러나 공업화를 통한 국가산업의 고도성장과 더불어 요구되는 막대한 전력수요를 제한된 수력발전만으로는 대응하지 못하게 되었다. 수력은 한국의 전체 발전설비 가운데 10％ 정도의 시설용량을 유지하고 있으며, 전력생산량은 5％ 정도에 머무르고 있다. 전력공급계통의 기술적인 가치면에서 수력발전소가 더욱 증가되는 것이 바람직하나 포장수력이 불충분해 하천의 수자원을 이용한 수력설비 증대 전망은 밝지 않다. 그러나 양수식 수력발전소를 건설하여 현재의 점유율 수준은 계속될 것이다.