발전소 종류와 원리

 

발전소 종류와 원리

1.염도차 발전

큰 강의 하구에서 강물과 바닷물이 만날 때, 삼투압작용으로 농도가 낮은 강물이 농도가 높은 바닷물로 빨려들어가는 압력을 이용한다. 강물과 바닷물 사이에는 약 24atm 정도의 압력차이가 있다. 이는 약 240m 높이의 수력발전소 댐에서 떨어지는 낙차와 같은 힘이다.
 세계 주요 강과 호수의 염도차 에너지 부존량은 약 26억 kW에 달하는데, 아마존강은 약 5억 kW, 중국의 양쯔강[揚子江]은 5200만 kW의 발전량을 가지고 있다. 현재 개발 중인 염도차발전은 반투막을 사용하여 해수와 담수 사이의 삼투압 또는 증기압을 이용한 방식과, 역전기분해(reverse electrodialysis)에 의한 전기-화학적인 에너지 전환방식의 두 가지가 있다. 단점은 비용이 너무 비싸 경제성이 매우 낮다는 것이다.  

2.교류발전기

교류발전기의 대부분은 3상사인파이지만, 단상사인파 교류발전기도 있다. 발전소에서 운전되는 것은 모두가 3상교류발전기이며, 용량이 일반적으로 크다. 수십만 kVA에 달하는 것도 있는데, 이런 것은 발전기 단자(端子)의 전압이 2만 V 정도이고, 주파수는 50~60 Hz, 축의 회전속도는 화력발전일 때는 매분 3,000 또는 3,600이지만, 수력발전일 때는 100~1,000이다. 작은 용량의 주택용이나 실험용의 교류발전기는 용량이나 전압이 각각 다르다.
 용량의 대소에 관계없이 그 구조는 회전측(回轉側)에 직류로 여자(勵磁)된 전자석(電磁石), 고정측(固定側)에 교류를 발생하는 코일(coil)이 있다, 이와 반대의 구조로 된 것도 있으나 드물다. 원동력은 화력일 때는 증기터빈 ·가스터빈 또는 내연기관이고, 수력일 때는 수차(水車)가 쓰이며, 전동기나 풍력 ·조력(潮力) 등을 사용하는 것도 있다.

3.가스터빈 발전

증기터빈 발전과 같은 출력이 큰 것에는 적당하지 않지만, 출력 10만kW까지는 만들 수 있으므로 큰 공장 내의 전원으로 사용되는 예가 많다. 이 정도의 출력에서는 증기터빈 발전보다 구조가 간단하고, 건설비도 적으며, 시동에 소요되는 시간이 짧으므로 비상용 전원으로 적합하다. 가스터빈은 공기를 압축하여 중유·천연가스 등을 연소시킬 때 생기는 열로 가열한 후 팽창시켜 동력을 얻는 것으로, 주축의 회전속도는 매분 수천 회전에 이른다 

4.고주파 발전기

고주파 발전기에서는 극수가 많은 동기발전기를 고속으로 회전시켜서 고주파 전압을 얻기 때문에 구조가 튼튼하고 극수를 많이 하기 쉬운 유도자형동기기(誘導子型同期機)를 사용하는 경우가 많다.
 이것은 전기자권선(電機子捲線)이나 계자권선(界磁捲線)이 모두 고정되고, 유도자라고 하는 돌극구조의 회전자철심만이 회전하는 구조로 되어 있는 동기기(同期機)이다.

5.낙차 발전소

일반적으로 속도수두는 작으므로 개략적으로 말하면 두 지점 간의 수면 높이의 차라고 보아도 무방하다. 이것을 총낙차라 하고, 두 지점 사이를 흘러내려오는 동안에 생긴 마찰 등에 의한 수두손실(손실낙차)을 빼고, 순수하게 이용할 수 있는 에너지 수두를 유효낙차라고 한다. 이 에너지 수두는 단위중량당(單位重量當)의 물체가 지닌 에너지에 대한 것이다.
 수력발전의 경우처럼 사용수량(使用水量)이 매초 몇 t이라고 할 경우에는 그 수량의 무게와 유효낙차의 곱이 발전출력을 나타내게 된다. 실제로는 여기에 다시 발전기 등의 효율(效率)을 곱한다.

6.냉열발전

지하에서 분출한 천연가스는 현지에서 영하 160 ℃까지 냉각, 액화되어 LNG가 되고, 사용지에 도착되면 반대로 기화기 장치에서 가스로 되돌려서 가정이나 공장 등으로 보낸다. 이 LNG가 원래의 가스로 되돌아갈 때, 영하 160 ℃의 저온에서 1 kg당 약 200 kcal나 되는 열에너지가 방출된다. 이때는 보통 기화기 내에서 바닷물과 열교환을 시키는데, 이것은 냉열을 바닷물에 흡수시키고 있는 셈이 된다. 따라서 이 과정에서 버리고 있는 에너지를 이용해 보려는 것이 냉열발전이다. 그러나 냉열 그 자체로는 에너지량이 적기 때문에 수증기를 만들 수 없다. 그래서 적은 에너지로도 즉시 수증기를 만들 수 있는 특수한 열매체(熱媒體)를 사용한다.
 즉 바닷물과 열매체를 기화기로 열교환시켜 기체를 만들고, 이를 터빈에 끌어들여 발전을 시키면, 터빈을 통과한 열매체가 이번에는 LNG기화기로 들어가서 LNG를 가스로 되돌아가게 하는 동시에 그 자체는 액체가 된다. 액체가 된 열매체는 펌프로 기화기에 보내져 다시 바닷물과 열교환해서 기체가 된다. 이렇게 열매체는 액체 → 기체 → 액체 → 기체로 변화를 되풀이하는 동안에 LNG로부터 냉열을 받아 바닷물로 넘겨 주는 한편, 스스로는 발전이라는 작업을 하는 셈이다. 마치 화력발전소의 보일러 역할을 매체의 기화기가 하고, 증기응축기의 역할을 LNG가 하는 것이다. 냉열발전에 중간역할을 하는 열매체에는 프로판 ·부탄 ·프론 등이나 이들의 혼합물이 사용된다.  

7.노정압 발전

선철(銑鐵:무쇠)을 만드는 용광로의 생산성을 높이고 연료비를 절감하기 위하여 노정의 압력을 높이고 있다. 이 에너지는 이제까지 가스의 제진(除塵)에 다소 이용되었을 뿐 대부분을 버렸는데, 이를 회수하여 3atm 정도에서 상압(常壓)으로 되돌릴 때의 팽창력으로 터빈을 돌림으로써 발전이 가능하다. 이같은 노정압발전으로 폐기 에너지의 활용화를 꾀하여 에너지의 절약과 비용의 절감이 이루어지게 되었다.  

8.댐식 발전소

댐의 상류측에서 물을 받아들여 압력터널을 통해 물터빈으로 보내어 터빈에 직결된 발전기를 돌린다. 이것은 오래 전부터 건설되었으나 최근에는 특히 대규모의 것이 많다. 한 발전소의 발전기 수는 몇 대에 불과하지만 20~30 대씩 놓는 곳도 있다. 댐의 상류에 저장된 물은 호수처럼 되어 강수량이 평균화되어 발전에 이용되기 때문에 물을 유효하게 이용할 수 있다. 축적할 수 있는 수량은 많을수록 좋으며, 이것은 지형에 따라 정해지므로 댐식 발전에 적당한 지점을 잘 선택해야 한다.
 이 발전에서 얻어지는 전력은 댐의 수면과 물터빈 방수구(放水口)의 표고차(標高差)를 H m, 매초 낙하되는 수량을 Q m³라 할 때 9.8HQ kW이며, 이것에 터빈과 발전기의 효율을 곱한 것이 발전소의 출력이다. 댐식에서 H 는 수십 m 에서 200m 에 가까운 것도 있다. Q 는 그 지역의 강수량과 지형에 따라 다르며, 많을수록 대규모의 발전을 할 수 있다.

9.온도차 발전

해양 온도차 발전이라고도 한다. 태양에 의해서 가열된 높은 온도의 표층수(表層水)를 파이프라인으로 증화기(蒸化器)에 흡인하여 진공펌프로 감압한다. 물은 기압이 낮아지면 그만큼 낮은 온도로 비등하여 증발한다. 서(西)아프리카 상아해안 아비잔에서는 약 30 ℃의 표층해수를 증화기에 흡인하여 약 1/25 atm으로 감압해서 비등시켜 증기를 얻는다. 이 증기로 저압터빈을 돌려서 발전한다. 일을 한 증기를 약 400 m 심층에서 취한 8 ℃의 차가운 바닷물로 냉각하여 일의 능률을 올린다. 냉각한 증기는 담수(淡水)로서 회수한다.
 아비잔에서는 7,000 kW 전력과 부산물로서 1일 약 1만 4000 t 의 담수를 얻는다. 온도차 발전의 연구는 프랑스가 가장 앞서고 있다. 처음 G.클라우드의 고안에 의해 멕시코만의 선상(船上)에서 많은 실험을 하였다. 1948년 반관반민(半官半民)의 회사 ‘해양 에너지 개발공단’을 조직하였다. 이 공단에 의해서 서아프리카 상아해안에 세계 최초의 온도차발전소가 완성되었다. 프랑스 외에 미국 ·이스라엘 등도 온도차발전 개발을 하고 있다. 근년에 이 온도차를 암모니아나 프론 등의 작업유체(作業流體)로 이환(移換)하여 발전 터빈을 돌리는 구상이 있었으나 발전규모가 거대하여 실용화까지에는 이르지 못하고 있다. 또다른 연구로서 20~30 ℃의 해수로부터 100 ℃의 열탕(熱湯)을 질산(窒酸)을 써서 효율화할 수 있는 방법이 있는데, 이론효율(理論效率)이 비교적 높아서 주목받고 있다. 

10.태양열 발전

태양은 핵융합반응에 의해 막대한 에너지를 방출하고 있는데 지구상에 내리는 태양열 에너지량은 1시간당 10¹⁷kcal(약 10¹⁴kWh)이며 연간 10²¹kcal에 달한다. 이 태양열을 직접 열로 하여 이용하는 방법에는, 소규모적인 것에 가정용 온수장치가 있는데, 이것을 대규모로 확대하면 물에서 증기를 만들어 발전에 사용할 수 있다는 것이 예상된다.
 대용량의 태양열 발전방식으로는 탑집광방식과 포물면 집광방식을 생각할 수 있다. 탑집광방식은 높은 탑 위에 물탱크를 두고, 탑 주위에 많은 반사경을 설치하여 여기서 반사된 태양광이 끊임없이 탱크면을 조사(照射)하여 물을 가열하고, 이 탱크에서 발생한 증기로 터빈을 돌려 발전기를 구동시키는 방식이다. 그리고 포물면 집광방식은 직선상으로 배열한 포물면거울의 초점 위치에 물이 지나가는 파이프를 둔 집광집열기(集光集熱器)를 설치하는 방식이다.
 세계적으로 태양열 발전은 1973년경부터 연구개발에 착수하였고 82년 미국에서 1,000 kW급이 실용화되었다. 현재 30만 kW에 달하는 발전시설이 운전 중이며 수천 kW급 발전소가 연구개발 또는 건설 중에 있다. 한편, 태양광을 받으면 직접 전기를 발생하는 반도체소자, 즉 태양전지를 이용하는 방식인 태양광 발전이 있는데, 세계적으로 현재 3,000 kW급까지 개발운전 중에 있으며 계속해서 실용화를 위한 효율향상과 대용량화를 위한 연구가 진행 중이다. 한국에는 태양광 발전이 93년부터 100 kW급(충남 호도)이 운전 중이며 2000년대 초에는 1,000 kW급 발전시스템이 개발될 전망이다.

11. 풍력 발전

바람을 이용한 풍차에서 유래되었으며, 비행기가 양력으로 지상에 뜨는 것 처럼, Blade 라고 불리는 날개를 회전시키고, 날개의 회전은 기어박스를 통해 일정 회전비로 증가되어 발전기로 전달되다. 특히, 바람의 경우 가변성이 커서
일정한 회전력을 얻기 힘든데, 이를 날개의 경사각을 조정하여, 원하는 회전과 출력을 얻는다. 이를 Pitch 컨트롤 이라고 말한다. 한국에 설치된 대부분의 풍력발전기는 유럽이나, 중국, 인도등 광활한 평지나 연근해에 많이 설치된 3개의 blade , 수평축 회전방식의 모양이다. 우리나라의 경우 바람의 방향의 변화가 크고, 산악지형으로 돌풍이 많아, 풍력발전을 위한 바람의 질은 낮다고 보기도 한다. 풍력의 경우 현재 기어박스를 포함하고 있는 2MW가 주류을 이루고 있고(외산제품), 750KW의 기어리스 방식의 풍력발전기가 곳곳에 설치되어 있다. 풍력발전의 전력단가는 어떤 발전소에 비교를 하여도 충분히 경제성이 있지만, 대규모로 건설을 해야 한다는 것과, 우리나라에 건설할 수 있는 지역이 제한적이라는 것이라는 문제점이 있다. 앞으로 발전가능성은 무한하며, 위의 형태외의 다양한 모양의 풍력발전기가 개발되고 있다. 우리나라 대표적 풍력발전단지는 대관령풍력발전소, 영덕풍력발전소, 제주풍력발전소, 태기산 풍력발전소, 그리고 새만금에 풍력발전기가 있다.