수력발전 댐은 높은 정역학적 퍼텐셜 에너지 저장소를 형성하고, 방대한 양의 물을 터빈으로 통과시켜 전기를 생산하는 발전기를 돌립니다. 세계 최대 규모의 수력발전 댐인 중국 양쯔강의 싼샤댐은 최대 22,500MW의 전력을 생산할 수 있습니다. 이는 이 댐이 미국 평균 전력 소비량을 기준으로 1800만 가구에 전력을 공급하는 데 충분한 전력을 생산할 수 있다는 의미입니다. 수력발전소는 전 세계 발전량의 약 6.7%를 차지합니다.
수력발전 댐은 어떻게 전기를 생산하는가?
거대 수력발전 댐은 어떻게 작동하는가? 그러면 수력발전 댐의 기본 구성 요소와 지속 가능하고 생산적인 전력을 생산하는 과정을 살펴보겠습니다.
1단계: 퍼텐셜 에너지 수집
거침없이 흐르는 강은 운동 에너지 및 소리의 형태로 퍼텐셜 에너지를 방출합니다. 물은 중력 때문에 특정 경로를 따라 흐릅니다. 댐은 이 운동 에너지 방출을 가로막고 강의 퍼텐셜 에너지를 호수 같은 저장소에 효과적으로 저장합니다. 수력발전 댐은 강물 및 퍼텐셜 에너지를 "보존"하여 작동합니다. 강물이 댐의 수문을 통과할 때 수심 및 유속에 의해 생성된 수두가 수력발전소에 설치된 터빈을 회전시킵니다.
2단계: 수력 터빈 회전
선풍기는 형태 및 크기가 다양합니다. 일반적으로 말하면 선풍기가 클수록 회전시키기 어렵습니다. 또한 대형 선풍기를 회전시키려면 더 높은 전압과 더 큰 용량의 모터가 필요합니다. 싼샤댐을 비롯해 많은 수력발전 댐에 설치된 프랜시스 터빈과 같은 대형 터빈 역시 운동을 가속하려면 더 많은 에너지가 필요합니다.
프랜시스 터빈은 수두를 이용해 회전합니다. 댐의 퍼텐셜 에너지로 발생하는 정수압이 이 수두를 생성하며 유속이 상승할수록 수두도 증가합니다. 요컨대, 높은 댐일수록 더 많은 수두를 생성하고 더 대형 터빈을 회전시킬 수 있습니다. 터빈이 회전하면서 수두가 운동 에너지로 변환됩니다. 이 변환은 효과적으로 물의 속도 및 정수압을 제거하여 댐의 기부에서는 강물이 천천히 흘러나갑니다.
3단계: 수력 터빈 발전기
터빈의 회전 운동이 전기 에너지를 생성합니다. 터빈은 발전기와 직결되거나 샤프트와 발전기의 전기자를 회전시키는 기어박스 또는 변속기에 연결됩니다. 정류자 및 브러시 어셈블리가 발전기에서 고정자 주위를 회전하는 전기자로 인해 생성되는 전기 흐름을 포집합니다.
수력발전 댐에서 작동하는 것과 같은 거대 발전기에서는 상당한 양의 자기저항(기계적 회전에 대한 저항)이 발생합니다. 이 자기저항은 회전하는 터빈의 큰 회전력에 의해서만 극복될 수 있습니다. 차량 변속기와 비슷한 변속 시스템을 사용하여 터빈의 회전 운동이 다양한 비율의 토크 및 속도로 변환됩니다.
4단계: 수력 전기 포집 및 전송
생성된 전기는 빠르게 그리드 레벨 전압으로 변압되고, 지역 전력회사가 전력선을 통해 이를 송전합니다. 수력발전 댐의 승압기는 비교적 낮은 발전기 출력 전압에서 유틸리티 레벨 전압을 생성합니다. 낮은 전류가 더 효율적이라는 점을 고려하면 수력발전소에서 송출되는 전압이 높을수록 장거리 송전에 이상적입니다. 예를 들어 애리조나 주 페이지의 글렌캐니언댐은 아마도 송전 경로 일부에서 500kV 송전을 사용하여 거의 900마일 떨어진 네브래스카 주 북부 지역의 가정에 전력을 공급합니다.
수력 재생 에너지의 발전
수력발전소는 세계에서 가장 큰 규모의 재생 에너지원입니다. 새로운 수력발전 댐 및 조력발전소가 건설되고 시스템 효율이 개선되면서 수력발전의 영향도 증가하고 있습니다. 또한 유체역학 모델링이 개선되고 제작 공차가 축소되면서 터빈 효율이 100%에 근접하고 있습니다. 기어박스 제작, 윤활제 소재 과학, 제작 공차에서의 발전 덕분에 지속적으로 효율이 향상되고 있으며, 더 강력한 자석, 더 효율적인 도체, 더 정밀한 제어 시스템도 효율 향상에 기여하고 있습니다. 흐르는 강물과 고도 차이가 지속되는 한, 수력발전은 지속 가능한 에너지를 위한 소중한 옵션으로 남을 것입니다.
