전기 생산원리 및 전기생산 방식의 종류(Electric power generation)

전기 생산원리 및 전기생산 방식의 종류(Electric power generation)

 

 

1. 전기의 생산방식의 원리

전기는 자연계에 존재하는 여러가지 에너지를 전기에너지로 만드는데 응용되는 현상의 일종인 전자유도현상과 금속의 이온화현상, 광전효과 등에 의한 생산원리로써 만들어진다.

전자유도현상에 의한 발전은 전기가 잘 흐르는 재료로 만든 코일에 전기를 통하면 코일은 전자석이 되는 반대현상을 응용한 것으로, 영구 자석을 코일에 가까이 댓다가 멀리 댓다가 하면 코일에 미치는 자계의 세기가 변화되어 코일에 전기가 발생하는 원리이다.

이 원리에 의해 나타나는 현상을 전자유도현상이라고 하며, 전류의 크기는 코일의 감은 횟수와 자석의 움직이는 속도에 비례하여 커지게 되며 교류 발전기는 이 원리를 응용한 것이다.

금속의 전기화학 작용을 이용한 발전은 서로 다른 두개의 금속을 전기가 통하는 전해질 용액에 담그고 도선으로 두 금속을 연결시 금속의 이온화 현상에 의한 전자의 이동으로 전기가 발생하는 원리이다.

여기서 말하는 이온화 현상은 금속물질이 안정상태로 유지하기 위해 전자를 외부로 방출하고 양이온이 되거나, 외부로부터 전자를 흡수하여 음이온이 되려는 현상을 말한다.

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. 수력발전(Water Power generation)

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수력발전은 높은곳에 있는 물을 아래로 흘러내리게 하여 물이 떨어지는 힘으로 수차를 회전시키고, 수차에 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기를 생산하는 발전방식이다.

따라서 수차를 회전시키는 물의 양이 많을수록, 그리고 물이 떨어지는 낙차가 클수록 많은 전력을 얻을 수 있다.

물의 양은 계절에 따라 많고 적을 수 있으며, 지역에 따라 유량이 다르므로 수력발전소는 일년 내내 많은 양의 물을 얻을수 있고, 또한 높은 낙차를 이용할 수 있는 곳에 건설하게 된다.

수차를 돌리는데 사용되는 물은 일반적으로 댐을 만들어 저장한 수발전할때 수로를 통해 수차 쪽으로 보내어지며, 물의 저장 및 유도 방법은 수로식, 댐식, 댐수로식으로 나누어 지는데 지형에 따라 적합한 방식을 채택하고 있다.

수로식은 하천을 막아 긴 수로를 만들고 발전소 상부의 수조까지 물을 끌어올린 수 수압관로를 통해 발전소로 끌어들여 수차를 돌리는 발전방식이다.

 

댐식은 하천을 높은 댐으로 막고 수위를 높게 하여 바로 밑에 있는 발전소로 물을 낙하시켜 발전하는 방식이며, 다량의 물을 댐에 저장하여 비가 적은 갈수기에도 필요한 전력을 생산 할수 있어 가장 널리 이용된다.

댐수로식은 댐식과 수로식을 혼합한 방식으로서 댐에서 수위를 올리고, 다시 수로에 의해 낙차를 증가시켜 발전하는 방식이다.

수력발전소는 설비의 운전절차가 단순하고, 기동에 소요되는 시간이 2분 이내로 짧아서 필요한 양의 전력을 신속히 생산할 수 있으며, 무공해 에너지일 뿐 아니라 천연자원을 이용하므로 운전비용이 적게 든다는 장점이 있다. 또한 발전 설비는 40년 이상, 댐은 반영구적으로 사용할 수 있으며, 운전하는데 비용이 적게 들고, 국내의 부존자원을 활용하며, 댐 건설로 인해 홍수를 막을 수 있는 등 여러가지 이점이 있다.

 

 

3. 양수발전(Pumping-up power generation)

일반 수력발전은 천연적으로 흐르는 물을 이용하여 발전하지만, 양수발전은 상부와 하부에 각각 저수지를 만들고 심야에 전력을 이용하여 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올려 저장하였다가 전력 사용이 많은 주간이나 전력공급이 부족할 때 하부 저수지로 낙하시키면서 발전하는 방식이다.

양수발전 방식으로는 수차와 발전기 외에 펌프와 모터를 별도로 설치한 방식과, 수차를 역회전시켜 펌프로 사용하고 발전기를 모터로 사용하여 펌프를 구동하는 방식이 있는데, 우리나라의 양수 발전소는 모두 펌프-터빈, 발전-전동기 겸용방식을 사용하고 있다.

 

 

4. 화력발전(Thermal power generation)

화력발전이란 석탄, 석유, 가스와 같은 연료를 연소시켜 발생된 열에너지로 보일러, 터빈, 발전기 등의 기계장치를 구동하여 전기를 발생하는 발전방식을 통틀어 일컫는 말이다.

연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 방법에는 여러가지가 있지만 에너지 매체로서 증기를 이용하는 기력발전이 대부분을 차지하고 있으며, 이밖에 내연발전, 가스터빈발전, 그리고 가스터빈과 기력을 조합한 복합발전 등이 있다.

화력발전소는 수력이나 원자력발전소에 비해 건설기간이 짧고, 건설비용도 적게 드는 이점이 있을 뿐 아니라, 수력발전소와는 달리 강우량 등 기상조건에 관계없이 항상 안정적으로 전력을 생산하기 때문에 널리 이용 되고 있다.

 

 

5. 증기의 힘을 이용한 기력발전(Steam power generation)

기력발전은 보일러에서 연료를 연소시켜 얻은 열에너지로 물을 가열하여 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 회전시켜 터빈에 연결된 발전기에서 전력을 생산하는 발전방식인데, 사용한 연료의 종류에 따라 중유발전소, LNG발전소, 유연탄 또는 무연탄 발전소 등으로 부른다.

증기터빈은 수많은 회전날개 형식으로 되어 있고, 보일러에서 나온 증기가 이 날개에 분사되어 회전력을 얻게 되며, 발전기는 터빈과 같은 축에 연결되어 함께 회전하게 된다.

증기터빈을 구동하고 나온 증기는 복수기에서 냉각수에 의해 물 상태로 응축된 후 다시 보일러에 되돌려 보내져서 재순환하게 된다.

 

 

6. 연소가스로 직접 구동하는 내연발전(Diesel electric generation)

내연발전이란 연료의 연소에너지로 직접 기관을 회전시키고, 여기에 연결된 발전기로 전기에너지를 생산하는 발전방식으로, 엔진을 이용하는 내연발전과 가스터빈을 이용하는 가스터빈발전으로 크게 분류되며, 연료는 경유와 가스가 주로 사용된다.

내연발전은 자동차 엔진과 같이 기관내의 실린더에서 연료를 폭발, 연소시키고 연소가스의 팽창에너지로 크랭크축을 직접 회전하여 발전기를 구동하는 발전 방식이다.

내연설비는 일반적으로 소형이고 중량물이 아니기 때문에 설치장소가 그렇게 넓지 않아도 되고, 기도성이 신속하여 열효율도 개량형의 경우 높은 수준(45%)정도 이지만, 비싼 연료를 사용하기 때문에 경제성이 떨어지며, 소음이 많고 기술적으로 대용량화 할수 없어 용도가 제한된다.

현재 국내 발전용으로는 1만 kW급 까지가 실용화 되고 있으며, 주로 비상용 예비전원, 자가용 발전시설이나 도서 등 특수지역의 발전용으로 이용되고 있다.

가스터빈발전은 연소기에서 연소된 연소가스로 가스터빈을 회전시키고 터빈에 연결된 발전기에 의해 발전하는 방식으로, 터빈을 구동하고 나온 연소가스를 대기 중에 배기하는 개방형과 압축기로 재순환 시키는 밀폐형이 있는데, 현재 국내에서 사용중인 발전용 가스터빈은 모두 개방형이다.

가스터빈은 기력설비에 비하여 구조가 간단하고 건설비가 적게 들며, 기동특성이 뛰어나기 때문에 부하변동에 따라 출력을 신속히 조절할 수 있는 특징이 있지만, 단독으로 운영할 경우 열효율이 낮은 편이며 다량의 기체를 고속으로 흡입, 배출하기 때문에 소음이 큰편이다.

 

 

7. 내연발전과 기력발전을 혼합한 복합발전(Combined cycle generation)

복합발전은 가스터빈과 증기터빈을 결합한 발전방식이다. 연료의 연소 열로 우선 가스터빈과 증기터빈을 구동하여 1차발전을 하고, 증기터빈 후단에 설치된 보일러에서 가스터빈 배기가스의 열로 증기를 발생할 수 있는 이증기로 증기터빈을 구동하여 2차 발전하는 방식으로, 종합효율 48%정도를 증가시킬 수 있다.

일반적으로 가스터빈은 증기터빈과 분리하여 단독 운전이 가능하고 ,보일러는 단순히 가스터빈의 연소가스만으로 증기를 발생시키는 방식과 보일러에서 연료를 공급, 연소시키는 방법이 있다.

이 발전 방식은 기력발전에 비해 기동정지와 출력조절이 우수하다는 특성을 지니고 있으며, 종합열효율도 높을 뿐 아니라 구조가 간단하고 소형이기 때문에 설치공간도 많이 차지하지 않지만, 비싼연료를 사용하므로 경제성이 떨어져 제한적으로 사용되고 있다.

 

 

8. 원자력 발전(Nuclear power generation)

1) 원자력의 발전원리

핵이 분열할 때 발생하는 에너지로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 발전방식이며, 증기터빈을 이용한 발전방식은 기력발전소와 동일하다.

원자력발전의 연료로 사용되는 우라늄235와 같은 원자핵은 중성자와 충돌하면 두 개 이상의 파편으로 쪼개지는 성질을 가지고 있으며, 핵분열후 무게(질량)는 분열 전 무게의 약 1,100분의 1정도로 줄어든다.

핵분열이란 이렇게 가벼워진 질량이 에너지로 변환하여 방출되는 것이며, 우라늄 235 1g이 핵분열할 때 발생하는 열량은 석탄 3톤을 태울 때 발생하는 열량과 맞먹는다.

한편 우라늄 원자핵이 핵분열할 때 2~3개의 중성자가 튀어나오는데, 그 속도가 너무 빠르므로 (빛 속도의 약 10분의 1)물과 같은 감속제를 통과시켜 적당히 감속(초당 약 2,400M)하면 속도가 낮아진 중성자가 우라늄 235에 흡수(충돌)되어 다시 핵분열이 일어나고 이러한 과정이 반복되는데 이 현상을 핵분열 연쇄반응 이라고 한다.

 

2) 원자력이 필요한 이유?

원자력은 지구의 온실효과나 산성비의 원인이 되는 탄산가스를 배출시키지 않는 깨끗한 청정 에너지로서 지구 환경 보전에 크게 이바지하는 이점 때문에 그 필요성이 높아지고 있다.

1990년, 전세계 전력생산량의 약 16%를 원자력발전이 담당하고 있으며, 화석연료를 사용하는 것과 비교할 때 탄산가스 방출량은 원자력이 8g/kWh, 석탄은 275g/kWh 로서 현저한 차이가 있다. 특히 부존자원이 빈약하여 해마다 필요한 에너지의 90%가 수입해서 사용하고 있는 우리나라의 경우, 에너지의 안정적인 확보를 위해 연료비와 운영비가 싼 원자력발전의 꾸준한 개발은 불가피한 실정이다.

또한 원자력발전소의 핵연료는 서간과 같은 화석연료에 비해 사용량이 아주 적으므로 수송과 저장이 쉽고, 교체주기(약 1년)가 긴 장점이 있으며, 이밖에도 원자력발전의 건설, 운영에 지역사회 인력을 많이 고용하고 있어 지역발전에 이바지 한다는 점도 꼽을수 있다.

 

3) 원자력 발전은 안전하다.

원자로와 원자폭탄은 모두 우라늄의 핵분열에너지를 이용한다는 점에서는 같으나 그 구조는 근본적으로 다르다.

원자폭탄은 일시에 많은 에너지를 발생하므로 우라늄 235를 100% 가까이 고농축 하여 사용할 뿐 아니라 그 주위에 화약을 함께 장전하여 폭발을 용이하게 한다.

여기에 비해 원자력발전소는 장시간에 걸쳐 에너지를 일정하게 발생시키기 위해 우라늄 235를 2~4%정도 저농축상태로 사용하며, 어떠한 원인으로 원자로 안의 온도가 급상승하더라도 핵분열반응을 억제시키는 안정장치가 되어 있기 때문에 원자폭탄처럼 폭발하는 일은 있을 수 없다.

좀 더 쉽게 이해를 돕기위해 공업용 알코올과 맥주의 예를 들면, 이 두 물질은 다같이 알코올이 들어 있지만, 이것을 같은 것으로 보지 않는다.

그 이유는 에틸 알코올을 알코올 함유량이 99%정도로서 연료를 사용하는데 비해 맥주는 알코올 함유량이 3~4%에 불과하며 현대인들이 즐겨 마신다. 이와 마찬가지로 앞에서 설명했듯이, 원자력발전이나 원자폭탄은 다 같이 우라늄235를 연료로 쓰고 있으나 그연료에 들어 있는 우라늄의 함유량에는 큰 차이가 있으며, 용도와 성질은 에틸 알코올과 맥주 만큼의 차이점을 갖고 있다.

한편 연료가 들어 있는 원자로 역시 다섯 겹으로 된 5중 방호벽으로 튼튼하게 둘러 싸여 있기 때문에 방사선의 누출은 물론, 폭발 위험도 전혀 없다.

 

4) 환경관리

원자력발전소는 주변 지역의 공기 중 방사선량을 연속적으로 감시하기 위해 발전소 주변 100여곳에 환경방사선 감시기를 설치하여 방사선량 표시판을 인근 주민들이 직접 보고 확인 할 수 있도록 운영하고 있다.

또한 발전소 주변의 공기, 토양, 식물과 우유, 채소 등 식품류를 주기적으로 채취, 분석하여 환경방사능을 철저히 감시, 관리한다.

우리나라의 경우 원자력발전소가 가동된 이후 지금까지 발전소 주변지역의 공기 중 방사선량률은 일반 도시지역의 자연방사선량 범위를 초과한적이 없으며, 주민이 받을 수 있는 최대 방사선량은 평가결과 약 0.2mg 정도로서 X선 1회 촬영에 의한 방사선량(약 100mg)보다도 훨씬 적은 양이다.