수력, 화력발전소의 원리가 궁금합니다.
안녕하세요. 백대균 기계공학박사 과학전문가입니다.
1. 수력발전소 운영원리
수력발전소는 댐의 높은 곳에서 물을 취수하여 관을 타고 내려오다가 아래 그림 1과 같은 터빈을 돌립니다.
<그림 1> 수력발전소 터빈
그림 1의 터빈은 제조과정의 그림으로써 실제는 아래 그림 2에서 보는 것처럼 터빈은 폐쇄되고 아주 큰 관으로 터빈의 입구와 출구가 연결되어 있고, 물이 이 터빈을 돌리고 댐 아래쪽으로 빠져 나갑니다. 실제 작동할 때는 댐위에서 아래로 연결된 관로 내부에서 작동하므로 눈으로는 볼 수 없습니다. 이 터빈의 축은 그림 2와 같이 발전기와 연결되어 발전기 축을 회전시켜 전기를 발생시킵니다. 수력발전소는 물을 이용하므로 환경오염은 없으나 댐 숫자에 한계가 있고, 물의 수위 조절이 필요한 시기에는 작동의 어려움이 있습니다. 경우에 따라서는 밑에 내려온 물을 밤에 전기를 쓰지 않는 시간에 다시 댐으로 퍼올리는 양수발전소도 있습니다
<그림 2> 수력발전소 원리
2. 화력발전소 운영원리
위의 수력발전은 높은 곳에서 관을 타고 내려오는 물의 힘을 이용하지만, 화력발전은 터빈을 돌리기 위한 힘을 보일러에서 가열된 스팀(증기)에서 얻습니다. 대기에서는 100도에서 물이 끓는데, 압력과 온도를 높혀 593도 이상의 고압 과열 스팀(증기)을 보일러에서 만들어지고, 관을 타고 가서 터빈에서 과열스팀이 포화스팀으로 변하면서 터빈을 돌립니다. 터빈 축은 발전기와 연결되어 있어 전기를 발생시킵니다. 화력발전소는 터빈을 돌리기 위한 스팀(증기)을 보일러에서 얻는데 석탄을 사용하여 화력으로 스팀(증기)를 만듭니다. 스팀이 관속을 이동할 때 형태는 공기처럼 우리 눈에는 보이지 않습니다. 즉, 냄비에서 물을 끓을 때 기포안에 스팀이 있는 것과 유사합니다. 이 스팀이 냄비에서 위로 올라오면 찬공기를 만나 일부는 김이 되어 하얗게 보이고 일부는 공기중에 수분으로 증발합니다. 이 스팀이 고압 고온에서 만들어 지면 엄청난 에너지를 가지고 있고, 이 과열스팀이 포화스팀으로 변하면서 터빈을 돌리게 됩니다. 포화스팀은 물과 증기가 공존하는 상태를 말합니다. 포화증기는 복수기로 들어가게 되는데 이때 외부 물과 열교환을 시켜 증기를 물로 응축시킵니다. 응축된 물은 펌프에 의해 다시 보일러실로 보내집니다. 화력발전소는 에너지를 석탄에서 얻으므로 대기 오염의 원인이 되지만 많이 지을 수 있고, 많은 전기를 얻을 수 있습니다.
<그림 3> 화력발전소 원리
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