전기공사기사 수력발전의 원리와 종류 — 유효낙차와 발전 출력 계산

수력발전은 높은 곳의 물이 낮은 곳으로 떨어지며 가진 위치에너지로 수차를 돌리고, 수차에 연결된 발전기가 전기를 만드는 방식이다. 이론적인 물의 힘은 매초 흘러가는 물의 양과 떨어지는 높이에 비례하고, 여기에 효율을 곱한 것이 실제 출력이다. 그래서 출력 계산의 기본 재료는 유량 Q[m³/s]와 낙차 H[m]다.

낙차는 두 가지로 나누어 쓴다. 위쪽 수면과 아래쪽 수면의 수직 거리가 총낙차 곧 자연낙차이고, 물이 수로와 수압관을 지나며 관 벽과의 마찰로 잃는 몫이 손실수두다. 수차에 실제로 작용하는 낙차는 총낙차에서 손실수두를 뺀 유효낙차다. 문제에서 손실수두를 총낙차의 몇 퍼센트로 주면 그만큼을 빼서 유효낙차를 먼저 구한다. 총낙차 200 m에서 손실수두 10 m를 빼면 유효낙차는 190 m가 된다.

효율은 마지막에 곱한다. 수차와 발전기의 효율이 따로 주어지면 두 효율을 곱해 종합효율을 만들고, 그 종합효율을 9.8×Q×H에 곱한다. 수차 90퍼센트, 발전기 95퍼센트이면 종합효율은 0.855다. 효율을 곱하지 않은 값은 물이 가진 이론값이므로 발전기 단자 출력이 될 수 없다. 유량 20 m³/s, 유효낙차 50 m, 종합효율 80퍼센트이면 9.8×20×50×0.8 = 7,840 kW이고, 효율을 빼면 9,800 kW가 남는다. 9,800은 이론값 함정이다.

저장한 물의 양으로 전력량을 구할 때는 위치에너지를 먼저 구한다. 물의 위치에너지는 질량×중력가속도×낙차이고, 여기에 효율을 곱하면 실제로 얻는 에너지가 된다. 이를 1 kWh = 3.6×10^6 J로 나누면 전력량[kWh]이 된다. 조정지 용량과 유효낙차가 주어지고 유효낙차가 거의 일정하다고 보는 문제가 이 꼴이다.