개념 한 쪽
유량과 낙차 세트는 낙차 변경에 따른 회전수(N∝√H), 낙차·속도 환산(H=v²/2g), 이론출력과 발전시간, 취수방식 분류와 양수발전의 목적을 묻는다.
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출제기준 단원 「유량과 낙차」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 양수발전 목적 판정 | 1 | 펌핑과 첨두 대체로 비용 절감 목적을 고른다 |
| 난조 유발 조건 선택 | 1 | 조속기 감도와 진동 억제 요인을 가려 고른다 |
| 취수방식 분류 틀림 찾기 | 1 | 표준 4분류에 없는 방식을 골라낸다 |
낙차가 바뀌면 같은 수차의 회전수도 바뀐다 — 회전수는 낙차 그 자체가 아니라 낙차의 제곱근에 비례한다(N₂=N₁√(H₂/H₁)). 350m에서 600rpm이던 수차를 325m에서 쓰면 600×√(325/350)≈580rpm이다. 제곱근을 빼먹고 비례로 곱하면 400처럼 지나치게 줄어든 값이 나와 대표 함정이고, 낙차가 줄었는데 빨라지는 보기는 상식적으로 즉시 탈락시킨다.
속도를 알면 낙차를 거꾸로 구한다 — 토리첼리 정리 v=√(2gH)를 낙차에 대해 정리하면 H=v²/(2g)다. 분출속도 31.3m/s면 H=31.3²÷19.6≈49.98m(약 50m)인데, 2g(19.6) 대신 g만 나누면 100m급, 제곱을 빠뜨리면 10m급이 돼 보기와 맞지 않는다. 31.3≈32로 봐 v²≈1000, ÷19.6≈50의 근사 검산이 실수를 막는다.
출력·시간 계산은 9.8 하나로 통일된다 — 이론출력은 P=9.8QH로 낙차 100m·사용수량 10m³/s면 9800kW고, 효율이 주어지면 9.8QHη에 곱한다. 정해진 물로 몇 시간 발전할 수 있는지는 '총에너지 ÷ 출력'의 2단계로, 유효저수량 200000m³·낙차 100m·효율 85%면 W=9.8×200000×100×0.85÷3600≈46278kWh, 이를 발전기 출력 7500kW로 나눠 약 6.17시간(약 6시간)이 된다 — ÷3600(초→시간)을 빠뜨리면 값이 크게 어긋난다.
발전소를 물을 어떻게 끌어오느냐로 나눈다 — 취수방식 분류는 댐식(댐으로 물을 가둬 낙차 확보)·수로식(수로로 물을 끌어옴)·댐수로식(병용)·유역변경식(다른 유역의 물을 끌어옴) 4가지뿐이다. 역조정지식은 발전소 하류에서 방류량 변동을 완만하게 재조정하는 별개 시설이라 취수 분류에 넣은 보기가 '틀린 것'으로 출제된다.
양수발전은 물 배터리다 — 심야 경부하의 싼 잉여전력으로 아래 저수지의 물을 위로 퍼 올리고, 첨두부하 때 떨어뜨려 발전해 고가의 첨두용 화력을 대체한다. 주된 목적은 '연간 발전비용 절감(경제성)'이지 발전량 증가가 아니다 — 펌핑 손실 때문에 순발전량은 오히려 줄어든다. '쌀 때 사서 비쌀 때 판다'로 외운다.
① 회전수 환산 — N₂=600×√(325/350)≈580rpm. ② 발전시간 — W=9.8×200000×100×0.85÷3600≈46278kWh, t=46278÷7500≈6.17h.
양수발전의 주된 목적으로 옳은 것은?
정답 ③ · 양수발전은 심야 등 경부하 시 잉여전력(원자력·화력의 저렴한 전력)으로 하부 저수지 물을 상부로 양수해 두었다가, 첨두부하 시 이 물로 발전하여 고가의 첨두부하용 화력발전을 대체하는 방식이다. 이를 통해 연간 발전(연료)비용을 절감하는 것이 주된 목적이며, 발전량 자체를 늘리거나 손실을 줄이는 것이 직접 목적은 아니다.
양수발전은 심야의 저렴한 전력으로 펌핑해 첨두부하의 고가 화력을 대체, 연간 발전비용을 줄이는 것이 목적이다.
수차발전기가 난조를 일으키는 원인은?
정답 ① · 난조(hunting)는 부하 급변 시 발전기 회전속도가 진동하며 동기화가 불안정해지는 현상으로, 조속기(governor)의 감도가 지나치게 예민하면 미세한 속도 변화에도 과도하게 반응하여 오히려 진동을 유발합니다. 반대로 속도 변동률이 작거나, 관성 모멘트가 크거나, 제동권선이 있으면 난조를 억제하는 효과가 있으므로 오답입니다.
난조는 조속기가 지나치게 예민해 과잉 반응할 때 유발되는 회전 속도 진동 현상이다.
수력발전소의 취수 방법에 따른 분류로 틀린 것은?
정답 ③ · 수력발전소의 취수(물을 끌어오는) 방식에는 댐식, 수로식, 댐수로식, 유역변경식이 있습니다. 역조정지식은 취수방식이 아니라 조정지식 발전소의 하류에 설치하여 방류량 변동을 재조정하는 저수지 운용 방식이므로 취수 방법 분류에 해당하지 않습니다.
수력 취수방식은 댐식·수로식·댐수로식·유역변경식뿐이고, 역조정지식은 하류 방류 재조정용 별개 개념이다.
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