개념 한 쪽
수력발전은 높은 곳의 물이 가진 위치에너지를 전기로 바꾸는 방식이다. 이론출력 P = 9.8QH를 중심으로 취수방식 분류, 조압수조·헤드탱크 구분, 양수발전의 목적이 세트에서 반복된다.
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출제기준 단원 「수력발전의 원리와 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 목적 이해 | 1 | 양수발전의 목적 고르기 |
| 유속 계산 | 1 | 수압관 분사 유속식 고르기 |
| 방식 가리기 | 1 | 수력 취수방식이 아닌 것 빼기 |
수력발전의 이론출력은 P = 9.8QH [kW](Q: 사용수량 m³/s, H: 유효낙차 m)이고 실출력은 종합효율 η를 곱한 P = 9.8QHη다. 유효낙차 100 m·최대사용수량 10 m³/s이면 이론출력 9800 kW다. 물의 분출속도는 토리첼리 정리 v = √(2gH)로 유효낙차와 직결되며(31.3 m/s면 H = v²/(2g) ≈ 49.98 m), 연직거리는 총낙차를, 관의 경사·유량은 마찰손실수두를 정하지만 관의 길이 자체는 유속식의 직접 변수가 아니다. 같은 수차의 회전수는 낙차의 제곱근에 비례해 N₂ = N₁√(H₂/H₁)다(낙차 350 m·600 rpm 수차를 325 m에서 쓰면 약 578 rpm). 비속도 Ns = N√P/H^(5/4)는 다른 개념이다.
연간 발전전력량은 「총수량 → 초당 유량 → 출력 → ×8760 h」 순서로 계산한다. 유역면적 80 km², 강우량 1500 mm = 1.5 m, 이용률 70%면 연간 이용수량 84×10⁶ m³, 1년 = 31.5×10⁶ 초로 나눠 q ≈ 2.66 m³/s, P = 9.8×2.66×30×0.8 ≈ 626 kW, E ≈ 5.49×10⁶ kWh다. 저수량이 정해진 발전시간은 총에너지 W = 9.8QHη/3600 [kWh]를 출력으로 나눈다(유효저수량 20만 m³·낙차 100 m·효율 85%·7500 kW이면 약 6.17시간).
취수방식에 따른 분류는 댐식·수로식·댐수로식·유역변경식 넷뿐이고, 역조정지식은 발전소 하류의 방류량 변동을 재조정하는 별개 시설이다. 조압수조는 압력수로 종단(수차 직전)에 설치돼 수격압의 수로 침입을 방지·완화하고, 무압수로 종단은 헤드탱크다(헤드탱크 용량은 수분~10여 분 분량이며 부하 급증 시 물을 보급한다). 댐 설계·저수지 용량 결정에는 유입유량을 시간별로 누적한 적산유량곡선을 쓰고, 유황곡선은 유량을 크기순으로 배열해 연중 확보 일수를 보는 발전 계획용이다. 양수발전의 주된 목적은 심야 경부하의 저렴한 잉여전력으로 펌핑해 첨두부하의 고가 화력을 대체함으로써 연간 발전비용을 줄이는 것이다(펌핑 손실로 순발전량은 오히려 줄어든다).
출력 문제는 「이론은 9.8QH, 실출력은 η까지 곱」 구분이 전부다. 연간 발전량에서 10⁷급 큰 오답은 1년을 초로 바꿔 나누는 단계(÷31.5×10⁶)를 빠뜨린 함정이다. 수차 회전수는 낙차 비에 반드시 √를 씌우고, 시설 분류는 「무압수로 끝 = 헤드탱크, 압력수로 끝 = 조압수조」, 「취수 4방식 외의 용어 = 오답」으로 가른다.
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.
어떤 수력발전소의 수압관에서 분출되는 물의 속도와 직접적인 관련이 없는 것은?
정답 ③ · 수압관에서 분출되는 물의 속도는 (H: 유효낙차)로 결정된다. 유효낙차는 총낙차(수면에서의 연직거리)에서 관의 경사, 유량에 따른 마찰손실수두를 뺀 값이므로 연직거리·관의 경사·유량은 모두 유속에 영향을 준다.
수압관 분사 유속은 v=√(2gH)이고 H는 유효낙차로 결정되며, 관의 길이는 직접 변수가 아니다.
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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