수력 낙차·손실수두

수력발전의 원리

수력발전은 물이 가진 위치에너지를 전기로 바꾸는 발전 방식이다.

물은 수차에서 기계에너지로, 발전기에서 전기에너지로 변한다.

발전출력은 유효낙차와 사용수량의 곱에 비례하므로 두 값이 핵심이다.

총낙차와 유효낙차

낙차는 물의 높이 차이다. 취수구 수면과 방수구 수면의 고저차가 총낙차다.

총낙차에서 관로와 수로의 손실을 뺀 값이 유효낙차다.

유효낙차는 수차에 실제로 작용하는 낙차이며, 손실수두가 커질수록 줄어든다.

손실수두의 원인

앞 문제의 답은 190m다. 총낙차 200m에서 손실수두 10m를 뺀 값이다.

손실수두는 물이 흐르며 마찰과 형상 변화로 잃는 수두다.

마찰손실수두는 관 벽 마찰로 관 전체에서, 국부손실수두는 입구·굴곡·밸브에서 생긴다.

시험에서는 손실을 원인별로 나눠 써야 점수를 받는다.

발전출력 식

발전출력은 유효낙차와 사용수량의 곱에 비례한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

여기서 Q는 사용수량, H는 유효낙차, η는 종합효율이다.

종합효율은 수차효율과 발전기효율을 곱한 값이다.

9.8은 물의 밀도와 중력가속도를 곱해 kW로 환산한 값이다.

출력 계산 예제

예로 유효낙차 200m, 사용수량 82㎥/s인 발전소를 본다. 수차효율 0.90, 발전기효율 0.96이다.

종합효율은 수차효율과 발전기효율을 곱해 0.864가 된다.

식에 대입하면 약 138,862kW가 나온다.

약 138.9MW로, 낙차 200m와 유량 82㎥/s 규모의 중대형 수력 출력으로 타당하다.

낙차 크기에 따른 분류

낙차 크기에 따라 수력발전소를 네 가지로 나눈다.

낙차 20m 이하는 초저낙차, 35m 이하는 저낙차다.

35~250m는 중낙차, 250m 이상은 고낙차로 분류한다.

이 구분은 발전소 규모 분류의 관행이며 법정 기준은 아니다.

핵심 정리

앞 문제의 답을 확인한다. 유효낙차 150m는 35~250m 구간이므로 중낙차다.

정리하면 출력은 유효낙차, 사용수량, 종합효율의 곱에 비례한다.

유효낙차는 총낙차에서 손실수두를 뺀 값이다.

시험에서는 식의 변수와 단위, 낙차 종류의 정의를 정확히 쓴다.