글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/동력기술/동 력 기 술/발전과 송전

발전소

발전의 방식

發電－方式

에너지를 전기의 형태로 빼내기 위해서는, 보통 물의 위치에너지라든가 열에너지를 일단 기계의 회전에너지로 변환시키고, 발전기를 돌리는 방식이 취해지고 있다(후술할 MHD라든가 直接發電·電池는 예외다).

그 제1의 방법은, 물터빈에 의해서 발전기를 돌리는 수력발전이다. 이 경우는 주로 하천이나 호소(湖沼) 등 높은 곳의 물의 낙차가 이용된다.

제2의 방법은 화력발전(火力發電)으로서, 석유라든가 석탄·천연가스 등 화석연료(化石燃料)의 연소 화학반응에 의해서 고온·고압의 증기를 발생시켜 증기터빈을 돌림으로써 발전기를 구동한다(보조적인 발전시설에는, 디젤기관과 가스터빈 등의 내연기가 쓰이는 수도 있다). 원자핵 반응이 있을 때 발생하는 열에너지를 이용하는 원자력발전(原子力發電)도 일종의 화력발전이라 할 수 있다.

수력발전

水力發電    수력발전소는 구조(유효낙차를 만드는 방법)에 따라 댐식·수로식(水路式)·댐수로식으로 나뉜다. 댐식은 댐에 의하여 수위를 올려서 낙차를 만드는 것으로, 발전소는 댐 바로 밑(경우에 따라서 지하)에 마련된다.수로식은 취수지점에 저수지를 마련할 필요가 없으며, 수로에 의해서 낙차를 얻는  것이다. 양자의 혼합형으로서 댐과 수로 양쪽에 의하여 낙차를 얻는 것이 댐수로식이다(〔그림〕－3).

  물터빈을 일정속도로 돌리기 위해서는, 수차(水車)에 대한 물의 유량(流量)을 일정 수준으로 유지시켜 주어야 한다. 하천 유량의 계절변동에 대한 조절 방식에 의해서 수력발전소는 유입식(流入式)·조정지식(調整池式)·저수지식으로 나눠진다. 저수지식은 하류(下流)발전소를 포함시켜서 유수의 이용도가 높다. 이 밖에 일단 낙하한 물을 높은 곳으로 뿜어올려 놓았다가, 필요에 따라서 발전하는 양수식(揚水式)이라든가, 조수의 간만을 이용하는 조력식(潮力式)도 있다.

  수력발전소의 출력은, 사용수량을 , 유효낙차를 라 하면,

  

   로 된다.  ,  의 개수와 출력의 관계는 〔그림〕－1과 같이 표시된다.

화력발전

火力發電

화력발전소는 기본적으로는 1조(一組)의 보일러·증기터빈·터빈발전기를 단위로 구성된다. 불순물을 제거한 물을 급수펌프(給水 pump)로 뿜어 올려, 절탄기(節炭器)로 예열(豫熱)시켜 보일러에 보내어, 고온·고압의 수증기를 만든다. 이 증기를 다시 과열(過熱)하여 건조시켜서 터빈으로 보내고, 노즐을 통해서 팽창시킴으로써 터빈을 돌리게 하고, 복수기(復水器)로 되돌아가게 함으로써 액화(液化)시키고, 다시 보일러로 순환(循環)케 한다.

화력발전의 열효율은, 터빈 입구의 증기온도와 압력을 높이고 복수기의 압력을 낮출수록 향상하지만, 재료 및 기타의 제약이 있다. 증기의 온도를 과대화(過大化)시키지 않고 열효율을 향상시키는 방법에는 다음과 같은 것이 있다.

재생사이클(再生 cycle) ― 복수기에서의 액화 때의 열손실을 줄이기 위해 증기터빈으로부터 팽창 과정에 있는 증기의 일부를 몇 단계로 나누어서 뽑아냄으로써 보일러 급수(給水)를 데워 주는 방법.

재열사이클(再熱 cycle) ― 대용량의 발전일 경우는, 고압터빈을 나온, 압력과 온도가 떨어진 증기를 모두 빼내 다시 보일러에서 가열하고, 중(中)·저압부(低壓部)로 되돌려보냄으로써 나머지의 팽창을 행하게 하는 방법.

화력발전에 의한 발전코스트는 유니트를 대용량화하고 열효율을 높일수록 저하한다. 또 이 때문에 터빈발전기도 1기당 45만㎾·60만㎾라는 대용량의 것도 나타났다. 사용되는 터빈은 주로 2실(室) 이상을 조합하여 1유니트를 구성하는 다차실형(多車室形)으로 된다. 배열 방식은 차실을 동일축심(同一軸心) 위에 배치하는 직렬형(直列型)의 것(탠덤 콤파운드형：tandem compound type)과 2개 이상의 터빈축을 갖는 병렬형(竝列型)(크로스 콤파운드형：cross compound type)이 있다(〔그림〕－4).

고온·고압이며 더욱이 대량의 증기를 발생시키는 보일러는 화력발전소의 설비 중심이 된다. 발전소에서 사용하는 보일러는 연소실 가운데에 물을 순환시켜서 가열하는 수관식(水管式)이며, 자연순환 보일러·강제순환 보일러·관류보일러의 3방식이 있다. 초임계압(超臨界壓)에서는 관류식(貫流式)이 쓰인다. 화력발전소의 열이용의 일례(重油燃燒·7段再生사이클)를 〔그림〕－2에서 표시했다.

수력발전 중심에서 화력발전 중심으로

水力發電中心－火力發電中心－

수력발전은 발전소를 건설해 놓기만 하면 값싼 전력을 공급할 수 있으나 막대한 건설비가 들게 되며 건설기간도 길다.

화력발전은 연료에 따라 석탄화력과 중유화력(重油火力)으로 나눠진다. 석탄화력에 비하여 중유화력은 연료의 가격·건설비·수선비 등이 비교적 싸며, 소내동력(所內動力)도 많이 쓰지 않게 되므로 발전 비용이 싸다. 그래서 최근에는 중유화력발전소의 건설에 힘쓰는 나라도 많이 볼 수 있게 되었으며 석유정제공장(石油精製工場)과 콤비나트(combinat)를 형성하는 방식도 취한다.

그리고 원유화력(原油火力)은 중유화력에 비해서 발전(發電) 비용이 수%나 쌀 뿐만 아니라, 배기가스에 의한 공해(公害)도 적어지기 때문이다.

나라마다 원자력발전(原子力發電)에 대하여 전력회사를 중심으로 적극적으로 그 개발에 안간힘을 기울이고 있는 것도, 저렴하고 안정된 공급을 받을 수 있는 연료에 의한 발전방식(發電方式) 때문이다.

발전의 원리

전기와 자기의 관계 발견

電氣－磁氣－關係發見 외르스테드의 발견

Oersted－發見

자석의 양극(兩極)은 서로 잡아당기기도 하고 서로 반발하기도 하며 서로 힘을 미친다. 이 자기의 힘은 퍽 오랜 옛날부터 알려져 있었지만, 전기가 동력으로서 이용되기 위해서는 우선 전류(電流)와 자기(磁氣)의 힘과의 관계가 발견되지 않으면 안 되었다. 이 중요한 관계를 우연히 발견한 사람은 외르스테드(덴마크, 1777∼1851)이다. 그는 전류가 열과 빛을 일으키는 것에서 유추(類推)하여, 전류가 자기적(磁氣的) 영향도 일으킬 수 있을지도 모른다고 생각하고 많은 실험을 하였다.

1820년 봄, 코펜하겐대학에서 물리학 강의를 하고 있을 때, 학생들과 대화를 하던 중, 자기도 모르게 전류가 흐르고 있는 전선과 평행으로 자석을 놓았더니, 자석의 바늘은 마치 요술에 걸린 것처럼 흔들리다가 전류와 직교(直交)하는 위치에서 멈추었다(〔그림〕－5). 전류는 그 둘레에 자석의 바늘을 움직이는 힘을 미치고 있었던 것이다. 그래서 전기와 자기 사이의 제1의 관계가 발견되었다.

패러데이의 법칙(전자유도)

Faraday－法則(電磁誘導)

외르스테드가 발견한 지 11년이 지난 1831년, 패러데이(영국, 1791∼1867)는 전기와 자기를 연결시키는 제2의 관계를 발견했다. 그는 코일 근처에서 자석을 움직이면 코일 가운데에서 전류가 흐르는 것(〔그림〕－6)과 자석을 계속 움직일 때는 전류도 계속 흐르는 것을 발견했다. 즉

변화하는 자기(磁氣)는 코일에 전류를 발생시키는, 더욱 정확히 말하면

코일의 회로면을 뚫고 지나가는 자속(磁速)의 변화율에 따라 기전력(起電力)이 코일에 유발된다고 하는

전자유도(電磁誘導)의 법칙을 발견하였다.

이는 많은 전기의 발견 중에서 가장 뛰어난 것이었다. 이 원리를 이용해서 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 발전기(發電機)가 만들어지게 되었다.

직류발전기와 교류발전기의 원리

直流發電機－交流發電機－原理

코일 속에 자석을 넣었다 뺐다 하는 대신에, 고정된 코일 속에서 자석을 회전시킬지라도, 코일을 꿰뚫는 자속이 변화되어 기전력이 발생한다. 코일의 양끝에 부하(負荷)를 연결시키면 외부의 회로에 전류가 흘러서, 전등을 켜거나 전동기(電動機)를 돌릴 수 있다. 이것이 발전의 제1의 방식(回轉界磁型 交流發電機)이다. 발생하는 기전력의 크기는 자속의 변화의 속도(자속의 변화율)에 비례하므로, 자석을 지탱하는 축의 회전을 빠르게 하면 할수록 커진다. 이 원리를 사용한 것에 자전거램프가 있다. 이것은 축(軸)을 타이어에 서로 마찰시켜 고속도로 회전케 하는 것으로서, 자전거가 고속화할수록 기전력은 커지고, 전압은 높아지기 때문에 램프는 밝아진다(램프에서 소비되는 전력은 로 표시되며, 전압 가 높아질수록 커진다). 제1의 방식과는 반대로 자석을 고정해 놓고, 자극(磁極) 사이에서 코일을 회전시킬지라도 회전하는 코일의 양단에서 전류를 얻을 수 있다. 이것이 발전의 제2의 방식(回轉電機蔗型)이다.

  코일을 움직이는 방향과 자계(磁界)의 방향·기전력의 방향에는 플레밍의 오른손법칙이라고 불리는 관계가 있다. 코일이 자속을 끊는 방향은 코일이 반회전하면 반대로 되고, 1회전하면 원상으로 되돌아가므로, 이 사이에 1사이클의 교류기전력이 생긴다. 이 기전력에 의한 전류(교류)는 슬립링(slipring)과 브러시(brush)를 통해서 얻어지게 된다. 회전전기자형 교류발전기(回轉電機子型交流發電機)의 슬립링을 정류자(整流子)로 바꾸면, 유도전류의 방향이 변하는 순간에 전류를 빼내는 부분의 접촉이 바뀌고, 외부에는 끊임없이 한 방향으로만 흐르는 직류를 공급할 수 있다(직류발전기).

볼타 전지

Volta 電池

1799년에 볼타에 의하여 발명된 세계 최초의 전지로서, 묽은 황산을 전해액(電解液)으로 하여 그 속에 구리판(+극)과 아연판(－극)을 세우면, 약 1V의 기전력(起電力)이 생긴다. 이 전지의 발명은 전류의 지속적 발생(持續的發生)에 성공했다는 점에 의의가 있으나 대공업의 동력원으로 사용될 수는 없었다.

기전력

起電力

역학적 에너지(또는 화학변화의 에너지)에 의해서 어떤 전위차를 만들어내는 것 같은 전원(電源)의 작용을 말한다. 외부에 전류가 흐르지 않을 때는 이 전위차에 의한 전장(電場)이 전원의 기능(機能)을 멈춘다. 이 때의 전위차가 기전력이다. 외부로 전류를 흘려 보내면 전장이 약화되고 전원이 작용을 함으로써 일정한 전위차가 유지된다.

직류·교류·삼상교류

직류와 교류

直流－交流    도체의 양단에 전위의 차(전압)가 있으면, 이 도체에는 전위가 높은쪽에서 낮은쪽으로, 그 차에 따른 전류가 흐른다.

  시간적으로 방향이 변치 않는 전압이나 전류는 직류전압·직류전류(直流電流)라고   불린다. 건전지(乾電池)나 축전지(蓄電池)·직류발전기 등의 직류전원은 양극과 음극이 정해져 있어서 이와 같은 전기를 공급한다.

  이와는 달리, 교류발전기 등의 교류전원이 공급하는 전압·전류는, 크기나 방향이 주기적으로  변화하는 교류전압·교류전류이다. 그 가운데서 기본적인 것은 일정한 자계 가운데에서 코일을 등속회전시켰을 때 생기는 정현파교류(正弦波交流)이다.

  교류에서는 전압·전류를 나타낼 때 전압 ·전류 의 제곱(二秉)을 1주기에 걸쳐서 평균한 값의 평방근을 사용한다. 이를 실효치(實效値)라 하며, 정현파 교류에서는 최대치의 1/=0.7로 돼 있다. 우리가 100V라든가 10A라고 부르고 있는 것은 이 실효치이며, 최대치는 그의 약 1.4배가 된다. 실효치를 사용하면, 옴의 법칙이라든가 전력을 나타내는 식이 직류의 경우와 동일하게 된다(〔그림〕－7).

  전압·전류의 1초간의 변화의 횟수를 교류의 주파수(周波數)라 한다. 단위는 헤르츠(Hz)이다.

삼상교류

三相交流

〔그림〕－8과 같이, 하나의 교류발전기 속에서 면(面)를 서로 120°씩 기울인 3조(三組)의 코일을 사용하면, 각 코일에는 크기나 주파수는 동일하되 위상(位相)이 서로 120°, 즉 3분의 1주기씩 빗나간 교류기전력이 생긴다. 이와 같은 교류를 삼상교류라 한다.

3조의 코일의 단자(端子) a, b, c와 공통단자(중성점이라 한다) O에 도선을 접속하면 a, b, c에서 전류를 빼낼 수 있으며, 공통의 귀로(歸路) O－O′에는 3상의 전류가 겹쳐져서 흐를 것이다. 그러나 이 3개의 기전력 또는 전류의 합은 각각의 회로의 부하가 동일할 경우는 항상 O이 된다. 따라서 O－O′에는 전류가 흐르지 않는다. 즉 삼상교류를 보내는 데는, 가는 데(往)에 3줄의 전선이 필요할 뿐이며, 돌아오는 것(歸)의 전선은 불필요하게 된다. 현재의 발전·송전은 모두 삼상교류 방식으로 행해지고 있으며, 3줄 1조(組)의 송전선은 우리 주위에서 많이 볼 수 있다. 또 이들 전선 중의 2줄을 사용하면, 그 2상(相) 사이의 전위차에 따른 일반적인 정현파교류를 얻게 된다. 이 일반적인 교류는 삼상교류에 대하여 단상교류(單相交流)라고 불린다. 한편, 삼상교류를 얻는 코일의 결선(結線)방식에는, 〔그림〕－9에서 보여 주는 결선 방식이 있다. a를 와이(Y)결선, b를 델타(Δ)결선이라 한다. 발전에 쓰이는 것은 Ｙ결선이다.

전력과 전력량

電力－電力量    여러 종류의 전기기기(電氣機器) 가운데서, 단위시간에 전류가 한 일을 전력이라 한다. 직류의 경우에 전력 는 회로의 양단의 전위차 를 볼트, 그 부분을 흐른 전류 를 암페어로 나타냈을 때, 그 곱(積)인 이다. 옴의 법칙을 사용하면, 회로의 저항을 (옴)이라고 하고서, 이것의 값은 이 된다. 전력 의 단위는 와트(＝J／sec, 기호 W)이다. 식으로 나타내면,

  

  교류의 경우는, 전압 ·전류 가 시시각각으로 변동되고 있으므로, 순간 전력 의 1주기(周期)에 걸쳐서의 평균을 보통 전력 로서 사용한다. 이 값은 전압·전류에 실효치를 사용했을 때, 로는 되지만, 회로에 콘덴서(condenser：着電器)라든가 코일이 있으면 전압과 전류의 위상이 빗나가므로 가 되지 않고, 로 된다(는 위상의 변동). 즉

  

  이 때 를 피상전력(皮相電力, 단위는 볼트암페어)이라고 부르고, 발전기나 변압기의 용량을 나타내는 데에 쓰인다. 순전력(純電力)과 피상전력의 비(比) 를 역률(力率)이라 하는데, 역률이 낮으면 동일 출력을 내는 데도 발전기의 용량을 크게 하지 않으면 안되는 등의 폐해도 생긴다. 그래서 위상의 변동 를 작게 하고, 역률을 높게 하는 등의 여러 방법이 취해지고 있다.

  전류가 하는 일을 전력량(電力量)이라 하고, 이 단위에는 1킬로와트의 전력이 1시간에 하는 일인 1킬로와트시(㎾h)를 사용하는 수가 많다(1㎾h＝360만J).

발전기의 구조

발전기술의 발달

發電技術－發達

자유도(電磁誘導)의 법칙을 실용적 기술로 발전시켜 전기에너지의 이용의 길을 개척하는 데에 많은 사람들이 공헌했다. 그 중에서도 독일의 지멘스(Siemens, 1816∼1892)는 1866년에 처음으로 전자석(電磁石)을 사용한 대형발전기를 완성시켰는데, 그것은 기술사상(技術史上) 와트의 증기기관에 비교할 만한 획기적인 것이었다. 이에 이어서 벨기에의 그람(Gramme)은 1870년에 고리형(環型) 코일의 발전기를, 독일의 알테네크(Alteneck)는 1873년에 드럼(장고)형 코일의 발전기를 발명했다. 그러나 그 당시의 발전소는 전압의 안정성이라든가 효율과 같은 점에서 볼 때 만족할 수 있는 것은 아니었다. 미국의 에디슨(Edison, 1847∼1931)은 그 때문에 자기가 발명한 탄소선전구(炭素線電救)에 사용할 수 있는 새로운 발전기의 연구를 추진하게 되었다. 그리고 1882년 9월, 뉴욕시에 최초의 대규모 화력발전소(증기기관으로 운전되는)를 건설하였고, 중앙발전소로부터 말단의 전등까지 110V의 직류 송전 계통을 이룩해 내고, 이것을 기업화시켰다.

그 후 곧 이어 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse, 1846∼1914)에 의해서 교류 송전 방식이 실현되었다. 삼상교류 방식이 완성된 것은, 에디슨 밑에서 일하고 있었던 테슬러(Tesla, 1857∼1943)에 의해서이다.

한국 최초의 수력발전소는, 1923년에 금강산전기철도회사의 자가용 발전소인 금강산 중대리(中臺里)발전소에 의해 서울로 송전한 것이 최초이고, 1929년에 부전강 제1발전소가 송전하기 시작하였다. 그리고 압록강에는 60만㎾의 시설용량을 가진 동양 제1의 수풍(水豊)발전소(1941년 완성)가 있다. 8·15 직전 조사 결과에 의하면 우리나라 남북한의 수력 총발전 지점은 163개 소였다. 하지만 1972년 말의 남한의 총발전량은 118억 3,900만 ㎾h, 총시설용량은 387만 2,000㎾, 최대출력은 209만 7,000㎾, 평균출력은 134만 8,000㎾였다.

계자와 전기자

界磁－電機子

이미 말한 것과 같이, 발전기는 자극(磁極) 사이에서 코일을 돌리거나, 코일 사이에서 자극을 돌려서 코일의 양단으로부터 전류를 얻는 것이다. 보통, 전류를 빼내는 쪽을 '전기자(電機子)', 자계(磁界)를 만드는 쪽을

'계자(界磁)'라고 부르고 있다. 전기자는 자속(磁束)을 강화시키기 위하여 철심(규소강판을 절연시켜서 여러 겹 쌓은 것)의 홈에 절연된 전기자 코일을 감아서 만들어진다.

계자에도 철심에다 코일을 감고 직류전류를 흘려 보내는 전자석(電磁石)이 쓰인다.

직류발전기

直流發電機

고정된 계자에 대하여 전기자(電機子)를 회전시키고 정류자(整流子)로부터 브러시를 통해 직류를 얻게 된다. 2극 이상의 자극의 것도 쓰인다(〔그림〕－10).

정류자는, 경동(硬銅)의 원통(圓筒)을 운모판(雲母板)으로써 다수의 정류자편(整流子片)으로 분할한 것으로서, 정류자편을 늘리고, 거기에 접속하는 코일의 수를 늘릴수록 정상적인 직류를 얻을 수 있다.

교류발전기

交流發電機

회전전기자형과 회전계자형

回轉電機子型－回轉界磁型

고정된 계자극 사이에서 전기자를 회전시키는 회전전기자형 발전기는, 전기자로부터 전류를 얻을 때 슬립링과 브러시를 접촉시키므로, 이 부분에 불꽃을 파생시키고자 절연이 되지 않게 한다. 그래서 대전력용인 것은 제작이 어렵고, 주로 110∼220V의 저전압·소용량인 것에 쓰인다. 이와는 반대로, 고정된 전기자의 안쪽에서 계자극을 회전시키는 회전계자형 발전기(〔그림〕－11·12)는 전기자에 발생한 기전력을 그대로 외부로 빼낼 수 있을 뿐만 아니라, 전기자 철심의 흠을 깊게 할 때는 고압 절연을 충분히 할 수 있어서, 코일의 배열·결선(結線)을 하는 데도 편리하다. 회전자극에는 철심에 계자코일을 끼운 전자석을 사용하고, 슬립링을 통해서 계자전류를 공급하는데, 그다지 고전압이 되지 않으므로 문제가 되지 않는다. 이런 형의 발전기에서는 전기자쪽을 '고정자(固定子)', 계자쪽을 '회전자(回轉子)'라고 부르는 수가 있다. 고전압·대용량인 교류발전에는 모두 이 발전기가 쓰인다. 발전 전압은 보통 3,000∼22,000V인데 3만V를 넘는 것도 만들어졌다.

자극수와 회전속도

( 磁極數－回轉速度)    교류발전기에서는 N과 S의 1쌍의 자극자속(磁極磁束)이 코일을 통과할 때마다 1주기(一周期)의 기전력이 발생한다. 따라서 자극수가 일 때 헤르츠의 교류를 발생시키기 위해서는, 발전기의 회전속도 (매분)은

  

 이 되어야 한다. 이 속도를 동기속도(同期速度)라 한다. 일반적으로, 발전기를 돌리는 원동기(原動機)에는 경제적 속도(經濟的速度)가 있다. 종축수차(縱軸水車)는72∼750rpm, 횡축수차는 200∼1,200rpm, 증기터빈은 1,500∼3,600rpm(rpm은 매분 회전수 revolution per minute)이다. 그에 응해서 자극수는 각각 8∼50, 6∼30, 2∼4로 된다(〔표〕－1).발전기의 회전수를 일정하게 유지하는 것은 매우 중요하다. 부하가 늘면 발전기의 전기자에는 많은 전류가 흐르며 이 때문에 전기자의 둘레에 생기는 자계가 강화됨으로써, 회전 자극의 회전을 둔화키는 힘이 작용한다. 그 결과 회전속도가 바뀌면 교류의 주파수가 바뀌어 버리고 만다. 이것을 막기 위해서 발전소에서는 물이라든가 증기의 유량(流量)을 부하에 따라 즉각 자동제어를 하지 않으면 안 된다.
 

〔표〕-1  교류발전기의 동기 속도
자극수		회  전  수		자극수		회  전  수
p		50Hz	60Hz	p		50Hz	60Hz
2		3,000	3,600	16		375	450
4		1,500	1,800	20		300	360
6		1,000	1,200	24		250	300
8		750	900	32		187.5	225
10		600	720	48		125	150
12		500	600	50		120	144

수차발전기

水車發電機

수력발전소의 발전기(수차발전기)는회전축을 지면에 세우는 종형(縱形)과 수평을 놓는 횡형이 있다. 프랜시스수차·카플란수차 등의 경우는 종형이며, 펠톤수차인 경우는 보통 횡형이다. 발전기의 가격은 횡형쪽이 싸지만 종형은 낙차를 유효히 이용할 수가 있으며 수차의 구조가 간단하게 되어 있어 소요 면적이 적게 든다. 대용량인 발전소에서는 거의 대부분이 종형을 쓰고 있다.

회전속도는 크지 않으므로, 발전기의 길이에 비례해서 직경을 크게 하고, 돌기(突起)된 많은 자극(磁極)을 갖는 철형회전자(凸形回轉子)를 사용하게 된다.

터빈발전기

turbine 發電機

화력발전소의 발전기(터빈발전기)는 매우 고속으로 운전되므로 회전자는 기계적으로 튼튼하게 하고, 관성(慣性)을 적게 하기 위해 가늘고 긴 원통회전자(圓筒回轉子)로 한다. 또 극히 미세한 기계적 편심(偏心)에 의해서도 회전수(고유회전수)에 이상진동(異常振動)이 발생한다. 이 회전수는 규정된 회전수보다 몇 퍼센트 낮은 정도이므로, 정상운전(定常運轉)시에는 문제가 되지 않으나, 시동(始動)·정지시에는 반드시 그 회전수를 통과하므로 세심한 주의를 기울이지 않으면 안된다. 또 송전계통의 사고 등으로 갑자기 회전수가 저하됐을 경우라도, 위험한 회전수가 되지 않도록 보호장치를 마련하고 있다.

터빈발전기에서는 운전중 특히 회전자 코일 가운데의 전류라든가 공기와의 마찰 등에 의해 발열하므로, 항상 기름이나 공기를 순환시켜서 냉각하고 있다. 냉각제(冷却劑)로서 공기 대신에 기체 수소를 쓰게 된 다음부터는, 대용량의 발전기도 만들 수 있게 되었다. 수소는 열을 잘 전하므로 냉각효과가 좋을 뿐만 아니라, 자극의 회전에 따르는 마찰이 적으므로 에너지 손실이라든가 소음이 적다. 특히 최근의 터빈발전기에서는 절연물(絶緣物)을 통하여 코일을 냉각시키는 대신 회전자 코일 내부에 중공부분(中空部分)을 만들어, 수소를 순환시키는 직접냉각법도 채용되고 있다. 또 고정자 코일에도 물 또는 기름 등의 액체나 수소에 의한 직접냉각법이 쓰여져 오고 있다.

그러나 수소 중에 공기가 30% 이상 섞여 들어가면 폭발을 일으킬 위험성이 있으므로, 수소의 누설이나 공기의 침입을 방지하기 위해 특별히 연구하여, 케이스는 모두 내폭구조(耐爆構造)로 하지 않으면 안된다.

송전의 방식

전기에너지의 성질과 송전

電氣 energy－性質－送電

'전기는 문명의 어머니'라고도 일컬어지고 있지만, 이 편리한 전기에도 하나의 부족한 점이 있다. 그것은 교류전기는 저장을 할 수가 없으며, 사용할 양만 그때 그때 발전시켜서 소비지로 보내지 않으면 안된다는 사실이다! 더욱이 전류가 전선을 흐르는 속도는 순간적이라고 말할 수 있으므로, 발전은 소비와 거의 동시에 행하지 않으면 안 된다. 전기는 이 같은 단점을 가지고 있는데도 불구하고 오늘날 사회의 모든 방면에서 쓰이고 있다. 이것은, 비교적 간단한 설비로서 대량적이고도 원거리 어디에나 보낼 수가 있다는 장점이, 저장 불가능이라는 단점을 보완하기 때문이다.

또 수력발전소는 물이 풍부한 산골에서 만들어지며, 화력발전소는 탱커 등이 접안(接岸)할 수 있으며 냉각수가 풍부한 항구 근처에서 만들어지게 된다. 그런데 전기를 사용하는 공장, 빌딩, 가정 등은 주로 도시에 집중되어 있다. 여기에 전기를 먼곳까지 보낼 필요성이 생기게 된다. 그리고, 몇 십만㎾나 되는 막대한 전력을, 몇 백km나 되는 먼곳에까지 효과적으로 보내기 위한 송전(送電) 및 변전(變電)의 기술, 전기를 사용하는 공장이나 빌딩이나 가정 한채 한채에 빠짐없이 안전하게, 필요한 정도의 전기를 배급해 주기 위한 배전의 기술, 그리고 많은 발전소에서 전력을 운반하는 설비를 거쳐서 수요처(需要處)에 이르는 전력계통의 전체를, 필요에 따라서 즉시즉시 조정(調整)하면서 운용해 가는 급전(給電)기술이 필요하게 된다.

전력의 손실

電力－損失

송전선이나 배전선에는 전기저항이 있으므로, 전기에너지의 일부는 송전(送配電) 도중에서 열(줄열)로 변해 버리고 만다. 보통 도체의 경우와 동일하게 송배전선의 전기저항을, 송전 전류로 하면, 거기에서 발생하는 열은 줄에 비례한다(줄의 법칙). 따라서 이 낭비를 적게 하기 위해서는, 저항이 될수록 작게 하는 것이 중요한데, 재료면에서 보아 한계가 있다. 한편 전력은 전압과 전류의 곱(積)에 비례하므로 전압을 크게 하고 전류를 작게 하면, 동일 전력의 낭비를 적게 하고 보낼 수가 있다.

직류방식과 교류방식

直流方式－交流方式

직류발전기로 발전하고, 그대로 송전하는 직류방식은 고전압으로 하기 힘들므로 송전중의 손실이 크다. 교류방식은 변압기를 써서 간단히 전압을 올리고 내릴 수 있는 이점이 있다. 그러므로 직류방식은 1910년경에 거의 모습을 볼 수 없게 되고, 오늘날에는 전세계에 교류방식이 널리 쓰이고 있다. 또 발송전(發送電)에는 삼상교류(三相交流)가 쓰이는데, 삼상교류는 단상교류(單相交流)에 비해서, 같은 굵기의 전선을 사용하면 전선량은 1.5배가 되는데, 송전선중의 선로손실은 절반으로 줄어들고, 동일선로손실(同一線路損失)로 하면 전선 소요량은 4분의 3이 되는 유리한 점이 있다. 삼상교류식에서는 회전자계(回轉磁界)가 쉽게 얻어지는 것도 커다란 장점이다.

발전전압과 송전전압

發電電壓－送電電壓

송전전압을 높이는 효과는, 같은 전력을 보낼 때의 손실이 적어지는 것만은 아니다. 송전선의 저항이 같다면 전력은 전압의 제곱에 비례하므로, 전압을 2배로 하면 4배의 전력을 보낼 수 있다.

더욱이 대용량(大容量)의 화력발전소라든가, 도시에서 멀리 떨어진 원자력발전소가 생기면, 대전력의 수송이 중요한 문제로 된다.

전압을 올리려면 송전선·애자·철탑 등의 재질(材質)이라든가 형상을 바꾸어야 하고, 낙뢰라든가 염해(鹽害)에 의한 사고를 막고, 공기중에의 코로나 방전(放電)에 의한 손실을 막을 기술을 개발하고, 차단기(遮斷器) 및 변압기(變壓器) 등을 개량하여야 한다. 발전기의 전압을 높게 하기 위해서는 이 같은 고전압에서도 철심(鐵心)에 감은 전기자(電機子)의 코일 등의 절연이 깨지지 않도록 할 필요가 있다.

교류의 주파수

交流－周波數 교류의 주파수는 전세계의 여러 나라 중에서 대부분의 나라가 50 또는 60㎐를 채용하고 있으며, 한국은 60㎐를 채용하고 있다.

급전망

송전선

送電線

들과 산을 넘어 길게 연결되고 있는 송전선은, 전기를 보내는 고속도로와 같은 역할을 한다. 따라서, 송전선에는 강풍이나 지변이 일어나더라도 파괴되는 일이 없도록, 철탑과 튼튼한 애자 및 전선들이 쓰인다.

애자

碍子

애자는 고전압의 전기를 절연하여 전선을 철탑에 매달기 위한 절연체로서 쓰인다. 비가 내려서 지면이 습기가 있더라도 전기저항이 그다지 내려가지 않도록 양산 모양으로 만들고, 뒷면에는 많은 주름이 나 있다(〔그림〕－13). 경질(硬質)사기로 만들어져 있으나 무거운 전선을 매달지라도 깨지지 않도록 매우 튼튼하게 되어 있다. 특히 잡아당기는 힘에 대해서는, 1개로 19t 이상, 그 중에는 30t 이상의 무게에 견딜 수 있는 것이 있다.

전선

電線

전선은 전기저항이 작고 견인강도(牽引强度)가 큰 것이 아니면 안 된다. 그래서 굵기 5㎜ 정도의 구리줄을 몇 줄 내지 몇십 줄을 한데 꼬은 '동연선(銅撚線)'이나, 중심부에 강철선을 꼬아넣고 둘레에는 알루미늄선을 쓴 강심(鋼心)알루미늄선을 사용하는 수가 많다(〔그림〕－15). 27.5만V의 초고압 송전선에서는 이 같은 도체를 다시 몇 가닥 다발로 만든 복도체방식(複導體方式)이 취해진다(〔그림〕－14).

이것은 1줄만으로는 송전할 수 있는 전력이 적을 뿐 아니라, 전선 표면에서부터 공중으로 코로나 방전(corona 放電)이 생겨 송전의 손실이 많아지고 그 방전에 따르는 잡음이 송전선 근처의 라디오에 잡음이 들리게 하므로, 이를 방지하기 위해서이다.

가공송전선과 지중송전선

架空送電線－地中送電線

보통 볼 수 있는 가공송전선은, 고전압이 흐르는 전선을 공기 가운데에 늘어뜨려서 공기의 절연성을 이용하고 있다. 그런 점이 매우 간단하고 합리적이지만, 큰 구조물이 되게 마련이므로 가옥들이 밀집한 도시 내에서는 부적합하다. 그래서 전선 둘레를 절연지(絶緣紙)로 몇 겹이나 감고 기름을 먹여서 절연성을 충분히 지니게 하고 이를 땅속에 파묻는 지중송전선이 쓰인다.

지중송전선의 송전전압은 종래는 2만∼15만V이었으나, 최근엔 초고압인 27.5만V로 교외와 도심을 직접 연결하는 초고압(超高壓) 지중송전선을 건설하고 있는 나라가 많다.

변전소

變電所

변전소는, 발전소에서 온 15만4,000V의 전압을 6만6,000V 등의 중간적 전압으로 바꾸기도 하고, 그것을 배전용의 더욱 낮은 전압으로 바꾸거나 하는 이른바 전기의 인터체인지(interchange)이다.

변압기

變壓器    전압을 변화시키기 위한 변압기는, 변전소에서 가장 중요한 기기(機器)의 하나다. 〔그림〕－17처럼 구형상(矩形狀)의 철심 양변(兩邊)에 각각 독립적으로 2개의 코일을 감고, 한쪽 코일(1차코일)에 교류 전류를 보내면, 철심 중에는 이 전류에 비례해 규칙적으로 변화하는 자속이 생긴다. 이 자속은 철심을 통하여 또 한편의 코일(2차코일)도 꿰뚫으므로 전자유도(電磁誘導)의 법칙에 의해 2차코일 가운데에도 이 자속의 변화에 비례한 기전력(起電力)이 발생한다(1회로의 전류가 변화했을 때, 딴 회로에 유도기전력이 생겨 전류가 흐르는 것을 상호유도라 한다).

  이 때 1차코일의 양단에 가하는 전압 과 2차코일 양단에 발생하는 전압 의 비는 각 권수비(捲數比) 와 같다. 즉,

   

 거기에서 2개의 코일 권수비를 적당히 골라내면, 1차코일의 양단에 가한 전압을 임의의 전압으로 바꿀 수 있다.

  단상변압기(單相變壓器)에는 〔그림〕－18과 같은 것이 있다. 코일의 배치는, 자속(磁束)의 누설을 방지하고 절연을 양호하게 하도록 배려돼 있으며, 보통 철심에 접촉되는 쪽에 저압코일을 놓는다. 3상분(三相分)의 변압을 하는 데는 단상변압기를 3개 사용하거나 삼상변압기를 사용한다. 변압기 권선(捲線)의 나가는 선은 부싱(bushing)으로 탱크커버(tank cover)에서 빼내어진다. 고전압인 경우에는 도체(導體) 둘레에 기름을 가득 채워두고, 절연물과 애관(碍管)으로 둘러싼 기름들이 부싱을 쓴다. 또 철심이나 코일에는 다량의 열이 발생하므로 그것을 냉각시킬 필요가 있다. 대용량의 변압기에서는 탱크 내에 기름을 순환케 하되 이를 라디에이터를 지나게 하면서 송풍기로 냉각시키는 송유풍랭(送油風冷)방식 등이 취해진다.

차단기

遮斷器

전력계통의 조작(操作)을 위해서 변압기를 송전선에 연결시키기도 하고 끊기도 하는 스위치의 역할을 하는 것이 차단기이다. 보통 애관(碍管) 속에 스위치가 들어가 있어서, 전류를 끊을 때에는 전극 사이에 기름이나 공기를 주입하는 구조로 되어 있다. 이것은 고전압이 걸려 있을 경우, 스위치가 열려도 전극 사이에는 아크가 발생하고 전류가 계속 흐르므로, 그 아크를 기름이나 공기의 압력으로 강제적으로 끄기 위한 것이다(〔그림〕－19).

보호계전기와 고장점표정기

保護繼電器－故障點標定器

송전선에 벼락이 떨어지면 애자의 표면은 아크로 뒤덮여, 그 고열 때문에 애자가 파손되는 수가 있다. 이런 문제에 대한 대책으로서는 변전소에 송전기가 있어, 낙뢰 때에는 즉각 차단기를 작용시킴으로써, 송전선을 무전압(無電壓)으로 하여 낙뢰점의 아크를 자연히 없애게 하고 차단기를 재차 투입할 수 있도록 돼 있다. 이들 동작은 불과 수십 헤르츠 내에 완전히 자동적으로 행해지므로, 그 동안의 정전이나 주파수의 변동 등은 사람에게는 거의 느껴지지 않는다.

또 낙뢰에 의해 애자가 파손되면, 훗날 송전사고의 원인이 되기도 하므로, 대규모 변전소에서는 뇌격(雷擊)을 받은 장소를 알아보는 고장점표정기(故障點標定器)를 갖춰 놓았다. 고장점표정기는 말하자면 송전선용의 레이더이며 보호계전기가 낙뢰를 검지(檢知)함과 동시에 송전선에 전기펄스(電氣 pulse)를 보내어, 낙뢰지점의 아크로부터의 반사펄스의 전파시간(傳播時間)을 측정함으로써 낙뢰지점까지의 거리를 알게 된다.

변전소에서 이 같은 것들 외에도, 낙뢰로부터 변압기를 지키는 피뢰기(避雷器), 전압·전류의 계측기(計測器) 및 발전소나 급전지령소(急電指令所)와의 통신연락에 쓰이는 마이크로파 통신장치 등이 마련돼 있다.

급전망의 운용

給電網－運用

전력의 유통기구(流通機構), 즉 발전소송전선·변전소·배전선 등으로 구성돼 있는 전력의 생산·수송(輸送)의 기구는 대체로 전력계통(電力系統) 혹은 급전망이라고 불린다.

전력의 소비량은 계절에 따라서도, 또 하루 중의 시간에 의해서도 상당히 변화한다. 가령 공장지대에서는 낮 동안의 전력 사용량이 많은 것과는 대조적으로, 주택지나 상업지역은 초저녁 때부터 밤 사이에 전력 사용량이 훨씬 많다. 전력회사는 이 같은 변동을 잘 간파(看破)함으로써, 시시각각으로 변화하는 필요 전력량을 과부족 없이 공급하지 않으면 안 된다. 더욱이 공급되는 것은 전압이나 주파수가 될 수 있는 한 일정한 전력이 아니어서는 안 된다.

이 같은 전력의 공급을 어디에서 어느 만큼 분담하느냐 하는 부하의 배분(配分)은 커다란 문제이다. 가령 물이 많은 시기에는 수력발전소를 100% 운전하는 편이 경제적이되, 먼곳에 있는 수력발전소로부터의 송전에는 손실도 많다. 반대로 갈수기(渴水期)에는 화력발전소를 될수록 많이 이용함으로써 저수지의 물을 아낄 필요가 있다.

전력회사는 이 어려운 급전망의 운용을 위해 급전 조작(操作)의 중추인 중앙급전지령소라든지 계통급전지령소를 만들고, 각 발전소나 변전소 등의 운전이나 정지(停止), 또는 출력(出力)이나 전압의 조정 등에 관한 지령을 내게 된다.

여기에서는 종래는 전문가들이 오랫동안의 경험과 각종 조건을 참작해서 하루분의 수요커브(需要 curve)를 예상하고, 이튿날의 각 발전소의 가장 경제적인 운전계획을 세웠다. 그리고 예상 외의 변동으로 수요와 공급의 균형이 허물어졌을 때는 그 때마다 각 발전소의 운전 방식을 변동케 하였다.

그러나 최근엔 급전망이 매우 거대화·복잡화하고, 취급하는 전력량도 방대화함으로써 인간의 두뇌에 의한 판단도 한계에 도달하게 되었다. 그래서 각국의 급전지령소의 자동화(自動化)가 급속히 추진되었다. 급전 지령소에는 전력계통의 상태를 보여 주는 급전반(給電盤)이 있으며, 원격측정(텔레미터)에 의하여 보내져 온 주요한 전력계통의 전압이나 주파수 및 발전소나 변전소의 운전상태, 그리고 저수지의 수위 등이 표시된다. 또 멀리 떨어져 있는 발전소·변전소를 직접조작(直接造作)·제어하는 장치도 생겼다. 발전소·변전소 등과 늘 긴밀한 연락을 취할 수 있도록, 송배전선(送配電線)을 사용한 통신장치나 마이크로파(microwave)전화·팩시밀리장치도 쓰인다. 또 일시적으로 부하(負荷)가 변동하여 주파수가 변하기 시작한 경우는, 자동주파수제어장치(自動周波數制御裝置：AFC)가 작용함으로써 주파수 조정용 발전소의 출력을 자동적으로 조정한다.

그리고 최근엔, 이것들을 대형전자계산기와 통신회선(通信回線)으로써 일체로 연결한 즉시처리방식의 정보시스템도 실용화되기 시작했다.

배전

配電

우리들의 가옥 둘레의 전봇대 위에는 일반적으로 배전용(配電用) 변전소로부터 3,300V 또는 6,600V의 삼상교류의 3줄 고압송전선이 매어져 있다.

그리고 여기저기의 전봇대 위에는 주상(柱上) 변압기가 올려져 있어서, 이것을 3상으로부터 단상으로 바꾸고, 전압도 100V로 낮추고 있다. 여기에서부터 전기는 2줄의 인입선(引入線)을 통해서 가옥 속으로 들어오게 된다.

최근엔 단상 3선식 인입선도 나타난 바 있는데, 이런 경우엔 2개의 전압측(電壓側)을 연결하면 220V로 사용할 수 있다(〔그림〕－21).

어느 경우나 전등이나 전열기 등의 부하는 배전선에 대하여 병렬로 접속되며, 부하에 걸리는 전압이 일정하고, 부하의 변동에 따라서 전류가 증감한다.인입선이 들어오는 가옥의 입구에는 적산전력계 (積算電力計)가 있으며, 이어서 차단기(遮斷器)·안전기(安全器)를 거쳐서 각방으로 배선된다. 적산전력계에서는 직경 8cm 정도의 알루미늄 원판(圓板)이, 회로에 걸린 전압과 흐르고 있는 전류에 따라서 회전하며 사용 전력량을 표시하는 구조로 돼 있다. 차단기는 계약량 이상의 전류가 흐르면 전자석 또는 바이메탈이 작동함으로써 자동적으로 회로를 끊는다. 변압기의 과부하(過負荷)를 방지하기 위한 것이다(〔그림〕－22).

안전기 속에는 퓨즈(fuse)가 있는데, 전기기구가 쇼트(short)되든가 일시에 큰 전류가 흐르면 퓨즈가 녹아서 전류가 흐르지 않도록 되어 있다.

전력과 에너지혁명

MHD발전과 직접발전방식

－發電－直接發電方式

화력발전은 석탄이나 석유의 연소열로 수증기를 만들고 그 힘으로 터빈과 직결된 발전기를 돌려서 발전하는 것으로서, 말하자면 열에너지를 간접적으로 전기에너지로 변환시키는 방식이다. 이 때문에 현재 가장 고성능인 화력발전소에서도 열효율은 40% 정도이며, 연료가 지니는 에너지의 절반 이상이 낭비되고 있는 셈이 된다.

이 낭비를 줄이기 위해 열에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 직접발전의 방법이 여러 가지로 연구되고 있는데 그 중 가장 유명한 것이 MHD발전이다.

MHD발전

－發電

이미 말한 것 같이, 발전의 원리로서는 자장 중에서 도체를 움직이면 기전력이 발생한다는 전자유도(電磁誘導)의 법칙이 쓰이고 있다. 도체로서 고체를 사용하면, 발전기는 아무래도 종래의 것처럼 구리줄을 감은 것을 기계적으로 회전시키는 방식으로 된다. 그러나 도전성(導電性)이 있는 물질이라면 기체나 액체를 움직여도 좋을 것이며, 그렇게 하는 편이 구조(構造)도 간단해질 것이다.

도전성이 있는 유체의 전자유도를 연구하는 것이 전자유체역학(電磁流體力學：magnetohydro dynamic＝MHD)이며, 이것을 이용하는 것이 MHD발전이다. 기체는 보통 도전성이 없는 분자의 모임이지만, 수만 ℃라는 초(超)고온으로 만들면 이온과 전자로 갈라진 상태(플라스마)로 되고, 도전성을 가지게 된다. 이 같은 초고온을 실제로 발전에 사용하는 것은 현재로서는 불가능하나, 가령 석유의 연소가스에 칼륨의 증기를 약 1% 가하면 2000∼2800℃ 정도라도 바닷물의 5배 정도의 도전성을 가지게 된다. 이 같은 가스의 연소기로부터 노즐을 통하여 고속으로 분출시켜 자계 속으로 흘려보내면 가스의 흐름과 자계의 양쪽에 직각방향으로 기전력이 발생한다. 따라서 〔그림〕－23과 같은 방법으로 직류전류를 빼낼 수가 있다.

MHD발전의 연구는 현재 세계 각국에서 적극적으로 행하고 있다. 연구는 단시간의 운전으로 큰 출력을 내는 방향과 작은 출력으로 장시간 운전하는 방향으로 나눠서 행하고 있다. 이러한 성과를 서로 연결시켜서 연속대출력(連續大出力)의 발전을 완성시키고자 하는 것이다.

현재 대출력의 것에서는 3분간이지만 2만 ㎾, 장시간의 것에선 1.9 ㎾이지만 110시간의 발전 시험이 성공되고 있다.

MHD발전에 의한 출력은 가스의 도전율(導電率)·유속(流速)·자장의 세기가 커질수록 커지는데, 대출력으로 연속운전할 수 있게 성능을 높이기 위해서는, 아직도 많은 어려움이 있다.

가령 고온을 얻기 위해 공기를 1500℃ 정도까지 예열(豫熱)하는 열교환기(熱交換器)의 개발이 필요하며, 고온에 견디고 또한 쉽게 열화(劣化)하지 않는 전극재료나 절연재료가 요구된다. 이들 재료를 사용한 덕트는, 열효율을 올리기 위해 설비를 대형화시키면, 가령 30만㎾급의 발전기에서는 길이가 15m, 평균단면적이 2㎡ 가까이 될 것으로 짐작되고 있다. 또 전자석으로 소비되는 전력도 꽤 크므로, 극저온(極低溫)에서의 초전도현상(超傳導現象)을 이용한 초전도 마그네트를 사용하고 줄열에 의한 손실을 단번에 영으로 하는 연구도 추진시키고 있다. 초전도 마그네트를 사용하여 강력한 자계를 만들면, 작동(作動)가스의 온도를 2000℃ 이하로 하는 것도 가능하다고 하며, 재료적인 면으로 보면 앞날의 전망이 밝을 듯하다.

현재로서는 MHD발전의 열효율은 종래의 화력발전과 그리 다를 것이 없으리라고 보여진다. 효율을 높이기 위해서는 설비를 대형화함과 동시에 MHD발전기의 배기(排氣, 1200∼2000℃)의 열을 사용해서 증기터빈이나 가스터빈을 움직이게 하는, MHD­화력의 조합에 의한 발전 방식으로 할 필요가 있다. 이 경우, 종합 열효율은 50∼60%가 될 것으로 보여진다.

기타의 직접발전 방식

其他－直接發電方式

열전기발전(熱電氣發電)·열전자발전(熱電子發電)·연료전지·태양전지 등이 있다. 현재는 어느 것이나 용량이 작으며, 단독으로는 열효율도 낮기 때문에 특수한 전원(電源)에 쓰이고 있을 정도이지만 MHD발전이나 화력발전과 조합하면 종합 열효율이 높아질 것이므로 전력용(電力用)으로서 기대가 크다. 열전기발전은, 접합(接合)된 2종의 도체 또는 반도체간에 온도차가 있으면 기전력이 발생한다고 하는 현상(제벡효과)을 이용한 것이다. 열효율은 5∼10%이나 1200℃ 이하에서도 사용할 수 있으며 반도체를 사용한 것은 소형이고 신뢰성이 높다. 열전자발전은, 고온의 음극(에미터)에서 방출되는 전자(電子)를 양극(콜렉터)에서 모으는 것으로서, 1000∼2000℃에서 사용할 수 있다. 열효율은 15∼20%이며, 앞으로는 어느 정도의 대형화도 가능할 것으로 보인다.

연료전지는, 연료를 양극(陽極), 산소를 음극(陰極)으로 하여 전기화학적 산화반응과 환원반응을 하게 함으로써 화학에너지를 직접 전기에너지로 바꾼다. 건설비는 저렴하며 열효율도 50% 정도가 될 것으로 기대된다. 태양전지는 반도체(半導體) 가운데서의 광전(光電)효과에 의해서 태양의 방사에너지를 전기에너지로 변환시키는 것이다.

전력의 효과적 이용

電力－效果的利用

주파수 변환

周波數變煥 Frequency modulation：FM음성의 전기신호와 텔레비전의 영상을 유선이나 무선으로 송·수신하고 경우에 사용되는 변조·반송파의 주파수를 전기신호에 의해서 변화시킨다. 이 변조방식의 특징은 변조한 파의 진폭을 미리 일정하게 하여 송신하므로 도중에서 방해나 잡음이 섞여서 진폭이 변화해도 수신할 때 진폭을 다시 일정하게 조작함으로써 섞인 잡음을 어느 정도 제거할 수가 있다. 또 진폭변조(振幅變調：AM)보다 양질의 통신이 가능하나 변조한 파의 진동수 변화 범위가 넒어지는 결점이 있다. 고충실도(高忠實度：hi-fz)의 음악방송과 텔레비전의 음성부분에 사용되고 있는데 혼신이나 잡음이 적으므로 FM의 사용이 증가하고 있다.

직류송전

直流送電

직류를 거쳐서의 주파수변조 기술을 발전시키면, 직류송전이 가능하게 된다.

교류에서는 전압의 수치(數値)가 시시각각으로 변동하고 실효치(實效値) 50만V로 송전할 경우, 최대전압은 70만V가 되고, 또 송전전압을 점점 높이면 코로나 방전이나 절연 파괴 등이 문제가 된다. 이와는 반대로 직류일 경우는 항상 최대전압으로 송전할 수 있으며, 일반적으로 가공(架空)송전선용 애자나 지중케이블의 절연은 교류 전압보다도 직류전압에 강하다. 따라서 같은 송전선이나 케이블에서는 직류쪽이 교류보다 훨씬 큰 전력을 보낼 수가 있다. 특히 케이블에서는, 직류는 절연물이 갖는 정전용량(靜電容量)을 충전(充電)하는 전류가 흐르지 않고, 절연물 가운데의 손실도 파생치 않으므로 교류보다 유리하게 된다.

다시 또 삼상교류에서는 최저 3줄의 송전선이 필요하지만, 직류에서는 2줄을 갖고도 충분하며, 송전선의 비용이 적게 든다. 더욱이 그 중의 1줄이 고장날지라도 땅을 귀로(歸路)로 하여 송전을 계속할 수가 있다.

또 주파수가 다른 이계통간(異系統間)을 직류송전선으로 연결하면, 전력의 융통을 언제나 할 수가 있다.

단 직류송전에서는 송전에서의 손실이 적은 대신에 교류와의 변환장치가 대형이 되고 복잡하게 되며, 차단이나 변압이 어렵다. 따라서 직류송전은 대전력의 장거리 수송용이나 해저 케이블용, 계통간의 연계용(連繫用)으로 적합하다고 할 수 있다.

이미 영국·프랑스간의 해저 케이블이라든가 떨어진 섬 사이의 송전용으로서 실용화되고 있으며, 미국이나 구소련에서도 장거리 송전선의 건설을 추진하였다.

양수발전

揚水發電

전력의 수요(需要)는, 낮 동안은 많고 심야엔 적다. 한편 전력은 저장을 할 수가 없으므로, 심야에는 발전소를 멈춰놓지 않으면 안 된다. 수력발전소는 기동(起動)과 정지가 매우 쉽지만, 화력발전소는 한번 멈춰서 온도를 내리면, 다시 기동시키기까지 상당한 시간을 필요로 한다. 즉 부하의 급격한 변동에 따라가는 것이 어렵다. 또 화력발전의 열효율을 향상시키기 위해서는 항상 고부하운전(高負荷運轉)을 할 필요가 있다. 원자력발전도 화력발전과 똑같은 성질을 지니고 있다.

그런데 발전 설비 가운데서 화력이나 원자력이 차지하는 비중이 점점 높아져가기만 한다면 결국 그것은 수요의 변동에 대해서 민첩하게 대처할 수 없게 되는 현상을 빚는 일과도 같은 것이라 하겠다.

양수발전소(揚水發電所)는 상부와 하부에 대량의 물을 담수시킬 수 있는 저수지를 갖고 있다. 그리고 심야에도 화력발전소의 운전을 계속함으로써, 남은 전력으로 펌프를 운전해서 대량의 물을 상부 저수지로 끌어올려 저장해 두고, 수요(需要)가 많은 시간에 이 물을 발전에 이용한다(〔그림〕－24). 이 같은 방식을 사용하면 수력발전을 대규모화할 수도 있으며, 킬로와트 당의 건설비가 비교적 싸게 든다.

양수발전소에는 상부저수지에 강에서부터 물이 흘러드는 자류병용식(自流竝用式)과 발전에 사용하는 물을 모두 양수(揚水)하는 순양수식(純陽水式)이 있다.

또 각각 계절양수와 일간양수(日間揚水)의 2형식이 있는데, 일간양수가 대용량이다. 이 밖에 해수양수(海水揚水)발전도 가능하며, 조력발전소(潮力發電所)도 양수발전으로 이용할 수가 있다.

양수발전소의 기계형식(機械形式)에는 3종류가 있다. 가장 많이 쓰이는 것은 가역형(可逆形)으로서, 발전기의 전기자(電機子)에 전류를 보내면 전동기화(電動機化)하고, 수차를 역회전시키면 펌프가 되는 것을 이용해서 발전기와 전동기·수차와 펌프를 공용(共用)으로 한 것(이것을 발전전동기：수거펌프라 한다)으로서, 건설비는 가장 적게 들며, 양수·발전의 절환(切換)도 신속히 할 수 있다. 탄뎀(tandem)형은 가역형이 채용할 수 없는 고낙차(高落差)용에 사용되며, 펌프·수차의 어느 편이든 불필요한 것은 공전(空轉)케 하든지, 조인트(joint)를 써서 따로 떼어 놓는다.

새로운 발전자원의 이용

(發電資源－利用)    수력이나 화력·원자력 외에도 우리들 주위에는 한층 더 간단한 발전자원(發電資源)이 있다. 그와 같은 것들을 이용하기 위해서 현재도 여러 가지 연구와 개발이 진행되고 있다.

 

〔표〕-2  전원 설비의 공급력별 구성
	베이스공급력	중간공급력	피크공급력
수  력	유입식	조정지(調整池)식	저수지식 양수식
화  력	고능률 대용량형 원자력	중능률 중용량(中容量)형	저능률 소(小)용량형 가스터빈

조력발전

潮力發電

조수의 간만을 이용한 조력발전은, 프랑스에서는 옛날부터 왕성히 연구되어 왔지만, 최근 영국·프랑스 사이의 이른바 영국해협의 랑스강 입구에 출력 24만㎾의 조력발전소가 완성되었다. 영국해협은 유럽에서도 조석차(潮汐差)가 가장 크며, 랑스강 입구에선 대조(大潮)시는 13.5m, 평균 10.9m에 달한다. 이 발전소는 랑스강 입구에서 상류 약 4km의 2개의 곶(岬) 사이 750m를 단단히 막아 인공호(人工湖)를 만들고, 호수면이 높을 때는 호수에서 바다로 물을 흘려보냄으로써 발전하고 해수면이 높을 때는 호수로 물을 유입시키면서 발전한다. 댐(둑) 가운데에는 24대의 수차발전기(1대가 1만㎾)가 가설되어 있다.

저낙차용의 횡축원통형(橫軸圓筒形) 수차를 사용하고, 이것과직결시킨 발전기를 수로(水路) 가운데에 있는 용기(容器) 안에 넣어 놓았다(〔그림〕－25). 이 발전소의 성공에 의하여, 프랑스에서는 더욱더 큰 이같은 발전소의 건설을 계획하고 있다.

지열발전

地熱發電

지열은 자연이 갖는 유력한 열원(熱源)의 하나이다. 지하에 있는 고온의 열수(熱水)나 천연증기 가운데 파이프를 꽂아 분출케 해서 증기를 물과 분리시키고, 이 열로 터빈을 돌리고 발전기를 돌린다. 이탈리아나 뉴질랜드 등에서 일찍부터 연구되어 실용화되고 있다.

지열발전은 댐도 필요치 않고 연료도 불필요하며, 화산국(火山國)에서는 굉장히 유리한 방식이지만, 풍부한 증기가 계속적으로 공급되지 않으면 안 되고, 또 불순물을 처리하는 설비가 필요하고, 증기 온도가 낮은 경우는 커다란 복수기(復水器)나 다량의 냉각수로 온도차를 만들어내지 않으면 안 된다.

기타 발전자원의 이용

其他發電資源－利用

땅위로 내리쬐는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 데는, 현재로선 반도체를 사용한 태양전지가 쓰이고 있다. 그러나 변환의 효율은 수퍼센트이며, 출력도 수백 와트 정도의 크기에 불과하다. 태양열을 반사경으로 1점에 모아서 고온을 얻는 방법(태양로)도 가능하게 되기는 했으나, 몇 만㎾라는 대전력을 얻기 위해서는 거대한 반사경(反射鏡)이 필요하며, 더욱이 맑은 날의 낮 동안밖에 사용할 수 없다고 하는 결점이 있으므로 실용화는 어렵다.

바닷물 중에 무진장으로 있는 중수(重水)를 사용하는 핵융합발전(核融合發電)은 원자력발전 다음가는 발전 방식으로서 각국에서는 열심히 연구하고 있다. 그러나 고온의 핵융합 반응을 용기(容器)에 넣어 가둬 두면서 제어(制御)하는 방법에 대해선, 아직 충분한 예측이 돼 있지 않다. 이 밖에 외딴섬이나 바람이 강한 지방에서 행해지는 풍력발전(風力發電)이나 파랑(波浪)의 에너지를 이용하는 파랑발전 등도 있지만, 어느 것이나 소규모의 것에 불과하다.