발전이 무엇인가요?

발전은 여러 유형의 기술을 사용한 전력 생산을 설명할 때 사용하는 용어입니다. 예를 들어 스팀 보일러는 100년도 넘었지만 풍력 터빈은 더 최근에 나온 기술입니다. 사실 스팀 보일러와 풍차는 매우 오래되었습니다. 처음에는 기계를 움직이고 곡물을 분쇄하기 위해 발명되었고 여전히 사용되지만, 지금은 대부분 전기를 생산하는 데 쓰입니다.

대부분의 발전 장비는 교류기의 기계 장치를 회전시켜서 전기를 생산합니다. 기계 장치의 회전 방식은 어떤 기술을 사용하는지에 따라 결정됩니다.

전기가 어떻게 생산되나요?

발전소와 발전기에서 많은 전력을 생산합니다. 회전 운동이 교류기로 전달되고, 교류기가 그 운동을 전기로 변환하다고 말했습니다. 그렇다면 그 과정이 정확히 어떻게 일어날까요?

교류기는 전기 모터와 비슷합니다. 전기 모터는 전기를 사용해 회전자를 회전시킵니다. 교류기는 그 반대입니다. 전기를 사용해 운동을 발생시키는 대신에, 운동을 사용해 전기를 생산합니다. 사실 많은 모터가 임시 교류기로 기능할 수 있습니다.

교류기는 두 부분으로 구성되는 데 하나는 고정자이고 다른 하나는 회전자입니다. 회전자는 교류기 내부에서 회전해 자기장을 생성하도록 설계됩니다. 고정자는 기본적으로 가운데 구멍이난 철심 주위로 많은 구리 전선이 감긴 권선의 형태를 갖습니다. 고정자 내부에서 회전자가 돌아가면 자기장도 회전하고, 그 회전이 고정자의 권선 내부에서 전류가 생성됩니다. 그러한 전류를 모아서 송전망으로 보냅니다.

발전기는 어떻게 작동하나요?

발전기는 왕복 엔진과 교류기 주위에 설치된 일종의 작은 일체형 발전소입니다. 엔진과 교류기가 일반적으로 하나의 엔클로저에 결합되어 있고, 얼마나 많은 전기가 필요한지에 따라 트랙터 트레일러 또는 여행가방 정도의 크기를 갖습니다. 발전기 엔진에 사용할 수 있는 연료는 디젤, 가솔린, 바이오연료, 천연가스 등 다양합니다.

더 큰 발전기는 다양한 사용 분야 및 산업에서 사용됩니다. 상용 전력 또는 대기 전력으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 믿을 수 있는 송전망이 없는 지역에 배치된 군사 기지는 종종 모든 전력 수요를 기지 내에 설치된 발전기에 의존합니다. 항상 전력이 공급되어야 하는 건물에서는 대기 발전기를 설치해 정전에 대비합니다. 대기 전력이 필요한 건물을 예로 들자면 데이터 센터와 병원이 있습니다.

발전소의 유형

발전소에 사용되는 기술은 왕복 엔진(다른 말로 내부 연소 엔진), 스팀 터빈, 가스 터빈, 수력발전 터빈, 풍력 터빈, 지열, 원자력 등 다양합니다.

수력 발전소와 풍력 발전소가 무엇인가요?

수력 발전소와 풍력 발전소는 기술적으로 비슷합니다. 연료 없이 바람과 물의 흐름을 사용해 전기를 생산하기 때문입니다.

또한 둘 모두 외부의 회전 터빈 날개를 사용해 교류기의 회전축에 토크를 가합니다. 예를 들어 후버댐에는 댐을 통과해 흘러내리는 물의 전위 에너지를 사용해 대량의 전기를 생산하는 잘 알려진 수력 발전소가 있습니다.

풍력 터빈의 경우, 각 타워에 터빈 날개와 교류기가 설치되어 있고 바람의 에너지를 전기로 변환합니다.

태양광 발전소가 무엇인가요?

태양광 전기는 태양광을 사용해 실리콘 셀을 활성화하는 광전지판에서 생성됩니다. 태양의 광자가 실리콘 셀에 부딪히면 실리콘 내부의 원자에서 전자가 분리됩니다. 실리콘 셀은 전자가 한 방향으로만 이동할 수 있게 설계되어 있습니다. 따라서 실리콘 셀의 전자 수집기를 전기 부하에 연결하면, 전자가 셀에서 전기 부하로 이동하게 됩니다. 다시 말해서 전류가 생성됩니다.

태양광 에너지 기술은 스팀 터빈을 갖춘 집광형 태양광 발전소로 확장되었습니다. 일부의 경우 타워 주위로 거울이 배치되어 반사광이 타워 상단의 수신부로 향합니다. 돋보기를 사용해 태양광을 집중시켜 불을 피우는 것과 비슷합니다. 타워 상단에 설치된 스팀 보일러에서 고온의 증기가 배관을 따라 지상의 스팀 터빈으로 흘러갑니다.

지열 발전소가 무엇인가요?

지열 발전소는 파이프를 지하 깊이 내려보내 마그마 근처에서 발산되는 열로 물을 가열하는 방식을 사용합니다. 물이 증기로 변하고 스팀 터빈과 교류기가 그 증기를 사용해 전기를 생산합니다. 지열 활동에 의해 물이 증기로 변하는 한 예로 미국 와이오밍의 옐로스톤 국립공원의 많은 고온 온천을 들 수 있습니다.

가스 화력 발전소가 무엇인가요?

가스 터빈을 사용하는 가스 화력 발전소는 다음과 같은 공정을 이용합니다.

1. 공기가 압축기로 공급되고 압축됩니다.
2. 압축 공기가 연소기로 보내지고, 그곳에서 연료와 혼합되어 공기-연료 혼합기가 연소됩니다.
3. 연소로 인해 발생되는 고압 가스가 터빈 날개를 회전시킵니다.
4. 왕복 엔진을 사용하는 것과 마찬가지로, 회전 운동이 교류기로 전달되어 전기로 변환됩니다.

제트 엔진도 매우 비슷한 방법으로 작동하지만, 차이점은 토크가 팬 날개를 돌리고 제트를 추진시킨다는 것입니다.

디젤 화력 발전소가 무엇인가요?

디젤 화력 발전소는 다른 발전소와 비교해 발전 용량이 상대적으로더 작습니다. 이러한 발전소는 종종 왕복 엔진을 사용해 전기를 생산합니다. 이러한 왕복 엔진은 자동차 엔진과 같습니다.

• 공기와 연료가 압축기로 주입됩니다.
• 공기와 연료 혼합물이 연소되면서 피스톤이 왕복 운동을 합니다.
• 피스톤이 크랭크샤프트와 연결되어 있어 회전 운동을 일으킵니다.
• 회전 운동이 교류기로 전달되어 그곳에서 운동이 전류로 변환됩니다.

왕복 엔진을 사용하는 발전소는 실제로 천연가스, 중유 등 다양한 연료를 연소시킵니다.

석탄 화력 발전소가 무엇인가요?

석탄 화력 발전소에서는 다음과 같은 공정이 진행됩니다.
 

• 보일러에서 연료를 태워 물을 가열합니다.
• 보일러에서 가열된 물이 증기로 변합니다.
• 증기가 스팀 터빈의 날개를 회전시킵니다.
• 이러한 회전 운동이 교류기로 전달되고, 그곳에서 전기가 생산됩니다.

원자력 발전소도 이와 동일한 공정을 사용하지만, 연료를 태우지 않고 우라늄 원자의 분열에서 발생하는 열로 물을 가열한다는 차이점이 있습니다.

원자력 발전소가 어떻게 작동하나요?

원자력 발전소는 스팀 터빈과 공정이 같지만, 연료를 태우지 않고 우라늄 원자의 분열에서 발생하는 열로 물을 가열한다는 차이점이 있습니다.

원자력 발전소는 핵분열이 일어나는 반응로가 하나 또는 여러 개가 있습니다. 큰 우라늄 원자가 쪼개져 더 작은 원자를 형성하고, 이 과정에서 엄청난 에너지가 발생됩니다. 우라늄은 연료봉이라고 부르는 밀폐된 금속 튜브에 적재된 산화우라늄 펠렛 형태로 반응로에 공급됩니다. 물로 채워진 가압 상태의 원자로에 연료봉이 삽입됩니다. 핵분열이 시작되면 연료봉이 원자로의 물을 가열해서 증기를 생성합니다. 이 증기가 스팀 터빈과 교류기 세트를 회전시켜 전기를 생산합니다.

공정의 어떤 부분에서도 화석 연료가 사용되지 않기 때문에, 원자력 발전소는 탄소 배출을 일으키지 않습니다. 하지만 고방사성 폐연료봉이 발생되는데 사실상 누구도 이것을 어떻게 처리해야 할지 모릅니다.

2021년을 기준으로 미국에만 57개의 원자력 발전소에 94개의 원자로가 있고, 전 세계적으로 약 450개의 원자로가 있습니다.

복합 화력 발전소

스팀 터빈과 가스 터빈을 결합하면 가스 터빈에서 나오는 폐열을 사용해 증기를 만드는 "복합 화력" 발전소를 만들 수 있습니다. 가스 터빈의 배출열이 추가 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 바로 이러한 이유로 복합 화력 발전소는 단순 화력 발전소보다 효율과 용량이 더 높습니다.

발전 기술별 이점

각 유형의 발전소와 발전 기술은 장단점이 있습니다.

원자력 발전소는 적은 연료로 많은 전기를 생산하고 배출이 거의 없지만, 원자력 폐기물이 아직 해결되지 않은 중대한 문제입니다.

가스 터빈 발전소는 대부분의 스팀 터빈 발전소보다 배출량이 더 적고 효율성이 더 높지만 유지 비용이 더 비쌉니다. 또한 천연 가스로 운용하는 것이 최상이지만 어디서나 이용할 수 있는 것은 아닙니다.

왕복 엔진은 유연성이 뛰어납니다. 빠르게 가동하고 중지할 수 있으며, 다양한 연료를 사용할 수 있고 효율성이 높고 제작비와 유지비가 상대적으로 낮습니다.

풍력과 태양광 발전소는 직접적인 배출을 일으키지 않고 연료가 필요 없지만, 출력이 가변적이고 예측이 불가능합니다. 바람이 불지 않는 날에는 풍력 발전소가 많은 전기를 생산하지 못합니다.

미래 세대를 위한 청정 발전 기술과 배출 저감에 대한 전 세계 요구가 늘어남에 따라, 청정 재생 에너지로의 이동이 계속 성장하고 있습니다. 많은 풍력 및 태양광 발전소가 전력망에 연결됨에 따라, 풍력과 태양광 발전의 변동성을 보상하기 위해 신속하게 가동하고 중지할 수 있는 유연한 발전소를 충분히 준비하는 것이 중요합니다. 가스 터빈과 왕복 엔진은 이러한 목적에 적합하고 전력 회사에서 많이 사용하는 옵션입니다.

발전을 위한 에너지원

모든 발전 시스템과 발전소는 한 형태 또는 또 다른 형태로 이용 가능한 에너지를 전기로 변환합니다.

태양광과 풍력 발전소는 자연에 존재하는 에너지, 즉 햇빛과 바람을 전기로 변환시킵니다. 이와 비슷하게, 수력 발전소는 댐에 가둔 물의 전위 에너지 또는 강물의 운동 에너지를 이용해 전기를 생산합니다. 바람, 햇빛, 물의 에너지는 재생 에너지로 간주됩니다. 왜냐하면 그 공급원이 지속적으로 보충되기 때문입니다. 다만 그 가용성은 기상 조건에 따라 결정됩니다.

기타 발전 기술은 에너지원으로 연료를 필요로 합니다. 태울 수 있는 것들을 연료로 사용해 전기를 생산할 수 있습니다. 생활쓰레기, 폐타이어, 하수도 가스, 옥수수 껍질, 산업 폐기물 등을 사용하는 발전소도 있습니다. 다시 말해서 대부분의 비재생 에너지 발전은 석탄, 천연 가스, 디젤 같은 오일 증류물을 포함하는 화석 연료를 사용합니다.

바이오 연료는 탄소 중립이기 때문에 점점 더 중요한 연료가 되고 있습니다. 다시 말해서 바이오 연료를 태울 때 발생되는 탄소는 화석 연료에서 나오지 않습니다. 바이오 연료는 에너지 작물, 농업 부산물 또는 폐식용유 같은 유기 물질에서 만들어집니다. 바이오 연료는 고체, 액체, 기체 형태가 있고 발전 분야에서 다양하게 사용됩니다. 예를 들어 바이오 디젤은 널리 사용되는 액체 바이오 연료입니다.