서영대학교전기전자과

발전소는 어떻게 전기를 생산할까?

여러분들은 발전소에서 어떤 일들이 일어난다고 생각하시나요? 발전소에서 전기가 생산된다는 것은 대부분 사람이 알고 있지만, 그 방법에 대해서는 정확하게 알고 있기 어려운 것이 사실입니다. 간단하게 발전소는 거대한 발전기라고 이야기할 수 있는데요. 이번에는 발전기의 정의부터 시작해서 발전기의 원리와 종류, 그리고 한국전력의 발전소에서 주로 채용하는 발전기에 대해서 알아보겠습니다.

발전기란?

발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기기입니다. 쉽게 이야기하면 에너지를 가하였을 때 발생하는 동력을 통해서 전기를 생산하는 기능을 가진 장치라고 할 수 있습니다. 그렇다면 발전소에서 전기는 어떤 과정을 거쳐 만들어질까요? 발전소에서는 먼저 석탄, 석유, 천연가스, 원자력 등 다양한 에너지원으로부터 에너지를 얻습니다. 그 에너지는 동력을 발생시키는 기계인 원동기를 작동하게 하는데요. 원동기의 작동, 곧 기계적 에너지가 발전기를 움직이게 하여 전기를 만들게 되는 것입니다.

발전기의 원리

그렇다면 발전기는 어떠한 원리로 전기를 생산하는 것일까요? 전기와 자기 그리고 물리적인 힘은 서로 관계를 맺고 있습니다. 만약 앞의 3가지 중에서 2가지만 있다고 설정해도 반드시 나머지 1개가 무조건 존재할 수밖에 없는 것입니다. 발전기는 그 3가지인 물리적인 힘에 의한 운동 방향, 자기장의 방향, 전압의 관계에 대해 정의하는 플레밍의 오른손 법칙에 따라서 발생 전압의 방향이 결정됩니다. 그리고 전기 자기학 하면 빼놓을 수 없는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라서 유기되는 전압의 크기가 정해집니다. 정리하면 플레밍의 오른손 법칙에 따라 전압의 방향이, 전자기 유도 법칙에 따라서 전압의 크기가 정해지고 그것으로 발전기는 구동이 됩니다.

                                                  플레밍의 오른손 법칙 ⓒ임인섭

발전기의 종류

발전기는 나누는 기준에 의해서 종류를 다양하게 구분할 수 있는데요. 출력되는 전기의 성분, 발전기의 회전 원리, 원동기의 종류 등이 그 기준에 해당합니다. 기본적으로는 출력되는 전기가 직류 성분인지 교류 성분인지에 따라 직류 발전기, 교류 발전기로 분류합니다. 여기서 발전기의 회전 원리를 기준으로 한다면 직류 발전기, 유도 발전기, 동기 발전기로 나눌 수 있습니다. 그리고 원동기의 종류가 기준이 되면 수차 발전기, 터빈 발전기, 엔진 발전기 등으로 구분하게 됩니다.

직류 발전기 vs 교류 발전기

기계적인 운동으로 얻게 되는 전압은 기본적으로 교류의 형태를 가지고 있습니다. 따라서 직류 발전기를 사용하기 위해서는 교류를 직류로 바꿔주는 정류자와 전류의 역류를 막아주는 컷아웃 릴레이라는 장치가 추가로 필요합니다. 따라서 원하는 출력에 비례해 크기와 중량이 커지게 됩니다. 또한, 직류 발전기는 기계가 회전하지 않는다면 전기를 생산하는 것이 어렵고 회전 가능한 속도의 범위가 어느 정도 정해져 있다는 특징이 있습니다. 다음으로 교류 발전기는 기본적으로 발생 전압이 높고 만들어지는 교류 형태의 전기를 그대로 사용하기 때문에 정류 장치 없이 기기의 크기를 작게 하는 것이 가능합니다. 또한, 공회전 시에도 전기 생산이 가능하고 회전 가능한 속도를 넓은 범위로 조정할 수 있다는 장점이 있습니다.

직류 발전기 vs 동기 발전기 vs 유도 발전기

직류 발전기는 기계 회전을 위한 직류 전원이 사용되는 곳인 용접기나 축전기 충전의 용도로 쓰입니다. 동기 발전기는 어느 정도의 정해진 속도로 운전하여 일정한 주파수와 교류 전압을 발생시키고 발전효율이 높다는 특성이 있습니다. 하지만 구조가 복잡하고 비싸다는 단점 또한 있습니다. 유도 발전기는 전류 공급이 없으면 발전할 수 없고 효율도 나쁘므로 전기 생산의 용도로 잘 사용되지 않는데요. 하지만 구조가 간단해서 저렴하고 어느 속도 이하로 떨어지는 것을 방지하는 장점이 있어 작은 규모의 수력 발전기나 풍력 발전기로 사용되고 있습니다.

한국전력에서 채용하는 발전기는?

앞서 다양한 기준을 통해 분류한 여러 가지 발전기들을 알아보았는데요. 이들은 각각 장단점을 가지고 있으므로 적절하게 사용할 수 있는 곳이 정해져 있습니다. 발전소 규모로 보면 우리나라는 에너지 총생산량 중 화력 발전의 비율이 가장 높습니다. 화력 발전소에서는 우리나라 가정에서 사용하는 대규모의 전기를 생산해야 하므로 안정적이고 큰 출력을 발생시킬 수 있어야 합니다. 그래서 발전소에서는 정해진 속도로 회전하여 일정 주파수, 교류 전압을 만들어내는 교류 발전기인 동기 발전기를 채택합니다. 또한, 발전기가 고속으로 운전되기 때문에 원동기는 기계적으로 튼튼한 터빈을 사용하게 됩니다. 따라서 발전소에서 쓰이는 발전기는 동기 발전기이면서 터빈 발전기여야 합니다. 이러한 모든 특성이 포함된 것이 바로 교류 동기 발전기이고 한국전력의 발전소에서 발전기로 사용하고 있습니다.

마무리

이번에는 발전소에서 전기를 생산하는 기초가 되는 발전기에 대해서 알아보는 시간을 가졌는데요. 발전기는 플레밍의 오른손 법칙과 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라서 구동이 되었습니다. 또한, 기준에 따라서 여러 종류의 발전기가 있고 각각의 장단점이 있으므로 적용되는 곳이 다양했습니다. 그중 한국전력의 발전소에서는 대부분 교류 동기 발전기를 사용하는 것을 알 수 있었습니다. 발전기가 어떤 것이고 어떻게 전기를 만들어내는지 이해하는 데 도움이 되셨나요?

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