수차(水車, waterwheel) 란?
수차는 물의 위치에너지를 회전 운동의 에너지로 변환시키는 기계입니다. 17세기 말경 증기동력에 밀려났으나, 19세기 중엽에 새로운 설계와 기술로 터빈이라는 이름으로 다시 등장했습니다.
수차는 물레방아나 맷돌 등에 쓰인 동력장치입니다. 풍차와 더불어 증기기관이 발명되기 이전에 있었던 가장 중요한 동력장치였습니다.
수차의 종류로는 프란시스 수차, 카플란 수차 등이 있습니다. 댐 등 대규모 수력발전 때 펠턴 수차와 함께 프란시스 수차가 많이 사용됩니다.
수차의 종류
물의 작용에 따른 구분
수차는 물의 작용에 따라 중력수차, 충동수차, 반동수차의 3종으로 구별할 수 있습니다.
수차의 종류
중력수차, 충동수차, 반동수차, 펠톤 수차, 튜고 수차, 오스버그 수차, 프란시스 수차, 프로펠러 수차, 카플란 수차, 튜브라 수차, 벌브 수차, 림 수차.
수차는 낙차에 따라 달라집니다.
수력발전소에 사용되는 수차의 종류
- 프란시스 수차: 넓은 범위의 낙차 및 유량, 대형수차
- 프로펠러 수차: 저낙차 대유량, 유량 변화가 적은 수로댐에 설치
- 펠턴 수차: 고낙차 저유량, 정밀한 유량조절 필요
- 상쾌, 하쾌 수차: 저낙차 저유량
수차발전기 원리
수차발전기는 물로 수차를 돌려 동력을 만들고, 그 동력으로 발전기 터빈을 돌려 전력을 생산하는 발전기입니다. 수차발전은 장치의 아랫부분에 설치된 수조에 저장된 물을 고압펌프로 뽑아 올리는 것으로 시작됩니다.
수차발전기는 낙차가 있거나 일정한 흐름이 있는 하천, 폭포, 폐수처리장, 하수도, 정수장, 해양 조류 등에서 이물질이나 어류가 혼합된 상태로 유입되어도 손상되지 않습니다.
수차발전기의 전력생산량은 시간당 무려 1,000KWh입니다.
수차 터빈
수차 터빈은 물이 갖는 속도에너지를 이용하여 회전차를 충격시켜서 회전력을 얻는 터빈입니다. 수차 터빈의 종류로는 충동수차, 스크롤 수차 터빈, 펠톤 수차 등이 있습니다.
충동수차는 물이 갖는 속도에너지를 이용하여 회전차를 충격시켜서 회전력을 얻는 수차입니다.
스크롤 수차 터빈은 2개의 스크롤 형상의 부품을 수력에 의해 상대적으로 운동시켜 회전력을 얻는 터빈입니다.
펠톤 수차는 충동수차와 반동수차의 특성을 모두 가지고 있는 수차입니다. 펠톤 수차는 수력 발전소에서 자주 사용되며, 일반적으로 수두가 200미터 이상인 현장에 사용됩니다.
수차의 장단점
수차의 장점
- 출력 변화에 대한 효율 저하가 적어서 부하 변동에 유리합니다.
- 노즐 수를 늘렸을 경우에는 그 사용 개수를 조절해 가면서 고효율 운전을 할 수 있습니다.
- 카플란 수차는 비 속도를 높게 할 수 있으므로 수차 발전기를 조용할 수 있습니다.
- 날개를 따로 떼어낼 수 있어서 유지보수가 편리합니다.
- 날개와 날개 간격이 넓어서 유입되는 불순물에 의한 장애가 없습니다.
- 프랜시스수차는 광범위한 비속도에 적용할 수 있어 널리 보급되어 있습니다.
- 프랜시스수차는 날개수레와 방수면과의 사이의 낙차(흡출높이)를 수차에 유효하게 이용하고 있습니다.
- 프랜시스수차는 흡출관이 끝이 넓게 만들어져 있어, 날개에서 나온 물이 하류로 흐르기 쉽게 하고, 흐름에 대한 저항을 적게 함으로써 물의 흡출효과를 크게 하고 있습니다.
수차의 단점
수차는 물의 역학적 에너지를 축의 회전 운동 에너지로 전환시키는 기계로, 단점은 다음과 같습니다.
- 건설에 큰 비용이 소요됩니다.
- 발전소를 지을 수 있는 장소가 한정되어 있습니다.
- 댐을 건설하면서 수몰 지구가 발생합니다.
- 산란을 위해 상류로 거슬러 올라가는 어류들을 막아, 산란을 억제하기 때문에 생태계를 파괴한다는 의견이 있습니다.
- 커지면 유입되는 관이 커지게 됩니다.
- 인라인 수차의 경우 몸통 내부에 발전기를 설치해야 하는 경우가 있기 때문에 허브와 같이 복잡한 기계장치들이 몸통 내부에 포함이 되어야 합니다.
- 유량의 변화에 따라 날개깃의 각도를 변화시킬 수 있도록 개량한 카플란(Kaplan)수차가 있습니다.
수차의 효율
일반적인 수차의 효율은 92%, 발전기의 효율은 96.5% 수준입니다.
수차의 효율을 측정하는 시스템과 방법도 있습니다. 이 시스템은 유량측정 기법과 효율계산을 위한 알고리즘을 내장하여 독립적으로 수력터빈 효율을 측정합니다. 또한, 수차 가이드베인, 러너블레이드의 개도각 효율을 최적화할 수도 있습니다.
마무리
오늘은 수차(水車, waterwheel) 의 종류, 수차발전기 원리 및 수차 장단점에 대해 알아보았습니다.
수차 발전은 지속 가능한 발전과 청정 에너지 공급을 위한 중요한 방법 중 하나로 인식되고 있습니다. 특히, 저수지를 활용한 대규모 수력 발전은 안정적인 전력 공급원으로서의 역할을 하고 있으며, 소수력 발전은 지역 사회의 에너지 자립과 경제 발전에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
해양 에너지 등의 새로운 형태의 수차 발전은 아직 초기 단계이지만 미래의 재생 가능 에너지원으로서 큰 기대를 모으고 있습니다.
그러나 수차 발전이 환경과 생태계에 미치는 부정적인 영향, 예를 들어 수생태계의 변화, 어류 이동 경로의 차단, 메탄 배출 증가 등은 심각한 문제로 지적되고 있습니다.