수력 발전

Hydropower
이 기사는 수력발전의 일반적인 개념에 관한 것이다.수력발전을 위한 수력발전은 수력발전을 참조한다.
중국의 삼협댐; 수력 발전 댐은 설비가 있는 세계 최대의 발전소입니다.
시리즈의 일부
재생 에너지
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Hydropower (from Greek: ὕδωρ, "water"), also known as water power, is the use of falling or fast-running water to produce electricity or to power machines.이것은 수원의 중력 퍼텐셜이나 운동 에너지를 발전시키기 [1]위해 변환함으로써 달성된다.수력발전은 지속가능한 에너지 생산의 한 방법이다.

예로부터, 물레방아에서 나오는 수력은 관개 및 제분소, 제재소, 방직소, 트립 망치, 도크 크레인, 가정용 승강기, 그리고 제석소와 같은 기계 장치의 작동을 위한 재생 에너지원으로 사용되어 왔다.낙수로부터 압축 공기를 생성하는 트롬프는 때때로 [2][1]멀리 떨어진 다른 기계에 동력을 공급하기 위해 사용됩니다.

수력발전은 현재 주로 수력발전을 위해 사용되며, 양수식 수력전기로 알려진 에너지 저장 시스템의 절반으로도 사용됩니다.

수력은 이산화탄소나 다른 대기 오염 물질을 직접적으로 생산하지 않고 비교적 일관된 동력원을 제공하기 때문에 화석 연료에 대한 매력적인 대안이다.그럼에도 불구하고, 그것은 경제적, 사회학적, 환경적 단점을 가지고 있고 강이나 높은 호수 [3]같은 충분히 에너지 있는 수원을 필요로 한다.세계은행 등 국제기구들은 수력발전을 [4]저탄소 경제개발 수단으로 보고 있다.

역사

왕젠(王hen, 1290년 ~ 1333년)의 농수(農水) 피스톤
미국 세인트 앤서니 폴스; 수력발전은 이곳에서 밀가루를 제분하는 데 사용되었다.
직접 수력 광석 공장, 19세기 말

수력발전의 기초는 고대 그리스 [5]문명으로 거슬러 올라간다는 증거가 있다.다른 증거들은 물레방아들이 같은 [5]시기에 중국에서 독립적으로 나타났다는 것을 보여준다.물레방아와 물레방아에 대한 증거는 기원전 [6]: 14 4세기 고대 근동까지 거슬러 올라간다.게다가, 수메르와 [7]바빌로니아와 같은 고대 문명에 관개 기계를 이용한 수력 발전의 사용을 보여주는 증거가 있다.연구에 따르면 물레방아는 수력의 초기 형태였고 사람이나 [7]동물에 의해 움직였다고 한다.

로마 제국에서는 기원전 [8]1세기에 비트루비우스에 의해 수력 제분소가 묘사되었다.현대 프랑스에 위치한 바베갈 공장은 [2]하루에 최대 28톤의 곡물을 처리하는 16개의 물레방아를 가지고 있었다.로마의 물레방아는 또한 서기 [9]3세기 후반의 히에라폴리스 제재소와 같은 대리석을 톱질하는 데 사용되었다.이러한 제재소에는 두 개의 톱을 작동시키기 위해 두 개의 크랭크와 연결봉을 구동하는 물레방아가 있었다.또한 에페수스와 게라사에서 각각 발굴된 6세기 동로마 제재소에도 나타난다.이 로마 물레방아들의 크랭크와 커넥팅 로드 메커니즘은 물레방아 회전 운동을 [10]톱날들의 선형 운동으로 변화시켰다.

중국의 수력으로 움직이는 해머와 풀무는 한 왕조(기원전 202년 - 서기 220년) 동안 처음에는 [6]: 26–30 물받이로 움직이는 것으로 생각되었다.하지만, 몇몇 역사학자들은 그것들이 물레방아에 의해 움직였다고 제안했다.이는 워터 스쿠프가 고로 [11]풀무질을 작동시킬 동력이 없을 것이라는 이론이 제기되었기 때문입니다.훈의 물레방아에 대한 많은 설명들이 있다; 최초의 것들 중 일부는 기원전 40년의 지압어 사전, 기원전 15년의 팡옌으로 알려진 양웅의 본문, 그리고 서기 [12]20년에 환탄에 의해 쓰여진 신룬이다.엔지니어 두시(Du Shi, AD 31년)가 [12]주철을 단조할 때 피스톤 펠로우에 수차의 힘을 가한 것도 이 시기였습니다.

수력 발전의 초기 사용의 또 다른 예는 쉬싱에서 볼 수 있다.소싱은 금속 [citation needed]광석을 추출할 때 탱크에서 방출되는 물의 파도의 힘을 사용하는 것입니다.이 방법은 서기 75년부터 웨일스의 Dolaucothi Gold Mines에서 처음 사용되었습니다.이 방법은 스페인에서 라스 메둘라와 같은 광산에서 더욱 발전되었다.소각은 중세 이후 영국에서 납과 주석 광석을 추출하기 위해 널리 사용되었다.그것은 [13]나중에 19세기 캘리포니아 골드 러시 때 사용되었을 때 수력 채굴로 발전했다.

이슬람 제국은 다른 [14]주변 지역들과 함께 주로 아시아와 아프리카에 걸쳐 있었다.이슬람 황금기와 아랍 농업 혁명 (8-13세기) 동안 수력은 널리 사용되고 개발되었다.대규모 수력 공장 [15]단지와 함께 조력 발전의 초기 사용이 나타났다.이 지역에는 충전 공장, 제분소, 제지 공장, 선체 공장, 제재소, 조선소, 스탬프 공장, 제철소, 제당소, 조수 공장 등 다양한 수력 산업 공장이 사용되었습니다.11세기까지, 알-안달루스와 북아프리카에서 중동과 [16]: 10 중앙아시아에 이르기까지 이슬람 제국 전역의 모든 주들이 이러한 산업 공장을 가동시켰다.이슬람 기술자들은 또한 물레방아와 양수기에 기어를 사용하는 동안 수력 터빈을 사용했다.그들은 또한 댐을 수력원으로 사용하는 것을 개척했고, 물레방아와 양수기에 [17]추가 전력을 공급하기 위해 사용되었다.

게다가, 이슬람의 기계 공학자인 알-자자리(1136–1206)는 그의 저서 "The Book of Innitious Mechanical Devices"에서 50개의 장치에 대한 디자인을 설명했습니다.이 장치들 중 많은 것들은 시계, 와인을 제공하는 장치, 그리고 강이나 웅덩이에서 물을 끌어올리는 5개의 장치를 포함하여 수력으로 작동되었다. 이 장치들 중 세 개는 동물로 작동되고 한 개는 동물이나 물로 작동될 수 있다.게다가, 그것들은 저그가 부착된 끝없는 벨트, 소로 움직이는 샤도프(크레인 같은 관개 도구), 그리고 힌지 밸브가 [18]있는 왕복 장치들을 포함했다.

최초의 수력 발전 터빈을 개발한 프랑스 엔지니어 Benoît Fourneyron

19세기에 프랑스 엔지니어 Benott Fourneyron이 최초의 수력 발전 터빈을 개발했다.이 장치는 1895년 나이아가라 폭포의 상업공장에서 구현되어 현재도 [7]가동되고 있다.20세기 초, 영국의 기술자 윌리엄 암스트롱은 영국 [7]노섬벌랜드의 크랙사이드에 있는 그의 집에 위치한 최초의 개인 발전소를 건설하고 운영했다.1753년, 프랑스의 기술자 베르나르 포레스트 드 벨리도는 수직축과 수평축의 유압 [19]기계를 묘사한 그의 책인 건축 유압을 출판했다.

산업 혁명에 대한 증가하는 수요는 [20]또한 발전을 촉진할 것이다.영국에서 산업 혁명이 시작될 때, 물은 리처드 아크라이트의 [21]물 틀과 같은 새로운 발명의 주요 동력원이었다.수력은 많은 대형 제분소와 공장에서 증기 동력으로 대체되었지만, 18세기와 19세기 동안 여전히 작은 용광로(Dyfi 용해로)에서 벨로우즈를 구동하는 것과 같은 많은 소규모 작업에 사용되었습니다. 예를 들어 세인트 앤서니 폭포에서 50피트(15m)의 낙하물을 사용하는 것과 같은.이시시피 [citation needed][21]강

기술의 진보로 열린 물레방아는 밀폐된 터빈 또는 물 모터로 이동했다.1848년, 영국계 미국인 엔지니어 제임스 B. Lowell's Locks and Canals 회사의 수석 엔지니어인 Francis는 이러한 설계를 개선하여 효율 90%[22]의 터빈을 만들었습니다.그는 터빈 설계 문제에 과학적 원리와 시험 방법을 적용했다.그의 수학적 및 그래픽 계산 방법은 고효율 터빈의 자신감 있는 설계를 현장의 고유 흐름 조건과 정확히 일치시킬 수 있게 했다.프란시스 반응 터빈은 아직 사용 중입니다.1870년대에 캘리포니아 광산 산업에서의 사용에서 파생된 Lester Allan Pelton은 Sierra [citation needed]Nevada의 특징적인 높은 헤드스트림에서 수력발전을 사용하는 고효율 Pelton 휠 임펄스 터빈을 개발했습니다.

사용 가능한 전력량 계산

수력 자원은 가용 전력으로 평가할 수 있다.동력은 유압 헤드와 체적 유량의 함수입니다.헤드는 [23]물의 단위 중량(또는 단위 질량)당 에너지입니다.정적 헤드는 물이 떨어지는 높이의 차이에 비례합니다.동적 헤드는 물의 이동 속도와 관련이 있습니다.물의 각 단위는 그것의 무게에 머리를 곱한 것과 같은 양의 일을 할 수 있다.

낙수에서 사용할 수 있는 전력은 물의 유속과 밀도, 낙하의 높이 및 중력에 의한 국부 가속도로 계산할 수 있습니다.

어디에
  • (워크플로우 레이트 출력)는 유용한 출력(와트)입니다.
  • \eta ("eta")는 터빈의 효율입니다(무제한).
  • m { \ { m}는 질량 유량(kg/s)입니다.
  • \rho ("rho")는 물의 밀도(입방미터당 킬로그램 단위)입니다.
  • {\({는 체적 유량(입방미터/초)입니다.
  • g는 중력에 의한 가속도입니다(초당 미터 단위).
  • h ( \ h ) ("Delta h")는 출구와 입구 사이의 높이 차이(미터)입니다.

예를 들어, 유속이 초당 80 입방 미터(초당 2800 입방 피트)이고 헤드가 145 미터(480 피트)인 터빈의 85% 효율의 출력은 97 [note 1]메가와트입니다.

수력발전소 운영자들은 생산되는 총 전기 에너지와 터빈을 통과하는 물의 이론적인 잠재 에너지를 비교하여 효율을 계산합니다.효율 계산을 위한 절차와 정의는 ASME PTC 18 및 IEC 60041과 같은 테스트 코드에 제시되어 있다.터빈의 현장 테스트는 제조사의 효율성 보증을 검증하는 데 사용됩니다.수력 터빈 효율의 상세 계산은 전력관 또는 펜스톡의 흐름 마찰로 인한 헤드 손실, 유량에 의한 테일워터 수위 상승, 발전소의 위치 및 영향, 공기 온도 및 기압 변화, 주변 온도에서의 물의 밀도 및 상대적인 부분을 설명한다.포어베이와 테일베이의 고도.정확한 계산을 위해서는 반올림 및 유효 자릿수 상수로 인한 오차를 [citation needed]고려해야 합니다.

물레방아와 같은 일부 수력 발전 시스템은 높이를 변경하지 않고도 수역의 흐름에서 전력을 공급할 수 있습니다.이 경우, 이용 가능한 힘은 흐르는 물의 운동 에너지입니다.오버샷 워터휠은 두 가지 유형의 [24]에너지를 효율적으로 포착할 수 있습니다.시냇물의 흐름은 계절에 따라 크게 달라질 수 있다.수력 발전 현장의 개발에는 신뢰할 수 있는 연간 에너지 공급을 평가하기 위해 때로는 수십 년에 걸친 흐름 기록을 분석해야 한다.댐과 저수지는 물 흐름의 계절적 변화를 완화함으로써 보다 신뢰할 수 있는 전력원을 제공한다.그러나 저수지는 자연 발생 흐름의 변화처럼 환경에 큰 영향을 미친다.댐 설계는 현장에서 예상할 수 있는 최악의 경우, "최대 홍수"를 고려해야 한다. 댐 주변의 홍수 흐름을 경로화하기 위해 종종 여수로가 포함된다.최대 [citation needed]홍수를 예측하기 위해 수력 유역의 컴퓨터 모델과 강우량 및 적설량 기록을 사용한다.

단점 및 제한 사항

수력발전의 몇 가지 단점이 확인되었다.수력발전소 부지 근처에 사는 사람들은 공사 중이나 저수지 둑이 [7]불안정해지면 쫓겨난다.또 다른 잠재적인 단점은 문화나 종교 유적지가 [7][note 2]건축을 방해할 수 있다는 것이다.

댐과 저수지는 일부 동물의 상류 이동 방지, 하류 방류수의 냉각 및 탈산소, 입자 [25]침하로 인한 영양소 손실 등 하천 생태계에 큰 악영향을 미칠 수 있다.하천 퇴적물은 삼각주를 건설하고 댐은 [26][27]침식으로 인해 잃어버린 것을 복구하는 것을 막는다.크고 깊은 댐과 저수지 플랜트는 수중에서 썩는 식물에서 온실가스를 배출하는 넓은 지역을 덮고 있다.게다가, 다른 재생 에너지원에 비해 낮은 수준이지만, 수력발전은 온실 가스인 메탄가스를 생산하는 것으로 밝혀졌다.이는 혐기성 [28]소화를 유발하는 물의 탈산소화로 인해 저장소의 바닥에 유기물이 축적될 때 발생합니다.게다가, 연구에 따르면 댐과 저수지의 건설은 일부 수생 [7]생물종의 서식지를 잃을 수 있다.

댐 붕괴는 인명 손실, 재산 손실, 토지 오염 등 재앙적인 결과를 초래할 수 있다.

적용들

웨일스의 브레콘 비콘 산맥에서 흘러내리는 물의 힘을 이용하는 수력 발전 계획; 2017년
낙수로 움직이는 시시오도시는 대나무 팔뚝이 바위에 부딪히는 소리와 함께 일본 정원의 정적을 깨뜨린다.

기계력

물레방아

이 섹션은 Watermill에서 발췌한 것입니다.[편집]
벨기에 브레인 르 샤토의 물레방앗간(12세기)
영국 라임 레지스 워터밀 내부(14세기)

물방앗간 또는 물방앗간은 수력발전을 사용하는 방앗간이다.물레방아 또는 수력 터빈을 사용하여 밀링(그라인딩), 압연, 해머링 등의 기계적 공정을 구동하는 구조입니다.이러한 공정은 밀가루, 목재, 종이, 직물, 그리고 많은 금속 제품을 포함한 많은 재료의 생산에서 필요하다.이러한 물레방아에는 제분소, 제재소, 제지소, 직물공장, 해머밀, 트립 해머링 공장, 압연 공장, 철사 제련 공장이 포함될 수 있습니다.

물레방아를 분류하는 한 가지 주요 방법은 바퀴 방향(수직 또는 수평)이며, 하나는 기어 메커니즘을 통해 수직 물레방아로 구동되며, 다른 하나는 그러한 메커니즘이 없는 수평 물레방아로 구동된다.전자의 유형은 물이 휠 패들에 닿는 위치에 따라 언더샷, 오버샷, 가슴샷 및 피치백(백샷 또는 리버스샷) 워터휠 밀로 더욱 나눌 수 있다.물방앗간을 분류하는 또 다른 방법은 그 위치에 대한 기본적인 특성입니다. 즉, 조수 공장은 조수의 움직임을 사용하고, 선박 제분소는 배에 탑재된(그리고 구성되는) 물방앗간입니다.

물레방아들은 설치된 수로의 강 역학에 영향을 미친다.물레방아 가동 중에는 특히 역류가 [29]침전되는 경향이 있습니다.또한 역류 지역에서는 침수 사건 및 인접 범람원의 침하가 증가한다.그러나 시간이 지남에 따라 이러한 영향은 강둑이 [29]높아짐에 따라 상쇄됩니다.제분소가 제거된 곳에서는 하천 절개가 증가하고 수로가 [29]깊어집니다.

압축 공기

다음 항목도 참조하십시오.트롬프

가동부 없이 압축공기를 직접 발생시키기 위해 풍부한 수두를 만들 수 있다.이러한 설계에서 낙하하는 물기둥과 높은 취수구에서 난류 또는 벤추리 감압기를 통해 발생하는 기포를 의도적으로 혼합한다.이렇게 하면 압축된 공기가 물에서 분리되어 갇히는 지하의 높은 지붕의 챔버로 내려갈 수 있습니다.낙하하는 물기둥의 높이는 챔버 상단의 공기 압축을 유지하며, 챔버 내 수위 아래로 잠긴 출구는 흡기보다 낮은 수위로 물이 다시 지표로 흐를 수 있도록 합니다.챔버 루프에 있는 별도의 출구가 압축 공기를 공급합니다.1910년 몬트리올 온타리오 코발트 부근의 래그드 슈트(Ragged Shutes)에 건설된 이 원리에 따른 시설은 [30]인근 광산에 5,000마력을 공급했다.

전기

주요 기사:수력 전기

수력전기는 가장 큰 수력 발전 분야이다.수력전기는 전 세계 전력의 약 15%를 생산하며 35개국 [31]이상에 총 전력 공급의 최소 50%를 제공합니다.

수력발전은 부지의 상승으로 인해 존재하는 물의 잠재 에너지 또는 움직이는 물의 운동 에너지를 [28]전기에너지로 변환하는 것으로 시작한다.

수력 발전소는 에너지를 수확하는 방식에 따라 다르다.한 가지 유형은 댐과 저수지를 포함한다.저장소의 물은 필요에 따라 댐과 저장소를 연결하는 수로를 통해 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.물은 터빈을 회전시키고,[28] 터빈은 전기를 생산하는 발전기와 연결되어 있다.

또 다른 유형은 강줄기 식물이라고 불립니다.이 경우 저수지가 없는 상태에서 물의 흐름을 제어하기 위해 보가 구축된다.하천 유량 발전소는 지속적인 물 흐름이 필요하기 때문에 온 디맨드로 전력을 공급할 수 있는 능력이 떨어집니다.흐르는 물의 운동 에너지는 주요 [28]에너지원입니다.

두 디자인 모두 한계가 있습니다.예를 들어 댐 건설은 인근 주민들에게 불편을 줄 수 있다.댐과 저수지는 인근 [32]지역사회가 반대할 수 있는 비교적 큰 공간을 차지한다.또한, 저수지는 잠재적으로 [28]하류 서식지를 해치는 것과 같은 주요한 환경적 결과를 초래할 수 있다.반면 하천의 계절적 흐름 속도에 따라 발전 효율이 떨어진다는 게 한계다.이는 건기에 비해 [33]장마가 발전량을 증가시킨다는 것을 의미한다.

수력 발전소의 크기는 마이크로 하이드로라고 불리는 작은 발전소에서부터 한 나라에 전력을 공급하는 큰 발전소에 이르기까지 다양할 수 있다.2019년 현재 세계 5대 발전소는 [34]댐이 있는 재래식 수력발전소이다.

수력 전기는 또한 펌핑 저장소가 있는 서로 다른 높이의 두 저장고 사이에 위치 에너지 형태로 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있습니다.수요가 적은 기간 동안 저수지로 물을 펌핑하여 수요가 많거나 시스템 생성량이 [35]적을 때 발전용으로 방출합니다.

수력 발전의 다른 형태로는 해양, 하천, 인간이 만든 운하 시스템에서 발생하는 조력 발전에서 [28]발전까지 에너지를 사용하는 조수류 발전기가 있다.

우력

비는 "자연에서 마지막으로 개발되지 않은 에너지원 중 하나"라고 언급되어 왔다.비가 오면 수십억 리터의 물이 떨어질 수 있는데,[36] 이 물을 올바르게 사용하면 엄청난 전기 잠재력을 갖게 됩니다."빗방울의 충격으로 에너지를 사용하는 등, 빗방울로부터 발전하는 다양한 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.이는 테스트, 프로토타입 제작 및 개발 중인 새로운 기술로 매우 초기 단계입니다.그런 힘을 [37][38]우력이라고 부른다.이것을 시도하는 방법 중 하나는 태양과 비로부터 [39]전기를 생산할 수 있는 "전천후 태양 전지판"이라고 불리는 하이브리드 태양 전지판을 사용하는 것이다.

동물학자이자 과학기술 교육자인 루이스 빌라존에 따르면, "2008년 프랑스의 한 연구는 빗방울에서 12 밀리와트를 추출하기 위해 그들이 움직일 때 전력을 생산하는 압전 장치를 사용할 수 있다고 추정했습니다.1년 후에는 1평방미터당 0.001kWh 미만으로 리모트 센서에 전력을 공급할 수 있습니다." Villazon은 낙하한 빗물로부터 물을 모아 터빈을 구동하는 것이 더 나은 응용이 될 것이라고 제안했습니다.이것에 의해, 185m의2 [40]지붕에서 연간 3kWh의 에너지가 발생하는 것으로 추정됩니다.멕시코 공과대학 학생 3명이 만든 마이크로터빈 기반 시스템이 전기를 생산하는 데 사용되었습니다.Pluvia 시스템은 "집 옥상 빗물 홈통에서 흘러나오는 빗물을 이용하여 원통형 주택에서 마이크로 터빈을 회전시킨다.그 터빈에서 발생하는 전기는 12볼트 배터리를 [41]충전하는 데 사용됩니다."

빗물 발전이라는 용어는 또한 [36][40]빗물을 포착하는 과정을 포함하는 수력 발전 시스템에도 적용되었다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 물의 밀도를 1000kg/입방미터(62.5파운드/입방피트)로 하고 중력에 의한 가속도를 9.81m/초로 한다.
  2. ^ 대형 댐 개발에 대한 국제 표준은 세계 댐 위원회(WCD)를 참조하십시오.

레퍼런스

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