오늘 만들어 볼 것은 ‘물레방아 발전기’. 위에서 떨어지는 물의 힘을 이용, 전기를 만들어 불을 밝히는 흥미로운 공작 기구이다. 전기에 관련된 공작품이므로 전선 연결에 주의해야 제대로 불이 켜지는 모습을 볼 수 있다. / 정상영 기자 syjung@chosun.com
[준비물]
우드락, 투명 필름, 철사봉(긴 것, 짧은 것 하나씩), 모터, 모터 받침대, 가로 받침대(1.5×15×15cm), 세로 받침대(1.5×5×10cm), 건전지, 건전지 홀더, LED 램프, 전선, 고무 캡, 페트병, 투명 호스, 고정관, 조임띠, 가위, 칼, 접착제, 송곳 등.
[만드는 법]
1. 페트병의 중심을 그림처럼 자른 뒤 페트병 1의 양옆에 구멍을 뚫는다. 페트병 뚜껑 가운데에 구멍을 뚫어 투명 호스(길이 25cm)를 끼운다.
2. 그림이 가리키는 대로 우드락을 둥굴게(지름 5cm) 오리고 칼집을 낸다. 투명 필름을 직사각형(1.5×2cm)으로 오려 우드락에 끼운다. 모터 받침대에 모터를 끼우고 고정관, 고무 캡, 터빈, 고무 캡 순으로 조립한다.
3. 접착제로 그림처럼 가로 받침대에 세로 받침대를 붙인다.
4. 철사봉의 윗부분(5cm)을 구부린다. 짧은 철사봉(40cm)은 세로 받침대에, 긴 철사봉(50cm)은 가로 받침대에 붙인다.
5. 철사봉 사이에 페트병 1을 고정한다. 그 아래에 페트병 2를 놓는다.
6. ＋, ―극을 잘 살펴 모터와 건전지, LED 램프를 연결한다. 완성품 그림처럼 위에서 떨어지는 물이 터빈에 명중되도록 자리를 잡아 고정한다.
[완성품]
페트병 1에 물을 넣어서 터빈 위로 떨어뜨리면 그 힘에 의해 터빈이 돌아가고 램프는 보통 건전지로 밝혔을 때보다 더 환하게 빛난다. /소년조선/9.22
모형적으로 말하면, 하천을 상류에서 막아 물을 수로로 유도하
고, 경사도가 낮은 곳에서 물을 하류시켜, 처음 하천과의 사이
에 나타나는 수위차를 이용한 철관에 의해 발전소로 물을 떨어
뜨려 수차를 회전시켜 발전기를 구동시키는 것이다. 이밖에 수
로로 물을 유도하여 수위차를 얻는 대신 대규모의 댐을 건설하
여 저수된 수위차를 이용하는 경우, 혹은 양자를 병합하는 경우
등이 있다. 수력발전은 미국ㆍ유럽 등지에서는 1882년경에 극
히 소규모적으로 시작되었는데, 1982년 세계 최대의 수력발전
소는 미국의 그랜드쿨리 발전소(7,460MW)이나 브라질과 파라
과이에서 공동으로 개발중인 이타이프 발전소는 최종출력 1만
2,600MW이다.
1987년말 한국의 수력발전 시설용량은 총 2,233MW로, 총발전
시설용량(1만 9,021MW)의 11.7%를 차지하고 있다(석유 38.7%,
원자력 30.1%,유ㆍ무연탄 19.5%). 수력발전은 공해가 없고 연
료의 공급이 없이도 오래 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 건
설하는데 경비가 많이 들고, 댐을 건설할 수 있는 지역이 한정
되어 있다는 단점이 있다.
댐식:하천 본류에 커다란 댐을 가로막아 댐의 상.하류에
생기는 수위차를 이용하여 발전하는 방식으로서 계절에
관계없이 하천유량의 변화를 평균화 할 수 있어 홍수조
절, 관개용수 등 다목적 댐으로 이용되기도 한다. 우리나
라의 대부분의 댐은 이와같은 방식이다.
(운전중인 발전소 - 춘천, 의암, 청평, 팔당수력)
양수발전:전력소비가 가장 적은 심야에 값싼 전력을 동력으로 이용하여 하부저수지에 저수되
어 있는 물을 높은곳에 자리잡은 상부저수지에 양수하였다가 주간 또는 야간의 첨두부하시 즉,
Peak Time에나 계통고장때 이 물을 다시 하부저수지에 유하시켜 발전하는 방식으로 첨두부하
운전과 대형화력, 원자력 발전소의 효율향상 및 예비전력으로서 전계통의 신뢰도 향상에 기여
한다. (운전중인 발전소 - 무주양수, 청평양수, 삼랑진양수)
유량에 의한 분류
(1) 저수지식 발전소…하천의 유량은 계절에 따라 다르므로 풍
수기의 잉여수량을 저수지에 저수해 놓고, 이것을 발전에 이용
하는 방식의 발전소. 즉 연간 하천의 유량을 조정하여 사용할
수 있고, 수력자원을 충분히 활용할 수 있는 이점이 있다. 대출
력 발전소에 많다.
(2) 조정지(調整池)식 발전소…부하(負河)의 변동에 따라 하천
의 유량을 1일 또는 수일간 조정할 수 있는 용량의 조정지를 갖
추어 놓은 방식의 발전소, 첨두부하용(尖頭負河用)발전소로 이
용된다.
(3) 역조정지(逆調整池)식 발전소…첨두부하용 발전소에서 방
출한 물을 저수하여 하류로 일정하게 흘려 보내기 위한 조정지
를 역조정지라 하는데, 이 역조정지에 설치하는 발전소이다.
(4) 양수식 발전소…하천에 물이 많을 때 또는 심야의 경부하시
에는 전력계통에 잉여전력이 생기므로, 이것을 이용하여 발전
용수를 양수 펌프로 하부저수지에서 상부저수지로 양수해 놓
았다가 주간의 중부하시(첨두부하시)에 이 물을 이용하여 발전
하는 방식의 발전소. 혼합양수식 발전소와 순양수식 발전소로
구별되며, 또 기계의 배치에 따라 별치식ㆍ직결식ㆍ가역식으
로 분류된다.
수력발전소의 출력
수차에 유량 Q(㎥/s)인 물이 유효낙차 H(m)에 의해 유입된 경
우, 이론출력은 
= 9.8QH(kW)로 정의된
다. 유효낙차란 취수구 수위와 방수구 수위의 차(총낙차)에서
이 사이의 수로ㆍ수압관로 등에서의 손실수두(水頭)를 뺀 것으
로서, 수차에 유효하게 사용되는 낙차이다.
수차 및 발전기의 효율은 각각 
,
라 하면 발전기 출력은
ㆍ
9.8
이며, 여기에 발전기의 대수를 곱한
것이 발전소의 출력이다. 보통 
=0.9 전후, 
=0.97 전후이다.
그런데 하천의 유량은 유역내의 비나 눈에 의존되고 계절적으
로 변동되므로 발전소의 최대사용수량은 연간을 통하여 발전
이 가장 경제적으로 될 수 있도록 결정된다. 또 댐식의 경우, 수
위는 하천의 흐르는 상황과 발전소의 사용수량에 의해 상하로
변동되므로, 발전소의 여난 운용을 검토하여 수위의 변동범위
를 정하고, 그 사이의 변동에 대해 발전소의 운전에 지장이 없
도록 설계된다.
[중앙일보 주기중]
물레방아는 흐르는 물의 낙차를 이용해 에너지를 얻는 원시적인 도구다. 물레방아에 터빈을 연결하면 수력발전을 할 수 있다. 그런데 물레방아를 흐르는 물에 띄워 전기를 얻는 '逆 물레방아' 방식의 발전기가 나왔다.
영국의 HEB(Hydro Electric Barrel)사가 개발한 수력발전 제너레이터는 계곡이나 시냇물에 물레방아를 띄워 발전하는 방식이다. 시냇물에 두개의 말뚝을 박고 '물레방아 발전기'를 메단 다음 물에 띄운다. 물이 흐르면서 이 물레방아가 돌게 되고 안에 있는 제너레이터가 전기를 생산한다. 또 물에 띄워놓은 물레방아는 파도에 의해 아래 위로도 출렁이게 된다.
이 상하운동의 에너지도 전기로 전환된다. 물레방아를 메단 양 축에 발전기를 달아 아래 위로 흔들리는 에너지로 발전을 한다. HEB사의 '逆 물레방아' 발전기는 흐르는 물의 수평이동 에너지와 파도의 수직이동 에너지를 모두 전기로 전환하는 이중 발전 방식이다. 그만큼 효율성이 높다.
이 '逆 물레방아' 방식의 발전기는 매우 경제적이고 환경친화적이다. 수력 발전이지만 환경을 훼손하는 댐을 건설한 필요가 없으며 발전을 위해 물길을 돌릴 필요도 없다. 자연상태에서 흐르는 물만 있으면 언제, 어디서나 발전이 가능하다. 수심과 수량의 제약도 받지 않는다. 물이 흐르는 한 하루 24시간 쉼없이 발전을 한다. 발전기 제작도 쉽고, 비용도 많이 들지 않는다. 유속이 빠른 하천이나 계곡에 수십, 수백개의 발전기를 설치할 수 있어 매우 경제적이고 효율적인 발전이 가능하다. 발전량은 유속과 수량, 발전기의 크기에 따라 다르지만 발전기 1대당 약 1.5~3.5kw의 전력을 생산한다.
주기중 기자
※녹색然금술사는 주기중 기자의 블로그( http://blog.joins.com/clickj2001 ) 에서 계속됩니다.
