발전기 (Generator)
발전기란 전자기 유도(electromagnetic induction)를 이용하여 운동에너지나 위치에너지와 같은 역학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치를 말합니다. 전동기(electric motor)와 구분을 하자면 전동기는 자석 사이에 있는 코일에 전류가 흐를 때 회전하는 힘을 얻기 때문에 전기 에너지가 역학적 에너지로 전환이 되는 반면에 발전기는 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환하기 때문에 발전기와 전동기는 에너지 전환이 반대로 일어나게 됩니다. 우선 발전기의 원리를 이해하기 위해서는 전자기 유도 현상에 대한 개념이 필요하므로 아래 링크를 먼저 참조하고 읽으면 좋을 것 같고, 이와 함께 전동기와 발전기를 구분하여 알 수 있다면 더욱 좋겠습니다.
2023.12.28 - [과학] - 전자기 유도 현상에 대한 이해
전자기 유도 현상에 대한 이해
전기 에너지는 전류가 흐를 때 공급되는 에너지를 뜻하며, 에너지이므로 단위로는 일의 단위인 J(줄)을 사용하는데요, 이 전기 에너지를 어떻게 발생시키는지 이해하고, 발전기의 원리를 알기
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2023.12.26 - [과학] - 전동기의 작동 원리
전동기의 작동 원리
전동기 (Electric Motor) 자기장 속에서 전류가 흐르는 전선은 자기력을 받게 되는데요, 이를 이용한 것이 바로 전동기입니다. 조금 자세히 설명하자면, 자석 사이에 있는 코일이 전류가 흐를 때 회
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발전기의 원리
코일 주위에서 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하죠. 그러므로 당연히 자석 주위에서 코일이 움직여도 유도 전류가 발생하겠죠. 발전기 내부에는 자석과 회전할 수 있는 코일이 있는데 이 코일이 자석 사이에서 회전하면서 전자기 유도 현상이 발생하고 이때 코일에 유도 전류가 흐르게 되면서 전기 에너지가 생산이 됩니다. 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환이 되는 것입니다.
그리고, 실제 발전소에서는 대부분 터빈(turbine)이 회전하면서 터빈과 연결된 자석이 회전하게 되고 이 자석은 코일에 감싸져 있습니다. 발전소의 발전기에서 코일 대신에 자석이 회전하는 방식이라는 것을 기억하면 되겠습니다. 그리고 이때 회전하는 터빈을 어떠한 에너지를 이용하여 돌리느냐로 발전 형태를 구분하게 됩니다.
발전소 (Power Plant)
발전소는 다양한 에너지를 이용하여 발전기를 돌리고 전기를 생산하는 시설입니다. 이때 역학적 에너지를 어떠한 에너지원으로부터 얻는지를 기준으로 구분을 하게 되며 이 역학적 에너지가 발전기에서 터빈을 돌려서 전기 에너지로 전환이 되는 것은 모두 동일하죠. 대표적으로 수력발전소, 화력발전소, 풍력발전소가 있습니다.
- 수력발전소(Hydroelectric) : 안동댐, 충주댐 등 여러 댐이 있죠. 이러한 댐들은 물을 가두었다가 방류하는 등의 수자원 관리 역할도 있지만, 대부분 수력 발전의 역할을 동시에 가지고 있습니다. 기본적으로 댐이라는 것이 물을 흘려보내게 되면 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 내려오기 때문에 이때의 역학적 에너지를 이용하여 발전기를 돌리고 전기를 생산합니다.
- 화력발전소(Thermal) : 석탄이나 가스와 같은 화석연료의 물질 속에 화학 결합으로 저장된 에너지, 즉 연료의 화학에너지가 연소되면서 물을 끓여서 증기(steam)를 만들고 이 수증기로 터빈을 돌려서 발전소에서 전기를 생산하게 됩니다.
- 풍력발전소(Wind) : 제주도나 강원도에서 풍차처럼 생긴 날개가 달린 풍력 발전기를 본 적이 있을 것입니다. 바람의 힘으로 발전기를 돌리는 것이 풍력발전인데, 바람의 역학적 에너지가 터빈을 돌리면서 발전기의 전기를 생산하게 됩니다.
- 핵발전(nuclear power) : 우라늄과 같은 핵연료가 핵분열을 할 때 발생하는 에너지로 고온, 고압의 수증기를 만듭니다. 그리고, 이 증기가 터빈을 돌리는 것이죠.
위의 발전소 구분별로 에너지 전환을 아래와 같이 정리할 수 있습니다.
| 구분 | 수력 발전소 | 화력 발전소 | 풍력 발전소 | 핵발전 |
| 에너지 전환 | 물의 역학적 에너지 (위치에너지 + 운동에너지) → 터빈의 역학적 에너지 → 전기 에너지 | 연료의 화학 에너지 → 수증기의 열에너지 (역학적 에너지) → 터빈의 역학적 에너지 → 전기 에너지 | 바람의 역학적 에너지 (운동에너지) → 터빈의 역학적 에너지 → 전기 에너지 |
핵에너지 → 수증기의 열에너지 → 터빈의 역학적 에너지 → 전기 에너지 |
이 외에 태양열 발전은 말 그대로 태양으로부터 오는 열을 이용하여 증기를 만들고 발전기를 가동하는 것, 그리고 태양광 발전은 반도체의 광전 효과를 이용한 것입니다.
발전기의 기본 원리에 대해서, 전자기 유도 현상을 이용하여 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환한다는 것을 발전기의 기본 원리로 이해하면 됩니다.
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