발전기의 원리 및 종류

발전기(Electric Generator)

오늘은 전력을 생산하는 발전소의 핵심설비인 발전기의 원리 및 종류에 대해 알아보겠습니다.

 

발전기 정의

발전기란 열에너지, 위치에너지 등 외부의 여러 에너지를 활용하여 전기에너지를 만들어 내는 장치를 말합니다. 화력발전소, 원자력 발전소, 수력 발전소 등 발전소의 핵심 설비이며 공장, 빌딩 등의 주요 건물에도 자가 전력 공급을 위한 소형의 발전기가 있습니다. 최근에는 태양광 발전이 늘어나면서 발전기는 점점 우리의 생활 안에 많이 들어오고 있습니다. 

일반적인 발전기는 역학적인 발전기입니다. 증기나 떨어지는 물의 힘 등 물리적인 힘으로 터빈의 날개를 회전시켜서 전기를 만들어내는 방식입니다. 이와 대조적으로 열 기전력이나 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 새로운 방식의 발전기도 최근 늘어나고 있는 추세입니다.

 

발전기의 분류

발전기는 생성되는 전류가 직류인지 교류인지에 따라 직류 발전기와 교류 발전기로 나룰 수 있습니다.

 

직류 발전기

직류 발전기에서는 통상 회전전기자형이 많이 사용되는데 두 미끄럼 고리가 연결되어 있지 않으며 정류자라고 합니다. 직류 발전기에서 구 미끄럼 고리 사이에는 항상 동일한 부호의 전위가 형성됩니다. 직류 발전기도 교류 발전기와 같이 4극이나 6극과 같은 다극으로 만들 수도 있습니다. 

회전 속도가 일정하다면 발생하는 기전력은 사인파의 모양을 이루며 정류자를 지난 기전력은 절대값의 형태를 띠게 됩니다. 즉, 맥동 전류의 형대가 됩니다. 이때 코일 회전축에 코일을 여러 개 겹쳐서 작동시키면 여러 위상차의 맥동 전류를 얻을 수가 있는데 이를 합쳐서 맥동 교류의 진동을 감소시켜 거의 정상 전류에 가까운 전류를 생성할 수 있습니다.

 

교류 발전기

교류 발전기는 회전 계자형이 많은데, 석쇠 모양으로 감긴 코일이 그 양끝이 회전하더라도 항상 외부의 회로와 연결될 수 있도록 설계가 되어 있습니다. 자극이 회전할 때마다 자극의 N극, S극을 지나게 되고 그때마다 교류의 양/음 변화를 1회 달성한다. 이론적으로 자극이 매초 1 회전하게 되면 얻어 지는 기전력의 주파수가 1Hz가 되는 것입니다. 실제로는 회전자의 자극 수를 증가시켜 4극, 6극 이상으로 만들기에 실제 발전기에서는 생산 기전력의 Hz가 증가하게 됩니다. 극수가 p인 회전자를 매초 n회전시킨다고 할 때 생성되는 교류의 주파수는 다음과 같은 관계식이 성립합니다. 
f=p*n/2
우리나라의 교류 주파수는 60Hz인데 2극 발전기를 사용할 경우 매초 60회전의 속도로 회전자를 돌려야 만들 수 있습니다.

 

열전(Thermoelectric) 발전기

물질 내부에 온도차이가 발생할 경우 이 온도 기울기에 비례하는 기전력이 생기게 되는데 이를 제베크 효과라고 합니다. 이 제베크 효과를 이용하여 전력 생산이 가능하며 이러한 발전기를 열전 발전기라고 합니다.

 

태양전지

실리콘을 기반으로 하여 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 패널을 만듭니다. 이 패널에 태양빛이 접촉하면 전자/양공 쌍이 생기게 되고 이를 분리하여 전자와 양공이 반대 방향으로 이동하게 하여 전기를 생산하는 방식입니다.