[2015개정 통합과학] 송전과 전력 손실

gooseskin.tistory.com/88

[전류 전압 저항 전력] 제발 알아야 될 내용

 

↓물음 답 (드래그)

 

1. 발전량이 많은 지역은 해안가를 끼고 있고, 주거 밀집 지역이 아니다. 

 

2. 소비량이 많은 지역은 수도권이나 산업 단지가 많은 주거 및 산업 밀집 지역이다.

 

3. 전선을 이용하여 발전소와 소비지를 연결한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

※ 2016년 용도별 소비 전력량 점유율

 

용도	가정용	공공용	서비스업	농림어업	광업	제조업
점유율(%)	13.3	4.6	27.8	3.1	1.4	50.9

발전소는 세울 수 있는 장소가 제한적이다. 그러다 보니 발전소의 위치와 전력 소비량이 많은 대도시의 위치에 간극이 생기는 경우가 많다. 그 간극을 해소하려면 생산되는 전기 에너지가 소비지로 수송되어야 한다. 따라서 전기 에너지 수송을 위한 통로가 필요할 수밖에 없다. 그 통로가 바로 전선이다.

 

전기 에너지는 전선을 이용하여 여러 곳으로 전달할 수 있다. 이때 전기 에너지를 수송하는 것을 '송전'이라 한다. 발전소에서 소비지까지의 거리는 가까운 경우도 있지만 대부분의 경우는 굉장히 멀다.

 

전기 에너지를 멀리 수송할 때 어떤 문제점이 있을까?

 

전자와 원자의 충돌

전류가 흐르면 전자가 이동하면서 주위의 원자들과 충돌하기 때문에 열 발생이 불가피하다. 이때 전자가 갖는 운동 에너지(=전기 에너지)가 열 에너지로 전환된다. 즉 전류가 흐를 때 전기 에너지가 저항에서 열 에너지로 손실된다. 

저항의 물리적 특성에 따른 저항값의 변화  l: 전선의 길이, S: 전선의 단면적

전류가 흐르는 전선은 저항(R)이 있기 마련이다. 위의 식에서 알 수 있듯이 저항(R)은 전선의 길이(l)에 비례한다. 따라서 전기 에너지를 멀리 수송하기 위해 전선 길이를 늘인다면 저항이 커질 수밖에 없다. 저항이 커지면 그만큼 열 에너지가 많이 발생하게 되고, 이는 송전 과정에서 전기 에너지의 이용 효율이 낮아진다는 걸 의미한다.

---

1. 손실전력

전선이 갖는 모든 저항이 전기 기호 R에 집약되었다고 가정하자. 따라서 나머지 선은 저항이 없는 이상적인 도선이다.

전력이란 단위 시간 동안 공급되거나 소비한 전기 에너지를 의미한다.

저항 R 에서는 전기 에너지가 열 에너지로 바뀐다. 전기 에너지가 열 에너지로 전환되는 것도 엄연히 소비되고 있는 것이다. 이때 단위 시간 동안 열 에너지로 전환되는 전기 에너지를 '손실 전력'이라 한다.  

 

전선의 길이가 변하게 되면 저항(R)이 변하고, 저항이 변하게 됨에 따라 전류(I)가 변하므로 전선에서 전기에너지가 열에너지로 전환되는 전력(손실전력)을 전류(I)와 저항(R)로만 표현하는 게 유용하다.

 

이 식을 통해 알 수 있는 사실은 손실전력은 전류가 많이 흐르고, 전선의 저항이 커질수록 많아지다.

따라서 손실전력을 줄이기 위해서는 송전 전류를 약하게 흘려주어야 하고, 송전선 저항을 줄여야만 한다.

2. 손실전력을 줄이는 방법

상수 p = 비저항

답은 간단하다. 전선의 저항을 줄이면 된다. 저항을 줄이는 방법은 크게 두 가지가 있다.

첫째, 송전선의 비저항을 줄이면 된다. 요즘엔 과학과 기술이 발달하여 비저항이 0에 수렴하는 물질을 활용하여 송전선을 만들 수 있다. 바로 초전도 물질이다. 초전도 물질은 임계 온도 이하에서 비저항이 0이 된다. 실제로 제주 초전도센터에서 초전도 케이블을 이용한 송전이 활용되고 있다.

2020년 10월에 상온에 가까운 온도에서도 초전도 현상이 가능한 신소재를 개발했다는 소식이 알려졌다. 아직 완벽한 상용화에는 한계가 있지만 언젠가는 그 한계가 깨질 것으로 기대된다.

 

둘째, 전선을 두껍게 만들고 길이를 짧게 하는 것이다. 하지만 이러한 방법은 사업상 수지타산이 맞지 않기 때문에 실현 가능성이 낮다. 그리고 저항 길이를 짧게 하는 것 자체는 더더욱 의미가 없다. 우리는 발전소보다 먼 거리에서 전기 에너지를 공급받길 희망하기 때문이다. 

 

결국 초전도 케이블의 상용화를 차치하고 손실 전력을 최소화하기 위해 저항을 줄이는 방안은 그다지 실용적이지 않다. 조금 더 현실적이며 효율적인 손실 전력의 최소화 방안을 강구해야 했다.

 

다행히 그 고민에 대한 답이 있다. 답은 송전 전류의 세기를 최소화하는 것이다.

3. 테슬라가 에디슨을 꺾을 수 있었던 이유

R: 송전선의 저항

발전소에서 생산한 전력이 집으로 보내지기까지 손실전력이 생기는 것은 불가피하다. 이 손실되는 전력이 작아지려면 송전선에 흐르는 전류를 작게하면 됨을 식을 통해 확인할 수 있다. 그렇다면 이 전류를 어떻게 하면 줄일 수 있을까?

1억이 찍혀 있는 통장과 현찰 1억이 담긴 돈가방

1억을 갖고 나갈 때 현찰이 담긴 돈가방을 들고 나가기보단 통장을 들고 나가는 게 훨씬 안전하다. 이렇듯 생산된 전력을 집으로 보내기 전에 가공 처리를 해주는 것이다.

돈가방보다는 거대한 디지털 전산망이 더욱 안전하듯이, 전압을 거대하게 증가시킴으로써 전력을 가공 처리한다.

 

현찰 1억을 통장에 넣는다고 해서 1억이 줄어들지는 않는다. 마찬가지로 전력을 가공 처리한다고 해서 전력이 줄어들거나 늘어나지 않는다. 왜? '에너지 보존 법칙' 때문이다.

따라서 전력값이 일정한 상황에서 전압을 크게 해주면 전류가 작아지게 된다.

이 가공 처리된 상태에서 송전을 하면 전류를 줄인 만큼 손실되는 전력이 줄어든다. 

 

전류가 1/2배가 되면 손실전력이 1/4배가 된다.

그렇다. 손실 전력을 최소화하기 위해서는 송전 전류를 줄여야 하고, 송전 전류를 줄이기 위해서는 전압을 높여야만 한다. 따라서 송전 과정에서는 손실 전력의 최소화를 위해 고전압 전력이 필수다. 그러나 백만볼트 정도의 고전압 전력이 우리집에 그대로 들어온다는 건 어딘가 깨름찍하다. 따라서 송전 전력의 고전압은 집에 들어오기 전에 220V 정도로 줄여져야만 피카츄 돈까스가 되는 참사를 피할 수 있다. 즉 전력을 보내고 받기까지의 과정에서 전압의 크기는 자유자재로 변해야만 했다. 이때 전압의 크기를 늘이고 줄이는 것을 '변압'이라 한다.

에디슨과 테슬라의 승패를 가른 '변압'

에디슨과 테슬라

19세기, 전력 공급 체계를 두고 피터지게 싸웠던 에디슨과 테슬라

에디슨의 거대한 자본력과 명성에도 굴하지 않고 테슬라가 승리를 거머쥘 수 있었던 가장 큰 이유에는 바로 '변압'이 있었다. 간단하다. 에디슨의 직류 발전 방식에선 변압이 불가능했다. 하지만 테슬라의 교류 발전 방식에선 변압이 가능했다.

 

에디슨이 건설한 뉴욕의 직류 발전소는 0.8km 반경 내에서만 전기 에너지를 공급하기 쉬웠고, 직류 발전 단가도 비쌌기 때문에 소수의 부유층만이 전기의 특혜를 누릴 수 있었다. 그러나 테슬라의 교류 발전소는 보다 먼 거리에 있는 수요자에게 전기 에너지를 쉽게 공급할 수 있었고, 그에 따라 전기 생산 단가를 낮춰 누구나 전기 에너지를 값싸게 이용할 수 있었다.

 

그렇다면 교류 발전에서만 변압이 가능하고, 직류에서는 변압이 가능하지 않는 까닭이 무엇일까?

이를 이해하려면 '전자기 유도'를 알아야만 한다.

 

gooseskin.tistory.com/92

[2015 개정 통합과학] 변압기