송전 문제로 찾아 주시거나 질문 주시는 분이 많아 보여서 따로 정리하기로 했습니다. 송전 문제가 이해 안되는 것은 대부분 상황에 따른 오해때문입니다. 설명 자료가 길게 설명하지 않고 간단히 설명하려고 짧은 글로 써두기 때문에 읽을 때 오해가 생기기 쉽기 때문입니다. 저도 처음 들었을 때 오해해서 오래동안 생각했던 경험이 있습니다.
> EBS YouTube 자료 중에 ‘[03:30]송전선 손실 전력 줄이는 방법’ 란 부분도 도움이 되실것입니다.
교류가 전력손실이 작은 이유
전력 손실을 줄이기 위해서는 전압을 높여야 합니다. 전압을 높이면 송전과정 속에서 일어나는 전력 손실을 줄일 수 있습니다. 직류를 쓰면 전압을 올리고 내리는데 힘듭니다. 교류는 변압기를 사용하면 쉽게 전압을 올리고 내릴 수 있습니다. 그래서 교류 송전이 전력 손실을 줄이는데 유리한 것입니다. 교류자체가 전력손실이 작은 것은 아닙니다.
제가 전해 들은 이야기로는 최근에는 직류의 전압변압 기술이 좋아지고 있어 직류로 송전하는 것도 연구 중이랍니다. 전압만 마음대로 올릴 수 있다면 최대 전압은 직류쪽이 낮기때문에 같은 전선으로 직류가 전압을 더 높일 수 있기때문입니다. 하지만 지금 당장 전체를 바꿀만큼 싼 게 아니니까 교류를 그대로 쓰고 있는 것이겠지요.
이 주제는 아주 오래 전 [에디슨과 테슬라의 전류전쟁]이란 이름으로도 유명한 주제입니다. 최근에는 영화로도 소개된 것으로 알고 있습니다.
전압을 높이면 송전과정 속에서 일어나는 전력 손실을 줄일 수 있는 이유
소비 전력 P = IV = I^2 * R = V^2 / R 이라는 식에 넣어 보면 V 가 커지면 소비 전력이 더 커집니다. 그런데 전력 손실이 더 작다니 말이 안된다고 생각하는 것이지요. 이것도 오해입니다.
송전을 하면 발전소에서 보내는 전력량은 가정/공장에서 필요에 의해서 소모하는 전력 이외에도 송전을 위한 전선에서 소모되는 전력도 있습니다. 송전선에서 소모되는 전력을 손실이라고 말하는 것입니다.
전압을 높이면 송전선에서 소모되는 전력을 줄일 수 있다는 것입니다.
송전선에서 소모되는 전력을 구할 때 사용하는 값들은 R은 송전선의 저항, I는 송전선에 흐르는 전류, V 는 송전선 양단에 걸린 전압입니다. 송전할 때의 전압이 220V 라고 할 때 대부분은 우리가 사용하는 전기 장치에 전압이 걸리게 됩니다. 전선의 저항이 낮기 때문에 전선의 양단에 걸리는 전압은 아주 낮습니다.
이렇게 설명하더라도 이해가 안됩니다. 왜냐면 전압을 올리면 전류도 늘어나기 때문에 송전선에서 소모되는 전력 또한 늘어나고, 송전선 양단에 걸린 전압도 늘어납니다. 그런데, 왜 전력손실을 줄일 수 있다고 말하는지 이해가 안되는 것입니다.
여기선는 ‘가정/공장에서 필요에 의해서 소모하는 전력’이 동일하다는 가정이 들어 있기 때문입니다. 110V 를 쓰든 220V 를 쓰든 믹서기로 갈아야하는 음식의 양은 동일하고, 히터를 쓴다면 히터로 유지하려는 온도는 같다는 가정이 들어 있습니다. 즉 할일, 써야하는 에너지양은 동일하므로 소비전력이 일정하면 전압이 올라간다면 전류를 줄일 수 있습니다. (그러기 위해서는 당연히 전압에 따라 저항이 다른 장비를 써야합니다. 전압이 두배가 된다면 저항은 네배가 되는 장비를 쓰는 것입니다.) 필요에 따라 사용하는 전력이 동일하다면 전압을 두배로 올리더라도 전류는 절반만 사용해도 되고( 장비의 저항은 4배가 되는 것을 써야합니다.) 그래서, 송전선에 흐르는 전류는 절반이 되지만, 송전선의 저항을 바꾸는 것이 아니므로 송전선 양단에 걸리는 전압은 절반이 됩니다. 따라서, 송전선에서 소모되는 전력의 양이 줄어 들게 됩니다.
> 이 주제를 학교 교과서에서 다루는 이유는 아마도 우리나라의 가정용 전기의 전압을 110V에서 220V 로 올리면서 그 타당성을 얻기 위한 것으로 보입니다. 과학적으로 전력 손실을 줄이는 것은 분명합니다. 그래서, 기존 전선을 그대로 두고도 더 많은 전력을 쓸 수 있게 되었으니 비용을 절감했을 것입니다. 그러나, 그 과정속에서 가전제품을 220V 가 되는 것으로 모두 바꾸어야 했습니다. 무엇보다도 안전에 대한 위험은 커졌습니다. 110V에 감전당하고 220V에도 감전당해본 경험으로는 220V 보다 더 높아지면 죽을 수도 있겠구나라는 생각이 듭니다. 경제적 효율성도 중요하지만, 전압을 올리는 결정을 할 때 안전에 대한 고민도 했을 거라고 믿고 싶습니다. 과학자든 공학자든 자신이 하는 일이 사회에 미치는 영향이 무엇인지 항상 고민하면서 살아야 할 것입니다.
최대 전력 전달 문제
동일한 전원에서 전선의 저항이 R 로 일정할 때 사용하는 장치의 최대의 전력은 얼마일까요?
같은 문제 조건이라 알아 두면 좋을 것 같아 소개합니다. 예들 들어 3V 의 건전지가 있고, 저항이 R 인 전선을 모터(직류 모터)에 연결할 때, 모터의 저항은 얼마가 되어야 가장 많은 전력을 소모할 수 있을까요? 즉, 일을 많이 할 수 있을까요?
답은 모터의 저항이 전선의 저항과 같은 값( 여기서는 R )인 경우 입니다.
모터의 저항이 커지면 모터에 걸리는 전압은 커지지만, 전체 저항 (전선의 저항 + 모터의 저항) 이 커져서 전류값이 작아집니다. 거꾸로, 모터의 저항이 작아지면 전체 저항값이 작아지면서 전류값이 커지지만 모터에 걸리는 전압이 작아집니다. 결과적으로 모터의 저항이 딱 R 인 경우 모터의 소비전력(=모터에 걸린 전압 X 모터에 흐르는 전류값)이 최대가 됩니다.
> 나중에 미분을 배우면 이 값을 아주 쉽게 찾을 수 있습니다.
> 교류의 경우 임피던스 매칭이란 개념이 있습니다. 나중에 이 개념을 이해하는데 도움이 될 것입니다.
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