전력공학›발·변전 일반

신재생에너지발전

Renewable Energy Generation

신재생에너지, 왜 출제되는가

🔍 출제 배경

①정부 에너지전환 정책 → 태양광·풍력 비중 급증 → 시험 비중도 증가

②태양광: 직류 발전 → 인버터 → 계통연계, 출력 계산이 핵심

③풍력: P ∝ v³ (풍속 세제곱) 관계와 Betz 한계가 주요 출제 영역

④연료전지: 화학에너지 → 전기, 효율 계산 공식 별도 암기 필요

태양광 발전 출력 계산

일사량800 W/m²

모듈 면적50 m²

모듈 효율18%

일사량·면적·효율 변화에 따른 태양광 발전 출력 시각화

태양광 출력

P = G × A × η [W]

G: 일사량[W/m²], A: 모듈면적[m²], η: 모듈효율

💡 실기 핵심 포인트

①표준시험조건(STC): G = 1000 W/m², 셀 온도 25°C, AM 1.5

②"100W 모듈 50장, 일사량 5kWh/m²/일, 이용률 15%" → 일간 발전량 = 100×50×5×0.15/1000

③온도계수: 셀 온도 1°C 상승 시 출력 약 0.4% 감소 → 여름 실출력 ↓

풍력발전 출력과 Betz 한계

풍속 v8 m/s

로터 직경 D60 m

풍속·로터직경 변화에 따른 풍력발전 출력과 Betz 한계 비교 시각화

풍력 에너지

P = 12ρAv³ [W]

ρ: 공기밀도(1.225 kg/m³), A=πD²/4, v: 풍속[m/s]

Betz 한계

Cp_max = 1627 ≈ 0.593

이론상 풍력에너지의 최대 59.3%만 전기로 변환 가능

🔑 핵심 관찰

①풍속이 2배 → 출력 8배 (v³ 비례) — 풍속 선정이 경제성의 핵심

②Betz 한계 16/27 ≈ 59.3% — 물리적 상한, 실제 Cp ≈ 0.35~0.45

③Cut-in(~3m/s) / 정격(~12m/s) / Cut-out(~25m/s) 풍속 구분 필수

연료전지와 기타 신재생에너지

연료전지 원리

H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열

수소와 산소의 전기화학 반응, 연소 없이 직접 전기 생산

연료전지 효율

η = ΔGΔH ≈ 40~60%

ΔG: 깁스자유에너지, ΔH: 엔탈피 변화

💡 종류별 비교

①PEMFC(고분자전해질): 저온(~80°C), 자동차·가정용, 빠른 기동

②SOFC(고체산화물): 고온(~1000°C), 발전소용, 높은 효율

③MCFC(용융탄산염): 고온(~650°C), 대형 발전, 내부 개질 가능

💡 기타 신재생에너지 요약

①지열: 지하 열원 이용, 히트펌프 원리, COP 3~5

②바이오: 바이오매스 연소/발효 → 발전, 탄소중립 연료

③해양: 조력(조수간만), 파력(파도), 조류(해류) — 예측 가능성 높음

④수소에너지: 수전해(물→H₂+O₂), Power-to-Gas, 장주기 저장

시험 총정리

태양광 출력

P = G·A·η

[W], STC 기준

풍력 출력

P = 12ρAv³·Cp

Betz: Cp≤16/27

설비이용률

CF = W_실제P_정격 × 8760

연간 기준 [%]

연료전지

η = ΔGΔH

화학→전기 직접변환

🎯 시험 포인트

①태양광: P = G·A·η 공식 + STC 조건(1000W/m², 25°C, AM1.5) 암기

②풍력: v³ 비례 관계 + Betz 한계 16/27 ≈ 59.3% 는 필수 암기

③연료전지 종류: PEMFC/SOFC/MCFC/PAFC 온도·용도 비교표 출제

④실기: 태양광 발전량 계산(일사량×면적×효율×이용률×일수) 핵심

⑤계통연계: 역조류 방지, 단독운전 검출, 역률 기준(0.9 이상) 등 st/ 과목과 연계

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 300W 태양광 모듈 100장, 일일 일조시간 4시간, 설비이용률 15%일 때 하루 발전량[kWh]은? (답: 300×100×4×0.15/1000 = 18 kWh)

②[기출유형] 풍속 10m/s, 로터 직경 40m, 공기밀도 1.225kg/m³일 때 Betz 한계 출력은? (답: ½×1.225×π×20²×10³×16/27 ≒ 456 kW)

③[기출유형] Betz 한계의 이론값 Cp_max는? (답: 16/27 ≈ 0.593 = 59.3%)