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전기기사 전력공학 · 신재생에너지발전

Renewable Energy Generation

신재생 에너지 발전은 연료를 태우지 않고 햇빛 · 바람 · 수소 같은 에너지를 전기로 바꾼다. 태양광 출력은 일사량 · 모듈 면적 · 효율의 곱 P = GAη 이고, 풍력 출력은 풍속의 세제곱에 비례하며 바람 에너지의 16/27(Betz 한계)을 넘지 못한다. 날씨에 따라 출력이 크게 바뀌어, 계통 연계와 발전량 예측을 함께 다뤄요. 일사량 · 면적 · 효율 슬라이더로 태양광 출력을, 풍속 · 로터 지름 슬라이더로 풍력 출력과 Betz 한계를 바꿔 볼 수 있어요.

신재생 에너지가 시험에 나오는 까닭

🔍 출제 배경
①태양광 · 풍력 설비가 빠르게 늘면서 시험에도 자주 나온다
②태양광은 직류로 발전해 인버터를 거쳐 계통에 연계하며, 출력 계산이 핵심이다
③풍력은 출력이 풍속의 세제곱에 비례한다는 관계와 Betz 한계가 주로 나온다
④연료전지는 화학 에너지를 바로 전기로 바꾸며, 효율 공식을 따로 알아 둬야 해요

태양광 발전 출력 계산

800 W/m²
50 m²
18%
태양광 출력
P = G × A × η [W]
G 는 일사량[W/m²], A 는 모듈 면적[m²], η 는 모듈 효율이다.
💡 실기 계산
①표준 시험 조건(STC)은 일사량 G = 1,000 W/m², 셀 온도 25 °C, 대기 질량 AM 1.5 다
②100 W 모듈 50 장(5 kW)의 설비 이용률이 15% 이면 하루 발전량은 5 × 24 × 0.15 = 18 kWh 다
③셀 온도가 1 °C 오를 때마다 출력이 약 0.4% 줄어, 여름에는 실제 출력이 떨어져요

풍력 발전 출력과 Betz 한계

8 m/s
60 m
풍력 에너지
P = 12ρAv³ [W]
ρ 는 공기 밀도(1.225 kg/m³), A = πD²/4, v 는 풍속[m/s]이다.
Betz 한계
Cpmax = 1627 ≈ 0.593
이론상 바람 에너지의 최대 59.3% 까지만 회전 에너지로 꺼낼 수 있어요.
🔑 그림에서 볼 것
①풍속이 두 배가 되면 출력은 여덟 배가 된다(v³ 비례). 그래서 바람이 센 자리를 고르는 일이 경제성을 좌우한다
②Betz 한계 16/27 ≈ 59.3% 는 물리적 상한이고, 실제 풍력기의 Cp 는 0.35 ~ 0.45 쯤이다
③발전을 시작하는 풍속(cut-in, 약 3 m/s), 정격 풍속(약 12 m/s), 멈추는 풍속(cut-out, 약 25 m/s)을 구분해요

연료전지와 기타 신재생 에너지

연료전지의 원리
H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열
수소와 산소의 전기 화학 반응으로, 태우지 않고 바로 전기를 만든다.
연료전지 효율
η = ΔGΔH ≈ 40~60%
ΔG 는 깁스 자유 에너지, ΔH 는 엔탈피 변화예요.
💡 종류별 비교
①PEMFC(고분자 전해질형): 80 °C 안팎의 저온형으로 자동차 · 가정용에 쓰고, 기동이 빠르다
②SOFC(고체 산화물형): 1,000 °C 안팎의 고온형으로 발전용에 쓰고, 효율이 높다
③MCFC(용융 탄산염형): 650 °C 안팎의 고온형으로 대형 발전에 쓰고, 연료를 안에서 개질할 수 있어요
💡 기타 신재생 에너지
①지열: 땅속 열을 쓴다. 발전은 지하의 증기 · 열수로 터빈을 돌리고, 냉난방은 히트 펌프(COP 3 ~ 5)로 한다
②바이오: 바이오매스를 태우거나 발효시켜 발전하며, 탄소 중립 연료로 본다
③해양: 조력(밀물 · 썰물의 수위 차), 파력(파도), 조류(밀물 · 썰물 때 물의 흐름)가 있고, 조력 · 조류는 미리 예측하기 쉽다
④수소: 물을 전기 분해해 수소를 만들어 두었다가 쓰는 방식(Power-to-Gas)으로, 긴 기간 저장에 맞아요

시험 총정리

태양광 출력
P = G·A·η
[W], STC 기준
풍력 출력
P = 12ρAv³·Cp
Betz: Cp≤16/27
설비 이용률
CF = W실제P정격 × 8760
1년 기준 [%]
연료전지
η = ΔGΔH
화학 에너지 → 전기 직접 변환
🎯 시험 포인트
①태양광: P = G·A·η 공식과 STC 조건(1,000 W/m², 25 °C, AM 1.5)
②풍력: 출력의 v³ 비례와 Betz 한계 16/27 ≈ 59.3%
③연료전지 종류: PEMFC · SOFC · MCFC · PAFC 의 작동 온도와 용도 비교가 나온다
④실기 발전량 계산: 설비 용량 × 24 h × 설비 이용률 × 일수, 또는 일사량 × 면적 × 효율 × 일수
⑤계통 연계: 역조류 방지, 단독 운전 검출, 역률 기준(0.9 이상) 등은 전기설비기술기준 과목과 이어져요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 300 W 태양광 모듈 100 장, 설비 이용률 15% 일 때 하루 발전량[kWh]은? (답: 300 × 100 × 24 × 0.15/1,000 = 108 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%)
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