신재생에너지발전

Renewable Energy Generation

신재생 발전은 태양광·풍력처럼 연료 연소 없이 자연 에너지를 전기로 바꾸는 발전이에요. 태양광 출력은 일사량·면적·효율에, 풍력은 풍속의 세제곱과 Betz 한계에 묶여요. 출력 변동이 커서 계통과의 연계·예측이 이슈예요. 일사량·면적·풍속 슬라이더로 출력이 어떻게 스케일되는지 확인해 봐요.

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%

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

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%)