개념 한 쪽
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전 방식이다. 발전소의 효율은 넣어 준 열량과 얻어낸 전력량의 비로 따진다. 이 개념은 효율 계산과 발전 설비의 흐름을 함께 묻는다.
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출제기준 단원 「연료전지」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연료량과 효율로 열효율 계산 | 1 | 발열량과 연료량, 발전량을 주고 열효율을 구하게 한다 |
| 랭킨사이클 엔탈피로 효율 계산 | 1 | 급수와 과열증기, 배기 엔탈피로 사이클 효율을 구하게 한다 |
| 수차 특유속도의 성질 판단 | 1 | 특유속도가 클 때 나타나는 특성을 가리게 한다 |
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전 방식이다. 연료를 태워 열을 얻고 그 열로 터빈을 돌리는 방식과 달리, 화학 반응에서 곧바로 전기를 얻는다.
발전소의 성능은 열효율로 비교한다. 열효율은 얻어낸 전력량을 열로 환산한 값이 투입한 연료의 총열량에서 차지하는 비율이다. 전력량은 1kWh를 860kcal로 환산해 열량과 같은 단위로 맞춘다.
연료의 총열량은 단위 발열량에 연료량을 곱해 구한다. 연료량을 톤으로 주면 킬로그램으로 바꾸어 대입한다. 이때 톤을 킬로그램으로 바꾸는 환산을 빠뜨리면 효율이 크게 어긋난다.
발전 설비는 급수와 증기가 정해진 순서로 흐른다. 급수는 절탄기에서 예열되어 보일러로 들어가 증기가 되고, 과열기에서 더 가열된 뒤 터빈을 돌리고, 복수기에서 다시 물로 돌아온다.
수력과 화력 설비의 계산도 함께 다룬다. 수력 출력은 사용수량과 유효낙차에 효율을 곱해 구하고, 화력은 연료의 열량과 효율, 860 환산으로 전력량을 구한다. 랭킨사이클의 열효율은 터빈에서 얻는 일을 보일러가 공급한 열로 나누어 구한다.
효율 계산 문제는 단위 환산을 빠뜨리게 만든다. 발전량에 860을 곱하지 않거나 연료량의 톤을 킬로그램으로 바꾸지 않으면 엉뚱한 값이 나온다. 분자와 분모에 무엇이 들어가는지 자리만 지키면 값은 따라온다.
설비 흐름 문제는 절탄기의 위치를 흔든다. 절탄기는 보일러 입구에서 급수를 예열하는 장치이므로, 이것이 첫 자리라는 사실 하나로 순서가 정해진다. 터빈과 복수기의 순서를 뒤바꾼 선지도 함정이 된다.
수력 출력 문제는 손실낙차를 빼지 않게 만든다. 총낙차에서 손실률만큼 덜어낸 유효낙차를 써야 하고, 손실률은 빼기가 아니라 1에서 뺀 값을 곱해 처리한다.
발열량 5500kcal/kg의 석탄 10ton을 연소하여 24000kWh의 전력을 발생하는 화력발전소의 열효율은 약 몇 % 인가?
정답 ④ · 열효율은 발생 전력에너지를 투입 연료의 열량으로 나눈 백분율입니다. 투입 열량은 발열량(5500kcal/kg) × 연료량(10ton=10000kg)이며, 1kWh는 860kcal에 해당합니다.
열효율 = 발전량×860 ÷ (발열량×연료량), 24000×860/5500만 ≈ 37.5%.
급수의 엔탈피 130kcal/㎏, 보일러 출구 과열증기 엔탈피 830kcal/㎏, 터빈 배기 엔탈피 550kcal/㎏인 랭킨사이클 의 열사이클 효율은?
정답 ② · 랭킨사이클의 열효율은 터빈에서 발생하는 일과 보일러에서 공급받은 열량의 비로 계산됩니다. 터빈에서 발생하는 일은 (830 - 550) = 280[kcal/kg]이며, 보일러에서 가하는 열량은 (830 - 130) = 700[kcal/kg]입니다.
랭킨사이클 열효율은 터빈 일÷보일러 공급열 = (830-550)/(830-130) = 0.4이다.
수차의 특유속도에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ④ · 수차의 특유속도(비속도)는 수차의 형상과 유속, 회전 속도 등과 관련된 고유 값입니다. 특유속도가 높다는 것은 같은 낙하와 출력 조건에서 수차의 회전 속도가 빠르다는 것을 의미하며, 이는 곧 수차 러너와 유수 간의 상대 속도가 빠르다는 것을 뜻합니다.
특유속도가 높으면 같은 낙차·출력에서 회전이 빨라 러너와 유수의 상대속도도 빠르다.
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