개념 한 쪽
신·재생에너지발전 단원은 풍력·화력·수력·원자력 발전의 원리와 대표 계산을 함께 묻는다. 화력발전은 연료량과 효율을 수력발전은 저수량·낙차·효율로 출력과 발전 시간을 구한다. 원자력은 원자로 구성 재료가 각각 어떤 역할을 하는지 묻는 개념 문제가 나온다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「해양에너지 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 화력 연료량 계산 | 1 | 발전량과 발열량·효율로 필요 석탄량 구하기 |
| 수력 발전 시간 계산 | 1 | 저수량·낙차·효율로 총발전량과 가동 시간 구하기 |
| 원자로 재료 역할 구분 | 1 | 고속 중성자를 열중성자로 만드는 재료 가리기 |
풍력발전은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 방식이다. 연료 없이 자연에너지를 이용하는 신시스템으로 각광받으며 풍차는 회전축 방향에 따라 수평축과 수직축으로 분류된다. 대용량 발전에는 프로펠러형과 다리우스형 풍차가 쓰인다. 입지 선정은 풍향과 풍속이 좌우하므로 연평균 풍속이 확보되는 곳에 설치해야 경제성이 있다.
화력발전소의 연료량 계산은 두 단계로 고정된다. 먼저 전력량을 열량으로 바꾸는데 1kWh = 860kcal 환산이 열쇠다. 다음으로 필요 석탄량 = 발전량(kWh) × 860 ÷ (발열량 × 효율)로 구한다. 효율은 나누어야 하고 곱하면 안 된다. 효율 25%는 석탄 열량의 4분의 1만 전기가 된다는 뜻이다.
수력발전은 높은 곳의 물이 떨어지며 가진 위치에너지로 전기를 만든다. 출력은 P[kW] = 9.8 × Q × H × η로 계산하며 Q는 사용수량(m³/s) H는 유효낙차(m) η는 합성효율이다. 총 발전량(kWh)은 9.8 × 물의 양(t) × 낙차(m) × 효율 ÷ 3600으로 구하고 발전기 출력으로 나누면 가동 시간이 나온다. 1m³의 물은 약 1t이고 kWh를 구하려면 반드시 3600으로 나눈다.
원자로에서 U235가 핵분열하면 고속 중성자가 나오는데 U235는 느린 열중성자를 맞아야 잘 분열한다. 그래서 중성자 속도를 줄여 주는 감속재가 필요하며 경수·중수·흑연 같은 소재를 쓴다. 감속재와 역할이 다른 재료도 구분해야 한다. 냉각재는 분열열을 식히고 제어재(제어봉)는 중성자를 흡수해 출력을 조절한다. 카드뮴(Cd)은 중성자 흡수 단면적이 커서 제어봉 재료로 쓰인다.
화력발전 연료량 계산 — 1kg당 5000kcal의 열을 내는 석탄을 쓰고 종합효율 25%인 발전소에서 10억kWh를 발생시키려면: 10⁹kWh × 860 = 8.6×10¹¹ kcal이고, 8.6×10¹¹ ÷ (5000 × 0.25) = 6.88×10⁸kg = 688,000톤이다. 효율을 곱하면 엉뚱한 값이 나오니 방향에 주의한다.
수력발전 시간 계산 — 유효저수량 100,000m³(약 100,000t), 평균 유효낙차 100m, 출력 5000kW, 합성효율 90%일 때: W = 9.8 × 100,000 × 100 × 0.9 ÷ 3600 ≈ 24,500kWh이고 시간 = 24,500 ÷ 5,000 = 4.9 ≈ 5시간이다. 효율 곱셈이나 ÷3600을 빠뜨리면 오답이 된다.
평균 발열량 5000kcal/kg의 석탄을 이용하여 종합효율 25%의 열효율을 내는 화력발전소가 있다. 이 발전소에서 10억kWH의 전력량을 발생시키려면 석탄의 양은 몇 톤이 필요하겠는가?
정답 ④ · 필요한 석탄의 양을 계산하기 위해서는 발생시킬 에너지와 연료의 발열량, 효율을 고려해야 합니다. 먼저 목표 전력량인 10억 kWh를 열량 단위로 변환합니다.
필요 연료량 = 발전량(kWh)×860 ÷ (발열량×효율), 1kWh = 860kcal 환산이 열쇠.
유효저수량 100000m³, 평균 유효낙차 100m, 발전기출력 5000kW 1대를 유효저수량에 의해서 운전할 때 약몇 시간 발전할 수 있는가? (단, 수차 및 발전기의 합성효율은 90%이다.)
정답 ④ · 수력 발전에서 가능한 발전 시간을 계산하는 문제입니다. 수차 및 발전기의 합성 효율을 90%라 했으므로, 수력의 위치 에너지가 전력으로 변환될 때 90%만 유효하게 사용됩니다.
수력 총발전량 W = 9.8×Q×H×η÷3600 [kWh], 발전 시간 = W ÷ 출력(kW).
원자로에서 U235의 핵분열시 방출되는 고속 중성자를 열중성자로 만들기 위하여 사용되는 것은?
정답 ② · 문제는 원자로에서 핵분열로 생성되는 고속 중성자를 열중성자로 감속시키는 물질을 묻는다. 고속 중성자는 반응성 유발을 위해 열중성자로 낮춰야 하며 이 역할을 하는 것이 감속재로서 중수, 경수, 흑연 등이 해당한다.
U235 핵분열의 고속 중성자를 열중성자로 늦춰주는 것이 감속재(경수·중수·흑연)이다.
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