개념 한 쪽
태양열은 전력공학의 발·변전 일반 아래 신재생에너지발전에 놓인 개념이다. 이 카드의 재료는 태양열 자체의 세부 구조보다 신재생에너지발전과 수력·화력·원자력 발전에서 쓰는 자원 조건, 곡선, 출력 환산을 함께 제시한다. 따라서 발전 방식의 이름과 계산에 쓰는 기준값을 구분해 익힌다.
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출제기준 단원 「태양열」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 적산유량곡선의 용도 | 1 | 댐 설계와 저수지 용량 결정에 쓰는 곡선을 가리기 |
| 석탄 발전량 환산 | 1 | 석탄 발열량과 효율로 전력량을 계산하기 |
| 수력 출력 계산 | 1 | 유효낙차와 효율을 반영해 발전기 출력을 구하기 |
태양열은 전력공학의 발·변전 일반 중 신재생에너지발전에 속한 개념이다. 재료는 태양열의 세부 원리를 직접 설명하지 않고, 신재생에너지발전과 수력·화력·원자력 발전의 기본 원리와 계산을 제시한다. 이 점을 먼저 알고 카드의 범위를 잡는다.
신재생에너지발전에서는 자원 조건이 입지와 경제성을 좌우한다. 재료는 풍력에서 풍향과 풍속이 입지 선정의 핵심 조건이라고 설명한다. 절대 표현으로 자원 조건과 무관하다고 하는 설명은 틀린 판단이 된다.
수력발전에서는 적산유량곡선이 댐 설계와 저수지 용량 결정에 쓰인다. 유량을 시간에 따라 누적해 발전 소요 수량과 비교하는 자료라는 점을 기억한다. 유활곡선은 연중 수량 변화로 하천 상태를 파악하는 그림이고, 수위-유량곡선은 수위로 유량을 추정하는 그림이라 용도가 다르다.
화력발전 계산에서는 1kWh가 860kcal에 해당한다는 환산값이 기준이 된다. 석탄의 총발열량에 효율을 곱한 뒤 860으로 나누어 전력량을 구한다. 열효율을 구할 때는 발전량에 860을 곱한 값을 연료의 총열량으로 나눈다.
수력발전 출력은 9.8 × 사용수량 × 유효낙차 × 수차효율 × 발전기효율로 구한다. 총낙차에서 손실낙차를 뺀 유효낙차를 먼저 구해야 한다. 손실률은 빼기가 아니라 1에서 손실률을 뺀 값을 곱하는 방식으로 처리한다.
원자로에서는 고속 중성자를 열중성자로 늦추는 감속재가 쓰인다. 경수·중수·흑연이 감속재의 예이고, 냉각재는 분열열을 식히며 제어재는 중성자를 흡수해 출력을 조절한다. 감속, 냉각, 제어의 역할을 구분해 익힌다.
적산유량곡선은 유량을 시간에 따라 누적해 그린 곡선이다. 발전에 필요한 일정한 물 사용량을 빼고 분석하면 저수지 용량을 계산할 수 있어 댐 설계와 저수지 용량 결정에 쓰인다. 유활곡선이나 수위-유량곡선과 용도를 바꾸어 판단하면 틀린다.
석탄 1톤의 발열량이 5,000kcal/kg이고 효율이 20%이면 총발열량 5,000,000kcal에 0.2를 곱해 1,000,000kcal를 얻는다. 이를 860으로 나누면 약 1,160kWh가 된다. 효율을 곱하지 않으면 약 5,800kWh가 나오므로 효율 적용 여부를 확인한다.
낙차가 300m이고 매초 20m³를 흘려보내는 수력발전소에서 수차효율 90%, 발전기효율 98%, 손실낙차 6%를 가정한다. 유효낙차는 300 × 0.94 = 282m이고, 출력은 9.8 × 20 × 282 × 0.9 × 0.98 ≈ 48,750kW, 약 49MW가 된다. 낙차 300m를 그대로 쓰면 약 52MW가 나오므로 손실 처리부터 한다.
수력발전소의 댐의 설계 및 저수지 용량 등을 결정하는데 사용되는 것은?
정답 ④ · 문항은 댐 설계와 저수지 용량 결정을 위해 사용되는 곡선을 묻고 있다. 저수지 용량 산정에는 시간에 따라 유량을 누적한 적산유량곡선(cumulative flow hydrograph)을 사용하여 필요한 저수량을 산정한다.
댐 설계와 저수지 용량 결정에는 유량을 시간에 따라 누적해 그린 적산유량곡선을 사용한다.
화력발전소에서 1톤의 석탄으로 발생시킬 수 있는 전력량은 약 몇 KWh 인가? (단, 석탄 1Kg의 발열량은 5,000 kcal, 효율은 20%이다.)
정답 ③ · 문항은 석탄 1톤으로 화력발전소에서 발생할 수 있는 전력량을 계산하는 문제이다. 계산식은 발전량[kWh] = (질량(kg) × 발열량(kcal/kg) × 효율) ÷ 860이다.
발전량 = 석탄 총발열량 × 효율 ÷ 860kcal, 즉 5,000,000×0.2÷860 ≈ 1,160kWh → ③
총낙차 300m, 사용수량 20m³/s인 수력발전소의 발전기 출력을 약 몇 [MW]인가? (단, 수차 및 발전기효율은 각각 90%, 98%이고 손실 낙차는 총낙차의 6%라 한다.)
정답 ① · 문제는 유효낙차와 효율을 고려해 수력발전기의 출력을 구하는 문제이다. 먼저 손실 낙차 6%를 빼어 유효낙차 H = 300×0.94 = 282 m로 정하고, P(kW)=9.8×Q×H×η수차×η발전기 = 9.8×20×282×0.9×0.98을 계산하면 약 48,750 kW ≈ 49 MW가 된다.
수력 출력 P = 9.8QHη[kW]이며, H는 손실을 뺀 유효낙차(총낙차 × (1 − 손실률))다.
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