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#신재생에너지

신재생에너지는 두 가지로 나뉩니다: 신에너지와 재생에너지.

· 신에너지:

기존 화석연료를 변환하거나 수소, 산소의 화학 반응을 통해 전기나 열을 생성하는 에너지.

· 종류: 수소에너지, 연료전지, 석탄액화가스화 및 중질산사유 가스화

· 재생에너지:

태양, 물, 지열, 생물유기체 등 자연에서 재생 가능한 에너지를 변환하여 사용하는 에너지.

· 종류: 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오, 폐기물

에너지원별 설명

· 태양열:

태양에서 발생하는 열에너지를 이용하여 물을 데우거나 난방에 사용.

· 풍력:

바람의 힘으로 풍차를 돌려 전기를 생산하며, 주로 바람이 많이 부는 산이나 해안선에서 활용.

· 지열:

지구 내부의 열을 이용해 냉·난방에 활용. 여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 유지.

· 소수력:

높은 곳에서 떨어지는 물의 위치 에너지를 이용해 전기를 생산. 농업용 저수지 등 다양한 용도로 활용.

#ESS

에너지저장시스템(ESS)은 에너지를 효율적으로 저장하고 관리하는 시스템으로, 남는 전력을 저장해 두었다가 전력이 부족할 때나 필요할 때 공급하는 체계입니다. 이 시스템은 물리적 또는 화학적 방식으로 에너지를 저장한 후, 전력 수요에 맞춰 공급함으로써 전력 사용의 효율성을 높입니다.

에너지 저장에 사용되는 장치를 포함한 전체 시스템을 에너지 저장 시스템(ESS)이라 합니다.

ESS의 용도

에너지저장시스템(ESS)는 전력계통의 다양한 부분에서 설치 및 운영이 가능하며, 다음과 같은 기능을 수행합니다

· 주파수 조정(Frequency Regulation): 전력계통의 주파수를 안정적으로 유지.

· 신재생발전기 출력 안정화: 신재생에너지의 변동성을 완화하여 출력 안정화.

· 첨두부하 저감(Peak Shaving): 전력 수요가 높은 시간대에 전력 사용을 줄임.

· 부하평준화(Load Leveling): 전력 수요가 적을 때 저장하여 수요가 많을 때 공급.

· 비상전원: 정전 등 비상 상황에서 전력을 공급.

#태양광

태양광 에너지는 햇빛을 광전효과를 이용해 전기 에너지로 변환하는 에너지원입니다. 광전효과는 빛이 물질에 닿았을 때 전자가 방출되는 현상으로, 이 원리를 통해 태양광 발전 시스템은 별도의 발전기 없이 빛을 전기로 변환합니다.

· 태양전지:

태양광 발전 시스템의 기본 단위로, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

· 모듈(패널):

여러 개의 셀을 연결하여 일정한 전압과 전류를 발생시키는 장치.

· 인버터:

직류 전력을 교류로 변환하는 장치.

· ESS:

태양광 발전의 변동성을 보완하기 위해 전력을 저장하는 시스템.

태양광 발전의 장점

· 친환경성:

햇빛을 이용하므로 연료비가 없고, 발전 과정에서 대기오염이나 폐기물이 발생하지 않음.

· 긴 수명:

태양전지의 수명은 20년 이상으로 길며, 운영과 유지보수도 자동화 가능.

· 생산조절가능:

생산 전기량을 조절할 수 있고, 설치 부지의 제약이 적음.

한계점

· 일조량 변화:

날씨에 따른 일조량 변화가 전기 생산에 영향을 미침.

· 초기 비용:

초기 투자 비용과 발전단가가 높음

#풍력발전

풍력발전은 바람의 에너지를 풍력터빈을 이용하여 기계적 에너지로 변환하고, 이를 통해 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 이론적으로는 바람 에너지의 최대 59.3%를 전기에너지로 변환할 수 있지만, 실용 효율은 기계적 손실과 발전기 효율 등에 의해 20-40% 수준에 머무릅니다.

주요 특징

· 재생에너지:

풍력은 자원이 풍부하고 지속적으로 재생되며, 온실가스를 배출하지 않는 친환경 에너지입니다.

· 분산전원:

풍력발전은 바람이 불 때 수요와 관계없이 전력을 생산하므로, 분산형 전원으로 분류됩니다.

풍력발전 시스템 구성 요소

· 회전날개(블레이드): 바람의 에너지를 회전력으로 변환.

· 허브 시스템: 회전날개를 주축에 연결하는 장치.

· 증속기(기어박스): 회전속도를 증가시켜 발전기에 전달.

· 발전기: 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환.

· 피치 시스템: 날개의 각도를 조절하여 효율적인 에너지 변환을 지원.

· 요잉 시스템: 터빈을 바람 방향에 맞추는 장치.

· 타워 시스템: 나셀과 날개를 지탱하는 구조물.

풍력발전기 분류

· 회전축 방향: 수평축형과 수직축형으로 구분.

· 증속기 유무: 증속기형과 직결형.

· 출력 제어방식: 피치제어형, 실속제어형.

· 설치 장소: 육상풍력과 해상풍력.

역사

세계 최초의 자동 운전 풍력터빈은 1888년 미국에서 설치되었으며, 풍력 발전은 다양한 기술적 발전을 거쳐 현재까지 발전해 왔습니다. 수평축형과 수직축형 터빈의 설계 방식에 따라 다양한 발전기가 개발되었으며, 해상풍력과 같은 대규모 단지형 발전 기술도 발전하고 있습니다.

장점 및 한계

· 장점:

풍력발전은 자원이 풍부하고 환경에 미치는 영향이 적으며, 발전 과정에서 연료비가 들지 않음.

· 한계:

풍속 변화에 따른 전력 생산의 변동성, 초기 설치 비용, 유지보수의 복잡성.

풍력발전은 지속 가능한 에너지원으로서의 가능성을 넓히며, 화석연료 고갈에 대비한 중요한 대체 에너지원으로 자리 잡고 있습니다

#PLCs

1967년, 미국 GM은 자동차 조립 라인의 릴레이 제어반 교체 시 발생하는 비용과 시간을 절감하기 위해 시퀀스 전자제어장치의 10가지 조건을 발표함.

주요 조건

· 프로그램 작성 및 변경이 용이하고, 현장에서 쉽게 변경 가능

· 점검 및 보수가 용이하며 플러그인 방식 지원

· 릴레이 제어반보다 높은 신뢰성

· 크기가 더 작을 것

· 중앙 제어장치로 데이터 전송 가능

· 경제성 측면에서 릴레이 방식보다 유리

· AC 115V 표준 입력 지원
· AC 115V, 2A 출력으로 모터 기동 가능
· 시스템 변경 최소화하면서 확장 가능
· 4k Word 이상 프로그램 확장 가능
Medford사는 이를 기반으로 MODICON 084라는 장비를 개발, 세계 최초의 PLC로 탄생.

1970년대 이후 발전

· 1970년대 초, 마이크로프로세서 출현으로 기존 제어장치 성능 향상.

· PLC는 경제성, 신뢰성, 편의성 등 다양한 장점을 통해 자동차, 철강, 화학 등 대규모 산업에 빠르게 확산.

· PLC는 단순 시퀀스 제어를 넘어서 연산, 계수, 통신 기능을 포함한 컴퓨터 기능까지 확장됨.

· PLC는 로직 연산을 주요 기능으로 하여 PLC(Programmable Logic Controller)라 불리며, 이후 고급 연산 기능이 추가되면서 PC(Programmable Controller)로 불리기도 함. 그러나 개인용 PC(Personal Computer)와의 혼동을 피하기 위해 다시 PLC라는 명칭이 사용됨.

PLC의 적용 분야

· 자동화 설비와 고능률화 요구에 따라 소규모 공작기계부터 대규모 시스템 설비까지 광범위하게 적용.

· 공장 자동화, FMS 등에 따른 고기능화, 고속화로 다양한 산업 분야에 필수 기술로 자리잡음.

최근 동향

· DCS(분산제어시스템), HMI/SCADA, Database 통합 시스템이 주요 제품으로 출시되며, 대규모 플랜트에 적합한 솔루션으로 주목받고 있음.

· 중소규모 산업에서는 비용 효율성을 고려해 PLC 기반 시스템이 적합함.

#변압기

변압기(Transformer) 개요

· 변압기(Transformer)는 전압을 변환하는 기기이며, 교류 전력의 전압을 변형시키는 역할을 함.

· 영어로는 Transformer 또는 Trans라고 불리며, 일본에서 넘어온 용어인 "도란스" 대신 트랜스포머가 정확한 명칭.

· 구성: 실리콘 스틸 또는 비정질 철심과 구리선 권선으로 구성되어 있으며, 교류 전력에 의해 전자 유도 작용으로 전압을 변환함.

변압기의 원리

· 변압기는 철심에 두 개의 권선을 감고, 한쪽 권선에 교류 전압을 가하면 철심 내부에서 전자기 유도 현상이 발생. 이로 인해 다른 쪽 권선에서 교류 전압이 유도됨.

· 변압기는 전압을 변환할 수 있지만, 주파수는 변경할 수 없음.

변압기의 사용 이유

· 발전소에서 가정까지 전기를 보내기 위해 변압기가 필요함. 송전 시 전압이 낮으면 전력 손실이 크고 전선이 굵어져야 하기 때문에, 전압을 높여서 송전하고 도착지에서 다시 전압을 낮추는 방식이 사용됨.

전력 전송 과정

1. 발전소에서 약 11kV로 전기를 생산.

2. 변전소에서 765kV로 승압 후, 먼 거리를 송전.

3. 다시 345kV, 154kV로 강압.

4. 시내 변전소에서 22.9kV로 낮춘 후, 가정에 220V로 공급.

AC만 변압기에 사용되는 이유

· 변압기는 교류(AC)만 사용 가능. 직류(DC)는 자기장 변화가 없어 변압기에서 전압을 유도하지 못함.

· AC 송전의 장점: 변압기를 통해 쉽게 전압을 승압하거나 강압할 수 있어, 먼 거리 송전에 적합.

변압기의 구성 및 전압 변환 원리

· 구성 요소: 구리선과 철심.

· 작동 원리: 구리선에 전류가 흐르면 자기장이 형성되고, 철심을 통해 자기장이 이동하며 2차 코일에서 전압이 유도됨.

· 전압 변환: 1차 권선에 비해 2차 권선의 감은 수가 많으면 전압이 상승하며, 전력은 일정하므로 전류는 반비례해 감소함.

AC가 송전에 사용되는 이유

· AC는 변압기를 통해 쉽게 전압을 조정할 수 있으며, 이는 먼 거리 송전 시 효율성을 높임.

· 과거 에디슨과 테슬라의 논쟁에서, AC 방식이 전력 송전에 유리하다는 이유로 테슬라의 방식이 채택됨.

#통신

필드버스(Fieldbus) 개요

1.필드버스의 기원

· 필드버스(Fieldbus)는 산업용 기기와 컴퓨터 간 실시간 분산 제어를 위한 네트워크 프로토콜 집합을 의미함.
· 기원은 1940년대 SAMA의 공기압력 신호를 통한 제어 기술 또는 1960년대 IEC의 4~20mA 전기 신호로 거슬러 올라갈 수 있음.
· 1980년대 GM이 자사 제조 설비 자동화를 위해 개발한 MAP(Manufacturing Automation Protocol)을 필드버스의 시초로 보기도 함.

2. 필드버스의 발전

· 기존 제어 방식의 문제점인 복잡한 배선과 노이즈 문제를 해결하기 위해 직렬 통신 방식인 필드버스가 개발됨.
· 필드버스는 배선 단순화, 유연한 시스템 변경, 신속한 데이터 처리 등의 장점을 제공함.

3. 필드버스의 특징

· 디지털 데이터 전송으로 강한 잡음 내성.

· Multi-target/Multi-control이 가능.

· 설치 및 유지보수 용이.

· 신뢰성, 유연성, 확장성 증가.

· 스마트 센서를 사용한 분산화 가능.

· 양방향 통신으로 필드 기기 모니터링 및 제어 가능.

· 소프트 PLC 등 PC 기반 제어 기법의 기반 기술.

· 유지보수 비용 절감을 위한 주기적 센서 교정 지원.

필드버스의 종류

1. Modbus

· 1979년 미국 Modicon사에서 개발. 전 세계적으로 많이 사용됨.

· 통신 종류:

· Modbus Serial:

RS 232C, RS 422, RS 485 기반.

· Modbus Plus:

고속 통신용.

· Modbus TCP/IP:

인터넷 기반 통신.

OSI 계층: Modbus Serial과 Plus는 물리, 데이터 링크, 응용 계층으로 구성되며, TCP/IP는 추가적으로 네트워크, 전송 계층을 포함.

2. PROFIBUS

· 1987년 유럽 12개 회사가 연구 프로젝트로 시작, 독일 협회의 지원을 받아 발전함.

· FMS(1980년대), DP(1993년) 등의 표준을 통해 발전하여, 현재 PROFIBUS-DP가 세계 표준(IEC 61158)으로 제정됨.

주요 필드버스 표준

· Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, Controlnet, Fieldbus Foundation 등이 세계표준(IEC 61158)으로 제정됨.