재생에너지는 기계, 항공, 화공, 토목, 전기, 전자, 컴퓨터, 환경, 재료, 물리, 지구과학, 해양, 자원, 정치, 경제 등의 여러 분야에 연관된 학제간(interdisciplinary)의 주제로, 통합적으로 다루어야 하는 분야가 너무나 광대하다. 또한 이러한 에너지는 최근에 새롭게 시작된 것은 아니지만, 계속해서 그 적용 기술과 기본 기술이 발전하고 있는 상황이다.
본서는 기존의 저서인 ‘신재생에너지 2판’을 근간으로, 최신 자료를 포함하여 대폭 수정하였다. 저자가 연구하였던 기술 자료, 1999년 이래 매해 개설하여 학부에서 강의하는 ‘에너지 변환’ 과목과 대학원의 ‘에너지 변환 및 발전공학’ 등의 강의자료, 미국 에너지부(Department of Energy) 산하의 국립재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory), 한국에너지기술연구원, 에너지관리공단 등의 홈페이지, 이와 관련된 웹사이트 등을 통하여 입수한 기술문서, 국제에너지기구(IEA)의 통계자료를 참고하여 정리하였다.
본서는 ‘제로 에너지 하우스 개론’, ‘신재생에너지 1판’, ‘신재생에너지 2판’을 저술하신 고 윤천석 교수님의 유지를 이어받아 두 따님이 완성한 개정판이다. 비록 아버지와 동일한 전공을 MIT에서 전공하였다고는 하나 논문이 아닌 하나의 책을 완성하는 일은 분명 쉽지 않은 일이었을 것이다. 하지만 MIT측에서 제공한 여러 자료들, 그리고 본인들이 연구하고 축적한 데이터, 무엇보다 두 따님의 공학자적인 열정이 끝내 열매를 맺었다고 할 것이다.
본서는 2판과 대비하여 많은 부분에서 수정과 보완이 되었으며, 새로운 통계치의 반영, 본문 속의 예제와 연습문제에 대한 대폭 확충이 이루어졌다. 특히 재생에너지 중에 태양열에너지, 풍력에너지, 지열에너지, 해양에너지, 바이오매스에너지, 연료전지, 스마트그리드와 신재생에너지 저장 및 운송 등을 보강하였다.
따라서 전공자 뿐만 아니라 공학 분야 외의 비전공자를 포함하는 학부 수준의 학생들이 재생에너지의 기본적인 지식을 함양하는데 크게 도움이 될 것이다.
CHAPTER 01 재생에너지서론 Renewable Energy
1.1 재생에너지(Renewable Energy)
1.2 화석연료(Fossil Fuel)
1.2.1 석탄(Coal)
1.2.2 석유(Petroleum)
1.2.3 천연가스(Natural Gas)
1.2.4 원자력(Nuclear Energy)
1.3 환경문제
1.3.1 오존층 파괴
1.3.2 기후
1.3.3 지진
1.4 재생에너지의 중요성
1.5 재생에너지 시장
1.6 재생에너지의 경제적 고려와 향후 전망
1.6.1 세계 에너지 수요와 경제 전망
1.6.2 에너지원별 세계 에너지 소비량 전망
1.6.3 개발도상국의 재생에너지 효용
1.7 신재생에너지 및 환경 기후 정책
1.7.1 교통 및 도시
1.7.2 환경 기후 정책
1.8 스마트 그리드(Smart Grid)
1.9 신재생에너지 저장 및 운송
CHAPTER 02 태양광 Solar Thermal Power
2.1 빛
2.1.1 파장, 주파수, 에너지
2.1.2 직접광(direct sunshine)와 확산광(diffusion sunshine)
2.1.3 일사(insolation)
2.2 태양전지 (PV: photovoltaics 또는 solar cell)
2.2.1 역사
2.2.2 작동원리
2.2.3 셀(cell)과 배열(array)
2.3 태양전지 재료
2.3.1 밴드 갭(band gap) 에너지
2.3.2 실리콘
2.3.3 비정질 실리콘
2.3.4 다결정 박막(Polycrystalline Thi...n Film)
2.3.5 갈륨아세나이드(Gallium Arsenide: GaAs)
2.3.6 다접합 셀(multi-junction cells)
2.3.7 유기 태양전지(organic solar cell)
2.3.8 염료감응형 태양전지(DSSC: dye-sensitized solar cell)
2.3.9 전기전극(electrical contact)
2.4 태양전지 성능
2.4.1 태양전지 성능: 셀
2.4.2 태양전지 성능: 모듈
2.4.3 태양전지 성능: 시스템
2.5 태양전지 시스템
2.5.1 평판시스템(flat-plate system)
2.5.2 집중형 시스템(concentrator system)
2.6 태양전지 시스템의 구조물과 부품들
2.6.1 장착구조물
2.6.2 추적 구조물(tracking structure)
2.6.3 전력조절기(power conditioner)
2.6.4 저장장치
2.6.5 충전 제어장치
2.7 태양전지의 장점
2.7.1 신뢰도가 높음
2.7.2 유지비용이 적음
2.7.3 환경친화적
2.7.4 모듈화
2.7.5 시공비용이 적음
2.8 적용
2.8.1 단순 태양전지 시스템
2.8.2 태양전지 시스템과 배터리 저장장치
2.8.3 태양전지와 전기발전기
2.8.4 계통연계형 태양전지 시스템
2.8.5 공공 전기(Public Utility)
2.8.6 하이브리드 시스템
2.8.7 수송용
2.9 태양광발전 기술 현황 및 전망
2.9.1 일본
2.9.2 미국
2.9.3 유럽
2.9.4 한국
2.9.5 에너지 저장
CHAPTER 03 태양열 발전 Solar Thermal Power
3.1 집중형 태양열 발전(Concentrating Solar Power: CSP)
3.1.1 구유형(Trough)시스템
3.1.2 타워형(Power Tower)시스템
3.1.3 태양열 접시형-엔진(Dish-Engine)시스템
3.1.4 집중형 태양열 기술의 가격
3.2 태양열 난방(Solar Heating)
3.3 수동적 태양열 난방(Passive Solar Heating)
3.3.1 직접획득형
3.3.2 간접획득형
3.3.3 고립획득형
3.4 능동적 태양열 난방(Active Solar Heating)
3.5 태양열 집열기(Solar Collector)
3.5.1 평판형 집열기
3.5.2 진공관식 집열기
3.5.3 집중형(집광형) 집열기
3.5.4 배출 공기 집열기
3.6 주거용과 상업용 온수(Residential and Commercial Water Heating)
3.6.1 능동적 시스템(Active System)
3,.6.2 수동적 시스템(Passive System)
3.7 태양조명(Solar Lighting)
3.8 태양열 조리기(Solar Cooker)
3.8.1 상자형 태양열 조리기(box-type solar cooker)
3.8.2 반사형 조리기(reflector cooker)
3.8.3 열출력(thermal output)
3.8.4 태양복사
3.8.5 개발도상국에서의 태양열 조리기
3.8.6 요리에너지 양
3.9 태양연못(Solar Ponds)
3.9.1 비대류 연못
3.9.2 대류 연못
3.9.3 적용
3.9.4 타당성
3.10 국내외 기술 및 시장동향
CHAPTER 04 풍력에너지 Wind Energy
4.1 바람
4.1.1 온도 차이에 의한 공기 순환
4.1.2 Coriolis 힘
4.1.3 지구의 바람
4.1.4 지구 자전에 의한 바람(Geostrophic Wind)
4.1.5 국부적 바람
4.1.6 바람 에너지
4.1.7 바람을 굴절시키는 풍력터빈
4.1.8 바람의 동력
4.2 풍력터빈
4.2.1 풍력터빈의 종류
4.2.2 풍력터빈의 크기
4.2.3 풍력터빈의 내부 구조
4.2.4 풍력터빈의 사용형태
4.3 풍력에너지의 장단점
4.3.1 장점
4.3.2 단점
4.4 풍력에너지의 역사
4.5 풍력에너지의 자원 가능성
4.5.1 해외 풍력에너지 이용 현황
4.5.2 국내 풍력에너지 이용 현황
4.6 풍력에너지의 연구 ㆍ 개발
4.6.1 회전자(rotor)
4.6.2 블레이드(blade)
4.6.3 능동제어(active control)
4.6.4 타워(tower)
4.6.5 드라이브트레인(drive train: 기어박스, 발전기, 전력변환)
4.6.6 기본적인 공기역학 연구
4.6.7 공기역학적인 향상 장치
4.6.8 해상(Offshore) 풍력터빈 기술
CHAPTER 05 지열에너지 Geothermal Energy
5.1 지열에 관한 기초지식
5.1.1 지구과학적 지식
5.1.2 지열이용 현황
5.1.3 역사
5.2 지열원(Hydrothermal Resources)
5.2.1 지열수
5.2.2 지구의 압력으로 가압된 해수 또는 소금물(염화나트륨)
5.2.3 고온건조암
5.2.4 마그마
5.3 지열발전소(Geothermal Power Plant)
5.3.1 건증기발전소(Dry Steam Power Plant)
5.3.2 습증기발전소(Flash Steam Power Plant)
5.3.3 바이너리사이클발전소(Binary Cycle Power Plant)
5.4 지열원의 직접 이용
5.4.1 직접이용 열원
5.4.2 자원 개발
5.4.3 지역 및 공간 난방
5.4.4 온실과 양어장 시설
5.4.5 산업용과 상업용
5.5 지열열펌프(Geothermal Heat Pump)
5.5.1 지열열펌프의 구성
5.5.2 지열열펌프 시스템의 유형
5.5.3 지열열펌프의 장점
5.6 EGS(Enhanced Geothermal System) 기술들
5.6.1 지열에너지와 EGS 개념
5.6.2 EGS의 작동원리
5.7 지열에너지의 장점
5.7.1 환경적 측면
5.7.2 경제학적 측면
5.8 지열에너지의 한계와 위험
5.8.1 개발위험
5.8.2 개발규모와 유수지의 고갈
5.8.3 경제적, 정치적 위험
5.9 지열에너지의 미래
CHAPTER 06 해양에너지 Ocean Energy
6.1 조력 및 조류 발전(Tidal Power)
6.1.1 조력발전소용 터빈
6.1.2 조류 펜스(Tidal Fence)
6.1.3 조류터빈(tidal turbine)
6.1.4 조력발전의 한계
6.2 파력(Wave Power)
6.2.1 Offshore 시스템
6.2.2 연안(onshore) 시스템
6.2.3 파력발전의 장 ㆍ 단점
6.3 해양온도차 발전(Ocean Thermal Energy Conversion: OTEC)
6.3.1 밀폐순환식
6.3.2 개방순환식
6.3.3 하이브리드순환식
6.3.4 제안된 프로젝트들
6.3.5 다른 기술들
6.4 천연가스의 새로운 원천
6.5 경제적, 환경적 문제들
CHAPTER 07 연료전지 Fuel Cell
7.1 역사
7.2 작동원리
7.3 연료전지 부품과 기능
7.3.1 연료
7.3.2 연료전지 시스템
7.4 연료전지의 종류
7.4.1 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)
7.4.2 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)
7.4.3 알카라인형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC)
7.4.4 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC)
7.4.5 융융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)
7.4.6 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)
7.4.7 재생형 연료전지(Regenerative Fuel Cell: RFC)
7.5 연료전지와 관련된 간단한 수식들
7.5.1 이상(ideal) 연료전지 전압
7.5.2 효율, 전력, 에너지
7.5.3 연료전지 작동 시 발생하는 열발생율
7.5.4 연료전지가 생산하는 물의 양
7.6 연료전지의 사용
7.6.1 수소용 전원
7.6.2 정치형 전원
7.6.3 휴대용 전원
7.7 가스터빈/연료전지의 하이브리드 시스템
7.7.1 생산품 현황
7.7.2 연료전지 하이브리드 시스템의 적용과 장벽
7.7.3 기술개발의 필요성
7.8 연료전지의 문제점
7.8.1 가격
7.8.2 내구성과 신뢰성
7.8.3 공기, 열, 물관리 시스템
7.8.4 개선된 열회수 시스템
7.8.5 연료문제
7.8.6 국민적 수용
CHAPTER 08 바이오매스 Biomass
8.1 바이오매스
8.1.1 바이오매스의 종류
8.1.2 기술-바이오매스 전력
8.1.3 장점
8.1.4 경제성
8.1.5 자원의 분포
8.1.6 사업성과 시장성 기회
8.1.7 바이오매스의 적용사례
8.2 바이오연료
8.2.1 바이오에탄올
8.2.2 재생디젤
8.2.3 바이오연료와 환경
8.3 바이오 정제소
APPENDIX A 신에너지 및 재생에너지 개발 ㆍ 이용 ㆍ 보급 촉진법
APPENDIX B 국내 기상 통계 자료
B.1 국내 일사량 분포
B.2 국내 평년기후도
B.3 지점별 일조시간의 월 평년 값(hr)
B.4 국내 태양자원
B.5 지점별 강수량의 월 평년 값(mm)
B.6 국내 풍력자원
B.7 국내 지열자원
B.8 국내 바이오매스자원
APPENDIX C RETScreen Clean Energy Project Analysis Software
윤천석 [저]
연세대학교 기계공학과를 졸업하였고, University of Alabama in Huntsville 공학석사(MS), 동대 공학박사(Ph.D.)를 취득하였다. 현재 한남대학교 기계공학과 교수(2000∼현재)로 재임 중이다. ORNL(Oak Ridge National Laboratory), FEERC(Fuel, Engine, and Emission Research Center), 방문 교수(2006~2007), University of Tennessee, Knoxville, Department of Mechanical, Aerospace, and Biomedical Engineering, 방문 교수(2006~2007), 삼성종합기술원 에너지 Lab 전문연구원(1997∼2000), 삼성항공 항공우주연구소, 엔진연구소 선임연구원(1994∼1997), LG전자 생활시스템 연구소 선임연구원(1992∼1994) 등의 경력을 가지고 있다.
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