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전력량

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목차

1. 개요

전력량은 전기 에너지를 생산하고 측정하는 데 사용되는 개념이다. 전력 생산은 다른 에너지 형태를 전기 에너지로 변환하는 과정으로, 1820년대와 1830년대 초 마이클 패러데이에 의해 발견된 원리를 기반으로 한다. 전력은 주로 발전소에서 열기관을 통해 생산되며, 화석 연료, 핵분열, 흐르는 물, 바람, 태양광 등 다양한 에너지원을 활용한다. 전력량은 전력량계를 사용하여 측정하며, 전력 회사에서 요금 청구, 자가 발전, 스마트 그리드 구축 등 다양한 용도로 활용된다.

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  • 전기 - 전기장
    전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다.
  • 전기 - 전압
    전압은 두 지점 사이의 전위차로서 단위 전하당 에너지 차이를 나타내며, 정전기학에서는 단위 전하를 이동시키는 데 필요한 일, 회로 이론에서는 노드 간 전위차로 정의되고, 직류 및 교류 전압으로 구분되며, 다양한 방식으로 발생하여 여러 분야에 응용된다.
전력량
에너지 관련 정보
명칭전기에너지
영어Electrical energy
기호W
차원ML²T⁻²
종류스칼라
단위
SI줄 (J)
CGS에르그 (erg)
FPS피트-파운달 (ft⋅pdl)
MKSG무게 킬로그램 미터 (kgf⋅m)
FPSG피트 무게 파운드 (ft⋅lbf)
플랑크플랑크 에너지 (Ep)
원자하트리 (Eh)
설명
정의전하를 띤 입자에 작용하는 힘과 운동에 관련된 에너지

2. 전력 생산

전력 생산은 다른 에너지 형태로부터 전기 에너지를 생성하는 과정이다.[1]

전기 유틸리티의 경우, 이는 소비자에게 전기를 전달하는 첫 번째 단계이다. 전력 송전, 배전, 양수 발전 방식을 사용한 전기 에너지 저장 및 회수는 일반적으로 전력 산업에서 수행한다.[2]

2. 1. 전력 생산의 기본 원리

전력 생산의 기본 원리는 1820년대와 1830년대 초 영국의 과학자 마이클 패러데이가 발견하였다.[1] 오늘날에도 여전히 그의 기본 방법을 사용하고 있다. 전자기 유도에 기반한 이 방법은 자석의 극 사이에서 구리 원판이나 전선 루프를 움직여 전기 전류를 생성한다.[1]

2. 2. 발전 방식

전력 생산은 다른 에너지 형태로부터 전기 에너지를 생성하는 과정이다.

전력 생산의 기본 원리는 1820년대와 1830년대 초 영국 과학자 마이클 패러데이가 발견하였다. 오늘날에도 그의 기본 방법이 여전히 사용되고 있다. 전기 전류는 자석의 극 사이에서 구리 원판이나 전선 루프를 움직여 생성된다.[1]

전기는 발전소에서 화학적 연소나 핵분열에 의해 연료가 공급되는 열기관으로 구동되는 전기 기계식 발전기에 의해 주로 생성되지만, 흐르는 물과 바람의 운동 에너지를 이용하기도 한다. 태양 광전지 및 지열 발전과 같이 전기를 생산하는 데 사용할 수 있는 다른 많은 기술도 있다.

3. 전력량 측정

전력량계를 사용하여 전력량을 측정한다.

전력 회사는 사업장이나 일반 가정에 설치된 전력량계("전기 미터")의 전력 소비량을 정기적으로 기록하여 요금을 청구한다.

3. 1. 전력량계의 종류

전력량을 측정하기 위해서는 전력량계가 사용된다.

전력 회사에서 각 가정이나 사업장에 설치하여 전력 사용량을 측정하는 일반적인 전력량계 외에도, 양방향 통신으로 실시간 전력 사용량 정보를 제공하고 전력망의 효율적인 운영을 돕는 스마트 미터가 있다. 한국에서는 스마트 그리드 구축 사업의 일환으로 스마트 미터 보급이 추진되고 있다.

일반 가정에서 지붕 위에 태양광 패널이나 풍력 발전 장치 등을 설치하여 자가 발전을 하는 경우에도 전력량계를 설치한다. 컴퓨터 제어 방식으로 정보를 그래프 등으로 표시하는 모니터를 갖춘 장치를 선택하는 가정도 늘고 있다. Electricity retailing|전력 소매영어의 전력량을 표시할 수 있으며, 전력 판매를 하면 그에 상응하는 수입이 발생하므로, 매일 그 수치를 보는 것을 즐거워하는 사람도 있다고 한다.

또한, 가정 내에서 특정 전기 기기가 사용하고 있는 전력량을 측정·확인하여 절전 판단에 도움을 주기 위한 장치(소위 "절전 미터")를 가지고 있는 가정도 늘고 있다. "클램프 미터"나 "클램프 전력계"라고 불리는 장치[4]에서는, 측정 항목 선택에 따라 전력량도 측정·표시할 수 있도록 되어 있는 것도 많다.

3. 2. 전력량 측정의 활용

전력 회사는 전력량계 측정값을 기반으로 소비자에게 전기 요금을 청구한다.[4] 소비자들은 전력량계 또는 개별 기기 측정용 전력량계를 통해 자신의 전력 사용 패턴을 파악하고, 불필요한 전력 낭비를 줄일 수 있다.

스마트 미터를 통해 전력량을 측정하여 스마트 그리드를 구축하려는 움직임도 있다. 스마트 미터는 실시간 전력 사용량 정보를 전력 회사와 소비자에게 제공하여 전력 수요와 공급을 효율적으로 관리하고, 전력망의 안정성을 높이는 데 기여한다.

4. 전력량과 관련된 식 (직류 및 교류)

전력량은 전력과 시간의 곱으로 계산된다.

직류 회로에서 전류 ''I''가 시간 ''t'' 동안 한 일(전력량) ''W''는 전압 ''V'', 전력 ''P''를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:W=P\cdot t=V\cdot I\cdot t　[W・s]

교류 회로에서는 부하 구성에 따라 전압과 전류에 위상차 ''θ''가 발생하므로, 역률 cos ''θ''를 고려하여 다음과 같이 나타낸다.[3]

:dW=P\cdot dt=V\cdot I\cdot \cos \theta \cdot dt　[W・s]

(''dt''는 미소한 시간, ''dW''는 그 동안의 전력량이다.) 교류에서 전력량이라고 하는 경우에는, 이 '''유효 전력량'''을 가리키는 경우가 많다. '''무효 전력량''' ''Q''・''t'' (var・s)는 다음 식으로 구한다.

:Q\cdot t=V\cdot I\cdot \sin \theta \cdot t　[var・s]

4. 1. 직류 회로

전력을 시간으로 적분한 것이다.[3] 또한, 전력량은 전기 회로에서 전기가 하는 일이다. 근년의 물리학 개념 체계에서는 전력량은 에너지로 분류되며, 전력량은 "전기에 의한 에너지"라고도 할 수 있다.

직류 (시간적으로 변화하지 않는 전류)에서 전류 ''I''가 시간 ''t'' 동안 한 일 (전력량) ''W''는 전압 ''V'', 전력 ''P''를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: ''W'' = ''P'' · ''t'' = ''V'' · ''I'' · ''t'' [W·s]

4. 2. 교류 회로

교류 회로에서는 부하의 구성에 따라 전압과 전류에 위상차 ''θ''가 발생하므로, 역률 cos ''θ''를 고려하여, 다음과 같이 나타낸다.[3]

: dW = P \cdot dt = V \cdot I \cdot \cos \theta \cdot dt [W·s]

(''dt''는 미소한 시간, ''dW''는 그 동안의 전력량이다). 교류에서 전력량이라고 하는 경우에는, 이 '''유효 전력량'''을 가리키는 경우가 많다.

'''무효 전력량''' ''Q''·''t'' (var·s)는 다음 식으로 구해진다.

: Q \cdot t = V \cdot I \cdot \sin \theta \cdot t [var·s]

5. 기타

전력 회사로부터 전력을 구매하는 사업장이나 일반 가정 등에는 전력량계(통칭 "전기 미터")가 설치되어 있으며, 정기적으로 전력 소비량을 기록하여 요금을 청구한다.

일반 가정에서 지붕 위에 태양광 패널이나 풍력 발전 장치 등을 설치하여 자가 발전을 하고, 자가 소비하는 비율도 증가하고 있으며, 이러한 가정에서는 전력 회사의 것뿐만 아니라 가정에서 독자적으로 전력량계를 설치하는 경우도 늘고 있다. 컴퓨터 제어 방식으로 정보를 그래프 등으로 표시하는 모니터를 갖춘 장치를 선택하는 가정도 점차 늘고 있다. Electricity retailing|전력 소매영어의 전력량을 표시할 수 있으며, 전력 판매를 하면 그에 상응하는 수입이 발생하므로, 매일 그(전력 판매의 전력량) 수치를 보는 것을 즐거워하는 사람도 있다고 한다.

스마트 미터를 통해 전력량을 측정하여 스마트 그리드를 구축하려는 움직임도 있다.[4]

참조

[1] 웹사이트 Michael Faraday House http://www.theiet.or[...] 2015-11-08
[2] 웹사이트 Keep the Power On http://www.iec.ch/ab[...] 2015-11-08
[3] 문서 微分と積分は逆向きの関係にあるので、電力量を時間微分したもの(＝単位時間あたりの電力量)が電力、という関係でもある。
[4] 문서 回路を切断せずに通電状態のままで電流を測定できる道具。電線のまわりに指で「輪」「わっか」を作るような形で、閉じたり開いたりするクランプを備えた装置を用いて、電磁誘導を起こさせて、測定する。


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