에너지 변환

에너지 변환

자연에 존재하는 에너지 자원은 여러 가지 형태로 존재하며, 이러한 에너지 자원은 그대로 우리 생활에 이용할 수 없으므로 대부분 열에너지나 기계 에너지 또는 전기 에너지로 변환시켜 이용하게 된다. 또, 전기 에너지를 이용할 때에는 다시 열에너지, 빛 에너지, 기계 에너지 등으로 변환시켜 이용하게 된다. 예를 들어, 높은 곳의 물이 아래로 떨어지면 물이 가진 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되어 수차를 돌리게 되며, 수력 발전소에서는 수차의 회전력이 전기 에너지로 변환되어 가정과 사회에 공급된 다음, 열에너지와 빛 에너지로 변환된다. 이와 같이, 에너지 변환은 에너지 자원에서 최종 소비자에게 도달하여 사용되기까지 여러 과정에서 이루어지는데, 에너지의 주된 흐름을 나타내면 그림 3과 같다.

▲ 그림 3 에너지의 흐름

에너지 자원은 여러 가지 형태의 에너지로 변환되어 이용되는데, 에너지가 변환될 때마다 에너지 손실이 따른다.
자동차가 움직이게 되는 경우를 생각해 보면, 화학 에너지인 가솔린은 실린더 내에서 연소하여 열에너지로 변환되고, 피스톤이 고온·고압의 연소 가스에 의해 아래로 밀려나면서 크랭크축에 의해 회전 운동으로 바뀌어 차륜을 구동하게 되는 일련의 과정에서 한 형태의 에너지가 다른 형태로 변환되면 에너지의 손실이 따르게 된다.
배기 가스, 기관의 냉각, 마찰 등에 따른 열손실은 열에너지의 형태로 대기 중에 방열되고 나면 자동차의 구동 바퀴를 움직이는 데 이용되는 에너지는 약 30%도 되지 못한다.
따라서 에너지 변환 장치는 주어진 에너지가 실제로 얼마만큼이나 유효한 에너지로 변환되었는가의 비율이 중요하며, 여기서 소요된 에너지와 산출된 에너지의 비율을 효율이라 한다.
에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 데에는 여러 장치를 종합하여 사용하는 것이 보통이다. 
예를 들면, 화력 발전소는 물을 증기로 변환시키는 보일러나 회전 동력을 발생시키는 증기 터빈을 중심으로 하여, 보일러에 물을 공급하는 급수 펌프, 증기를 복수시키는 복수기, 연료를 효과적으로 연소시키는 송풍기 등 많은 보조 장치가 종합되어 있다.
펌프나 송풍기 등은 동력을 소비하는 장치로서, 보일러·증기 터빈 등의 효율을 향상시키는 데 필요하며, 장치를 구성하는 모든 에너지 변환 기기가 효율적으로 운전할 수 있도록 보조하는 역할을 한다.

■ 전동기 

전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치를 전동기라 하며, 유도 전동기가 많이 사용된다. 유도 전동기는 구조가 간단하고 견고할 뿐만 아니라, 다루기 쉽고, 가격이 저렴한 특징을 가지고 있다. 공장과 같은 대용량의 동력이 필요한 곳에는 3상 유도 전동기가 사용되고, 가정용으로 쓰이는 소용량의 것에는 단상 유도 전동기가 주로 사용된다. 3상 유도 전동기는 도체 원판이 전자력으로 인해 회전 자석을 따라 회전하는 원리를 이용한 것으로, 회전 자석 대신 3상 교류에 의한 회전 자장을 만드는 고정자, 그 내부에 회전하는 도체 원판에 해당하는 회전자 로 구성되어 있다.

단상 유도 전동기는 용량이 같은 3상 유도 전동기에 비해서 효율이나 역률이 낮고, 출력에 비해서 형태가 크고 가격이 비싸지만, 전등선과 같은 단상 전원에서는 손쉽게 사용할 수 있기 때문에 주로 0.4kW 이하의 소형 전동기나 가정용 우물 펌프, 선풍기, 전기 냉장고 등에 널리 쓰인다.

■ 보일러

보일러는 밀폐된 용기에 물을 넣고, 이것을 연료의 연소열로 가열하여 증기를 발생시키거나 온수를 만드는 장치이다. 주요 부분에는 물과 증기를 보유하는 본체와 연소 장치가 있고, 그 밖에 열효율을 높이기 위하여 공기 예열기, 절탄기, 과열기, 재열기 및 안전 장치와 같은 부속 장치가 있다. 보일러를 구조에 따라 분류하면 다음과 같다. ① 원통 보일러 지름이 큰 원통형 몸체를 주체로 하여, 그 속에 노통이나 연관을 설치하고 연료를 연소시키는 보일러이다. 원통 보일러의 종류에는 동체의 내부에 노통이 1개 또는 2개가 있는 노통 보일러와 여러 개의 작은 지름으로 된 연관이 배열되어 있는 연관 보일러가 있고, 노통과 연관이

조합되어 있는 노통 연관 조합 보일러가 있다. 원통 보일러는 수관 보일러에 비하여 다음과 같은 특징을 가지고 있다. · 구조가 간단하여 고장이 적고 취급이 용이하다. · 설비비가 저렴하다. · 증기의 사용량이 변해도 압력의 변화가 적다. · 보일러에 점화한 후, 증기가 발생하기까지 시간이 오래 걸리며, 열효율이 낮다.

② 수관 보일러 

물 드럼과 증기 드럼 사이를 여러 개의 수관으로 연결한 것으로, 수관을 가열하여 증기를 발생시킨다. 수관 보일러에는 수관이 거의 수평에 가까운 각도를 가진 수평 수관 보일러, 수평 수관 보일러보다 수관이 기울어진 경사 수관 보일러, 방사열을 충분히 수관에 흡수시키는 방사 보일러 등이 있다. 화력 발전소의 발전용 대형 보일러는 대부분 방사 보일러로서, 노벽의 안쪽에 작은 지름의 수관을 여러 개 배치한 수냉벽이 방사열을 수관에 충분히 흡수할 수 있는 구조로 되어 있다. 수관 보일러는 원통 보일러에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다. · 동체 지름이 작으므로 구조상 증기 압력이 높거나 대용량에 적합하다. · 열효율이 좋다. · 보일러 물의 순환이 원활하다. · 전열 면적에 비해 수량이 적으므로 증기 발생이 빠르다. · 구조가 복잡하고 제작비가 비싸다.

■ 원자로
우라늄 235의 원자핵이 단시간에 연쇄 반응을 하면서 핵분열을 일으키면 원자 폭탄과 같은 커다란 에너지가 한꺼번에 방출된다. 이 원리를 이용하여 연쇄 반응을 천천히 진행시켜 핵분열을 일으키면 적은 양의 우라늄으로도 장시간에 걸쳐 열에너지를 얻을 수 있는데, 이 원리를 이용한 것이 원자로이다.
원자로는 원전 연료, 감속재, 냉각재, 제어봉 등으로 구성되어 있다.
① 원전 연료

천연 우라늄을 사용하는 경우와 우라늄 235의 비율을 높인 농축 우라늄을 사용하는 경우가 있다. 우라늄을 원자로의 연료로 사용하기 위해 노에 넣기 편리한 형태로 가공한 것을 연료체라 한다. 연료체는 보통 순수한 금속의 환봉이며, 이 환봉이 알루미늄과 같은 케이스에 넣어져 감속재 속에 바르게 줄지어 놓여 있다.

② 감속재 

핵분열시에 튀어 나온 2~3개의 중성자의 속도를 느리게 하여 우라늄 235의 원자핵에 충돌하기 쉽도록 하는 역할을 한다. 감속재로는 경수(보통의 물) 및 중수(중수소 함유), 흑연(탄소 섬유) 등이 있다.

③ 냉각재

핵분열에 의해 생긴 열을 노심에서 빼내고, 노심을 냉각시키는 역할을 한다. 노심을 통과한 냉각재는 온도가 높아지게 되는데, 열교환기를 통과하면서 다시 온도가 내려가게 되고, 온도가 내려간 냉각재는 다시 노심으로 보내진다. 냉각재로는 물, 중수, 공기, 이산화탄소 등이 사용된다.

④ 제어봉

원자로의 출력을 조절하고, 원자로의 운전 중 이상이 있을 경우 운전을 정지하는 역할을 한다. 카드뮴(Cd), 붕소(B) 등과 같은 중성자를 흡수하기 쉬운 재료가 사용되며, 핵분열의 연쇄 반응을 제어하는 역할을 한다.

⑤ 기타 장치

노심부의 압력 용기와 중성자나 방사선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 차폐물, 냉각재 순환 장치 등이 있으며, 2차 냉각 계통이 있는 노의 경우 열교환기, 제어 장치, 감시·경보 장치, 안전 장치 등이 있다.

▲가압 경수형 원자로의 구조 <출처:네이버오픈백과>