우리는 과학 시간에 여러 에너지에 대해서 배우는데 사람들은 자연의 풍력을 통해 전기에너지를 만들기도 하고, 태양열을 이용해서도 만든다. 이렇게 다양한 방법으로 사람들은 결국 전기에너지를 얻게 되는데 그것을 여러 방식을 통하여 다시 운동에너지, 열에너지, 빛에너지, 화학 에너지 등으로 에너지 전환을 시킨다. 우리가 사용하는 선풍기, 난로, 전구, 배터리 충전기 등이 그 예이다. 그렇다면 생활을 하며 발생하는 에너지를 모아 전기에너지로 다시 회수 할 수 있다면 어떨까?  우리는 추운 겨울 전기장판이나 전기난로를 통하여 전기에너지를 열에너지로 변환해 열을 얻는다. 이때 어떠한 소재와 등급의 전기 난방용품을 사용하는가에 따라서 전기요금이 천차만별로 나올 수 있다. 그렇다면 역으로 생각해보자. 생활 속 발생하는 열을 전기에너지로 바꿀 수 있을까? 이번에 포항공대가 포스텍과 협동하여 공장에서 발생한 폐열을 전기에너지로 만들어내는 기술 실험에 성공했다고 한다. 열전재료의 고온 부와 저온 부의 온도 차를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 열전발전이라고 하는데 이는 폐열을 회수해 전기생산과 에너지 효율을 높일 수 있기에 신재생 에너지원으로 주목받고 있는 기술이다. 이 기술을 이용하여 무기질 원료를 용융 시켜 제품을 만드는 많은 열에너지가 발생하는 제조공정을 가진 공장에서 폐열을 회수해 전기에너지로 만드는 실험에 성공했다. 이것이 실용화된다면 산업용 용광로, 소각로, 발전소 등에서 에너지 재활용부터 시작하여 지역 에너지 사업에도 적용할 수 있게 되는 엄청난 가치를 가진 실험이다. 그렇다면 어떻게 이러한 에너지 전환이 가능한 것일까?1 에너지 전환을 위해 중요한 것은 친환경 고성능 열전소재이다. 열전소재는 열에너지와 전기에너지의 변환을 가능하게 하는 장치인데 열전도도가 낮고 전기전도도가 낮을수록 우수한 효과를 보인다. 원래 그동안은 단결정 셀레늄화 주석을 이용했는데 이 재료가 조건도 만족하면서 풍부해 최적이었지만 과정상의 어려움과 부리지는 특성 등 제조 시간 대비 가격이 비싸 상용화가 어려웠었다. 하지만 최근 우리나라에서 이러한 단점들을 불순물인 산화주석 나노 입자가 존재함을 알고 간단한 제거 방법을 개발해냈다. 이로 인하여 공장, 자동차 엔진, 컴퓨터 등에서 발생하는 폐열을 통해 전기 생산이 가능해지는 날이 얼마 남지 않은 것으로 보인다.2 이렇듯이 가전제품이나 자동차 등에서 나오는 열과 진동처럼 너무 작아 무시되고 버려졌던 에너지들을 모아 전기를 만드는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라고 한다. 국내외에서 효율적으로 실생활 접목을 위해 노력 중이라고 하는데 현재의 발전 속도와 우리나라에서 실행되고 있는 기술들을 본다면 이 방면에서 우리나라가 선구자의 길을 걸을 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱 재활용부터 시작해 이러한 에너지의 재활용까지 된다면 지구와 전 세계에 엄청난 생활의 변화를 줄 수 있을 것으로 보이기에 ‘에너지 하베스팅’이란 말이 곧 실생활과 밀접해질 날을 기대한다3. 참고 및 인용자료 출처 1.참고-https://www.yna.co.kr/view/AKR20200702054400003?input=1195m 1. 전기와 자기 〔중3과학〕Ⅰ-2-5 전기에너지의 전환① (전기에너지, 전기에너지의 전환)드디어 길었던 전기에너지 단원의 막바지에 돌입했어.ㅋ 뭐.. 물론.. 이 다음에도 중단원인 전류의 자기 작용이 남아 있으니 아직 전기 대단원이 다 끝나려면 갈길이 멀지만, 어쨌든 여기까지 끝내놓으면 일단 한시름 놓을 수 있을거야.ㅋㅋㅋ 그럼 오늘도 신나게 시작해볼까? ^^ 사실 이 소단원에 남은 내용은 별거 없어. 대부분의 어려운 계산문제는 저항의 혼합연결에서 다 끝났거든. 그럼 이 단원에서는 무얼 배우느냐! 일상생활에서 우리가 쓰는 가전제품이 어떤 원리로 돌아가느냐를 간단하게, 아주~~간단하게 스치듯 다루고 지나가는거야.ㅋ 그 첫번째 내용으로 전기 에너지의 전환에 대해 생각해보자.
우리는 생활에서 엄청 많은 종류의 전기 제품들을 사용하고 있잖아~? 당장 지금 쌤이 작업하고 있는 컴퓨터에서부터, 켜고 있는 전등은 물론이요, 니들이 늘상 끼고 있는 휴대폰에, 집에 도착하자마자 켜는 TV, 교복을 빨아주는 세탁기 등등 우리는 이제 전기없이 살아갈 수 있을까 하는 물음에 공포를 느끼게 될 만큼 수많은 전기 제품들에 둘러싸여 있어. 이러한 전기 제품들은 어떻게 돌아가는걸까? 간단하게 얘기하면, 전류에 의해 발생하는 전기 에너지가 전기 제품에서 다양한 형태의 에너지로 전환되기 때문이야. 전자 하나하나가 가지고 나가는 에너지를 전압이라고 하면, 한 회로에 흐르는 전자들의 흐름을 전류라고 하지? 1초에
이렇게 하나하나의 전자들이 모여 전류를 형성해서 공급하는 전체적인 에너지를 전기 에너지라고 하는거야. 그래서 전기 에너지는 전압과 전류와 '초'단위의 시간의 곱으로 계산할 수 있어. 그리고 단위는 J(줄)단위를 쓰지. 전기 에너지 〔J〕= 전압〔V〕 × 전류〔A〕× 시간〔초〕 J(줄) 단위 어디서 많이 보지 않았어?ㅋㅋㅋ 너희들이 별로 떠올리고 싶어하지 않을 역학적 에너지에서 에너지의 단위로 J(줄)을 쓴다는 걸 배웠을거야. 여기서 역학적 에너지의 자세한 내용은 떠올릴 필요없어. 그냥 에너지의 단위가 J(줄)이라는 것만 떠올리면 돼.ㅋ 전기 에너지도 에너지니까 같은 단위를 써. 그런데 이렇게 형성된 전기 에너지는 다른 형태의 에너지로 전환이 쉬워. 예를 들어 열에너지나, 빛에너지, 소리에너지, 운동에너지 등 다양한 에너지로 쉽게 전환이 되기 때문에 우리가 이렇게 전환된 에너지로 각종 가전제품들을 쓸 수 있는거야. 그럼 구체적으로 어떤 가전 제품에서 어떤 에너지 전환이 일어나는지 살펴볼까? 우리 교과서(비상교육 교과서)에 나와 있는 예만 봐도, 어두운 곳을 밝히는 전등은 전기에너지를 빛에너지로 전환시켜서 사용하고, 따뜻한 전기 난로는 전기에너지를 열에너지로 전환시켜 사용한다는 것을 쉽게 알 수 있을거야. 그럼 음악을 듣는 오디오는? 전기에너지를 소리에너지로 전환시킨 거겠지? 세탁기는? 돌아가면서 빨래를 하잖아~ 전기에너지를 운동에너지로 전환시킨 예지. 다른 것들도 생각해봐~ 전기밥솥은? 전기에너지를 열에너지로(물을 끓여 밥을 하잖아) TV는? 전기에너지를 빛에너지(화면이 밝게 빛나니까)와 소리에너지(소리나잖아)로 다리미는? 전기에너지를 열에너지로(뜨겁잖아) 휴대폰은? 빛에너지(액정이 빛나니까)와 소리에너지(벨소리, 음악소리 나지?)에 운동에너지(진동울리니까)까지 헤어드라이어는? 열에너지(따뜻한 바람나오니까)와 운동에너지(바람만들려고 모터돌아가잖아)로 각각 다양하게 에너지가 전환되는 모습을 볼 수 있어. 그런데 이 모든 전기제품들에서 공통적으로 발생하는 에너지가 있는데 그게 뭐냐. 바로 열에너지야. 전기제품들도 전자의 입장에선 어쨌든 저항의 일종이라서 필연적으로 충돌에 의한 열에너지가 발생할 수 밖에 없어. 전기난로나 전기매트같은 전열기는 이렇게 발생하는 열에너지를 일부러 극대화시켜서 사용하는거지만, 다른 전기제품들에선 일부러 열에너지를 발생시킬 필요는 없지? 하지만 이 경우에도 어쩔 수 없이 열이 발생해. 그래서 이렇게 발생하는 열이 별로 달갑지 않은 경우엔 컴퓨터 내부의 냉각팬처럼 열을 식히는 장치들을 내장시키거나, 열이 조금이라도 덜 발생할 수 있는 장치를 개발하려 노력하고 있지. 저항까지 머리 싸쥐고 계산하다가 이 단원들어오니까 숨통이 좀 트이지? ㅋㅋㅋㅋ 요즘 포스트가 전반적으로 너무 길어져서 쌤도 숨을 좀 돌리는 의미로 이번 포스팅은 여기서 그만.ㅋㅋ 다음엔 중단원 '전기 에너지'의 마무리로 소비전력을 계산해보자. 일단 학습지는 소비전력까지 정리할 수 있도록 첨부해놓을께. 예습해오란 얘기다. ㅡ_ㅡ.. 그럼 Bye~ |
전기에너지 전환 예시 - jeongieneoji jeonhwan yesi
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