2023 고1 11월 학평 과학 지문분석

오늘은 지문을 읽고 사고의 흐름을 말해드릴게요.

 

최근 해양에서 얻을 수 있는 재생 에너지원에 대한 관심이 커지면서 해양 온도차 발전이 주목받고 있다.

-아 맞아 신재생에너지가 요즘 뜨고 있지! 아 이글은 그중에서 해양의 온도 차 발전을 보겠다고 예측해야겠다

 

해양에서는 태양열을 흡수한 정도에 따라, 수심이 얕은 표층수와 수심이 깊은 심층수 사이에 온도 차이가 발생한다.

-당연히 표층수는 태양열을 많이 흡수하니까 뜨겁고, 심층수는 태양열을 덜 흡수하니까 차갑겠지, 그래서 온도 차가 나구나

 

일반적으로 해양 온도차 발전은 약 20℃를 유지하는 표층수로 냉매를 가열하고, 약 4℃를 유지하는 심층수로 냉매를 냉각하는 과정을 반복하여 전력을 생산한다.

-앞에서 예측했던 것이 맞네! 전력은 냉매를 왔다 갔다 하면서 전력을 생산하는구나

 

이 과정에서 냉매는 발전 설비를 순환하면서 열전달을 통해 기화와 액화를 반복한다. 이때 열전달이란 고온 부의 열에너지가 저온 부로 전달되는 현상으로, 열전달량은 열을 전달하는 면적과 온도 차이에 비례한다.

-냉매가 차가워지면 액화하고 뜨거워지면 기화한다고 생각할 수 있네, 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하지, 그리고 온도 차이 많이 나거나 면적 넓으면 당연히 커지니 일상에서 뜨거운 거 잡으면 열이 금방 오잖아, 이게 맞는지는 모르겠지만 그냥 이글에서는 맞는다고 가정하고 생각해내야겠다.

 

발전 설비는 냉매 펌프, 기화기, 터빈, 응축기 등의 기기로 구성된다. 이 기기들은 냉매가 이동할 수 있는 배관으로 연결되어 있고, 냉매는 이 배관을 따라 기기들을 순차적으로 지나며 순환한다.

 

-발전 설비를 머릿속에 그려봐야겠다. 살짝 순서가 있으니 순서대로 상상해보면 좋을 것 같네!

 

냉매 펌프는 배관에 일정한 압력을 가하여 액체 상태의 냉매를 기화기 입구 쪽으로 이동시킨다. 기화기의 내부에는 냉매가 이동하는 다수의 배관이 있으며, 기화기 양옆에는 표층수가 이동하는 취수관과 배수관이 있다.

 

-아하 차가운 냉매인 액체 상태 냉매를 기화기 쪽에 이동시켜서 따뜻한 냉매인 기체 상태로 만들려나 보다

 

기화기 입구로 들어온 냉매가 다수의 배관을 따라 기화기 내부를 이동할 때, 취수관을 통해 기화기 내부로 유입된 고온의 표층수와 열전달이 일어난다. 이때 열전달을 마친 표층수는 배수관을 통해 바깥으로 배출되며, 냉매는 가열되어 액체와 기체가 혼합된 상태로 기화기 출구 쪽에 설치된 노즐로 이동한다.

-가볍게 이미지를 생각해보며, 앞에서 이해한 내용이 맞았다고 생각할 수 있네!

 

노즐은 좁은 구멍을 통해, 기화기 출구에서 터빈으로 이어진 배관으로 냉매를 내뿜는 역할을 한다. 냉매는 노즐을 통과할 때 속도가 증가하여 냉매의 내부 압력은 감소한다.

 

-노즐에서 내뿜는구나, 좁게 무언가를 내뿜으면 속도가 증가하겠네, 그리고 속도가 빠르면 압력도 덜 받겠지, 빠르게 압력을 칠 수 있으니까, 호스를 틀어본 경험을 꺼내 볼 수도 있네!

 

내부 압력이 감소한 냉매는 끓는점이 낮아져 모두 기체 상태가 되어 배관을 따라 터빈으로 이동한다. 터빈은 회전식 기계 장치로, 회전하는 날개가 회전축에 부착되어 있다.

 

-압력이 감소한 냉매는 누르는 힘이 약해졌으니 더 잘 증발하겠네, 즉 끓는 점이 낮겠구나, 터빈에서 기체 상태로 돌아가는 냉매를 상상할 수 있네!

 

배관을 이동한 냉매가 터빈의 내부 공간으로 유입될 때 냉매는 열에너지가 운동 에너지로 전환되면서 부피가 급격히 팽창하며 회전 날개를 움직인다. 이때 냉매가 회전 날개를 움직이며 발생한 회전 날개의 운동 에너지는 회전축과 연결된 발전기를 구동시키면서 전기 에너지를 생산한다.

 

-냉매가 돌아가면서 일해주니까 당연히 온도는 내려가겠구나, 아 냉매가 이렇게 에너지를 생산하는구나

 

이 과정에서 회전 날개를 움직이며 기체 상태를 유지할 에너지를 상실한 냉매는 온도가 떨어져 액체와 기체가 혼합된 상태가 되어 배관을 통해 응축기로 이동한다.

-그렇지, 냉매가 온도가 떨어지니 당연히 액화되겠지

 

응축기의 내부에는 기화기와 마찬가지로 냉매가 이동하는 다수의 배관이 있으며, 응축기 양옆에는 심층수가 이동하는 취수관과 배수관이 있다. 응축기 입구로 들어온 냉매가 다수의 배관을 따라 응축기 내부를 이동할 때, 취수관을 통해 응축기 내부로 유입된 저온의 심층수와 열전달이 일어난다.

 

이때 열전달을 마친 심층수는 배수관을 통해 바깥으로 배출되며, 냉매는 냉각되어 액체 상태로 노즐이 없는 응축기 출구를 지나, 냉매 펌프를 거쳐 다시 기화기로 이동한다.

-아 냉매는 재사용되네!

 

해양 온도차 발전은 바닷물의 온도 차이를 이용하므로 환경 오염을 일으키지 않으며, 재생 에너지원 중 경제적 가치가 높은 것으로 평가받고 있다. 특히, 우리나라 동해는 수심이 깊고 난류가 흘러들어서 해양 온도차 발전에 유리하다고 평가받기 때문에 앞으로 우리나라 전력 수급의 한 축을 담당할 수 있을 것으로 기대된다.

-그렇지, 냉매 재사용하니까 환경 오염 안 시키고, 우리나라 동해에서 쓰면 도움 많겠다.