7학년 교과중심 미래의 기술

1 01. 바다에는 어떤 에너지가 있을까?

생각하기 (가) 최남선의 ‘해(海)에게서 소년에게 (나) 밀물썰물 설화 (가) 처……ㄹ썩, 처……ㄹ썩, 척, 쏴……아. 때린다 부순다 무너 버린다. 태산 같은 높은 뫼, 집채 같은 바윗돌이나, 요것이 무어야, 요게 무어야. 나의 큰 힘 아느냐 모르느냐, 호통까지 하면서, 처……ㄹ썩, 처……ㄹ썩, 척, 튜르릉, 꽉.　　 처……ㄹ썩, 처……ㄹ썩, 척, 쏴……아. (나) 옛날에 큰 메기가 바다 속에 있는 굴에 살았다. 이 메기가 굴에서 나오면 바닷물이 굴 속으로 들어가 썰물이 생기고, 반대로 메기가 굴로 들어가면 굴 속에 들어갔던 물이 도로 나와서 밀물이 생긴다. 메기가 때때로 몸부림을 칠 때면 바다에 큰 해일이 일어나게 된다.

생각하기 바다는 우리 생활에서 어떤 혜택을 주는가? ▪ 대류 순환을 위한 수증기 제공 ▪ 막대한 열에너지 저장, 순환 ▪ 이산화탄소의 흡수 ▪ 다양한 해양 생물 제공 ▪ 전기에너지 공급 (조력, 파력, 해양온도차, 염도차발전, 해류발전 등) ▪ 차세대 대체에너지원 매장(가스 하이드레이트 등)

해양의 자연현상과 원인 파도 해류 바다 밀물과 염도차 썰물 해수 온도차 파도 – 바람 해류 – 바람, 밀도차 등 밀물과 썰물 – 달의 인력 + 지구의 원심력 해수온도차 – 태양열 도달 정도 염도차 – 강과 바다의 합류 파도 해류 바다 밀물과 썰물 염도차 해수 온도차

다음은 인천만의 실제 조석 예보표이다. 이를 보고 내용을 분석하여 다음 물음에 답하시오. 분 석

사리와 조금은 언제 나타나며, 그 때의 태양, 지구, 달의 위치는 어떠한가? 구분 날짜(음력 ~무렵) 태양, 지구, 달의 위치 및 원인 사리 조금 태양과 달, 지구가 일직선상에 있어 태양과 달의 인력이 같은 방향으로 작용하여 인력이 강해진다. 음력 1일 무렵 음력 17일 무렵 음력 10일 무렵 음력 21일 무렵 태양과 달, 지구가 수직으로 태양과 달의 인력이 서로 다른 방향으로 작용하여 인력이 작아진다. ▶ 사리(Spring Tide) : 밀물과 썰물 차이가 가장 큰 때 ▶ 조금(Neap Tide) : 밀물과 썰물 차이가 가장 작은 때

해양에너지의 활용 1. 조력발전 (출처 : http://www.ecoroko.com/308) 밀물 시에는 해수면의 높이가 저수지보다 높기 때문에 바닷물이 들어오면서 터빈을 돌리게 되어 전기가 발생하고, 썰물 시에는 그 반대의 원리로 전기가 발생한다.

해양에너지의 활용 시화 조력발전소(세계 최대 규모) ※ 특징 : 바닷물이 들어오는 밀물 때 발전기를 돌리는 시설명 시화호 조력 발전소 설치연도 2011년 설치장소 경기 안산시 시화방조제 용량 254MW 내용 - 국내 최초 조력발전소 - 연간 552.7GWH 생산 (출처 : 에너지 관리공단 신재생에너지센터) ※ 특징 : 바닷물이 들어오는 밀물 때 발전기를 돌리는 '창조식' 발전 방식

해양에너지의 활용 그림은 앞으로 지어질 조력발전소이다. 연간발전량을 크게 하기 위한 방법은? 생각하기 ▪ 조차를 크게 한다. 구 분 인천만 가로림만 새만금 최대조차(m) 7.2 5.16 5.89 조지면적(㎢) 128 46 - 발전방식 낙조식 창조식 시설용량(MW) 720 480 217 연간발전량(GWh) 1,396 770 400 ▪ 조차를 크게 한다. ▪ 조지면적을 넓게 하여 유량을 풍부하게 한다. ▪ 시설용량을 크게 만든다. (출처 : http://cafe.naver.com/cetech2003/43735)

해양에너지의 활용 2. 조류발전 [명량대첩 ‘울돌목’서 멈춰선 신재생 에너지] 물살이 빠른 울돌목에서 3년전 조류 발전 시설에 큰 기대를 모았다. 하지만 최근 경제성이 낮다는 이유로 상업용발전소 건설이 백지화 될 전망이다.. 울돌목 조류발전소 2012.2.17 KBS 뉴스- http://news.kbs.co.kr 조류 발전기 건설이 어려운 이유는? 빠른 조류 속의 현장에서 진행되어 기초설비 안착이 어렵다.

(출처 : http://www.ecoroko.com/314) 해양에너지의 활용 3. 파력발전 파도가 공기실 안의 공기를 밀어 터빈을 돌려서 전기를 만들어 낸다. (출처 :　http://www.ecoroko.com/314)

2 해양에너지가 가진 문제점은?

해양에너지의 입지조건 입지조건의 제약 구 분 입 지 조 건 조력 발전 - 평균조차 : 3m이상 - 폐쇄된 만의 형태 - 해저의 지반이 견고 조류 - 조류의 흐름이 최소 2㎧ 이상인 곳 - 조류흐름의 특징이 분명한 곳 파력 - 파동에너지 자원량이 풍부한 연안 - 육지에서 거리 30㎞ 미만이고 수심 300m미만의 해상 온도차 - 연중 표층수와 심층수의 온도차가 17℃ 이상인 기간이 많을 것 - 어업 및 선박 항해에 방해되지 않을 것

우리나라는 3면이 바다이다. 어느 바다에서 어떤 해양에너지를 이용하면 효율적일까? 생각하기

조력 vs 조류발전의 장단점 장점 - 무공해의 무한한 자원 구분 조력 조류 공 통 점 - 무공해의 무한한 자원 - 비교적 환경변화에 무관하게 규칙적인 발전이 가능해 장기적인 예측 가능 - 기계, 전기, 조선해양 등 타 산업과의 산업연관성이 높음 차 이 - 관광수요 유발, 내만의 양식단지 개발 등 - 추가 경제효과 가능 - 교량을 형성하여 교통을 연결 - 대규모의 전력생산 가능 - 홍수조절 가능 - 댐과 둑 등을 건설하지 않아 해양환경에 미치는 악영향이 적음 - 풍력발전과 비교 가능하나 에너지밀도가 더 높음

조력 vs 조류발전의 장단점 단점 (가) 구분 조력 조류 공 통 점 - 발전 가능한 지역이 제한되어 있음 - 해양 설치비, 육상까지의 계통연결비용 등 대규모 초기 투자비용 소요 - 발전단가가 상용 발전에 비해 높음 차 이 - 인위적으로 생태계를 변화시키는 등 생태계에 큰 영향을 줌 - 유속이 빠른 지형에서만 설치가 가능하고 빠른 유속 때문에 설치가 어려움 (가)

위 표에서 조력발전의 단점인 (가)의 구체적인 내용은 무엇이 있는지 서술하시오. ▪ 조차가 작을 경우 수차발전기가 대기상태이며 해수의 순환이 중단된다. ▪ 호수 내의 수위를 인위적으로 설정하여 관리하므로 조간대의 변화와 더불어 갯벌 파괴가 불가피하다. ▪ 어류나 저서생물 등 해양생태계의 이동 수단이 마련되어 있지 않다.

논 술 다음 글을 읽고 조력발전에 대한 자신의 의견을 기록하고 토론하시오. 조력발전은 대표적인 해양 에너지다. 특히 우리나라 서해안은 조수간만의 차가 큰 지형적 특성 때문에 조력발전에 유리한 적지로 꼽히고 있다. 현재 서해안에는 5곳의 조력발전 사업이 추진 중이다. 이중 국내 최초의 조력발전소인 시화호 조력발전소가 8월부터 본격 가동, 조기 전력생산에 들어갔다. 그러나 나머지 4곳은 환경오염에 대한 우려로 사업추진에 난항을 겪고 있다. 발전사업자들은 “조력은 생각처럼 환경 파괴적인 시설이 아니다”라고 말하지만 지역주민과 환경단체들은 “조력은 비용으로 환산할 수 없는 수많은 생태가치들을 사라지게 할 것”이라며 첨예하게 대립하고 있다. 과연 조력발전은 친환경 대체에너지인가, 아니면 해양생태계를 파괴하는 반환경 에너지인가. [출처 : 청정에너지와 환경을 둘러싼 조력발전의 딜레마(미래환경)]

조류발전용 터빈 SeaGen 터빈 방식(수평축) ▪ 풍력발전기와 유사한 수평축 수차발전기 헬리컬 수차 방식(수직축) (출처 : 에너지관리공단) 헬리컬 수차 방식(수직축) ▪ 나선형 배열의 축차날로 구성 ▪ 작은 유속에서도 높은 속도로 일정하게 회전하며 유향이 변해도 같은 방향으로만 회전 (출처 : 에너지관리공단) 다리우스 수차 방식(수직축) ▪ 날개형이 일정한 단면인 날개를 원주상에 등간격으로 배치 ▪ 구조가 간단하며 날개의 주속도가 유속의 2~3배 ▪ 물결이 흐르는 방향과 상관없이 한쪽으로만 회전 (출처 : 해양에너지공학, 전남대학교출판부 p.65)

에너지 효율과 해양 생태계를 동시에 고려한 조류 발전기를 설계해 보세요. 설 계 창의적 설계

가스 하이드레이트 동해 울릉분지 6억톤(30년 사용가능) 가량 부존 천연가스가 저온ㆍ고압하에서 물분자와 결합되어 형성된 고체물질 생성조건 : 0℃에서 26기압 10℃에서 76기압 메탄이 90%이상으로 '메탄 하이드레이트(Methane Hydrate)'라고도 하며 Dry Ice와 유사한 외관 및 특성을 보여 '타는 얼음(Burning Ice)'이라고도 불림 연소할 때 이산화탄소를 거의 발생시키지 않는 청정연료 (출처 : 미래엔 컬처) 동해 울릉분지 6억톤(30년 사용가능) 가량 부존

STEAM Story(1~5)

1. 신·재생에너지의 분류 연료전지 석탄액화가스화 수소 신(新) 재생(再生)

2. 개발 중인 해양에너지 해양 온도차 발전 폐쇄된 회로 속에서 따뜻한 바닷물을 이용해서 암모니아 같이 끓는점이 낮은 액체를 끓여 그 증기로 터빈을 돌리는 것이다. 터빈을 돌린 암모니아 증기는 열교환기에서 차가운 바닷물에 의해 응축되어 되돌려진다. (출처 : http://www.oceanspace.com/otec/otec.htm) - 동해 남부 해역에는 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 존재한다고 알려져 있어 해양 온도차 발전 기술의 개발에 관한 전향적인 검토가 필요

염도차 발전 강물과 바닷물이 마주칠 때 삼투압 작용에 의해 농도가 낮은 강물이 농도가 높은 바닷물에 빨려 들어가는 힘을 이용하여 발전하게 된다. 큰 강의 하구에서는 항상 삼투압 현상이 일어나고 있으며, 대개 24기압에 해당되는 압력차가 있다. 이는 약 240m 높이의 수력 발전소 댐에서 떨어지는 물의 낙차와 같은 힘이다. 즉 세계 큰 강의 하구에는 240m 높이의 댐을 가지고 있는 셈이어서 이를 이용하여 전기를 일으킬 수가 있다.

(출처 : http://blog.naver.com/swb567?Redirect=Log&logNo=100148808987) 3. 조석 현상의 원리 달의 인력과 지구의 원심력 (출처 : http://blog.naver.com/swb567?Redirect=Log&logNo=100148808987)

조류 발전의 원리를 알아보기 위한 발전기 모형 만들기 4. 조류발전기 만들기 조류 발전의 원리를 알아보기 위한 발전기 모형 만들기

☼ 실습목표   조력발전기가 실재로 어떻게 전기에너지를 발생시키는지 제작 실습을 통해 확인할 수 있다. ☼ 실습 시 유의사항 1. 칼과 가위를 사용하므로 다치지 않게 조심 2. 기어와 모터의 높이를 잘 잡아 주도록 한다. 3. 최대한 기어와 모터의 기어가 부드럽게 해야 된다. 4. 물이 흘러가는 현상을 만들 수 있게 유도한다.

☼ 실습 준비물 재 료 규 격 수량 비용(원) 페트병 재활용 1개 발전기 소형 20,000 LED, 일반형 3V 2개 150 주사기 10cc 1000 수수깡 문구용 글루건 10000 글루건 스틱 3개 링기어 500 꽂이용 대나무 가는 것 10개 스트로우 일반형 총 계 34,650(원)

☼ 실습방법 1. 조류 발전기를 제작하기 위해 지난 시간에 전달된 준비물을 준비물표와 같이 확인하여 본다. ☼ 실습방법  1. 조류 발전기를 제작하기 위해 지난 시간에 전달된 준비물을 준비물표와 같이 확인하여 본다. 2. 축 사이에 관을 삽입한 후 기어와 물레방아 부분을 연결한다. 3. 페트병을 조심스럽게 칼로 오려낸다. 4. 글루건을 사용하여 수수깡에 축을 연결한다.

☼ 실습방법 5. 터빈의 역할을 하는 물레방아와 발전기를 돌려줄 기어를 고정막대와 연결한다. ☼ 실습방법  5. 터빈의 역할을 하는 물레방아와 발전기를 돌려줄 기어를 고정막대와 연결한다. 6. 글루건을 이용하여 각 부분을 잘 붙여준다. 7. 발전용 소형 모터 8. 재활용 페트병에 삽입하고 발전용 모터의 위치도 잘 맞추어 붙인다.

☼ 실습방법 9. 조류를 만들어줄 주사기의 위치를 확인한다. 10. 확인된 주사기 위치를 글루건 스틱용액을 사용하여 붙인다. ☼ 실습방법  9. 조류를 만들어줄 주사기의 위치를 확인한다. 10. 확인된 주사기 위치를 글루건 스틱용액을 사용하여 붙인다. (주의) 화상 주의 11. 물을 채워 준다. (주의) 누수 여부 정밀검사 12. 조류발전기 모형 완성

5. 풍력발전 터빈의 유형 풍력발전과 조류발전은 유체의 종류만 다를 뿐 원리는 동일하므로 조력발전기가 터빈 설계 시 참고 자료로 활용 수평형 시스템 수직형 시스템 Profeller형 Gyromill형 Sabonius형 Darrieus형

수고하셨습니다.