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원동기
원동기(原動機, Prime Mover, Motor)는 천연에너지를 기계에너지로 전환하는 장치를 가리킨다. 메리엄-웹스터(Merriam Webster)는 원동기에 대해 (1) 천연자원에서 공급되는 에너지를 접수하고 조절하여 동작하게끔 디자인되어 기계를 구동하는 원동력의 초기 원천, (2) 모든 동작의 근원으로 되는 스스로 움직이는 존재, (3) 일이나 작업에 원천이 되거나 가장 효과적으로 작용하는 힘이라고 정의하고 있다.[1]
개요
모든 기계는 동력에 의하여 동작하는데, 이 동력을 얻기 위해서는 자연계에 존재하는 여러 가지의 형태의 에너지를 우리가 사용하기 편리한 형태의 기계에너지로 변환시켜야 한다. 여기에서 기계적 에너지란 회전운동이나 직선 혹은 왕복운동의 형태를 말하는데 이처럼 자연계에 존재하는 자연에너지를 기계에너지로 변환시켜주는 장치, 즉 동력으로 바꾸어주는 기계를 원동기라 한다. 현재 우리가 이용 가능한 자연에너지는 열에너지, 풍력에너지, 수력에너지, 원자력에너지, 그리고 최근에는 태양열에너지, 지열에너지 등 있다. 원동기를 에너지원에 따라 분류하면 태양의 복사에너지를 이용하는 태양열 원동기를 1차원 에너지 원동기라 하고, 태양에 의해 에너지의 형태를 보이게 되는 풍력, 수력, 화력 등을 이용한 원동기를 2차원 에너지 원동기라고 한다. 지구상의 모든 에너지는 거의 태양에 의해 제공되고 있다. 즉, 태양열에 의해 바람이 생기고, 수증기를 증발 시켜 구름과 비를 만들어 물을 높은 위치에 놓이게 하고, 식물에 탄소 동화 작용을 하게 하여 식물과 동물을 생존케 함으로써 목재, 석유, 석탄 등을 만든다. 반면, 원자력같이 태양의 영향을 받지 않는 에너지를 이용한 원동기를 3차원 에너지 원동기라고 한다. 에너지 형태에 따라 원동기를 분류하면 풍차와 같은 풍력 원동기, 수차와 같은 수력 원동기, 연소 시의 열에너지를 이용하는 열 원동기 그리고 원자력 원동기로 나눌 수 있다.[2]
에너지 형태에 의한 분류
수력 원동기
원동기에 공급되는 천연에너지의 형태가 물의 운동에너지일 경우, 이를 수력 원동기라고 한다. 이것은 하천의 유수, 바다의 조수 등을 이용하여 수차를 구동시키는 형식으로써, 수력발전소 및 농공업용 기계로 널리 이용되고 있다. 옛날부터 물레방아를 설치하여 양수, 도정, 제재 등의 동력원으로 이용되어 왔는데, 규모가 큰 강에서는 유량 혹은 낙차의 자연조건을 이용하여 큰 에너지를 도입할 수 있다는 이점 때문에 크게 개량되고 발달하여, 현재는 댐같은 대규모로 에너지를 출력의 수력발전소로 발달하였다.[3]
풍력 원동기
풍력 원동기는 공급에너지가 바람이다. 그러나 풍력은 변동이 심하여 출력이 일정하게 유지될 수 없다는 조건과 대량으로 출력화 할 수 없다는 단점 때문에, 수차의 경우처럼 크게 발전되지는 못하고, 지역적으로 소형 발전소로 이용되고 있다.[3] 풍력 원동기의 대표적인 기계가 풍차다. 풍차는 바람의 에너지를 역학 에너지로 바꾸는 기계를 말한다. 과거에 풍차는 곡식을 빻고 물을 끌어 올리는 데 사용했지만, 현재는 풍차를 통해서 풍력에너지를 회전운동으로 바꾸어 발전기를 구동하는 풍력발전소로 발전했다.
열 원동기
열 원동기는 원동기 중 가장 광범위하게 이용되고 있는 것이 특징이며, 열기관이라 부르기도 하며, 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 방식을 취하고 있다.[3] 열기관은 연료의 연소 방법에 의해 내연기관과 외연기관으로 분류된다. 내연기관은 열에너지를 흡수하여, 그 에너지 중 일부를 역학적 에너지로 변환시키는 장치인 열기관의 한 종류이다. 공기와 연료 등의 산화제를 실린더 내부에서 연소 시켜 연료가 가진 열에너지가 직접 피스톤에 작용하여 동력 에너지를 얻는 엔진이다. 대표적인 내연기관으로는 디젤기관과 가솔린기관이 있다. 연소실 내부에서 연료와 산화제의 반응은 발열반응이어서 반응 시 높은 온도와 압력의 기체가 생성된다. 이 기체가 연소실 내부의 피스톤 및 축차를 움직이게 하여 내연기관을 가동한다.[4] 반면 외연기관은 외부에서 연료를 연소시켜서 발생하는 열로 기관 내부의 작동물질(증기 등의 유체)을 가열하고 이 작동물질로 왕복기관이나 증기터빈을 움직이는 기관이다. 외연기관에서는 증기, 가스 등 엔진을 움직이게 하는 작동물질은 기관 내부에 있고, 연료를 태워 생기는 연소 가스 등은 기관 외부에서 열을 공급할 뿐이어서 작동물질과 섞이지 않고 완전히 분리되어 있다. 연소는 열을 공급하여 연료를 태우는 것을 의미하는데, 일반적인 화석연료를 연소시키는 것 이외에 원자력, 태양열, 지열 등을 이용하는 외연기관도 있다. 대표적인 외연기관인 증기기관에서는 연소 가스의 열로 보일러에서 물을 가열하여 고압의 수증기를 만들고 이 수증기로 왕복기관, 증기터빈 등을 움직인다. 즉, 연소열로 물의 액체-기체 상전이를 야기시키기 때문에 기관 내부에 액체와 기체가 모두 있다. 또 다른 외연기관인 스털링 기관에서는 일을 하는 물질이 기체 상태로만 존재한다.[5]
에너지원에 의한 분류
태양은 지구상에 존재하는 모든 천연에너지의 근원이다. 유수, 풍력, 연료 등은 지구상에 도달한 태양의 복사열이 에너지 형태상의 변화과정을 거쳐서 축적, 저장된 현상의 작용 효과에 불과하다. 따라서 태양의 복사열로부터 연속적으로 축적되는 에너지를 2차원 에너지로 정의한다. 따라서 태양의 복사열을 1차원 에너지로, 또한 지구상에 존재하는 천연에너지 중에서도 태양의 복사열로부터 연속적으로 축적되는 에너지를 2차원 에너지로 정의한다.
수력 에너지는 물이 태양열을 흡수하여 위치에너지로 증가한 데서 비롯되는 것이고, 풍력은 지구상의 국부적인 온도 차이로부터, 또한 연료는 생물체의 성장 형태, 시체의 화석 과정 등의 복잡한 에너지의 변환과정을 거쳐서 형성되는 것이다. 앞에서 언급한 수차, 풍차 및 화석연료 열기관 등은 2차원 원동기임이 분명하다. 그러나 근래에 와서는 2차에너지원에 의존하는 범위에는 한계를 느끼게 되고, 다른 에너지원의 개발이 불가피하게 되었다.
그래서 태양의 복사열을 지구상의 형태변환과정을 거치지 않고, 직접 이용하는 방식의 태양열 원동기가 연구되고 있다. 이 분야를 1차원에너지원 개발 분야라 하고, 이런 형식의 원동기를 1차 에너지원 개발 분야라 하고, 이런 형식의 원동기를 1차 에너지원 원동기로 정의한다. 현재로서는 집 열 장치를 이용한 태양열 증기 원동기가 이에 속한다.
3차원 에너지원은 우주 공간에 산재하는 전 에너지 중에서 1차 에너지원 및 2차 에너지원을 제외한 나머지의 에너지를 3차원에너지원으로 정의한다. 현재 실용되고 있는 3차원 에너지원은, 소위 제3의 불이라고 일컬어지는 원자력 에너지에 불과하다. 그러나 이 우주 공간에는 많은 양의 에너지가 여러 가지 형태로 존재하고 있을 것으로 추측되며, 이런 에너지의 개발 및 이용에 관한 학문 분야를 3차 에너지 공학이라고 정의한다. 장래에는 더욱 광범위한 3차 에너지원의 개발이 가능할 것이며, 이를 성공시킬 경우, 먼 우주여행도 간단히 해결될 수 있는 시대가 기대된다.[3]
각주
- ↑ 〈Prime Mover〉, 《Merriam-Webster》
- ↑ 김Q, 〈1.1 원동기의 정의 및 분류~ 1.4 내연기관의 분류〉, 《네이버 블로그》, 2015-09-13
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 김Q, 〈(내연기관 총론) 원동기의 분류〉, 《네이버 블로그》, 2015-09-28
- ↑ 〈내연기관〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈외연기관〉, 《네이버 지식백과》
참고자료
- 〈내연기관〉, 《네이버 지식백과》
- 〈외연기관〉, 《네이버 지식백과》
- 〈Prime Mover〉, 《Merriam-Webster》
- 김Q, 〈1.1 원동기의 정의 및 분류~ 1.4 내연기관의 분류〉, 《네이버 블로그》, 2015-09-13
- 김Q, 〈(내연기관 총론) 원동기의 분류〉, 《네이버 블로그》, 2015-09-28
같이 보기
