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태양에너지
태양에너지(Solar energy)는 지구의 기후에 힘을 주고 생명을 지탱시켜 주는, 태양에서 오는 열과 빛 형태의 복사에너지를 말한다. 햇빛에서 열이나 전력을 얻는 에너지원, 곧 재생 가능 에너지로 분류하기도 한다. 최근에는 태양 에너지 기술이 재생 에너지에 사용되고 있다. 태양에너지는 크게 태양광과 태양열로 구분된다.
목차
개요
태양에너지는 태양으로부터 방출되는 모든 종류의 에너지를 통틀어 이르는 말이다. 다만 태양과 지구는 대략 1억 5천만 km 가량 떨어져 있고 우주 공간은 입자의 밀도가 매우 낮은 진공에 가까운 상태이므로, 지구에 도달하는 것은 대부분 전자기파 형태로 방사되는 복사에너지이다. 이러한 이유로 태양에너지를 일반적으로 태양 복사 에너지를 이르는 말로 쓰기도 한다. 태양에너지의 원천은 고온, 고압 상태의 태양 내부에서 일어나는 수소 원자 간의 핵융합 반응이다. 지구에서는 대기표면을 기준으로 약 174 PW(petawatts)의 태양에너지를 받는데, 이는 태양이 방출하는 총 복사에너지의 약 22억 분의 1 정도에 해당한다. 지구의 대기와 물의 순환에 커다란 영향을 주며, 생물의 생명활동의 근원이 되는 에너지이다. 산업적으로는 고갈의 염려가 없는 재생 가능 에너지(renewable energy)이고, 발전과정에서 공해가 발생하지 않으며 사용 가능한 에너지의 크기가 매우 크므로 미래의 주 에너지원으로 주목받고 있다.
지구에서의 태양에너지 지구에 도달한 태양 빛의 약 30%는 우주로 반사되고 나머지는 지구의 육지 표면과 지구의 약 71%를 덮고 있는 바다, 그리고 대기에 의해 흡수된다. 그림1 은 태양 빛이 지구에서 투과, 반사, 흡수, 재방사하는 정도를 나타내는 개략적인 모식도이다. 지구에 도달하는 전체 태양에너지의 절반 정도만이 지구의 표면(토양과 바다를 모두 포함하는)에서 흡수되는 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼 태양에너지는 전자기파의 형태로 전달되는데, 지표면에서의 태양 빛의 스펙트럼은 대부분이 가시광선 및 근적외선 범위에 걸쳐있고, 자외선 영역은 상대적으로 작은 부분을 차지한다.
태양에너지는 대기와 물의 순환을 일으키는 주된 요인이다. 공기는 태양의 복사 에너지를 받아 상승하여 퍼져나가게 되는데, 위도와 지역에 따라 대기가 흡수하는 복사 에너지의 양과 지표에서 방출하는 복사 에너지의 양이 다르므로 필연적으로 지역에 따른 열적 불균형이 발생하게 된다. 따라서 적도 지방의 기온이 극지방의 기온보다 더 높아지게 되고 공기의 흐름은 저위도에서 고위도 지방으로 향하게 된다. 여기에 지구의 자전으로 인한 전향력의 효과가 더해지면 복잡한 대기의 순환 운동이 만들어지게 되는데, 대기를 통한 이러한 전 지구적 열적 순환을 대기 대순환(Atmospheric circulation)이라 한다. 또한 태양 복사로 인해 대양에서 증발 된 물은 수증기의 형태로 변하여 따뜻해진 공기와 함께 이동하게 되는데, 공기의 온도가 낮아지는 높은 고도에 이르게 되면, 수증기가 구름으로 응축되어 지구 표면에 비를 내리게 된다. 이러한 일련의 과정을 물의 순환(hydrologic cycle)이라고 한다. 이러한 대표적인 두 가지 순환뿐만 아니라 지구상 모든 생물의 생명활동의 근원이기도 하며, 지구에서 일어나는 거의 모든 종류의 자연 현상의 근본적인 원인으로 작용한다.
태양에너지 원리
- 태양은 약 1000조 개의 핵폭탄에 해당하는 에너지를 발산
지금 태양의 나이가 대략 50억 년 정도인데 총 수명이 100억 년 정도 될 것으로 추정되므로 사람과 비교하면 인생의 반 정도를 산 젊은 시절을 보내고 있는 별이다. 태양은 현재 초당 약 3.9×10²⁸J에 해당하는 에너지를 생산하는데 이는 핵폭탄 약 천조(10¹⁵)개에 해당하는 에너지이다. 만약 이런 엄청난 에너지를 내는 태양이 어느 날 빛을 잃는다는 것은상상만 해도 끔찍하지만 만약 그런 일이 일어난다면 지구의 모든 생명체는 멸종하고 말 것이다. 그러나 약 50억 년 후에는 그런 일이 반드시 일어나게 된다. 그때 태양은 빛을 잃고 수명을 다해 죽은 별이 될 것이기 때문이다. 태양은 태양계의 모든 천체들 중 스스로 빛과 열을 만들어내는 유일한 별(항성)이다. 지구를 비롯한 나머지 행성들은 우리가 볼 때 빛을 내며 밤하늘에서 빛나고는 있으나 그 빛은 태양빛을 받아 반사시킨 것으로서 본질은 태양빛이다. 태양처럼 스스로 에너지를 생산해서 빛과 열을 만들어내는 천체들을 별이라 하고 지구처럼 그 별에 붙들려서 별 주변을 도는 천체는 행성이라고 한다. 그렇다면 태양은 어떻게 만들어졌으며 어떻게 100억 년이란 긴 세월 동안 뜨거운 열과 빛을 만들어낼 수 있는 것일까?
약 50억 년 전 우리은하의 귀퉁이인 나선팔의 한 구석에는 그전에 살았던 어떤 별이 폭발한 잔해이자 가스덩어리로 이루어진 성운이 존재했을 것이다. 이 성운은 주로 수소로 이루어져 있었으며 더불어 현재 태양계를 구성하고 있는 물질들인 다양한 원소들로 구성되어 있었다. 그 성운은 중력에 의해 서서히 서로 뭉쳐지고 커졌으며회전하기 시작했다. 이 성운이 수축하면서 낮아진 위치에너지가 열에너지로 바뀌어 내부의 온도는 점점 상승하여 수소가스 덩어리는 희미한 빛을 내기 시작했다. 이런 상태의 별을 원시성이라고 하는데 이 원시성의 온도가 약 1억(108)도 가까이 되면 내부에서 수소핵융합반응이 일어나기 시작한다.
수소핵융합반응
- 가벼운 원소의 핵이 모여 무거운 원소의 핵이 된다
핵융합반응이란 가벼운 원소의 핵이 합쳐져 무거운 원소의 핵을 만드는 반응이다. 수소핵융합반응은 2개의 수소가 모여 하나의 헬륨으로 바뀌는 과정인데 2개의 수소의 원자량은 4.0312인데 반해 생성된 헬륨 1개의 원자량은 4.0026이다. 즉 2개의 수소의 원자량에 비해 1개의 헬륨의 원자량이 0.0286만큼 적어진 것인데 질량으로 바꾸어보면 5.02×10⁻²⁶g이 줄어든 것이다. 줄어든 이 물질은 어디로 갔을까? 줄어든 질량은아인슈타인의 특수 상대성 이론인 E = mc² 에 의해 에너지로 전환된다. 즉 줄어든 질량에 빛의 속도의 제곱 값을 곱한 만큼의 에너지가 생성되는 것이다. 이 결과 태양을 비롯한 별들이 엄청난 열과 빛을 내는 에너지를 만들어내게 된다.
현재 태양의 표면온도는 약 6,000K도이고 내부는 1,600만K도로 이 모든 에너지가 수소핵융합과정에 의해 만들어진다. 이렇게 발생하는 에너지를 핵에너지라고 하며 이런 원리를 이용하여 만든 무기가 바로 수소핵폭탄이다. 태양의 총질량의 10%가 수소핵융합 반응에 쓰인다면 태양에서 생성될 수 있는 총에너지는 약 1.2×10⁴⁴J로 태양이 현재와 같은 비율로 에너지를 방출한다면 태양의 수명은 약 100억 년 정도가 될 것이다. 별의 중심부에서 수소핵융합 반응으로 수소가 모두 헬륨으로 바뀌고 나면, 다음에는 더 높은 온도에서 4개의 헬륨 핵이 모여 1개의 탄소 핵을 만드는 헬륨핵융합 반응이 일어난다. 이어 헬륨 핵이 소진되면 탄소 핵이 남게 되고 철이 남을 때까지 여러 반응이 계속될 수 있다. 하지만 이 과정은 별의 질량에 따라 달라진다. 질량이 아주큰 거대한 별은 수소, 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 규소, 철의 순서로 핵융합을 한다.
태양의 지름은 약 139만km로 지구지름의 109배, 부피는 지구의 130만 배 정도이며, 질량은 약 2×10³⁰kg으로 지구의 33만 배 정도이다.태양은 지구에 비하면 어마어마하게 큰 것이지만 별들 중에서는 그리 큰 별에 속하지 않는다.태양의 질량은 탄소를 만드는 반응까지만 가능한 정도의 양이므로 수소, 헬륨, 탄소의 순서에서 핵융합을 마칠 것이다. 그 결과 마지막 단계의 태양 중심부는 탄소로 가득 차게 될 것이다.그래서 태양은 헬륨핵융합과정을 마치면 중심에 탄소층을 만들고 핵융합반응을 마칠 것으로 추정된다.
태양에너지 기술의 응용
태양에너지는 실용적인 목적으로 주로 태양 복사를 이용한다. 그러나 지열 발전, 조력 발전을 포함한 모든 재생 에너지는 태양에서 에너지를 받는다. 태양 기술은 햇빛을 포착하고 변환하고 분배하는 방식에 따라 수동식이냐 능동식이냐로 크게 구분된다. 능동식 태양 기술은 태양 발전 패널, 펌프, 팬을 이용하여 태양빛을 유용한 출력물로 변환한다. 수동식 태양 기술은 사용할만한 열 특성을 지닌 물질을 선별하고 공기를 자연스럽게 순환하는 공간을 설계하고 태양에 대한 건물의 위치를 참조하는 것을 포함한다. 능동식 태양 기술은 에너지 공급을 늘리므로 공급 측면의 기술로 생각할 수 있으며 수동식 태양 기술은 대체 자원의 필요성을 줄여 주며 수요 측면의 기술로 생각할 수 있다.
건축 및 도시 계획
햇빛은 건축 역사가 시작할 때부터 건물의 디자인에 영향을 주고 있다. 완전히 개발된 태양 건축과 도시 계획 방식은 처음에 그리스 사람들과 중국 사람들이 빛과 따뜻함을 제공하기 위해 건물을 남쪽으로 향하게 한 데에서 비롯하였다.
수동식 태양(passive solar) 건축의 토대가 되는 기능은 태양 지향, 밀집 할당, 선택적 차광, 축열체이다. 이러한 기능들은 편안한 온도 범위에 남으면서 빛이 잘 들어오는 공간을 만들어 주는 지역 기후과 환경의 구실을 한다. 소크라테스의 메가론 하우스(Socrates' Megaron House)는 직접획득형 태양 설계의 전형적인 예이다. 태양 설계는 최근에 컴퓨터 모델링을 도입하여 채광, 가열, 공기 조화 시스템을 태양 건축 설계 속에 통합하고 있다.
펌프, 팬, 전환 가능한 창과 같은 능동식 태양(active solar) 장비들은 수동식 설계를 보충할 수 있고 시스템 성능을 개선할 수 있다.
도시 열섬(UHI)은 온도가 주변 환경보다 더 높은 도시 지역이다. 이렇게 높은 온도는 자연환경과 견주어 반사율이 더 낮고 열용량이 더 높은 아스팔트와 콘크리트에서 비롯한 것이다. 도시 열섬 효과를 덜어 주는 직접적인 방식은 건물과 도로를 하얗게 칠하고 나무를 심는 것이다. 이러한 방식들을 사용한 로스앤젤레스의 시원한 사회("cool communities")라는 프로그램을 통해 10억 USD 정도를 씀으로서 도시 온도를 거의 3 °C까지 줄일 수 있었으며 한 해에 공기 조화와 건강 관리에 들어가는 비용 가운데 530,000,000 USD 정도(예측)를 줄일 수 있었다.
농업과 원예
농업은 선천적으로 태양에너지를 모아 이를 최적화하는 것을 추구함으로써 생산성을 제공한다. 특정 시기의 재배 순환(timed planting cycles), 맞춤식 줄 적응(tailored row orientation), 여러 종의 식물 혼합(mixing of plant varieties)과 같은 기술을 사용하면 농작물을 수확하는 데에 도움이 된다. 햇빛이 일반적으로 풍부한 자원으로 여겨지지만 태양 에너지가 농업에 중요한 다른 예외 사항도 있다. 소빙기의 짧은 재배 기간 동안 프랑스와 영국의 농민들은 과실벽(fruit wall)들을 이용하여 태양 에너지의 광집량을 극대화하기도 했다. 이러한 벽들은 축열체의 역할을 하며 식물들을 따뜻하게 함으로써 성장을 가속시킨다. 초기의 과실벽들은 남쪽 방향으로 땅에 수직으로 세워 짓지만 시간이 지남에 따라 기울어진 벽들이 개발되어 햇빛을 더 잘 활용할 수 있게 되었다. 1699년에 니콜라스 파시오드 듀일리에(Nicolas Fatio de Duillier)는 태양을 따라다니며 회전하는 태양 추적 장치를 사용하는 안을 제기하였다. 태양에너지는 농작물을 기르는 데뿐 아니라 농업의 여러 방면에 사용된다. 이를테면 물을 푸거나 농작물을 건조시키거나 닭 비료를 말리는 등에 쓰일 수 있다.
비닐 하우스는 태양열과 빛을 이용하여 특정한 환경에서 식물을 자라게 한다. 이로써 연중 생산량과 특산작물, 또 지역 기후에 자연스럽게 자라지 못하는 다른 식물들의 성장을 가능하게 한다. 원시적인 비닐하우스는 처음에 로마 시대에 사용되었으며 로마 황제 티베리우스를 위해 연중 오이를 생산하였다. 최초의 현대 비닐하우스는 16세기에 유럽에서 만들어졌으며 해외의 외래종을 보존하는 데 사용하였다. 비닐하우스는 오늘날 원예업에서 중요한 부분으로 남아 있지만 폴리터널과 이랑 덮개(row cover)와 비슷한 효과를 제공하는 플라스틱 투명 물질도 사용되고 있다.
채광
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채광의 역사는 자연빛의 이용이 지배적이다. 로마 사람들은 일찍이 6세기에 채광권(Right to Light)을 알아냈으며 영국법은 이러한 결정을 1832년의 권리법(Prescription Act)에 반영하였다. 20세기에 인공 채광은 인테리어 조명의 기본 원천이 되었다.
채광 시스템들은 햇빛을 모아 분배하여 인테리어 조명을 제공한다. 이러한 시스템들은 직접적으로는 인공 조명을, 간접적으로는 공기 정화(HVAC)의 필요성을 줄여 준다. 양을 따지기는 쉽지 않지만 자연 채광을 이용하면 인공 조명에 비해 생리적 이점과 정신적 이점이 있다. 채광 설계를 들여다보면 창의 종류, 크기, 동쪽 지향을 꼼꼼히 따지는 것을 알 수 있고, 또 외부 차광 장치를 고려하기도 한다. 개별 기능으로는 들쭉날쭉한 지붕, 고창층, 광선반, 천공광, 광튜브 등이 있다. 이러한 기능들은 기존의 구조물에 추가할 수 있지만 열의 흐름, 눈부심, 이용 시간 등의 요인을 고려하는 태양 건축 설계 패키지에 통합할 때 가장 효과적이다. 채광 기능이 알맞게 수행되면 상업 용도의 채광 관련 에너지 요구를 25%까지 줄일 수 있다.
하이브리드 태양 채광 (HSL)은 햇빛을 사용하여 조명을 제공하는 능동식 태양 방식이다. HSL 시스템은 태양을 따라다니는 포커스 거울을 사용하여 햇빛을 모아 광섬유를 사용하여 빛을 건물 안쪽으로 보내 전통적인 채광을 보충할 수 있다. 1층 건물에서 이렇나 시스템은 직접 받는 햇빛의 50%를 전달할 수 있다.
에너지를 절약하기 위해 햇빛을 사용하는 한 방법으로 서머타임을 장려하기도 하지만 최근에는 이에 대한 연구가 부족한 형편이며 오히려 이를 반박하는 결과들이 보고되고 있다. 일부 연구에서는 서머타임이 에너지를 절약한다고 보고하고 있지만 수많은 연구에서는 특히 휘발유 소비를 고려할 때에는 에너지 절약에 어떠한 영향도 미치지 않는다고 보고하고 있다. 전기 이용은 지리, 기후, 경제로 인해 크게 영향을 받으며 단순한 연구들을 통해 이를 일반화하기 매우 어렵게 만든다.
태양열
태양열 기술은 물과 공간을 따뜻하게 하고, 또 공간을 차갑게 하거나 열을 처리하는 데 사용할 수 있다
물의 가열
태양 온수 시스템은 햇빛을 사용하여 물을 데운다. 낮은 위도(40° 아래)에 있을 때 태양 난방 시스템은 60 °C가 넘는 온도의 지역 온수에서 60~70% 정도를 제공할 수 있다. 가장 일반적인 형태의 태양 물 히터의 경우 가정 온수에 일반적으로 쓰이는 진공관형 태양열 집열기(evacuated tube collector) (44%), 광택 평판 태양열 집열기(glazed flat plate collector) (34%)와 수영장 물을 데우는 데 주로 쓰이는 무광택 플라스틱 태양열 집열기(unglazed plastic collectors) (21%)가 있다. 2007년을 기준으로, 설치된 태양 온수 시스템의 총 용량은 약 154 W에 이른다. 중국은 2006년 기준으로 70 GW의 태양 온수를 이용하는 데 세계적으로 앞장서고 있으며 2020년까지 210 GW를 사용하는 것이 목표이다. 이스라엘은 이 기술을 사용하여 가정의 90%에 태양 온수 시스템을 채용하는 데 앞장서고 있다. 미국, 캐나다, 오스트레일리아에서 수영장 물을 데우는 것은 태양 온수 응용의 대부분을 차지하고 있으며 2005년 기준으로 18 GW의 용량이 설치되어 있었다.
난방, 냉방, 통풍
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미국에서 HVAC 시스템은 상업용 건물에 쓰이는 에너지의 30%를 차지하고 있고 가정 건물에 쓰이는 에너지의 50%를 차지하고 있다. 태양의 HVAC 기술은 이러한 에너지의 일부를 상쇄하는 데 이용할 수 있다.
가장 일반적인 뜻의 축열체는 열을 담기 위한 공간을 갖춘 물질을 말한다. 태양 에너지라는 환경에서 축열체는 태양으로부터의 열을 담는 데 이용한다. 일반적인 축열체로는 돌, 시멘트, 물을 들 수 있다. 이러한 물질들은 역사적으로 건조한 기후나 따뜻한 온도의 지역에서 사용되며 낮 동안에 태양 에너지를 흡수하고 밤에 열을 더 시원한 온도로 복사함으로써 건물을 시원하게 유지시켜 준다. 그러나 이들은 온도가 낮은 지역에서 따뜻함을 유지하는 데 이용하기도 한다. 축열체의 크기와 배치는 기후, 채광, 차광 조건과 같은 여러 요인을 고려해야 한다. 축열체가 올바르게 추가되면 이러한 축열체는 방 안의 온도를 편안한 범위로 유지시켜 주며 난방과 냉방을 위한 보조 장비의 필요성을 줄여 준다.
태양 굴뚝 (또는 열 굴뚝)은 수동식 태양 통풍 시스템으로 건물 안팎을 이어주는 수직 기둥을 이루고 있다. 굴뚝이 따뜻해지면 안쪽 공기는 건물을 통해 공기를 끌어당기는 기류 운동을 일으키며 따뜻해진다. 비닐하우스와 비슷하게 축열체와 유리를 사용하면 성능을 개선할 수 있다. 이러한 시스템들은 로마 시대 이후에 사용되어 왔으며 현재 중동에서 흔히 쓰이고 있다.
낙엽성 나무와 식물들은 난방과 냉방을 위해 이용할 수 있다. 남쪽 고지에 위치한 건물에 나무와 식물들을 심으면 여름 동안에 잎들은 그늘을 제공하지만 겨울 동안에는 갈라진 가지가 빛과 온기가 겨울 동안에 지나갈 수 있게 도와 준다.
제염과 살균
태양 증류는 태양에너지를 이용하여 소금물로부터 마시기 알맞은 물을 만들어내는 것을 말한다. 기록되어 있는 최초의 이용은 16세기 아랍의 연금술사의 시기로 거슬러 올라간다. 첫 대형 태양 증류 프로젝트는 1872년에 Las Salinas의 칠레 탄광 마을에서 구성되었다. 이 4,700 m²의 증류기는 하루에 최대 22,700 L를 생산하고 40년 동안 운영하였다. 개별 증류 디자인은 단일 기울기(single-slope), 이중 기울기(double-slope, 비닐 하우스 류), 수직, 원뿔형, 역흡수기, 다중심지(multi-wick), 다중 효용(multiple effect)을 포함한다.[41] 이러한 증류기들은 수동적으로, 능동적으로, 또 그 둘 모두를 한꺼번에 수행할 수 있다. 이중 기울기식 증류기는 분산형 가정 목적에 가장 경제적이지만 대형 목적에는 다중 효용 장치가 가장 알맞다.
태양 물 살균 (SODIS)은 물이 채워진 플라스틱 패트병을 여러 시간에 걸쳐 햇빛에 노출시킴으로써 물 속의 균을 죽이는 방식이다. 노출 시간은 계절과 기후에 따라 적으면 6시간에서 이틀, 길면 흐린 날이 끝날 때까지 계속된다. SODIS는 가정의 물 치료와 안전을 위한 실용적인 방식으로 세계 보건 기구가 권장하고 있다. 개발도상국에 사는 200만 명이 넘는 사람들은 SODIS를 사용하여 마실 물을 충족시킨다.
요리
태양열 조리기구는 햇빛을 사용하여 요리를 하고 무언가를 말리고 저온 살균 처리를 한다. 이러한 기구는 크게 세 종류로 나눌 수 있다.:
- 상자형 조리기구 (box cooker) : 가장 단순한 종류의 태양열 조리기로, 1767년에 오라스 드 소쉬르(Horace de Saussure)가 최초로 만든 조리기구이다. 기본 상자형 조리기구는 투명 덮개를 갖춘 절연 용기로 구성되어 있다. 이러한 조리기구는 조금 구름낀 하늘에 효과적으로 사용할 수 있으며 일반적으로 90–150 °C 온도에 다다른다.
- 판형 조리기구 (panel cooker) : 반사판을 사용하여 햇빛을 절연 용기에 직사시킨다. 온도는 상자형 조리기구에서 달구는 온도만큼까지 다다른다.
- 반사체 조리기구 (reflector cookers) : 반사체 조리기구는 다양한 집광 결합체를 사용하여 빛을 조리 용기에 비춘다. 이러한 조리 기구들은 315 °C 이상까지 다다르지만 정상 동작을 위해 직광이 필요하며 태양에 직접 비치도록 위치를 조절해 주어야 하는 불편함이 있다.
태양 접시(solar bowl)는 독특한 집광 기술이며 인도 오로빌의 솔라 키친(Solar Kitchen)이 이용하였다. 태양 접시는 천구의 안쪽 표면에 수직인 선을 따라 빛의 초점을 맞추는 움직이지 않는 원형 반사체이며 컴퓨터 제어 시스템은 수신기를 이동하여 이 선을 가로지른다. 온도가 150 °C에 다다르면 수신기 안에 증기가 만들어지며 부엌에서 열을 처리하는 데 사용한다.
열처리
파라볼릭 디시(접시형), 트로프(구유형), 셰플러(Scheffler)의 반사체와 같은 태양 에너지 집광 기술들은 상업, 산업 용도를 위한 열 처리를 제공한다. 최초의 상용 시스템은 그루지야의 셰난도에 있던 STEP(솔라 토털 에너지 프로젝트, Solar Total Energy Project)였으며 114개의 파라볼릭 디시가 50%의 열 처리, 공기 정화, 또 의류공장을 위한 전기 요구의 50%를 제공하였다. 이러한 폐열발전 시스템은 400kW의 전기와 3MW의 열 에너지를 증기 형태로 만들어 냈으며 절정 부하를 줄이는 것을 도와 주는 축열 시스템을 갖추고 있었다.
염전은 증발을 통해 용해된 고체 물질들을 한데 모으는 얕은 연못이다. 염전을 이용하면 바닷물로부터 소금을 얻을 수 있으며 이러한 방식은 태양 에너지의 가장 오래된 응용 가운데 하나이다. 오늘날에는 소금물 용해물질들을 한데 모아 물줄기로부터 용해된 고체를 제거한다.
빨랫줄, 빨래 말림틀, 옷걸이를 사용하면 증발을 통해 옷을 말릴 수 있다. 이러한 기구들은 전기나 자연 기체가 아닌 바람과 햇빛을 사용한다. 플로리다주 법은 건조법(right to dry)을 보호하고 있으며 이와 비슷한 태양 법안도 유타주와 하와이주에서 통과되었다.
UTC (Unglazed transpired collector, 무창 기공 집열기)들은 통풍 공기를 가열하는 데 쓰이는, 태양을 향하고 있는 벽들을 관통한다. UTC들은 들어오는 공기의 온도를 최대 22 °C까지 높일 수 있고 45~60 °C의 배출 온도를 제공한다. 기공 집열기는 3~12년 정도로 보수 기간이 짧아서 광택 집열 시스템보다 더 효과적이라고 할 수 있다. 2003년에 80개가 넘는 35,000 m² 크기의 결합 집열기를 갖춘 시스템들은 전 세계적으로 설치되고 있다. 이를테면 코스타리카에서 860 m²의 집열기를 사용하여 커피 열매를 말리며, 인도의 코임바토르에서는 1,300 m²의 집열기를 사용하여 금잔화를 말린다.
태양전기
햇빛은 태양광 발전 (PV), 태양 에너지 집결 (CSP)을 비롯한 다양한 실험용 기술들을 사용하여 전기로 변환할 수 있다. 태양광 발전은 일차 전지를 사용하는 계산기부터 가정 위에 다는 태양판인 광기전성 배열에 이르기까지 어느 정도 적은 용량의 전력에 사용할 수 있다. 큰 용량의 전력을 만들어내야 할 경우 SEGS와 같은 태양 에너지 집결 발전소가 일반적으로 쓰이지만 최근의 다중 MW PV 발전소가 일반화되고 있다. 14MW의 발전소가 네바다주의 클락 카운티에, 또 20 MW의 발전소가 스페인의 베네이사마에 2007년에 세워졌으며 이들은 미국과 유럽의 대형 태양광 발전소의 경향을 따르고 있다.
태양광 발전
태양전지 ('태양광 발전 전지'라고도 부름)는 광전 효과를 사용하여 빛을 직류로 바꾸는 장치를 말한다. 최초의 태양전지는 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 1880년대에 조립하였다. 프로토토아비 셀렌 전지가 1%가 채 안 되는 입사광선을 전기로 변환했지만 에른스트 베르너 폰 지멘스(Ernst Werner von Siemens)와 제임스 클럭 맥스웰 두 사람 다 이 발견의 중요성을 인식하였다. 1940년대에 러쎌 올(Russell Ohl)의 근본적인 노고에 이어 제럴드 피어슨, 캘빈 퓰러, 데릴 채핀(Daryl Chapin)은 1954년에 규소 태양전지를 개발하였다. 이러한 초기의 태양전지는 한 와트에 286 USD의 비용이 들었고 효율성은 4.5~6%에 다다랐다.
태양에너지에서 맨 처음에 나온 중대한 응용은 예비 전원을 뱅가드 1호 위성에 사용하는 것을 들 수 있다. 이로써 화학 전지가 떨어져도 위성이 지속적으로 한 해가 넘도록 전송을 지속할 수 있다.
이렇게 태양 전지를 운용하는 데에 성공하자 수많은 소비에트 연방, 미국 위성에 이와 같은 방법을 채용하게 되었고 1960년대 말 즈음에 태양광 발전이 위성의 주된 전력의 원천이 되었다. 태양광 발전은 텔스타와 같은 초기의 상업 위성의 성공에 중요한 역할을 하였으며 오늘날 전자통신 인프라에 필수적이라고 할 수 있다.
태양에너지를 설치하는 데에는 비용이 많이 들어서 1960년대에 걸쳐 지상에서 사용은 제한 받았다. 그러다가 1970년대 초에 태양광 발전이 파워 그리드를 접근하지 않고도 먼 거리에서 사용할 수 있을만큼 가격이 떨어졌다. 지상에서 초기 이용은 전력 전기통신국, 앞바다 석유 굴착 장치, 부표 및 철길 건널목을 포함한다. 이러한 것들과 다른 오프 그리드의 응용을 통해 2004년에 이르기까지 전 세계 절반 이상이 성공적으로 설치되었음을 입증하고 있다.
1973년 유류 파동은 1970년대와 1980년대 초 동안에 태양열 발전의 생산을 촉진하였다. 체계적인 성능에 개선을 가져다 주면서 생산성을 높이는 결과를 낳는 규모의 경제는 태양열 발전의 비용을 1971년에 와트당 100 달러(USD)에서 1985년에 와트당 7 달러로 낮추는 데 기여하였다.[66] 1980년대 초에 기름값이 꾸준히 떨어지면서 태양광 발전 R&D에 투자하는 비용을 줄이고 1978년 에너지 세금 법안과 더불어 세액공제를 중단하게 되었다. 이러한 요인들은 1984년에서 1996년에 걸쳐 한 해에 거의 15%씩 성장률을 가라앉혔다.
1990년대 중반 이후로 태양열 발전 분야의 선도적 위치가 미국에서 일본, 독일로 옮겨가게 되었다. 1992년에서 1994년까지 일본은 R&D 투자를 늘렸고 넷 미터링[68] 가이드라인을 설립하였으며, 또 보조금 제공 프로그램을 도입하여 가정에 태양열 발전 시스템을 설치하는 것을 장려하였다. 그 결과, 이 나라에서 태양열 발전 설치는 1994년에 31.2 MW에서 1999년에 318 MW로 올라설 수 있었으며 세계적인 생산 성장률은 1990년대 말에 30%까지 성장하였다.
독일은 발전 차액 지원 제도(feed-in tariffs) 시스템을 재생가능한 에너지 자원의 일부로 개정한 뒤로 세계적으로 앞서가는 태양열 발전 시장이 되었다. 설치된 태양열 용량은 2000년에 100 MW에서 2007년 말에 거의 4,150 MW로까지 늘었다.
스페인은 2004년에 이와 비슷한 발전 차액 지원 제도를 도입한 뒤로 세 번째로 가장 큰 태양열 발전 시장이 되었으며 프랑스, 이탈리아, 대한민국, 미국 또한 최근의 다양한 인센티브 프로그램과 지역 시장 조건으로 말미암아 빠른 성장을 보이고 있다.
태양에너지 집결
집결된 햇빛은 고대 중국 때부터 쓸모있는 일들을 수행하는 데 사용되어 왔다. 내려오는 어느 설에 따르면 아르키메데스가 로마의 함대를 침략하고 시라쿠사로부터 그들을 쫓아내기 위해 잘 닦은 방패를 사용하여 햇빛을 집결시켰다고 한다. 1866년에 오귀스탱 무쇼(Auguste Mouchout)는 파라볼릭 트로프(parabolic trough)를 사용하여 최초의 태양 증기 엔진을 위한 증기를 생산하였으며 그 뒤에 잇따르는 발전을 통해 관개, 냉동, 교통을 위한 태양 에너지 집결 장치를 이용할 수 있게 되었다.
태양에너지 집결 (CSP) 시스템은 렌즈나 거울을 사용하며, 또 태양 추적 시스템을 사용하여 넓은 면적의 햇빛을 작은 빔에 초점을 맞춘다. 이렇게 한 곳에 모인 빛은 전통적인 발전소를 위한 열의 원천으로 사용된다. 적용성이 넓은 태양 에너지 집결 기술들이 존재한다. 그 가운데 가장 잘 개발된 것으로는 솔라 트로프(solar trough), 파라볼릭 디시(parabolic dish), 그리고 태양 에너지 발전소(solar power tower)를 들 수 있다. 이러한 방식들은 태양을 추적하여 빛에 초점을 맞추는 방식에 따라 여러 가지가 있다. 이러한 모든 시스템에서 집결된 햇빛은 작동 유체를 가열하며 이 유체는 전기를 발생시키거나 에너지를 저장하는 데 이용된다.
솔라 트로프는 반사체의 초점 라인에 맞춰 빛을 반사체에 집결시키는 선형 파라볼릭 반사체로 이루어져 있다. 이 반사체는 낮 시간대에 하나의 축을 따라 태양을 따라가도록 설계되어 있다. 트로프 시스템은 가장 잘 정립된 CSP 기술이다. 캘리포니아와 악시오나(Acciona)의 네바다 솔라 원에 있는 SEGS(태양 에너지 발전 시스템) 발전소는 이러한 기술을 대표하고 있다.
파라볼릭 디시 시스템은 반사체의 초점 라인에 맞춰 빛을 반사체에 집결시키는 독립형 파라볼릭 반사체로 이루어져 있다. 이 반사체는 두 개의 축을 따라 태양을 따라간다. 파라볼릭 디시 시스템은 CSP 기술들 가운데 가장 효율성이 높다.[79] 오스트레일리아의 수도 캔버라에 있는 50 kW의 빅 디시는 이러한 기술의 한 예이다.
태양에너지 발전소는 특정한 배열의 추적 반사체(햇빛 반사 장치, heliostat)를 사용하여 발전소 꼭대기에 있는 반사체 가운데에 빛을 집결시킨다. 태양에너지 발전소들은 트로프 시스템에 비해 진보적이진 않지만 더 높은 효율성과 더 나은 에너지 저장 능력을 제공한다. 캘리포니아의 바스토우 지역에 있는 솔라 투와 스페인의 산루카 라 마요르(Sanlucar la Mayor)의 플라타 솔라 10은 이러한 기술을 대표하고 있다.
태양의 화학 처리
태양의 화학 처리는 태양에너지를 사용하여 화학 변화를 일으키는 것을 말한다. 이러한 처리를 통해 대체 자원의 필요성이 요구되는 에너지를 줄이고 태양에너지를 저장, 이동할 수 있는 연료로 변환할 수 있다. 태양 화학 반응은 다양하지만 일반적으로 "열화학", "광화학"으로 서술한다.
수소 생산 기술은 1970년대 이후로 태양의 화학 연구에 중대한 분야로 자리잡고 있다. 태양광 발전 전지나 광화학 전지로 운영되는 전기분해뿐 아니라 몇 가지 열화학 처리도 탐구되어 왔다. 겉으로 보기에 가장 직접적인 방식은 집신기를 사용하여 높은 온도의 물을 분해하는 것이지만 이러한 처리는 태양 에너지 대 수소 변환 효율성이 낮고 (1-2%) 과정이 복잡하기에 제약을 받는다. 더 전통적인 접근은 태양 에너지 집진기로부터 열을 처리하여 천연 기체의 수증기를 개질한다. 이로써 전반적인 수소 생산량이 늘어난다. 반응 물질의 분해와 재생을 가리키는 열화학 순환은 수소 생산의 다른 수단을 보여 준다. 현재 와이즈만 과학 연구소에서 개발 중인 솔징크(Solzinc[88]) 공법이 이러한 방식이다. 이러한 처리는 1 MW의 태양열 난방로를 사용하여 1200 °C가 넘는 온도의 산화 아연(ZnO)을 분해한다. 이러한 초기 반응은 수소를 생산하기 위해 물과 반응할 수 있는 순수 아연을 만들어 낸다.
샌디아의 S2P (Sunshine to Petrol, 햇빛을 석유로) 기술은 지르코니아/아철산염과 더불어, 햇빛을 집결시켜 만든 높은 온도를 사용하여 대기의 이산화탄소를 산소와 일산화 탄소(CO)로 분리시킨다. 이 CO는 그 뒤에 메탄올, 휘발유, 비행기 연료와 같은 연료를 합성하는 데 이용한다.
광전기화학 전지(PEC)는 일반적으로 전해질에 담겨 있는, 이산화 티탄이나 이와 관련된 티탄인 반도체로 이루어져 있다. 광전기화학 전지에는 두 가지 종류가 있다: 하나는 빛을 전기로 변환하는 광전기 전지, 나머지 하나는 빛을 사용하여 전기분해와 같은 화학 반응을 일으키는 광화학 전지이다.
감광 기전 장치는 빛을 비출 때 셀 솔루션이 에너지가 풍부한 중간 화학물을 형성하는 전지의 일종이다. 이러한 중간 화학물은 전극에 반응하여 전위를 일으킨다. 철분이 있는 티오닌 화학 전지가 이 기술의 예라고 할 수 있다.
태양을 이용한 수송수단
태양 전기 자동차의 개발은 1980년대 이후로 공학 기술의 목표가 되어 왔다. 이 개발의 중심에는 한 해에 2번 열리는 태양 전기 자동차 경주 대회인 월드 솔라 챌린지가 있다. 여기서 대학교와 기업의 팀들이 3021 km 거리의 다윈에서 앨더레이드를 거쳐 경주하게 된다. 1987년에 설립되었을 때에 승자의 평균 속력은 67 km/h였다. 2007년 경주는 수정을 거의 거치지 않고도 충분한 수송을 할 수 있는, 실용성 있는 새로운 챌린지 클래스를 사용한 차들을 포함하였다. 승리한 차의 평균 속도는 시속 90.87 킬로미터였다. 북아메리카 솔라 챌린지와 예정된 남아프리카 솔라 챌린지는 기술 공학과 태양 전기 자동차 개발의 국제적 관심을 반영한 대회들이다.
1975년에 최초의 실용적인 태양열 보트가 영국에서 만들어졌다. 1995년 즈음에 태양열 발전 패널을 장착한 승객용 보트들이 나타나기 시작했으며 현재는 널리 쓰이고 있다. 1996년에 케니치 호리는 태평양을 가로지르는 최초의 태양 전기 수송기를 만들었으며 sun21이라는 이름의 뗏목이 2006년~2007년 겨울에 대서양을 가로지르는 최초의 태양 전기 수송기가 되었다. 2009년에 세계 일주를 할 수 있게 하는 계획은 태양열 보트가 만들어진 직접적인 까닭이다.
1974년에 무인 조정기인 선라이즈 II(Sunrise II)가 태양 비행기의 시대를 열었다. 그에 이어 1980년에는 Gossamer Penguin호가 등장하면서 광기전력만을 이용한 비행이 처음 시작되었다. 1981년 7월에는 더 내공성 있는 설계로 제작된 솔라 챌린저(Solar Challenger)호가 영국 해협을 가로질렀다. 그 뒤 무인 항공기 (UAV)인 패스파인더호를 비롯한 여러 항공기들의 개발이 시작되었으며, 2001년에는 헬리오스가 비로켓추진 항공기 부문에서 고도 29,524m를 기록하면서 정점에 올랐다.[99] BAE 시스템즈가 개발한 Zephyr는 기록을 돌파한 태양열 비행기의 최신형으로 2007년에 54시간 비행하였고 2010년에는 한 달 내내 비행할 것을 계획하고 있다.
태양열 풍선은 일상적인 공기로 가득 찬 검은색의 풍선이다. 햇빛이 풍선을 비추면 안쪽 공기는 가열되어 부풀어 올라 인공 가열을 사용하는 열기구를 연상케 하는 부력을 일으킨다. 일부 태양열 풍선들은 인간이 비행하기에 충분히 크지만 표면적 대 유효 하중 비율이 상대적으로 높은 까닭에 용도는 장난감 시장에 제한되어 있다.
솔라 세일(solar sail)은 우주선 추진으로 제안된 한 형태로, 커다란 박막 거울들을 사용하여 태양으로부터 복사압을 활용한다. 로켓과 달리 솔라 세일은 연료를 요구하지 않는다. 추력은 로켓과 견주어 작지만 태양이 전개되는 돛 위로 떠오르는 동안 추력은 계속되며 이로써 마찰이 없는 우주 진공 상태에서 상당한 속도를 낼 수 있다.
에너지 저장 방식
현대의 에너지 시스템들은 일반적으로 에너지의 지속적인 이용가능성을 떠맡고 있기 때문에 에너지 저장은 태양에너지 개발에 중대한 문제이다. 태양에너지는 밤에는 제공되지 않으며 태양에너지 시스템의 성능은 예기치 못한 날씨 조건에 영향을 받는다. 그러므로 저장 매체나 예비 전원 시스템이 사용되어야 한다.
축열체는 태양에너지를 가정에서 날마다, 또는 계절 주기마다 유용하게 사용할 수 있는 온도의 열의 형태로 저장할 수 있다. 열 저장 시스템은 일반적으로 쉽게 사용할 수 있는 물, 흙, 돌과 같은 높은 비열의 물질을 사용한다. 잘 디자인되어 있는 시스템들은 절정 부하를 낮추고 전반적인 난방, 냉방의 요구사항들을 줄여 준다.
석랍, 황산 나트륨과 같은 위상차 변환 물질들은 또 다른 열 저장 매체이다. 이러한 물질들은 값이 싸고 쉽게 구할 수 있으며 가정에서 유용한 온도 (거의 64 °C)로 이용할 수 있다. "도버 하우스"(도버 시 소재)는 1948년에 황산 나트륨을 최초로 사용한 난방 시스템이었다.
태양에너지는 용해된 소금을 사용하여 높은 온도로 저장할 수 있다. 소금은 값이 싸고 비열이 높으며 전통적인 전력 시스템과 호환되는 온도에서 열을 전달할 수 있기 때문에 효율적인 저장 매체이다. 솔라 투는 에너지 저장에 이 방식을 사용하며 68 m³의 저장 탱크에서 1.44 TJ를 저장할 수 있다. 이에 따른 한 해 에너지 저장 효율성은 99%에 맞먹는다.
오프그리드 태양열 발전 시스템들은 전통적으로 2차 전지를 사용하여 남는 전기를 저장해 왔다. 그리드 시스템을 사용하면 남는 전기는 그리드 전기 시스템으로 전달할 수 있다. 넷 미터링 프로그램은 전기가 그리드에 전달할 수 있는 신뢰성을 이러한 시스템에 제공한다. 이러한 신뢰성은 시스템이 수요를 충족하지 못할 때 그리드가 제공하는 전기를 줄여 준다. 이로써 그리드가 저장 메커니즘으로 효과적으로 이용할 수 있게 된다. 양수 발전은 에너지가 낮은 곳의 저수지에서 더 높은 곳으로 이동할 수 있을 때 위로 끌어내는 물의 형태로 에너지를 저장한다.
참고자료
같이 보기
