'태양에너지'에 해당되는 글 2건

  1. 2008.12.08 지구-태양 간 우주고속도로, 승차간격은?
  2. 2008.11.04 태양을 공짜로 이용하는 방법 (3)
그리스로마 신화에 의하면 태양신 아폴로는 매일 태양 마차를 몰고 다닌다. 이 마차를 운전하는 것은 쉬운 일이 아니어서 제우스조차도 끄는 것이 쉽지 않다고 한다. 태양의 마차가 너무 높게 날면 대지가 얼어붙고, 너무 낮게 날면 대지가 불바다가 되기 때문이다. 아폴론을 태운 말들은 궤도를 따라 얌전하게 돌지만, 다른 사람이 마차를 타게 되면 궤도를 벗어나 제멋대로 달린다. 실제로 아폴론의 아들 파에톤이 아폴론 대신 태양 마차를 끌다가 세상을 온통 아수라장으로 만들면서 제우스에게 죽음이라는 벌을 받는다.

인류가 다른 행성에 대한 탐험을 시작하면서 찾기 시작한 것도 이런 ‘안전한 길’이었다. 그 결과 지구와 탐험하려고 하는 행성의 공전궤도를 타원으로 연결하는 길 즉 호만 궤도라는 ‘우주고속도로’를 찾아냈다. 탐사선이 이 길로 움직이면 행성의 공전에너지를 이용할 수 있기 때문에 연료 소모량을 최소화하면서, 탐사선을 띄울 수가 있다. 실제로 보이저나 파이오니아 등이 목성이나 명왕성을 탐사할 수 있었던 것도 이런 우주고속도로를 이용했기 때문이다.

우주고속도로는 달리는 자동차 안에서 던진 공이 정지한 상태에서 던진 공보다 더 빨리 날아가는 원리다. 즉 지구에서 화성까지 가기 위해서는 초속 32.73km/s의 속도가 필요한데, 이때 29.78km/s는 지구 공전속도에서 얻을 수 있다. 우주선에 지구의 공전방향과 같은 방향으로 초속 2.95km의 속도만 주면 초속 32.73km의 속도로 화성으로 갈 수 있는 셈이다.

태양에너지가 지구로 오는 데도 이런 길이 있다. 태양의 흑점이 이동하거나 서로 충돌하여 발생하는 플레어(태양의 표면에서 축적된 에너지가 갑자기 폭발하는 현상)는 열과 전자, 양성자 등 무수한 고에너지 입자들을 쏟아낸다. 이것은 통신위성이나 우주정거장 등에 혼란을 일으키고, 지구 상의 생물들을 다량의 방사능에 노출되도록 하는 입자다. 이 고에너지들이 지구로 이동하는 통로가 바로 자력선(Earth’s bar magnet influence)이다.

자력선은 쉽게 말해 자기력이 작용하는 선의 흐름이다. 이러한 자력선은 입자들이 지구를 둘러싼 자기거품, 즉 자기권을 뚫고 들어오는 길의 역할을 한다. 우주에는 지구뿐만 아니라 화성, 목성, 토성 등 대부분의 태양계 행성에서 자력선의 존재가 확인되었다. 태양풍이 지나가는 곳에 자력선이 있으면 태양의 고에너지 입자가 자력선에 끌려오는 것이다.

자력선이 발생하는 이유는 지구가 하나의 거대한 막대자석 역할을 하기 때문이다. 지구 내부의 핵은 금속성 액체로 구성되어 있는데, 이 금속이 자성체 역할을 하기 때문에 지구 주위에는 자기장이 형성된다. 지구 하나만 놓고 보면 원형의 자기장을 형성해야 하지만 실제로는 길쭉한 모양을 하고 있다. 지구자기장은 태양을 향한 쪽의 부분은 압축되고, 그와 반대되는 쪽에서는 꼬리를 늘어뜨린 모양이다. 태양으로부터는 항상 전도성이 강한 플라스마의 흐름이 사방으로 퍼져 나가고, 지구 자기장은 그 안에 갇혀 있다. 지구입장에서 보면 전리층 바깥 외기권에는 지구 반지름의 10~15배 높이까지 자력선이 형성되어 있는 형태다.

과학자들은 오래전부터 태양으로부터 나오는 입자들이 태양풍을 통해, 때로는 태양 대기권과 지구표면을 연결하는 자력선을 따라 바깥쪽으로 방출된다고 믿었다. 그리고 그 길을 통해 아무 때나 태양입자가 들어올 수 있으리라고 생각했다.

하지만 최근 들어 흥미로운 사실이 밝혀졌다. 태양과 지구 사이에는 거대한 길목과 같은 자기(磁氣) 문이 있어 8분마다 열린다는 새로운 연구결과가 나온 것이다. 태양을 향한 지구 표면에서 지구의 자장이 태양의 자장을 압박하여 8분 간격으로 두 개의 자장이 재연결되고 입자가 흐를 수 있는 통로를 형성한다는 내용이다. 올해 11월, NASA 고다드 우주비행센터의 과학자들은 이 문이 열릴 때 고에너지 입자가 태양과 지구를 연결하는 1억 5천만㎞의 길목으로 쏟아져 나온다고 한다. 이것이 FTE(Flux Transfer Event, 빛다발 이동) 현상이다. 태양의 고에너지가 이동하는 ‘우주고속도로’가 생기는 셈이다. FTE의 길이는 아직 밝혀지지 않았지만 폭은 지구 지름의 최고 5배인 것으로 나타났다. 이러한 FTE 현상은 동시에 한 개 이상 생길 수도 있고, 한번 열리면 최대 15~20분까지 그 상태를 유지하는 것으로 밝혀졌다.

NASA 고다드 우주비행센터의 데이비드 사이벡 박사에 따르면 FTE들은 반죽 밀대처럼 보이며 이들은 태양을 마주 보는 자기권 끝에서 작은 밀대 모양으로 형성되지만 점점 커지다가 붕 떠서 마치 밀가루 반죽을 치대는 것처럼 소용돌이 모양으로 지구의 자기권을 따라 돌게 된다고 한다. 또한 그는 FTE 현상에는 능동, 수동형의 두 가지 형태가 있다고 말했다. 원통형의 통로가 능동적인 경우 입자들을 쉽사리 통과시켜 지구 자기장에 에너지 통로를 형성시키지만, 수동적인 경우 원통형 통로가 지나가는 입자들의 통과를 저지시킨다고 덧붙였다.

아직 풀리지 않은 점도 많다. 연결로가 왜 8분마다 형성되는지, 원통 구조 안의 자기장이 어떻게 뒤틀리고 회전하는지에 대해서는 원인이 밝혀지지 않았다. 하지만 실망은 아직 이르다. 현재 유럽우주국(ESA)은 4개의 고공위성으로 구성된 클러스터 선단을, NASA는 5개의 위성으로 구성된 테미스 선단을 이런 원통 구조 둘레로 띄워 크기와 입자 성분을 조사하고 있기 때문이다. 끊임없이 우주를 관찰하고 연구하여 우주 탄생의 비밀을 알아내려고 노력하고 있는 한 비밀 문은 언젠가는 인류에게 열리기 마련이다.

글 : 유상연 과학칼럼니스트

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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‘곶감 꼬치에서 곶감 빼 먹듯’이라는 속담이 있다. 애써 알뜰히 모은 재산을 조금씩 헐어 쓰는 것을 비유적으로 이르는 말이다. 오늘날 에너지와 우리의 관계를 일컫는 말이 아닌가 싶다. 석유를 비롯한 천연자원은 갈수록 고갈되고 있고, 이제 인류는 대체에너지 개발이 절실하다. 마지막 곶감이 없어지기 전에 얼른 다른 감을 말려 곶감으로 만들어야 하는 것이다.

현재 전 세계에서 대체에너지 개발을 활발히 추진하고 있다. 세계 여러 국가에서는 에너지 자급을 위해 태양에너지를 이용한 친환경주택을 건설하려는 계획이 적극적으로 진행 중이다. 예를 들면 캐나다에서는 1,000채의 친환경주택을 건설하고 있고, 영국은 이산화탄소 배출을 대폭 감축하기 위해 태양에너지를 이용하는 주택을 건설할 계획이다.

사람들은 일반적으로 태양에너지에 대해 하나의 발전 방법만을 생각하는 경우가 많지만, 태양에너지를 이용한 기술 방법은 여러 가지가 있다. 크게 분류하자면 태양의 열을 모아서 열기관에 의하여 전력으로 변환하는 태양열 발전과, 태양의 광이 태양전지에 비춰질 때 발생하는 반응을 이용한 태양광 발전으로 나눌 수 있다.

태양열 발전은 태양의 빛을 집열판에 모으고, 모아진 높은 온도를 이용해 그 밑을 지나가는 물을 데우는 방식이다. 이 온도는 수백도를 넘을 정도이기 때문에 물을 수증기로 만든다. 뜨거운 수증기를 이용해 일종의 모터인 터빈을 돌려 전기를 발생시킨다. 태양열 발전으로 전기를 발생시키는 것 외에 물을 데우는 데 쓰기도 한다. 데워진 물을 온수 탱크에 보관하였다가 그 물을 가정 온수용으로 사용하는 것이다. 현재 많은 주택에서 이러한 방식을 사용하고 있다.

태양광 발전에 핵심이 되는 태양전지의 주된 재료는 실리콘이다. 실리콘이 빛을 받으면 p-n 접합층이 반응하고, 여기에서 전기가 발생한다. 이때 발생되는 전기는 대부분 출력이 작기 때문에 대부분 태양전지를 여러장 붙이는 방법을 쓴다. 태양광을 이용한 발전은 일조량이 적은 경우 발전이 거의 되지 않으므로 일반 전력과 병행해서 쓰기도 한다.

태양전지에서 나오는 전압과 전류가 일정하지 않고 태양광 발전을 통해 발생되는 전기는 DC(직류전원)이기 때문에 변환장치를 이용하여 가정에서 사용하는 AC(교류전원)로 변환시킨다. DC/DC 컨버터를 써서 DC 출력을 일정전압으로 유지하게 한 후 DC/AC 인버터를 사용하여 교류 전원으로 바꿔주는 것이다.

태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기물 태양전지와 유기물질을 포함하고 있는 유기물태양전지(유기물태양전지는 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell) 와 유기폴리머(organic polymer) 태양전지를 포함)로 나눌 수 있다.

태양전지를 구성하는 물질에 따른 분류 외에 태양전지 구조에 따른 분류를 할 수 있는데, 이 경우 태양전지는 크게 웨이퍼구조(벌크 실리콘 태양전지), 박막구조(화합물, 실리콘 박막 및 유기 폴리머 태양전지 등) 그리고 광전기 화학구조(염료감응 태양전지) 3가지로 분류될 수 있다. 특히 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있는 염료감응 태양전지는 나노소재를 이용하여 극대화된 표면적을 갖는 필름의 표면에 광흡수층인 유기염료를 흡착하는 기술을 이용하고 있다. 연료감응 태양전지는 에너지 변환 효율이 비정질 실리콘 태양전지에 버금갈 정도로 높고 제조단가가 매우 저렴하다.

염료감응 태양전지의 원리는 다음과 같다. 염료감응 태양전지의 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자 간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다.

염료감응 태양전지는 가시광선 일부를 투과할 수 있는 나노크기의 산화물과 서로 다른 색을 나타낼 수 있는 염료를 사용하기에 투명컬러 특성을 구현할 수 있다. 최근 KIST에서 제작한 투명 컬러 태양전지는 유리창호 등에 응용하여 전기를 생산하는 신기능 창문으로 활용할 수 있다.



염료감응 태양전지는 셀 변환 효율이 10~11%로서 사업화가 가능한 기술이다. 2008년 4월 염료감응 태양전지 원천특허 시효가 만료되어 현재 전 세계적으로 상용화에 대한 전략을 모색하고 있다. 상용화를 위해서는 대면적의 모듈기술에 대한 연구가 더 진행되어야 한다. 또한 셀을 구성하는 물질의 장기안정성은 단위 셀에서 검정 된 바 있지만, 모듈 관련한 내구성 연구가 좀 더 진행되어야 할 것이다. 특히 실제 환경에 적응하기 위해서는 온도뿐만 아니라, 비와 습도와 같은 환경 테스트도 진행되어야 한다.

단위 전지에 대한 장기안정성은 표준조건(조명받을 때 60℃, 어둠일 때 80℃)에서 내구성 테스트를 한 결과 북유럽 조건에서는 약 32년, 남유럽 또는 호주 시드니와 같은 지역의 조건에서는 18년 정도의 장기 안정성이 있는 것으로 확인된 바 있다. 따라서 모듈에서도 장기안정성이 가능한 것으로 예상되고 있다.

기존의 태양전지가 불투명해서 옥상 등에 쓰였던 반면, 염료감응 태양전지는 투명 컬러 특성이 있기 때문에 유리창호, 선루프 등에 사용될 수 있는 기술이다. 이러한 식으로 우리 생활에서 에너지 자급 기술을 하나씩 확보해 가다 보면 언젠가 모든 대체에너지를 자연으로부터 얻을 수 있지 않을까. 예컨대 연료감응 태양전지 선루프로 지붕 전체를 덮는 차와 연료감응 태양전지 유리창호만으로 만들어진 유리집처럼 말이다.

글 : 박남규 박사(KIST 태양전지연구센터장)


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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