[에너지공학] 태양에너지에 관한 공학적인 해석과 이용

목차

Ⅰ. 서 론

Ⅱ. 본 론
1. 태양의 진화
2. 태양에너지의 종류
2.1 태양열 집열판(solar panel)
2.2 태양열 발전소
2.3 태양 전지 (solar cells)
3. 태양에너지의 중요성
4. 태양에너지에 관한 공학적인 해석
4.1 태양 에너지양
1) 태양 복사 에너지
2) 지구가 받는 태양 복사 에너지
4.2 태양에너지의 흡수
1) 태양 복사와 지구 복사
2) 대기에 의한 복사 에너지의 선택 흡수
3) 온실 효과(Green House Effect)
4.3 지구의 열수지
4.4 복사 평형
5. 태양에너지 이용의 가능성
5.1 세계적인 태양에너지 이용방법
5.2 우리나라에서의 이용가능성
6. 태양에너지의 이용
6.1 태양 집열장치 에너지
6.2 태양광 발전에너지
6.3 지붕에서 사막, 우주선까지
6.4 태양전지와 반도체
6.5 규조를 이용한 태양에너지의 활용 기술

Ⅲ. 결 론

참고문헌

본문내용

가장 좋은 장소에 설치해도 전기 생산 단가가 화력이나 수력 등 기존 방식의 발전 단가에 비해 최소 3배 이상 비싸다.
그 해결책은 변환 효율을 획기적으로 높이거나, 아니면 아주 저렴하게 태양전지를 만들 수 있는 새로운 소재와 공정, 설계 기술을 개발하는 것이다.
보다 값싸게 만들 수 있는 방안으로 실리콘 웨이퍼의 두께를 현재의 200㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m)에서 50㎛로 줄여 재료비를 저감하는 기술이 있다. 참고로 머리카락 굵기가 약 100㎛이다.
또 유리나 금속 기판 위에 반도체 물질을 얇은 막 형태로 코팅하는 박막(薄膜) 기술도 있다. 이때 두께는 2~3㎛로 크게 줄어든다. 식물의 광합성을 모방해 빛 에너지를 전기로 바꾸는 염료 감응 태양전지도 있다. 이 경우 얇고 투명하면서 구부러지는 전지를 만들 수 있다. 태양전지 전체를 모두 플라스틱으로 만들 수 있는 기술도 있고, 태양전지를 몇 개의 층으로 쌓아 위층에서 사용하지 못한 태양 에너지를 아래층에서 사용해 발전 효율을 높이는 기술까지 동원되고 있다.
6.5 규조를 이용한 태양에너지의 활용 기술
오레곤주립대학(Oregon State University)의 엔지니어들은 고대 생명체를 이용하여 태양에너지를 이용하기 위한 최신 기술 중 하나를 개발하였으며, 이는 현재의 실리콘 기반의 태양전지에 비해 놀랍도록 단순화된 시스템이다. 그 비밀의 핵심은 규조(diatom)이다.
작은 단세포 해양 생물 형태인 규조는 최소 1억 년 전에 출현하였으며, 해양 생태계의 근간을 이루고 있으며, 놀랍도록 미세한 수준의 나노기술을 활용하는데 이용할 수 있는 딱딱한 껍데기를 가지고 있다.
기존의 반도체 제조를 위한 접근방법 대신에 생물학을 이용함으로써, 오레곤주립대학 및 포틀랜드주립대학의 연구원들은 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)를 제조하는 새로운 기술을 창안하였으며, 이 염료감응형 태양전지에서 광자는 마치 핀볼 기계의 공처럼 튀며 염료와 충돌함으로써 전기를 생산해내는 방식이다. 이 기술은 기존의 염료감응형 태양전지에 비해 다소 비용이 증가할 것이지만, 전기생산량이 세 배까지 증가할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 오레곤주립대학의 화학공학교수인 Greg Rorrer에 따르면, 기존의 태양전지기술은 실리콘을 기반으로 하고 있으며, 거의 한계에 와 있다. 다른 형태의 태양에너지 기술을 개발하기 위한 무한한 가능성이 있으며, 몇 가지 형태로 상용화가 될 것으로 예상된다. 예를 들어, 염료감응기술은 환경친화적인 물질을 사용하며 빛이 약한 상태에서도 이용 가능하다. 몇몇 새로운 발견에 의해 공정의 단순성과 효율성 분야에서 진보가 기대되고 있다.
이미 염료감응형 태양전지는 존재하고 있다. 그러나 이번 연구가 갖는 특징이라면, 이런 장치를 만들기 위한 단계로 잠재적인 개선에 대한 사항이다.
새로운 시스템은 매우 작고, 필요한 나노구조가 있는 껍데기를 갖고 있는 단세포 조류(algae)이자 살아있는 규조를 이용하는 것이다. 이를 이용해 투명한 전도성 유리표면(conductive glass surface)을 장착하고, 살아있는 유기체를 제거하게 되면 템플릿을 형성하는 규조의 미세한 골격만 남게 된다.
그 다음 생물학적 물질을 사용하여 수용성 티타늄(titanium)을 나노구조의 이산화티타늄 형태로 침전시킴으로써, 염료감응형 장치에서 반도체의 작용과 같은 박막(thin film)을 형성하게 된다. 기존 공정이 매우 난해했다면, 이 방법은 천연의 단순하고 값싼 생물학적 시스템을 이용하여 쉽게 만드는 법을 제안하고 있다.
기존의 박막형 광합성 염료는 태양빛의 광자를 취하고 이를 이산화티타늄에 전달하면서 전기를 생산하다. 그러나 이번 시스템은 규조의 껍데기 내부 구멍에서 광자가 튕김으로써 효율성을 증대시켰다. 이 과정에 대한 물리현상은 아직 완전히 이해되지 않고 있지만, 작동하는 것은 분명하다. 규조 껍데기의 작은 구멍이 광자와 염료의 상호반응을 증대시킴으로써 빛을 전기로 전환하는 것을 촉진하고, 에너지 생산효율을 증대시키는 것으로 생각되고 있다.
규조 껍데기에 나노크기의 이산화티타늄층을 부여하는 것이 이미 ACS Nano에 소개된 바가 있으며, 이 재료를 염료감응형 태양전지장치에 통합하는 것도 최근 4차 Greener Nanoscience Conference에서 발표된 바 있다.
Ⅲ. 결 론
태양은 높은 온도와 강력한 중력으로 99% 이상이 플라즈마다. 핵융합에너지는 태양이 엄청난 에너지를 만들어내는 것과 같은 원리로 지상에서 핵융합반응을 일으켜 에너지를 생산하는 것이다. 일종의 ‘인공태양’인 셈이다.
핵융합에너지가 인류의 미래청정에너지로 기대를 모으는 이유는 간단하다. 원료가 무궁무진하고 폐기물도 화석연료나 원자력보다 훨씬 적을 뿐 아니라 폭발 등 위험도 거의 없는 까닭이다. 핵융합은 바닷물에 풍부하게 들어 있는 중수소와 흙에서 쉽게 뽑아낼 수 있는 리튬(삼중수소)을 원료로 한다. 에너지생산량도 화석연료나 원자력에 비할 수 없이 많다. 1ｇ의 중수소와 삼중수소 혼합연료로 시간당 10만㎾의 전력을 만들 수 있다. 또 바닷물 1ℓ에 들어있는 0.03ｇ의 중수소로 휘발유 300ℓ에 맞먹는 에너지도 생산할 수 있다.
태양에너지 자원은 무한하며, 전세계에 걸쳐 모든 국가와 모든 바다에 분포되어 있다. 그러므로 광을 전기로 바꾸는 광전변환공학(photovoltaics)으로부터 얻을 수 있는 가용한 자원은 엄청나다. 광전변환공학은 어디에서나 사용될 수 있고, 원칙적으로 재생가능하고 안전하며 청정한 에너지원인 태양광으로부터 전세계 에너지 수요를 감당할 수 있다고 한다.
참고문헌
재생가능에너지, 에너지위기 극복의 길 (2000.10, 강용혁)
태양에너지 이용 활성화에 따른 화석연료 절감 효과 분석 (2001.1, 에너지대안센터)
태양열 잠재량 분석 자료집 (2001.1, 에너지대한센터)
21C를 여는 첨단과학기술 , 한국과학기술진흥재단, 金貞欽 고려대 물리학 교수외 7명
중앙일보,조선일보,동아일보,환경신문,한국 에너지신문등 각종 신문기사
정혜진, 태양도시:에너지를 바꿔 삶을 바꾸다, 그물코, 2004

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