모하비 사막에서 낮 시간 동안 검은색 후라이팬을 땅에 올려 놓는다면 어떻게 될까요? 그러면 팬이 점점 뜨거워지면서 온도가 90°C(195°F)까지 올라갈 것입니다. 여기에 계란을 깨서 올려두면 몇 분 안에 완전히 익습니다. 인식하지 못할 수도 있지만, 이 간단한 실험으로 바로 태양광 에너지 수집 방식을 설명할 수 있습니다.
태양광 에너지 수집이라고 하면 일반적으로 주택 지붕에 설치된 형태로 자주 볼 수 있는 태양열 패널이 떠오릅니다. 하지만 상업용 분야에서 태양광 에너지 수집 기술은 전 세계에서 놀라울 만큼 많은 에너지량을 제공하는 다양한 설비들에 사용되고 있습니다. 그럼 이제 태양광 에너지 수집 기술 중 혁신적인 5가지 기술들에 대해 살펴보겠습니다.
1) 광전지 태양열 패널
광전지(PV) 태양열 패널은 태양 에너지를 이용해서 전기 흐름을 만들어 냅니다. 이 기술은 태양광 에너지 수집 방식 중 가장 널리 사용되는 방식입니다. 몇 제곱 센티미터부터 수 제곱 미터까지 다양한 크기로 제작되는 이 패널은 복잡하게 얽힌 상태로 배열되는 여러 PV 셀로부터 만들어집니다. 직관적으로 태양광이 PV 셀에 닿을 수 있는 표면적이 클수록 더 많은 태양광 에너지가 수집됩니다.
각 PV 태양광 전지는 일반적으로 단결정 또는 다결정 구조로 된 복합 반도체 웨이퍼 구조물로 제작됩니다. 이 구조에서 2개의 얇은 반도체 웨이퍼(하나는 P타입이고 다른 하나는 N타입)는 각각 개별적으로 증가됩니다. 두 웨이퍼가 서로 교대로 위에 배치되고, 두 반도체 유형 사이에 발생하는 반응으로 전기를 발생시키지 않고 평형 지점에 도달하는 공핍 영역이 만들어집니다. PV 셀로 인해, 이를 통과하는 빛 광자가 반도체 웨이퍼와 연결되면 해당 반응에 따라 전기 에너지가 발생하고, 공핍 영역에서 평형 중단이 일어납니다. 이 반응에 따라 이어서 짧은 전기 흐름이 생성됩니다. 하지만 빛이 계속 존재하기 때문에 이 반응이 연속적으로 일어나고 대량의 전기 에너지를 생성할 수 있는 것입니다.
단일 광자 반응으로 생성된 에너지는 PV 셀의 전체 표면에서 복제됩니다. 이러한 에너지는 태양광 전지의 전체 패널로 합성되고 방대한 PV 패널 배열로 합성됩니다. 공핍 영역에서 이러한 작은 반응이 반복되고 배가되어 상당히 많은 양의 전기가 발생합니다. 하지만 PV 태양광 배열은 DC 전류를 생산합니다. 가정 내 콘센트의 전류와 같이 현대의 전기 송전 기술에 맞게 사용되기 위해서는 인버터를 사용해서 이러한 DC 에너지를 AC 전기로 변환해야 합니다. 분자 수준에서 각 PV 셀의 효율성과 패널의 조립 방식, 패널을 대규모 태양광 배열과 통합할 수 있는 기능을 최적화할 수 있도록 이 기초 기술은 다양한 형태의 고유 기술로 발전되었습니다.
2) 열 에너지 수집: 전자기 방출 에너지
태양은 적외선을 포함하여 다양한 파장의 넓은 스펙트럼의 방사선을 방출합니다. 이러한 스펙트럼은 열 에너지를 흡수할 수 있는 물체로 열 에너지를 효율적으로 전달합니다. 일반적으로는 '검은색 물체'가 이러한 열 전자기 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있습니다. 검은색은 인간의 눈에 보이는 모든 방사선 파장을 흡수합니다. 이상적인 검은색 물체는 전자기 방사선 스펙트럼의 모든 파장을 올바르게 흡수하고 방출할 수 있습니다.
전자기 방사선은 앞서 언급한 계란과 같이 로마 목욕탕과 고대 이집트 주택으로부터 열 태양열 패널 및 열사이펀과 같은 현대의 솔루션까지 여러 패시브 열 시스템에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 이러한 열 태양광 에너지 수집 전략은 검은색 물체의 방사선 특성과 전자기 복사를 흡수하고 전달하는 능력에 크게 의존합니다. 주거 환경에서 열 에너지는 대부분 온수 시스템에서 사용하기 위한 목적으로 수집됩니다. 하지만 산업용 수준에서 에너지를 생산하는 데에는 이러한 방식이 적합하지 않을 수 있습니다.
3) 태양광 온수기
일반적으로 일조량이 많은 기후에 자주 사용되는 열 태양광 에너지 수집 설비 중 좋은 예가 바로 태양광 온수기입니다. 가장 간단한 태양광 온수기 시스템의 경우 펌프를 사용해서 검은색 본체 패널에 차가운 물을 순환시킵니다. 이것은 시각적으로 볼 때 PV 태양열 패널과 비슷합니다. 검은색 표면이 열 에너지를 효율적으로 흡수하고, 순환되는 물로 냉각되고, 결과적으로 온수를 만듭니다. 물이 이 루프를 계속 순환하여 태양이 활동하는 시간 동안 온수를 만듭니다. 일부 시스템은 펌프 시스템 대신 가열된 온수로 생성되는 부력을 활용할 수 있습니다. 따듯한 물은 위로 떠오르고 차가운 물은 아래로 가라앉으면서 시스템 내에서 흐름이 발생하여 열사이펀이 만들어집니다. 이러한 시스템에서는 여기에 표시된 것처럼 태양광 흡수 장치 위에 보관 탱크가 있어야 합니다.
4) 진공 튜브 태양광 온수기
보다 발전적이고 효율적인 태양광 온수 가열 시스템은 진공 튜브와 독립된 열 파이프를 사용해서 열 에너지를 보조 탱크로 전달합니다. 진공 튜브는 복사 에너지가 시스템 안으로 들어갈 수 있지만 열 에너지로 전환되는 모든 에너지가 튜브 내에 유지되도록 보장합니다. 열 파이프는 이 에너지를 흡수하고 이후에 이를 더 큰 물 탱크로 전달합니다. 이러한 시스템은 최소한의 열 에너지만 진공 튜브 밖으로 배출하고 거의 모든 복사 에너지를 열 에너지로 전환하기 때문에 추운 계절 동안 온수를 만드는 데 상당히 효율적입니다.
5) 용융염 태양광 에너지
용융염 시스템에서 비교적 최근에 발표된 혁신 기술에 따라 태양광 에너지를 사용한 전력 생산 능력이 한 단계 더 발전되고 있습니다. 하지만 이전에 설명된 태양광 에너지를 이용한 온수 시스템들과 마찬가지로 용융염 발전소는 소금 용융을 위해 전자기 복사를 활용합니다. 그런 후 이렇게 용융된 소금이 열 교환기로 전달되고, 여기에서 물을 증기로 만들고 증기 터빈을 돌려 전기를 발생시킵니다. Ivanpah Solar Plant와 같은 용융염 발전소에서는 파워 타워 또는 센트럴 타워라고도 부르는 단일 지점으로 태양광을 모으기 위해 엄청나게 많은 헬리오스탯 거울이 사용됩니다. 이 타워는 주변의 모든 헬리오스탯으로부터 에너지를 수집하여 거의 815°C(1500°F)로 소금을 충분히 용융시킬 수 있습니다. 이렇게 용융된 소금은 태양이 비추지 않는 시간에도 에너지를 사용할 수 있도록 피복 탱크에 보관됩니다.
태양광 에너지의 미래
태양광 에너지 수집 기술은 화석 연료를 사용한 전기 생산 기술의 대안으로 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 다양한 태양광 에너지 수집 기술이 존재하지만 이 모든 기술은 기본적으로 태양을 이용해서 우리가 일반적으로 사용하는 전기와 같은 특정 방식의 에너지를 만들어 냅니다. 효율성이 늘어나고 공정이 최적화될수록 태양광 수집 방식의 생산성이 향상되고, 더 이상 화석 연료를 사용하지 않아도 되는 시대가 올 수도 있을지 모릅니다.