태양 에너지
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1. 개요
태양 에너지는 태양 복사를 활용하는 기술을 총칭하며, 지구에 도달하는 태양 에너지는 대기, 해양, 지표면을 따뜻하게 하고, 물의 순환, 광합성, 풍력 등 재생 가능 에너지의 원천이 된다. 태양 에너지는 건축, 농업, 채광, 열 및 전력 생산 등 다양한 분야에 활용되며, 태양광 발전, 태양열 발전, 태양열 화학 처리, 수송 수단 등 여러 기술로 개발되어 왔다. 에너지 저장 기술은 태양 에너지의 활용성을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 정부 지원과 기술 개발을 통해 태양 에너지의 보급이 확대되고 있다.
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| 태양 에너지 | |
|---|---|
| 태양 에너지 | |
 | |
| 개요 | |
| 설명 | 태양의 복사 에너지(빛과 열)를 기술을 이용하여 활용 |
| 역할 | 지속 가능한 발전에 기여 |
| 기술 | |
| 태양광 발전 | 태양광을 전기로 변환 |
| 태양열 발전 | 태양열을 열에너지로 변환하여 이용 |
| 에너지원 | |
| 원천 | 태양 |
| 형태 | 빛 열 |
| 국제 에너지 기구(IEA) | |
| 평가 | 태양 에너지는 중요한 에너지원 |
| 관련 정보 | |
| 관련 주제 | 재생 가능 에너지 |
| 저널 | Solar Energy |
| 추가 정보 | |
| 화학 학회 | 왕립 화학 학회에서 태양 연료 관련 문서 발행 |
2. 지구상의 에너지 흐름
태양에서 복사되는 에너지 중 지구로 들어오는 빛 에너지는 약 174PW(페타와트)이다. 이 중 약 절반은 대기, 지표, 해양을 따뜻하게 하는 데 쓰이고, 나머지는 적외선 형태로 우주로 다시 방출된다. (지구 온난화는 이러한 에너지 수지 균형이 깨지는 현상이다.)
대기권에 도달한 태양 에너지는 대기와 물의 순환을 일으키고, 식물의 광합성 등 생명 활동의 원천이 된다. 또한, 풍력, 바이오매스 등 많은 재생 가능 에너지의 원천이기도 하다.
2. 1. 태양으로부터의 에너지
지구는 대기 위쪽에서 174 PW의 태양 복사를 받는다.[136] 이 중 약 30%는 우주로 다시 반사되고, 나머지는 대기, 바다, 육지에 흡수된다. 대기를 거친 후의 일사 스펙트럼은 자외선, 가시광선, 적외선 범위로 나뉜다.[137]
태양 에너지는 수증기의 대류, 증발, 응결을 통해 물의 순환을 일으키고 바람을 생성한다.[138] 바다와 토양에 흡수된 햇빛은 지구 표면 온도를 평균 14°C로 유지한다.[139] 광합성을 통해 태양 에너지가 화학 에너지로 변환되어 음식, 나무, 바이오매스를 생성하며, 이는 화석 원료의 근원이 된다.[140]
태양 복사는 풍력, 파력, 수력 전기, 바이오매스와 같은 이차적 태양 자원의 형태로 지구 재생가능 에너지의 99.9%를 차지한다.[141][142]
태양 에너지의 흐름과 저장은 현재 인간의 에너지 요구량에 비해 매우 크다. 지구 대기, 바다, 토양이 매년 흡수하는 태양 에너지는 약 3,850ZJ이다.[143] 지구에서 부는 80m 높이의 풍력 에너지는 연간 2.25 ZJ로 측정된다.[144] 광합성은 바이오매스 형태로 연간 3 ZJ의 에너지를 저장한다.[145] 2005년 전 세계 전기 소비량은 약 0.0567 ZJ이며,[146] 전 세계 일차 에너지 소비량은 0.487 ZJ였다.[147]
2. 2. 태양 에너지의 잠재력
지구는 대기 위쪽에서 174 PW의 태양 복사를 받는다.[136] 이 중 약 30%는 우주로 반사되고 나머지는 대기, 바다, 육지에 흡수된다.[137] 수증기의 대류, 증발, 응결에 의한 태양 에너지 흡수는 물의 순환을 일으키고 바람을 생성한다.[138] 바다와 토양이 흡수한 햇빛은 지구 표면 평균 온도를 14°C로 유지한다.[139] 광합성을 통해 태양 에너지가 화학 에너지로 변환되어 음식, 나무, 바이오매스를 생성하며, 이는 화석 연료의 근원이 된다.[140]풍력, 파력, 수력 전기, 바이오매스와 같은 2차 태양 자원을 포함한 태양 복사는 지구 재생가능 에너지의 99.9%를 차지한다.[141][142]
태양 에너지의 흐름과 저장은 현재 인류의 에너지 수요에 비해 방대하다. 지구 대기, 바다, 토양이 매년 흡수하는 태양 에너지는 약 3,850ZJ이다.[143] 지구에서 80m 높이의 풍력 에너지는 연간 2.25 ZJ로 측정된다.[144] 광합성은 바이오매스 형태로 연간 3 ZJ를 저장한다.[145] 2005년 전 세계 전기 소비량은 약 0.0567 ZJ이며,[146] 일차 에너지 소비량은 0.487 ZJ이다.[147]
지구는 상층 대기에서 174 PW의 태양 복사(일사량)를 받는다.[6] 이 중 약 30%는 우주로 반사되고 나머지 122 PW는 구름, 바다, 육지에 흡수된다. 지구 표면에 도달하는 태양광 스펙트럼은 대부분 가시광선과 근적외선 영역에 분포하며, 일부는 근자외선 영역에 있다.[7] 세계 인구 대부분은 150~300W/m2 (하루 3.5~7.0 kWh/m2)의 일사량 수준 지역에 거주한다.[8]
태양 복사는 지구 표면(약 71%는 바다)과 대기에 흡수된다. 바다에서 증발한 물을 포함한 따뜻한 공기는 상승하여 대기 순환 또는 대류를 일으킨다. 공기가 낮은 온도에 도달하면 수증기가 응결하여 구름이 되고, 이는 비가 되어 지표면에 내리면서 물 순환을 완성한다. 물 응결의 잠열은 대류를 증폭시켜 바람, 사이클론, 역사이클론 같은 대기 현상을 생성한다.[9] 바다와 육지에 흡수된 햇빛은 지표면 평균 온도를 14°C로 유지한다.[10] 광합성을 통해 녹색 식물은 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하여 식량, 목재, 생물량을 생산하며, 이는 화석 연료의 기원이 된다.[11]
지구 대기, 바다, 육지에 흡수되는 총 태양 에너지는 연간 약 122 PW (3,850,000 엑사줄(EJ))이다.[15] 2002년(2019년) 기준으로 이는 한 시간(정확히는 한 시간 25분) 동안 전 세계가 1년 동안 사용한 에너지보다 많은 양이다.[12][13] 광합성은 연간 약 3,000 EJ의 생물량을 저장한다.[14]
| 항목 | 에너지 (EJ) | 출처 |
|---|---|---|
| 태양 | 3,850,000 | [15] |
| 풍력 | 2,250 | [16] |
| 생물량 잠재력 | ~200 | [17] |
| 1차 에너지 사용량2 | 633 | [18] |
| 전력2 | ~86 | [19] |
| 1 엑사줄(EJ) = 1018 J = 278 TWh 2 2019년 기준 소비량 | ||
인간이 사용 가능한 태양 에너지 잠재력은 지표면 근처의 태양 에너지 총량과 다르다. 지리, 시간 변화, 구름, 사용 가능한 토지 등은 획득 가능한 태양 에너지 양을 제한한다. 2021년 탄소 추적 이니셔티브는 태양 에너지만으로 모든 에너지를 생산하는 데 필요한 토지 면적을 45만 km2로 추산했는데, 이는 스웨덴, 모로코, 캘리포니아 면적과 유사하며 지구 총 토지 면적의 0.3%에 해당한다.[20]
태양 기술은 태양광 포착, 변환, 분배 방식에 따라 수동형/능동형으로 나뉘며, 적도와의 거리에 따라 다양한 수준에서 태양 에너지 활용을 가능하게 한다. 태양 에너지는 주로 실용적 목적의 태양 복사 사용을 의미하지만, 지열 발전, 조력 발전을 제외한 모든 재생 에너지는 직간접적으로 태양에서 유래한다.
능동형 태양 기술은 광전지, 집중 태양열 발전, 태양열 집열기, 펌프, 팬을 사용하여 태양광을 유용한 출력으로 변환한다. 수동형 태양 기술은 열적 특성이 좋은 재료 선택, 공기 순환 공간 설계, 건물 위치를 태양에 맞추는 것을 포함한다. 능동형 태양 기술은 에너지 공급을 늘려 공급측 기술로 간주되는 반면, 수동형 태양 기술은 대체 자원 필요성을 줄여 수요측 기술로 간주된다.[30]
2000년 유엔 개발 계획, 유엔 경제사회부, 세계 에너지 협의회는 일사량, 구름, 사용 가능 토지 등을 고려하여 인간이 매년 사용 가능한 태양 에너지 잠재력을 추산했다.
태양 에너지는 태양 복사를 이용하며, 지열 발전, 조력 발전을 포함한 모든 재생 에너지는 태양에서 에너지를 받는다. 태양 기술은 햇빛을 포착, 변환, 분배하는 방식에 따라 수동식과 능동식으로 구분된다. 능동식 태양 기술은 태양광 발전 패널, 펌프, 팬을 이용하여 태양빛을 유용한 출력물로 변환한다. 수동식 태양 기술은 열 특성이 좋은 물질을 선택하고, 공기가 자연스럽게 순환하는 공간을 설계하며, 건물 위치를 태양에 맞추는 것을 포함한다. 능동식 태양 기술은 에너지 공급을 늘리고, 수동식 태양 기술은 대체 자원 필요성을 줄여 준다.[170]
인류가 지상에서 실제 이용 가능한 태양 에너지는 약 1 PW(연간 8670 PW･h, 또는 1000 TW)이다.[125] 이는 2008년 세계 전체 1차 에너지 공급량(TPES)[126](12267 Mtoe=약 131 PW･h, 또는 약 15 TW)의 약 67배이다. 고비 사막 절반에 현재 판매되는 태양전지를 설치하면 전 인류 에너지 수요량에 필적하는 발전량을 얻을 수 있다.[127] 지상 도달 태양 에너지 양은 위도와 기후에 따라 다르다. 도쿄에서 연간 면적당 입사량은 약 1200 kWh/m2이다. 유럽에서는 중부 약 1000 kWh/m2, 남부 약 1700 kWh/m2이며, 적도 부근 국가는 최대 약 2600 kWh/m2에 달한다.[125]
3. 태양 에너지 기술의 응용
태양 에너지는 다양한 형태로 이용되어 왔으며, 크게 능동적 이용과 수동적 이용으로 나뉜다.[128]
태양 에너지는 다음과 같이 다양하게 활용된다.[129]
이 외에도 태양 에너지는 다음과 같은 분야에서 활용되고 있다.3. 1. 건축 및 도시 계획
햇빛은 건축 역사의 시작부터 건축 설계에 영향을 미쳐왔다.[64] 고급 태양열 건축 및 도시 계획 방법은 햇빛과 온기를 확보하기 위해 건물을 남쪽으로 향하게 했던 그리스인과 중국인에 의해 처음으로 사용되었다.[65]
수동 태양열 건축의 공통적인 특징은 태양에 대한 방향, 콤팩트한 비율(낮은 표면적 대 부피 비율), 선택적 차광(처마), 그리고 열용량이다.[64] 이러한 특징들이 지역 기후와 환경에 맞게 조정되면 쾌적한 온도 범위를 유지하는 조명이 잘 된 공간을 만들 수 있다. 소크라테스의 메가론 하우스는 수동 태양열 설계의 전형적인 예이다. 최근의 태양열 설계 접근 방식은 태양 조명, 난방 및 환기 시스템을 통합된 태양열 설계 패키지로 연결하는 컴퓨터 모델링을 사용한다.[66] 펌프, 팬 및 전환 가능한 창과 같은 능동형 태양열 장비는 수동 설계를 보완하고 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
도시 열섬은 주변 환경보다 온도가 높은 대도시 지역이다. 온도가 높아지는 것은 아스팔트와 콘크리트와 같은 도시 재료가 자연 환경보다 낮은 알베도와 높은 열용량을 가지고 있기 때문에 태양 에너지를 더 많이 흡수하기 때문이다. 도시 열섬 효과에 대응하는 간단한 방법은 건물과 도로를 흰색으로 칠하고 그 지역에 나무를 심는 것이다. 이러한 방법을 사용하여 로스앤젤레스의 가상 "쿨 커뮤니티" 프로그램은 도시 온도를 약 3°C 낮출 수 있으며, 추정 비용은 10억달러이고 에어컨 비용 감소와 의료비 절감으로 인한 연간 총 이익은 약 5.3억달러로 추정했다.[67]
3. 2. 농업과 원예
농업과 원예는 식물의 생산성을 최적화하기 위해 태양 에너지 포획을 극대화하려고 한다. 시기별 파종 주기, 맞춤형 줄 간격, 줄 간 높이 조절 및 식물 품종 혼합과 같은 기술은 작물 수확량을 개선할 수 있다.[68][69][70] 태양광은 일반적으로 풍부한 자원으로 간주되지만, 예외적인 경우는 농업에서 태양 에너지의 중요성을 강조한다. 소빙하기의 짧은 생육 기간 동안 프랑스와 영국 농부들은 과일 벽을 사용하여 태양 에너지 수집을 극대화했다. 이 벽은 열 질량 역할을 하고 식물을 따뜻하게 유지하여 성숙을 가속화했다. 초기 과일 벽은 지면에 수직으로 남쪽을 향해 지어졌지만, 시간이 지남에 따라 태양광을 더 잘 활용하기 위해 경사진 벽이 개발되었다. 1699년 니콜라 파티오 드 뒤이예는 태양을 따라 회전할 수 있는 추적 메커니즘을 사용하는 것을 제안하기도 했다.[71] 작물 재배 외에도 농업에서 태양 에너지의 응용 분야에는 물 펌핑, 작물 건조, 병아리 사육 및 닭 배설물 건조가 포함된다.[72][73] 최근에는 태양 전지판에서 생성된 에너지를 사용하여 포도 압착기를 가동하는 포도주 양조업자들이 이 기술을 받아들였다.[74]
온실은 태양광을 열로 전환하여 연중 생산과 (밀폐된 환경에서) 현지 기후에 자연적으로 적합하지 않은 특수 작물 및 기타 식물의 성장을 가능하게 한다. 원시적인 온실은 로마 시대에 로마 황제 티베리우스를 위해 연중 오이를 생산하는 데 처음 사용되었다.[75] 최초의 현대 온실은 16세기에 유럽에서 해외 탐험에서 가져온 외래 식물을 보관하기 위해 지어졌다.[76] 온실은 오늘날에도 원예에서 중요한 부분을 차지하고 있으며, 폴리터널과 줄덮개도 유사한 효과를 낸다.
3. 3. 채광
채광의 역사는 자연광의 이용이 지배적이었다. 로마 사람들은 일찍이 6세기에 채광권을 알아냈으며, 영국 법은 이러한 결정을 1832년의 권리법(Prescription Act)에 반영하였다.[159][160] 20세기에 인공 채광은 실내 조명의 기본 원천이 되었다.
채광 시스템은 햇빛을 모아 분배하여 실내 조명을 제공한다. 이러한 시스템은 직접적으로는 인공 조명을, 간접적으로는 공기 정화의 필요성을 줄여 준다.[161] 양을 따지기는 쉽지 않지만, 자연 채광을 이용하면 인공 조명에 비해 생리적, 정신적 이점이 있다.[161] 채광 설계를 보면 창의 종류, 크기, 동쪽 방향을 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 설계에 통합할 때 가장 효과적이다. 채광 기능이 알맞게 수행되면 상업 용도의 채광 관련 에너지 요구를 25%까지 줄일 수 있다.[162]
하이브리드 태양 채광(HSL)은 햇빛을 사용하여 조명을 제공하는 능동식 태양 방식이다. HSL 시스템은 태양을 따라다니는 포커스 거울을 사용하여 햇빛을 모아 광섬유를 통해 빛을 건물 안쪽으로 보내 전통적인 채광을 보충한다. 1층 건물에서 이러한 시스템은 직접 받는 햇빛의 50%를 전달할 수 있다.[163]
3. 4. 태양열
태양열 기술은 태양 에너지를 열에너지로 변환하여 온수, 난방, 냉방, 열처리 등 다양한 용도로 활용하는 기술이다.[22] 1878년 파리 만국박람회에서 오귀스탱 무쇼(Augustin Mouchot)가 태양열 증기 기관을 시연했으나, 당시 저렴한 석탄 가격 등으로 인해 개발이 이어지지 못했다.[22]
1897년 미국의 발명가 프랭크 슈만(Frank Shuman)은 에테르를 이용한 소형 태양열 기관을 제작했다. 1908년에는 선 파워 컴퍼니(Sun Power Company)를 설립하여 더 큰 태양열 발전소 건설을 추진했다. 그는 기술 고문 A.S.E. 아커만(A.S.E. Ackermann)과 영국의 물리학자 찰스 버논 보이스 경(Sir Charles Vernon Boys)[23]과 함께 거울을 이용해 태양 에너지를 모으는 시스템을 개발하여 물을 가열할 수 있게 했다. 슈만은 저압수로 구동되는 대형 증기 기관을 건설하여 1912년에 전체 태양열 기관 시스템에 대한 특허를 획득했다.
1912년부터 1913년까지 이집트(Egypt) 마아디(Maadi)에 세계 최초의 태양열 발전소를 건설했다. 그의 발전소는 파라볼릭 트로프를 사용하여 엔진을 구동, 나일 강(Nile River)에서 주변 목화밭으로 분당 22000litres 이상의 물을 공급했다. 제1차 세계 대전 발발과 1930년대 저렴한 석유의 발견으로 태양 에너지 발전은 주춤했으나, 1970년대 태양열 에너지에 대한 관심이 다시 높아지면서 슈만의 설계는 다시 주목받았다.[24] 1916년 슈만은 언론에 태양 에너지 활용을 옹호하며 다음과 같이 말했다.
태양열은 태양광 발전과 달리 태양 전지 없이 태양광을 직접 열로 변환하므로 에너지 효율이 높고, 축열을 통해 에너지를 저장하여 필요할 때 사용하기 쉽다는 장점이 있다.[128]
3. 4. 1. 물의 가열
태양열 온수 시스템은 햇빛을 이용하여 물을 데우는 장치이다. 태양열 온수기(Solar System)는 가열된 물을 난방이나 급탕에 이용하는 대표적인 예시이다.[128] 이 시스템은 태양광 에너지를 열로 변환하여 효율적으로 사용하며, 열을 저장하여 필요할 때 사용할 수 있다는 장점이 있다.[128]
3. 4. 2. 난방, 냉방, 통풍
태양열 냉난방 및 환기(HVAC) 시스템은 건물의 냉난방 및 환기에 필요한 에너지를 줄이는 데 도움을 준다.[31][32] 이러한 시스템은 축열체, 태양열 굴뚝, 낙엽수와 같은 요소를 활용하여 태양 에너지를 효과적으로 사용한다.
수동식 태양(passive solar) 건축은 태양 방향, 밀집 배치, 선택적 차광, 축열체와 같은 요소를 활용하여 쾌적한 온도와 조명을 제공한다.[149] 소크라테스의 메가론 하우스는 직접 획득형 태양 설계의 예시이다.[149] 최근에는 컴퓨터 모델링을 통해 채광, 가열, 공기 조화 시스템을 통합하는 추세이다. 펌프, 팬, 전환 가능한 창과 같은 능동식 태양(active solar) 장비는 수동식 설계를 보완하고 시스템 성능을 개선할 수 있다.
도시 열섬(UHI)은 주변보다 온도가 높은 도시 지역으로, 아스팔트와 콘크리트와 같이 반사율이 낮고 열용량이 높은 물질이 태양 에너지를 많이 흡수하기 때문에 발생한다. 이를 해결하기 위해 건물과 도로를 밝은 색으로 칠하고 나무를 심는 방법이 있다. 로스앤젤레스의 "시원한 사회" 프로그램은 이러한 방식으로 도시 온도를 낮추고 공기 조화 및 건강 관리 비용을 절감하는 효과를 보였다.[151]
3. 4. 3. 제염과 살균
태양 증류는 태양 에너지를 이용하여 소금물이나 오염된 물을 마실 수 있는 물로 만드는 것을 말한다. 최초의 기록은 16세기 아랍 연금술사들에 의해 이루어졌다.[174] 1872년 칠레의 Las Salinas 탄광 마을에서 최초의 대규모 태양 증류 프로젝트가 건설되었다.[175] 4700m2 크기의 이 증류기는 하루 최대 22700L의 물을 생산하며 40년 동안 운영되었다.[175] 개별 증류기 디자인에는 단일 경사, 이중 경사 (비닐 하우스 유형), 수직, 원뿔형, 역 흡수기, 다중 심지 및 다중 효과가 포함된다.[174] 이러한 증류기는 수동, 능동 또는 복합 방식으로 작동할 수 있다. 이중 경사형 증류기는 분산된 가정용으로 가장 경제적이며, 대규모 용도로는 다중 효과 장치가 가장 적합하다.[174]
태양열 살균(SODIS)은 물을 채운 플라스틱 페트병을 햇빛에 몇 시간 동안 노출시켜 물을 소독하는 방법이다.[176] 노출 시간은 날씨와 기후에 따라 최소 6시간에서 흐린 날에는 이틀까지 다양하다.[177] SODIS는 가정용 물 처리 및 안전한 보관을 위한 실용적인 방법으로 세계 보건 기구에서 권장한다.[178] 개발도상국에 사는 200만 명이 넘는 사람들이 SODIS를 사용하여 매일 마시는 물을 해결한다.[177]
3. 4. 4. 요리
태양열 조리 기구는 햇빛을 이용하여 음식을 조리하거나 건조, 저온 살균하는 데 사용된다.[128] 태양로는 태양광을 거울 등으로 모아, 빛이 모이는 곳에 가열할 것을 두고 이용한다.[131]
3. 4. 5. 열처리
파라볼릭 디시(접시형), 트로프(구유형), 셰플러(Scheffler) 반사체와 같은 태양 에너지 집광 기술은 상업 및 산업 용도의 열 처리를 제공한다. 최초의 상용 시스템은 그루지야 셰난도에 있던 STEP(솔라 토털 에너지 프로젝트, Solar Total Energy Project)였으며, 114개의 파라볼릭 디시가 의류 공장의 열 처리, 공기 정화, 전기 요구의 50%를 제공하였다.[185]
3. 5. 태양 전기
태양 에너지는 태양광 발전(PV)과 태양 에너지 집결(CSP) 등 다양한 기술을 통해 전기로 변환될 수 있다. 태양광 발전은 계산기의 일차 전지부터 가정의 광기전성 배열에 이르기까지 소규모 전력 생산에 사용된다. SEGS와 같은 태양 에너지 집결 발전소는 대규모 전력 생산에 사용된다. 최근에는 다중 MW PV 발전소가 일반화되는 추세이다. 2007년에는 네바다주 클락 카운티에 14MW, 스페인 베네이사마에 20MW 발전소가 건설되어 미국과 유럽의 대형 태양광 발전소 건설 경향을 보여주었다.[189]
태양광 발전과 태양열 발전은 설치 지역의 기후와 수요에 따라 적절하게 사용된다.
3. 5. 1. 태양광 발전
태양 전지(태양광 발전 전지)는 광전 효과를 이용하여 빛을 직류로 바꾸는 장치이다. 최초의 태양 전지는 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 1880년대에 조립하였다.[190] 셀렌 전지는 1%가 채 안 되는 입사광선을 전기로 변환했지만, 에른스트 베르너 폰 지멘스(Ernst Werner von Siemens)와 제임스 클럭 맥스웰은 이 발견의 중요성을 인식하였다.[191] 1940년대 러쎌 올(Russell Ohl)의 연구에 이어, 1954년 제럴드 피어슨, 캘빈 퓰러, 데릴 채핀(Daryl Chapin)이 규소 태양 전지를 개발하였다.[192] 초기 태양 전지는 와트당 286 USD였고, 효율은 4.5~6%였다.[193]
태양 에너지의 첫 중대 응용은 뱅가드 1호 위성의 예비 전원이었다. 이를 통해 화학 전지가 소진되어도 위성은 1년 이상 전송을 지속할 수 있었다.[194]
이 성공으로 소비에트 연방과 미국의 많은 위성에 태양 전지가 채택되었고, 1960년대 말 태양광 발전은 위성의 주된 전력원이 되었다.[195] 태양광 발전은 텔스타 등 초기 상업 위성의 성공에 중요했으며, 오늘날 전자 통신 인프라에 필수적이다.[196]
1960년대에는 설치 비용이 높아 지상 사용이 제한적이었다. 1970년대 초, 태양광 발전 가격이 파워 그리드 접근이 어려운 원격지에서 사용 가능할 정도로 낮아졌다. 초기 이용은 전력 전기통신국, 앞바다 석유 굴착 장치, 부표, 철길 건널목 등이었다.[197] 2004년까지 이러한 오프 그리드 응용이 전 세계 설치량의 절반 이상을 차지했다.[168]
1973년 유류 파동은 1970년대와 1980년대 초 태양광 발전 생산을 촉진했다.[198] 규모의 경제로 생산성이 향상되고 성능이 개선되면서, 태양광 발전 비용은 1971년 와트당 100USD에서 1985년 와트당 7USD로 낮아졌다.[199] 1980년대 초 유가 하락으로 태양광 발전 R&D 투자가 줄고, 1978년 에너지 세금 법안에 따른 세액공제가 중단되면서 1984년부터 1996년까지 성장률이 연 15%로 둔화되었다.[200]
1990년대 중반 이후, 태양광 발전 선도 위치는 미국에서 일본과 독일로 이동했다. 1992년부터 1994년까지 일본은 R&D 투자를 늘리고, 넷 미터링[201] 지침을 제정하고, 보조금 제도를 도입하여 가정용 태양광 발전 시스템 설치를 장려했다.[202] 그 결과, 일본의 태양광 발전 설치는 1994년 31.2MW에서 1999년 318MW로 증가했으며,[203] 세계적인 생산 성장률은 1990년대 말 30%에 달했다.[204]
독일은 발전 차액 지원 제도(feed-in tariffs)를 재생 가능 에너지 자원의 일부로 개정하여 세계적인 태양광 발전 시장이 되었다. 설치된 태양광 용량은 2000년 100MW에서 2007년 말 প্রায় 4,150MW로 증가했다.[205][206]
스페인은 2004년 유사한 발전 차액 지원 제도를 도입하여 세 번째로 큰 태양광 발전 시장이 되었으며, 프랑스, 이탈리아, 대한민국, 미국도 최근 다양한 인센티브 프로그램과 지역 시장 조건으로 빠른 성장을 보이고 있다.[207]
3. 5. 2. 태양 에너지 집결
집결된 햇빛은 고대 중국 때부터 쓸모 있는 일들을 수행하는 데 사용되어 왔다. 전해 내려오는 이야기에 따르면 아르키메데스는 로마 함대를 격퇴하고 시라쿠사에서 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 뒤를 잇는 발전을 통해 관개, 냉동, 교통을 위한 태양 에너지 집결 장치를 이용할 수 있게 되었다.[208]
태양 에너지 집결(CSP) 시스템은 렌즈나 거울, 그리고 태양 추적 시스템을 사용하여 넓은 면적의 햇빛을 작은 빔으로 집중시킨다. 이렇게 한 곳에 모인 빛은 전통적인 발전소를 위한 열원으로 사용된다. 다양한 태양 에너지 집결 기술이 존재하는데, 가장 잘 개발된 것으로는 솔라 트로프(solar trough), 파라볼릭 디시(parabolic dish), 그리고 태양 에너지 발전소(solar power tower)가 있다. 이 방식들은 태양을 추적하여 빛에 초점을 맞추는 방식에 따라 여러 가지로 나뉜다. 이러한 모든 시스템에서 집결된 햇빛은 작동 유체를 가열하며, 이 유체는 전기를 발생시키거나 에너지를 저장하는 데 이용된다.[209]
솔라 트로프는 반사체의 초점 라인에 맞춰 빛을 반사체에 집결시키는 선형 파라볼릭 반사체로 이루어져 있다. 이 반사체는 낮 시간 동안 하나의 축을 따라 태양을 따라가도록 설계되어 있다. 트로프 시스템은 가장 잘 정립된 CSP 기술이다.[212] 캘리포니아와 악시오나(Acciona)의 네바다 솔라 원에 있는 SEGS(태양 에너지 발전 시스템) 발전소는 이러한 기술을 대표한다.[212][210]
파라볼릭 디시 시스템은 반사체의 초점 라인에 맞춰 빛을 반사체에 집결시키는 독립형 파라볼릭 반사체로 이루어져 있다. 이 반사체는 두 개의 축을 따라 태양을 추적한다. 파라볼릭 디시 시스템은 CSP 기술 가운데 가장 효율성이 높다.[211] 오스트레일리아의 수도 캔버라에 있는 50 kW의 빅 디시는 이러한 기술의 한 예이다.[212]
태양 에너지 발전소는 특정 배열의 추적 반사체(햇빛 반사 장치, heliostat)를 사용하여 발전소 꼭대기에 있는 중앙 반사체에 빛을 집결시킨다. 태양 에너지 발전소는 트로프 시스템에 비해 진보적이지는 않지만, 더 높은 효율성과 더 나은 에너지 저장 능력을 제공한다.[212] 캘리포니아의 바스토우 지역에 있는 솔라 투와 스페인의 산루카 라 마요르(Sanlucar la Mayor)의 플라타 솔라 10은 이러한 기술을 대표한다.[212][213]
3. 5. 3. 실험 속의 태양 에너지
태양 굴뚝(솔라 업드래프트 타워 또는 솔라 타워라고도 함)은 가운데 발전소로 통하는 넓은 비닐하우스를 갖추고 있다. 햇빛이 비닐하우스에 비칠 때 안쪽 공기는 데워지고 팽창한다. 팽창하는 공기는 발전소 가운데를 흐르며 여기서 터빈은 기류를 전기로 변환한다. 50 kW의 프로토타입은 스페인의 시우다드레알에서 건설되어 1989년 해체에 이르기까지 8년 동안 운영하였다.[214]
태양 연못은 태양 에너지를 모아서 저장하는 (보통 1-2미터 깊이의) 소금물의 웅덩이이다. 헝가리의 어느 연못에서 깊이에 따라 온도가 증가한다는 보고서를 접한 루돌프 블로치(Rudolph Bloch)가 1948년에 처음 제안하였다. 이는 연못 속 소금이 "밀도기울기"를 만들어 대류 전류가 통하지 않게 된 데에서 영향을 받았다. 프로토타입은 1958년에 예루살렘 가까이에 있는 사해 해변에 건조되었다.[215] 이 못은 여러 층의 물로 구성되어 있었으며 이러한 구조가 꼭대기의 낮은 염분 용해 상태를 맨 아래의 높은 염분 용해 상태로 증진시키는 영향을 미쳤다. 이러한 태양 연못은 맨 아래층에서 90 °C의 온도를 만들어낼 수 있었으며 태양 대 전기 효율성은 2 퍼센트로 측정되었다.
열전기 장치들은 서로 비슷하지 않은 물질들의 온도차를 전류로 변환한다. 태양 에너지를 저장하는 방식인 "열전기"는 1880년대에 태양 에너지 개척자인 무쇼(Mouchout)가 처음 제안하였으며,[216] 1930년대에 소비에트 연방에서 다시 등장하였다. 소비에트 과학자 아브람 로페(Abram Ioffe)의 지시에 따라 태양 에너지 집결 시스템이 사용되어 1 마력의 엔진을 위한 전기를 열전기적으로 생산할 수 있었다.[217] 열 발생장치는 나중에 카시니, 갈릴레오 호, 비킹 프로그램과 같은 임무를 위해 미국 우주 프로그램에 에너지 변환 기술로 사용되었다. 이 지역에서의 연구는 이러한 장치들의 효율성을 7~8%에서 15~20%로 높이는 데 집중하였다.[218]
우주 태양 에너지(Space solar power) 시스템은 지구 정지 궤도상에 있는 커다란 태양 에너지 배열을 사용하여 햇빛을 모아 분배를 목적으로 이 에너지를 마이크로파 복사 형태로 지구의 렉테나에 쏘아 보낸다. 피터 글래서가 1968년에 처음 이러한 개념을 제안하였으며, 그 뒤로 태양광 발전, 태양 에너지 집결 기술이 제안됨과 더불어 다양한 시스템에 대한 연구가 계속되고 있다. 아직은 개념 단계에 머물러 있지만 이러한 시스템들은 당시의 거의 96%만큼 전력을 전달할 가능성을 제공한다.[219]
3. 6. 태양의 화학 처리
태양의 화학 처리는 태양 에너지를 사용하여 화학 변화를 일으키는 것을 말한다. 이러한 처리를 통해 대체 자원의 필요성이 요구되는 에너지를 줄이고 태양 에너지를 저장, 이동할 수 있는 연료로 변환할 수 있다. 태양 화학 반응은 다양하지만 일반적으로 "열화학", "광화학"으로 서술한다.[92]
수소 생산 기술은 1970년대 이후로 태양의 화학 연구에 중대한 분야로 자리잡고 있다. 광전지 또는 광화학 전지로 구동되는 전기 분해 외에도 여러 열화학 공정이 탐구되어 왔다. 그러한 경로 중 하나는 집광기를 사용하여 고온(2300°C~2600°C)에서 물을 산소와 수소로 분해하는 것이다.[97] 또 다른 방법은 태양 집광기의 열을 사용하여 천연가스의 수증기 개질을 유도하여 기존 개질 방법에 비해 수소 수율을 높이는 것이다.[98] 반응물의 분해와 재생을 특징으로 하는 열화학 순환은 수소 생산을 위한 또 다른 방법을 제시한다. 바이츠만 과학 연구소(Weizmann Institute of Science)에서 개발 중인 Solzinc 공정은 1MW 태양로를 사용하여 1200°C 이상의 온도에서 산화 아연(ZnO)을 분해한다. 이 초기 반응은 순수한 아연을 생성하며, 이는 이후 물과 반응하여 수소를 생성할 수 있다.[99]
샌디아 국립연구소의 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.[223]
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.[224]
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.[225]
다양한 연료를 인공 광합성을 통해 생산할 수 있다.[93] 이산화탄소의 환원을 통해 탄소 기반 연료(예: 메탄올)를 만드는 데 관여하는 다전자 촉매 화학은 어려운 과제이다. 실행 가능한 대안은 양성자로부터 수소를 생산하는 것이지만, 전자의 원천으로 물을 사용하는 경우(식물이 하는 것처럼) 두 개의 물 분자를 분자 산소로 산화시키는 다전자 산화를 마스터해야 한다.[94]
태양광 여기 레이저를 이용하여 열이나 화학 에너지를 얻는 방법이 연구되고 있다.[134] 레이저에 의한 고열로 마그네슘을 환원시켜 범용 에너지원으로 사용하는 것 외에, 잉여열로 온수를 생산하는 등의 이용이 고려되고 있다.
3. 7. 태양을 이용한 수송수단
태양열 자동차 개발은 1980년대부터 공학 기술의 목표였다. 2년마다 열리는 월드 솔라 챌린지에서 대학 및 기업 팀들은 호주 중부 다윈에서 애들레이드까지 3021km를 주행하며 경주한다. 1987년 대회 시작 당시 우승자의 평균 속도는 67km/h였고, 2007년에는 90.87km/h로 향상되었다.[77] 북아메리카 솔라 챌린지와 계획 중인 남아프리카 솔라 챌린지는 태양열 자동차 기술 개발에 대한 국제적인 관심을 반영하는 유사한 대회이다.[78][79]
일부 차량은 에어컨 등 보조 전력을 위해 태양 전지를 사용하여 실내 온도를 낮추고 연료 소비량을 줄인다.[80][81]
1975년 영국에서 최초의 실용적인 태양열 보트가 건조되었다.[82] 1995년부터 PV 패널을 장착한 여객선이 등장하기 시작하여 현재 널리 사용되고 있다.[83] 1996년 호리에 켄이치는 최초로 태양열로 태평양을 횡단했고, '선21' 쌍동선은 2006년에서 2007년 겨울에 최초로 태양열로 대서양을 횡단했다.[84] 2010년에는 세계 일주 계획이 있었다.[85]
1974년 무인 아스트로플라이트 선라이즈 비행기가 최초의 태양열 비행을 했다. 1979년 4월 29일, ''솔라 라이저''는 태양열로 작동하는 완전 제어식 유인 비행기로 최초의 비행을 하여 약 12.19m 고도에 도달했다. 1980년 ''고사머 펭귄''은 광전지로만 동력을 얻어 최초의 유인 비행을 했다. 이는 곧 ''솔라 챌린저''가 1981년 7월에 영국 해협을 횡단하면서 뒤따랐다. 1990년 에릭 스콧 레이먼드는 21번의 비행을 통해 태양열을 이용하여 캘리포니아에서 노스캐롤라이나까지 비행했다.[86] 그 후 개발은 ''패스파인더''(1997)와 후속 설계를 통해 무인 항공기(UAV)로 돌아섰고, 2001년 로켓 추진이 아닌 항공기 고도 기록 29524m를 세운 ''헬리오스''로 절정에 달했다.[87] BAE 시스템즈가 개발한 ''제퍼''는 기록적인 태양열 항공기 계보의 최신 모델로, 2007년 54시간 비행을 했으며, 2010년에는 한 달간의 비행이 예상되었다.[88] 2015년 3월부터 2016년 7월까지 솔라 임펄스라는 전기 항공기가 성공적으로 세계 일주를 했다. 이것은 태양 전지로 구동되는 단좌 비행기로 자체 동력으로 이륙할 수 있으며, 수일 동안 공중에 머물 수 있다.[89]
태양열 기구는 일반 공기를 채운 검은색 기구이다. 햇빛이 기구에 비추면 내부 공기가 가열되고 팽창하여 인공적으로 가열된 열기구와 마찬가지로 상승 부력이 발생한다. 일부 태양열 기구는 인간 비행이 가능할 만큼 크지만, 표면적 대 탑재 중량 비율이 상대적으로 높기 때문에 일반적으로 장난감 시장에만 사용된다.[90]
스쿼드 솔라는 태양광 지붕을 갖춘 근거리 전기 자동차로, 일반적인 120볼트 콘센트에 연결하여 충전할 수 있다.[91]
4. 에너지 저장 방식
현대의 에너지 시스템은 일반적으로 에너지의 지속적인 이용 가능성을 전제로 하기 때문에, 에너지 저장은 태양 에너지 개발에 있어 중요한 문제이다. 태양 에너지는 밤에는 사용할 수 없고, 예기치 못한 날씨 조건에 따라 성능이 영향을 받는다. 따라서 저장 매체나 예비 전원 시스템이 필요하다.[235]
축열체는 태양 에너지를 가정에서 매일 또는 계절 주기로 사용할 수 있는 온도의 열 형태로 저장한다. 열 저장 시스템은 일반적으로 물, 흙, 돌과 같이 비열이 높은 물질을 사용한다. 잘 설계된 시스템은 절정 부하를 낮추고 전반적인 난방 및 냉방 요구사항을 줄인다.[100][101]
석랍, 황산 나트륨과 같은 위상차 변환 물질도 열 저장 매체로 쓰인다. 이러한 물질은 값이 싸고 쉽게 구할 수 있으며, 가정에서 유용한 온도 (약 64℃)에서 활용할 수 있다. 1948년 도버의 "도버 하우스"는 최초로 황산 나트륨을 사용한 난방 시스템이었다.[102]
태양 에너지는 용융염을 사용하여 고온으로 저장할 수 있다. 소금은 값이 싸고 비열이 높으며, 기존 전력 시스템과 호환되는 온도에서 열을 전달할 수 있어 효율적인 저장 매체이다. 솔라 투는 이 방식을 사용하여 68 m³ 저장 탱크에 1.44 TJ를 저장할 수 있으며, 연간 에너지 저장 효율은 약 99%이다.[103]
오프그리드 태양열 발전 시스템은 전통적으로 이차 전지를 사용하여 남는 전기를 저장해 왔다. 그리드 시스템을 사용하면 남는 전기는 그리드 전기 시스템으로 전달할 수 있다. 넷 미터링 프로그램은 전기가 그리드에 전달될 수 있는 신뢰성을 이러한 시스템에 제공한다. 이는 시스템이 수요를 충족하지 못할 때 그리드가 제공하는 전기를 줄여 준다. 이로써 그리드가 저장 메커니즘으로 효과적으로 이용될 수 있다. 양수 발전은 에너지를 낮은 곳의 저수지에서 더 높은 곳으로 이동할 수 있을 때 위로 끌어내는 물의 형태로 에너지를 저장한다.[105]
5. 개발, 이용, 경제
산업 혁명과 함께 석탄 이용이 증가하면서 에너지 소비는 나무와 바이오매스에서 화석 연료로 꾸준히 전환되었다. 1860년대 태양 에너지 기술의 초기 개발은 석탄 부족을 예측하고 시작되었지만, 20세기 초 석탄, 석유와 같은 화석 연료의 이용 가능성, 경제성 때문에 개발이 부진하였다.[237]
1973년 유류 수출 금지와 제2차 유류 파동은 전 세계적으로 에너지 정책을 재정비하게 하였고, 태양 에너지 기술 개발에 다시 관심이 쏠리는 계기가 되었다. 미국의 연방 태양광 발전 이용 프로그램, 일본의 선샤인 프로그램과 같은 인센티브 프로그램이 활용 전략에 초점을 맞추었다. 또한, 미국[238], 일본[239], 독일[240]에서 연구소를 설립하는 등 여러 노력들이 있었다.[241]
1970년부터 1983년까지 태양광 발전기 설치가 급증하였지만, 1980년대 초 기름값이 떨어지면서 1984년에서 1996년까지 태양열 발전 성장은 둔화되었다. 1997년 이후 태양열 발전 개발은 기름, 천연 가스, 지구 온난화 문제, 그리고 다른 에너지 기술에 비해 태양 에너지의 경제적 지위 개선 등으로 가속화되었다.[242] 태양광 발전 생산은 2000년 이후 연평균 40% 정도 증가했으며, 설치 용량은 2007년 말 10.6GW에 달했다.[168]
1890년대 미국에서 상업용 태양열 온수기가 등장하기 시작했다.[246] 1920년대까지 사용이 증가했지만, 점차 더 저렴하고 신뢰성 있는 가열 연료로 대체되었다.[247] 태양광 발전과 더불어 태양열 온수 가열은 1970년대 기름값이 치솟을 때 새롭게 조명받았지만, 1980년대 기름값이 떨어지면서 관심이 줄어들었다. 태양열 온수 가열 분야 개발은 1990년대 꾸준히 진척되었으며, 1999년 이후 연평균 성장률은 20%에 달하고 있다.[248]
국제에너지기구(IEA)는 태양 에너지가 현재 세계가 직면한 가장 시급한 문제 중 일부를 해결하는 데 상당한 기여를 할 수 있다고 밝혔다.[3]
2011년 국제에너지기구(IEA) 보고서에 따르면, 정치인들이 기후 변화를 제한하고 재생에너지로의 전환에 전념한다면 광전지, 태양열 온수 및 집중 태양열 발전과 같은 태양 에너지 기술이 2060년까지 세계 에너지의 3분의 1을 공급할 수 있다. 태양 에너지는 에너지 효율 개선 및 온실 가스 배출자에 대한 비용 부과와 함께 세계 경제의 탈탄소화에 중요한 역할을 할 수 있다. "태양 에너지의 강점은 소규모에서 대규모에 이르기까지 다양하고 유연한 응용 프로그램이다."[113]
2021년 라자드(Lazard)는 보조금이 없는 신규 건설 대규모 유틸리티 규모 태양광 발전의 균등화 비용을 MWh당 37달러 미만으로 추산했으며, 이는 기존 석탄 화력 발전 비용보다 저렴하다.[114][115] 2021년 보고서는 또한 신규 태양광 발전이 신규 가스 화력 발전보다 저렴하지만, 일반적으로 기존 가스 발전보다는 저렴하지 않다고 밝혔다.[115]
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