햇빛이 지구까지 오는 데는 8분 걸린다. 9,300만 마일 거리를 초속 186,282마일을 달려온다. 햇빛이 지구에 내리면 약 30%는 우주로 반사되고, 나머지는 지구에 흡수된다. 지구가 받는 햇빛 양을 연간 3,850,000 엑사쥴(EJ)로 추산한다. 이 양을 한시간만 모으면 온 지구가 1년 쓸 수 있는 엄청난 에너지가 나온다고 한다. 그러나 지구에는 20억 인구가 에너지혜택을 못 받고 산다. 아직도 태양에너지를 고
효율로 잡을 수 있는 기술부족과 세계 부의 편재 때문이다.

태양열은 지구를 평균 기온 섭씨 14도로 유지해준다. 더워진 공기는 증발하여 구름을 만들고 비를 내리는 동시에, 대류 현상을 통해 바람을 일으킨다. 수력발전, 풍력에너지도 넓은 의미에서 태양에너지의 일부인 셈이다. 그런가 하면 식물들(Biomass)은 태양열을 받아 광합성을 통해 식량을 공급하고, 탄소 유기물질은 훗날 화석연료의 자원이 된다. 즉, 이 세상 에너지는 대부분 그 근원이 햇빛이다.
21세기에 들어와 석탄, 석유등 화석연료에 의존해 살아온 지구는 극심한 환경오염에 시달리고 있다. 특히 지구온난화 문제는 곧 꺼야할 불처럼 심각한 상태다. 그 해결책을 찾는 시도로 지난 12월 7일부터 18일까지, 코펜하겐에서 유엔 기후변화협약의 당사자총회(UN Climate Change Conference)가 열렸다.

유엔의 반 기문 사무 총장의 주도하에 130여 개국 정상들이 참석했다. 주안점은 앞으로 지구온도를 섭씨 2도를 넘기지 않도록 각국에서 이산화탄소 배출량을 줄이자는 제안이었다. 그러나 선진 공해국 들과 개발도상국간의 이해관계가 얽히고, 법적 구속력이 없는데다가, 해결 비용이 엄청나 합의 없이 끝나고 말았다.

어떻게 하면 오염을 줄이고 지속 가능한 대체에너지로 전환할 수 있을까하는데 온 세계의 관심이 집중돼 있다. 그 대체에너지 전환의 중심에 태양에너지가 자리잡고 있다. 그 태양에너지를 좀 더 잘 이해하고, 실생활에서 태양에너지를 점차 이용하는 것도 우리가 지구환경보전에 이바지하는 일이 되리라고 본다.

태양에너지는 무엇인가?

태양에너지는 햇빛을 열(Heat)과 전기(Electricity) 에너지로 만드는 것이다. 태양열로 물을 데우거나 난방 하는 것은 우리에게도 익숙하다. 햇빛을 전기로 만드는 방법은 태양전지(Photovoltaics 혹은 solar cells)를 통해 직접 만들거나, 햇빛을 모아 물을 끓여 그 증기로 발전기를 돌려 전기를 얻는 2가지 방법이 있다. 태양전지는 실리콘 반도체(semiconductor)가 기본재료이다.

태양전지의 장점은 1) 우선 저렴하다. 일단 설치만 하면 거의 무료이다. 2) 친환경 적이다. 전기생산에 이산화탄소 같은 공해가스나 부산물이 발생하지 않고, 냉각수사용도 불필요하다. 3) 유지가 쉽다. 태양전지 배열판 들을 크기에 관계없이 얼마든지 손쉽게 설치할 수 있다. 햇빛을 직접 전기로 전환함으로 부피가 큰 발전기들이 필요 없다. 4) 전송망(power grid)이 필요 없이 독립적으로 사용할 수 있고, 오지에서도 설치 가능하다.

그러나 흔하고 무공해인 태양에너지도 단점이 없지 않다. 우선 일사량이 기후나 지역, 계절에 따라 일정하지 않다는 점이다. 그리고 효용가치를 높이기 위해 햇빛을 모아야 함으로 넓은 지역이 필요하다. 현재 햇빛을 전기로 전환시키는 효율이 10%정도이다. 그 효율을 20%까지 올리려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그리고 초기 설치비가 많이 드는 점도 간과할 수 없다.

태양전지(Photovoltaic cell or Solar cell)의 원리

햇빛 속엔 양자(photon)가 있다. 이 양자들이 태양전지에 닿으면 반사되거나 흡수된다. 그 흡수되는 양자들이 태양전지를 구성하는 반도체 원자핵 속의 전자(electron)를 분리시키고 이 전자들이 전기를 일으킨다. 태양전지판을 만들 때 표면이 전자(free electron)를 잘 받을 수 있도록 처리를 해준다. 그러면 음전극을 띤 전자는 태양전지 표면으로 쉽게 이동하면서 전류를 흐르게 한다.
태양전지는 태양에너지 생성과정에서 가장 기본 블록이다. 한 전지는 0.5인치에서 4인치 정도로 불과 1-2 와트 정도의 미세한 전기를 내다. 전류 양을 늘리기 위해 태양전지들을 연결하여 큰 판(Module)을 만든다. 또 이 모듈들을 더 크게 연결해 배열판(Array)으로 엮는다. 수백 수천 배열판이 모여 태양광 발전소가 된다.

태양에너지 사용의 역사

주부가 빨래를 햇빛에 말리는 것도 태양에너지의 사용이다. 그래서 태양에너지 사용역사는 인류의 정착역사와 맞먹는다. 전설에 의하면 그리이스의 아르키메데스가 군사들의 방패를 닦아 햇빛을 반사해 침략하는 로마 함대를 시라큐스에서 무찔렀다는 이야기가 전해 내려온다. 1866년 어거스트 무슈트가 사발같은 포물선형 트러프(pababolic trough)를 이용 첫 태양증기 엔진을 만들었다.

최초의 태양전지는 챨스 프리트가 1880년 조립했다고 한다. 첫 실용적인 태양전지는 1954년 벨 전화회사 실험 팀들이 실리콘 웨이퍼가 어떻게 햇빛에 반응하는지를 실험하다가 개발된 것이다. 1950년 후반 들면서 미국인공위성에 태양전지가 주된 전력의 원천이 됐고 오늘날은 전자통신 인프라의 필수요소가 됐다.

태양에너지는 설치비용이 많이 들어서 1960년대 지상에서의 사용은 제한을 받았다. 그러다가 1970년 초 유류 파동은 태양열 발전을 촉진하게 돼 파워 그리드(grid)에 접근하지 않고도 먼 거리에서 사용할 수 있을 만큼 가격이 떨어졌다. 태양열발전의 비용을 1971년에 와트 당 100달러에서 1985년엔 7달러로 낮추게 됐다. 그러나 1980년대 유류값이 떨어지면서 태양에너지 개발 연구가 급속도로 식었다.
1990년대 중반이후 일본, 독일, 스페인 등도 태양열 발전에 주력, 세계 생산 성장률이 30% 이상 성장하고 있다. 2006년 미국의 태양전지 생산도 337메가와트로 1989년 보다 25배나 늘었다. 한국도 2008년 신안에 24 메가와트 태양에너지 발전소가 준공됐다.

태양열 발전소(Solar Thermal Power Plants)

태양열 발전소는 햇빛을 받아 액체를 높은 온도의 증기를 만든 다음 터빈을 돌려 전기를 만든다. 화력발전과 원리는 같으나 석탄이나 석유를 때는 대신 태양열을 이용, 스팀을 이용하는 것이다.
이 태양열 발전소는 3종류의 태양 에너지 집결 시스템을 사용한다. 1) 포물선형 트러프(parabolic trough), 2) 태양 접시 (solar dish), 3)태양 추적 타워 (solar power tower) 등이다. 이들은 렌즈나 거울을 사용, 넓은 면적의 햇빛을 반사체의 초점에 맞춰 빛을 집결시킨다. 이렇게 한곳에 모인 빛은 열의 원천이 된다.

포물선형 트러프는 해를 따라 동에서 서로 이동하면서 계속 햇살을 모은다. 그래서 30-100배나 많이 태양에너지를 집결시킨다. 중심부에는 화씨 750도 까지 가열된다. 이 트러프들은 남북선상에 수백 개가 정렬해 물을 가열시킨다. 그 열로 고압 고온의 수증기를 만들어 터빈을 돌리고 발전기에서 전기를 생산한다. 캘리포니아 모하비 사막에 세계에서 제일 큰 354 메가와트 포물선형 트러프 태양발전소가 있다.
태양접시도 태양을 추적하며 햇빛을 접시의 초점에 집결시킨다. 태양접시는 효율성이 높아 보통 태양에너지를 2000배로 농축시키고, 중심온도가 화씨 1380도 까지 오른다.

태양추적 타워은 높은 탑 위에 탑재한 특정한 배열의 추적 반사체(heliostat)를 사용, 그 가운데 빛을 집결시킨다. 이 태양 집전 시스템도 1500배 농축의 높은 효율성과 에너지 저장능력을 가지고 있다. 캘리포니아의 바스토우 지역과 스페인에 큰 태양추적 타워를 이용한 태양발전소가 있다.

태양발전소는 밤이나 흐린 날에는 발전을 할 수 없다. 그러므로 생성된 태양 에너지를 저장하는 방법이 중요하다. 주로 열의 형태로 저장하는데 그 축열재로 물, 흙이나 돌과 같은 높은 비열의 물질을 사용한다. 황산나트륨이나 소금을 쓰기도 한다.

가정용 태양 집전시설

태양에너지를 측정하는 단위는 시간당 킬로와트 (killowatt-hour)다. 1 kWh는 100와트 전구를 10시간 켤 수 있는 전기량이다. 미국 에너지 청의 통계에 의하면 미국 한 가정에서 매달 쓰는 평균 전력량은 약 866 KWH 로 약 $80가량이다. 그런데 이중 30%가 난방비용이다.
태양열을 써서 난방하는 가정이 늘어나고 있다. 가장 보편적인 시설은 지붕에 설치 햇빛을 모아 주택과 수영장들의 온도를 높여 주는 집진기다. 기본적인 1 킬로와트 평면형 태양 집전기도 화씨 200도 정도 올릴 수 있다. 1 킬로와트형은 10-12개 태양 패널로 엮어져 있으며 약 100 입방 피트 정도의 넓이면 된다. 평균 1년에 1600 KWH정도 전기를 만들고, 흐린 날엔 그 절반정도 전기가 나온다. 가격은 약 $10,000.

태양에너지 상업용품들과 미래 개발품

요즘 인기 품목이 솔라 패널이다. 한국선교사들이 전기가 없는 필리핀이나 아프리카 오지에 가서 솔라 패널을 설치해 전기선이나 전봇대 없이도 온 마을에 불을 밝혀주고 있다. 가로등도 켜고 TV나 가전기도 돌려 문명의 혜택을 주고 있다. 또한 솔라 패널에서 나온 전기로 우물을 파고 지하수를 펌프를 퍼서 물이 귀한 아프리카 등지에서 생수도 공급해 준다.

흔한 상품으로는 태양에너지를 이용한 정원등(庭園燈)이나 분수(solar fountain), 수영장 난방장치, 그리고 다락방 선풍기, 배터리 충전기등 헤아릴 수 없이 많다.
태양 전기 자동차의 개발은 1980년대 이후 중요한 공학기술의 목표 중 하나다. 한해에 두 번씩 열리는 태양전기 자동차 경주대회에서 최근 근 시속 100 킬로까지 나왔다. 태양열 비행기도 개발돼 2007년엔 54시간 비행하였고 2010년에는 한달 내내 비행을 계획하고 있다. 태양에너지를 이용한 교통 수단의 개발이 점점 가속화되고 있다.

태양에너지의 미래

태양에너지 기술은 21세기에 크게 발전할 전망이다. 건축물 설계에 태양에너지를 효과적으로 사용하려는 시도가 늘고 있다. 태양열을 이용한 난방시스템에 대한 가격도 떨어지고 연방정부의 세금혜택도 증가하고 있다.

2025년까지 태양전지를 사용한 전기생산이 모든 태양에너지 전기생산의 50%에 달하리라고 예측한다. 캘리포니아도 32억 달러들 들여 향후 11년간 3,000 메가와트 태양열 전기생산을 계획하고 있다. 이는 백만 가구의 지붕에 태양 집결판을 설치하는 것과 맞먹는 효과다.
가장 중요한 것은 개인 각자의 인식변화이다. 가정용으로 나온 태양에너지 상품들을 눈여겨보고 가능하면 친 환경 상품들을 선호하는 캠페인이 우리 일반개인들로부터 시작되어야한다. 지구온도를 2도 이상 올리지 말자는 유엔 세계기후변화협의체의 목표는 이런 개인들의 노력이 있지 않고는 거의 불가능할 것이다.

참고자료
1) Energy Information Administration, EIA (2005)
2) Martin, Christopher (2005), Solar Energy Reference
3) Butti, Ken et al (1981) A Golden Thread (2500 Years of Solar Architecture and Technology)
4) Mills, David (2004) Advances in solar thermal electricity techology
5) NASA (2002). How do Photovoltaics Works?
6) Facts about solar energy.com