환경 세특 주제 : 에너지원으로 태양광을 활용하는 이유

1. 태양광의 구성과 장점

  가늠조차 되지 않는 1억 5천만 킬로미터라는 거리로 떨어져 있는 태양과 지구 사이의 거리에서, 태양은 지구에 엄청난 양의 에너지를 전달해 주고 있습니다. 그 먼 거리에서, 또(태양의 크기에 비해) 아주 작은 면적에 그 에너지를 전달하고 있음에도, 지구에게는 엄청난 양의 에너지입니다. 이때 그 태양의 에너지를 전달하고 있는 태양광은 어떻게 구성되어 있을까요?

  우선, 태양광은 태양에서부터 복사 형태의 에너지를 통해, 전자기파의 형태로 지구까지 그 에너지를 전달합니다. X선과 같은 짧은 파장의 빛도 방출하지만, 대부분의 구성은 적외선부터 자외선에 이르는 파장의 빛입니다. 그 중 지구에 도달하여 지구의 오존층과 대기에 특정 파장의 빛이 흡수되어, 결과적으로 일부의 자외선과 그보다 파장이 긴 가시광선, 적외선이 지구에 도착하게 됩니다.

  결국 지구 지면에(혹은 가까이에) 도달하게 되는 태양복사에너지는 가시광선과 적외선, 작은 비중의 자외선으로 이루어져 있습니다. 이를 다르게 말하면 가시광선, 적외선, 자외선의 형태로 태양의 에너지가 전달되게 되는 것입니다.

  그렇다면 태양광의 장점은 무엇일까요? 우선 태양광은 에너지입니다. 태양으로부터의 에너지가 빛의 형태로 지구까지 전달되는 것입니다. 그러므로, 에너지원으로 사용할 수 있는 방법이 있다면 그렇게 활용할 수 있다는 것입니다. 화석연료의 경우는 비교적 쉽게 활용할 수 있지만, 그 매장량이 한정적입니다. 하지만 태양으로부터 전해지는, 태양광의 경우, 사실상 무한하다는 표현을 사용할 수 있을 정도입니다. 아주아주 먼 미래에는 태양도 활동을 멈추게 되겠지만, 그 기간동안 인류가 존재할지도 미지수인 정도의 시기일 테니까요. 즉, 적절하게 사용할 방법만 있다면 무한한 에너지원으로 사용할 수 있는 것이나 다름없다는 것입니다.

2. 태양광으로 에너지를 생산하는 원리

  태양광으로 에너지를 전환하는 기본 원리로 광전효과를 빼놓고 이야기할 수가 없습니다. 역사상 최고의 천재 중 한 명으로 평가받는 아인슈타인이 발견한 효과인데요, 특히 금속 물체의 경우에서, 물체가 어떤 진동수 이상의 빛에 노출되었을 때 전자가 튀어나오는 현상입니다. 조건에 맞는, 충분한 에너지를 가진 빛이 물질 표면에 부딪히면서 에너지가 전자로 전달되어 전자가 튀어나오게 되는 것입니다. 즉, 이 효과를 잘 활용하면 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 데 사용할 수 있게 됩니다.

  태양전지에서 이 광전효과를 활용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환합니다. 광전효과로 인해 반도체 내에서 높고 낮은 에너지 준위 차이를 만들게 되고, 이것을 활용하여 전류를 유도해 내고, 전기에너지로의 전환을 이뤄 냅니다.

3. 에너지 생산 실험

  결국 태양광을 활용하는 방법은 잘 알려진 태양광 에너지와 같은 경우가 있습니다. 다만 좀 더 특이한 실험을 찾고 싶으신 분들을 위해, 태양광 발전과 수소 생산을 연계한 그린 수소 생산 실험이나 그 효율에 집중한 실험을 준비해 보았습니다.

2024.05.10 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

2024.05.13 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 태양전지의 효율 증진

환경 실험 : 태양전지의 효율 증진

  혹은 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 방법 외에도, 수소를 생산하거나 오염물질을 분해하는 데 사용하는 광촉매와 같은 예시도 존재합니다. 제가 작성한 글의 경우에는 광촉매를 활용하여 수소를 생산하는 쪽에 집중해 보았으니, 어쩌면 그린 수소 생산과 같은 결과를 위해 진행하는 경우이지만, 이 경우는 그 과정이 다르기 때문에 경제적, 효율적 측면에서 조금 다른 결과를 얻을 수 있겠네요.

2024.06.25 - [세특/환경 실험] - 환경 세특 주제 : 광촉매 사용 수소 생산

환경 세특 주제 : 광촉매 사용 수소 생산

  이미 이 실험을 접해 보신 분들이라면, 위에 적힌 태양광의 구성, 장점과 태양광으로 에너지를 생산하는 방법에 대해 이해하셔서, 실험 보고서의 앞 부분에 기입하시면 좋을 것 같습니다. 기본적인 원리와 태양광에너지를 활용해야 하는 이유 등의 내용이 있을 것 같습니다. 또 태양전지 관련 실험을 진행하면서 실험 결과의 효율에 대한 내용을 분석하실 때에도, 광전효과의 내용과 기입해 놓은 두번째 글을 참고하셔서 개선할 점을 작성하신다면, 더욱 풍부한 내용의 실험 보고서가 탄생할 것이라고 생각합니다. 여러분들의 노력을 응원하고, 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!