☞ 강의 Tip.

“실험뚝딱” 교사용 지도서- 태양열 조리기

(주)미래과학교육원 www.qurymall.co.kr

이번 단원에서는 지금도 연구와 발전을 거듭하고 있는 태양열 발전 방식에 대해서 알아봅니다. 태양에너지의 개념과 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 이용 사례를 소개합니다. 특히 태양열을 이용한 조리기의 장단점을 설명하면서 여러 가지 친환경 에너지자원에 대해서도 함께 지도해주시기 바랍니다. 에너지 절약 방법에 대해서도 알아봅니다.

▩ 태양에너지의 장점과 단점

장점	단점
· 태양 에너지의 양이 거대하여 고갈 될 염려가 없고, 환경오염 물질의 배출이 없다. · 미래의 에너지 산업에서 잠재력을 갖고 있다. · 발전용량에 신축성이 있고, 발전 시설의 유동성이 있다. · 무공해, 무한정한 태양에너지를 이용함으로 연료비가 들지 않는다.	· 태양 에너지 자원은 에너지 밀도가 아주 낮아 수집하여 이용하는데 아 직까지는 많은 비용을 필요로 한다. · 자연조건 등에 따라 출력이 변동 되는 결점이 있으나 다른 에너지원 과 병행하여 사용함으로써 문제를 해결할 수는 있다. · 태양에너지 자체는 무공해이나 태양 전지를 만들 때 필요한 반도체의 경우 오염물질이 발생한다.

▩ 태양열 발전

태양광선에 의한 열에너지를 효율적으로 모아 열원으로 사용합니다. 모아진 열에너지를 열기관을 사용해서 기계에너지로 바꾸어 터빈 발전기를 회전시킴으로써 전기에너지를 만들어냅니다.

! 열교환기와 터빈

열교환기는 항상 열에너지를 축적하고, 밤이나 비가 올 경우에도 발전기를 돌릴 수 있도록 증기터빈에 열에너지를 공급하는 기능을 갖추고 있습니다. 집열온도를 300~500℃ 정도로 가정한 대 용량형의 증기 터빈을 주로 사용 합니다. 집열온도가 낮은 경우에 는 끓는점이 낮은 프레온가스 등의 매체를 사용한 유기매체 터빈을 이용합니다.

▩ 태양열 이용의 원리

태양은 옅은 빛을 방대한 지역에 걸쳐 뿌리기 때문에 그 열을 가정이나 발전소에서 이용하려면, 수많은 반사경을 반원형으로 배열하여 발전탑에 태양 광선이 집중되도록 해야 합니다. 이렇게 해서 집중된 태양 광선은 탑 꼭대기에 있는 집열판을 비추고, 집열판 안의 파이프에 순환하는 액체를 가열합니다. 이 액체에서 발생하는 고압 증기의 압력으로 발전기의 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

▩ 태양광 가로등

가로등의 윗부분에 태양 전지판을 달아서 낮 동안 전기를 만들어 축 전지에 모아 두었다가 밤에 사용 합니다.

▩ 태양전지

태양 전지는 빛을 쏘이면 전기가 발생하는 원리를 이용합니다. 태양 전지에 햇빛이 비치면 그 속의 전 자가 움직이고 이것이 도선을 따라 흘러가는데, 이러한 전자의 흐름(전류)에 의해 전기가 만들어집니다. 태양 전지에서 만들어진 전기는 태양 전지의 크기와 빛의 강도에 따라 결정됩니다. 좀 더 많은 전기를 얻기 위해서는 여러 개의 태양전지를 연결해야 하는데, 이렇게 여러 개의 태양전지를 연결한 것을 태양 전지판 (태양 전지 모듈)이라고 합니다.

▩ 태양열 조리기의 장점

지구상의 몇몇의 도시 가정들은 수입의 30-50%를 요리 연료비로 소비합니다. 그러나 태양열조리기는 다양한 재료들을 이용해 만들기가 쉬우며 연료는 무한정 무료로 제공됩니다. 또한 일조량이 많은 곳에서 태양열조리기를 사용하면 짧은 시간에 음식 조리가 가능하고 나무나 기름, 가스 등을 사용하지 않아 경제적인 손실과 환경오염을 줄일 수 있는 장점이 있습니다.

▩ 태양열 조리기를 사용할 수 있는 지역

마이애미 태양 연못

· 적도 기준 위도 30도 이내인 지역

· 1년 중 가장 햇빛이 잘 들고 건조한 기후를 가진 지역

· 안개, 먼지, 강풍이 거의 없는 지역

· 조리기의 훼손 등의 염려가 없고 햇빛이 잘 드는 집에서 가까운 지역

☺ 재미있는 이야기

태양에너지의 전환

태양의 복사에너지는 지상의 식물이 자라는데 필요한 에너지를 제공하여 주고, 식물에 축적된 에너지는 그것을 먹은 동물이나 인간에게 제공되어 그것들의 활동에 사용됩니다. 인간은 섭취된 에너지를 이용하여 노동을 함으로써 인공적으로 다시 에너지원인 식물이나 동물들을 재배 사육하여 인간의 식량으로 사용하기도 하고, 다른 에너지자원을 가공 · 사용함으로써 인간노동의 능력을 향상시킵니다.

태양 연못(Solar Pond)

태양 연못은 기존의 태양열시스템과 비교하여 보다 적은 비용으로 저온의 열에너지를 얻을 수 있다는 것이 특징입니다. 깊이가 2~3m 정도이고 넓이가 수천 ㎡인 연못의 바닥에 농도가 높은 소금물을 넣습니다. 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도 차에 의해 층이 생기면서 대류가 억제됩니다. 표면수의 온도보다 바닥의 온도가 더 높은데 그 열에너지 또는 온도차를 이용하여 에너지를 얻습니다. 물론 연못 바닥의 높은 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도 차이를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 만들어 낼 수도 있습니다. 이 기술은 이스라엘에서 상용화되고 있는데, 사막에 수평 km의 규모로 사해의 물을 끌어들여 온도차를 이용하여 발전할 계획이 세워져 이미 5,000kW의 발전소가 가동하고 있으며, 장차 200만 kW급의 발전소도 건설이 가능하다고 보고 있습니다.

제마솔라 태양열 응집 발전소(CSP)

'토레솔 에너지'와 스페인 엔지니어링 건축기업인 '세네르'가 타워형 태양열발전의 새로운 가능성을 찾아냈습니다. 스페인 세비야에 19.9MW급 제마솔라 태양열 응집 발전소(CSP)를 건설하고 시운전까지 끝내 2만 5000 가구에 전력을 공급하기 시작한 것입니다. 제마솔라 발전소는 약 185ha의 면적에 2,650개의 헬리오스타트(거울)로 구성돼 있습니다. 이 시스템은 타워 꼭대기에 위치한 중앙 흡수기에서 섭씨 900도 이상 발열 가능한데, 뜨겁고 압축된 증기로 터빈을 돌려 발전이 이뤄집니다. 세계 최초의 태양타워형 발전소로 꼽히는 제마솔라 발전소는 용융염 열전환 기술을 적용해 태양열 없이 15시간의 에너지 생산이 가능한 것이 특징입니다. 태양광이 부족한 겨울에도 수개월에 걸쳐 24시간 내내 전기 생산이 가능합니다.

* 용융염(鎔融鹽)

질화나트륨과 질화칼륨으로 구성된 액체입니다. 태양광발전에 사용되는 용융염은 태양파장의 복사열을 95%까지 흡수하고, 흡수한 열을 오랫동안 보유하기 때문에 발전소는 태양이 없는 상태에서도 열을 빼낼 수 있습니다.