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태양열

太陽熱

태양은 1년간에 약 58×1028㎉의 에너지를 방사하고 있으며, 지구는 그 중의 약 96×1022㎉를 받고 있다고 한다. Ｓ를 태양정수(太陽定數：태양과 지구의 평균거리에서 지구 대기에 입사하는 이전 상태로 빛에 직각으로 향한 1㎠의 면에 1분간 입사하는 태양광선의 양 1,946㎈㎝-2min-1)라 하면, 실제로는 대기를 통과할 때에 흡수되므로 평균해서 2s/3≒1㎾-2가 지표에 도달된다.

수평면은 일반적으로 햇빛의 방향에 수직이 아니므로 그 사이의 각(角)을 φ라 하면 수평면이 받는 태양열은 대기의 흡수가 없으면 Scosφ이지만 흡수는 대기층을 통과하는 거리에 따라, 또 그 거리는 φ에도 따르므로 반드시(2s/3cosφ)는 아니다. 아황산가스나 방사성 폐기물을 배출하지 않는 깨끗한 에너지로서 태양에너지는 앞으로 더욱더 높이 평가될 것이다.

지구에 들어오는 태양에너지는 알기 쉽게 환산하면, 석탄(石炭)으로 따져 1년에 90조(兆)t, 즉 전인류가 현재 사용하고 있는 에너지의 10만 배가 된다. 무진장이며 대금을 지불할 필요가 없는 에너지의 보고인 것이다.

그리고 태양에너지는 이용 후를 걱정할 필요가 없는 유일한 에너지이다. 해로운 가스나 폐기물이 생기지 않을 뿐 아니라 다른 에너지원(源)과 달라서 지구의 온도(溫度)를 높이지 않으며 태양열은 이것을 이용하든 안 하든 원래가 지구에 입사되고 있는 것을 유효하게 이용할 뿐이기 때문이다.

열오염(熱汚染)은 국토가 좁은 나라에서는 특히 심각한 문제이다. 이러한 나라일수록 특히 태양에너지의 이용개발이 시급한 문제이다.

태양열기관

太陽熱機關

태양열을 반사경(反射鏡)으로 한점에 모으고, 그 열로 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 기관. 이스라엘에서는 직경 1.5m, 길이 12m의 원통을 투명 플라스틱으로 만들고, 아래 반면 안쪽에 알루미늄막(膜)을 붙여 반사경으로 하고, 그 초점을 물 파이프를 통하여 증기를 발생시키고 이와 같은 원통 6개로 5HP의 출력을 얻는다고 한다. 열기관에서는 전열(傳熱)의 매체가 물인 경우는 효율(效率)이 떨어지므로 모노크롤벤젠이나 아황산가스 등의 매체가 쓰인다.

태양열 흡수장치

太陽熱吸收裝置

알루미늄 박을 붙인 길이 1.8m의 홈통 모양의 포물면 반사경의 초점에 동제(銅製)의 파이프를 끼우고 태양광으로 파이프 속의 기름을 110∼120℃로 가열한다.

이것을 가스 냉장고와 같은 원리를 사용한 흡수식 냉동기로 보내어 냉풍(冷風)을 만든다. 태양이 강하게 내리쬐면 쬘수록 냉방 능력이 더욱더 올라간다. 컴퓨터의 계산에 의하면 30㎠의 태양 에너지로 냉방 능력이 3.5㎾ 나온다. 이 장치를 발전에 쓰기 위해서 여기에 덮개를 씌운다.

이 덮개는 특수강화유리에 금속산화물의 막(膜)을 몇 마이크론(micron)의 두께로 구워 붙인다. 태양광선은 거의 완전히 통과시키지만, 밖으로 나가려는 열선은 반사하는 성질이 있어 태양에너지의 50∼60%를 잡게 된다. 초점을 지나는 파이프 속에는 헬륨 가스나 나트륨과 랄리움의 액체합금(液體合金)이 쓰인다.

500℃ 정도로 온도가 오르지 않으면 발전이 되지 않기 때문이다. 맑은 날이 평균 15일, 평균일조시간(平均日照時間) 5시간이라 가정하면 10㎠의 장치로 1개월 동안에 28만㎉의 태양에너지를 잡을 수 있다는 계산이다.

그러면 30㎦의 넓이가 있으면 100만 ㎾의 발전이 가능하게 된다. 각 가정의 지붕에 10㎡의 장치를 하면 일반가정에서 쓰는 가스와 전기의 약 60%를 충당할 수 있다.

지상 발전소의 난점인 흐린 날과 밤에도 태양에너지를 이용하기 위해서 서독의 필립스사의 아헨연구소에서는 새로운 축열기(蓄熱器)를 발명하였다. 종래의 축열기의 30배에 달하는 획기적인 에너지 저장 능력을 가진 축열재료를 개발이용한 것이다. 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 불화물(弗化物)의 공융혼합물(共融混合物：붕화나트륨이나 불화마그네슘)은 화학적으로 안정되고 융점이 632∼832℃이라 대량의 에너지를 융해열(融解熱)로 저장할 수 있다.

흡수장치에 이와 같은 축열장치를 조합하면 야간이나 우천에도 쓸 수 있다. 또 한가지 방법으로는 낮에만 태양에너지로 발전하고, 여분의 전기로 물을 전기분해하여 수소(水素)가스를 만들어 두었다가 밤이나 우천에는 이것을 사용하여 발전하는 방법도 고안되고 있다.

우주태양발전소 계획

宇宙太陽發電所計劃

미국항공우주국(NASA)에서는 73년 2월에 "태양에너지로써 5년 내에 빌딩의 난방이 가능하고, 10년 내에 냉방(冷房)이, 15년 내에 발전이 가능하다"고 예언했다.

우주공간에 태양발전소를 쏘아올리는 계획이 NASA에서 계획되고 있다. 지상에서와는 달리 우주공간에서는 궤도(軌道)만 적당히 선택하면 야간(夜間)을 극히 짧게 할 수 있고, 비나 구름으로 방해당하지도 않으며, 또 단위면적에 입사하는 에너지가 지상의 15배나 된다.

발전소의 주체는 태양전지를 꽉 채운 8㎢의 거대한 컬렉터(collecter)이며 이 컬렉터를 지상 약 3,600㎞ 상공의 정지궤도(靜止軌道)에 올려놓는다. 태양전지로써 만들어진 직류(直流)의 전기는 진공관으로 극초단파(極超短波)로 바꾸어 지상으로 보내지며 지상에서는 9.6㎢의 안테나가 이것을 받아 교류로 바꾸어 송전한다. 이 시스템 1개의 출력은 약 1000만 ㎾이다.

1970년대 후반에는 지상에 시험장치를 만들고, 85년에 우주공간에 쏘아올리며 그리고 2000년에는 실제의 발전을 할 수 있게 된다는 것이 이 계획이다.

이 방법과는 달리 헬륨 가스를 넣은 기구(氣球)에 위와 같은 태양전지판을 매달아 비나 구름이 없는 지상 20㎞의 상공에 띄우는 계획도 세운 적이 있다.

이 우주태양발전소 계획의 어려운 점은 태양전지의 값이 높은 점과 효율이 나쁜 점이다. 그러나 황화(黃化)카드뮴을 도자기 모양으로 구워 굳혀 만든 세라믹 태양전지는 대량생산할 수 있고, 실리콘전지의 효율 10% 보다 낮은 7%이나 그 값이 1자리는 낮다. 그리고 1972년에 미국 ＩＢＭ사의 연구소에서 알루미늄, 비소(砒素), 칼륨을 조합한 효율 18%의 태양전지를 개발하여 전망이 밝아졌다.

지열

地熱

지표(地表)에서 지하로 깊이가 더하여짐에 따라 온도가 높아진다. 특히 지구의 내부는 수천도의 고온일 것으로 추정되고 있다.

사실 화산 분화의 경우, 유출하는 용암의 온도는 1,000℃ 이상이다. 이 때문에 지구의 내부로부터 지표를 향해서 끊임없이 열이 흐르고 있다.

화산의 분화나 지진 따위의 여러 현상은 지구 내부의 열에 의해서 일어난다고 생각된다. 대체로 열의 유량(流量)은 각지가 모두 거의 같은 값을 보이는데 1㎠의 면적으로부터 1∼2×10-6㎈/㎠sec이다.

이와 같은 지구상의 같은 정도의 열의 흐름 이외에 특히 화산온천지대에서는 분화나 온천에 의해서 다량의 지열이 지표로 흐르고 있으며, 이 경우의 열량은 대단히 크다. 그러나 화산활동은 너무나 격렬하여 그 에너지를 직접 이용하기는 곤란하지만 지하의 깊은 곳에서 증기나 열수(熱水)로 운반되는 대량의 열을 천연증기로서 이용하여 터빈으로 보내면 발전에 이용할 수 있다. 지각열류량도 지열이라고 하지만 지열을 개발하는 입장에서는 천연증기를 지열이라고 한다.

따라서 지열은 높은 온도의 열수(熱水)가 모양을 바꾼 것으로서 온천과 비슷하다.

지열발전

地熱發電

지열발전에 이용되는 천연증기의 조건으로서는 온도 200℃ 이상, 보링 구멍의 출구에서의 압력이 3∼6기압이며 매시 10t 이상의 마른 증기를 끊임없이 얻을 수 있어야 한다.

마른 증기라 함은 액체상태의 수분을 포함하지 않는 증기를 말한다. 젖은 증기의 경우는 분리기(分離器)로써 액체상의 물을 분리한 뒤에 발전기의 터빈으로 보낸다. 마른 증기 1t에서 매시 약 100㎾의 발전이 가능하다.

지열발전을 일찍부터 시작한 나라는 에너지자원이 빈약한 이탈리아이다. 19세기 말경부터 개발을 진행한 이탈리아는 현재 약 36만 ㎾의 발전능력을 갖는 지열공업의 선진국이다. 지열지대는 화산대(火山帶)와 일치하며 이른바 환태평양조산지대와 알프스 히말라야조산지대가 지열개발의 유망한 지역이다. 이탈리아 외에 뉴질랜드·미국·러시아·일본·멕시코 등에서도 지열발전의 개발이 진행되고 있다.