태양 에너지는 태양에 의해 생성되는 모든 유형의 에너지입니다.

태양 에너지는 태양에서 일어나는 핵융합에 의해 생성됩니다.핵융합은 수소 원자의 양성자가 태양 핵에서 격렬하게 충돌하고 융합하여 헬륨 원자를 생성할 때 발생합니다.

PP(양성자-양성자) 연쇄 반응으로 알려진 이 과정은 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.태양은 그 중심에서 매초 약 6억 2천만 미터톤의 수소를 융합합니다.PP 연쇄 반응은 태양 크기 정도의 다른 별에서 발생하며 지속적인 에너지와 열을 제공합니다.이 별들의 온도는 켈빈 척도로 약 400만도(섭씨 약 400만도, 화씨 700만도)입니다.

태양보다 약 1.3배 큰 별에서는 CNO 주기가 에너지 생성을 주도합니다.CNO 회로도 수소를 헬륨으로 변환하지만 이를 위해서는 탄소, 질소 및 산소(C, N 및 O)가 필요합니다.현재 태양 에너지의 2% 미만이 CNO 사이클에 의해 생성됩니다.

PP 연쇄반응이나 CNO 사이클에 의한 핵융합은 파동과 입자의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.태양 에너지는 태양으로부터 태양계 전체로 끊임없이 흘러가고 있습니다.태양 에너지는 지구를 따뜻하게 하고 바람과 날씨를 일으키며 식물과 동물의 생명을 유지합니다.

태양에서 나오는 에너지, 열, 빛은 전자기 복사(EMR)의 형태로 빠져 나갑니다.

전자기 스펙트럼은 다양한 주파수와 파장의 파동으로 존재합니다.파동의 주파수는 특정 단위 시간 동안 파동이 몇 번이나 반복되는지를 나타냅니다.매우 짧은 파장을 갖는 파동은 주어진 단위 시간 내에 여러 번 반복되므로 고주파입니다.대조적으로, 저주파는 훨씬 더 긴 파장을 갖습니다.

전자기파의 대부분은 우리에게 보이지 않습니다.태양에서 방출되는 가장 높은 주파수의 파장은 감마선, X선, 자외선(UV 광선)입니다.가장 유해한 자외선은 지구 대기에 거의 완전히 흡수됩니다.덜 강력한 자외선은 대기를 통해 이동하여 일광 화상을 일으킬 수 있습니다.

태양은 또한 파장이 훨씬 낮은 적외선을 방출합니다.태양으로부터의 대부분의 열은 적외선 에너지로 도착합니다.

적외선과 UV 사이에는 우리가 지구상에서 볼 수 있는 모든 색상을 포함하는 가시 스펙트럼이 있습니다.빨간색은 파장이 가장 길고(적외선에 가장 가까움) 보라색(UV에 가장 가까움)은 가장 짧습니다.

자연 태양 에너지

온실 효과
지구에 도달하는 적외선, 가시광선, 자외선 파장은 지구를 따뜻하게 하고 생명체가 존재할 수 있게 하는 과정, 즉 소위 "온실 효과"에 참여합니다.

지구에 도달하는 태양 에너지의 약 30%가 우주로 다시 반사됩니다.나머지는 지구 대기에 흡수됩니다.방사선은 지구 표면을 따뜻하게 하고 표면은 적외선의 형태로 에너지의 일부를 다시 방출합니다.대기 중으로 상승하면서 수증기, 이산화탄소 등 온실가스에 의해 차단됩니다.

온실가스는 반사되는 열을 대기로 가두어 놓습니다.이런 식으로 그들은 온실의 유리벽과 같은 역할을 합니다.이러한 온실 효과는 지구를 생명체가 지탱할 수 있을 만큼 따뜻하게 유지합니다.

광합성
지구상의 거의 모든 생명체는 직간접적으로 태양 에너지에 의존하여 음식을 섭취합니다.

생산자는 태양 에너지에 직접 의존합니다.그들은 햇빛을 흡수하고 광합성이라는 과정을 통해 영양분으로 전환합니다.독립영양생물이라고도 불리는 생산자에는 식물, 조류, 박테리아 및 곰팡이가 포함됩니다.독립영양생물은 먹이사슬의 기초입니다.

소비자는 영양분을 생산자에게 의존합니다.초식동물, 육식동물, 잡식동물, 육식동물은 간접적으로 태양 에너지에 의존합니다.초식동물은 식물과 다른 생산자를 먹습니다.육식동물과 잡식동물은 생산자와 초식동물을 모두 먹습니다.Detritivores는 식물과 동물 물질을 섭취하여 분해합니다.

화석 연료
광합성은 또한 지구상의 모든 화석 연료를 담당합니다.과학자들은 약 30억년 전에 최초의 독립영양생물이 수중 환경에서 진화했다고 추정합니다.햇빛은 식물의 생명이 번성하고 진화할 수 있게 해주었습니다.독립 영양 생물이 죽은 후 그들은 분해되어 지구 속으로 더 깊이, 때로는 수천 미터 이동했습니다.이 과정은 수백만 년 동안 계속되었습니다.

강한 압력과 높은 온도 속에서 이 잔해는 우리가 알고 있는 화석 연료가 되었습니다.미생물은 석유, 천연가스, 석탄이 되었습니다.

사람들은 이러한 화석 연료를 추출하고 이를 에너지로 사용하는 프로세스를 개발했습니다.그러나 화석 연료는 재생 불가능한 자원입니다.그것들이 형성되는 데는 수백만 년이 걸립니다.

태양 에너지 활용

태양 에너지는 재생 가능한 자원이며 많은 기술을 통해 이를 직접 수확하여 가정, 기업, 학교 및 병원에서 사용할 수 있습니다.일부 태양 에너지 기술에는 광전지 및 패널, 집중형 태양 에너지 및 태양열 건축이 포함됩니다.

태양 복사열을 포착하여 사용 가능한 에너지로 변환하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.이 방법은 활성 태양 에너지 또는 수동 태양 에너지를 사용합니다.

능동 태양광 기술은 전기 또는 기계 장치를 사용하여 태양 에너지를 다른 형태의 에너지(주로 열 또는 전기)로 적극적으로 변환합니다.패시브 태양광 기술은 외부 장치를 사용하지 않습니다.대신, 그들은 겨울 동안 구조물을 가열하고 여름 동안 열을 반사하기 위해 지역 기후를 이용합니다.

태양광 발전

광전지는 1839년 19세의 프랑스 물리학자 Alexandre-Edmond Becquerel에 의해 발견된 활성 태양광 기술의 한 형태입니다.베크렐은 산성 용액에 염화은을 넣고 햇빛에 노출시키면 여기에 부착된 백금 전극이 전류를 생성한다는 사실을 발견했습니다.태양 복사로부터 직접 전기를 생성하는 이러한 과정을 광전지 효과 또는 광전지라고 합니다.

오늘날 광전지는 아마도 태양 에너지를 활용하는 가장 친숙한 방법일 것입니다.광전지 어레이에는 일반적으로 태양 전지 패널, 수십 또는 수백 개의 태양 전지 모음이 포함됩니다.

각 태양전지에는 일반적으로 실리콘으로 만들어진 반도체가 들어 있습니다.반도체가 햇빛을 흡수하면 전자가 느슨해집니다.전기장은 이러한 느슨한 전자를 전류로 유도하여 한 방향으로 흐르게 합니다.태양전지 상단과 하단의 금속 접점은 전류를 외부 물체로 전달합니다.외부 물체는 태양열 계산기만큼 작을 수도 있고 발전소만큼 클 수도 있습니다.

광전지는 우주선에서 처음으로 널리 사용되었습니다.국제 우주 정거장(ISS)을 포함한 많은 위성에는 태양 전지판의 넓고 반사되는 "날개"가 있습니다.ISS에는 두 개의 태양전지 날개(SAW)가 있으며 각각 약 33,000개의 태양전지를 사용합니다.이 광전지는 ISS에 모든 전기를 공급하여 우주비행사가 정거장을 운영하고 한 번에 몇 달 동안 우주에서 안전하게 생활하며 과학 및 공학 실험을 수행할 수 있도록 해줍니다.

태양광 발전소는 전 세계적으로 건설되었습니다.가장 큰 방송국은 미국, 인도, 중국에 있습니다.이러한 발전소는 수백 메가와트의 전기를 방출하여 가정, 기업, 학교 및 병원에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.

광전지 기술은 더 작은 규모에도 설치할 수 있습니다.태양광 패널과 셀은 건물의 지붕이나 외벽에 고정되어 구조물에 전력을 공급할 수 있습니다.고속도로를 따라 도로를 따라 배치할 수 있습니다.태양전지는 계산기, 주차 미터기, 쓰레기 압축기, 물 펌프와 같은 더 작은 장치에 전력을 공급할 수 있을 만큼 작습니다.

집광형 태양에너지

또 다른 유형의 활성 태양광 기술은 집중형 태양 에너지 또는 집중형 태양열 발전(CSP)입니다.CSP 기술은 렌즈와 거울을 사용하여 넓은 영역의 햇빛을 훨씬 작은 영역에 집중(집중)시킵니다.이 강렬한 복사 영역은 유체를 가열하고, 이는 다시 전기를 생성하거나 다른 프로세스에 연료를 공급합니다.

태양열로는 집중형 태양열 발전의 한 예입니다.태양열 발전소, 포물선형 골짜기, 프레넬 반사경을 포함하여 다양한 유형의 태양열로가 있습니다.그들은 에너지를 포착하고 변환하기 위해 동일한 일반적인 방법을 사용합니다.

태양광 발전 타워는 하늘을 가로지르는 태양의 호를 따라 회전하는 평면 거울인 헬리오스타트를 사용합니다.거울은 중앙의 "컬렉터 타워" 주위에 배열되어 있으며 햇빛을 반사하여 타워의 초점을 비추는 집중된 광선으로 만들어집니다.

이전 태양광 발전 타워 설계에서는 집중된 햇빛이 물이 담긴 용기를 가열하여 터빈에 동력을 공급하는 증기를 생성했습니다.최근에는 일부 태양광 발전소에서 열용량이 더 크고 열을 더 오랫동안 유지하는 액체 나트륨을 사용합니다.이는 유체가 773~1,273K(500°~1,000°C 또는 932°~1,832°F)의 온도에 도달할 뿐만 아니라 태양이 빛나지 않을 때에도 계속 물을 끓여 전력을 생산할 수 있음을 의미합니다.

포물선형 골짜기와 프레넬 반사경도 CSP를 사용하지만 거울 모양이 다릅니다.포물선 거울은 안장과 비슷한 모양으로 구부러져 있습니다.프레넬 반사경은 평평하고 얇은 거울 스트립을 사용하여 햇빛을 포착하여 액체 튜브에 직접 비춥니다.프레넬 반사경은 포물선형 골보다 더 넓은 표면적을 가지며 태양 에너지를 정상 강도의 약 30배까지 집중시킬 수 있습니다.

집광형 태양광 발전소는 1980년대에 처음 개발되었습니다.세계 최대 규모의 시설은 미국 캘리포니아주 모하비 사막에 있는 일련의 공장이다.이 태양에너지 생성 시스템(SEGS)은 매년 650기가와트시 이상의 전기를 생산합니다.다른 크고 효과적인 식물이 스페인과 인도에서 개발되었습니다.

집광형 태양광 발전은 소규모로도 사용할 수 있습니다.예를 들어 태양열 조리기에서 열을 발생시킬 수 있습니다.전 세계 마을 사람들은 태양열 조리기를 사용하여 위생을 위해 물을 끓이고 음식을 요리합니다.

태양열 조리기는 장작 난로에 비해 많은 장점을 제공합니다. 화재 위험이 없고, 연기를 발생하지 않으며, 연료가 필요하지 않으며, 연료로 나무를 수확하는 숲의 서식지 손실을 줄입니다.또한 태양열 조리기구를 사용하면 마을 사람들은 이전에 장작을 모으는 데 사용되었던 시간 동안 교육, 사업, 건강 또는 가족을 위한 시간을 추구할 수 있습니다.태양열 조리기는 차드, 이스라엘, 인도, 페루 등 다양한 지역에서 사용됩니다.

태양광 건축

하루 종일 태양 에너지는 열 대류 과정, 즉 더 따뜻한 공간에서 더 시원한 공간으로 열이 이동하는 과정의 일부입니다.태양이 뜨면 지구상의 물체와 물질이 따뜻해지기 시작합니다.하루 종일 이러한 물질은 태양 복사로부터 열을 흡수합니다.밤에 해가 지고 대기가 냉각되면 물질은 열을 대기 중으로 다시 방출합니다.

수동형 태양 에너지 기술은 이러한 자연 가열 및 냉각 과정을 활용합니다.

주택과 기타 건물은 수동형 태양 에너지를 사용하여 열을 효율적이고 저렴하게 분배합니다.건물의 "열 질량"을 계산하는 것이 이에 대한 예입니다.건물의 열 질량은 하루 종일 가열되는 재료의 대부분입니다.건물의 열 질량에는 목재, 금속, 콘크리트, 점토, 돌 또는 진흙이 있습니다.밤에는 축열체가 방으로 열을 다시 방출합니다.효과적인 환기 시스템(복도, 창문, 공기 덕트)은 따뜻한 공기를 분배하고 적당하고 일관된 실내 온도를 유지합니다.

수동형 태양광 기술은 건물 설계에 종종 사용됩니다.예를 들어, 건설 계획 단계에서 엔지니어나 건축가는 바람직한 양의 햇빛을 받기 위해 건물을 태양의 일일 경로에 맞출 수 있습니다.이 방법은 특정 지역의 위도, 고도 및 일반적인 구름량을 고려합니다.또한 건물은 단열, 축열체 또는 추가 차광 기능을 갖도록 건축되거나 개조될 수 있습니다.

패시브 태양광 건축의 다른 예로는 시원한 지붕, 복사 장벽 및 녹색 지붕이 있습니다.시원한 지붕은 흰색으로 칠해져 있으며 태양 복사를 흡수하는 대신 반사합니다.흰색 표면은 건물 내부에 도달하는 열의 양을 줄여 건물을 냉각하는 데 필요한 에너지의 양을 줄입니다.

복사 장벽은 시원한 지붕과 유사하게 작동합니다.알루미늄 호일과 같이 반사율이 높은 재료로 단열 기능을 제공합니다.포일은 열을 흡수하는 대신 반사하므로 냉각 비용을 최대 10%까지 줄일 수 있습니다.지붕과 다락방 외에도 복사 장벽을 바닥 아래에 설치할 수도 있습니다.

녹색 지붕은 식물로 완전히 덮인 지붕입니다.식물을 지탱하기 위한 토양과 관개가 필요하고 그 아래에는 방수층이 필요합니다.녹색 지붕은 흡수되거나 손실되는 열의 양을 줄일 뿐만 아니라 식물을 제공합니다.광합성을 통해 녹색 지붕의 식물은 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출합니다.빗물과 공기에서 오염물질을 걸러내고 해당 공간에서 에너지 사용으로 인한 영향을 일부 상쇄합니다.

녹색 지붕은 수세기 동안 스칸디나비아 지역의 전통이었으며 최근에는 호주, 서유럽, 캐나다 및 미국에서 인기를 얻고 있습니다.예를 들어, Ford Motor Company는 미시간 주 디어본에 있는 조립 공장 지붕의 42,000제곱미터(450,000제곱피트)를 초목으로 덮었습니다.지붕은 온실가스 배출을 줄이는 것 외에도 수 센티미터의 강우를 흡수하여 빗물 유출을 줄입니다.

녹색 지붕과 시원한 지붕은 "도시 열섬" 효과를 상쇄할 수도 있습니다.바쁜 도시에서는 기온이 주변 지역보다 지속적으로 높을 수 있습니다.여기에는 많은 요인들이 영향을 미칩니다. 도시는 열을 흡수하는 아스팔트 및 콘크리트와 같은 재료로 건설됩니다.고층 건물은 바람과 그 냉각 효과를 차단합니다.산업, 교통, 높은 인구로 인해 많은 양의 폐열이 발생합니다.지붕의 여유 공간을 활용하여 나무를 심거나, 흰색 지붕으로 열을 반사시키는 것은 도시 지역의 국지적 온도 상승을 부분적으로 완화할 수 있습니다.

태양에너지와 사람

세계 대부분의 지역에서 햇빛은 하루 중 절반 정도만 빛나기 때문에 태양 에너지 기술에는 어두운 시간 동안 에너지를 저장하는 방법이 포함되어야 합니다.

축열체 시스템은 파라핀 왁스 또는 다양한 형태의 소금을 사용하여 에너지를 열 형태로 저장합니다.태양광 발전 시스템은 잉여 전기를 지역 전력망에 보내거나 에너지를 재충전 가능한 배터리에 저장할 수 있습니다.

태양 에너지를 사용하는 데에는 많은 장점과 단점이 있습니다.

장점
태양 에너지 사용의 가장 큰 장점은 재생 가능한 자원이라는 것입니다.우리는 앞으로도 50억 년 동안 꾸준하고 무한한 햇빛 공급을 받게 될 것입니다.한 시간 안에 지구 대기는 지구상의 모든 인간이 1년 동안 필요로 하는 전력을 공급할 만큼 충분한 햇빛을 받습니다.

태양에너지는 깨끗합니다.태양광 기술 장비를 건설하고 설치한 후에는 태양에너지를 작동하는 데 연료가 필요하지 않습니다.또한 온실가스나 독성물질을 배출하지 않습니다.태양 에너지를 사용하면 환경에 미치는 영향을 대폭 줄일 수 있습니다.

태양 에너지가 실용적인 곳이 있습니다.일조량이 많고 구름량이 적은 지역의 주택과 건물은 태양의 풍부한 에너지를 활용할 수 있는 기회를 갖습니다.

태양열 조리기는 여전히 20억 명의 사람들이 의존하고 있는 장작 난로를 이용한 요리에 대한 훌륭한 대안을 제공합니다.태양열 조리기는 물을 소독하고 음식을 요리하는 더 깨끗하고 안전한 방법을 제공합니다.

태양 에너지는 풍력이나 수력 에너지와 같은 다른 재생 가능 에너지원을 보완합니다.

태양광 패널을 성공적으로 설치한 가정이나 기업은 실제로 과잉 전기를 생산할 수 있습니다.이러한 주택 소유자나 사업체 소유자는 전기 공급자에게 에너지를 다시 판매하여 전기 요금을 줄이거나 아예 없앨 수도 있습니다.

단점
태양 에너지 사용을 방해하는 주요 요인은 필수 장비입니다.태양광 기술 장비는 비싸다.장비를 구입하고 설치하는 데는 개인 주택마다 수만 달러가 소요될 수 있습니다.정부는 종종 태양 에너지를 사용하는 사람과 기업에 세금 감면을 제공하고 기술로 전기 요금을 없앨 수 있지만 초기 비용은 많은 사람들이 고려하기에는 너무 가파르다.

태양에너지 장비도 무겁다.건물 지붕에 태양광 패널을 개조하거나 설치하려면 지붕이 튼튼하고 커야 하며 태양의 경로를 향해야 합니다.

능동 태양광 기술과 수동 태양광 기술 모두 기후나 구름량 등 우리가 통제할 수 없는 요인에 따라 달라집니다.태양광 발전이 해당 지역에서 효과적인지 여부를 결정하려면 지역을 조사해야 합니다.

태양 에너지가 효율적인 선택이 되려면 햇빛이 풍부하고 일관되어야 합니다.지구상 대부분의 장소에서 햇빛의 가변성으로 인해 유일한 에너지원으로 구현하기가 어렵습니다.