Special Report 2 l 신재생에너지 2탄 - 태양연못 등

태양 연못(Solar Pond)과

태양 광화학 반응으로 에너지화

태양연못(Solar Pond)은 일종의 태양열 집열체로서 기존의 태양열시스템과 비교하여 보다 적은 비용으로 저온의 열에너지를 얻을 수 있다.

깊이가 2~3M 정도이고 넓이가 수 천m2인 연못의 바닥에 농도가 짙은 소금물을 담아, 대류를 억제하여 표면수의 온도를 낮추고 바닥 온도를 높여 그 열에너지 또는 온도차를 이용하는 것이다.

연못 속에 소금물을 넣어 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도차에 의해 층이 형성되게 하여 축열을 하는 방식으로 이 물의 온도는 약 70℃ 정도가 되어 계란을 익힐 수 있을 정도의 온도이다.

태양연못은 여름 동안에 태양열을 축열시켜 놓았다가 겨울철에 저장된 열을 이용하여 난방은 물론 높은 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도차를 이용하여 저온 터빈으로 발전할 수 있는 특징이 있다.

태양연못은 보통 세 개의 층(Layer)으로 나누어지는데 소금물의 밀도에 따라 맨 위층은 밀도가 0～5%인 자연대류층, 중간층은 밀도가 포화상태인 23% 정도에 이르기까지 약 1m 깊이에 걸쳐 구배(Gradient)되어 비대류특성을 갖는 층, 그리고 맨 아래층은 포화하여 있는 대류층이 그것이다.

바닥층으로 도달하는 일사에너지에 의하여 일단 상당한 부피의 온도구배(Tempreture Graident)를 형성하게 되지만, 이 온도구배는 소금물의 밀도구배가 안정할 수 있는 조건을 초과하기 때문에 자연스레 대류가 일어나게 된다. 또한 바닥층은 바로 위에 형성되어 있는 비대류층으로 인하여 외부, 즉 상단으로부터 열적으로 차단되기 때문에 열저장층(Storage Layer)이라고도 불린다. 따라서 저장층은 태양에너지를 받아 우리에게 열원을 제공해주게 되며 그 깊이 등을 조절해 보다 효과적인 운영을 가능케 한다.

연못의 표면층이 대류작용을 하는 것은 외부현상에 노출되어 있기 때문에 바람이 일어난다거나 다른 여러 가지 원인 즉, 비나 눈이 올 때의 경우 혼합현상과 물결현상 등으로 불안정한 상태가 일어나기 때문이다. 이 경우 표면층이 두꺼워지면서 전체 시스템의 깊이에 영향을 주게 되기 때문에 일사에너지의 침투율과 관계, 시스템의 효율저하를 야기시킨다.

이렇게 세 개의 층으로 나누어져 있는 태양연못은 앞의 설명과 같이 층별로 온도분포가 다르게 형성된다. 즉, 상하대류층은 전 두께(깊이)에서 일정한 값을 가지게 되지만, 대류작용이 없는 중간층은 깊어질수록 밀도와 함께 온도도 층화되어 구배를 이루고 있다.

거품의 발생도 대류를 촉진하여 온도차를 교란하기 때문에 바람직하지 못하다. 이 태양연못은 바닥의 열을 뽑아내지 않고 방치해 두면 비등하는 일이 있으나 그것을 사전에 방지하는 기술의 성공으로 값싼 태양열에너지를 대량으로 공급하는데 유망하다.

태양 광화학 반응, 광에너지에 의한 화학적 반응

광화학반응은 오래전부터 광합성반응과 새로운 물질을 합성하거나 기질의 변화를 주는 화학반응으로 많은 연구가 진행됐다. 이러한 광화학반응이 태양에너지를 활용하여 폐수나 대기, 토양 등에 오염된 유독한 유기물질의 산화 분해에 응용되기 시작한 것은 근래이다.

수용액에 용해된 대부분의 유기물질은 스스로는 태양광을 흡수하지 못하고 다른 물질의 도움이 필요하다. 따라서 태양광을 이용하여 수용액상의 유독성 유기물질을 분해하려면 태양광을 흡수하여 변이상태(Transition State)를 거쳐 광에너지에 의한 화학적 반응을 일으키는 데 도움을 주는 보조물이 필요하다.

이와 같은 물질들이 참여하는 화학적 반응을 광화학반응(Photochemistry)이라 하고 광화학반응을 유발하는 필수적인 보조역할을 하는 물질을 광촉매(Photocatalyst)라고 한다.

이러한 광촉매제들은 대개 n형 반도체적 특성을 지니고 있는 것이 많이 사용되고 있다. 이와 같은 광촉매의 역할은 반응의 활성에너지(Activation Allergy)를 낮추어서 유기물질의 산화 반응이 더 빨리 진행되게 도와주는 것이다.

따라서 광촉매가 태양광을 흡수하지 못하고 통과 또는 반사한다면, 광에 의한 반응은 발생할 수 없다. 왜냐하면 광반응이 일어나기 위해서는 물질의 분자들이 태양광을 흡수하여 최소한 활성에너지 이상의 광에너지 hv가 필요하기 때문이다.

이러한 광에너지의 흡수는 분자에 의한 한 개의 광양자(Single Photon)를 잡는 과정에 해당하는데, 분자에 의하여 흡수된 양자가 초기 광화학(Photochemical)반응을 야기시킨다. 여기에서 하나의 광자가 흡수되었을 때 반드시 하나의 분자가 생성된다는 것이 아니라 한 광자의 흡수로 인하여 여러 분자를 생성시킬 수도 있다는 의미이다.

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