기술: 에너지의 미래를 주도하다

May 19, 2023

태양의 핵심 깊은 곳에서는 수소 원자의 두 양성자가 격렬하게 충돌합니다. 엄청난 압력을 받으면 그들은 핵융합으로 알려진 과정에서 서로 융합하고 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 빛의 속도로 이동하는 이 태양 에너지 중 일부는 지구에 도달하여 지구에 전력을 공급합니다. 주전자에서 자동차에 이르기까지 우리가 의존하는 거의 모든 에너지는 태양에서 비롯됩니다. 화석 연료는 한때 광합성을 통해 에너지를 얻은 식물이었습니다. 태양 전지판은 햇빛을 흡수하여 전기로 변환합니다. 풍력 발전소와 수력 발전소조차도 태양 에너지에 의존하여 땅과 바다를 따뜻하게 하고 터빈을 돌리는 바람과 비로 공급되는 강을 만듭니다. 점점 더 전기화되는 삶에 전력을 공급하기 위해 우리가 활용할 수 있는 깨끗하고 재생 가능한 에너지원이 풍부합니다. 그리고 기술은 이러한 재생 가능 에너지를 보다 효율적으로 활용하는 최첨단 기술입니다.

태양광 패널은 이미 세계 전력의 3.5% 이상을 생산하는 가장 보편적인 재생 에너지 중 하나입니다. 그러나 개선의 여지는 있습니다. 단 한 시간 동안만 세계 햇빛을 포착하면 지구에 1년 동안 전력을 공급할 수 있습니다. 더 많은 태양광 패널이 설치될 뿐만 아니라 기술도 이를 더욱 효율적으로 만드는 방법을 찾고 있습니다. 예를 들어 육각형 렌즈를 패널의 보호 유리 코팅에 배치하면 들어오는 빛을 집중시켜 업계 표준인 15~22%에 비해 약 30%의 효율을 달성할 수 있습니다. 태양전지의 양면에 얇은 실리콘 층을 추가하면 효율이 약 25%까지 증가합니다.

그러나 전통적인 태양광 패널의 가장 에너지 집약적인 구성 요소 중 하나인 실리콘을 사용하여 과학은 페로브스카이트 결정을 사용하는 대안을 개발했습니다. 투명하고 유연하게 만들 수 있어 창문, 지붕 타일과 같은 광전지 건축 자재는 물론 착용 가능한 직물까지 가능합니다. 또 다른 큰 발전은 PERC(Passivated Emitter Rear Cell) 기술로, 흡수되지 않은 빛을 다시 태양 전지로 반사하여 전기로 전환할 수 있는 두 번째 기회를 제공합니다. PERC는 또한 태양광 패널을 양면으로 만들 수 있습니다. 태양 추적 기술을 사용하면 패널을 이동시켜 노출을 최대화할 수 있으므로 양면에서 햇빛을 포착할 수 있습니다.

가장 잘 알려진 재생 에너지 형태 중에는 풍력 발전이 있으며, 풍력 터빈은 풍경과 해안선 모두에서 점점 더 일반적인 특징이 되고 있습니다. 풍력은 이미 전 세계 전력의 6% 이상을 생산하고 있으며 풍력 터빈을 더 저렴하고 효율적이며 강력하게 만드는 기술이 개발되고 있습니다. 3D 프린팅을 포함한 기술 개선을 통해 바람의 운동 에너지를 포착하는 블레이드에 중점을 두어 블레이드를 더 길고 가벼워 효율성을 높일 수 있었습니다. 연구 결과에 따르면 가벼운 바람에도 최대한 활용할 수 있도록 블레이드에 부드럽게 구부러진 팁과 최고의 성능을 위해 바람의 흐름에 스스로 적응할 수 있는 스마트 블레이드가 추가되었습니다.

바람 흐름의 복잡한 물리학에 대한 컴퓨터 모델링은 풍력 발전을 위한 최적의 위치를 ​​결정할 뿐만 아니라 풍력 터빈의 정확한 구성을 결정하여 바람이 농장을 통과할 때 받는 바람을 최대화합니다. 심지어 더 많은 에너지를 활용하기 위해 타워에 부딪히는 바람의 방향을 블레이드로 바꾸는 풍력 편향 터빈도 개발되었습니다. 이 외에도 연처럼 작동하는 공중 풍력 에너지(Airborne Wind Energy), 타워가 없기 때문에 배치 비용이 저렴하고 바람이 더 강한 곳인 더 높은 고도에 도달할 수 있는 등 미래 개발이 검토되고 있습니다.

지금까지 재생 가능 에너지의 가장 큰 생산자는 수력 발전이며, 흐르는 물은 세계 전기의 약 17%를 생산합니다. 100년이 넘는 경험을 갖고 있음에도 불구하고 수력 발전 기술은 여전히 ​​개선되고 있습니다. 가장 큰 기회 중 하나는 완만한 경사에서도 전기를 생산할 수 있는 저수두 수력 발전입니다. 물이 스크류 아래로 흘러 내려가면서 나사를 돌리는 아르키메데스 유체 역학 스크류 시스템의 개발은 저수두 수력 발전이 광범위한 소규모 수력 발전에 얼마나 효과적으로 배치될 수 있는지를 보여주었습니다.