[기초 물리] 태양광 발전과 연료전지

앞서 전기에너지의 활용을 살펴보았습니다. 전기 에너지는 다른 에너지보다 저장과 운송이 편하기 때문에 많이 사용합니다. 하지만 전기의 생산은 대부분 화력발전소에서 나오다 보니 대기의 환경오염이 심각하고 석탄이나 석유의 한정된 자원에 의존하니 언젠간 고갈될 우려가 있습니다. 따라서 친환경적으로 전기를 무한히 생상하는 다른 방법으로 태양발전과 연료전지에 대해 알아보겠습니다.

태양 전지는 빛 에너지를 이용하여 직접 전기를 생산하는 반도체 소자입니다. 태양 전지에 반도체 띠틈보다 큰 에너지의 빛을 비추면 원자가 띠의 전자가 전도띠로 전이하고, 이에 따라 양공과 전자가 생성됩니다. p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n형 반도체 쪽으로, 양공은 p형 반도체 쪽으로 모이게 되어 p-n 반도체 사이에 기전력(전압)이 생기게 됩니다. 이때 두 반도체 양 끝에 외부 전선을 연결하면 이 전자가 외부 회로를 따라 이동합니다. 이 외부 회로에 전기 기구를 연결하면 태양 전지에 햇빛을 비추는 동안 계속 전류가 흘러 작동하게 됩니다.

태양 전지의 효율은 보통 10% 내외지만 최근 기술이 발달하고 다양한 형태의 태양 전지들이 개발되면서 20% 이상의 효율을 가진 것들도 개발되고 있습니다. 전기를 생산할 수 있는 가장 작은 크기의 태양 전지를 셀(cell)이라고 하는데, 이 셀들을 일정한 크기로 연결한 것을 모듈(module)이라고 합니다. 이 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 것을 어레이(array)라고 합니다. 이러한 어레이를 넓은 지역에 설치하여 용량이 큰 전기 에너지를 생산하는 것이 태양광 발전입니다.

태양빛을 이용하여 전기를 생산하므로 친환경적이고 재생 가능한 에너지를 이용하는 큰 장점이 있어 앞으로 생산량이 더욱 늘어날 것으로 기대합니다. 하지만 태양 전지의 생산에 필요한 규소는 지구 상에서 두 번째로 풍부한 원소이지만 대부분 모래 속의 이산화 규소로 존재합니다. 이산화 규소로부터 순수한 교소를 생산하기 위해서는 많은 비용과 첨단 기술이 필요합니다. 더욱이 태양광 발전에 이용하는 태양 전지의 효율이 아직도 낮다는 문제점도 있습니다. 따라서 규소를 사용하지 않는 태양 전지의 개발과 에너지 효율을 높일 수 있는 기술 개발이 필요합니다. 또 태양광 발전에 의한 전기를 생하기 위해서는 넓은 지역이 필요하고, 대규모 발전 단지를 건설하는 과정에서 불가피하게 일어나는 환경 파괴 문제도 해결해야 합니다.

다음으로 연료 전지입니다. 연료 전지는 천연가스와 메탄올에서 얻은 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기 에너지를 직업 얻는 전지를 연료 전지라고 합니다. 연료 전지의 기본 원리는 물을 전기 분해하면 수소와 산소가 발생하는데, 이를 역으로 이용한 것입니다. 수소에 불을 붙이면 산소와 결합하면서 열이 발생하고 수증기가 생성됩니다. 연료 전지에서도 물이 생성되지만 수소와 산소가 직접 반응하지 않고 전해질 용액 내의 두 전극에서 화학반응을 일으킴으로써 전기가 생성됩니다. 기존 화학 전지는 밀폐된 용기 속에서 화학반응을 일으켜 전기를 생산하기 때문에 사용 후 버리거나 재충전하여 사용하여야 하지만, 연료 전지는 연료를 계속 공급할 수 있고 생성물을 밖으로 배출할 수 있기 때문에 연료를 공급하는 동안 계속해서 전기를 생산할 수 있습니다. 가장 일반적인 연료 전지는 수소를 연료로 사용하는 수소 연료 전지입니다.

(-) 극에서는 수소 분자가 전자를 내놓고 수소 이온으로 변하는 산화 반응이 일어나고, (+) 극에서는 산소 분자가 전자를 받아들이고 수소 이온과 결합하는 환원 반응이 일어납니다. 이 과정에서 물이 생성되고, 전자가 외부 전선을 통해 이동하므로 전류가 흐르게 됩니다. 연료로는 순수한 수소 이외에 수소 원자가 포함된 화석 연료도 가능합니다. 그리고 산화물로 산소 이외에 산소가 포함된 대기 중의 공기를 사용하여도 됩니다. 이때 전극은 촉매 역할을 합니다.

연료 전지의 효율은 보통 40~45% 정도입니다. 연료 전지에 전류가 흐르기 시작하면 연료가 공급되는 속도보다 화학반응이 느리게 일어나며, 각 부품의 전기 저항과 전극에서 연료나 산소의 농도 차가 생기는 등의 여러 요인에 의해 실제 효율은 낮아집니다. 그러나 이 정도의 효율도 화력 발전이나 열기관에 비하면 매우 높은 편입니다. 연료를 연소시키지 않기 때문에 질소 화합물, 황 화합물, 매연 등을 배출하지 않고 소음이 적어 다양한 용량의 발전 시설을 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 그리고 수소, 석탄 가스, 천연가스, 매립지 가스, 메탄올 등의 다양한 연료를 사용할 수 있고, 전기 생성 과정에서 발생하는 열을 지역난방이나 온수로 활용할 수 있습니다.