태양 전지, 풍력 에너지, 핵융합 에너지

태양전지란?
태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 태양전지이다. 이 태양전지는 지금까지의 화학전지와는 다른 구조를 가진 것으로 ‘물리전지’라 할 수 있다. 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킨다.

태양 전지 발전의 우수한 특징
- 에너지원인 태양빛 에너지의 무한정성
석유, 석탄 등 화석 연료 자원에는 한계가 있지만 태양빛의 수명은 반영구적이고 연료비가 필요하지 않다.
- 깨끗한 에너지원
태양 전지는 빛을 직접 전기로 바꿀 수 있으므로 일반적인 발전 시스템과는 달리 석탄, 석유 등의 화석 연료를 연소한다거나 발전기를 돌릴 필요가 없다. 따라서 환경을 오염시키는 배기 가스와 유해 물질이 발생하지 않고 소음도 없다.
-다양한 규모의 발전에 이용 가능
전자 계산기의 전원과 같이 작은 것에서부터 100kW 이상의 엄청난 전력의 발전 시스템에 이르기까지 모두 태양 전지를 사용할 수 있다. 또한 그 변환 효율도 거의 동일하다. 일반적인 화력이나 수력, 원자력 발전 등은 발전 규모에 따라 그 효율이 크게 변한다. 이와 달리 태양 전지의 변환 효율은 입사광의 강도가 변하더라도 그 규모에 관계없이 거의 동일하다.
-사용하는 장소에서 발전
이전의 발전 시스템은 발전소와 전기를 사용하는 장소가 떨어져 있어 송전이 필요했지만 태양 전지는 소비하는 바로 그 장소에 설치할 수 있다. 예를 들어 각 가정의 지붕에 태양전지를 설치하면 가정용 발전소로 가능하다.

태양 전지의 단점
-입사 에너지가 희박
태양빛 에너지는 무한하지만 에너지의 밀도가 작기 때문에 큰 전력을 얻기 위해서는 그만큼 큰 면적이 필요하다.
-기상 조건에 따라 발전량이 변한다
태양빛을 에너지원으로 하고 있으므로 기상 조건에 따라 태양전지의 출력이 변한다.
-축전 기능이 없다.
빛을 받고 있을 때에만 발전하고 전기를 축적할 수는 없다. 따라서 밤이나 비가 오는 날에 전기를 사용하려면 축전지와 조합하는 등의 연구가 필요하다.

풍력에너지
풍력 발전의 개념 및 특징
풍력발전(Wind Power)이란 바람에너지를 풍력터빈(Wind Turbine) 등의 장치를 이용하여 기계적에너지로 변환시키고, 이 에너지를 이용하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것을 말한다. 풍력발전기는 이론상으로는 바람에너지의 최대 59.3%까지 전기에너지로 변환시킬 수 있지만, 현실적으로 날개의 형상, 기계적 마찰, 발전기의 효율 등에 따른 손실요인이 존재하기 때문에 실용상의 효율은 20-40% 수준에 머물고 있다.

풍력은 재생에너지(Renewable energy)의 일종으로 자원이 풍부하고, 끊임없이 재생되며, 광범위한 지역에 분포되어 있고, 깨끗하며, 또한 운전 중 온실가스의 배출이 없다는 점에서 화석에너지 고갈 시에 대비한 유망한 대체 에너지원으로서 각광받는 에너지이다. 또한 풍력발전은 태양계의 자연에너지인 바람을 이용하여 발전하기 때문에 바람이 불 때에는 수요에 관계없이 반드시 전력을 생산한다는 점에서 계통운용 측면에서는 분산전원으로 분류된다

풍력발전기의 구조
풍력발전기(WTG : Wind Turbine Generator)시스템은 주요 부품들 (Components)로 구성된 기계시스템, 전기 시스템, 그리고 풍력발전기를 제어하는 제어시스템으로 나눌 수 있다. 또 한편으로는 날개를 포함한 허브 시스템, 각종 기계, 전기, 제어장치를 탑재시킨 나셀(Nacelle), 그리고 이들 상부 중량물을 지상으로 부터 받쳐주는 타워시스템으로도 구분할 수도 있다.
기계 및 전기 시스템
바람에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 회전날개(Blade)와 이를 주축(主軸)과 연결시켜 주는 허브(Hub)시스템, 날개의 회전력을 증속기 또는 발전기에 전달하여 주는 회전축(Shaft) 또는 주축(Main shaft), 회전속도를 올려 주는 증속기 (Gear box), 증속기로부터 전달받은 기계적에너지를 전기적에너지로 변환시키는 발전기(Generator), 제동장치인 Brake, 날개의 각도를 조절하는 피치시스템, 날개를 바람방향에 맞추기 위하여 낫셀을 회전시켜 주는 요잉시스템(Yawing System), 그리고 풍력발전기를 지지하는 타워시스템 등으로 구성되어 있다.

제어 장치
풍력의 제어시스템은 풍속에 따른 출력, 피치각, 로터와 발전기의 회전수를 조절하는 속도 및 출력 제어 시스템, 풍향과 제동장치, 회전방식에 대한 제어를 담당하는 운전 상황 및 운전 모드 제어시스템, 전력계통과의 병렬운전을 제어하는 계통연계 제어 시스템, 풍력발전기의 운전 상태를 실시간으로 감시하고 모니터링 하는 운전 및 모니터링 시스템으로 구성되어 있다.
풍력 발전기의 원리
풍력 에너지, 즉 바람의 운동에너지를 회전자를 이용하여 회전동력으로 변환하고 이 동력을 이용하여 발전기 축을 회전시켜 전기 에너지를 얻는 장치를 통상적으로 풍력발전기라고 부른다. 회전자는 동력 발생 원리에 따라 양력형과 항력형 회전자로 구분 할 수 있다. 양력형에서는 회전자가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되며 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 항력형 회전자에서는 날개에 작용하는 공기역학적 힘 중에서 주로 저항을 회전력으로 변환하여 동력을 발생시킨다.
풍력발전기는 회전자의 축 방향에 따라 수평축 형식과 수직축 형식으로 구분된다. 수평축 형인 경우 회전자가 회전자를 지지하는 수직탑의 상류에 있는 상류형과 회전자가 수직탑 하류에 있는 하류형으로 분리된다.

핵융합 에너지
핵융합이란?
높은 온도 높은 압력하에서 두 개의 가벼운 원소가 충돌하여 하나의 무거운 핵으로 변할 때 질량 결손에 의해서 많은 양의 에너지가 방출되는 현상을 말한다. 핵융합은 태양뿐아니라 모든 별에서 나오는 에너지의 근원으로 우주 에너지 생성의 근본이다. 태양의 에너지는 플라즈마 상태에서 수소끼리 결합하여 헬륨으로 변하는 핵융합반응의 결과이다. 핵융합 반응을 연쇄적으로 일으켜 폭발에 이르게 하면 수소폭탄이고, 이를 제어해 에너지화 하는 것이 핵융합발전이다．'핵융합 발전'은 가벼운 원자핵이 융합하여 보다 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지를 창출해내는 방법이다. 이에 비해 무거운 원자핵이 분열해서 가벼운 원자핵이 될 때 에너지를 내는 것은 '핵분열'을 이용한 원자력 발전이다.

핵융합 에너지 연구
핵융합 에너지 연구는 동서냉전 초기였던 1950년대 초에 수소폭탄 개발과정에서 얻은 과학적 지식을 바탕으로 시작됐다. 미국에서는 1951년 프린스턴대를 중심으로, 소련에서는 사하로프 박사의 주도로 진행됐다. 핵융합 연구는 초기의 예상과는 달리 자기장 속에 가둔 초고온 플라즈마의 불안정성 때문에 많은 어려움을 겪었고 이를 극복하기 위해 요구되는 높은 기술수준으로 인해 지속적인 연구에 비해 발전의 속도가 느렸다. 그러나 1968년 소련 과학자들에 의해 '토카막 장치'를 이용한 천만도 고온에서의 안정된 플라즈마 밀폐 결과가 발표되어 핵융합 연구 활성화에 크게 기여하였다. 토카막은 강력한 자기장을 만들어 플라즈마를 그 안에 가둬놓는 방법이다. 이에 따라 현재 세계 3대 핵융합 실험장치로 불리는 미국의 '토카막 핵융합 실험로(TFTR)', 유럽연합의 '유럽 공동연구 토러스(JET)'와 일본의 'JT-60U 토카막' 등과 같은 대형 토카막형 핵융합 실험시설이 건설되었다. 또한 1980년대 후반부터 국제원자력기구(IAEA)의 지원 하에 미국, 유럽연합, 일본, 러시아의 공동협력 과제로 '국제 열핵융합 실험로'(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor)라는 프로젝트를 진행해오고 있다.

핵융합의 전망
전 세계적으로 에너지원을 확보하기 위한 에너지 전쟁이 점차 치열해지고 있다. 각 국가들은 안정적인 석유와 천연가스 확보에 총력을 기울이는 한편 화석연료를 대체할 새로운 에너지 개발에 적극 나서고 있다. 에너지 수입의존도가 97%에 이르는 우리나라는 석유소비 세계 7위, 석유 정제능력 세계 5위, 전력소비 세계 12위의 세계 10대 에너지 소비국이다. 화석연료의 가격은 해가 갈수록 급등하고 있어 안정적인 에너지원 확보의 중요성은 커지고 있다. 근본적으로 에너지 문제를 해결할 것으로 기대되는 핵융합에너지가 주목 받는 것은 당연한 결과이다. 우리나라에서는 2008년 첫 플라즈마 발생 성공 후 본격 가동에 들어간 KSTAR 장치를 통해서 장시간 플라즈마 발생 및 제어, 운전기술을 확보하는 중이며, 2020년대에 본격 가동할 예정인 ITER 장치를 통해서는 DT 핵융합 기술에 대한 공학적 검증이 이루어질 전망이다. 이후 2030년대에 핵융합 반응을 통해 1000 MW 급 전기를 생산하는 DEMO(실증플랜트)의 건설이 계획되고 있다. 대략 앞으로 30~40년 후면 인류가 꿈꾸던 무한에너지의 시대를 맞이하지 않을까 기대된다.