태양광 에너지 [1]

태양광 에너지는 지구로부터 1억 5천만 킬로미터 떨어진 태양으로부터 도달되고, 태양광 발전에 주요 에너지는 파장 0.25 ~ 2 마이크로미터 영역입니다. 태양의 구성 물질은 수소가 90%이고, 10%가 헬륨으로 구성되어 있고, 산소, 탄소, 질소, 네온, 철, 실리콘, 황, 칼슘은 미량 포함되어 있다. 태양 표면온도는 5800도씨이고, 태양 중심에서 4개 수소와 1개 헬륨이 핵융합 작용을 거쳐 태양에너지가 발생된다. 여기서, 모든 빛을 흡수하고 흡수된 에너지를 모두 방사하는 물체를 흑체라고 가정한다.

 

지구가 흑체라고 가정하면, 지구는 태양에너지에서 방사하는 짧은 파장은 모두 흡수하고 긴 파장은 지구 밖으로 방출하게 된다. 지구와 태양 간의 평균거리는 1 AU = 1.495x10^11 m이고, 지구 대기권 밖에서 측정한 일사량을 외기 일사량이라고 하며 1AU에서 받는 외기 일사량은 1,367 W/m^2이고, 이것을 태양광 상수라고 한다.

 

 

지구는 23.45도 기울어져 있는 상태에서 한바퀴 도는 데 걸리는 시간이 24시간이고 1일이라고 하며 밤과 낮이 변화한다. 지구는 태양광 중심으로 한 바퀴 도는데 365일 걸리고, 1년이라고 한다.

 

대기의 층별 구조를 살펴보면, 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나뉘고, 대류권은 전체 공기의 90%를 차지하고, 태양 복사 에너지가 지표면을 가열하면 지표면으로부터 지구 복사 에너지가 방출되므로 지표 부근의 온도가 가장 높고, 지표로부터 멀어질수록 온도가 낮아지게 된다. 공기의 온도가 낮아지면 밀도가 증가하게 되어 무거워 지므로 내려오고, 지상의 더운 공기는 위로 올가 가는 현상이 발생되어서 대류권은 항상 불안정한 상태로 대류현상이 발생한다. 지표면의 공기는 수증기를 포함하고 있어서 대류현상이 발생하면 수증기는 구름과 같은 형태를 보이고, 비가 오고 눈이 오는 기상현상이 발생하게 된다. 대류권은 높이에 따라 온도가 1킬로마다 -14.16도만큼 내려가고, 대류권과 성층권이 접하는 경계 부분인 대류권 궤면에서는 104.4도가 된다. 대류권 궤변의 높이는 계절과 위도에 따라서 변하며 적도 지방은 18킬로이고, 중위도는 13킬로, 극지방은 8킬로이다.

 

성층권의 특징은 지표에서 20킬로 성층권 하부에서 온도가 일정하게 유지되고 성층권 상부까지 온도가 차차 올라가 132.2도가 된다. 오존층은 성층권에서 발생되는데, 성층권 일정 높이에 얇은 에어로졸 층들이 존재하고, 상기 오존층에서 태양광선을 흡수하고 이산화탄소는 적외선을 방출한다. 중간권은 지상으로부터 50 ~ 85킬로에 존재하고 위로 갈수록 온도가 내려간다. 86킬로부터는 열 권으로 온도는 위로 올라갈수록 260도 ~ 1093.3도까지 변한다. 열 권은 수백 킬로까지 지속되고 열 권을 지나면 외기라고 한다.

 

 

대기를 구성하는 화학물질을 보면, 농도가 변하지 않는 것과 변하는 것으로 나뉘는데, 농도가 변하지 않은 것에는 질소, 산소, 아르곤 등이 있고 전체 기체 중 99.6%를 차지하고 있다. 상기 기체는 지상에서 60킬로 까지 분포하고 있다. 이산화탄소 농도가 매년 0.4% 상승하고 있는데 그 주된 원인은 화석연료 연소, 바다의 흡수와 방출, 식물의 탄소 동화작용이다. 메탄 농도가 매년 1 ~ 2% 상승하고 있는데 그 주된 원인은 인구 증가로 인한 생명활동, 식물 재배 증가 등이다. 이산화탄소 농도가 지구 온난화에 가장 영향을 미친다.

 

오존은 고도 15 ~ 30킬로 에서 주로 발생되고, 상기 오존은 태양의 자외선과 광화학작용으로 대기권에서 발생과 파괴가 반복된다. 상기 자외선은 지구 생명체에 해롭기 때문에 오존층이 중요한 것이다. 오존의 광화학 작용에 밀접한 관계를 갖는 기체로는 물, 메탄, 일산화탄소이다. 오존층 파괴 주요 기체로는 탄소, 불소, 염화 화합물이다. 화산활동으로 발생되는 산화황은 성층권, 대류권에 형성되는데 이는 산성비를 발생시킨다.

 

태양에너지가 태양으로부터 지구까지 도달하고 지구 대기권을 통과하면서 산란과 흡수를 통해서 강도가 감소되는데 산란은 대기권에 포함된 공기, 물, 먼지에 의해 발생된다. 파장의 길이가 400 나노미터인 푸른빛은 파장의 길이가 640 나노미터인 붉은빛보다 산란이 6배 증가하여 일출, 일몰 시 하늘이 붉게 보이는 것은 푸른빛 산란이 증가했기 때문이다.

 

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