태양 에너지 잠재력을 크게 증폭시키는 새로운 분자
태양 에너지 잠재력을 크게 증폭시키는 새로운 분자
태양은 인간에게 알려진 가장 풍부한 에너지원일 뿐만 아니라 태양이 존재하는 한 무한히 재생 가능합니다. 비가 오나 눈이 오나 매일 놀라운 양의 에너지를 계속 생성합니다. 태양 에너지는 다양한 방식으로 수집 및 저장될 수 있으며 태양 에너지의 사용은 기후 변화의 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 온실 가스를 방출하지 않습니다. 이러한 이유로 태양 에너지는 재생 가능 에너지의 주요 공급원으로 점점 더 널리 선택되고 있습니다. 아래에 설명된 혁신과 같이 인류가 태양 에너지를 보다 효율적으로 활용하는 방법을 찾는 것은 시간 문제입니다.
햇빛 조작
태양 에너지에는 광전지(PV)와 태양열 발전이라고도 하는 집중 태양열 발전(CSP)의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 광전지는 태양 전지 패널의 태양 전지를 사용하여 햇빛을 전기로 직접 변환합니다. 집중 태양열 발전은 햇빛을 사용하여 유체를 가열하여 증기를 생성하고 터빈에 동력을 공급하여 에너지를 생성합니다. PV는 현재 전 세계 태양광 에너지의 98%를 구성하고 CSP는 나머지 2%를 차지합니다.
PV와 CSP는 사용 방식, 생산되는 에너지, 건설에 사용되는 재료가 다릅니다. PV로 생산되는 에너지의 효율은 태양광 패널의 크기에 따라 일정하게 유지됩니다. 즉, 더 큰 태양광 패널보다 작은 패널을 사용해도 에너지 생산 속도가 증가하지 않습니다. 이는 하드웨어, 컴바이너 박스 및 인버터를 포함하는 태양광 패널에도 사용되는 BOS(Balance-of-System) 구성 요소 때문입니다.
CSP를 사용하면 클수록 좋습니다. 태양 광선의 열을 사용하기 때문에 더 많은 햇빛을 모을수록 좋습니다. 이 시스템은 오늘날 사용되는 화석 연료 발전소와 매우 유사합니다. 주요 차이점은 CSP가 터빈을 돌리기 위해 증기를 생성하는 (석탄이나 천연 가스를 태우는 대신) 유체를 가열하기 위해 햇빛의 열을 반사하는 거울을 사용한다는 것입니다. 따라서 CSP는 태양 에너지와 천연 가스를 사용하여 터빈을 돌려 에너지를 생성하는 복합 사이클 가스 터빈(CCGT)과 같은 하이브리드 플랜트에 매우 적합합니다. CSP를 사용하면 들어오는 태양 에너지의 에너지 출력은 순 전기의 16%만 생산합니다. CCGT 에너지 출력은 최대 55%의 순 전기를 생산하며 이는 CSP 단독보다 훨씬 더 많습니다.
겸손한 시작부터
코펜하겐 대학의 Anders Bo Skov와 Mogens Brøndsted Nielsen은 PV나 CSP보다 더 효율적으로 태양 에너지를 수확, 저장 및 방출할 수 있는 분자를 개발하려고 시도하고 있습니다. Dihydroazulene/vinyl hepta fulvene 시스템(줄여서 DHA/VHF)을 사용하여 두 사람은 연구에서 큰 발전을 이루었습니다. 그들이 처음에 직면한 한 가지 문제는 DHA/VHF 분자의 저장 용량이 증가함에 따라 장기간에 걸쳐 에너지를 보유하는 용량이 감소한다는 것입니다. 화학과 교수인 Mogens Brøndsted Nielsen은 “우리가 그것을 방지하기 위해 무엇을 했는지에 관계없이 분자는 모양을 다시 바꾸고 저장된 에너지를 한두 시간 후에 방출할 것입니다. 앤더스의 업적은 XNUMX년 동안 형태를 유지할 수 있는 분자의 에너지 밀도를 두 배로 늘린 것입니다. 이제 우리의 유일한 문제는 에너지를 다시 방출하는 방법입니다. 분자는 모양을 다시 바꾸려고 하지 않는 것 같습니다.”
새로운 분자의 모양이 더 안정적이기 때문에 에너지를 더 오래 유지할 수 있지만 작업하기가 더 쉽습니다. 정해진 분자 단위가 얼마나 많은 에너지를 보유할 수 있는지에 대한 이론적 한계가 있으며 이를 에너지 밀도라고 합니다. 이론적으로 1kg(2.2파운드)의 소위 "완벽한 분자"는 1메가줄의 에너지를 저장할 수 있습니다. 즉, 최대 에너지량을 보유하고 필요에 따라 방출할 수 있습니다. 이는 대략 3리터(0.8갤런)의 물을 상온에서 끓일 때까지 가열하는 데 충분한 에너지입니다. 같은 양의 Skov 분자는 실온에서 750분 안에 끓는 데까지 3.2밀리리터(3쿼트) 또는 한 시간에 15리터(4갤런)를 가열할 수 있습니다. DHA/VHF 분자는 "완벽한 분자"만큼 많은 에너지를 저장할 수는 없지만 상당한 양입니다.
분자 뒤에 숨은 과학
DHA/VHF 시스템은 DHA와 VHF의 두 분자로 구성됩니다. DHA 분자는 태양 에너지를 저장하는 역할을 하며 VHF는 이를 방출합니다. 그들은 외부 자극(이 경우 햇빛과 열)에 노출될 때 모양을 변경하여 이를 수행합니다. DHA가 햇빛에 노출되면 태양 에너지를 저장하여 분자의 모양이 VHF 형태로 바뀝니다. 시간이 지남에 따라 VHF는 열을 수집하고, 일단 충분히 수집되면 DHA 형태로 되돌아가 태양 에너지를 방출합니다.
하루의 끝에서
Anders Bo Skov는 새로운 분자에 대해 다소 흥분했으며 그럴 만한 이유가 있습니다. 아직 에너지를 방출할 수는 없지만 Skov는 “태양 에너지 저장에 관한 한 가장 큰 경쟁자는 리튬 이온 배터리이며 리튬은 독성 금속입니다. 내 분자는 작동하는 동안 CO2나 다른 화합물을 방출하지 않습니다. 바로 '태양광 인-파워' 입니다. 그리고 분자가 어느 날 마모되면 카모마일 꽃에서도 발견되는 착색제로 분해됩니다.” 분자는 사용 중에 온실 가스를 거의 또는 전혀 방출하지 않는 과정에서 사용될 뿐만 아니라 결국 분해되면 환경에서 자연적으로 발견되는 불활성 화학 물질로 분해됩니다.
