지구상의 태양에너지의 양과 질

태양 일러스트

태양에너지는 우주라는 거의 진공에 가까운 공간을 전자파형의 형태로 통과한다.

지구와 태양광의 거리 1억 5000만 킬로미터를 통과한 태양에너지파는 대기권에 진입을 하면서 자외선과 청색의 높은 에너지 성분은 대기의 분자와 충돌하여 산란으로 소실되고 대기중의 수증기 분자등에 일부가 흡수가 된다.
따라서 대기권 밖의 태양에너지 스펙트럼과 지표상의 에너지스펙트럼의 분포가 다르게 된다. 

태양에너지 스펙트럼 (내기권 밖와 해수면)

표기	설명
Sunlight at Top of the Atmosphere	태양권 외의 태양광 스펙트럼
Blackbody Spectrum	6000K 흑체의 복사 스펙트럼
Radiation at Sea Level	해수면의 높이에서의 스펙트럼

   

▣ 태양에너지량

태양표면에서 방사되고 있는 에너지는 전력으로 환산하면  3.8x10²³KW정도로 추정 된다고 한다.
지구과 태양과의 거리 1억5000만 Km를 통과하여 대기권에 도달하면 에너지 밀도는 약 1.4Kw/㎡ 정도가 된다.
이 값을 태양상수(태양정수)라 하고 인공위성에서 실측된 수치 이다.

지구상에서의 태양에너지는 위도, 시간, 기상, 계절에 따라 다르게 된다.

이는 계절과 시간에 따라 태양광이 통과하는 공기량의 변화에 기인한다.
그리고 그 대기권을 통과하는 공기량을 에어매스(Air Mass, AM)라고 합니다.

우주에서의 Air Mass는 AM-0 이다.  지구에서 태양빛을 수직으로 받는 지점의 에어매스의 값을 기준값으로 하여 1 Unit 표기하며, 이를 기준으로 위도에 따른 에어매스의 값의 차이를 비율로 나타낸다. 위도에 따른 에어매스의 값은 아래의 수식으로 표현이 됩니다.

공식	Description
$AM = \frac{1}{cos(\theta)}$	Air Mass, AM = units θ : 위도  (Solar zenith angle : 태양의 고도)

예) 위 수식으로 서울의 AM 값을 구해보면 서울의 위도 37.715133를 대입했을 때 AM값은 1.2641 (units)가 된다. 

▶지구에 도달하는 태양의 방사에너지

지구에 도달하는 태양의 총 방사에너지 =  태양상수 x 지구 투영면적

적도의 반지름은 약 6378km, 극(極)반지름은 약 6357km이다.
위 수식으로 지구에 방사되는 태양의 에너지 값을 구해보면 아래와 같다.

 $1.4 (kW/m^{2})  *  \pi  * 6357000^{2} = 177.73 * 10^{12}kW$

지구에 방사되는 태양에너지를 100% 지구에서 소실되는 에너지의 비율은 다음과 같다.

순서	점유 율	에너지 소실 내용
1	30 % $52 * 10^{12}kW$	햇빛으로 우주로 반사되어 나간다.
2	47%	지표면에서 직접 열이 되어, 기온을 유지.
3	23%	바닷물과 얼음 속에 축척.
4	0.2 % $0.37 * 10^{12}kW$	바람, 파도, 대류.
5	0.02 % $400 * 10^{8}kW$	바이오매스 에너지 (동식물 육성, 광합성으로 사용) 생태계의 순환 사이클

 

인류가 지표면에서 채집할 수 있는 에너지의 99.98 % 가 태양에너지에 의존하고 있으며,
나머지 0.02% 는 지열 에너지에 의존하고 있다.

지구상의 화석 에너지 자원  채굴 가능년 수 (1998년 조사자료)

석유 : 40년  /  천연가스 : 65년 / 석탄 : 230년 / 우랴늄 : 80년

 

태양광발전 특징

1. 가동부가 없어 조용하고 깨끗하다.
2. 유지관리가 간단하고 자동화 무인화가 가능하다.
3. 규모와 상관없이 일정한 효율로 발전한다.
4. 모듈구조로 양산성이 커 저비용화가 가능하다.
5. 확산광에 의해서도 발전이 가능하다.
6. 태양광발전은 방기 에너지를 효율적으로 이용한다.

태양광발전의 변환효율이 20% 수준으로 화셕연료의 효율을 비교하여 효율이 낮다는예기를 하곤 하는데, 물론 투자되는  비용의 회수적인 부분에 대한 고려는 되어야 하겠지만, 화력, 수력, 원자력 발전소의 건립과 발전에 소요되는 확석연료의 비용과 비용과 전기생산량을 고려하면 효율적인 관점에서 보면 단연 가장 효율적인 발전이며, 경재적인 투자이다,

또한 원료자체도 무한하며, 무료이다.