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지구에는 다행히도 화석에너지를 대체할 수 있는 태양광, 바람, 물, 바이오매스 같은 태양 에너지가 있다. 특히, 이중 태양열 에너지는 무공해이면서, 태양이 뜨는 한 무한정으로 공급된다. 더욱이 원료 자체는 누구에게나 무상으로 공급한다는 매력을 지닌다.

구체적으로 태양에너지를 어떻게 얻을 수 있을까? 이 책에서는 태양 에너지의 범위를 생각보다 상당히 넓게 잡고 있다. 이를테면, 식물이 태양열을 받아 성장하고 에너지를 저장하기 때문에 태양열 에너지를 다른 물질로 저장하고 있는 것으로 본다. 동물 또한 태양열을 지닌 식물을 먹고 성장하는 것으로 태양열 에너지의 변이로 본다.

이런 동식물이 땅속에 묻혀 화석연료로 쓰이게 된 것이니, 이 또한 태양열 에너지이다. 풍력 발전기 역시 태양에 의한 온도 차로 생긴 것이니 태양 에너지의 의한 것이다. 따라서, 바람에 의해 만들어지는 파력도 결국, 태양 에너지에서 온 것으로 보고 있. 바이오매스 역시 동식물이나 그 배설물을 원료로 하고 있으니, 당연히 태양 에너지의 영향권 안에 있다.

이렇게 지구에서는 태양 에너지를 근거로 많은 에너지를 만들어 내고 있다. 한편, 태양열 에너지의 변이 형태가 아닌, 태양빛으로 직접 에너지를 얻어 낼 수도 있다. 이것이 우리가 일반적으로 생각하는 태양열 에너지로, 태양빛을 집열기를 통해 모으거나 전지에 저장하는 형태이다.

태양열 집열기의 원리는?

태양광선은 어떻게 지구에 도달할까? 태양광선은 진공인 우주 속을 초당 300,000km의 속도로 이동한다. 따라서 태양광선이 1역 4천 9백만km의 여행을 마치고 우리에게 도달하기까지는 8분이 걸린다. 그런데 태양광선은 태양으로부터 일직선으로 쭉 나오는 것이 아니라 여러 종류의 길다란 파장 형태로 뻗어간다. 단파의 경우 200nm(1nm=1/1,000mm), 장파의 경우 3,000nm의 파장을 지닌다. 파장은 파동의 마루와 마루사이의 거리를 말한다. 파동이 진행하는 길에는 아주 작은 입자들이 빠르게 운동하는데 이 입자들을 가리켜 양자(量子)라고 부른다. 모든 파장이 다 눈에 보이는 것은 아니다. 눈에 보이는 파장, 즉 가시광선(可視光線)은 4000~800nm 사이의 파장뿐이다. 눈에 보이는 파장 속의 입자를 '광자'라 부르는데 이것을 통해 많은 태양 에너지가 전달된다. 우리 눈에 흰색으로 보이는 태양광선의 여러 파장들은 무지개에서 볼 수 있듯 여러 색으로 갈라진다. 이것을 빛의 스펙트럼이라 부른다. 파동 - 마루 : 물결이나 파동 따위의 가장 높은 부분 - 골 : 물결이나 파동 따위의 가장 낮은 부분 * 책에는 그림도 있습니다. / 푸른나무

이 책에선 집열기의 원리에 대한 이해를 돕기 위해 몇 가지 과학원리부터 출발한다. 예를 들면 지표면에서 성층권 경계 면까지의 구성을 설명하고 있으며, 태양이 지구에 보내는 빛의 종류와 빛의 파장에는 단파와 장파로 되어 있음을 알려준다. 빛의 파장은 집열기를 만들 수 있는 중요한 단서가 된다.

태양 빛 중에서 단파만이 집열기 안에 들어 갈 수 있다. 집열기 안에 들어간 단파는 장파로 바뀌게 된다. 장파가 된 빛에너지는 밖으로 빠져 나올 수 없다. 이때 빛은 흡수가 잘되는 검정관에 흡수된다. 관안에는 찬물이 흐르게 장치하여 태양열이 물을 데우게 하는 원리이다. 이런 방법으로 더운물을 공급하고 보일러를 돌리게 되는 것이다.

집열기의 원리에 대한 이해를 돕기 위해, 평소 우리가 잘 구분해 쓰지 않는 몇 가지 과학용어의 차이를 설명하고 있다. 예를 들어, 열전도와 열전달의 차이, 열과 온도 차이가 그것이다. 그러니까, 집열기를 이용한 열의 이동은 열전달에 해당된다. 태양열은 기체사태의 것이 고체에 닿아서 액체 상태의 열로 전달되고 있기 때문이다.

또 온도는 물체가 지닌 열의 상태를 말하고 열은 물체에 공급된 열의 양, 다시 말해서 물체가 지니고 있는 열 에너지의 전체 양을 의미하고 'J'라는 단위를 갖는다. 이런 열의 단위는 태양열이 해내는 일의 양을 가늠할 수 있게 한다. 용어의 차이가 과학원리를 이해하는데, 얼마나 큰 도움이 되는지 새삼 깨달았다.

집열기는 지붕에 설치하는 평판형 집열기 말고도 진공관식 집열기, 홈통형 집열기, 포물면경(접시형) 집열기가 있다. 이런 집열기의 가장 큰 단점은 에너지를 저장하는데 너무 넓은 공간이 필요하다는 것이다. 그래서 아직까지는 가정용으로 조금씩 쓰는 데는 무리가 없지만, 큰 에너지를 상시 안정적인 공급받기는 어렵다.

태양열 전지?

태양열 집열기와 태양열 발전소의 경우는 태양광선이 열 에너지나 운동 에너지가 변환된 것이다. 태양전지는 태양 에너지에서 바로 전기를 얻을 수 있는 것이다. 그래서 특별한 장치 없이 간편히 휴대할 수 있고 현재 우리생활에서도 시계, 계산기에서 흔히 볼 수 있다. 태양 에너지를 많이 받을 수 있는 곳에서는 우주선을 움직이게 할 수도 있다. 실재, 우주 왕복선 '엔데버' 호를 움직이고 있기도 하다.

태양열 전지는 한 번 설치해 놓으면 유지비용이 거의 들지 않는다. 그리고 태양전지 숫자만큼 전기를 생산하므로 태양전지를 많이 설치할수록 많은 량의 전기를 얻을 수 있다. 별도의 기계 가동 부분이 없으므로 소음과 진동 등이 없어 환경오염을 일으키지 않는다. 수명은 20년 이상으로 비교적 오랫동안 이용할 수 있다.

그러나 에너지 밀도가 낮아, 많은 수의 태양 전지를 사용해야 하므로 많은 공간을 필요로 한다. 또, 태양전지의 재료는 아직까지 값이 비싼 반도체 재료인 실리콘을 사용하고 있다. 때문에 태양광 발전 시스템을 처음에 설치하는 데는 많은 비용이 든다.

이외에 바이오매스에 관해서도 간단한 실험과 시설작동 원리를 그림과 함께 설명하고 있다.

태양에너지가 아직까지는 화석연료에 비해 경쟁력이 떨어지고 비효율적이라 일반화되어 있지 않지만, 자원의 무한성, 무상공급, 공평성, 친환경성 등을 따진다면 그 어떤 연구보다도 사활을 걸고 추진해야 할 산업이다. 태양열 에너지시대는 무에서 유를 창조해야 하는 것이 아니다. 현재 실현되고 있는 것을 연구개발하면 화석연료보다 싸고 간편하게 이용할 수 있게 된다.

우베 반트라이 선박 설계사이면서 어린이를 위한 과학시리즈 개발... 1981년 이후 자유기고가로 활동하면서 과학실험을 만들기도 하는 등 어린이를 위한 많은 활동을 했다. 그는 함부르크와 그리스의 한 섬에 살면서 태양열 조리기를 이용해 음식을 해 먹고, 바람을 이용해 자기가 사용하는 전기를 생산한다. 그의 다음 계획은 자신의 오토바이에 해바라기 기름을 넣어 달리게 하는 것이다. / 푸른나무

이 책은 그동안 궁금했던 태양에너지를 어떤 원리로 모아 사용하는가? 효용가능성은 어느 정도 인가? 왜 실용화되지 않는가? 에 대해 상세히 설명하고 있다. 이 설명들이 아주 쉽게 느껴졌던 것은 저자의 친절한 배려 덕분이었다. 태양열 에너지의 생성원리에 접근하기 위해 충분한 사전지식부터 알려주고 있어 쉽게 접근할 수 있었다. 이것은 마치 소설이 절정에 이루기 위해, 충분히 암시적 요소를 풍겨 독자의 감동을 끌는 작업에 비유할 수 있겠다.

일반인들의 과학현상에 대해 알고자 하는 욕구가 점점 커지고 있다. 그래서 대중을 위한 과학서적이 봇물 터지듯 쏟아지고 있다. 그런 책들 중에 중력, 양자역학, 중력, 힘과 에너지, 따위를 이처럼 단순 명쾌하게 설명한 책을 보지 못했다. 저자의 친절한 배려로 과학현상을 이해하는 즐거움을 맛 볼 수 있었다.