집광형 태양열발전을 위한 나노입자 물질 개발

엔지니어들이 캡처한 태양광선의 90% 이상을 열로 흡수하고 변환시키도록 디자인되어 집광형 태양열 발전소에 사용될 새로운 나노입자에 기반을 둔 물질 개발에 성공했다.

캘리포니아 대학교 샌디아고 캠퍼스에서 개발된 새 물질이 700℃ 이상의 온도를 견딜 수 있고 공기와 습도에 노출되어도 외부에서 여러 해를 견딜 수 있다고 주장되고 있다. 미국 에너지부의 선샷 프로그램(SunShot program)의 자금지원을 받은 그들의 연구결과는 [Nano Energy]에 발표되었다.

그와 비교하여, 현재 사용되는 태양열 흡수장치 물질은 낮은 온도에서 작동되고 높은 온도에서의 작동을 위해 매년 오버홀될 필요가 있다.

"우리는 태양광선이 하나도 빠져나가지 않으면서 모두를 흡수하는 물질 창조를 지향했다. 우리는 태양광선을 빨아들이는 블랙홀을 원한다"고 이 대학교 야콥 엔지니어링 스쿨(Jacobs School of Engineering) 기계우주항공학과 교수인 진 성호 교수는 말했다. 진 교수는 전기컴퓨터공학과의 자오바이 리우(Zhaowei Liu) 교수 및 기계공학과 교수인 렌쿤 첸(Renkun Chen) 교수와 공동으로 붕괴 규소-코팅의 나노셸(silicon boride-coated nanoshell) 물질을 개발했다.

이 우수한 물질은 10nm에서 10㎛ 범위의 크기의 많은 입자를 사용하여 창조되는 멀티스케일의 표면을 그 특징으로 한다고 알려졌다. 이 멀티스케일 구조는 빛을 트랩하고 흡수할 수 있어서, 이 물질이 고온에서 작동될 때 높은 효율성을 보장하는 데 이바지한다.

집광형 태양광 발전(CSP, Concentrating solar power)은 현재 지구의 발전소에서 약 3.5GW의 전력발전량을 생산하는 부상하는 대체에너지 시장으로, 추가적인 건설과 발전을 통해 몇 년 이내에는 20GW 정도의 전력을 생산할 것으로 예상한다.

이 기술의 매력 중의 하나는 석탄과 화석연료를 사용하는 기존의 발전소 개조에 사용될 수 있다는 것인데, 그 이유는 스팀에서 전기를 생산하는 것과 같은 프로세스를 사용하기 때문이다.

집광형 태양광 발전소는 용융염(molten salt)을 가열하기 위해 태양광선을 사용하여 터빈 회전에 필요한 스팀을 생성한다. 또한, 용융염은 밤새도록 그리고, 심지어는 원한다면 하루 24시간 내내 스팀과 전기를 계속 생산할 수 있는 열 저장장치 탱크에 저장할 수 있어, 태양이 진 이후에 에너지 생산을 정지하는 태양광 발전과 비교하면 상당한 장점이 있다.

가장 일반적인 형태의 집광형 태양광 발전시스템 중의 하나는, 빛을 흡수하는 검은 페인트 물질을 사용하여 스프레이 페인팅된 상태로 타워에서 태양광선을 모으기 위해 100,000개 이상의 반사경을 사용한다. 이 물질은 태양광선의 흡수를 극대화하고 적외선 방사의 형태로 표면으로부터 자연적으로 발산되는 빛의 손실을 최소화하도록 디자인되었다.

이 대학교 연구팀의 전문적 지식은 지난 3년간에 걸쳐 이러한 종류의 시스템을 위한 새로운 물질을 개발하고 최적화하며 특성화하는데 사용되었다. 연구진에는 이 대학교 재료과학 및 재료공학과 대학원생인 저스틴 김 태영(Justin Taekyoung Kim)씨와 브라이언 반사데르스(Bryan VanSaders)씨 그룹과 최근에 네바다 대학교 라스베이거스 캠퍼스 교수진에 결합한 문 재윤 교수가 포함되어 있다. 합성된 나노셸 물질은 열적, 기계적 시험을 위해 첸(Chen) 교수의 실험실에서 금속 기질에 스프레이-페인팅되었다. 태양광선을 흡수하는 이 물질의 능력은 가시광선에서부터 적외선까지 스펙트럼 측정을 하는 독특한 종류의 장치 세트를 사용하여 리우(Liu) 교수의 광학 실험실에서 측정되었다.

현재의 집광형 태양광 발전소는 성능이 저하된 태양광선 흡수 물질을 교환하고 새로운 코팅을 재적용하기 위해 운영이 중지된다. 이것이 미국 에너지부의 선샷 프로그램(SunShot program)이 도전하고, 이 대학교 연구팀이 실질적으로 더 긴 수명주기를 가지면서도 에너지 변환효율성의 향상을 위해 더 높은 운영 온도에서 작동되는 물질을 개발하도록 지원한 이유이다. 이 대학교 연구팀은 수년간을 사용할 수 있는 수명을 가진 물질을 목표로 하고 있으며, 그들은 그것에 가까워지고 있다고 믿고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 집광형 태양열발전을 위한 나노입자 물질 개발