야간 태양광 – 열복사 다이오드가 곧 배터리 필요성을 없앨 수 있는 방법

우리가 가지고 있는 가장 풍부하고 자연스러운 에너지 원 중 하나는 태양광입니다. 매일 태양이 떠서 빛을 비추며 우리에게 열과 전기를 제공합니다.

심지어 고립된, 외딴, 농촌 지역도 이 에너지 원을 활용할 수 있습니다. 지구상의 대부분 지역이 어느 정도 햇빛을 받기 때문입니다. 이 무한한 에너지 원을 많이 사용할 필요도 없으며, 태양광의 10% 미만만으로도 전 세계 에너지 수요를 충족시키기에 충분합니다.

재생 가능한 에너지 원으로서, 전력망과 배터리와도 잘 맞으며 유해한 온실가스 배출을 일으키지 않습니다.

햇빛 활용은 완전히 새로운 것이 아닙니다. 인류는 기원전 7세기에도 햇빛을 반사시켜 반짝이는 물체에 비추어 불을 밝히는 데 사용했습니다.

하지만 기술 발전으로 햇빛을 포착해 전기를 생산하고 이를 나중에 사용할 수 있도록 저장하는 것이 매우 효율적으로 되었습니다.

태양광 기술은 태양이 방출하는 빛인 전자기 복사를 포착해 유용한 형태의 에너지로 변환합니다. 주요 태양 에너지 기술 두 가지는 태양광 패널에 사용되는 광전(Photovoltaics, PV)과 집광 태양열 발전(Concentrating Solar-Thermal Power, CSP)입니다.

현재 태양광 패널은 태양 에너지로 전기를 생산하는 가장 일반적인 방법입니다. PV 패널은 20~25년의 유효 수명을 가지며, 설치 후에는 주기적인 청소를 제외하고 최소한의 유지보수만 필요합니다.

보통 실리콘과 같은 반도체 재료로 만들어지며, 햇빛 광자가 재료에 닿으면 전자를 방출해 전하를 생성합니다. 이 전하는 전류를 만들어내고, 태양광 패널이 이를 포착한 뒤 인버터가 교류(AC)로 변환해 기기를 구동합니다.

광전(PV) 효과는 실제로 1839년 프랑스 물리학자 엑몽 베크렐이 금속 전극을 전도성 용액에 넣어 만든 전지를 실험하던 중, 빛에 노출되면 전기가 더 많이 발생한다는 것을 발견하면서 처음 밝혀졌습니다.

그 후 1954년에 실리콘 PV 셀의 개발로 PV 기술이 탄생했으며, 이는 태양 에너지를 흡수해 일상 전기 장비를 구동할 수 있는 전력으로 변환했습니다.

오늘날 태양광 시스템은 주택과 기업에만 적용되는 것이 아니라, 전력 공급을 위한 중요한 재생 에너지 믹스의 일부분이 되었습니다.

태양광은 전력 소비를 크게 줄이고, 저장 장치와 결합해 백업 전력을 생성하며, 탄력적인 전력망에 기여하고, 소규모와 대규모 모두에서 비슷한 효율로 작동하며, 일자리 창출과 경제 성장도 촉진할 잠재력을 가지고 있습니다.

한편 비용 측면에서는 눈에 보이는 하드웨어 비용 외에도 허가, 금융, 설치와 같은 소프트 비용 및 해당 기업들의 운영 비용 등이 존재해 태양광 에너지 가격에 영향을 미칩니다.

태양광이 엄청난 장점을 가지고 있지만, 간헐성이라는 도전 과제가 남아 있습니다. 이용 가능한 햇빛 양은 시간, 위치, 계절에 따라 달라집니다.

예를 들어, 광전은 주로 햇빛이 가장 강한 정오에 에너지를 생산합니다. 보다 효율적이고 신뢰할 수 있는 저장 시스템 덕분에 햇빛이 지거나 흐린 날에도 이 에너지를 활용할 수 있게 되었지만, 연구자들은 더 나은 대안을 모색하고 있습니다.

2022년, 뉴사우스웨일즈 대학교(UNSW) 연구진은 이 분야에서 큰 돌파구를 마련했으며, 이를 통해 야간에도 태양광으로 전기를 생산할 수 있게 되었습니다. 이 기술은 현재 우주로도 적용되고 있습니다.

야간 태양광

그래서 2년 전 5월, UNSW 팀은 야간에 태양광으로 전기를 생산하는 이 큰 돌파구를 이룩했습니다.

광전 및 재생 에너지 공학 학교(SPREE) 연구팀은 지구가 적외선 빛(IL)으로 방출하는 열을 이용해 전기를 생산했으며, 이는 밤에 우주로 복사해 식는 원리와 유사합니다.

이를 위해 팀은 열복사 다이오드(thermoradiative diode)라는 반도체 장치를 만들었습니다. 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하고 반대 방향은 차단하는 반도체 장치이며, 교류(AC)를 맥동하는 직류(DC)로 변환합니다.

열복사 다이오드(TRD)는 적외선 빛을 방출함으로써 전기를 생산합니다. 따뜻한 표면이면 어디든 전력을 생성할 수 있어 야간에도 태양광을 제공할 수 있습니다. 팀이 만든 열복사 다이오드는 야간 투시(NV) 고글에 사용되는 재료로 구성되어 방출된 적외선 빛으로부터 전기를 생성합니다.

전력 용량은 매우 작았으며, 태양광 패널이 공급하는 전력보다 10만 배 정도 적었습니다. 그럼에도 연구진은 향후 결과가 개선될 수 있다고 믿었습니다. 팀 리더인 Ned Ekins-Daukes 부교수에 따르면:

우리는 열복사 다이오드에서 전력을 명확히 시연했습니다.

그는 열화상 카메라를 사용해 야간 방사량을 확인할 수 있다고 설명했습니다. 하지만 이는 760nm에서 100,000nm 사이의 파장을 갖는 적외선(가시광선 380~780nm)은 제외한 영역입니다. 따라서 팀은 “적외선 열 복사에서 전력을 생성할 수 있는 장치”를 만들었습니다.

궁극적으로 이 과정은 여전히 태양광을 활용하는 것이라고 Ekins-Daukes 교수가 말했습니다. 낮에 햇빛이 지구에 닿아 온도를 올리면, 같은 에너지가 적외선 형태로 광활하고 차가운 외부 우주로 방출됩니다. 복사 다이오드 개념은 이 과정을 이용하며, 팀은 이를 통해 전기를 생성함을 입증했습니다.

에너지 흐름이 있을 때마다 우리는 이를 다양한 형태로 변환할 수 있습니다.

– 팀 리더 Ekins-Daukes 교수

우리가 광전 과정을 개발해 햇빛을 직접 전기로 변환했듯이, 열복사 과정에서도 따뜻한 지구에서 흐르는 적외선 에너지를 차가운 우주로 전환시켰습니다.

또한, 태양 전지가 햇빛을 흡수해 전기를 생산하듯, 열복사 다이오드는 적외선을 차가운 환경으로 방출해 전기를 생산합니다.

두 경우 모두 온도 차이가 전기를 생성하게 합니다.

– 논문 공동 저자 Phoebe Pearce 박사

이전까지는 이론적인 과정이었지만, 팀은 이를 실제로 구현해 향후 더 큰 규모로 에너지를 포착할 수 있는 특수하고 훨씬 효율적인 장치를 만들 수 있음을 확인했습니다.

Ekins-Daukes 교수는 이 새로운 연구를 최초 실용 실리콘 태양전지를 보여준 벨 연구소 엔지니어들과 비교했습니다. 당시 효율은 약 2%에 불과했지만, 현재는 햇빛의 약 23%를 전기로 변환할 수 있게 되었습니다.

공동 저자 Michael Nielsen 박사에 따르면:

이 기술들의 상용화가 아직 멀었더라도, 진화하는 아이디어의 초기 단계에 있다는 것은 연구자로서 매우 흥미로운 일입니다.

연구진에 따르면 이 새로운 기술은 앞으로 인공 심장과 같은 바이오닉 장치를 전력 공급하는 데 활용될 수 있으며, 현재는 정기적으로 교체해야 하는 배터리를 사용합니다. 따라서 이 혁신적인 기술은 특정 장치에서 배터리 필요성을 없애거나 재충전하는 데 도움이 될 수 있습니다.

지금까지 복사 다이오드는 “상대적으로 매우 낮은 전력”만을 생성했습니다. 전력을 감지하는 것이 어려웠으며, 산업계가 도입하기까지는 아직 약 10년 정도의 대학 연구가 필요합니다. 그러나 이론적으로는 이 기술이 “궁극적으로 태양전지 전력의 약 1/10 정도”를 생산할 수 있다고 합니다.

‘전력의 명확한 시연’ 이후, 팀은 제조가 더 쉬운 새로운 소재를 사용해 규모를 확대하려고 작업을 시작했습니다.

동시에 팀은 위성 같은 우주선에 이 기술을 적용하는 작업을 진행하고 있습니다. 태양광 위성은 새로운 개념이 아니며, 실제로 1958년에 처음 시연되었습니다.

태양전지로 구동되는 이러한 우주선은 일식 시에 배터리에 의존합니다. 따라서 UNSW 연구진은 이제 어두운 궤도에서 위성에 전력을 공급하기 위해 이 기술을 적용하고 있습니다.

우주에서 처음 사용된 이 기술은 이제 가정용으로도 대량의 전기를 생산하는 데 활용되고 있으며, Ekins-Daukes 교수는 “앞으로 2년 안에 복사 다이오드를 우주에 탑재할” 계획이라고 밝혔습니다.

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청정하고 풍부한 태양광으로의 전환

태양광 패널은 햇빛이 있어야 전력을 생산하므로 야간에 작동하지 못하는 문제를 해결하기 위해 많은 연구와 개발이 진행되고 있습니다.

이 문제를 해결하는 방법 중 하나는 배터리 저장으로, 초과 생산된 에너지를 저장합니다. 저장된 에너지는 밤이나 흐린 날에도 사용할 수 있습니다. Tesla (TSLA ) Powerwall이나 Generac PWRcell과 같은 제품이 대안으로 제공됩니다. 이러한 배터리 뱅크는 정전 시 오프그리드 전원으로 작동합니다.

또 다른 방법은 순계량제(net metering)입니다. 여기서는 태양광 구매 프로그램에 접근해 지역 전력망을 배터리처럼 활용할 수 있습니다. 전기 요금 크레딧을 얻기 위해서는 낮에 태양광 패널이 생산한 초과 에너지를 전력망에 되돌려 보내야 합니다. 적립된 크레딧은 야간 전력 소비를 충당하기 위해 전기 요금에 적용됩니다.

연구자들은 밤하늘에서 전기를 수확하는 태양광 패널도 만들었습니다. 예를 들어, 안티-솔라 셀은 낮에 태양광 패널과 반대로 작동합니다. 또한 마찰 동력 패널은 움직임을 에너지로 변환하고 따뜻한 표면에서 방출되는 복사를 활용합니다.

최근 스탠포드 대학 과학자들은 야간에 전기를 생산하는 새로운 유형의 태양광 패널을 설계했습니다. 이를 위해 기존 태양광 셀에 열전 발전기를 통합했습니다. 이는 연속적인 전력 생산을 가능하게 할 뿐만 아니라 낮 동안의 효율도 향상시킵니다.

그 다음은 캘리포니아 기반 스타트업 Reflect Orbital로, 밤에 햇빛을 판매하겠다는 계획을 공유했습니다. 이를 위해 고도 370마일 상공을 도는 마일라 거울을 장착한 위성 군집을 사용할 예정이며, 이 위성들은 지표면의 태양광 패널에 햇빛을 반사합니다.

우리는 햇빛이 새로운 석유이며, 우주는 에너지 인프라를 지원할 준비가 되어 있다고 생각합니다.

– Reflect Orbital 공동창업자 Ben Nowack (X, 이전 트위터) 발언

숫자를 보면, 청정 에너지 중에서 태양광이 확실히 선두를 달리고 있습니다. 2023년은 세계가 새로운 태양광 용량 447GW를 구축한 사상 최대 해였으며, 이는 전체 신규 재생 가능 용량 추가의 78%에 해당합니다. 전년 대비 87% 증가한 이 성장률은 2010년 이후로는 찾아볼 수 없는 수준입니다.

이 성장의 대부분은 세계 최대 태양광 시장인 중국에 의해 주도되었습니다. 중국은 신규 태양광 PV 용량 253GW를 추가했으며, 이는 167% 급증한 수치이며, 전 세계 설치 용량의 57%를 차지했습니다.

전체 태양광 에너지의 이 “예상치 못한 성장”은 2024-2028 태양광 글로벌 시장 전망에 따르면, 모듈 가격이 약 50% 급락한 데 기인합니다. 이 하락은 전 세계 PV 제조 능력의 대폭적인 증가로 인한 과잉 생산 때문입니다.

이전 연도의 주문이 2023년에 최종 설치된 것 외에도, 개인, 기업, 정부는 높은 에너지 가격에 대한 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 해결책으로 태양광을 채택하고 있습니다.

추가적인 제품 가용성, 비용 개선 및 기술이 제공하는 다양한 이점을 바탕으로, 보고서는 “향후 몇 년간 태양광 PV 전력 수요가 크게 증가할 것”이라고 전망합니다.

태양 에너지 분야를 선도하는 기업들

이제 에너지 생산을 위한 대체 경로를 모색하고 있는 몇몇 주요 기업들을 살펴보겠습니다.

Clearway Energy (CWEN ) 는 풍력 및 태양광 발전소를 운영해 청정 재생 에너지를 제공하는 기업이며, Ormat Technologies (ORA ) 는 지열 발전에 집중합니다. Heliogen은 이 분야의 또 다른 기업으로 AI와 고급 거울 기술을 활용해 햇빛을 집중시켜 전기를 생산합니다. Enphase Energy (ENPH ) 와 Piedmont Lithium은 에너지 저장 분야를 선도하고 있습니다.

#1. Bloom Energy

(CWEN ) (ELVR )

이 회사는 고체 산화물 연료 전지 기술을 사용해 신뢰성 높고 효율적인 전기를 생산합니다. 자체 에너지 서버를 현장 발전에 활용함으로써 Bloom Energy (BE ) 는 기존 전력 생산에 대한 더 깨끗한 대안을 제공하고 전력망 의존도를 낮춥니다.

작성 시점에 BE 주가는 $10.80이며 연초 대비 26.82% 하락했고, 시가총액은 $2.465억입니다. Bloom Energy는 EPS(TTM) -1.30, P/E(TTM) -8.31을 기록했습니다. 2024년 2분기에 회사는 매출 $335.8백만을 보고했으며, 이는 전년 대비 11.5% 증가한 수치입니다. 해당 분기의 총 마진은 20.4%였으며, 영업 손실은 $23.1백만이었습니다. Bloom Energy는 또한 재무 구조 강화를 위해 3% 전환형 그린 노트를 발행했습니다.

또한, 이 회사는 AI 선두 기업 CoreWeave (CRWV ) 와 협력해 Chirisa Technology Parks가 소유한 고성능 데이터 센터에 전력을 공급합니다. Bloom 연료 전지는 실리콘밸리 파워의 20MW AWS 데이터 센터에도 전력을 공급할 예정입니다. Bloom의 CEO KR Sridhar에 따르면:

전력 수요가 전력망을 통한 공급을 크게 초과할 것으로 널리 인식되고 있습니다. 이는 Bloom에게 큰 기회를 제공합니다. 우리는 제품과 솔루션에 대한 높은 상업적 관심을 보고 있습니다. 우리는 계속해서 잘 실행하고, 기술을 발전시키며, 미래 성장을 위한 팀을 확장하고 있습니다.

#2. NextEra Energy

태양광, 풍력 및 배터리 저장에 집중하면서 NextEra는 재생 에너지 생산 기업 중 가장 큰 기업 중 하나가 되었습니다. 전력 및 에너지 인프라 기업의 주가는 현재 $83.85이며 연초 대비 38.05% 상승했으며, 시가총액은 $172.27억입니다. EPS(TTM)는 3.67, P/E(TTM)는 22.85입니다.

2024년 2분기에 회사는 GAAP 순이익 $1.622억을 보고했으며, 신규 재생 및 저장 프로젝트 3,000MW 이상을 백로그에 추가했습니다. 몇 달 전, 자회사 NextEra Energy (NEE ) Resources는 Entergy와 함께 최대 4.5GW의 신규 태양광 발전 및 에너지 저장 프로젝트를 가속화하기 위한 공동 개발 계약을 발표했습니다.

결론

태양은 고갈되지 않는 에너지 자원이며, 효율적이고 첨단 기술과 결합될 때 급증하는 전 세계 에너지 수요를 충족하고 기후 변화 문제를 해결할 큰 잠재력을 제공합니다.

전 세계 청정 에너지 전환을 선도하는 주체로서, 태양광 산업은 지난해 모든 다른 발전 기술을 합친 것보다 더 많은 투자를 받으며 성장했습니다. 이러한 투자와 개발은 태양 추적 셀, 인쇄형 태양전지, 광전 윈도우, 그리고 물론 야간 태양에너지 생산과 같은 수많은 기술 혁신을 이끌어냈으며, 이는 태양광을 미래 세대를 위한 장기 에너지 솔루션으로 전환하는 데 기여합니다.

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