자연계열 2번

(가) 현재 이용되는 지구상의 에너지 대부분은 태양으로부터 전달되어 저장되었거나 전달되고 있는 태양 복사 에너지이다. 석유, 석탄 등 화석 에너지의 대체 에너지로 주목받고 있는 친환경 그린 에너지의 하나인 태양광 에너지도 태양 복사 에너지이다. 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 태양전지의 절대효율은 변환된 전기 에너지와 입사된 태양광 에너지의 비로 나타낸다. 태양전지 기술은 반도체 기술과 밀접한 관계가 있다. 우리나라는 세계적인 반도체 기술 국가인 만큼 그 기술 개발에 아주 유리하다. 물론 태양광 에너지는 에너지의 밀도가 작고, 일조시간, 기후와 계절 등에 따라 변동이 심하다는 문제점을 지니고 있다. 하지만, 지리적으로 깊은 산 속이나 외딴 섬과 같은 고립된 지역에서 사용할 수 있고 태양전지의 설비 규모를 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다. 그리하여 태양광 에너지는 최근 우리나라에서 중요한 대체 에너지원의 하나로 각광받고 있다.

(나) 태양광은 지구에서 매우 멀리 떨어진 태양으로부터 전파된다. 그러므로 지구에 도달하는 태양광은 아래 <그림>에서와 같이 평행한 광선으로 가정할 수 있다. 지구상의 한 지점에서의 지평면에 대한 태양광의 입사각도는, 지구의 자전축이 지구의 공전 궤도면에 수직인 축과 약 $\displaystyle 23.5^\circ$의 각을 이루기 때문에 지구의 공전위치(계절)와 위도, 하루 중 시각에 의해 결정된다. 이로 인해 1년 중의 기후와 하루 중의 기온, 밤과 낮의 길이가 변하게 된다.아래 <그림>은 하지 때에 태양광이 지구에 입사되는 현상을 간단하게 나타낸 것이다.

이 <그림>에서와 같이 태양광이 오른쪽으로부터 입사될 때 지구를 나타내는 원의 오른쪽 반은 지구의 낮이며 왼쪽 반은 밤이 된다. $\displaystyle \phi^\circ$는 북반구에서 위도를 나타낸다. 지구를 완전한 구라고 가정 하고, 이 <그림>을 이용하여 다음과 같이 북위 $\displaystyle \phi^\circ$인 지점에서 하지 때의 낮과 밤의 길이를 계산할 수 있다.

낮의 길이$\displaystyle =\left(1-\frac{\theta^\circ}{180^\circ}\right)\times24$시간, 밤의 길이$\displaystyle =\frac{\theta^\circ}{180^\circ}\times24$시간 -------- ①

(단, $\displaystyle \theta^\circ$는 $\displaystyle \cos(\theta^\circ)=\tan(23.5^\circ)\cdot\tan(\phi^\circ)$를 만족하는 $\displaystyle 0^\circ\le\theta^\circ\le90^\circ$인 각을 나타내며, 이 식은 위도 $\displaystyle \phi^\circ$가 어떤 값 이하까지에서만 성립한다.)

동지 때는 하지 때와는 달리 태양광이 <그림>의 왼쪽에서 입사되므로 식 ①에서의 밤의 길이와 낮의 길이를 바꾸면 된다. 또한, 춘분과 추분 때는 태양광이 <그림> 면과 수직으로 앞(춘분)과 뒤(추분)에서 입사되므로 밤과 낮의 길이는 동일하게 12시간이 된다.

(다) 태양광이 지평면과 이루는 각 중 $\displaystyle 90^\circ$ 이하인 각을 태양 고도라 한다. 태양 고도는 하루 동안 시간에 따라 변하는데 정오 때 가장 크다. 이때 태양 고도를 남중 고도라고 한다. 남중 고도는 그 지점의 위도와 계절에 따라 달라진다. 가령, 하지일 때 북위 $\displaystyle \phi^\circ\ge23.5^\circ$인 지역에서 남중 고도 $\displaystyle h^\circ$는 앞 <그림>을 참고하면 다음과 같이 나타난다.

$\displaystyle h^\circ=90^\circ-\alpha^\circ$ 또는 $\displaystyle h^\circ=90^\circ-(\phi^\circ-23.5^\circ)=113.5^\circ-\phi^\circ$ --------- ②

태양 고도가 높을수록 지표면에 도달하는 태양광 에너지는 많아진다. 가령, 하지의 정오 때 단위 면적당 지평면이 받는 태양광 에너지의 세기 $\displaystyle I$는 다음과 같이 남중 고도 $\displaystyle h^\circ$, 북위 $\displaystyle \phi^\circ$에 관한 함수로 각각 나타낼 수 있다.

$\displaystyle I(h^\circ)=I_0\sin(h^\circ)$ 또는 $\displaystyle I(\phi^\circ)=I_0\cos(\phi^\circ-23.5^\circ)$ --------------- ③

이 식에서 $\displaystyle I_0$는 $\displaystyle h^\circ$가 $\displaystyle 90^\circ$일 때(태양광이 지평면과 수직일 때) $\displaystyle I$의 값을 나타낸 것으로, $\displaystyle I$의 최댓값에 해당한다. 지표면에 도달하는 태양광 에너지를 효율적으로 획득하기 위해서는 태양전지를 설치하고 작동할 때 태양 고도를 중요하게 고려해야 함을 말해 준다.