우주 태양광 발전의 구조

우주 태양광 발전

태양광 발전은 태양 전지 패널에 닿는 태양광을 이용하기 때문에, 지상에서는 햇빛이 비추는 낮에만 발전할 수 있습니다. 또한 흐린 날이나 비오는 날은 발전 효율이 떨어집니다. 만약 태양광 패널을 우주공간에 설치할 수 있으면 일조시간이나 날씨에 좌우되지 않고 안정된 발전을 할 수 있게 됩니다. 실은 이 아이디어는 지금부터 약 50년 전에 생각되었으며, 현재도 연구 개발이 계속되고 있는 기술입니다. 우주 공간에서 태양광 발전을 하여, 생산된 전기에너지를 지상에 송전하여 이용하는 발전 시스템을 우주 태양광 발전(Space-based solar power, SBSP)이라고 합니다. 이 아이디어는 1968년에 미국의 항공 우주 기술자 피터 에드워드 글레이저(Peter Edward Glaser)가 제창한 태양 발전 위성(Solar-Power Satellite, SPS)이 기초가 되었습니다. 1977년 미국의 항공우주국 NASA와 에너지부는 태양 전지 패널을 갖춘 인공위성에 의한 발전 시스템의 구상을 내세웠습니다만, 이 구상은 기술적으로는 가능했지만 재정적인 문제로 연구가 중단되었습니다. 이 구상의 실현을 향해 계속적으로 연구에 착수한 것은 일본이었습니다. 일본의 우주 개발 사업단(JAXA)이 우주 태양광 발전의 연구를 개시한 것은 1990년대의 초입니다. 1990년대 말에 미국도 우주 태양광발전의 연구개발을 재개했지만, 미국의 에너지정책이 원자력에 기울고 있었던 이유도 있어, 현재는 지속적으로 연구개발을 추진해 온 일본의 기술이 세계에서 최상위 수준이 되었습니다.

우주 태양광 발전의 구조

JAXA의 우주 태양광 발전 시스템은 고도 약 36,000km의 정지 궤도 등에 설치한 우주 플랜트와 지구상에 설치한 지상 플랜트로 구성됩니다. 그 밖에 태양 동기 궤도나 준천정 궤도에 설치하는 것도 생각되고 있습니다. 정지 궤도는 하루 24시간 상시 발전이 가능하지만, 에너지의 전송거리가 길어지기 때문에 송수신의 설비가 커진다는 문제가 있습니다. 우주 플랜트에서 발전된 에너지는 전자기파로 변환되어 지상 플랜트로 전송됩니다. 지상 플랜트에서는 전송되어 온 전자파의 에너지를 전기 에너지로 변환해 사용하거나, 수소를 제조 하기 위한 에너지로서 사용하거나 합니다. 우주 플랜트에서 지상 플랜트로 에너지를 전송하는 방법에는 마이크로파(전파)를 사용하는 방식과 레이저광을 사용하는 방식이 있습니다. 마이크로파를 사용하는 방식은 반사경과 태양 전지 패널을 갖추고 있으며, 반사경으로 모은 빛으로 발전합니다. 발전으로 얻은 전기 에너지는 구름이나 비 등의 영향을 받기 어려운 2.45GHz, 또는 5.8GHz의 마이크로파로 변환되어 지상 플랜트로 전송됩니다. 지상 플랜트에서는 수신한 마이크로파를 다시 전기 에너지로 변환하여 이용합니다. 우주 플랜트의 반사경과 지상 플랜트의 수전 설비를 직경 2~3킬로미터로 한 경우, 원자력 발전소 1기분에 해당하는 약 100만kW의 발전이 가능해집니다. 레이저광을 사용하는 방식에는 태양 전지 패널이 없습니다. 반사경으로 모은 태양광을 직접 레이저광으로 변환하여 지상 플랜트로 전송합니다. 전송에 사용하는 레이저는 파장 1064나노미터의 근적외선을 사용합니다. 이것은 이 파장의 빛이 대기에 의한 흡수가 적고, 대기로 산란되지 않고 멀리까지 도달하기 때문입니다. 지상 플랜트에서는 전송되어 온 레이저광을 전기 에너지로 변환하고, 그 에너지로 해수를 전기분해하여 수소를 제조합니다. 또한 레이저광을 직접 해수와 광촉매에 쏘아, 해수를 광분해하여 수소를 제조하는 방법도 검토되고 있습니다. 우주 플랜트에서 지상 플랜트로 전송되는 마이크로파나 레이저광은 항공기나 조류에 영향이 없는 강도의 것이 사용됩니다. 또한 두 전송 방식 모두 에너지는 지상 플랜트에서 나오는 파일럿 신호에 의존하여 전송됩니다. 어떠한 이유로 파일럿 신호를 수신할 수 없게 되면 전송이 멈추게 됩니다.

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우주 태양광 발전의 채산성

우주 태양광 발전에 필요한 기술적 과제는 현재의 과학 기술을 통해 해결할 수 있다고 생각되고 있습니다. 하지만 채산성은 어떨까요. JAXA의 시산에 의하면, 우주 태양광 발전은 지상에서의 태양광 발전에 비해 5~10배 효율이 좋다고 되어 있습니다. 또 다른 발전방식에 비해 이산화탄소 배출량이 적고, 원자력발전과 같이 핵폐기물을 배출하지 않습니다. 그리고 무엇보다 태양광이 에너지원이므로 안정적인 공급이 보장되기 때문에 화석연료처럼 고갈될 염려가 없습니다. 여기서 우주 태양광 발전의 발전 비용은 지상 발전 비용에 필적해야합니다. 현재 지상 발전 비용은 10엔~15엔/kWh입니다. 100만kW의 발전 플랜트의 건설 비용은 인공 위성과 지상 설비를 합쳐 약 1조 2400억엔으로 추산되고 있습니다. 플랜트의 수명을 30년으로 설정했을 때의 발전 비용은 8.5엔/kWh가 됩니다. 덧붙여서 일본의 H-IIB 로켓이 정지 궤도까지 운반할 수 있는 기재는 8톤입니다. 1회의 발사 비용은 약 150억엔이기 때문에, 어떻게 우주에 운반하는 기재를 경량화하는가가 코스트 삭감의 중요한 열쇠가 됩니다. 현재 우주 태양광 발전은 미래에 수익성 있는 시스템을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 현재, JAXA는 2030년경에 상용화를 목표로 연구 개발을 진행하고 있습니다.