"사막 공기에서 물 뽑는다" 봉이 김선달 뺨치는 과학자들


제습제로 밤에 공기 중 물 흡수

낮에 수증기로 방출해 전지 식혀

온도 10도 낮춰 발전효율 19% 높여

딱정벌레 모방한 수분 흡수 장치도


    사막의 공기에서 수분을 뽑아내 태양전지를 식히고 마실 물도 만든다. 봉이 김선달이 할 법한 말 같지만, 과학자들이 현실로 만들고 있다.


사막의 과학자들이 최근 공기에서 물을 뽑아내 태양전지를 식힐 수 있는 방법을 개발했다. 냉각수는 나중에 식수로 활용할 수 있어 일석이조(一石二鳥)의 기술이 될 전망이다.


공기에서 물을 뽑아내 태양전지를 식히는 원리. 밤(왼쪽)에 겔이 공기 중의 수분을 흡수했다가 낮(오른쪽)에 온도가 높아지면 수증기로 방출해 과열된 태양전지를 식힌다. 실험에서 태양전지 온도를 10도나 낮춰 발전 효율이 19% 높아졌다./KAUST


 

Solar panels improved with water harvester

A sorption-based atmospheric water harvester developed in Saudi Arabia could make photovoltaic devices more efficient in hot climates.




The cooling system developed at KAUST is said to have improved the efficiency of a prototype solar panel up to 20 per cent and requires no external energy source to operate.


KAUST team create hydrogel combination to tap more water from air


Commercial silicon photovoltaic panels transform a small portion of absorbed sunlight into electricity, while the remainder of the radiation becomes heat. Efforts to cool solar panels with techniques including refrigeration or air conditioning tend to consume more energy than can be gained back through efficiency boosts.


Now, a team led by Peng Wang from KAUST’s Water Desalination and Reuse Center has developed a proof-of-concept device that aims to reverse this situation via the natural properties of the Earth’s climate. The team’s results are published in Nature Sustainability.


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https://www.theengineer.co.uk/solar-panels-water-harvester-efficiency-kaust



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사우디아라비아 킹압둘라공대(KAUST)의 펭 왕 교수 연구진은 지난 11일(현지 시각) 국제학술지 ‘네이처 지속가능’에 “공기에서 뽑아낸 물로 태양전지를 식혀 발전(發電) 효율을 20%까지 높이는 데 성공했다”고 밝혔다.


사막처럼 햇빛이 강하면 태양전지가 전기를 마구 생산할 것 같지만, 현실은 다르다. 현재 상용화된 실리콘 태양전지는 흡수한 햇빛의 20% 정도만 전기로 바꿀 수 있다. 대부분은 열로 바뀐다. 이 과정에서 태양전지를 섭씨 40도까지 높인다. 태양전지는 25도 이상이 되면 발전 효율이 급격히 떨어진다.


특히 이번에 개발된 수랭(水冷) 기술은 별도로 에너지를 투입할 필요가 없어 경제성이 높다고 연구진은 밝혔다. 냉장고나 에어컨 기술을 이용한 기존 냉각 기술은 외부에서 에너지를 투입해야 한다는 단점이 있다. 전기를 만들려다 되려 전기만 더 쓰는 꼴이 될 수 있다.


제습제로 공기 중 물 흡수해 태양전지 냉각

연구진은 제습제로 널리 쓰이는 염화칼슘을 넣어 고분자 물질을 개발했다. 습한 공기에 고분자 물질이 노출되면 물을 빨아들여 겔 상태가 되면서 무게가 두 배까지 증가한다. 연구진은 고분자 물질에 열 흡수 능력이 뛰어난 탄소나노튜브를 넣었다. 탄소나노튜브는 탄소 원자가 벌집 모양으로 이어진 다발 형태의 물질이다.


겔은 어떤 물체든 잘 달라붙는 장점도 있다. 연구진은 1㎝ 두께의 고분자 겔을 표준 크기의 태양전지 패널 뒷면에 붙였다. 겔은 후덥지근한 사막의 밤에 공기 중에서 수분을 흡수한다. 낮에 온도가 높아지면 태양전지가 뜨거워진다. 탄소나노튜브는 이 열을 흡수하고 겔이 갖고 있던 물을 수증기로 바꾼다. 사람이 땀을 흘리면 체온이 내려가듯 수증기는 태양전지의 온도를 낮춘다.


실험 결과 겔이 부착된 태양전지는 온도가 10도 낮아졌다. 덕분에 발전 효율도 19%까지 높아졌다고 연구진은 밝혔다. 습도 35% 정도의 사막 환경이라면 1㎡ 면적의 태양전지 패널은 겔 1㎏이 필요하고, 습도가 80%에 이르면 300g의 겔로도 충분히 냉각 효과를 거둘 수 있다고 연구진은 밝혔다.


연구진은 “이번에 개발한 겔은 응용가능성이 무궁무진하다”며 “수 ㎜ 크기로 만들어 휴대용 전자기기에 넣을 수도 있고 수백 ㎡ 면적의 건물에 적용할 수도 있다”고 밝혔다.


연구진은 겔이 방출한 수증기를 응축시켜 다시 물로 만드는 시스템도 개발했다. 이 물은 태양전지 표면을 청소해 발전 효율을 더 높일 수 있다. 물이 귀한 사막에서 식수로도 쓸 수 있는 것은 물론이다.




사막 딱정벌레 모방한 물 흡수장치도 나와

사막의 공기에서 물을 뽑아내는 기술은 다양하게 개발됐다. 사막 딱정벌레를 모방한 기술이 대표적이다. 2014년 미국 라이스대 연구진은 남아프리카 나미비아 사막에 사는 ‘스테노카라(Stenocara)’라는 학명(學名)의 딱정벌레를 모방해 공기에서 물을 뽑아내는 기술을 개발했다.


나미비아 사막에 사는 딱정벌레 스테노카라는 등에 있는 돌기를 이용해 공기 중의 수분을 뽑아내 마신다./Science


딱정벌레 등에게는 미세 돌기들이 촘촘히 나 있다. 돌기의 끝은 물과 잘 달라붙지만 돌기 아래 홈이나 다른 부분은 물을 밀어낸다. 딱정벌레에는 안개가 낀 아침에 물구나무를 서서 바람 부는 쪽으로 등을 세운다. 그러면 수증기가 돌기 끝에 달라붙었다가 무게를 견디지 못하고 아래쪽 딱정벌레의 입으로 흘러간다.


연구진은 여기서 착안해 탄소 원자로 이뤄진 미세 원통들을 만들었다. 윗부분에는 물과 잘 결합하는 물질로, 아랫부분은 물을 밀어내는 물질로 코팅했다. 이 장치를 공기 중에 세로로 세워두자 곧 탄소 원통 사이사이에 물이 맺혔다.




물을 흡수하는 금속 스펀지도 나왔다. 2018년 미국 매사추세츠공과대(MIT)와 UC버클리 공동 연구진은 수분을 흡수하는 소재인 금속유기구조체(MOF)를 이용해 상대습도가 평균 20% 이하인 애리조나주의 사막에서 마실 물을 만드는 데 성공했다. 이 연구에는 MIT의 한국인 연구자인 김현호·양성우 연구원도 참여했다.


실험 장소는 애리조나주 스코츠데일 부근의 사막 지대였다. 이 지역은 습도가 밤에 40%, 낮에는 8%까지 떨어져 미국에서도 가장 건조한 지역으로 꼽힌다.


지르코늄이라는 금속으로 이뤄진 MOF로 공기가 지나가면 공기 속의 수분이 흡착된다. MOF는 내부에 수많은 통로와 구멍이 빽빽하게 들어차 있어 표면적이 엄청나게 크다. 각설탕 크기의 MOF는 축구장 6배 크기의 면적을 갖는다. 이런 구조 덕분에 스펀지처럼 가스나 액체를 다량 흡수할 수 있다. 낮에 햇빛을 받아 MOF의 온도가 올라가면 수증기가 방출된다. 이 수증기는 기계 바닥에 있는 응축기를 통해 바로 물이 된다.

이영완 과학전문기자 조선일보


출처 : http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2020/05/13/2020051300759.html

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