제 35 회 전국과학전람회

지구과학

태양 복사 에너지 이용에 관한

우리들의 탐구

-태양 연못에 대하여-

대 전 용 전 중 학 교

제 2 학년 김재훈 이문수

지도 교사 길 기 헌

<차 례>

Ⅰ. 탐구 동기 및 목적 ··································································1

Ⅱ. 이론적 배경 ··············································································1

Ⅲ. 탐구 내용 ···················································································4

Ⅳ. 탐구 방법 및 결과 ··································································4

Ⅴ. 요약 및 결론 ··········································································12

Ⅳ. 앞으로의 연구 과제 ······························································13

참 고 문 헌 ····················································································13

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Ⅰ. 탐구 동기 및 목적

1. 탐구 동기

어릴 때 집 앞 냇가에서 수영을 하면서 깊은 곳으로 들어 갈수록 차가움을

알고 있었는데 어느 날 학교 도서실에서 읽은 과학 문고의 내용 중 염분의 농

도가 높은 사해지방의 경우 해수면과 수심이 겨우 2-3m 되는 곳과의 온도차가

깊을수록 높아진다는 내용을 보고 얼른 이해가 안되어 선생님의 지도를 받아

본 결과 본 연구를 시작하게 되었다.

2. 탐구의 목적

태양 복사에너지를 경제적이고 간단한 방법으로 물속에 저장하였다가 천연에

너지 자원의 고갈에 따른 대체에너지로 이용할 수 있는 방법을 탐구해 보고자

하였다.

Ⅱ. 이론적 배경

태양 연못1)의 집열 및 축열 성능은 얼마나 많은 태양에너지가 소금물 층을

거쳐서 연못 바닥까지 침투되고 복사열로 전환되며, 침투하는 과정에서 얼마나

유효 복사열로 전화되는가에 크게 의존한다.

태양 연못의 상부 대류층(표면층)에 도달하는 태양 복사에너지 중에서 장파장

성분은 대부분 상부의 물층에서 흡수되어 그 열은 대부분 대기중으로 발산되며,

나머지 파장 성분의 복사에너지는 비대류층과 열 저장층으로 침투되어 흡수된

다.

태양 연못의 구조 형태에 따른 각 층간의 열적 상관관계는 다음과 같이 설명

된다.

1) 태양 연못이란 태양으로부터 도달된 에너지를 받아들이고 이를 저장하기 위하여 매우 큰 체적

의 소금물을 사용한 열적 시스템이라 할 수 있다.(KE 88. 태양에너지 이용 신기술 개발. 한국

동력자원연구소, 1988. pp. 73-77.의 내용을 요약함)

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<그림 1> 태양 연못의 형태

1. 표면층

순수한 물로써 조성시켜 주는데 주요 역할은 바람의 영향에 의한 파동 현상

으로 말미암아 비대류층의 농도 구배가 파괴됨을 방지하고, 태양열에 의한 비대

류층의 증발에 따른 농도 구배의 변형을 억제하며 먼지 및 이물질 등이 비대류

층으로 부유 또는 침전되는 것을 방지하거나 지연시켜 주는 것이다.

표면층의 두께가 작아질수록 열저장층의 집열효율이 증가하지만 실질적으로

는 물층이 없이는 태양 연못을 최적의 상태로 운영하는 것이 불가능하다.

2. 비대류층

태양에너지의 집열과 축열 효과에 가장 중요한 역할을 하고 유지 및 관리가

가장 어려운 층이다. 비대류층은 소금의 농도 구배가 형성되어 있기 때문에 열

저장층인 하부 대류층으로 투과 흡수된 태양열이 온도차에 의한 대류현상 때문

에 대기층으로 급속히 손실되는 것을 방지하는 단열 역할을 한다. 그러므로 비

대류층을 통한 열손실은 대부분 열전도에 의한 열전달 현상에 의해서만 발생하

게 된다. 따라서 비대류층의 두께는 태양 연못의 집열 효율에 가장 큰 영향을

미치며 사용 목적, 즉 추출하고자 하는 열량에 따라 두께의 결정이 달라진다.

3. 열저장층

저장된 열의 사용 목적에 따른 추출 열량과 그 온도에 따라서 깊이가 결정된

다. 즉 이 층의 두께를 결정하는 주요 변수들은 열을 추출할 때 유지시켜야 할

최저 또는 최고 온도 그리고 열량과 직접 연관되는 저장층으로부터의 최소 또

는 최고 추출 유량과 두께가 결정되어야 한다.

예를 들어 태양 연못의 열 사용 목적이 온수 생산용이면 열저장층의 최저로

유지시켜야 할 온도는 약 40-45℃정도이고 만일 최고 온도가 이 온도보다 낮아

지면 열 추출을 중단하고 층의 온도가 그 이상으로 도달할 때까지 태양열을 축

열시키거나 열 추출시의 유량을 극소로 조절하여 유지시켜 주어야 할 온도에

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이르도록 하여야 한다.

열저장층의 깊이를 크게 할수록 추출하고자 하는 열량은 증가하지만 건설된

태양 연못의 전체 면적에 대하여 집열 및 축열되어질 수 있는 열량에는 한계가

있고 목적하는 온도에 다다르는 축열 시간이 길어진다.

<그림 2> 태양 연못의 집열작용 개념도

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Ⅲ. 탐구 내용

1. 태양열을 저장하려면 어떤 물질이 좋을까?

2. 천일염의 건조 후 질량 및 혼합시 부피는 어떻게 될까?

3. 소금물의 농도에 따른 확산 정도는 어떻게 나타날까?

4. 우리 고장(대전)의 월별 일 평균 일사량 조사

5. 소금물의 끓는점은 농도에 따라 어떻게 달라질까?

6. 실험용 태양 연못의 제작 및 실험

7. 태양 연못 설치의 위치는 어느 곳이 좋을까?

Ⅳ. 탐구 방법 및 결과

탐구1. 태양열을 저장하려면 어떤 물질이 좋을까?

가. 축열 밀도나 비열이 클수록 좋고

나. 값이 싸고 장기적으로 대량 입수가 가능한 것이어야 하며,

다. 되풀이해서 사용되며 장기간에 걸쳐 안정성이 있는 물질이어야 한다.

라. 일정 온도에서 과냉각 현상이 적을수록 좋으며

마. 열의 출입이 용이해야 하고.

바. 화학적으로 부식성이 없어야 한다.

이상의 조건을 만족하는 태양열 저장 물질은 ‘소금물’이 적당할 것으로 추정하

였다.

탐구 2. 천일염의 건조 후 질량 및 혼합시 부피는 어떻게 될까?

가. 방 법

1) 천일염 100g을 건조기에서 300℃로 2일간 건조 후 질량을 측정한다.

2) 천일염 100㎖과 물 100㎖을 혼합하여 천일염이 물에 용해시 부피 변화를 관

찰한다.

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나. 결 과

실험수

구 분1 2 3 4 5 평 균

건조후질량(g) 78.4 79.3 79.2 78.1 80.0 79.0

혼합부피(㎖) 148.5 147.8 148.6 149.2 149.5 148.7

다. 알아낸 점

1) 완전히 건조한 소금과 천일염의 질량비는 0.79 : 1.0이었다.

2) 천일염이 물에 용해시 생기는 부피 변화는 약 1 : 0.5로 감소하였다.

3) 이로써 농도 조성시 천일염 속의 수분 함량과 부피를 정확히 산출해 낼 수

있었다.

탐구 3. 소금물의 농도에 따른 확산 정도는 어떻게 나타날까?

가. 방 법

1) 소금물을 농도별로 색소를 첨가하여 확산 정도를 관찰한다.

2) 소금물의 농도별 빛의 굴절을 조사하여 본다.

나. 결 과

(기준 : 1주일)

높이(㎝)

농도차(%)1 2 3 4 5

1%간격 소금물 △ △ × × ×

3%간격 소금물 ○ ○ △ △ ×

5%간격 소금물 ○ ○ ○ △ △

× : 안섞임 △ : 조금섞임 ○ : 섞임

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<그림 3> 농도별 확산실험

다. 알아낸 점

1) 농도차가 작을수록 확산 속도가 느리거나 또는 확산이 일어나지 않는다.

2) 접촉면의 농도차가 클수록 확산 속도가 빨랐다.

3) 농도층의 두께가 두꺼울수록 확산 시간이 길어졌다.

4) 온도차가 클수록 확산이 빠른 것을 알았다.

탐구 4. 우리 고장(대전)의 월별 일평균 일사량 조사

가. 방 법

대전지방의 월별, 일평균 수평면 일사량을 대전지방 기상대 자료를 이용하여

조사함.

기간 : 1988. 8. 1 - 1989. 7. 31

나. 결 과

(단위 : MJ/㎡. 일)

월‘88

89 10 11 12

‘89

12 3 4 5 6 7 평균

일 사 량 16.9 12.9 9.4 8.3 6.1 5.0 8.4 13.0 17.9 18.4 16.6 14.5 12.3

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<그림 4> 대전지방 월별 일평균 일사량 (’88. 8 - ’89. 7)

다. 알아낸 점

1) 1년 중 4, 5월의 일사량이 가장 많았다.

2) 대전지방의 년평균 일사량은 12.3MJ/㎡. 일 이었다.

3) 1년 중 여름철인 7월의 일사량이 적은 것은 장마와 구름 형성이 많은 계절

이기 때문으로 생각된다.

탐구 5. 소금물의 끓는점은 농도에 따라 어떻게 달라질까?

가. 실험 방법 및 결과

물, 소금물 6%와 12%을 알코올 램프로 가열 끓는점 조사.

(용액 200g, 표준온도계 사용)

1) 측정값

(단위 : ℃)

시간(분)

용액0 5 10 15 20 25 30 35

물 55.5 71.8 81.4 89.3 93.1 95.3 98.2 100

6% 소금물 43.0 65.8 84.3 98.7 100 100.2 100.8 101.2

12% 소금물 44.5 67.5 86.4 99.3 100.5 100.7 102.1 102.4

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2) 가열 곡선

<그림 5> 물과 소금물의 가열곡선

나. 알아낸 점

1) 물이 끓고 있을 때의 온도는 100℃이었다.

2) 물보다 소금물의 끓는점이 높았다.

3) 농도가 높을수록 끓는점이 높아졌다.

4) 소금물이 끓고있는 동안 수분이 증발되어 농도가 높아짐에 따라 온도는

차츰 높아졌다.

탐구 6. 실험용 태양 연못의 제작 및 실험

가. 제작

1) 실험용 태양 연못(수조)

① 가로 40㎝, 세로 30㎝, 높이 70㎝의 수조를 만들어 받침대 (45×35×10㎝)

를 부착 밑면과 옆면을 단열처리 하였다.

② 수조 바닥은 태양열 흡수를 잘하도록 검정색을 칠하고 열추출용 동파이

프를 장치하였다.

③ 깊이별 온도 측정을 위하여 10㎝ 간격으로 온도계를 부착하였다.

2) 농도 용액 주입기(Diffuser)

ø20㎝의 아크릴판 2장을 10㎜높이로 접착하여 중앙에 PVC 파이프를 연결

깔때기를 통하여 적은 양의 용액이 흘러 들어갈 수 있도록 제작하였다.

3) 할로겐등

90㎝ 높이의 전기스탠드 끝에 할로겐등을 부착, 태양열과 같은 조건으로 만들

어 주었다.

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4) 실험용 태양 연못의 모형

<그림 6> 실험용 태양 연못 <그림 7> 농도 용액 주입기

5) 기구 설명

① 수조 - 40×30×70㎝크기의 유리로 제작, 외부에는 단열재로 부착함.

② 수조 받침대 - 45×35×10㎝크기의 목재로 제작, 밑면에는 단열재를 부착함.

③ 열추출용 파이프 - 동파이프를 바닥에 장치함.

④ 열추출구 - 열을 외부로 배출할 수 있도록 장치함.

⑤ 온도계 - 10㎝ 깊이로 구분하여 부착함.

⑥ 물 배수구 - 표면층의 물높이가 일정하게 유지되도록 제작함.

⑦ 농도 용액 주입기 - ø20㎝의 아크릴판 두장을 높이 1㎝로 접착하고 중앙에

PVC파이프를 연결 맨 위에는 깔때기를 부착함.

나. 실험용 태양 연못 조성

1) 실험용 태양 연못은 바닥에 검정색으로 칠하고 열추출용 파이프를 장치하였

다.

2) 실험용 태양 연못 바닥에서부터 열저장층(30-35㎝), 비대류층(18-20㎝), 표면

층(4-6㎝)으로 구분하였다.

3) 소요되는 소금의 양을 다음과 같이 대략적으로 산출해 낼 수 있었다.

소금의 양 = 〔열저장층의 부피 + 1/2(비대류층의 부피)〕×0.2

4) 연못 조성 절차는 소금 붓기 (13㎏) → 물 채우기(비대류층 중간까지) → 저

어주기(포화상태에 이르도록) → 농도 용액 주입기를 이용 농도층 형성 →

표면층은 물만으로 채웠다.

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다. 비대류층 내의 불안정 요인 제거

태양 연못은 저장층의 온도가 가열되는 동안 안정 상태에 있는 비대류층 내

에 미미하긴 하지만 불안정한 대류층이 생성되는 것을 방지하기 위하여 다음과

같은 방법으로 예방 및 치료를 할 수 있다.

① 열에너지가 축적되는 것보다 빠르게 열을 회수하여 사용하는 방법을 이용한

다.

② 농축된 소금물을 불안정층에 주입하는 방법으로 이 경우 충분한 소금은 결

국 저장층의 농도를 높여주는 역할을 하게 될 것이 예상되므로 이와 같은

관점에서 볼 때 미리 저장층의 농도를 높게 유지하여 비대류층의 내에 생성

되는 불안정층 현상을 예방할 수 있을 것이다.

라. 실험 방법 및 결과

1) 방 법

태양 연못 상단 20㎝ 높이에서 할로겐등을 설치하여 빛을 비춘다.

등교 후 08시 할로겐등을 켜고 일과 후 18시에 할로겐등을 끈다.

2) 조성 직후 측정온도

1989. 5. 21. 16:00

깊 이(㎝) 0 10 20 30 40 50 60 70

온 도(℃) 20.1 20.3 21.2 21.5 22.3 22.1 21.7 20.6

<그림 8> 태양 연못 측정온도(1989. 5. 21)

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3) 조성 1달 후 측정온도

1989. 6. 20. 14:00

깊 이(㎝) 0 10 20 30 40 50 60 70

온 도(℃) 31.1 38.7 52.4 59.5 61.7 60.3 59.2 58.3

<그림 9> 태양 연못 측정온도91989. 6. 20)

4) 알아낸 점

① 실험용 태양 연못의 조성 직후는 깊이별 온도차가 거의 없었다.

② 실험용 태양 연못 조성 1달 후의 열저장층의 온도가 60℃까지 상승하였다.

③ 물 속에 비대류층(농도층)을 형성하여 주면 장기간에 걸쳐 태양에너지를 저

장할 수 있음을 알았다.

탐구 7. 태양 연못 설치의 위치는 어느 곳이 좋을까?

가. 소금을 조달하는데 편리한 위치이어야 하며

나. 배수가 잘되고 단열효과가 좋은 건조한 토양을 가진 곳이어야 한다.

다. 연못을 만들고 연못 표면층의 물을 자주 씻어낼 수 있게 할 수 있는 만큼

깨끗한 물을 쉽게 얻을 수 있는 곳이어야 하며

라. 일사조건이 양호한 곳이어야 좋다.

마. 연못의 청결 및 표면층의 파동 현상을 감안하여 비교적 바람이 세지 않은

곳이어야 좋다.

바. 지하수가 없는 곳이거나 온도가 높아 연못의 열손실을 최소화할 수 있는 곳

이어야 좋다.

사. 취득한 연못의 열을 쉽게 사용할 수 있는 곳이어야 하며,

아. 토양이 연못의 벽체를 튼튼히 견딜 수 있는 만큼 밀도가 높은 곳이어야 좋

다.

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Ⅲ. 요약 및 결론

A. 요 약

본 탐구는 태양 연못에 관한 이론적 개념과 이용 가능성을 찾아보고자 다음

과 같은 과정으로 수행하였다.

1. 태양열을 저장할 수 있는 물질로 값싸고 풍부한 소금물을 생각하였다.

2. 천일염의 건조전과 후의 질량과 물에 용해시 부피 변화를 조사 소금물의 농

도를 정확히 산출할 수 있었다.

3. 소금물의 농도에 따른 확산의 정도는 농도차가 작을수록 확산이 일어나지 않

았음을 알았다.

4. 소금물의 농도가 클수록 끓는점이 높았다.

5. 우리 고장(대전)은 위도가 낮고 일사량이 풍부하여 태양열 이용의 가능성을

알았다.

6. 실험용 태양 연못을 제작하여 실험을 한 결과 태양에너지가 저장될 수 있음

을 탐구하였다.

이상으로 우리 나라에서 이론적인 개념과 원리해석이 쉽고 건설의 용이성과

특별한 재료 선택이나 개발을 요구하지 않으면서 축열 용량이 방대하고 연중

기상 변화에 영향을 크게 받지 않으면서 열공급원으로서는 태양 연못이 이용될

수 있도록 계속적인 연구가 있어야겠다.

B. 결 론

1. 물 속 중간에 밀도가 다른 농도층을 조성해 주면 물 속에서 온실효과를 기대

할 수 있다.

2. 태양 연못은 태양으로부터 도달되는 에너지를 흡수 여러 계절에 걸쳐 꾸준히

에너지를 저장할 수 있다.

3. 태양 연못에 저장된 열은 온수용, 열공급, 난방, 수영장, 농수산물의 건조나

저온 발전등에 이용될 수 있을 것이다.

4. 건조한 소금과 천일염의 중량비가 0.79 : 1.0이었다.

5. 우리 나라에서는 소금을 조달하기 쉽고 기후적으로 따뜻한 남해안 지역의 바

닷가 불모지나 유휴지를 이용하면 태양 연못을 활용할 수 있을 것이다.

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Ⅳ. 앞으로의 연구 과제

1. 태양광의 투과율이 물과 비슷하거나 높으면서 대류 현상을 억제하여 열손실

을 최소화할 수 있는 물질이 연구 개발되어야 겠다.

2. 비대류층의 두께나 농도차가 어떠할 때 가장 높은 열을 저장할 수 있을까?

참 고 문 헌

위용호 편역, 태양에너지의 기초와 응용, 서울 : 세진사 1983.

조서현, 태양에너지 신기술 개발, 한국동력자원연구소, 1987.

정현채, 태양에너지. 경희대 출판국, 1980.

학생과학교육문고, 기초화학실험(Ⅰ), 도서출판 마당, 1986.