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- WEC2P 시스템을 구성하는 것은 하이드로겔을 통해 연결된 두 가지 요소
- 유기 화합물 폴리아크릴아미드와 염 염화칼슘 형태의 폴리머 구조로 구성
- 전체적으로 WEC2P 시스템은 첫 30일 테스트에서 약 3.4리터의 물을 생산
- 2차 현장 테스트에서는 공기 중에서 얻은 물로 시금치 묘목 60그루를 키워 수확

태양과 사막의 공기에서 나오는 전기와 물
하이드로겔(Hydrogel)은 대기에서 물을 흡수하면서 광전지를 냉각시킨다.

사막을 위한 물과 전기:
새로운 유형의 결합 시스템은 사막 조건에서도 추가 자원 없이 분산형으로 물과 전기를 생성한다. 시스템의 핵심은 낮 동안 태양 전지를 냉각시켜 효율성을 높이는 하이드로겔이다. 젤은 밤에 공기에서 수증기를 흡수해 낮 동안에 식물로 가득 찬 온실로 방출할 수 있다. 

▲ 외딴 사막 지역을 위한 태양열 발전 및 식수 - 새로운 시스템이 이를 달성할 수 있다. © Renyuan Li

건조한 지역의 많은 주민은 식수와 농업을 위한 물이 부족할 뿐만 아니라 펌프 및 기타 장비를 위한 전기도 부족하다는 이중 문제에 직면해 있다. 라인 연결이 없어 분산 솔루션이 필요하다. 광전지는 전기를 생성하는 데 이상적이며 이론적으로 물은 사막에서도 밤공기에서 얻을 수 있다.

하이드로겔을 중심원소로

사우디아라비아 King Abdullah University의 연구원들이 최근 그러한 방법을 개발해 발표했다. 수석 저자인 펭 왕(Peng Wang)은 "우리 시스템은 청정에너지를 사용해 공기에서 물을 수확하고 있다"며 "사막이나 섬과 같은 외딴 지역의 분산된 소규모 정착지에 특히 적합하다”고 설명했다.

▲ 그림 1. 시스템 구성도(A-C) (A) WEC2P의 작동 원리. (B 및 C) (B) AWH-PV 냉각 및 (C) AWH 물 생산의 장치 구성이 표시된다. (출처: 관련논문 An integrated solar-driven system produces electricity with fresh water and crops in arid regions / Cell Reports Physical Science)

WEC2P라고 불리는 시스템을 구성하는 것은 하이드로겔을 통해 연결된 두 가지 요소다.
이 물질은 유기 화합물 폴리아크릴아미드와 염-염화칼슘 형태의 폴리머 구조로 구성된다. 이 조합을 통해 하이드로겔은 많은 양의 물을 가역적으로 흡수하고 결합할 수 있다. 상대적으로 낮은 습도에서도 물을 끌어들이는 효과가 있다.

▲ 그림 2. AWH 냉각 공정에 의한 냉각 성능 및 발전량 증가 평가. (A) 조립된 AWH-PV 모듈 뒷면의 디지털 사진. (B 및 C) 각각 AWH 냉각 층이 있거나 없는 PV 패널 후면의 디지털 사진. (D) 필드 테스트 실험 설정의 디지털 사진. (E 및 F) 각각 AWH 냉각 층이 있거나 없는 PV 패널의 IR 이미지. (G) 일일 누적 발전량. 참고: 누락된 데이터 포인트는 언급된 날짜(2021년 4월 11일, 15일, 16일 및 19일)의 시스템 유지 관리로 인한 것이다.(출처: 관련논문 Fig. 2)

태양 전지 및 물 생산을 위한 냉각을 하나로

하이라이트:
하이드로겔은 물 생산과 발전 모두에 사용된다. 사막의 밤의 서늘한 조건에서 하이드로겔은 공기에서 물을 끌어당길 수 있다. 낮에는 하이드로겔이 태양과 태양광 패널에 의해 가열되어 저장된 물을 인접한 탱크로 방출한다. 여기서, 높은 포화도로 인해 물이 응축되고 관개용으로 수집 및 사용할 수 있는 액체 물이 생성된다.

▲ 시금치 식물을 위한 미니 온실뿐만 아니라 태양 전지와 물 상자 아래의 필드 테스트. © Renyuan Li

두 번째 효과도 있다.
하이드로겔은 낮 동안 증발을 통해 물을 점차적으로 방출하지만 바로 위에 장착된 태양 전지의 냉각판 역할도 한다. 열의 일부를 흡수하여 전기 생산량을 향상시키기 때문이다. 너무 뜨거운 태양 전지는 열효율을 잃는다.

▲ 그림 3. AWH-수 생성 시험의 실험 구성 (A) AWH 물 생성 모듈의 디지털 사진(빨간색 점선 원). (B) 가까이에서 본 AWH 물 생성 모듈의 디지털 사진. 삽입: 물 수집 병은 실리콘 튜브 및 면심지(노란색 대시 원)와 연결되었다. (C) 응축실 내부의 응축된 물방울. (D) 500mL 유리병에 담긴 1일 이내의 물(사진은 2021년 5월 15일 촬영)다. (E) 일별 누적 발전량 기록. (출처:관련논문 An integrated solar-driven system produces electricity with fresh water and crops in arid regions)

시금치 재배에 충분한 물

4월과 5월, 그리고 2021년 7월에 Wang과 그의 팀은 사우디아라비아의 사막 열에서 현장 테스트 중에 이 조합 시스템이 실제 사용에서 얼마나 잘 작동하는지 조사했다. 하이드로겔이 없으면 태양광 모듈이 낮 동안 80도까지 가열되는 것으로 나타났다. 반면 냉각 하이드로겔은 태양전지의 온도를 평균 13~14도 낮췄다. "결과적으로 현재의 수율은 비냉각 패널에 비해 9~9.9% 증가했습니다"라고 팀은 보고했다.

응축 상자와 30 x 60cm 태양 전지가 있는 시스템의 물 생산량은 연구원들이 결정한 대로 하루에 약 600밀리리터(ml)였다. 전체적으로 WEC2P 시스템은 첫 30일 테스트에서 약 3.4리터의 물을 생산했다. 2차 현장 테스트에서는 공기 중에서 얻은 물로 시금치 묘목 60그루를 키워 수확했다.

▲ 그림 4. 물-전기-작물 통합 공동 생산 시스템(WEC2P)의 실험 설정 (A) 배치된 PGU의 디지털 사진. 파란색 뚜껑이 있는 2L 용량의 유리병 2개는 "AWH 냉각 및 담수 생성 테스트" 섹션에서 총 ~3.4L의 깨끗한 물로 채워진 저장병이다. (B) 토양 목욕 및 심은 물 시금치가 있는 PGU. (C) 천공된 보드 측벽. (D) 물 시금치의 성장 상태. (E) 시험 중 물 시금치의 줄기 높이. 오차 막대는 참조 날짜에 측정된 줄기 높이의 범위를 설명한다. (출처: 관련논문 Fig.4)

유틸리티 그리드의 물과 전기

"우리의 목표는 청정에너지, 물 및 식품 생산을 위한 통합 시스템을 개발하는 것이다"고 Wang은 말한다. "우리 개념의 물 추출 부분은 특히 다른 농업용 광전지 접근 방식과 구별된다." 과학자들은 시스템을 더욱 최적화하기 위해 이미 공기에서 더 많은 물을 끌어올 수 있는 훨씬 더 효율적인 하이드로겔을 연구하고 있다.

Wang은 "지구상의 모든 사람이 깨끗한 물과 저렴한 청정에너지에 접근할 수 있도록 보장하는 것은 UN의 지속 가능한 개발 목표의 일부다"며 "우리 시스템이 분산된 전기와 물을 생성하는 데 도움이 되기를 바란다"고 말했다.
(Cell Reports Physical Science, 2022, doi: 10.1016/j.xcrp.2022.100781)
출처: Cell Press

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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