[에너지단열경제]안조영 기자

태양열발전이란 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지의 광열학적 이용분야다.
즉, 태양이 복사하는 열에너지를 흡수하여 열기관과 발전기를 움직여서 전기를 생산하는 기술이다.
태양의 빛에너지를 이용해 전기 또는 화학 작용에 따라서 전기를 생성하는 태양광 발전과는 별도의 방식이다.

<태양열의 시스템 및 원리>

태양열 발전은 반사판을 이용하여 햇빛을 집중시켜 1,000℃에 가까운 열을 얻은 다음 이 열을 이용하여 전기를 생산하는 방식이다.
발전기는 태양열을 거울로 반사시켜 한 곳에 집중한 후 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 증기터빈을 작동시켜서 전기를 얻는다.
화력은 화석연료ㆍ원자력은 방사성물질ㆍ태양열은 햇빛을 열원으로 삼는다는 것이 다를 뿐, 근본적으로 열원으로 물을 데워 그 증기로 터빈을 돌려 발전한다는 점에서는 동일한 방법이다.
태양열 발전시설은 대체로 접시엔진(dish/engine) 시스템, 전력 타워(power tower) 시스템, 홈통형(trough) 시스템의 세 가지가 주로 통용되고 있다.
이들 시스템은 모두 집중흡수장치, 전달·저장장치, 변환장치라는 세 개의 핵심장치로 구성된다.
집중흡수장치는 볼록렌즈나 파라볼 반사판처럼 햇빛을 한 곳으로 집중시킨다.
태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치이다.
가장 중요한 부분으로 간단한 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 유체를 흐르게 하는 평판 집열관이다.
이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으킨다.
빛이 집열판 속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워진다.
전달·저장장치는 이 뜨거워진 열을 열전달 매체를 통해 에너지 변환기로 전해주며, 열교환 되어 이용할 곳에 활용될 매체를 저장한다.
열전달매체는 오일(Thermal Oil) 또는 용융염(Molten Salt)을 사용하며 300~500도까지 올라가 파이프 라인을 타고 이동하면서 물에 열을 전달하고 온도가 내려가면 다시 가열 지점으로 돌아와 열을 흡수하고 파이프라인을 순환하게 된다.
즉, 직접 물을 끓이는 것이 아니라 열전달매체를 활용해 열교환기에서 간접적으로 물에 열을 전달하여 물을 끓이게 되는 방식이다.
변환장치는 전달된 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 장치다.
태양열시스템 가운데 하나인 접시엔진 시스템은 여러 개의 접시형 반사판에 반사된 빛이 하나의 초점으로 모이도록 오목거울 형태로 조합하고 초점에는 흡수장치와 엔진을 설치하였다.
햇빛은 접시에서 반사되어 흡수장치로 흡수되고, 흡수장치는 흡수된 에너지를 엔진의 작용매체로 전달한다.
엔진에서는 열을 이용하여 기계적 힘을 만들고 이 힘은 다시 전기 에너지로 변환된다.
이 시스템에서는 높은 열을 얻어야 하기 때문에 집중장치는 항상 해가 움직이는 방향으로 향할 수 있도록 이중의 축이 설치되어 있다.
한 개의 축은 하루 동안의 해의 움직임을 추적하고, 또 하나의 축은 1년간의 움직임을 추적한다.
전력 타워 시스템은 수백∼수천 개에 이르는 거울과 이들 거울의 초점 부분에 위치한 타워로 구성된다.
거울에는 두 개의 축이 달려 있어 해를 추적할 수 있고, 이들 거울 조합의 초점에는 흡수장치가 설치되어 있다.
흡수장치는 타워 꼭대기에 위치하며, 용융된 소금처럼 열을 흡수하고 보유하는 능력이 뛰어난 열매체가 흐르고 있다.
이 열매체가 물을 증기로 변환시켜 증기터빈을 돌리는 과정에서 전기가 생산된다.
흡수장치 속에서 태양에너지를 흡수한 용융 소금은 온도가 1,000℃ 가까이 상승한다.
연결형이라고도 불리는 홈통형 시스템은 포물선형으로 구부러져 홈통처럼 생긴 집중장치와 그 초점들의 연결선에 길게 자리한 흡수장치로 구성된다.
집중장치는 포물선형으로 구부러진 긴 금속반사판이나 유리거울을 사용하며, 이 장치가 길게 남북 방향으로 하나의 축으로 연결되어 있다.
이 축은 회전할 수 있도록 하여 해가 움직일 때 집중장치가 해를 따라 돌면서 가능한 한 많은 직사광을 받도록 한다.
흡수장치는 긴 관의 형태로, 내부에는 섭씨 400도까지 올라가는 기름이 들어 있다.
이 뜨거운 기름은 물을 증기로 만들어서 증기터빈을 회전시키고, 이 회전에 의해 전기 에너지가 만들어진다.
홈통형 시스템은 발전뿐만 아니라 공장의 제조열을 얻는 데도 사용되고, 흡수장치의 관 속에 폐수를 흘려보내 자외선을 흡수하도록 하여 폐수 정화처리에도 사용된다.
태양열발전사업은 1990년대 초기 캘리포니아의 세액공제 인센티브에 힘입어 350MW 설비용량이 설치된 이후 정체되었다가 이스라엘과 스페인, 미국에서 상업용 설비가 설치되어 다시 관심을 끌면서 기술 개발과 잠재 투자수요가 늘고 있다.
2004년에는 미국 애리조나주에서 1MW급 파라볼라형 태양열 발전설비가 설치되었다.

<태양열발전의 장점과 단점>
(부제=장점=다양한 적용 및 이용성, 무공해, 무제한 청정에너지원, 지역적 편중이 적음
단점=초기 설치비용이 높음, 밀도가 낮고, 간헐적

태양에너지의 근본인 복사열은 지구상에서 최대의 신재생 에너지원이다.
전 세계 사막의 약 1%에만 태양열 발전시설을 설치하면 전 세계의 전기 수요가 모두 충족될 수 있을 것으로 추정된다.
태양열 에너지원은 풍력 또는 바이오메스보다 전 세계의 훨씬 넓은 지역에 걸쳐 태양권역이 고르게 분포하고 있어, 보다 넓은 지역에서 에너지원의 이용이 가능하다.
또한 태양열 에너지원은 환경오염의 가능성이 적고 자급자족이 가능하며 무한하게 공급된다는 장점을 가진다.
태양열 발전의 기술 개발을 통해 기존 에너지 절감 및 대체 효과가 제대로 이루어진다면 눈에 띠는 환경개선 효과가 나타날 것으로 보인다.
단점으로는 기상 조건의 변화에 영향을 많이 받기 때문에 보조 설비를 갖추어야 하는 만큼 초기 설치 비용이 많이 투입된다.
또 태양열 집열판을 설치하기 위해 넓은 면적의 땅이 필요하다는 점도 문제다.
여기에 수증기 생산을 위해서 물을 쉽게 구할 수 있는 입지여야 한다.
뜨겁고 건조한데 물을 구하기도 쉬워야 하니, 천혜의 자연 환경이 필요하다.
세계적으로는 스페인 서부 및 미국 캘리포니아, 아프리카 북부 모로코, 알제리, 호주, 인도 등이 적합하고 여타 지역은 현실적으로 효율이 높지 않을 것으로 보인다.
봄, 여름은 일사량 조건이 좋으나 겨울철에는 조건이 불리하다.
또 흐린 날이나 비 오는 날에는 효율이 급격히 떨어지거나 작동이 불가능하고, 설비 면적에 비하여 얻는 전기의 양이 적다는 단점도 있다.
1년 중 태양빛이 가장 강한 시기에도 설비 1㎡당 1㎾의 에너지밖에 얻지 못한다.
태양빛에서 전기 에너지의 전환 효율을 10%로 한다고 하여도 100㎾의 발전을 하기 위하여 1,000㎡의 넓이가 필요하다.
또한 밤에는 햇빛이 전혀 없으며, 비 오는 날이나 겨울철에는 태양빛이 약한 것도 문제다.
이 때문에 태양열발전소는 천연가스 화력발전소와 함께 건립되거나 잉여의 열을 저장할 수 있는 축열시스템을 갖춰야 한다.

<가정용 태양열 발전>

태양열은 공학적인 방식으로 에너지를 얻기에도 매우 편리한 에너지원이기 때문에 오래 전부터 인간은 태양열 에너지를 사용해 왔다.
다른 형태의 에너지로 변환하지 않더라도 생명체의 생명활동에 필수적인 열 에너지를 직접적으로 얻을 수 있기 때문에 매우 중요한 에너지원이다.
일반 가정에서는 태양열 패널을 이용해 난방열이나 온수로 사용하고 있다.
물은 매우 축열성이 높은 소재이기 때문에, 주야간의 일교차가 큰 지역에서는 매우 적합하다.
공기를 사용하는 방식의 경우에는 패널 하단에 흡기구, 상단에 배기구를 설치하는데, 이를 개폐식으로 만들어 겨울에는 실내에서 흡입한 공기를 패널 안에서 가열하여 실내로 배기시키거나, 여름에는 실내의 더운 공기를 내보내는 환기용으로도 사용할 수 있다.
태양광 패널과 접목하여 효율을 향상시킨 태양열 패널도 사용되고 있다.
태양광 패널에서 발생되는 열을 태양열 패널이 흡수하여 온수를 가열하는 방식이다.
태양광 패널은 온도가 높아질수록 효율이 낮아지므로 태양광 발전에서의 폐열을 재활용하면서 효과를 높이고 있다./안조영 기자

 

[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]