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태양열발전
태양열발전(Solar power, 太陽熱發電)은 태양전지가 아니라 집열판을 사용하여 태양열을 거울로 반사하여 한 곳에 집중시켜 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 증기터빈을 작동시켜서 전기를 얻는 발전 방식이다. 태양열발전은 햇빛을 열원으로 하며 화력발전, 원자력발전처럼 물을 데워 그 증기로 터빈을 돌려 발전한다는 점에서 공통점이 있다.[1][2][3]
개요[편집]
태양열발전은 기본적으로 태양으로부터 오는 복사광선을 고밀도로 모은 후 열 발전 장치를 통해 전기를 발생시킨다는 공통점이 있다. 태양열발전 시설은 대체로 접시/엔진(dish/engine) 시스템, 홈통형(trough) 시스템, 전력 타워(power tower) 시스템 등 세 가지 형태로 나눌 수 있다. 이들 시스템은 모두 집중장치, 흡수장치, 전달·저장 장치, 변환 장치 등 네 개의 핵심장치로 구성된다. 태양의 일사 강도는 매우 낮은 에너지 밀도를 갖고 있어 발전용으로 사용하기 위해서는 넓은 영역에 도달하는 태양의 일사 성분 중 태양으로부터 직접 도달하는 직달 일사 성분을 반사 및 집광시켜 한곳에 모인 열원을 통해 높은 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 열에너지를 이용하여 작동매체인 물, 증기, 합성 오일, 공기 등의 매질에 열을 전달하여 발전 시스템을 구동시켜 전력을 생산한다. 그러나 태양에너지는 낮 동안만 사용할 수 있으며 항상 일정한 일사량을 보이지 않는다. 이러한 열원의 특성을 고려하여 낮 동안 일사량의 변화 및 야간에도 일정한 전력을 생산하기 위해서 태양에너지를 열로서 저장하여 발전에 활용하고 있다. 하지만 태양열발전은 다른 에너지원과 비교하여 효율성이 매우 낮아 작동 매체와 집광 방법의 변화 등을 통한 효율 증가가 연구 중이며 다른 에너지원의 경제성을 위한 보조 발전으로 주로 사용되고 있다. 태양열발전의 효과적, 안정적 발전을 위한 발전 방식 및 고온 태양열 연계 방식에 따라 별도의 연료를 병행하여 사용하는 복합(hybrid) 시스템을 구성하기도 한다.
태양열발전의 발전 방식으로는 탑집광 방식과 포물면 집광 방식이 있다. 탑집광 방식은 탑 위에 물탱크를 두고 탑 주위에 많은 반사경을 설치하여 여기서 반사된 태양광이 끊임없이 물 탱크면을 비추면서 물을 가열한다. 포물면 집광 방식은 직선상으로 배열한 포물면경의 초점 위에 위치한 물이 지나가는 파이프를 설치하여 물을 가열하는 방식이다. 흐린 날이나 비 오는 날에는 효율이 급격히 떨어지거나 작동이 불가능하고 설비 면적에 비하여 얻는 전기의 양이 적다는 단점이 있다. 태양열발전은 찾아보기 어려운 이유 중 하나는 태양열은 열 자체를 모아 이용하는 기술에 더 많이 사용되기 때문에 태양으로부터 오는 복사 광선을 흡수해서 열에너지로 변환한 후 온수, 건물의 냉난방, 산업 공정열 등에 활용하며 더불어 타 열원과 연동해야 하는 번거로움, 지리적 조건, 빛반사 이슈 등의 이유로 국내에서는 보급이 덜 활성화되었다. 화력발전은 1MW당 약 325평이 필요하지만 태양열 발전은 1MW당 약 8,500평이 필요하여 화력발전소 대비 약 26배, 원자력 발전소 대비 6~7배의 부지가 더 필요하게 된다. 태양열발전사업은 1990년대 초기 캘리포니아의 세액공제 인센티브에 힘입어 350MW 설비 용량이 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. 우리나라의 경우 홈통형 시스템은 실용화 단계이며, 접시형 시스템에 대한 연구는 1990년대 말부터 수행되어 현재 태양열발전 실증 연구가 진행 중이다. 국내는 2011년 대구시에 국내 1호 타워형 태양발전소를 설치하였으며 타워에는 태양열 흡수기가 그 아래 지상에는 가로, 세로 2m짜리 태양열 반사경 450여 개가 설치되었다. 발전 용량을 200㎾를 예상했지만 20~50㎾를 만들어 내는데 그쳐 2019년 12월 철거하였다.[4][5][6]
원리[편집]
태양열 발전은 헬리오스테트(heliostat)라고 불리는 수백 혹은 수천 개의 반사판 거울을 사용하여 타워 상단으로 집광을 하며 고온의 획득이 가능하고 열손실의 여지가 적으며 높은 밀도의 열에너지 저장이 가능하다는 이점을 가지는 가장 진보적인 대규모 발전 방식이다. 타워형 태양열발전에서 사용되는 작동유체로는 물/증기, 공기 및 용융염 등이 있으며 공기를 사용할 경우 태양열발전 시스템은 태양열 집광부, 공기순환부와 전력 발생부로 나눌 수 있다. 헬리오스테트에서 반사, 집광된 태양광은 타워 상부에 위치한 흡수기의 온도를 높이고 주로 세라믹 소재로 구성된 흡수기에 외부/재순환 공기를 통과시키게 되면 700~1000℃의 온도를 얻을 수 있다. 증기발생기에 고온의 공기를 통과시켜 얻은 증기는 터빈을 구동하여 전기를 발생하게 되고 고온의 공기는 다시 재순환되어 흡수기로 전달된다. 태양열발전 방식은 공기를 이용한 증기터빈을 구동하는 방식으로 랭킨 사이클(Rankine Cycle)의 최대 발전 효율 약 40%를 활용할 수 있다.
집열기 종류[편집]
- 평판형 집열기 : 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 집열기로서 집열기가 평판형 형태이며 투과체, 흡수판, 열매체관 단열재로 구성되어 있다.
- 진공관형 집열기 : 투과체 내부를 진공으로 만들어 그 내부에 흡수판을 위치시킨 집열기로 진공관의 형태에 따라서 단일 진공관과 2중 진공관이 있다.
- PTC(Parabolic Trough Concentrator)형 집열기 : 포물선형상의 반사판 (태양의 고도에 따라서 태양을 추적함)이 있고 그 가운데 흡수판의 역할을 하는 집열관이 있어서 200~250℃ 정도의 온도를 손쉽게 얻을 수 있다.
- CPC(Compound Parabolic Concentrator) 집열기 : 집광비가 아주 적은 반사판이 있어 일사 광선을 집광해서 집열하는 집열기로 반사판이 태양추적 없이 직달 및 산란 일사 모두를 집광할 수 있는 집열기이다.
- Dish형 집열기 : 일사 광선이 한 점에 집광이 될 수 있는 접시 모양의 반사판이 있는 집광형 집열기로서 태양을 3차원 추적하는 추적장치가 있으며 적은 면적의 흡수부가 있다. 이 집열기는 집광비에 따라서 집열 온도가 달라지며 주로 수백도의 온도를 집열하는 데 사용이 가능하며 태양열 발전 용으로도 사용한다.[7]
태양열발전 분류[편집]
- 태양열 발전탑
주변에 설치된 거울로 태양열을 반사해 중앙에 있는 탑으로 보내 열을 모아 발전하는 방식. 국내에 설치된 태양열 발전소도 이 방식을 사용한다.
- 포물선형 거울 태양열발전
포물선형 거울로 녹은 소금 등의 냉각재가 흐르는 관을 가열하고 관을 통과하여 뜨거워진 냉각재로 물을 끓여 터빈을 돌리는 방식이다.
- 축열식 태양열발전
태양열을 모아 소금을 녹여 탱크에 저장한 뒤 액체 소금의 열을 이용해 터빈을 돌려 발전하는 방식으로 저장된 열에너지가 충분할 경우 밤이나 흐린 날에도 안정적인 발전이 가능하다.
- 태양열 열전 발전
열전 발전기를 이용하면 터빈 없이 태양열로부터 바로 전력을 얻을 수 있다. 효율은 5% 정도로 낮지만 일반 태양전지와 접목하거나 열전 발전 소자 자체의 효율을 개선하여 발전 효율을 늘리는 연구가 진행 중이다. 반도체 재료를 사용하는 태양전지와 달리 금속 재료로도 만들 수 있기 때문에 연구개발상의 난제들이 해결되면 발전 용량당 비용이 태양전지보다 쌀 것으로 예상된다.
- 태양열 풍력발전
태양열의 대류를 이용하여 터빈을 돌리는 발전 방식으로 기존의 태양열발전이 화력발전처럼 증기를 이용하는 방식인 반해 이쪽은 풍력을 이용하는 방식이다.
태양열발전 형태[편집]
- 접시/엔진 시스템
접시/엔진 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 작용 매체로 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.
- 홈통형 시스템
홈통형 시스템은 포물선형으로 구부러져 홈통처럼 생긴 집중장치와 그 초점들의 연결선에 길게 자리한 흡수장치로 구성된다. 집중장치는 포물선형으로 구부러진 긴 금속 반사판이나 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.
- 전력 타워 시스템
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.
장점[편집]
- 태양열발전은 석탄이나 천연가스를 연소시키지 않고 물을 데워 증기를 만들어 내기 때문에 친환경적이다.
- 온실가스와 오염물질을 배출하지 않아 공기를 오염시키지 않고 기후변화를 줄일 수 있다.
- 설치 비용은 비쌀 수 있지만 운영비용과 유지 보수 비용은 상대적으로 저렴하다.
단점[편집]
- 태양열발전은 설치 비용이 비싸고 발전 효율이 매우 낮다
- 태양열을 적게 받는 시간이나 계절, 지역에서 사용하기 어렵다.
- 태양열발전을 작동시키기 위해서는 물이 필요하다. 물이 귀한 지역에서 이 부분이 문제가 된다.
- 물을 담아두고 이동시키는 저수조와 배관도 필요한데 겨울에는 동파될 우려가 있다.[8]
태양광발전과 태양열발전의 차이[편집]
태양광발전과 태양열발전은 모두 태양에너지를 사용한다는 점에서는 같지만 태양광은 전기에너지를 생산하는 방식이고, 태양열은 열 에너지를 이용하는 방식이라는 점에서 차이가 있다. 태양광발전은 발전기가 없이 태양전지를 이용하여 햇빛을 직접 전기에너지로 변화시키는 방식이고 태양열발전은 집열판을 사용하여 태양열을 거울로 반사하여 한곳에 집중시켜 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 증기터빈을 작동시켜서 전기를 얻는 발전 방식이다.[9]
각주[편집]
- ↑ 〈태양열 발전〉, 《위키백과》
- ↑ 〈태양열발전〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ "Solar power", Wikipedia
- ↑ 〈태양열 발전〉, 《나무위키》
- ↑ 김윤호, 〈MB정부 때 세운 116억짜리 태양열발전소, 8년만에 사라졌다〉, 《중앙일보》, 2020-01-16
- ↑ 고주망탱, 〈태양열 발전이란〉, 《티스토리》, 2016-08-31
- ↑ 〈태양열발전 시스템의 종류〉, 《그린홈》
- ↑ 초록발자국, 〈태양광 발전 원리, 장단점 4가지 & 태양열 발전〉, 《Green News 360》, 2021-06-15
- ↑ 한국수력원자력, 〈태양광에너지와 태양열에너지의 차이는?〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-20
참고자료[편집]
- 〈태양열 발전〉, 《위키백과》
- 〈태양열 발전〉, 《나무위키》
- 〈태양열발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Solar power", Wikipedia
- 김윤호, 〈MB정부 때 세운 116억짜리 태양열발전소, 8년만에 사라졌다〉, 《중앙일보》, 2020-01-16
- 고주망탱, 〈태양열 발전이란〉, 《티스토리》, 2016-08-31
- 〈태양열발전 시스템의 종류〉, 《그린홈》
- 초록발자국, 〈태양광 발전 원리, 장단점 4가지 & 태양열 발전〉, 《Green News 360》, 2021-06-15
- 한국수력원자력, 〈태양광에너지와 태양열에너지의 차이는?〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-20
같이 보기[편집]
