인간이 사용하는 에너지의 80~85%는 화석 연료이며, 이 에너지 자원은 제한적인 특성을 갖고 있으며 지구 표면 아래 편파적으로 분포한다. 화석 연료는 연소되어 유용한 에너지로 전환될 때 지구 기온을 위협하는 온실가스와 해로운 환경오염 물질을 발생시킨다. 반대로 태양 에너지(solar energy) 자원은 광범위하게 이용 가능하며 환경과 기후에 유용한 효과를 초래하기 때문에 대체 자원으로 매력적이라 할 수 있다(GTB2007040191).
태양열 발전은 태양 광선의 파동 성질을 이용하는 태양 에너지의 광열학적 이용 분야로, 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술을 의미한다. 태양열 발전은 무제한적인 청정 에너지원이라는 점과 저가의 유지 및 보수 비용이 소요되고 다양한 분야에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 전환할 수 있는 에너지량이 적어 에너지 효율성 측면에서 활용도가 낮은 단점이 있다. 전 세계 과학자들은 청정 에너지 자원의 에너지 효율성을 증대시킬 다양한 방안을 개발하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다.
최근 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories) 연구원인 Rich Diver는 차세대 주류를 이룰 더 이용하기 쉽고 에너지 효율적인 새로운 형태의 PTC형 태양열 집열기(Parabolic Trough Solar Collector System, 기하학적 구조가 평판형을 포물선 모양으로 구부려 놓은 형태, 원통형 포물면경 집열기)를 고안했다. 이 프로젝트의 책임자인 Tim Moss는 공동 연구자로 초기 소프트웨어와 하드웨어 개발을 담당했다.
Diver의 PTC형 태양열 집열기에 채택된 TOP(theoretical overlay photographic) 기술은 단순하며 지구 온난화를 완화시킬 수 있는 해결책을 제시하고 있어서 태양 에너지 산업계의 관심을 끌고 있다. TOP 기술을 이용한 TOP 정렬 방법은 부정확한 반사경 정렬로 인해 햇빛이 정확하게 모이지 않는 포물선 시스템이 갖는 문제점을 상당부분 해결할 수 있다고 Diver는 전했다. 부적절하게 정렬된 반사경은 에너지의 소실 및 낭비를 초래한다고 그는 지적했다.
PTC형 태양열 집열기는 포물선 형태로 구부러진 반사된 표면을 이용한다. 반사경은 포물선의 길이로 운영되는 수신용 튜브로 빛을 모은다. 초점 영역을 통과하여 움직이는 오일이 가열되고 증기를 생산하기 위하여 열교환기를 통과한다. 이후 증기는 전통적인 발전소를 가동하기 위하여 이용된다.
Diver는 솔라 디쉬 시스템(solar dish system)에 반사경을 정렬하는 방법을 변형하여 채택함으로써, PTC형 태양열 집열기 발전소에서 반사경 정렬을 빠르고 효과적으로 설정할 수 있는 광학적 접근 방법인 TOP 정렬에 접근했다. Diver는 TOP 방법이 설치가 간단하고 복잡한 하드웨어를 최소화하고, 수신기를 제거할 필요가 없기 때문에 이상적인 정렬 기술이 될 수 있다고 지적했다.
TOP 접근 방법은 TOP를 따라 위치한 다섯 대의 카메라를 포함한 하나의 막대기로 이루어져 있다. 네 대의 카메라는 포물선 모양의 기본 단위에 대해 네 개의 반사경 줄에 있는 디지털 사진 영상을 찍는다. 중앙 카메라는 조준용 게이지가 부착된 기본 단위의 중심부를 찍어 수직 위치의 중심을 맞추는데 이용된다.
이후 벡터 대수와 투사 이론이 완벽하게 정렬된 반사경을 위한 수신기의 이론적으로 조사된 영상을 예측하는데 이용됐다. 다음 과제는 정확한 정렬을 위하여 반사경을 조정하는 문제이다. 이러한 일련의 과정이 매우 단순하다고 Diver는 밝혔다.
Diver는 과거 20년에 걸쳐 PTC형 태양열 집열기의 반사경 정렬에 TOP 기술이 개발되었지만 반사경 정렬을 수행하는 데 오랜 시간이 소요되고 다루기가 어렵다고 지적했다. 그는 향후 연구 방향이 2007년 말까지 Kramer Junction에서 새로 고안된 시스템을 시험하고 해당 기술 인가를 승인하는 것이라고 밝혔다.
Diver의 새로운 PTC형 태양열 집열기의 근간이 되는 솔라 디쉬 시스템은 이미 2005년 샌디아 국립 연구소에서 개발되어 실용화 단계에 있다. 국내 태양열 집열기 개발 동향을 보면, 아직까지 진공관형, 디쉬형, PTC형 등 다양한 형태의 집열기 개발이 완성되지 못한 상황이다. 국내에 상용화되고 있는 평판형 집열관의 경우 에너지 효율성을 증대시키는데 제약이 따른다. 태양열 발전의 상용화는 이미 예측되는 현상이기 때문에 에너지 효율성을 증진시킬 수 있는 방안에 적극적으로 투자 및 지원을 아끼지 않아야겠다.
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