9. 태양 뚫고 하이킥! - 태양열에너지로 도시를 바꿔가며

[김삿갓]

태양에서 나오는 에너지는 여러 가지로 태양의 적외선을 열에너지로 이용하는 것을 태양열에너지라고 한다. 이러한 태양열은 열에너지로 온수와 난방 쪽에 주로 이용하고 있다. 태양열은 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열 변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다.

태양열 이용기술의 핵심은 태양열 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 시스템 설계기술 등이 있다. 태양열의 시스템은 크게 집열부, 이용부, 제어장치로 구성되어 있다.

집열부란 열 시점과 집열량이 이용시점과 부하 량에 일치하지 않기 때문 필요한 일종의 속도가 빠른 것과 속도가 느린 것 사이에서 완충기 역할을 할 수 있는 열저장 탱크를 말하며, 이용부란 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원에 의해 공급하는 시스템이고, 제어장치란 태양열을 효과적으로 집열 및 축열하고 공급하는 장치, 또 태양열 시스템의 성능 및 신뢰성 등에 중요한 역할을 해주는 장치이다.

태양열에너지는 에너지 밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심한 에너지이므로 집열과 축열 기술이 가장 기본이 되는 기술이다.

태양열시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라서 자연형 시스템과 설비형 시스템으로 구분된다.

전자는 온실, 트롬월과 같이 남측의 창문이나 벽면 등 주로 건물 구조물을 활용하여 태양열을 집열해서 이용하는 장치이며, 후자는 집열기를 별도로 설치해서 펌프와 같은 열매체 구동장치를 활용해서 태양열을 집열하는 시스템으로 보통 후자를 흔히 태양열 시스템이라고 한다.

이용분야를 중심으로 분류하면 태양열 온수급탕시스템, 태양열 냉난방 시스템, 태양열 산업공정열 시스템, 태양열 발전 시스템 등이 있다.

집열 또는 활용온도에 따른 분류는 일반적으로 저온용·중온용· 고온용으로 분류하기도 한다. 각 온도별 적정집열기, 축열방법 및 이용분야는 다음과 같다.

구 분	자 연 형	설 비 형
	저 온 형		중 온 형	고 온 형
활용온도	60℃ 이하	100℃ 이하	300℃ 이하	300℃ 이상
집열부	자연형시스템 공기식집열기	평판형집열기	PTC형집열기 CPC형집열기 진공관형집열기	Dish형집열기 Power Tower, 태양로
축열부	TrombWall (자갈,현열)	저온축열 (현열, 잠열)	중온축열 (잠열, 화학)	고온축열 (화학)
이용분야	건물공간난방	냉난방·급탕, 농수산(건조,난방)	건물 및 농수산분야 냉·난방, 담수화, 산업공정열, 열발전	산업공정열, 열발전, 우주용,광촉매폐수처리 광화학, 신물질제조

주) PTC(parabolic trough solar collector)

주) CPC(compound parabolic collector)

이 분야의 최근 경향을 살펴면, 저온 분야의 경우 첨단소재 개발을 통한 시스템의 고효율 저가화에 집중하고 있으며, 최근에는 중·고온 분야의 태양열발전, 태양열 화학시스템의 응용 개발에도 연구투자가 증가하고 있는 추세이다.

태양열 적용분야 중 집열효율이 높고 생산단가가 낮은 온수급탕 및 난방분야에 가장 많은 기술개발이 이루어져 시장형성 및 상용화 집중현상이 일어나고 있다.

2004년도에 세계적으로 열 생산용량 기준 77GWth로 계산하여 약 1억1천만㎡의 태양열 집열기가 설치되었으며, 전 세계 가구 수 16억의 2.5%인 4천만 가구가 태양열온수기를 현재 사용하고 있다.

태양열 온수급탕 및 난방 기술은 널리 보급되었고, 중국은 현재 세계시장의 60%를 점유하고 있으며, 유럽이 11%, 터키가 9%, 일본이 7%를 차지하고 있으나 우리나라는 아직도 미미한 수준에 머물러 있다.

최근에는 다른 신재생에너지 또는 에너지절약기술 등을 포함한 제로에너지 타운, 그린빌리지, 제로에너지 하우스 등과 같이 복합적용을 통해 적용효과를 극대화 할 수 있는 방안과 지역난방을 위한 대규모 태양열 시스템의 보급을 확대시키고 있다.

미국은 에너지부를 중심으로 태양 건물 기술과 태양열 에너지 체계로 구분하여 추진하고 있으며, '70년대는 저온 분야로 집열기, 온수기, 자연형시스템을 주로 개발하였으나 '80년대 이후 자연형 건물과 중·고온 분야의 연구개발에 집중적으로 투자를 하여 캘리포니아에 354MW급 태양열발전소를 운영하고 있다.

일본은 태양열 온수기의 경우 업체 중심으로 개발 및 상용화하고 있으며, 1980년~1990년대에 생산과 판매가 한해 70만㎡까지 이르렀으나, 이후 생산량은 절반정도로 감소하였다. 일본의 태양에너지 설치계획을 보면, 2010년까지 최소 7.8TWh에 해당한 태양열 시스템을 설치할 계획으로 자연채광 및 제어와 대규모 태양열 냉난방, 온수급탕 시스템의 산업용 개발에 주력하고 있다.

중국은 세계에서 가장 큰 태양열 온수기 제작국이며, 이용하는 나라로 2004년 말까지 7천만㎡에 이르는 가정용 급탕시스템을 이미 설치했다. 2004년의 매출규모는 중국이 13.5백만㎡로 전년대비 26% 증가, 현재 진공관형 태양열온수기가 88%의 시장을 차지하고 있다.

향후 중국의 태양열 시장은 연간 17%의 증가를 예측하고 있으며, 현재 천여 개 태양열 시스템 판매업체가 있고, 이중 80%의 점유율을 가지는 33개의 메이저회사는 직간접적으로 5만 명 이상의 사람을 고용하고 있다.

유럽의 개발과 보급의 핵심은 태양열 난방 및 온수기, 대규모 태양열 시스템, 자연형 태양열건물 등이고, 수출을 목적으로 한 태양열 발전 등 개발 추진 중에 있다. 유럽에서는 1.6백만㎡가 이미 보급되었으며 꾸준히 증가하는 추세에 잇다. 스웨덴과 오스트리아에서 연간 설치되는 집열기의 50% 이상이 온수와 난방을 겸한 시스템이며, 독일은 25~30%가 온수와 난방을 겸용하고 있다. 태양열 건물이용 프로그램으로 유럽연합(EU)의 설비형, 자연형 시스템, 대형건물, 집단주택의 냉난방 등이 있으나, 제로에너지 하우스나 제로에너지 타운 등 주로 열에너지 자립을 위한 건물태양열 기술이 최근 들어 많은 연구와 시범보급이 이루어지고 있다.

프랑스(Jordano),영국(Thermomax),독일(Daimler-BenzAerospace)등에서 진공관형 집열기 및 메가 집열기의 상업화가 급속도로 이루어지고 있다.

우리나라에서는 '70년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 연구를 시작하여 '88년부터 대체에너지개발 촉진법에 따라 정부차원에서 기술을 개발하여 왔으며, 동향을 보자면, 보급을 확대하기 위한 태양열 온수기 등 저온활용 요소기술에 대한 효율 및 신뢰성 향상과 태양열 이용분야의 확대를 위해 중·고온 시스템 개발을 병행 추진 중에 있다.

1980년대에는 자연형 및 설비형 온수급탕시스템, 블랙크롬코팅기술, 저온 축열재 기초기술개발 등을 추진하여 온수급탕 시스템 확립 및 실증을 완료하였다.

1990년대에는 차온제어, 온수기 저가화, PTC 및 중온 축열재 기초기술, 공조 등에 활용하는 기술개발에 주력하여 태양열 시스템의 차온제어 기술을 확립하였다.

2000년대에는 단일진공관형 집열기를 개발, 대량 생산 체제를 갖추었으며, 이를 이용하여 건물의 냉난방시스템의 실증시험을 완료하였으며 해수담수화 기술개발 등이 진행되고 있다. 현재 약 19만대 가정용 온수기 및 골프장, 양어장 등의 급탕시설에 보급이 되고 있다.

현재 거의 전량 수입에 의존하고 있는 흡열판의 국산화를 위해 기술개발 필요하다.

흡열판과 동관의 열전달 손실을 최소화하기 위해 저가형 태양열 집열판 접합시스템 개발을 추진하여 초음파 용접기의 국산화 기술개발 등 저온 분야 집열기의 손실 최소화를 위해 메가 집열기 개발 등이 추진되고 있다.

중·고온 활용 분야를 보면, 기술 분야가 다양하고 국내기반 기술이 취약하나 진공관형, 접시형 태양열 집열시스템과 사계절 이용 가능한 시스템 개발 시 산업용으로서 실용화에 유리하다.

90년대부터 꾸준히 중·고온 분야에 대한 기술개발을 추진하여 2000년대에 접어들면서 집광시스템에 대한 국내 기술수준은 지속적으로 상승하고 있다.

진공관형, 접시형, PTC형 집열시스템과 잠열 및 화학축열시스템 개발 중에 있으며, 한국에너지기술연구원에서 10kW급 접시형 태양열 발전 실증연구를 완료하고, 현재 요소기술인 Stiring 엔진 기술개발이 거의 마무리 단계에 놓여 있다.

진공관형 집열기는 산업 공정열에 시범적으로 적용하여 사용 중에 있으며, 특히 OB맥주 광주공장에서 85℃의 공정열을 활용하고 있고, 대규모 발전을 고려한 1MW급 타워형 발전시스템 개발에 관한 연구가 한·중 국제공동 과제로 진행 중에 있다.

냉ㆍ난방 분야를 보자면, 한국에너지기술연구원에서 태양열을 이용한 흡수식 냉방시스템 실증연구가 완료되어 광주광역시 서구 문화 센터에 이를 설치했다.

최근에는 대규모 태양열 지역 냉난방 및 급탕시스템 개발을 위한 연구를 성공적으로 완료되어 현재 지역난방공사에서 세계 최초로 축열조 없이 연중 활용 가능한 시스템을 운전 시험 중에 있다.

냉ㆍ난방 분야를 보면, 한국에너지기술연구원에서 태양열을 이용한 흡수식 냉방시스템 실증연구가 완료되어 광주광역시 서구문화센터에 이를 설치했다.

최근에는 대규모 태양열 지역 냉난방 및 급탕시스템 개발을 위한 연구 성공적으로 완료되어 현재 지역난방공사에서 세계 최초로 축열조 없이 연중 활용 가능한 시스템을 운전 시험 중에 있다.

향후 우리나라에서는 보급되고 있는 태양열 온수기 제품의 품질 향상을 위한 신뢰성 및 효율성 제고를 위한 기술개발을 기업체 자체적으로 추진토록 할 것이며, 특히 중대형 태양열 온수급탕 시스템의 최적화를 위한 민관 간의 유기적 시스템을 구축하게 될 것이다.

건물 태양열 복합이용 기술 및 중·고온 분야의 산업용 태양열시스템, 태양열 발전시스템 개발은 정부주도로 지속적으로 추진하면서, 대규모 지역 냉난방 분야에 대한 태양열 시스템 적용방안에 대한 연구 또한 쉬지 않고 이루어 질 전망이다. 

[태양열분야 기술개발 기본계획]

제1단계(2003∼2006까지)	제2단계(2006∼2009)	제 3단계(2009∼2012)
[보급촉진형기술개발] 보급형Solar House 개발:열부하 70%공급 태양열 냉방기개발 및 상용화 건물, 상업용 태양열 이용시스템개발	[대량보급형기술개발] 보급형 Solar house 개발 :열부하 90% 공급 건물, 상업용 태양열이용시스템 상용화 중고온 산업용 태양열이용시스템 개발	[저가상품화기술개발] 태양열발전기술 개발 및 상용화 대형 산업용 태양열이용시스템 개발 및 상용화 달성

이와 같이 태양열에너지 산업이 국내외에서 활발한 움직이고 있는 반면에 우리 고양시는 우리나라에서 가장 살기 좋은 도시 중의 한 곳이지만 태양열을 이용한 시설이 거의 없는 불모지로 태양의 도시로서 너무도 부끄럽기 짝이 없다. 향후 다양한 분야에 태양열 관련 시설을 확충하고, 산업을 유치하여 명실공이 태양도시로서의 면모를 갖추어 가야 할 것이다.

광주서구문화센터 단일진공관 냉난방실증

과천 정부청사 평판형 태양열설비