스크랩 나고야 엑스포에서 본 태양열 발전시스템

[다람]

<나고야 엑스포를 둘러보고 ... >에 이어서

태양광 발전 이야기....

본 박람회에서 관심있게 살펴본 분야가 태양광 발전 시스템이었다. 태양열은 우리나라에서도 많은 분야에서 활용되고 많은 연구가 이루어 지고 있다. 대표적으로 전자계산기, 시계, 주택의 지붕 등 주변에서 쉽게 접할 수 있다. 그래서, 어른이나 어린이나 모두에게 친숙해 있는 것이 사실이다.  

하지만, 아직까지 전세계적으로 태양 에너지 이용은 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있을 뿐 보급이 쉬운 대형 발전 시스템은 아직 현실화 되지 못하고 있는 것이 사실이다.

태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다. 그러나 지난 '80년대 중반 미국에서 10 MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양에너지 이용방법으로 광범위하게 보급될 전망이어서 미래의 에너지에 관심을 갖지 않을 수 없다.

우선 먼저, 태양열(太陽熱,Solar heat)이 무엇인지 알아보자. 

단어적 의미는 "태양에서 지구에 도달하는 열"이라고 한다. 이것을 공학적으로 설명하면 지구대기권 밖에서 태양을 향하고 있는 면이 1cm²당 매분 약 1.96cal의 복사에너지를 받는다. 지상에서는 대기 중의 수증기에 의한 흡수나 구름에 의한 반사 ·산란(散亂) 등으로 에너지가 손실되어 1cm²당 매초 약 1kcal의 복사에너지를 받는다.  이런 열에너지를 전기에너지로 환산하면 1m²당 약 700W의 에너지에 상당한다.

태양은 지구의 1백9배크기로 이곳으로부터 1억5천만km떨어진곳에 위치해
수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체덩어리로서 초당 3.8 x 10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다.

지구는 태양으로부터 지표면 1m2당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양자신이 방사하는 에너지량의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2 x 1014kW)은 전 인류의 소비에너지량(1.2 x 1010kW)의 약 1만배에 달하는 것이다.

태양열 발전시스템의 종류

태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(central receiver solar thermal electric power system)과 분산형 시스템(distributed solar thermal electric power system)과 독립형 시스템으로 구분된다.

중앙 집중형 시스템은

 태양 추적 장치(heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식이다. 집광비는 1000 정도이며 증기 터어빈은 약 600 ℃로 운전된다.

분산형 시스템은

선초점형이나 접시형 등 집광 집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관내를 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를 이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다.

독립형 시스템(stand-alone system)은

앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25 kWp 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원으로 이용되는 것을 말한다.

또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이도 구분하기도 한다.

<소규모 태양열 발전 시스템>
수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다.

<중규모 태양열 발전 시스템>
수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.

<대규모 태양열 발전 시스템>
수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(solar electric generating system, Luz사에서 건설)을 들 수 있다.

태양열 발전의 경제성

태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며 2000년대 초에는 10 ￠/㎾h 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000 $/kWP 정도에서 2000년경에는 1,000 $/kWP 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.

이발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다. 태양열 발전 시스템의 요체라고 할수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 'Solar Thermal Electric Program'을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다. 이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40 $/㎡ 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.
(위 내용은 한국에너지기술연구원 자료를 참조 하였음)

         

          [사진 : 신에너지원인 연료전지와 태양광발전 그리고 풍력발전의 전력생산량 비교]

나고야 엑스포에 설치된 태양열 발전시스템

아이치 엑스포에서도 각처에 태양 전지 패널을 이용한 발전 시스템이 전시되어 있고 일부 전시장에 공급되고 있었다.

글로벌 코몬즈 5 근처의 글로벌 루프 위에서 좌우를 바라보면 몇 개의 태양 전지 패널을 볼 수 있다. 서 게이트 부근과 스페인관 부근에는 커다란 태양 전지 시스템이 또한 글로벌 루프의 외주측 펜스에는 소형 태양 전지 시스템(히다찌그룹관에 설치되어 있는 것과 같음)이 설치되어 있다.

이것들은 발전을 위한 구조 차이로부터 크게 3가지로 분류된다.

◆ 단결정 실리콘형 : 루프 펜스에 설치되어 있는 것 (발전 능력 30kW)
◆ 다결정 실리콘형 : 서 게이트 부근의 것 (발전 능력200kW)
◆ 아몰퍼스 실리콘형 : 스페인관 부근의 것(발전 능력100kW)

각각 장단점이 있으며 요구에 적합한 분야에 사용되고 있으며, 특징을 상대적으로 나타내면

- 단결정형:  변환 효율이 높음(13~20%), 가격이 비쌈
- 다결정형:  변환 효율, 가격 모두 단결정형과 비슷함
- 아몰퍼스(amorphous)형:  변환 효율이 낮음(8~13%), 저렴, 형상의 자유도가 높다.

          
           [사진 : 엑스포장에 설치된 태양광 발전시스템 개요도]

 

[사진 : 서게이트 부근 집열판]                         [사진 : 스페인관 부근 집열판]

아이치 엑스포 회장에 설치된 이러한 태양 전지 패널군은 NEDO 기술개발 기구가 실시하는 새로운 에너지 등 지역 집중 실증 연구의 일환으로서 연료 전지 등과 함께 새로운 에너지 발전 플랜트의 하나로서 설치되어 있는 것이다.

이 3종류의 태양 전지 패널의 합계로 330kW의 발전 능력을 가지고 있으며 그 전력의 대부분을 나가쿠테닛폰칸에서 사용한다고 한다.

어느 정도 크기의 패널로 어느 정도 전기를 만들 수 있는 것일까요?

<태양 전지 패널의 변환 효율>
태양으로부터 지표에 닿는 빛의 에너지는 쾌청, 수직 수광의 조건에서 1㎡당 약 1kW 이다. 실제로는 장치의 변환 로스가 있고 또한 흐리거나 비스듬한 수광이거나 표면에 오염이 있기도 하므로 전기가 되는 것은 그 일부이다.

전기로 얻을 수 있는 에너지를 입사하는 태양광 에너지로 나눈 숫자를 “변환 효율”이라고 하며 현재 이것이 10~20%라고 한다.  만일 변환 효율15%로 했을 경우 주택의 지붕에 태양 전지 패널을 설치해 그 집 한 채의 전력(3kW라고 할 때)을 조달하려면 20m2가 필요한 것이다.  실제로는 흐린 날도 있어 상시 3 kW를 얻을 수 있는 것은 아니라고 한다.

여기서, 태양전지의 동작원리을 알아 보자. (태양전지연구센타 기술자료)

 태양광발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다.

아래 그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.

이러한 태양전지는 필요에 따라 직병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.

                  

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나고야 엑스포 참관기를 마치며....

지구의 기술문명은 무서운 속도로 끝없이 발전되고 있는 것을 확인 할 수 있는 기회이면서, 아직도 개발해야 되는 산업기술이 얼마나 많은지 새삼 느끼는 계기가 되었던 것 같다. 그러나, 산업 위주의 기술개발은 반드시 환경문제가 따른다. 이번 박람회는 기술발전이 환경문제 해결이라는 방향성을 가져야만 한다는 절대절명의 메시지를 지구촌에 보내고 있었다.