무공해·무제한 에너지 불구 초기 설치비용 높고 밀도 낮아
[에너지단열경제]김경석 기자= 우리는 그동안 석유 중심의 경제발전을 이룩해왔다. 20세기까지 세계 경제는 사실상 석유 등의 화석연료가 원동력이 됐다고 해도 무방하다. 20세기 과학·기술만으로도 충분히 신재생에너지 개발이 이뤄질 수 있었지만 막대한 투자비로 인해 화석연료에 밀렸다.
하지만 지금은 시대가 바뀌었다. 이제 신재생에너지는 선택이 아닌 필수가 된 것이다. 화석연료의 무분별한 사용으로 인해 발생한 막대한 환경오염은 인류 생존에 악영향을 미치고 있다.
신재생에너지는 과다한 초기 투자의 장애요인에도 불구하고 화석에너지의 고갈과 환경문제에 대한 근본적 해결책으로 부상했다. 이미 선진국에서는 신재생에너지에대해 과감한 연구개발과 보급정책을 펼치고 있다. 더욱이 신재생에너지사업은 IT, BT, NT산업과 더불어 미래산업, 차세대산업으로 급신장이 예상되고 실질적인 경제 발전에도 많은 도움이 기대된다.
◇ 태양열
태양광이 빛을 통해 에너지를 생산한다면 태양열은 열(熱)을 이용해 물을 끓여 난방과 온수 등에 사용되는 에너지다. 또한 집열기에서 복사열을 모아서 물을 끓여 전기를 얻어낼 수 있다.
특히 태양열 온수기는 태양열을 이용해 물을 데우는 장치로, 설치 비용이 적게 들고 구조가 단순해 많이 사용된다.
태양열을 이용해 요리를 하는 도구인 태양열 조리기도 있다. 조리기의 반사판이 태양을 향하게 하고 태양의 열에너지를 한 곳으로 모으면 높은 온도가 만들어져 음식을 익힐 수 있는 원리다.
태양열은 태양광과 마찬가지로 석탄, 석유, 천연가스 등의 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소가 전혀 발생하지 않고 유지비가 적게 든다.
다만 처음에 설치하는 비용이 여전히 많고, 겨울철에는 태양의 고도가 낮아서 태양열을 많이 모을 수 없는 단점이 있다.
태양은 주위 공간에 막대한 복사에너지를 방출하고 있다. 태양에서 뿜어져 나온 에너지는 지구에 이르는동안 지구대기에 산란, 반사, 흡수돼 지상에서는 1㎡당 약 700w의 에너지를 받을 수 있다.
지구대기 밖에서 태양에 직선으로 향한 면(面)은 1㎠를 기준으로 분당 약 1.96㎈의 복사에너지를 받는다. 하지만 지상에서는 대기 중의 수증기에 의한 흡수나 구름에 의한 반사·산란 등으로 에너지가 손실돼 1㎈로 줄어든다. 이것을 1㎡로 환산하면 700w다.
태양열에너지에서 가장 중요한 역할을 하는 집열기는 열을 모으는 역할을 한다. 플라스틱이나 투명한 유리판을 주로 사용하며, 온도에 따라 집열기의 모양이 다르다. 섭씨 100도 이하에서는 주로 평판형을 사용하기 때문에 실생활에서 평판형 집열기를 쉽게 찾아볼 수 있다.
집열기에서 열이 모아지면 열교환기를 통해서 집열된 태양열을 물탱크로 옮겨 물을 끓이는데 사용한다. 이어 물이 끓게 되면 증기가 발생하고, 발생된 증기로 터빈을 돌려 이용해 전기를 얻는다.
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| ▲ 고속도로에 설치된 태양열 LED 교통안전 표지판. /에너지단열경제DB |
이러한 태양열에너지는 인공위성이 에너지를 얻는데 중요한 역할을 하며, 일상 생활에서도 많이 사용되고 있다. 대표적으로 일반 가정의 태양열 온수를 비롯해 전원주택의 난방열, 농어촌 비닐하우스 난방, 고속도로의 태양열 전기 발전판 등이 있다.
◇ 태양열 발전
태양에너지의 광열학적 이용분야에 해당한다. 태양이 복사하는 열에너지를 흡수해 열기관과 발전기를 움직여 전기를 생산하는 기술이다.
태양열 발전은 유지보수비가 적게 들고, 다양하게 이용할 수 있으며, 무공해·무제한의 청정에너지원이라는 점에서 각광받는다.
특히 기존의 화석에너지에 비해 지역적 편중이 적다.
하지만 초기 설치비용이 많이 들고, 밀도가 낮으며, 간헐적이라는 단점이 있다. 우리나라의 경우 봄과 여름에는 일사량 조건이 맞지만 겨울에는 조건이 불리하다.
◇ 태양열 시스템 구성 및 원리
태양열 이용시스템은 집열부, 이용부, 축열부로 구성된다. 태양열은 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심하기 때문에 집열과 축열기술이 중요하다.
집열부는 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치이다. 가장 중요한 부분으로 일반적인 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관이다. 이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이뤄져 온실효과를 일으킨다.
빛이 집열판 속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워진다. 이렇게 뜨거워진 내부에는 열을 흡수했다가 전달하는 매체가 흐르는데 이 뜨거워진 매체는 찬물과 열을 교환해 난방용 또는 온수용 물을 생산한다.
축열부는 난방용 온수 등을 저장하는 곳이다.
◇ 태양열 주택
태양열 시스템을 설치해 난방과 냉방을 태양열로 충당할 수 있게 지은 주택으로 집열부·축열부·이용부로 구성되며, 구성부 사이의 열전달 방법에 따라, 설비형(active) 시스템, 자연형(passive) 시스템, 혼합형(hybrid) 시스템으로 나뉜다.
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| ▲ 일반주택에 설치된 태양열 집열판의 모습. /에너지단열경제DB |
설비형은 구성부 사이의 열전달 방식이 모두 기계적 강제순환방식이다. 반면 자연형은 기계의 힘을 얻지 않고 모두 자연순환방식에 따라 열이 전달되도록 하며, 주로 비기계적 자연순환방식에 의하나 약간의 기계적 강제순환도 첨가한 것이 혼합형이다.
여기서 기계적 강제순환방식이란 펌프나 송풍기와 같이 외부로부터 다른 에너지를 소모하는 기계를 사용해 열을 전달시키는 것을 뜻하며, 자연순환방식은 외부로부터 다른 에너지의 개입 없이 열전달이 자연적 현상(전도 ·대류 ·복사)에 따라 이뤄진다.
◇ 대구 솔라타워
2013년 116억5천만원을 투입해 건립한 국내 최초 타워형 태양열발전소다. 태양열발전 실증연구단지 역할은 물론 기술개발을 통한 해외 수출을 염두에 두고 건립됐다.
이곳은 2만300㎡의 부지 위에 태양열을 반사하는 직경 2m의 헬리오스태트(반사경) 450개, 태양열을 흡수하는 흡수기와 200㎾급 발전 시스템이 설치된 50m 높이의 타워로 구성됐다.
대구에 태양열발전소가 설립된 이유는 강우량이 적고 국내에서 연간 일조량이 가장 많은 등 천혜의 자연조건을 갖췄기 때문이다.
솔라타워는 태양열뿐만 아니라 풍력에너지도 생산된다. 풍력에너지의 가장 큰 단점은 바람이 불지 않으면 효율이 떨어지는 것이다. 하지만 솔라타워는 태양열을 이용해 인공 바람을 만들기 때문에 자연환경에 따른 변동성을 해결할 수 있다.
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