태양열(solar thermal) 발전
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 1㎡당 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.
아직까지 전세계적으로 태양 에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다.
그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10 MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양 에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.
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 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.
우리나라에서는 이러한 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다.
태양광(photovoltaic) 발전
太陽光 發電(태양광 발전)은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 半導體(반도체) pn 接合(접합)으로 구성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 照射(조사)되면 光(광)에너지에 의한 電子(전자)-陽孔(양공) 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 光起電力 效果(광기전력 효과;photovoltaic effect)에 의해 起電力(기전력)이 발생하여 외부에 접속된 負荷(부하)에 전류가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 直(직)·竝列(병렬) 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조의 만들어진 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화 된다.
그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 日射量(일사량)의 강도에 따라 균일하지 않은 直流(직류)가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직·교류 변환장치(inverter)등의 주변장치로 구성된다
무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며,
발전 부위가 반도체 素子(소자)이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며, 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 半(반)자동화 또는 자동화시키기에 용이하며, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화 할 수 있는 장점을 지니고 있다
그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에 비하여 발전 단가가 높고, 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비 보완이 필요한 단점이 있다. 이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은 기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 가격은 태양광 발전의 보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.
태양광/ 태양열발전의 차이점
미래의 에너지로 통하는 태양을 이용한 발전(發電)은 전 세계의 유행이다. 지금까지 한국에서 주로 많이 시도된 것은 태양열(熱) 발전이 아니라 태양광(光) 발전이었다. 해를 이용하는 것은 같지만 차이점도 크다.
태양열 발전은 기존의 발전 방식과 비슷하다. 거울 같은 장치를 이용해 빛을 모아 높은 열을 내게 한다. 돋보기를 이용하면 종이에 불을 붙일 수 있는 것과 같은 원리다. 이 열로 물이나 기름을 데우며 그때 발생하는 증기의 압력으로 발전기의 터빈을 돌린다. 물이나 기름을 데워 터빈을 돌리는 것은 화력 발전소와 비슷하다. 그 이전 과정인 빛을 모으는 것이 태양열 발전의 핵심이다.
반면 태양광 발전은 열을 모으는 것이 아니라 빛을 직접 전류로 바꾸는 것이다. 발전기는 필요 없다. 대신 실리콘으로 만들어진 반도체인 태양전지가 필요하다. 이 태양전지는 빛을 전류로 바꾼다. 최근에는 아주 얇은 박막형 태양전지도 나왔고 식물 광합성 원리와 비슷하게 염료를 이용해 전기를 만드는 방법도 연구되고 있다.
두 가지 방법의 공통점은 공해가 발생되지 않는다는 것이다. 반면 장단점은 각각 다르다.
태양열의 경우 기존 화력 발전소를 이용할 수 있다. 해가 떠 있는 낮에는 태양열로 발전기를 돌리다가 밤에는 석유로 전기를 만드는 것이다. 단점은 발전소를 세워서 충분한 생산성을 얻을 수 있는 곳이 현재 기술로는 사막으로 한정돼 있다는 것이다.
태양광 발전은 강렬한 태양이 없어도 전기를 만들 수 있다는 장점이 있다. 발전기가 필요 없기 때문이다. 약한 태양빛으로도 발전이 가능하기 때문에 한국 같은 중위도(中緯度)에서도 시도할 만하다. 단점으로는 태양전지의 원료로 쓰이는 폴리실리콘 등의 값이 비싸다.
한국은 햇빛이 강하지 않고 햇빛을 많이 받도록 넓게 트여 있는 땅도 넓지 않아서 일단 태양광 연구가 활발한 편이다. 박막형 태양전지로 건물 외벽을 둘러 발라서, 햇빛을 받는 면적을 최대한 넓히는 방법이 연구되고 있다. 식물이 광합성을 하는 원리를 이용하는 태양광 발전 방법도 나와 있다. 빛을 받으면 전기를 만들어 내는 염료(染料)를 이용하는 것이다.
출 처 : 한국에너지기술연구원
