태양열에너지

태양열에너지

태양열패널

태양열에너지는 태양으로부터 방사되어 지구상에 도달하는 열을 이용하는 에너지를 말한다. 열을 한 곳에 모아 얻은 고열(高熱)을 직접 난방에 이용하거나, 열교환기를 이용해 물을 끓여 발생시킨 고압수증기를 터빈을 돌리는 힘으로 이용하여 전기를 생산하는 태양열발전 등에 활용한다. 태양열을 이용해 가정에서는 온수, 난방, 냉방에 이용할 수 있으며, 공장이나 발전소를 움직이는 산업 에너지로도 사용된다.

태양열에너지의 장점은 태양이 열을 방사하는 한 무한한 에너지원이라는 점, 온실가스 배출 없는 무공해 에너지이고, 기존의 화석연료에 비해 생산 가능한 지역적 편중이 적고, 다양한 적용 및 이용이 가능하다는 점 등을 들 수 있다. 단점은 초기설치 비용이 많이 들고, 비용 대비 에너지효율이 떨어진다는 점이다.

태양열에너지 단위는 시간당 생산하는 전기량을 나타내는 기가와트(GW)를 사용하며 1 기가와트(GW)는 10억 와트(W)와 동일하다. 선진국에서는 이미 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있는데 그중에서 태양열에너지를 가장 많이 생산하는 나라는 독일이 39.275 GW로 1위이며 중국이 35.78 GW로 2위를 차지하고 있다.

태양열시장은 2018년도에 전세계적으로 4,700만㎡의 집열기가 설치됐으며 10년간 누적 설치량도 6억8,500만㎡에 달해 풍력, 태양광에 이어 3위 자리를 지키고 있다.

개요

태양열 발전은 태양의 열에너지를 이용한 발전방식이다. 여기서 태양열은 태양에서 지구에 도달하는 열을 말한다. 이를 복사열이라고 하는데, 태양의 표면 온도가 약 6000℃인 만큼 그 에너지가 엄청나다.

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 이르는 동안 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.

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

태양열 발전은 태양이 발생하는 열에너지를 이용하여 전기에너지를 만드는 방식이다. 태양열로 물을 끓여 증기를 발생시킨 후에 터빈을 돌려 전기에너지를 생산하는 것인데 태양열에너지는 흡수·저장·열변환 등을 통해 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용될 수 있다. 태양광에 비해 익숙하지 않은 듯한 태양열은 사실 우리가 오래 전부터 사용해왔던 에너지이다. 현재 세계 곳곳의 태양열에너지 시스템은 대부분 난방과 온수로 활용되고 있다. 미국과 유럽 각지에서는 태양열 냉방 장치도 사용되고 있다고 한다.

태양열은 태양광과 마찬가지로 온실가스 없는 무공해·무한정 에너지 자원이다. 그러나 에너지 밀도가 낮고 계절과 시간에 따라 일사량 조건의 변화가 심하면 따라서 지속적인 수요에 대한 안정적 공급이 힘들게 된다. 또한 태양열 발전은 대량의 물을 데워 전기에너지를 발생시킬 만큼 증기를 만들어야 해 소형화가 어렵다. 때문에 발전시설을 설치하는 장소와 크기에 제약이 있다. 열에너지에서 전기에너지로 변환하는 과정이 복잡해 에너지 효율이 낮은 것도 단점이다. 때문에 국내 신재생에너지 중 가장 오랜 역사를 가지고 있음에도 태양열에너지는 큰 빛을 보지 못하고 있다.

태양열 이용기술

• 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술
• 태양열 이용기술의 핵심은 태양열 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 시스템 설계기술 등이 있음

태양열에너지 시스템

시스템 구성

• 집 열 부 : 태양열 집열이 이루어지는 부분으로 집열온도는 집열기의 열손실율과 집광장치의 유무에 따라 결정됨
• 축 열 부 : 열 시점과 집열량이 이용시점과 부하량에 일치하지 않기 때문에 필요한 일종의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 열저장 탱크
• 이 용 부 : 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원에 의해 공급
• 제어장치 : 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원에 의해 공급

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.

태양열에너지 시스템 구성

태양열시스템구성요소

태양열 이용기술의 분류

• 태양열 시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라서 자연형(passive) 시스템과 설비형(active) 시스템으로 구분된다. 전자는 온실, 트롬월과 같이 남측의 창문이나 벽면 등 주로 건물 구조물을 활용하여 태양열을 집열하는 장치이며, 후자는 집열기를 별도 설치해서 펌프와 같은 열매체 구동장치를 활용해서 태양열을 집열하는 시스템으로 후자를 흔히 태양열 시스템이라 한다.
• 집열 또는 활용온도에 따른 분류는 일반적으로 저온용, 중온용, 고온용으로 분류하기도 하며, 각 온도별 적정 집열기, 축열방법 및 이용분야는 다음과 같다.

태양열 이용기술 분류

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

국내외 현황

태양열시장은 2018년도에 전세계적으로 4,700만㎡의 집열기가 설치됐으며 10년간 누적 설치량도 6억8,500만㎡에 달해 풍력, 태양광에 이어 3위 자리를 지키고 있다.

그러나 국내 태양열시장은 미국, EU, 일본 등과 비교해 시장규모 및 발전 현황은 매우 낮은 상태다. 1990년대 태양열 온수기 붐이 일어났을 당시만 해도 높은 보급률을 기록했으나 2000년대 들어서면서 보급량이 급격히 감소했다.

또한 2015년 기준으로 세계시장 보급량 1%도 안 될 정도로 점점 태양열산업이 성장 중인 세계시장 비해 매우 대비되는 모습을 보이고 있다. 2018년 총 시장규모가 2만㎡도 안 되는 매우 초라한 규모이며 가장 활발했던 2009년의 총 설치면적도 기껏해야 11만㎡ 남짓할 정도로 시장상황이 열악하다. 이러한 현상이 나타나게 된 이유는 계절마다 다른 일사량으로 인한 에너지 불균형과 타 열원과 연동해야 하는 번거로움, 건물의 미관 손상 등이 걸림돌이다.

최근 세계적으로 지구온난화와 이산화탄소 감축에 대한 중요성이 높아지면서 우리나라도 태양열시스템 보급 확산을 계획하고 있는데 2020년까지 매년 11.6%, 2030년까지 매년 6.9%의 증가량을 기록할 것으로 전망된다.

해외 국가들의 태양열시스템 대부분은 가정용 온수기로 활용되며 일반적으로 소비량의 40~80%를 담당하고 있다. 이외 호텔, 학교 등 대규모 단지에서는 대규모 온수시스템을 도입, 유럽 최대 태양열 설치 국가인 독일은 온수와 난방을 병행하는 콤비시스템(Combi systems)이 40% 이상을 차지하고 있다.

2014년 말 기준으로 유럽 국가에서 227개의 태양열 지역난방 발전소(Solar Thermal District Heating Plants, 551MWth)가 가동 중인데 이중 최근 유럽 11개 신규 발전소는 모두 덴마크에 설치됐으며 기존에 비해 43%가 상승한 61개 발전소로 총 389MWth를 기록했다.

또한 태양열 냉방시장은 아직까지는 미미한 수준이지만 2004년 이후 연평균 40%를 초과하는 성장률을 기록 중이다.

태양열을 활용한 냉방시장은 피크 전력수요를 낮추는 잠재량이 있으며 냉방수요가 높은 국가에 필요한데 2014년 남아공의 첫 태양열에너지를 활용한 냉방설비사업이 요하네스버그에서, 세계 최대의 설비가 미국 애리조나주의 학교에 완공됐다. 뿐만 아니라 소규모 태양열 냉방 설비의 경우 중부 유럽과 타 지역에서 주목을 받고 있다.

글로벌 태양열시장 변화

• 첫째 대용량시스템으로의 변화다. 당연한 결과이지만 소형 온수급탕기시장이 축소됨에 따라 대용량시장이 열리고 있다. 2018년 말 현재 500㎡ 이상의 대용량 시스템 339개가 가동 중에 있으며 올해 43개의 시스템이 신규로 설치됐다.

• 둘째 산업공정열 태양열시스템의 증가이다. 2018년 말 전세계적으로 약 736개의 산업공정열 시스템이 가동 중이다. 2018년 한 해에만 104개 시스템이 설치됐으며 주로 식음료, 기계, 광업, 직물산업부문에 적용되고 있다.

• 셋째 태양열 지역난방시스템의 활황세를 꼽을 수 있다. 주로 북유럽국가에서 많이 설치되고 있었지만 최근에는 남유럽과 중국에서도 붐이 일고 있는 상황이다.

2016년 덴마크에서만 31개의 신규 플랜트에 50만㎡의 집열기가 설치된 바 있다. Silkeborg지역의 한 개 플랜트의 규모가 15만6,694㎡나 되는 매우 큰 시스템들이 설치되고 있다. 2018년에 오스트리아의 Graz에는 22만㎡ 규모의 계간축열시스템 설치계획이 발표된 바 있다.

• 넷째 PVT(태양광열 복합모듈)시스템의 개발이 활기를 띠고 있다. 2017년에 전세계적으로 107만5,247㎡의 PVT모듈이 설치됐다.

특히 유럽지역에서는 PVT의 붐이 일어나고 있는 상황이다. 특히 한 개의 모듈에서 전력과 열이 동시에 얻어지는 장점을 이용해 건물부문에서 각광을 받고 있으며 제로에너지건물 시대에 부합되는 솔루션으로 주목받고 있다. 국내에서도 PVT시스템에 대한 R&D가 많이 이뤄지고 있다. 특히 제로에너지건물 의무화와 맞물려 큰 시장이 열릴 것으로 예상된다. 세계의 PVT시장은 이제 겨우 도입기라고 볼 수 있으며 국내 기술도 개발 수준에 따라 Global Top 기술로 자리매김할 수 있는 여지가 충분하다. PVT 기술은 대부분 유럽의 주요 국가들에 의해 개발되고 있으며 보급 역시 주로 유럽 국가들에서 이뤄지고 있는 실정이다.

2016년 프랑스의 경우 국가전체의 태양열 집열기 보급량과 맞먹는 약 5만5,000㎡의 단독주택용 PVT모듈이 설치된 바 있으며 같은 해에 스위스에는 약 300개의 PVT시스템이 설치된 바 있다. 이와 같이 전세계적으로 제로에너지건물의 의무화와 맞물려서 PVT모듈 및 시스템의 보급이 점차 활기를 띄고 있는 것을 알 수 있다.

국내 PVT부문의 경우 보급시장은 아직 열리지 않은 상황이며 여러 기관(기업)에서 다양한 형태의 PVT모듈 및 시스템에 대한 R&D가 진행되고 있다. 2020년부터 제로에너지건물에 대한 의무화가 부분적으로 시작되고 또한 2025년부터는 전면적으로 제로에너지주택 의무화가 개시된다는 점을 고려할 때 본격적인 PVT모듈 및 시스템에 대한 시장은 2020년부터 활성화될 것으로 예측된다.

태양열에너지 가장 많이 생산하는 국가 TOP 10

1. 독일: 39.275 GW
2. 중국: 35.78 GW
3. 일본: 23.3 GW
4. 미국: 18.3 GW
5. 이탈리아: 17.9 GW
6. 스페인: 5.6 GW
7. 프랑스: 5.2 GW
8. 호주: 3.3 GW
9. 영국: 3.0 GW
10. 벨기에: 2.9 GW(출처 : 최신 과학 기술 정보 미디어 퓨처리즘(Futurism))

독일 정부는 필요 에너지를 태양열로 전부 대체할 수 있을 때까지 태양열에너지 발전을 꾸준히 늘리는 것을 목표로 두고 2020년 35%, 2030년 50%, 2050년 80%까지 순차적으로 늘려갈 예정이다. 중국 정부는 2030년까지 화석 연료 에너지를 20%까지 감소할 예정이다. 일본 정부는 2020년까지 28 GW, 2030년까지 53 GW 늘릴 예정이다.

이용 방식

태양열 패널

태양열 에너지로 직접적으로 물이나 공기를 가열시켜 가정의 난방열이나 온수로 사용하는 방식. 물은 매우 축열성이 높은 소재이기 때문에, 주야간의 일교차가 큰 지역에서는 매우 적합하다.

공기를 사용하는 방식의 경우에는 패널 하단에 흡기구, 상단에 배기구를 설치하는데, 이를 개폐식으로 만들어 실내에서 공기를 순환(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 실내로 배기)시키거나, 하계에는 실내의 더운 공기를 내보내는 환기용(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 외부로 배기)으로도 사용할 수 있다. 단순히 수작업으로 만든 패널이라도 동계 주간에는 공기가 30~40도까지 가열되기 때문에 상당한 난방 효과를 얻을 수 있으나, 정작 추워지는 밤에는 도움이 안된다는 것이 약점. 주간에나마 비용을 절감할 수는 있고, 학교 등 주간에만 사용하는 시설이라면 단점이 많이 보충된다.

태양광 패널과 접목하여 효율을 향상시킨 태양열 패널 또한 존재한다. 태양광 패널에서 발생되는 열을 태양열 패널이 흡수하여 온수를 가열하는 방식이다. 태양광 패널은 온도가 높아질수록 효율이 낮아지므로 태양광 발전에서의 폐열을 재활용하면 일석이조이다.

태양열 조리기

태양열을 음식을 조리하는 데 사용하는 기구. 상자 안쪽을 검게 칠하고 윗면을 비닐이나 유리로 밀폐한 밀폐형과 거대한 오목거울이나 경사진 거울판 한두 개를 이용하는 파라볼라형(Parabolic cooker)이 있다.

가장 간단한 구조인, 경첩으로 조절되는 평범한 거울 한두 개를 경사지게 기울여 빛을 반사, 집중시켜 달구는 형태는 만들기가 매우 쉬운지라 오래 전부터 간단한 DIY로도 제작되는 모델이고. 파라볼라형은 경사 거울 모델의 거울 면을 네잎 클로버처럼 네개 배치하거나 곡면 원형으로 만들어진 금속제 접이식 패널 등으로 빛을 집적하는 구조로, 태양 위치에 맞춰 각도 조절이 가능한 받침, 초점 부분에 냄비를 얹을 수 있는 버팀대로 보통 구성되고, 밀폐형과 달리 상자 크기에 냄비가 제한되지 않으며 초점에 사용하는 냄비를 검게 칠하면 열흡수율이 높아진다. 햇빛을 제대로 모으면 깜짝 놀랄 만큼 고열이 생기므로 밀폐형보다 훨씬 효율적이지만, 부피가 크고 태양의 움직임에 맞추어 패널의 각도를 조절해야 한다는 단점이 있다. 그래도 아프리카 등에서는 연료를 구하기도 어렵기에 적정기술의 일환으로 널리 사용된다.

솔라 박스 쿠커(Solar Box cooker)라고도 하는 밀폐형은 부피가 작고 휴대가 편하지만, 2시간쯤 걸려야 100도 정도가 한계라서 굽는 요리를 할 수 없어서 제한적으로만 사용한다. 일부에서는 보온용 상자로도 쓰기도 한다.

유사한 물건으로 Solar Kettle이라고 하는 원통형 수통이 있다. 투명한 본체에 오목거울을 달고 중앙 촛점부에 검은 축열기를 배치하여, 2시간쯤 펼쳐두면 물이 끓기 직전까지 뜨거워진다. 자외선 소독은 덤이다.

요리와는 관계없지만 손바닥만 한 오목거울을 이용한 태양열 라이터도 있다. 초점부에 담배를 꽂는 스프링이 설치된 흡연자용인 듯. 물론 불쏘시개에 점화해 서바이벌 용도로 사용하는 것도 가능하다.

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.

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.

참고자료

• 〈태양열 에너지〉, 《시사상식사전》
• 〈태양열 발전〉, 《나무위키》,
• 〈태양열 | 신·재생에너지 소개〉, 《한국에너지공단》
• 김경석 기자, 〈(신재생에너지의 세계) ② 태양열(太陽熱)〉, 《에너지단열경제》, 2019-03-19
• 홍시현 기자, 〈(신년 기획) 태양열로 ‘환경규제’ 넘는다〉, 《투데이에너지》, 2020-01-0
• bliss in Information No Comments, 〈태양열에너지 가장 많이 사용하는 나라 TOP 10〉,CaTalk, 2018-09-09

같이 보기

• 태양광에너지
• 태양에너지
• 태양열
• 태양열발전

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