태양열발전

태양열발전

태양열발전(Solar power, 太陽熱發電)은 태양전지가 아니라 집열판을 사용하여 태양열을 거울로 반사하여 곳에 집중시켜 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 증기터빈을 작동시켜서 전기를 얻는 발전 방식이다. 태양열발전은 햇빛을 열원으로 하며 화력발전, 원자력발전처럼 물을 데워 그 증기로 터빈을 돌려 발전한다는 점에서 공통점이 있다.

개요

태양열발전은 기본적으로 태양으로부터 오는 복사 광선을 고밀도로 모은 후 열 발전 장치를 통해 전기를 발생한다는 공통점이 있다. 태양열발전 시설은 대체로 접시/엔진(dish/engine) 시스템, 홈통형(trough) 시스템, 전력 타워(power tower) 시스템 등 세 가지 형태로 나눌 수 있다. 이들 시스템은 모두 집중장치, 흡수장치, 전달·저장 장치, 변환 장치 등 네 개의 핵심장치로 구성된다. 태양의 일사 강도는 매우 낮은 에너지 밀도를 갖고 있어 발전용으로 사용하기 위해서는 넓은 영역에 도달하는 태양의 일사 성분 중 태양으로부터 직접 도달하는 직달 일사 성분을 반사 및 집광시켜 한곳에 모인 열원을 통해 높은 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 열에너지를 이용하여 작동매체인 물, 증기, 합성 오일, 공기 등의 매질에 열을 전달하여 발전 시스템을 구동시켜 전력을 생산한다. 그러나 태양에너지는 낮 동안만 사용할 수 있으며 항상 일정한 일사량을 보이지 않는다. 이러한 열원의 특성을 고려하여 낮 동안 일사량의 변화 및 야간에도 일정한 전력을 생산하기 위해서 태양에너지를 열로서 저장하여 발전에 활용하고 있다. 하지만 태양열발전은 다른 에너지원과 비교하여 효율성이 매우 낮아 작동 매체와 집광 방법의 변화 등을 통한 효율 증가가 연구 중이며 다른 에너지원의 경제성을 위한 보조 발전으로 주로 사용되고 있다. 태양열발전의 효과적, 안정적 발전을 위한 발전 방식 및 고온 태양열 연계 방식에 따라 별도의 연료를 병행하여 사용하는 복합(hybrid) 시스템을 구성하기도 한다.

태양열발전의 발전 방식으로는 탑집광 방식과 포물면 집광 방식이 있다. 탑집광 방식은 탑 위에 물탱크를 두고 탑 주위에 많은 반사경을 설치하여 여기서 반사된 태양광이 끊임없이 물 탱크면을 비추면서 물을 가열한다. 포물면 집광 방식은 직선상으로 배열한 포물면경의 초점 위에 위치한 물이 지나가는 파이프를 설치하여 물을 가열하는 방식이다. 흐린 날이나 비 오는 날에는 효율이 급격히 떨어지거나 작동이 불가능하고 설비 면적에 비하여 얻는 전기의 양이 적다는 단점이 있다. 태양열발전은 찾아보기 어려운 이유 중 하나는 태양열은 열 자체를 모아 이용하는 기술에 더 많이 사용되기 때문에 태양으로부터 오는 복사 광선을 흡수해서 열에너지로 변환한 후 온수, 건물의 냉난방, 산업 공정열 등에 활용하며 더불어 타 열원과 연동해야 하는 번거로움, 지리적 조건, 빛반사 이슈 등의 이유로 국내에서는 보급이 덜 활성화되었다. 화력발전은 1MW당 약 325평이 필요하지만 태양열 발전은 1MW당 약 8,500평이 필요하여 화력발전소 대비 약 26배, 원자력 발전소 대비 6~7배의 부지가 더 필요하게 된다. 태양열발전사업은 1990년대 초기 캘리포니아의 세액공제 인센티브에 힘입어 350MW 설비 용량이 설치된 이후 정체되었다가 이스라엘과 스페인, 미국에서 상업용 설비가 설치되어 다시 관심을 끌면서 기술 개발과 잠재 투자수요가 늘고 있다. 2004년에는 미국 애리조나주에서 1MW급 파라볼라형 태양열 발전설비가 설치되었다. 우리나라의 경우 홈통형 시스템은 실용화 단계이며, 접시형 시스템에 대한 연구는 1990년대 말부터 수행되어 현재 태양열발전 실증 연구가 진행 중이다. 국내는 2011년 대구시에 국내 1호 타워형 태양발전소를 설치하였으며 타워에는 태양열 흡수기가 그 아래 지상에는 가로, 세로 2m짜리 태양열 반사경 450여 개가 설치되었다. 발전 용량을 200㎾를 예상했지만 20~50㎾를 만들어 내는데 그쳐 2019년 12월 철거하였다.

원리

태양광발전 원리

태양열 발전은 헬리오스테트(heliostat)라고 불리는 수백 혹은 수천 개의 반사판 거울을 사용하여 타워 상단으로 집광을 하며 고온의 획득이 가능하고 열손실의 여지가 적으며 높은 밀도의 열에너지 저장이 가능하다는 이점을 가지는 가장 진보적인 대규모 발전 방식이다. 타워형 태양열발전에서 사용되는 작동유체로는 물/증기, 공기 및 용융염 등이 있으며 공기를 사용할 경우 태양열발전 시스템은 태양열 집광부, 공기순환부와 전력 발생부로 나눌 수 있다. 헬리오스테트에서 반사, 집광된 태양광은 타워 상부에 위치한 흡수기의 온도를 높이고 주로 세라믹 소재로 구성된 흡수기에 외부/재순환 공기를 통과시키게 되면 700~1000℃의 온도를 얻을 수 있다. 증기발생기에 고온의 공기를 통과시켜 얻은 증기는 터빈을 구동하여 전기를 발생하게 되고 고온의 공기는 다시 재순환되어 흡수기로 전달된다. 태양열발전 방식은 공기를 이용한 증기터빈을 구동하는 방식으로 랭킨 사이클(Rankine Cycle)의 최대 발전 효율 약 40%를 활용할 수 있다.

집열기 종류

• 평판형 집열기 : 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 집열기로서 집열기가 평판형 형태이며 투과체, 흡수판, 열매체관 단열재로 구성되어 있다.
• 진공관형 집열기 : 투과체 내부를 진공으로 만들어 그 내부에 흡수판을 위치시킨 집열기로 진공관의 형태에 따라서 단일 진공관과 2중 진공관이 있다.
• PTC(Parabolic Trough Concentrator)형 집열기 : 포물선형상의 반사판 (태양의 고도에 따라서 태양을 추적함)이 있고 그 가운데 흡수판의 역할을 하는 집열관이 있어서 200~250℃ 정도의 온도를 손쉽게 얻을 수 있다.
• CPC(Compound Parabolic Concentrator) 집열기 : 집광비가 아주 적은 반사판이 있어 일사 광선을 집광해서 집열하는 집열기로 반사판이 태양추적 없이 직달 및 산란 일사 모두를 집광할 수 있는 집열기이다.
• Dish형 집열기 : 일사 광선이 한 점에 집광이 될 수 있는 접시 모양의 반사판이 있는 집광형 집열기로서 태양을 3차원 추적하는 추적장치가 있으며 적은 면적의 흡수부가 있다. 이 집열기는 집광비에 따라서 집열 온도가 달라지며 주로 수백도의 온도를 집열하는 데 사용이 가능하며 태양열 발전 용으로도 사용한다.

같이 보기

• 발전
• 태양열
• 태양광발전
• 화력발전
• 원자력발전

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