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태양열
태양열(Solar heat)은 태양에서 방사되는 전자기파로부터 얻어지는 복사열을 의미한다. 태양은 내부에서의 핵융합 반응으로 인해 높은 열에너지(thermal energy)를 가지고 있는데, 이로 인해 끊임없이 많은 복사파를 외부로 방출하고 있다. 지구는 태양으로부터 오는 전자기파 복사를 통해 열에너지를 얻게 된다. 태양열을 통해 얻어지는 열에너지를 태양열 에너지(Solar thermal energy)라고 한다.
지구대기 밖에 있어서 태양을 곧장 향하고 있는 면(面)은 1cm²당 매분(每分) 약 1.96cal의 복사에너지를 받는다. 지상에서는 대기 중의 수증기에 의한 흡수나 구름에 의한 반사·산란(散亂) 등으로 에너지가 손실되어 1cm²당 매초 약 1cal의 복사에너지를 받는다. 이것은 1m²당 약 700W의 에너지에 상당한다. 지구에 달하는 태양열로 계산하면, 태양은 주위의 공간에 매초 3.90×10³³erg의 복사에너지를 방출하고 있다는 것을 알 수 있다.
태양열 에너지는 다른 태양 에너지를 이용한 발전방식과 마찬가지로 태양광을 열원으로 이용하기 때문에 대기오염을 일으키지 않으며 산업 폐기물 등이 발생하지 않는다는 점에서 친환경적인 에너지 자원으로 여겨진다.
태양열 발전 현황과 미래 해외 국가들의 태양열에너지 시스템 대부분은 난방 및 가정용 온수기로 활용되고, 일반적으로 소비량의 40 ~ 80%를 차지하고 있다. 2014년 말 기준으로 유럽 국가에서 227개의 태양열 지역난방 발전소(solar thermal district heating plants)가 가동 중인데 이중 최근 유럽 11개 신규 발전소는 모두 덴마크에 설치되었으며, 기존에 비해 43%가 상승한 61개 발전소로 총 389 MWth (megawatt thermal, 참고: MWe, megawatt electric과 대비)를 기록했다.
역사
인간의 태양열 이용 현대적인 태양열 기술이 발명되기 오래 전부터 사람들은 태양열을 이용해왔다. 고대 중국인들은 거주공간의 태양 에너지를 극대화하기 위해 건축물을 남향으로 설계하기도 하였고, 고대 그리스에서는 볼록렌즈를 이용하여 태양빛을 집광하여 불을 붙이기도 하였다. 또한 초기 우크라이나 이민자들은 지붕 처마와 창문을 사용하여 겨울에 태양으로부터 최대의 열에너지를 이끌어 내고자 하였고 반대로 여름에는 최악의 과열을 피하고자 했다. 물론 과거의 태양열 이용 방식들은 수동적인 활용의 차원에 그쳤으나 확실히 태양열의 존재를 알고 있었고, 나름의 방식대로 태양열을 사용해왔다. 오늘날 사람들은 기술적인 발전을 통해 태양 에너지를 보다 적극적으로 이용할 수 있게 되었다.
최초의 현대적인 태양열 발전의 사례는 태양열 온수기로서, 1891년 미국에서 처음으로 발명되었다. 당시 발명된 태양열 온수기는 겉이 흑색으로 칠해진 상자에 물이 채워진 구조였다. 이 시스템의 가장 큰 단점은 효율 문제로서 물이 가열될 수 있는 최적의 조건에서도 물이 데워지는데 하루 종일 걸렸으며 밤에는 단열이나 보온 수단이 없어 급속하게 열을 잃어버린다는 점이었다. 반면 현대의 태양열 에너지 시스템은 넓은 영역으로부터 열을 얻어내는 집열장치와 낮 시간동안 모아둔 열에너지를 저장하는 축열장치 등을 이용하여 보다 높은 효율을 낼 수 있었다.
태양열 발전의 기본 원리
태양열 발전의 기본 원리는 기본적으로 발전기 또는 엔진과 같은 열역학적 시스템을 통해 태양 복사를 열에너지로 전환하는 것이다. 넓은 영역의 태양빛을 좁은 영역으로 집중시켜서 열에너지를 축적한다. 이렇게 만들어진 열에너지를 다시 전기를 생성하는데 이용할 수 있는 기계적 에너지로 변환시킨다. 즉, 집열기를 통해 태양열을 모아 물을 데우고, 이를 통해 증기터빈을 돌려서 전기를 얻는다. 이러한 방법은 화석연료를 이용한 일반적인 발전방식에서 열원에 해당하는 것이 태양 에너지로 바뀐 것일 뿐 구조적으로는 거의 같은 형태의 발전방식이라고 볼 수 있다. 이러한 태양열 발전은 태양광 발전과는 명확히 구분되는 방식으로, 태양광 발전은 태양빛을 바로 전기에너지로 전환하는 형태이다.
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
태양열의 시스템 구성 및 집열기의 종류
- 시스템 구성
- 집열부 : 태양열 집열이 이루어지는 부분으로 집열온도는 집열기의 열손실율과 집광장 치의 유무에 따라 결정됨
- 축열부 : 열 시점과 집열량이 이용시점과 부하량에 일치하지 않기 때문에 필요한 일종의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 열저장 탱크
- 이용부 : 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원에 의해 공급
- 제어장치 : 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원에 의해 공급
- 태양열 이용기술의 분류
- 태양열 시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라서 자연형(passive) 시스템과 설비형(active) 시스템으로구분된다. 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 함.
- 집열 또는 활용온도에 따른 분류는 일반적으로 저온용, 중온용, 고온용으로 분류하기도 하며, 각 온도별 적정 집열기, 축열방법 및 이용분야는 다음과 같음.
- PTC (parabolic trough solar collector)
- CPC (compound parabolic collector)
- 이용분야를 중심으로 분류하면 태양열 온수급탕시스템, 태양열 냉난방 시스템, 태양열 산업공정열 시스템,태양열 발전 시스템 등이 있다.
참고자료
같이 보기
