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태양열발전소
태양열발전소(solar thermal power station, 太陽熱發電所)는 태양에너지를 모아 열로 변환한 후, 그 열을 이용하여 전기를 생산하는 발전소이다.
목차
개요
태양열발전소는 태양열을 열 매체에 전달하여 수집된 열에너지를 전기에너지로 바꾸도록 설계된 발전 시설을 말한다. 태양열을 열 매체를 통해 수집하고, 수집한 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 시스템을 이용한다. 반사경을 이용하여 집광시킨 태양광의 열을 이용하여 보일러에서 증기를 발생시키는데, 이때 증기 온도는 550℃까지 올라갈 수 있다. 발생한 고온의 증기는 터빈에 이송된 후 화력발전과 같이 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 이때 증기 발생에 필요한 열을 무공해 청정 자원인 태양열을 사용하므로 환경친화적인 발전 방식에 속한다. 대량의 물을 끓여 증기를 발생시켜야 하므로 소형 규모의 발전소는 효율이 떨어진다. 따라서 발전소의 위치를 선정할 때 장소와 면적의 제약이 크고, 대다수는 사막과 같은 지역에 건설된다. 태양의 열에너지를 모으는 방식에 따라 포물면 거울 초점 위에 배치된 집열관으로 모으는 방식인 파라볼릭 트로프(Parabolic trough) 또는 파라볼릭 디시(Parabolic dish) 방식과, 넓게 분포된 반사경 중앙부에 열 흡수기가 포함된 집광 타워를 설치하는 솔라 타워(Solar tower) 방식 등이 있다.[1]
방식
파라볼릭 트로프
파라볼릭 트로프는 가장 발전된 형태로 상용화된 태양열발전소의 대부분을 차지한다. 말구유 형상이라서 구유형이라고도 한다. 포물 반사판을 한축으로만 회전하여 집광하고, 초점의 위치에 튜브형 흡수기를 둔다. 이후 합성오일을 흡수기 튜브에 통과시켜 가열하고, 이를 열교환하여 생산된 과열증기로 터빈을 구동한다. 일반적인 집광비는 50정도이고, 작동 유체의 온도는 400℃ 이하이다. 파라볼릭 트로프 태양열 발전소는 열원만 태양열로 바뀐 랭킨사이클(Rankine Cycle)로써 발전 효율은 15% 정도이다.[2]
파라볼릭 디시
파라볼릭 디시는 포물 접시를 두 축으로 집광하여 주로 초점 위치에 독립적인 발전부를 갖는다. 발전부는 흡수기와 더불어 일체로 제작하며, 집광 추적 시 시스템 전체가 움직인다. 스털링 엔진(Stirling Engine)이나 마이크로터빈과 같은 소형 엔진이 발전을 위해 사용되고, 공기를 이용하여 냉각한다. 집광비가 1,000~4,000 정도로 매우 높아 발전 효율은 태양열 발전 중에 가장 높다. 하지만, 상대적으로 동일 발전용량 대비 초기 투자비가 높고, 반사판 크기 제약으로 인해 현재는 발전 용량이 30kW 이하이다. 분산형 발전에 적합하고 열저장이 어려우므로 집광형 태양광(Concentrating Photovoltaics) 기술과 경쟁관계에 있다.[2]
솔라타워
솔라타워는 접시형의 프레넬 형태로 헬리오스탯(Heliostat)이라 불리는 다수의 평면 또는 곡률 반사판을 필드에 배치하여 집광한다. 중앙흡수기형이라고도 한다. 타워 꼭대기에 흡수기를 설치하고, 이를 집광 목표로 헬리오스탯을 운전한다. 아직은 서너 개의 중앙흡수기형 발전소가 상용화에 진입한 초기 단계지만, 개발 중인 발전소에서는 중앙흡수기형의 비중이 증가하고 있다. 집광비가 200~1,500 정도로 상대적으로 높으면서, 기술개발을 통한 성능 향상의 여지가 높고 적용 분야가 다양하여 발전 가능성이 높은 기술이다. 솔라타워는 다른 집광 방식에 비해 헬리오스탯을 필드에 배치하는 것이 중요하다. 집광 효율에 영향을 줄 뿐만 아니라 필드의 크기는 초기 투자비와 관련이 있으므로, 효율과 비용을 감안하여 최적화한 헬리오스탯 필드를 설계해야 한다. 또한, 다양한 목적에 따라 멀티 타워나 멀티 흡수기가 가능하므로 고도화된 집광 기술이 필요하다.[2]
설치 동향
국내
- 대구
국내 최초의 태양열 발전소는 대성그룹이 대구에 설치한 솔라타워형 태양열발전소이다. 대성그룹은 2011년 6월 29일 대구시 북구 서변동 북대구 IC 인근에서 200㎾급 타워형 태양열 발전소 준공식을 개최했다. 대성그룹의 주력 계열사인 대성에너지㈜가 한국에너지기술연구원 등과 함께 3년 동안 완공하였으며, 설비에는 정부출연금 71억 5000만 원, 민간부담금 45억 원 등 총 116억 5,000만 원이 투입됐다. 발전 설비는 2만 300㎡의 부지에 태양열 흡수기와 발전 시스템이 설치된 50m 높이의 타워, 태양열을 반사하는 직경 2m의 반사경 450개, 관리동 등으로 구성되어 있다. 반사경을 이용해 흡수기로 모은 열로 터빈을 돌리면 시간당 200㎾의 전기를 생산하게 된다. 이처럼 태양열을 한 곳으로 모아 발생하는 수백~수천도의 고온을 에너지원으로 사용하기에 설비규모가 커지면 경제성 면에서 태양광 발전을 앞설 수도 있다. 대구는 연간 일조량이 많고, 2013년 세계에너지총회 개최지이기에 태양열발전소를 통해 친환경 에너지도시 이미지를 알리는 최적의 입지이다. 또한 대구시에 타워형 태양열발전소를 건설함으로써, 대한민국이 태양열발전소를 보유한 국가가 되었다는 점에서 큰 의미가 있다. 대성그룹은 이 기술을 태양 추적, 고효율 집광 등 고도의 기술과 접목해 몽골, 중동, 아프리카 등 해외 태양열발전 플랜트 건설에 적극 참여할 계획이다.[3] 그런데 대성에너지 측에서 2억 원 정도의 비용을 들여 2019년 12월 시설물을 철거했다. 이유는 초라한 발전소 실적 때문이었다. 대구 태양열발전소는 한국에너지기술평가원 연구과제를 끝낸 뒤 사실상 애물단지로 전락했다. 8년간 만들어낸 연구 실적 역시 모두 합해 4건 정도가 전부로, 발전소 설비와 반사판 수출 실적은 없다. 전력 생산량도 예상치에 근접하지 못했다. 200㎾를 예상했지만, 20~50㎾를 만들어 내는 데 그쳤다. 결국 대구시와 대성에너지는 발전소 기능이 더는 없다고 판단하여 2019년 12월 철거비 2억 원을 들여 시설을 뜯어낸 것이다.[4]
해외
미국
이반파 태양열발전소(ISEGS, Ivanpah Solar Electric Generating System)는 미국 남서부 지역 사막에 설치된 태양열발전소이다. 지금까지 설치된 태양열 발전소 가운데 가장 거대한 규모인 이 태양열 발전 시스템이 청정 에너지를 통해 막대한 전기를 생산하는 점 외에도, 일반적으로 태양열 발전이 많은 양의 물을 필요로 하는 것과는 달리 물의 사용량을 대폭 절감하는 절수형 시스템이 적용되어 있다. 이반파 태양열발전소는 라스베가스에서 남서쪽으로 약 64km 정도 떨어진 캘리포니아 주와 네바다 주 경계의 모하비(Mojave) 사막 위에 위치해 있는데, 여의도보다 약간 더 큰 약 14.2㎢의 부지 위에 건설됐다. 발전소 안에는 총 173,500개의 태양에너지를 반사시키는 장치인 헬리오스타트가 설치되어 있으며 각 헬리오스타트는 2개 씩의 반사경을 가지고 있다. 그리고 이 헬리오스타트는 모두 컴퓨터로 조정되어 3개의 솔라 타워에 태양에너지를 집중시키도록 설계되어 있다. 이반파 태양발전소는 총 14만 세대에 공급할 수 있는 392MW의 전력을 생산할 수 있다. 다만 시간 당 MW의 발전 비용이 261달러 수준으로서 석탄을 사용했을 때의 발전 비용인 100달러에 비해 2배 이상 비싸다. 그러나 캘리포니아 주는 2020년까지 전체 전력의 1/3을 신재생 에너지로 대체한다는 계획을 갖고 있기 때문에, 이반파와 비슷한 거대 태양열 발전소가 정부의 지원을 받으면서 지속적으로 건설될 예정이다. 이를 통해 앞으로 약 30년 동안 1,300만 톤 이상의 이산화탄소가 절감될 것으로 기대하고 있다. 이와 같은 양은 자동차 2백만 대 이상이 발생하는 이상화탄소 배출량과 동등한 수준인 것으로 나타났다.
이반파 태양열발전소의 특징으로는 절수형 시스템을 들 수 있다. 일반적으로 태양열 발전소는 반사경을 이용하여 보일러의 물을 가열한 후 증기를 생산하여 터빈을 가동하는데, 이러한 공정 때문에 태양에너지를 활용한 또 다른 발전 방식인 태양광발전과 비교했을 때 많은 양의 물을 필요로 한다. 하지만 이반파 태양열발전소는 물의 사용량을 대폭 절감하는 건식냉각 기술을 사용하기 때문에, 전체 공정을 가동하는 데 필요한 물의 양은 발전소 부근에 위치한 골프장에서 사용되는 양만큼의 물만 있으면 충분하다. 한편, 이반파 태양열발전소는 본격적인 가동에 앞서 여러 가지 이유로 지역 주민 및 환경단체로부터 반발을 샀다. 새들이 솔라 타워 근처에서 강한 열에 의해 죽는 일들이 발생하고 있기 때문이다. 따라서 앞으로 태양열발전소 건립을 게획하고 있는 주정부들은 지역의 야생 조류 보호를 위해 솔라타워 방식의 태양열발전소 건설을 고민하고 있는 것으로 알려졌다.[5]
호주
호주 남부 지역에 2022년에 완공 예정인 세계 최대 규모의 태양열발전소가 들어선다. 호주 남호주 주는 미국 업체 솔라리저브(Solar Reserve)와 남호주주 포트 오거스타 인근 지역에 세계 최대 규모의 태양열발전소를 건설하기로 했다. 태양열발전소 건설에는 6억 5천만 호주 달러(5천 800억 원)가 투입되며 2021년에 착공돼 2022년에 완공된다. 전력 생산 규모는 150㎿로, 여기서 생산된 전력은 주정부와의 20년 장기 계약에 따라 학교와 병원 등에 공급된다. 이는 9만여 가구에 전력을 공급할 수 있는 양이다. 발전소에는 태양 광선을 모으기 위해 옥외 광고판 크기의 반사경 1만2천 개가 설치된다. 이 발전소는 태양을 열의 원천으로 이용해 증기로 바꾼 뒤 다시 이를 전력으로 바꾸게 된다. 풍력이나 광전지(PV)와 비교해 규모는 100분의 1 정도에 불과한 것으로 알려졌다. 발전소가 건립되면 석탄발전소보다 값싼 비용으로 전력을 공급할 수 있다.[6]
모로코
와르자자트 태양열발전소는 모로코에서 사하라 사막으로 가는 관문에 축구장 3500개 크기인 3000헥타르(900만 평)에 건설된 태양열발전소이다. 수도 라바트에서 300여km 떨어진 곳에 있다. 50만 개의 반사판이 태양을 따라 움직이며 580MW의 전력을 생산한다. 이는 수백만 가구에 전기를 공급할 수 있는 양으로, 프라하 크기의 도시에 전기를 공급할 만한 양이다. 와르자자트 태양열발전소의 이산화탄소 배출량 감축 효과는 연간 76만 톤으로, 전 세계 탄소 배출량 5650만 톤의 약 1.3%에 이른다. 탄소 배출 문제가 심각한 지구를 지키는 데 한 몫을 하고 있는 셈이다. 와르자자트 태양열발전소의 한 가운데 솟아 있는 243m의 타워는 아프리카에서 가장 높은 타워로, 에너지를 생산하기 위한 녹은 소금이 저장되어 있다. 에너지를 전력망으로 직접 전달하는 기존의 태양 전지판과 달리, 곡선 거울을 사용해 열전달 유체(Heat Tubes of Fluid, HTF)에 태양열을 집적해 발전기로 펌핑시킨다. 낮 동안에는 아프리카의 뜨거운 햇빛을 받은 높이 12m 크기의 파라볼라(parabola) 거울이 열전달 유체를 높은 온도로 데워 열전달 유체가 물과 합쳐지면서 생기는 증기로 터빈을 돌리는 방식이다. 이 발전기는 에너지를 나중에, 특히 수요가 많은 밤에 사용할 수 있도록 저장할 수도 있다. 집광판을 통해 태양열에너지를 저장할 수 있어 태양이 없는 밤에도 가동이 가능하다. 소금물로 채워진 탱크에 저장된 태양에너지가 한밤중에도 터빈을 돌여 최대 3시간의 전력양을 생산할 수 있다. 이 발전소는 세계은행이 4억 달러를 지원하고 클린 테크놀로지 펀드(Clean Technology Fund)로부터 2억 1600만 달러를 융자받아 건설됐다.[7]
두바이
두바이 남쪽 50㎞ 지점에 건설되는 모하메드 빈 라시드 알 마튬(Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park)은 본래 태양광 발전소였으나 700㎿의 태양열 발전 설비를 확장하며 태양열발전 공원이 되었다. 중국과 사우디 아라비아의 합작 컨소시엄이 건설하는 이 발전소는 역대 가장 높은 260m 높이의 솔라타워를 사용해 에너지를 집중시킨다. 이 발전소의 개발에는 137억 달러가 투입되며 2030년 완공되면 다양한 태양열 발전 방식으로 5000㎿의 에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 사막 모래 위에 태양열 패널이 들어서고, 이를 기반으로 청정에너지 혁신 센터가 들어선다. 집광형 태양열발전(CSP) 기술을 활용해 세워진 260m 높이의 태양열 타워도 건설된다. 이 건물은 거울을 활용해 태양열을 모으고 열을 만들어내는 역할을 하게 된다.[8]
브라질
브라질 상파울루에서 라이트디파이(Light DeFi)가 산하의 첫 5메가와트 생산 케파의 태양열발전소를 구축할 예정이다. 첫 모듈은 2022년 4월 11일에 정식 시공될 예정이며, 같은 해 6월 11일 두 번째 모듈의 경매 및 건설에 들어갈 계획이다. 라이트디파이는 지속 가능한 태양에너지와 디파이를 합쳐 명명됐다. 그 의미는 태양력 발전의 방법으로 에너지 구조를 전환하며 재생 가능한 에너지를 사용해 지구 에너지 환경의 레벨을 올리는 데에 있다. 개발자 그리고 구성원들의 노력으로 세계를 변화하기 위해 주력하고 있으며, 블록체인 기술이 재생 가능 에너지의 발전에 이바지할 수 있도록 지구 온난화와 지구 생태계 보호를 위해 기여할 것이다. 1기 태양열발전소는 브라질 세아라주의 외곽에 위치했으며, 총 면적은 17헥타르다. 환경 허가를 받은 이 지구는 100% 합법 개발 지역으로 현재 태양열 발전 초기 공사 기획 단계에 있다. 초기 첫 모듈이 건설된 후 해당 모듈의 생산 능력은 2.5메가와트에 달할 것이며, 두 번째 단계인 건설 확충 단계에서는 5메가와트로 업그레이드될 예정이다. 태양열발전소 설비 용량은 3445kWp로 6380가의 540W 태양전지판과 220개 추적기, 20개 125kW의 인버터, 단일 변전소를 포함하고 있다. 프로젝트 초기에는 매년 50만 달러의 수익을 창출하고 80개 일자리를 만들 전망이다. 라이트디파이 태양열발전소의 인프라 구축 자금은 해당 코인 네트워크 비용으로 형성된 수익으로 충당할 것이며, 거래는 지분증명으로 진행될 계획이다. 태양열발전소 총 수익의 50%는 신에너지 생산 모듈 구축에 사용될 것이며, 30%는 라이트코인 환매와 재분배에 사용해 코인 유동성을 확보한다. 환매한 코인은 비율에 따라 라이트코인 보유자들에게 재분배될 것이다. 프로젝트의 투명성을 보여주기 위해 코인 정식 발행 전에 라이트디파이의 스마트 협약임을 공지할 예정이다. 또한 개발자들은 유동풀에 30BNB(바이낸스 스마트체인 코인)를 주입하고, 코인 정식 발행 10분 후 20만 달러 유동성을 확보하고 잠근다. 라이트디파이는 공평한 코인 발행 메커니즘을 사용해 코인 사전 배분이 없이 100% 동일 조건으로 모든 고객에게 공급된다. 이렇게 하면 단체 압력의 리스크도 회피할 수 있을 뿐만 아니라 프로젝트의 안전성도 향상할 수 있다. 이와 동시에 라이트디파이는 태양열 분야 전문 변호사를 임명해 프로젝트 백서를 작성했으며, 서틱(Certik)의 회계 감사를 통과했다.[9]
스페인
스페인은 바르셀로나에 태양열 포장도로를 깔아 도로 전체를 태양열발전소로 쓰고 있다. 바르셀로나 글로리스 지역에 위치한 작은 공원에 설치된 50제곱미터의 태양열 전지판은 연간 7560kW의 전력을 생산할 수 있다. 대부분의 태양열발전소는 농지와 삼림 지대에 건설된다. 이를 두고 일각에서는 발전소 건설이 환경에 부정적인 영향을 끼친다는 지적도 있다. 스페인도 종전에는 주요 도시에서 멀리 떨어진 농장지대에 주로 태양열 전지판을 설치했다. 하지만 도심 속 태양열 전지판을 시작으로 도로 위 발전소가 확대될 예정이다.[10]
각주
- ↑ 〈태양열발전소〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 이현진 태양에너지연구단 선임연구원, 〈태양열을 이용한 발전기술〉, 《코리아사이언스》, 2012-06
- ↑ 〈대성그룹, 국내 최초 타워형 태양열발전소 준공〉, 《아이가스저널》, 2011-08-12
- ↑ 김윤호 기자, 〈MB정부 때 세운 116억짜리 태양열발전소, 8년만에 사라졌다〉, 《중앙일보》, 2020-01-16
- ↑ 김준래 객원기자, 〈세계 최대 태양열 발전소는 어디?〉, 《사이언스타임즈》, 2014-03-03
- ↑ 김기성 기자, 〈호주 세계 최대 태양열발전소 2020년 건설…반사경 1만2천개〉, 《연합뉴스》, 2017-08-15
- ↑ 홍석윤 기자, 〈여의도 10배, 모로코 세계 최대 태양열 발전소 완공〉, 《이코노믹리뷰》, 2019-02-08
- ↑ 조강희 기자, 〈UAE, 5000㎿ 전력 생산 태양열 공원 만든다〉, 《한국에너지》, 2018-04-30
- ↑ 〈Light DeFi, 태양열 발전소 2022년 브라질 세아라주에 시공〉, 《뉴스와이어》, 2021-12-22
- ↑ 김현호 기자, 〈도로에 깔린 '태양열 전지판'...유럽의 친환경 도로들〉, 《뉴스트리》, 2021-05-03
참고자료
- 〈태양열발전소〉, 《네이버 지식백과》
- 이현진 태양에너지연구단 선임연구원, 〈태양열을 이용한 발전기술〉, 《코리아사이언스》, 2012-06
- 김준래 객원기자, 〈세계 최대 태양열 발전소는 어디?〉, 《사이언스타임즈》, 2014-03-03
- 홍석윤 기자, 〈여의도 10배, 모로코 세계 최대 태양열 발전소 완공〉, 《이코노믹리뷰》, 2019-02-08
- 〈대성그룹, 국내 최초 타워형 태양열발전소 준공〉, 《아이가스저널》, 2011-08-12
- 김윤호 기자, 〈MB정부 때 세운 116억짜리 태양열발전소, 8년만에 사라졌다〉, 《중앙일보》, 2020-01-16
- 조강희 기자, 〈UAE, 5000㎿ 전력 생산 태양열 공원 만든다〉, 《한국에너지》, 2018-04-30
- 〈Light DeFi, 태양열 발전소 2022년 브라질 세아라주에 시공〉, 《뉴스와이어》, 2021-12-22
- 김기성 기자, 〈호주 세계 최대 태양열발전소 2020년 건설…반사경 1만2천개〉, 《연합뉴스》, 2017-08-15
같이 보기
