신재생에너지 소개 - 태양에너지

1. 태양에너지

태양은 수소의 핵융합으로 에너지를 생성하며 태양에서 오는 에너지는 엄청납니다. 사실 표현하는 방법은 여러 가지겠지만 한국에너지기술연구원의 딱딱한 표현을 빌리자면 아래와 같습니다.

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. (한국에너지기술연구원)

아무튼 지구에 오는 에너지는 태양이 내보내는 에너지의 22억분의 1이고, 그 22억분의 1이 인류가 소비하는 에너지의 10,000배쯤 된다는 겁니다. 대단하죠. 이러한 태양에너지를 어떻게 활용할까요? 다양한 방법으로 과거부터 활용해 왔습니다.

1.1 빛

가장 단순한 경우는 빛으로의 활용입니다. 시시하다고 생각하실지 모르지만 여러 저개발 국가 같은 경우는 집 내부에 창을 내기 어렵거나 구조상의 문제로 어두운 집 내부에 불을 켤 전구가 없거나 있더라도 전기세를 감당하기 어려운 경우가 있습니다. 실제로 태양광을 이용해서 실내 전등을 대체하는 형태의 발명이 있었습니다. 페트병에 물을 담아 태양광을 실내로 산란시키는 방식입니다.

(출처: http://ecotopia.hani.co.kr/38429)

단지 개발도상국이나 저개발 국가에서만 필요한 방식일까요? 그렇지만은 않습니다. 낮 시간에 활동하는 공간이지만 햇빛이 들지 않는 곳에서 전등에 드는 전력을 태양광으로 대체할 수 있는 곳이라면 어디든지 가능합니다. 부산시 온천천 산책로의 경우도 태양광을 잘 활용한 예입니다. 지하철 역과 주차시설 아래로 산책로가 있지만 낮 시간의 어두움을 태양광을 이용해 밝힌 경우입니다.

(출처: http://reporter.korea.kr/reporterWeb/getNewsReporter.do?newsDataId=148732231)

영어로는 Light Tube 혹은 Light Pipe라는 이름으로, 더욱 관심 있으시면 검색어로 찾을 보실 수 있습니다. 위키피디아 자료

1.2 발전

신재생에너지의 관심이 대부분 전기 생산인 것과 마찬가지로 태양에너지를 활용하는 것의 대부분은 전기 생산을 위한 것입니다. 태양에너지를 전기로 바꾸는 방법은 태양’광’을 이용한 방법과 태양’열’을 이용한 방법입니다. 태양이 내뿜는 에너지는 동일하지만 어떤 형태나 방법으로 활용하느냐에 따라서 나눠지는 것입니다.

태양광 발전은 Photovoltaic Power Generation 이라고 합니다. Photovoltaic effect, 즉 광기전력효과를 이용하는 것으로, 다시 말해 태양광을 어떤 종류의 반도체에 비추면 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차가 생기는 효과를 이용하는 것입니다. 전위차가 생긴다는 것은 하나의 전지와 같은 역할을 할 수 있다는 것입니다. 물론 직류로 생산되지만 교류로 바꿔주면 생활 전기로 사용할 수 있게 됩니다.

사용되는 용어를 간단하게 살펴보면, 다음과 같습니다. 광기전력을 말하는 Photovoltaic은 Photo-빛 Voltaic-전압(기전력)을 의미하고 축약해서 PV라고 표현합니다. 전지 같은 역할을 한다고 해서 태양전지(PV cell/PV solar cell/Solar cell)로 표현하기도 합니다. 이런 태양 전지를 사용할 수 있도록 제품화 한 것을 태양전지 모듈(PV module)이라 하며, 모듈을 길게 늘어뜨려 연결해 놓은 것을 태양전지 어레이(PV array)라고 합니다.

일반적인 태양전지 모듈

태양전지가 발전해 오며 세대가 나눠집니다. 태양전지가 더 나아진다는 것은 다양한 요소가 있지만 대표적으로는 같은 에너지를 받았을 때 얼마만큼의 전기를 생산할 수 있는지를 결정하는 ‘효율’, 그리고 그것을 생산할 때 드는 노력(‘비용’과 ‘공정’), 그리고 ‘내구성’ 등이 있습니다. 세대별로 비교한 자세한 내용에 대한 참고 사이트로 이곳이 있습니다.

태양광 발전소는 위에서 설명한 태양전지 모듈을 수천, 수만 개를 연결하여 직류 전기를 생산하고, 직류에서 교류로 바꿔주는 인버터(Invertor)를 이용해서 생활에 필요한 전기를 생산합니다.

(Solar panels connect to base electric grid - http://www.nellis.af.mil/news/story.asp?id=123071269)

이외에도 태양광을 단순히 조사하는 것이 아니라 집광기를 이용하는 CPV(Concentrated Photovoltaic) 시스템도 있습니다.

태양열 발전은 Solar Thermal Power Generation이라고 표현할 수 있는데, 말 그대로 태양의 복사 열에너지를 이용한 전력 발전 방식이라는 뜻입니다. 태양’광’ 발전과는 전력 생산 방식이 다른 것입니다. 태양열 발전은 기존의 대형 발전소들의 경우와 전력 생산방식이 동일합니다.

기존의 석탄/석유/원자력/천연가스 발전소는 각각의 원료를 태우거나 핵분열 시켜 얻는 에너지로 물을 끓이고, 얻은 증기를 이용해 터빈을 돌리고, 발전기를 돌려 전기를 얻습니다. 태양열 발전 또한 그 과정이 동일하지만 에너지를 태양의 복사 열에너지로부터 얻는다는 점만이 다른 것입니다.

그러나 태양열은 바로 사용할 경우 물을 끓일 정도는 아닌 것이 사실입니다. 그래서 빛을 집중시켜서 높은 온도를 얻어냅니다. 일반적으로 섭씨 500 도 이상의 온도를 얻어내어 발전을 합니다. 이렇게 빛을 집중해서 열을 얻는다고 해서 태양열 발전을 집중형 태양열 발전 혹은 CSP(Concentrated Solar Power)이라고 부르기도 합니다.

태양광을 집중해서 높은 열을 얻는 방식은, 타워형(Solar Power Tower), 포물선 홈통형(Parabolic Trough Collector)형, 접시형(Dish), Fresnel 렌즈형(Fresnel lens) 등이 있습니다. 설치되는 형태로 나눠보면 중앙 집중형 시스템(Central Receiver System), 분산형 시스템(Distributed System), 독립형 시스템(Stand-alone System)으로도 나눌 수 있습니다(한국에너지기술연구원 태양열 발전 소개글 참조, www.kier.re.kr). 그러나 일반적으로 집광기의 형태에 따른 분류를 하는 것이 보통입니다.

타워형은 다수의 반사판이 태양 추적기(Heliostat)를 이용하여 높게 설치된 타워의 끝 부분에 태양광이 집중되도록 하는 방식입니다. 공중에서 보면 하나의 거대한 접시형 반사판 처럼 보이지만 각각의 반사판이 시간에 따라 태양을 추적하여 계속해서 타워 끝부분에 열을 집중하는 방식입니다.

(Photo courtesy of Sandia National Laboratories)

포물선 홈통형과 Fresnel 렌즈 형은 타워형과 달리 집광기와 열전달유체(Heat Transfer Fluid, 기름 종류를 사용합니다)가 흐르는 관의 어레이(Array)를 만들어 열을 집중하는 방식입니다. 열전달유체가 길게 흐르면서 계속해서 열을 축적하여 마지막에 적절한 온도가 되도록 하는 방식입니다. 포물선 홈통형과 Fresnel 렌즈는 집광하는 방식의 차이일 뿐 방식은 거의 동일합니다.

(Photo courtesy of SkyFuel Inc.)

(Photo courtesy of AREVA Solar)

마지막으로 접시형의 경우 위의 두 형태와 달리 독립적인 형태입니다. 태양을 바라보며 추적하는 포물선 형태의 접시가 태양광을 반사하여 초점에 빛을 집중하는 형태입니다. 이 집광기의 경우 증기를 생산하는 방식을 사용하지 않고, 스털링 엔진(Stirling Engine)을 이용하여 전기를 생산하는 방식을 대부분 사용합니다. 이것은 태양전지 모듈과 같은 개념으로 활용하기 위함이기도 하고, 구조상 기존의 방식을 사용하는 것이 어렵기 때문으로 생각합니다.

(Photo courtesy of Sandia National Laboratories/Randy Montoya)

앞에서 열을 집중해서 발전에 이용하는 방식과 조금은 다르게 Solar Updraft Tower를 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식도 있습니다. 아래 그림에서 아래 공간을 온실처럼 만들어 열을 가두어 두면 밀도차이에 의해서 자연스럽게 타워쪽으로 공기가 흐르게 됩니다. 타워에 모인 공기는 속도가 빨라지고 이때 생기는 바람으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 인위적인 바람을 만든 풍력발전이라고 해도 무방할 것 같습니다.

(Photo courtesy of EnergyPlenty.com) / (Photo courtesy of EnviroMission Ltd.)

이 방식은 아직 상용화 되지 않았거나 되었더라도 시험용 정도 일 것으로 생각하는데, 공간을 차지하는 것보다 발전 효율이 극히 낮은 것이 특징입니다. 물론 비용은 아주 적게 드는 장점이 있지만 공간을 차지하는 것과 비용, 그리고 발전량을 비교했을 때 시장성이 있는지는 회의적인 견해가 많습니다.

태양 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것을 끝마치기 전에 태양광 발전과 태양열 발전의 차이를 간단히 정리하면 좋을 것 같습니다. 이미 아시겠지만, 태양광 발전은 광기전력 효과를 이용하여 태양광을 반도체 소자에 조사하여 직류 전기를 생산하는 방식이며 태양열 발전은 태양광을 집광하여 높은 열을 얻고, 그 열로 수증기를 생산해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 아래 그림이 간단히 요약해줍니다.

(태양광 발전과 태양열 발전의 차이, 출처 미상)

1.3 냉난방

태양에너지를 냉난방에 활용하는 방식도 이미 많이 발전된 기술입니다. 가정 집 지붕에 설치된 태양열 온수기 등과 같이 열을 모아 난방과 온수 사용에 활용할 수 있으며, 태양열을 열원으로 흡수식/흡착식 공기조화, 냉장 및 냉동기(Absorption/adsorption Air Conditioning, chiller and refrigerator)도 만들 수 있습니다.

1.4 그 외

이 외에도 태양열 에너지를 이용하는 영역은 다양합니다. 열전소자(Thermoelectric generator)를 이용해서 직류 전기를 생산할 수도 있으며, 집광기를 이용해서 용광로로 이용하는 태양로(Solar Furnace)도 예전부터 이용해오던 것들입니다. 또한 태양열을 이용해서 물의 수소 분해나 담수화에 사용하는 등 다양한 분야에서 태양열 에너지를 활용하고 있습니다.