태양 에너지

 

1. 태양에너지(Solar Energy)

 

    1) 태양열의 원리 : 이용할 수 있는 지표면에 도달하는 태양에너지는 저밀도의 에너지(최대1100W/㎡)로 주간에만 존재하며, 시간에 따라 변화가 크다.

 

 

  지표면에 도달하는 태양 복사에너지는 아래 그림과 같은 파장대별 분포를 가지며, 주로 우리가 열에너지로 이용하는 파장 은 가시광선이다. 파장별 분포는 가시광선 46%, 적외선 47%, 자외선 7%이다.

 

 

 

 

 

   2) 지표면에 도달하는 일사광선의 형태

      

                  (1)직달일사: 태양으로 부터 구름이나 먼지 등에 산란되지 않고 지표면에 직접 도달되는 복사광선

                  (2)산란일사: 태양으로 부터 지구로 오는 도중에 구름이나 먼지 등에 산란되어 지표면에 도달되는

                                     복사광선

 

 

             3) 국내 일사량 분포

 

▲연평균 일사량 분포도		▲ 태양광 지도

 

 좌측에 국내 연평균 일사량 지도에 따르면 목포가 가장 일사량이 많고, 진주, 광주, 대전 순이다. 그리고 우측에 정밀 태양광 자원 지도를 보면 일사량(日射量·태양의 복사 에너지가 땅에 닿았을 때의 세기)이 가장 풍부한 국내 최대의 '태양 벨트(belt)'는 경남 진주~대구~경북 안동을 잇는 길이 200여㎞에 20~60㎞ 폭으로 형성돼 있다.

 

 

         4) 세계 태양열 에너지 분포

 

대체적으로 북반구보다 남반구에서 일사량이 많으면,

태양열에너지를 사용하기가 좋은 지역이다.

 

 

         5) 장·단점

장점	단점
•에너지원이 청정·무제한	•전력생산량이 지역별 일사량에 의존
•필요한 장소에서 필요량 발전가능	•에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요
•유지보수가 용이, 무인화 가능	•설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가
•긴수명(20년 이상)	•초기투자비와 발전단가 높음

 

 

 

      2. 태양 에너지 시스템의 구성

          1) 태양열을 이용하는 시스템은 크게 설비형 태양열시스템(Active Solar System)과 자연형 태양열시

 스템(Passive Solar System)으로 구분된다.

- 태양열 시스템 : 자연형 태양열시스템은 태양열에 의해서 얻어지는 열을

이동하는 펌프나 휀(Fan)과 같은 구동장치가 없이 직접 이용하는 시스템을

- 설비형 시스템 : 열에너지로 변환된 열(열매체)을 구동 장치에 의해서 이용부로 이동되는 시스템을 의미한다.

 

 2) 시스템 구성도

 

 

집열부 : 태양으로 부터 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치

축열부 : 모아진 열을 저정했다가 필요시 사용하기 위한 저장 탱크

이용부 : 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 사용량 부족시 보조열원(보일러)에

의해 공급

제어장치 : 태양열을 효과적으로 집열, 축열, 공급하기 위한 조정장치

 

3) 온도에 따른 분류

 

구분	자연형	설비형
	저온용	중온용	고온용
	60℃이하	100℃이하	300℃이하	300℃이상
집열부	자연형 시스템 공기식 집열기	평판형 집열기	PTC집열기 CPC형 집열기 진공관형 집열기	Dish형 집열기 Power Tower
축열부	Tromb Wall (자갈, 현열)	저온축열 (현열, 잠열)	중온축열 (잠열, 화학)	고온축열 (화학)
이용분야	건물공간난방	냉난방, 급탕, 농수산(건조,난방)	건물 및 수산분야 냉·난방, 담수화, 산업공정열, 열발전	산업공정열, 열발전, 우주용,광촉매폐수처리, 광화학, 신물질제조

 

 

4) 태양열 집열기

(1) 저온열 집열기

 

▲평판형 집열기 외형		▲평판형 집열기 단면도

①평판형 집열기

 태양열을 저온으로 집열하는데 사용되는 평판형 집열기는 우측상단의 그림과 같다. 열손실을 줄이는 투과체(transparent cover)가 부착된 상단부와 일사광선을 흡수해서 열에너지로 변화시키는 흡수판이 있는 하단부로 구성되어 있다. 위의 단면도와 같이 상단부는, 그 하단부에는 이관이나 통로를 통해서 흡수판에 집열된 열에너지가 열매체로 전달되어 이용부나 축열조로 이송된다.

 

  저온열 집열기 장점은 여러 가지가 있다. 첫째, 직달 및 산란 일사 성분 모두를 집열할 수 있다. 둘째, 태양광을 추적하지 않아도 된다. 셋째, 저온에서서 집열효율이 높다. 하지만 집열온도가 높을 수록 집열 효율이 크게 저하되어 일정온도(동절기의 경우 80℃ 이상) 이상에서는 거의 집열이 되지 않는 단점도 가지고 있다.

 

 

 

②진공관형 집열기

 

▲집열관 상세		▲열전도 모식도

 평판형 집열기와 집열 방식은 거의 동일하나 흡수판을 진공유리관 내부에 위치시켜서 대류에 의한 열손실을 없게 만든 집열기다. 그 단면과 전체 형상을 위의 그림에 나타나 있다. 현재 상용화된 진공관식 집열기는 유리관이 2중의로 되어있고 그 사이가 진공인 이중진공관식 집열기와 단일 유리관을 사용하고 그 유리관 내부 전체가 진공인 단일 진공관식 집열기(위쪽 그림의 가운데) 2종류가 있다. 위 우측의 그림은 2중 진공관식 집열기에서의 집열과정을 나태낸 그림이다.

 평판형 집열기에 비해 집열기에서의 열손실이 적고 고온에서 집열 효율이 높아 난방 뿐아니라 흡수식 냉방 등에도 적용될 수 있다.

 

 

(2)중온형 집열기

 중온형 집열기는 태양에너지를 이용하여 중.고온을 얻기 위해서는 일사광선을 집광하여 고밀도의 에너지형태로 변환시키는 집광장치(concentrator)를 포함한다. 집광형 집열기는 집광형태의 기하학적 구조에 따라 CPC, PTC(prabolic trough concentrator)형이나 parabolic dish형, Tower 형 등이 있다.

 

① CPC(compound parabolic concentrator) 집열기

 

이 집열기는 [그림 3-9]와 같이 포물선 형태의 반사판과 그 가운데 집열부, 외곽에 유리관(없는 것도 있음) 등으로 구성되어 있다. 추적 장치가 없으면서 일사광선을 흡수관 한곳으로 집광할 수 있도록 반사판이 설계된다. 집광비가 낮아 200℃ 이하의 온도를 집열 하는데 사용 된다

 

 

② PTC(prabolic trough concentrator) 집열기

  이 집열기는 아래의 그림과 같이 기하학적으로 포물선형 반사체를 갖는 집열기로서 평행하게 입사하는 일사광선이 포물선 축에 초점이 맞춰지도록 해서 포물선 축에 집열관을 위치시킨 선집광형 집열기다. 이 집열기는 집열관을 중심으로 반사면이 상하로 태양을 추적되며,직달일사 만이 집열이 가능하다.

 

 

(3) 고온형 집열기

① Dish 형 집광장치

  반사면이 접시형상을 갖는 집광형 집열기가 바로 Dish 형 집광장치(접시형 안테나 형 상)로 반사체에 의해 반사된 일사광선이 한 점에 모이는 점집광형 집열기이다. 이 집열기는스터링(stirling) 엔진을 집광부에 장착하여 태양열발전용으로도 사용되고 있다.

 

 

 

② Solar Power Tower

 주로 태양열 발전시스템에서 사용되는 시스템으로 아래 사진과 같이 반사판(Heliostat)이 중앙있는 Tower에 집광이 되어 높은 온도를 올려서 증기터빈을 구동하여 발전을 하는 시스템이다.

 

4) 기타 집열기

① 태양 굴뚝

 먼저 지상에다 유리온실을 지은 뒤 온실 가운데에 굴뚝을 세운다. 태양열을 받아 온실 내부 공기가 데워지면 이 뜨거운 공기는 굴뚝을 통해 밖으로 빠져나가게 된다. 이때 굴뚝 통로에 풍력 터빈을 설치해 밖으로 빠져 나가는 바람의 힘으로 발전을 하는 것이다. 온실이 클 수록, 굴뚝이 높을 수록 바람은 강해집니다. 태양열과 풍력발전이 혼합된 개념이다. 이 태양굴뚝을 영어로 'Solar Updraft Tower' 라고 한다.

 

▲태양 굴뚝		▲태양굴뚝 모식도

 

② 태양 연못

 태양연못(Solar Pond) 발전도 태양열 발전의 또 다른 모델로 꼽히고 있다. 타워형과 달리, 이 방식은 넓이가 수천M2이고 깊이가 2 ~ 3M 정도인 연못 바닥에 농도가 높은 소금물을 담아 태양열에 가열된다. 가열된 물은 소금의 농도 차에 의해 층이 형성되어 물의 대류가 억제된다. 그래서 바닥의 온도는 높고, 표면수의 온도는 낮은 상태를 유지하게 되는데, 이 온도 차를 이용해 발전을 하는 것입니다. 태양연못은 여름 동안에 태양열을 저장시켜 놓았다가 겨울철에도 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도차를 이용하여 저온 터빈으로 발전을 할 수 있다.

 

 

 

5)주택 적용

  태양열 온수기& 태양열 냉.난방

 

 

		집열기를 통해 열을 모은다. 집열기는 태양열을 잘 받기 위해 검 은 색의 집열판을 이용하고, 햇빛을 더 많이 받도록 하기 위해서  집열판을 경사지게 세워야 한다. 집열기에 모여진 열로 찬물을 데운다. 집열판 내부에서 얻을 수 있는 공기의 최대 온도는 180℃에 달한다. 집열판 속 을 흐르는 물은 가장 높이 올라갈 수 있는 온도가90℃ 정도이다. 데워진 물은 밀도 차에 의해 온수 저장 탱크(축열 탱크)로 이동한다. 태양열로 데워 진 온수는 탱크에 가득 채워져 있으므로 수도꼭지를 돌리면 온수를 바로 사용할 수 있다.  햇빛이 항상 비치는 날에는 충분한 양의 목욕물을 얻을 수 있으나 비나 눈이 와서 햇빛이 비치지 않는 날에는 축열 탱크의 물이 데워지지 않아 온수를 쓸 수 없는 단점도 있다.
		태양열 냉방 장치는 에어컨과 비교할 때에 여러 가지 장점을 가지고 있다. 에어컨은 실내의 공기를 폐쇄된 상태에서 순환시키면서 냉각시키기 때문에 환기가 잘 이루어지지 않지만, 태양열을 이용하면 신선한 공기가 계속해서 들어오기 때문에 환기 걱정을 할 필요가 없다. 또 냉매제로 사용했던 프레온 가스가 대기로 방출되면 지구 온난화와 오존층 파괴가 일어나지만, 태양열 냉방을 하면 이러한 일이 발생하지 않는다. 더운 여름날 에어컨을 많이 사용하면 다른 때 보다 전력 수요가 크게 늘어나고, 이 때 필요한 전기를 공급하기 위해 여름철에만 가동하는 발전소를 준비해 두어야 하는 반면, 태양열로 냉방을 하면 이러한 발전소 건설에 들어가는 비용과 전기를 절약할 수 있다.

3. 결론

 태양에너지 이용기술은 아직 화석 연료에 비해 경제적, 기능적면에서 화석연료보다 효율적이지 못하다. 하지만 그 동안 이루어진 산업화로 인해 발생한 환경오염과 점점 고갈되고 있는 자원을 고려하다면 화석연료를 대체할 에너지원을 개발해야함은 부인할 수 없는 사실이다.

 태양에너지는 청정에너지로서 미래를 담당할 에너지원이다. 특히 태양력 기술은 기술자립도가 높고 적용할 수 있는 분야가 많다. 따라서 기업들은 기술 발전에 힘써 태양력 기술이 경제성과 효율을 두루 갖추도록 해야 할 것이며, 실생활에 확대 보급하여 상용화 될 수 있도록 해야 한다.

 

 

참고 사이트 주소

1. http://blog.daum.net/obk2030/16512865

2. http://cafe.naver.com/9004567/1153

3. http://blog.hanwhadays.com/629

4. http://blog.naver.com/miraeeni1?Redirect=Log&logNo=90145692318

5.http://www.kemco.or.kr/up_load/blog/%ED%83%9C%EC%96%91%EC%97%B4%20%EA%B5%90%EC%9C%A1(%EA%B8%B0%EC%B4%88).pdf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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