태양열 발전 (太陽熱 發電)

태양열 주택

자연지리

개념

정의

태양 에너지를 모아서 열로 변환하고 열기관에 의하여 전력으로 변환하는 발전방식.

개설

태양광선의 파동 성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야에 해당한다. 태양이 복사하는 열에너지를 흡수하여 열기관과 발전기를 움직여서 전기를 생산하는 기술이다.

내용

태양열 발전은 반사판을 이용하여 햇빛을 집중시켜 1,000℃에 가까운 열을 얻은 다음 이 열을 이용하여 전기를 생산하는 것이다. 이때 반사판은 직사광만을 이용할 수 있어서 태양열 발전을 하기에는 구름이 적고 햇빛이 강한 지역이 적합하다.

태양열 발전시설은 대체로 접시/엔진(dish/engine) 시스템, 홈통형(trough) 시스템, 전력 타워(power tower) 시스템의 세 가지 형태로 나눌 수 있다. 이들 시스템은 모두 집중장치, 흡수장치, 전달·저장장치, 변환장치라는 네 개의 핵심장치로 구성된다. 집중장치는 볼록렌즈나 파라볼 반사판처럼 햇빛을 한 곳으로 집중시키며, 흡수장치는 집중장치를 통해서 집중된 햇빛을 흡수한 후 그 열에너지를 열전달 매체로 전달하는 역할을 한다. 전달·저장장치는 이 열전달 매체를 에너지 변환기로 전해주며, 변환장치는 전달된 에너지를 전기 에너지로 바꾼다.

접시/엔진 시스템은 여러 개의 접시형 반사판에 반사된 빛이 하나의 초점으로 모이도록 오목거울 형태로 조합하고 초점에는 흡수장치와 엔진을 설치하였다. 햇빛은 접시에서 반사되어 흡수장치로 흡수되고, 흡수장치는 흡수된 에너지를 엔진의 작용매체로 전달한다. 엔진에서는 열을 이용하여 기계적 힘을 만들고 이 힘은 다시 전기 에너지로 변환된다. 이 시스템에서는 높은 열을 얻어야 하기 때문에 집중장치는 항상 해가 움직이는 방향으로 향할 수 있도록 이중의 축이 설치되어 있다. 한 개의 축은 하루 동안의 해의 움직임을 추적하고, 또 하나의 축은 1년간의 움직임을 추적한다.

홈통형 시스템은 포물선형으로 구부러져 홈통처럼 생긴 집중장치와 그 초점들의 연결선에 길게 자리한 흡수장치로 구성된다. 집중장치는 포물선형으로 구부러진 긴 금속반사판이나 유리거울을 사용하며, 이 장치가 길게 남북 방향으로 하나의 축으로 연결되어 있다. 이 축은 회전할 수 있도록 하여 해가 움직일 때 집중장치가 해를 따라 돌면서 가능한 한 많은 직사광을 받도록 한다. 흡수장치는 긴 관의 형태로, 내부에는 섭씨 400도까지 올라가는 기름이 들어 있다. 이 뜨거운 기름은 물을 증기로 만들어서 증기터빈을 회전시키고, 이 회전에 의해 전기 에너지가 만들어진다. 홈통형 시스템은 발전뿐만 아니라 공장의 제조열을 얻는 데도 사용되고, 흡수장치의 관 속에 폐수를 흘려보내 자외선을 흡수하도록 하여 폐수 정화처리에도 사용된다.

전력 타워 시스템은 수백∼수천 개에 이르는 거울과 이들 거울의 초점 부분에 위치한 타워로 구성된다. 거울에는 두 개의 축이 달려 있어 해를 추적할 수 있고, 이들 거울 조합의 초점에는 흡수장치가 설치되어 있다. 흡수장치는 타워 꼭대기에 위치하며, 용융된 소금처럼 열을 흡수하고 보유하는 능력이 뛰어난 열매체가 흐르고 있다. 이 열매체가 물을 증기로 변환시켜 증기터빈을 돌리는 과정에서 전기가 생산된다. 흡수장치 속에서 태양에너지를 흡수한 용융 소금은 온도가 1,000℃ 가까이 상승한다.

현황

태양열발전사업은 1990년대 초기 캘리포니아의 세액공제 인센티브에 힘입어 350MW 설비용량이 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.

＜국내 신재생에너지 생산량 현황(단위: toe)＞

연도구분	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006
태양열	41,689	37,174	34,777	32,914	36,143	34,729	33,018
태양광	1,321	1,546	1,761	1,938	2,468	3,600	7,756
바이오매스	82,004	82,457	116,790	131,068	134,966	181,275	274,482
풍력	4,171	3,148	3,720	6,216	11,861	32,472	59,728
수력	20,456	20,933	27,645	1,225,587	1,082,341	918,504	867,058
연료전지	-	-	-	-	-	526	1,670
폐기물	1,977,662	2,308,001	2,732,515	3,039,312	3,313,273	3,705,547	3,975,272
지열	-	-	122	393	1,355	2,558	6,208
합계	2,127,303	2,453,259	2,917,330	4,437,428	4,582,407	4,879,211	5,225,192

출처 : 에너지관리공단 신·재생에너지센터 「신·재생에너지통계」

의의와 평가

태양에너지는 기상 조건의 변화에 영향을 많이 받기 때문에 보조 설비를 갖추어야 한다는 단점을 가진다. 그러나 태양 복사열은 지구상에서 최대의 신재생 에너지원이다. 전 세계 사막의 약 1%에만 태양열 발전시설을 설치하면 전 세계의 전기 수요가 모두 충족될 수 있을 것으로 추정된다. 이런 태양열 에너지원은 풍력 또는 바이오메스보다 전 세계의 훨씬 넓은 지역에 걸쳐 태양권역이 고르게 분포하고 있어, 보다 넓은 지역에서 에너지원의 이용이 가능하다. 또한 태양열 에너지원은 환경오염의 가능성이 적고 자급자족이 가능하며 무한하게 공급된다는 장점을 가진다. 태양열 발전의 기술 개발을 통하여 향후 에너지 절감 및 대체 효과와 무공해 청정에너지 사용으로 환경개선 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

『에너지와 환경』 (정석진, 성준용, 박경석, 삼성실업, 2000)

『다시 태양의 시대로』 (이필렬, 양문, 2004)

『과학기술대사전』 (한국과학기술단체총연합회, 아카데미서적, 2005)

『신·재생에너지 백서』 (산업자원부, 2005)

『신·재생에너지통계』 (에너지관리공단 신·재생에너지센터, 2006)

『재생에너지란 무엇인가』 (폴 마티스, 민음사, 2006)

『Dish형 집광시스템 이용 태양열발전 실증연구』(산업자원부, 2006)

관련 미디어

• 
  태양열 주택

집필자

이승호