d라이브러리

빨래를 말리는데 쓰던 태양열을 이제는 여러모로 사용하고 있다. 태양열집열기 난방 태양로 태양열발전소 등등.

태양열 증기선으로부터

태양열은 열선과 가시광선의 형태로 지상에 쏟아져 내려 지구를 따뜻하게 데워주고 온갖 생물들을 키우고 있다. 실제로 인류는 옛부터 빨래를 말리거나 야채나 곡물을 키우는데 태양열을 이용하였다.

이처럼 풍부하고 유용한 태양열을 동력으로 이용할 수는 없을까? 이를 처음 구상하고 실현시킨 사람은 미국의 '존 에릭슨'이었다. 그는 1875년 태양열로 데우는 보일러를 만들어 증기선을 운행시켰다. 이때 태양열 집광기 표면은 1㎡당 1마력(Hp)의 출력을 얻게 되었다.

이렇게 시작된 태양열 이용을 강력하게 주장하는 사람들은 환경문제에 특별히 관심이 많은 사람들이다. 무엇보다 유해 가스가 발생하지 않고 태양에너지의 공급은 지상의 열발산과 균형을 이루고 있기 때문이다. 또 인류가 전량 사용할 수 없을 정도로 많은 양이 있는데 기인한다.

그러나 현재의 기술을 가지고는 태양열을 전면적으로 이용하는 게 어려운 실정이다. 태양에너지는 양은 풍부하지만 밀도가 헐거운 에너지라는 점이 숙제로 남아 있다. 또 낮에만 해가 비치므로 밤에는 태양열을 모을 수가 없다. 비가 오거나 흐린 날, 계절과 장소에 따라 에너지 세기가 다르다. 이런 것들이 태양열 이용의 제한요소가 되며, 비용을 많이 들게 한다.
태양열의 이용은 활용온도에 따라 다음과 같이 구분된다.

(ㄱ) 저온활용(1백50℃이하)
·온실
·온수급탕
·주거, 냉방, 온방
·태양열 취사
·태양열 건조
·태양 증발
·태양 연못
(ㄴ)·중간온도 활용(1백20℃~3백20℃)
·공업용 증기발생
·태양 엔진
(ㄷ)·고온 활용(2백60℃~3천9백℃)
·태양열 발전(2백60℃~1천1백℃)
·태양로(2천2백℃~3천9백℃)

집광형과 평판형으로 나뉘어

먼저 태양열 집열기에 대해 알아보자. 집열기는 태양 복사열을 쉽게 활용할 수 있는 유용한 에너지로 바꾸어 집열하는 장치로서 태양열 이용에 있어서 가장 근본적인 부분이다. 유체와 유체사이의 열전달이 이루어지는 보통의 열교환기와는 달리 집열기는 먼 곳에 있는 태양으로 부터 복사되어 오는 에너지를 모아 열매체인 유체에 전달한다. 그러므로 복사 열전달이 중요하고 비교적 밀도가 작고 시시각각으로 변하는 태양열에 따라 그 특성이 고려되어야 한다.

태양열 집열기는 평판열 집열기와 집광형 집열기의 두 종류가 있다.
평판형 집열기는 태양 빛을 받아들이는 부분과 흡열판의 면적이 같다. 이에 비해 집광형 집열기는 빛을 받아들이는 장치에서 바로 집광이 가능한 일종의 광학기기. 즉 한 곳에 빛을 모으므로 에너지 밀도가 증가돼 면적이 작은 흡열장치에 집열시킬 수 있다.

따라서 평판형 집열기에서 얻을 수 있는 집열온도는 비교적 낮으므로 태양열의 저온 활용에 적합하다. 반면 집광형 집열기는 집광도에 따라 고온을 얻을 수 있으므로 중간온도 이상의 고온 활용에 이용하고 있다.
 

한편 태양열 난방은 태양열 이용의 가장 대표적인 것으로 주택의 난방에 활요하는 것이다. 태양열 난방시스템은 집열계통 축열계통 보조열원 순환제어계통으로 구분된다. 또 사용하는 열매체에 따라 태양열난방시스템을 온풍난방과 온수난방시스템으로 나눌 수 있다.
온풍난방 시스템에서의 열매체는 공기이고 축열조는 자갈로 채워져 있다. 공기는 집열기에서 가열되어 축열조 혹은 건물에 공급된다. 또 건물안의 찬 공기는 송풍기에 의해 축열조나 집열기로 순환된다

이러한 온풍난방시스템의 장점은 온수시스템이 비해 겨울철에 결빙문제를 우려할 필요가 없다는 점이다. 또 부식이 적고 축열조 자체가 열교환기 역할을 하는 점도 높이 평가 되고 있다. 반면 온수생산이나 냉방을 겸할경우에는 불리하다. 공기의 열전달 계수가 작으므로 열교환기가 커야 하고 송풍기의 동력소비가 크기 때문이다.

온수난방 시스템의 장점은 열매체가 직접 축열매체로 사용된다는 데 있다. 즉 축열조에서의 온도 강하가 없고 축열조 부피가 작아지며 온수생산이나 흡수냉방법의 이용이 비교적 쉽다는 점이 강점이다. 또한 펌프의 동력도 적게 소모된다. 반면 추운 겨울철에 잘 결빙되고 건물에 열을 전달하는데 열교환기가 필요하다는 점은 약점으로 지적되고 있다. 또 잘 부식되는 문제도 남는다.
태양열 주택은 1974년 미국 콜로라도 주립대학에서 처음으로 건설되었다. 주택에 필요한 에너지의 75%를 태양열로 공급한 것.

고온 발생장치의 총아

태양로는 태양에너지를 이용, 초고온을 얻는 장비이다. 고대 그리스의 아르키메데스가 원시적인 평면경을 이용, 로마의 함대를 불태워 무찔렀다는 기록이 태양로의 효시. 그후 1957년 트롬베(Trombe)는 태양열로 로켓 및 고온 응용에 쓰이는 난용해성 물질을 연구하기 위해 태양로를 부활시켰다. 3천℃이상의 고온을 취득하기 위한 방법으로 태양로를 다시 활용한 것이다.

그로부터 1년 후인 1958년 미육군은 메사추세츠에 태양로를 건설하였다. 또 1974년에는 일본의 동북대에서도 태양로를 건설, 3천4백℃의 고온을 발생시켰다. 이를 활용해 텅스텐의 용융실험을 한 것이다. 한편 프랑스의 국립과학연구소는 1970년 세계에서 가장 큰 태양로(1MW급)를 '오데이오'의 산간지역에 건설하였다.

태양로는 결정성장 비열 및 열전도성 등 상변화와 관련된 실험에 자주 사용한다. 즉 고온에서의 물질의 화학적 광학적 전자기적 열역학적 특성을 연구하는데 가장 이상적인 장치인 것이다. 최근에는 태양로를 대신해 코일 아크로 전자빔 플라즈마 등의 고온발생장치가 첨단재료 연구에 맹활략중인 것도 사실이다. 그러나 이러한 가열장치는 오염이 필연적으로 발생한다. 때문에 비교적 장치가 단순하고 오염이 없는 태양로의 활용이 프랑스 미국 일본 등에서 활발히 진행되고 있다.

반사경과 렌즈를 이용한다

이번에는 태양열 발전에 대해 살펴보자. 태양열 발전시스템은 집광 집열계 발전계로 구성된다. 발전에는 일반적으로 3백~6백℃의 고온이 필요하므로 반사경이나 렌즈를 이용한 집광이 필요하다.

분산형 시스템은 집광장치마다 흡열장치가 붙어 있어서 각각이 집열기에서 더워진 전열유체를 중앙발전소로 이송, 발전기와 연결된 터빈을 돌리는 방식이다. 이에 반해 집중형 시스템은 모든 반사경에서 반사된 빛을 한곳에 보아 거기서 작동유체를 데우는 방식이다.
대용량의 발전에는 주로 집중형 시스템이 쓰이고 있는데, 반사경 중앙에 설치된 탑에 태양에너지가 모아지도록 한 것이다.

자연형 태양열 주택이 대부분

우리나라에서는 태양열 주택 및 온수급탕기가 많이 보급되어 있다. 특히 태양열을 모으거나 축열하는데 별다른 시설을 갖추지 않아도 되는 자연형 태양열 주택의 보급을 권장하고 있다. 반면 집열기라고는 고가의 장치, 집열된 에너지를 저장하는 축열조를 갖는 설비형 태양열 주택은 초기 투자 비용이 많아 보급이 거의 중단된 상태이다. 또 시스템 자체의 복잡성과 겨울철 동파에 기인한 잦은 고장 등으로 인기가 저하, 점차 보급이 둔화된 것.

일반적으로 건물에서의 에너지 절약개념은 건물의 지붕이나 벽에 충분한 단열재를 사용, 실내의 열이 외부로 손실되는 것을 최대한 막아주도록 하는 것이었다. 그러나 이것을 역으로 생각하면 태양열을 차단, 외부의 열을 이용할 수 없게 한 결과를 초래했다고 보여진다. 따라서 지붕구조 자체가 집열기 역할을 할 수 있는 새로운 집열시스템의 개발이 요구되었다. 실제로 공장건물과 실내수영장의 난방 및 급탕을 할 수 있는 집열시스템이 이미 보급되고 있다.

현재 국내에 보급된 태양열 이용분야는 극히 제한돼 있다. 태양열 주택을 제외하고는 초기 단계에 머물고 있는 실정이다. 따라서 태양열 응용분야에 보다 더 적극적인 연구개발이 뒤따라야 할 것이다.