신재생에너지의 원리 1. 태양열 에너지의 사용원리(급탕,난방)

SKA'       들어가며

원본사진 : freefotouk

 화석연료의 사용으로 이루어낸 산업혁명은 지구의 환경파괴라는 결과를 낳았고, 정보화 사회가 일어나는데 큰 힘을 더했던 원자력 발전은 방사능이라는 전세계적인 위협으로 다시 우리에게 칼을 돌리고 있습니다. 일본 대지진 때 일어난 원전 사고는 원전을 반대하는 사람이든 찬성하는 사람이든 원자력은 위험한 에너지라는것에 찬성하게 만들었죠. 

 그러나 발전과 인구의 증가는 어쩔수 없이 전기의 사용증가와 이어지게 되었으며 에너지를 만들어내는 대책이 필요하게 되었습니다. 환경을 파괴하지않고, 인간을 더이상 위협하지 않는 새로운 에너지원의 개발이 시급하다고 할 수있겠네요.

 이미 정부와 학계에서는 신재생에너지의 개발에 박차를 가하고 있습니다. 사실 대기업은 아직 태양광발전 패널에만 진출해 있지요. 나머지 에너지원은 중소기업의 몫입니다. 왜일까요? 여기에 대한 답은 시리즈 포스팅의 마지막에 신재생에너지원에 대한 종합과 간단하게 각 에너지가 갖는 경제성 분석을 통해서 고찰해 보도록 합시다.

 현재 주류를 이루고 있는 신재생에너지 시스템에 대한 이해는 공학과 자연과학을 공부하는데 큰 자극이 될 것이며, 면접에서 혹시 나온다면 도움이 많이 되겠지요. 실제로 여러 기업에서는 채용한 인재들에게도 교육을 실시하고 있다고 합니다. 알아서 손해될게 없는 지식입니다.

본 포스팅은 시리즈물로 다음과 같은 순서로 발행할 계획입니다.

1. 신재생에너지 - 태양열 에너지의 사용 원리(급탕,난방)

2. 신재생에너지 - 태양열 에너지가 갖는 경제성 분석 해보기

3. 신재생에너지 - 태양광 에너지의 사용 원리(발전)

4. 신재생에너지 - 태양광 에너지가 갖는 경제성 분석 해보기

5. 신재생에너지 - 지열 에너지의 사용 원리

6. 신재생에너지 - 풍력 에너지의 사용 원리

7. 신재생에너지 - 연료전지의 사용 원리

8. 신재생에너지 - 지열, 풍력, 연료전지의 경제성 분석 해보기

9. 신재생에너지 - 가장 좋은 신재생에너지원은 무엇일까? (각 에너지원의 장단점 및 결론)

모든 자료는 에너지관리공단의 신재생에너지센터에서 공개한 자료를 토대로 작성할 예정입니다. 제가 몇년간 했던 일이 신재생에너지 설비 설계였으니 아마 인터넷을 돌아다니는 정보들보다는 현업과 현실성에 가장 맞지 않을까 조심스럽게 자신해봅니다.

아래는 실제 설치한 현장을 보여드리면서 설명하는 영상입니다. 시청해주셔요.

SKA'       1. 태양열 에너지의 사용원리

 겨울이라도 태양을 내리쬐기 마련입니다. 추운 겨울이라도 오후 1~2시쯤에 햇빛이 좋은 곳에 차를 세워둘 경우에는 타보면 훈훈한 것을 경험해 보셨을 겁니다. 겨울에 재배하는 비닐하우스도 같은 것이지요. 

 간단한 원리는 태양의 복사에너지는 흡수하면서 외부로 발산하는 전도와 대류 열전달은 차단해 주는 것입니다.

 태양으로 부터 흡수한 에너지는 비열이 큰 물에다가 저장해 두었다가 샤워나 난방 등 열이 필요할때 꺼내 쓰는 방식이죠. 아래 그림은 간단한 태양열의 사용경로입니다.

 

<주요장치>

태양열 집열장치 : 태양열 복사에너지를 축적하고 전달하는 장치입니다. 구조는 복사에너지는 잘 흡수하고, 대류 및 전도로 손실되는 열전달을 차단할 수 있도록 유리와 보온구조로 되어 있습니다. 크게 진공관형, 이중진공관형, 평판형 태양열 집열기가 시판되고 있습니다.

태양열 축열조 : 낮에 축적한 태양열 에너지를 저장하는 장치입니다. 비열이 큰 물을 저장하기 때문에 대부분 스테인리스 스틸로 되어있습니다. 사용목적에 따라 난방장치에는 두꺼운 철판을 이용합니다. 

태양열 열매체 : 태양열 집열장치는 실외에 설치되기 때문에 겨울철 동파방지 및 여름철 과열방지를 위해 물과 열매체를 섞은 유체를 작동매체로 이용합니다.

태양열 열교환기 : 열매체를 그냥 쓸수는 없으므로 열매체와 우리가 직접 사용하는 물과의 열교환을 위해서 필요한 장치입니다. 판형, 이중관형 등 용도에 따라서 여러가지 종류가 있습니다.

<에너지의 이동>

1. 태양열에너지가 태양열 집열기를 뜨겁게 달굽니다. (태양 →집열판;복사)

↓

2. 태양열 집열기는 내부의 열매체로 태양에너지를 전달합니다. (집열판→열매체;전도,대류)

↓

3. 뜨거워진 열매체는 우리가 사용하는 물과 열교환하여 물로 에너지를 전달합니다. (열매체→물 ;전도,대류)

↓

4. 뜨거워진 물은 축열장치에 저장됩니다.

↓

5. 필요한 곳에 온수를 빼내서 사용합니다.

SKA'       2. 종류별 분류

태양열을 사용하는 장치는 집열기에 따라서,

1. 평판형

2. 진공관형

3. 이중진공관형

으로 구분하고

태양열을 저장하는 방식에 따라

1. 일체형(자연대류형)

2. 설비형(강제대류형)

으로 구분됩니다.

각각은 장단점이 있으며 개발단계에 따라서 많이 사용된 방식들이 있습니다.

어떤것이 무조껀 좋다라고 말할 수는 없네요. 사용조건에 따라 달라집니다.

SKA'      3. 집열기에 따른 분류

※ 본 내용은 일반적인 제품의 원리를 설명합니다. 특수한 구조나 특별한 스펙은 다루지 않습니다. 제조업체마다 다소 구조의 차이가 있습니다.

3.1. 평판형 태양열 집열기

사각형의 알루미늄 프레임에 우측과 같은 동관위에 흡수판이 부착된 구조로 되어있습니다. 흡수판은 보통 특수코팅이 되어 태양복사에너지를 반사하는것을 최소화 합니다.

대류열손실을 방지하기 위해 두꺼운 단열처리와 3mm이상의 강화유리로 마감됩니다. 아무래도 강화유리이다보니 제품의 내구성이 뛰어나다는 장점이 있습니다.

예전에는 효율이 낮았었는데 요즘에는 효율이 많이 개선되어 가정용으로 많이 쓰입니다.

3.2. 진공관형 태양열 집열기

평판형 태양열 집열기는 아무리 단열을 잘한다고 하더라도 내부에 있는 공기의 대류열전달로 인한 열손실을 피할 수 없습니다. 이런 이유로 개발 된 것이 진공관형 태양열 집열기입니다. 진공튜브안에 열매체 흡수판을 설치하여 대류, 전도로 빠져나가는 열손실을 최소화 하였으며 열매체 수송관의 구조에 따라서 이중진공관형과 단일진공관형으로 분류됩니다.

3.2.1 단일진공관형 집열기

태양열 흡수판으로 흡수된 태양복사에너지는 열전도관으로 전도열전달되고 열전도관은 진공튜브 내부에 있으므로 고온으로 가열됩니다. 그 위를 열매체 수송관이 지나면서 열매체가 가온되고 그 에너지를 사용하는 방식입니다.

3.2.2 이중진공관형 집열기

 단일진공관 이후로 가장 최근에 개발된 방식이라고 할 수 있습니다. 열매체 수송관을 이중관을 사용하여 열매체가 진공튜브 내부를 순환하게 만들어서 열효율을 높였습니다. 그러나 에너지 관리공단의 인증규격을 보면 그다지 열효율이 많이 높지는 않군요...

3.3. 평판형과 진공관형의 장단점

※ 집열량 및 단가표는 2010, 2011년 자료를 인용했으므로 현재와 차이가 있을 수 있습니다.

간단히 요약하자면,

평판형 태양열 집열기의 경우는 튼튼하고 싼 반면, 효율이 약간 낮고

진공관형 태양열 집열기의 경우는 효율이 높은 대신 진공튜브가 약하기 때문에 파손의 우려가 크다는 점입니다.

그리고 하절기에 폭발적으로 끓는 태양열 에너지를 고려하면 가정용을 선택하는데에 고효율이 그리 좋은 선택도 아니라고 판단되는군요.

어찌됐건 개인적인 소견으로는 가정용으로는 평판형, 에너지 소비가 꾸준히 많고 시설의 정비담당자가 있는 대형 설비시설에는 진공관형을 쓰는것이 제효율을 발휘할것이라 생각되는군요. (전적으로 제 생각입니다.)

SKA'       4. 축열방식에 따른 분류

집열기 내부를 순환하는 태양열 열매체와 우리가 실제로 사용하는 온수사이에는 열교환이 필요하고 이 열교환을 어떻게 하는가에 따라 자연순환 방식과 강제순환 방식으로 나뉩니다. 경우에 따라서 일체형과 설비형으로 분류하기도 합니다.

4.1 자연대류방식(일체형)

 일체형 태양열 온수기는 시골이나 교외에서 자주 볼 수 있는 방식입니다. 옥상위에 강X태양열이라고 씌여있는거 많이들 보셨을 겁니다. 열을 저장하는 축열조가 외부에 노출되어 있어서 열손실이 큽니다. 뭐 여러가지 좋지않은 이야기들을 하고싶지만 하지 않겠습니다. 얼마전까지는 에너지관리공단에서도 외면하는 중국 저가제품이 판을 쳤었는데 요즘은 많이 좋아졌나요?

 중국에서 많이 사용되는 방식입니다.

원리는 다음과 같습니다.

집열기 내부가 가열되면 열매체가 가열되고 온도에 따른 밀도차이 때문에 가열된 열매체는 위로 상승하게 됩니다. 상대적으로 차가운 열매체는 아래로 하강하게 됩니다. 그러니까 뜨거운 열매체는 집열판 상층부에 있는 축열조로 흘러가게 되고 축열조 안에 있는 냉수를 가열하게 됩니다. 가열된 따뜻해진 물을 가정에서 빼내쓰면되는 기초적인 방식입니다. 

4.2 강제대류방식(설비형)

 일체형 태양열 온수기의 단점을 보완한 방식입니다. 축열조를 내부에 비치하여 외부로의 열손실을 차단하여 효율을 높이고, 태양열이 뜨거울 때에만 열매체가 순환하여 에너지를 저장하는 방식으로 태양이 뜨지 않을 때는 보조에너지를 사용하여 언제든지 온수나 난방을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

 펌프로 열매체와 온수를 순환하여야 하기 때문에 펌프 가동을 위한 전기에너지가 필요합니다. 대부분 밀폐형 순환방식을 사용하기 때문에 펌프의 사용동력이 그렇게 크지는 않습니다.

열교환기 및 부수적인 장치들이 많이 붙으므로 필요한 용량에 맞는 맞춤 설계 및 설비가 필요합니다. 한마디로 손이 많이가는 녀석이라는 소리입니다. 온수를 많이 사용하는 곳에서는 가장 효율적인 신재생에너지원중에 하나입니다. 다시말하면 적게 사용하는 곳에서는 설치하면 안되는 시스템입니다.

간단한 원리는 다음과 같습니다. (보조열원에 대한 이용방식 및 연결방식,열교환 방식은 상황에 따라 달라집니다.)

태양이 뜨겁게 비추는 날 열매체 순환펌프와 열교환 순환펌프가 가동되어 열매체를 순환시켜 태양열을 흡수하고, 축열조의 물을 순환시켜 열매체와 열교환하여 태양열 축열조에 다시 저장합니다.

우리가 필요할 때 온수는 뽑아쓰면됩니다. 태양열이 부족해 온수의 온도가 낮을 경우에는 보조열원을 가동하여 축열조에서 나온 물을 다시 가열해서 사용하게 됩니다.

설비형 태양열 시스템의 단점은 설치비가 비싸다는 점, 시스템을 전자제어해야되기 때문에 제어의 어려움과 잔고장, 보조열원과의 적절한 시스템 연계, 설치공간이 많이 필요하다는(축열조가 매우 거대함) 단점이 있겠네요.