33 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 신재생에너지 담당 : 경남호위원 33 기계저널 -10 월호 CK
34 기계저널 -10 월호 CK 테 마 기 획 신재생에너지 이글에서는재생가능에너지중가장경제성이있어서기존의화석연료발전소와도가격경쟁력을가지고있는풍력발전기술의현황과시장전망에대해소개하고자한다. 경남호 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부풍력연구센터장 e-mail : nhkyong@kier.re.kr 34 화석연료부존자원의유한성과그로인해발생되는온실가스의위해성이밝혀짐에따라풍력에너지기술은중소규모의분산형으로도, 혹은대단위로도유연하게저가의청정에너지를확보할수있는가장유망한대안의하나로부상하고있다. 풍력에너지기술은바람의운동에너지를전기에너지로변환하는기술로서구미각국은이미 1980년대에대규모의육상풍력발전단지를조성해온바있으며해상풍력발전단지도 1991년도에세계최초로덴마크에건설되었다. 1990년대에기후협약문제가세계적인초미의관심사로등장한시점에즈음하여유럽의풍력에너지기술은비약적으로발전하여풍력발전기기의신뢰성이현저히높아졌고가격경쟁력도유럽에서는석탄, 석유등의화석연료와비교할수있을정도로향상되었다. 이에유럽공동체는 2010년까지유럽공동체전체사용에너지의 12%( 전력비율은 22%) 를재생가능에너지로대체할계획을가지고있으며기술개발과더불어풍력발전단지개발과보급을정책적으로지원하고있다. 이중풍력에너지의용량은 4,500만 kw에 달할것으로예상되고있으며이양은현재우리나 Pitch Motor 그림 1 풍력발전시스템구조 라전체의전력생산용량 (5,000만 kw) 과대등하다. 인도, 중국및일본에서도풍력발전시스템을자체생산하여적극보급하고있으며용량이이미수십만킬로와트에달하고있다. 특히일본은기후협약에대비하여최근풍력발전산업이더욱활성화되고보급도가속화되어목표를초과달성하고있을정도이다. 이글에서는풍력발전기술에대해간략한개요와시장전망에대해설명하고자한다. 풍력발전시스템은그림 1에나타낸바와같이회전자, 허브, 주축및증속장치등을포함하는기계동력전달시스템, 발전기, 발전기제어장치및계통연계 Blade Turbine Nacelle Controller Brake Gearbox Anemometer/Windvane Generator Yaw Drive Yaw Deck Tower 기계저널제 45 권제 10 호 34 기계저널 -10 월호 CK
35 기계저널 -10 월호 CK 풍력발전기술 장치를포함하는전기시스템, 피치제어장치, 요 (yaw) 제어장치, 출력제어장치, 제동장치, 안전장치및중앙제어감시장치를포함하는제어감시시스템및지지타워, 토목기초등의기타시스템으로구성된다. 풍력발전시스템을구성하는기계동력전달시스템에는바람의운동에너지를회전동력으로변환시키는회전자 (blade, 회전날개 ), 날개에서발생한회전동력을주축으로전달하며회전날개를지지고정하고있는허브 (hub), 허브로부터집합되어전달된회전동력을전달하는주축 (main shaft) 과주축으로부터전달된회전동력을발전기의동기속도에맞게증속하여전달하는증속장치로서구성된다.( 다극형발전기의사용으로증속장치없이회전자주축과발전기가직결된형태의직결형동력전달시스템으로구성되기도함 ) 또한, 전기시스템으로는발생된기계적회전동력을전기동력으로변환하는발전기, 유도형 / 동기형및영구자석형등발전기의형태에따라발전기의정상출력및과출력을제어하는발전기제어장치, 발전기에의해생산된전력을계통에안정된품질을유지하며공급하는인버터또는인버터 / 컨버터등의계통연계장치와기타역률보상장치및 soft-starter 등의부속기기로서구성되며, 제어감시시스템으로는회전자날개의피치각을제어하여최적운전점, 과출력및공력제동장치로서의역할등을제어하는피치및출력제어장치, 바람방향의변화를추적하여기계동력전달시스템의방향과일치시키도록요잉 (yawing) 시키는요제어장치, 비상 / 점검시의회전 자및발전기의제동과일정방향의유지를위한요제동기 (yaw brake) 를포함하는제동장치, 풍력발전시스템의안전운전감시를위한안전장치와전시스템의운전감시와제어를통한안전운전을보장하는중앙제어감시장치로서구성된다. 풍력기술을대표하는풍력발전시스템을분류하면크게네가지의방식으로서구분할수있다. 우선, 구조상분류로는풍력발전시스템의주축의지면에대한방향으로구분함. 즉, 주축이지면에대해수평인시스템은수평축풍력발전시스템, 수직인시스템은수직축풍력발전시스템으로구분하며, 대표적인풍력기기형태로는수평축은통상의프로펠러형, 수직형은다리우스형이있다. 운전방식상분류로는풍력발전시스템의주요구성기기인발전기의형식에따라회전자의운전방식이정속운전과가변속운전방식으로구분되며, 정속운전은주로발전기가농형유도기기일경우발전기와회전자의회전속도가구속되어일정회전속도를유지하며운전하는방식을말하며, 가변속운전은권선형유도발전기나동기발전기 ( 또는영구자석형발전기 ) 를사용시일정범위이상으로회전자의가능회전속도운전범위가허용되는방식을의미한다. 출력제어방식상분류로는과풍속시풍력발전시스템의과출력을제어하는방식에따라실속제어방식과피치제어방식으로구분한다. 실속제어방식은과속시날개에발생하는실속현상에의해날개에작용하는회전토크를제어하는소동적방식의출력제어방식이며, 피치제어방식은능동적으로날개의피치각을유압기기나전동기기로서제어하여날개의변 35 표 1 풍력기술의분류 구분용도 풍력발전시스템기술 풍력기반기술 풍력응용기술 풍력시스템은소형 (100kW 이하 ), 중형 (100~900kW), 대형 (1,000kW 이상 ) 등으로용량기준으로분류하며, 용도에따라서는계통연계형과독립전원형이있으며, 시스템과직접적관계인설계, 제작, 설치및운용등을포함하는기술 풍력자원의측정분석및예측과풍력발전단지의조성과관련한설계및경제성 타당성분석과관련하여풍력기술의확대를위한기반구축기술 한전계통과의연계또는기타분산형전원과의연계운전에필요한시스템통합운용체계구축과타자원과의연계및원격운용등을포함하는응용풍력기술 * 풍력시스템의용량별분류는국제적으로정해진것은아니고, 각기국가나기관별로통상편의적으로분류하고있음. Journal of the KSME 35 기계저널 -10 월호 CK
36 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 36 표 2 풍력발전시스템의분류국내에서는 1970년대의유구조상분류수평축풍력발전시스템 ( 프로펠러형 ) 류파동이후풍력발전연구를시 ( 회전축방향 ) 수직축풍력발전시스템 ( 다리우스형 ) 작하였는데, 1975년도에한국정속운전 (fixed rotor speed turbine) 운전방식상분류가변속운전 (variable rotor speed turbine) 과학원 (KAIS) 에서경기도화실속제어방식 (stall regulated type) 출력제어방식상분류성군엇섬에설치한 2kW급풍피치제어방식 (pitch regulated type) 력발전기가국내풍력발전기의계통연계 (grid connected type) 전력사용방식상분류독립및복합운전 (stand-alone and hybrid type) 효시이다. 90년대들어본격적으로보급과기술개발이병행하면서국내에서도신뢰성을이환효율을제어함으로써과출력을제어하는방식이다. 미확보한선진외국의풍력설비를도입하여풍력발전력사용방식상분류로는풍력발전시스템에서생전기에대한설치운영및보급사업이활발히진행되산된전력과운용형태에따라계통연계방식과독립었다. 1998년도부터제주도청이 600, 660kW 및복합운전방식으로구분된다. 한전계통과의연계운전에의한연계방식과미전화도서나낙도대관령 3,390kW 양구 20,000kW 대관령 98,000kW 평창 20,000kW 등지에서의독립적인전원형태태백 4,250kW 시화방조제태백 22,550kW 의독립형발전방식또는디젤과 3,000kW 안산 3,000kW 울릉도기타의타전원과복합연계운전 600kW 영양 20,000kW 의복합운전방식등으로구분된영덕 39,600kW 포항 660kW 다. 새만금 4,500kW 새만금 50,000~100,000kW 밀양 750kW 우리나라도 1998년 9월교토의정서에서명하여 2018년도부터는협약을이행하여야하는상황에처해있으나, 1990 년도부터 1996년도의이산화탄소배출량증가율이 75% 로서세계 1위를기록하고있는우리나라는에너지소비증가량이선진국의 4~5배에이르며, 낮은에너지효율과높은석유및석탄의존도 (80% 이상 ) 에의해온실가스방지정책및기술개발에대한노력이절실하여, 풍력발전시스템에대한기술개발과보급기반조성에보다많은노력을기울여야할것이다. 월령 100kW 한경 15,700kW 한경 6,000kW 그림 2 국내풍력발전단지및보급전망 그림 3 세계풍력발전보급전망 행원 9,795kW 성산 20,000kW 기설치 : 69,645kW 예설정 : 272,250kW 기계저널제 45 권제 10 호 36 기계저널 -10 월호 CK
37 기계저널 -10 월호 CK 풍력발전기술 및 750kW 풍력발전설비를제주행원풍력발전단지에설치운전중에있으며, 1999, 2000 및 2001년도사업으로서 2002년 5월말까지 750kW 풍력발전시스템 5기를추가로건설하였고, 현재총 15기에 9,795kW에이르는상업적풍력단지로서최초로풍력발전설비를이용하는의미있는사례로서예시되고있다. 이밖에도, 현재민간자본투자로는최초로남부발전 ( 주 ) 에서 6MW 규모의풍력발전단지를건설하였으며 20MW로확장할예정이다. 이어 2005년 4월 40MW 규모의영덕풍력발전단지가 ( 주 ) 유니슨에서건설하여가동중에있다.( 그림 2) 세계적으로풍력발전기술은 2003년말에는 40,301MW, 2002년말에는 32,037MW의풍력발전설비의보급과연간 82.24TWh/ 년및 64.8TWh/ 년이상의전력을생산하는청정에너지기술로서, 세계적으로도가장빠르게성장하고있는발전기술로서최근 5년간의연평균산업규모성장률이 26.3% 에이르는고도성장기술이라할수있다. 그리고그동안의선진국보급중심에서점차전세계적으로보급확대되고있는상황이다. 현재, 풍력발전전력의전력수요에대한공급률도덴마크의경우에는전체전력수요의 18% 이상, 독일과네덜란드는약 1.0 3.3%, 미국캘리포니아는약 1.5% 정도를차지하고있을정도이다. 1990년대후반이후풍력발전설비의보급이기 하급수적으로증가하고있는것을보이고있으며, 이러한경향은 2000년대와그이후에도계속될것으로전망되고있다. 그림 3에서는각대륙별 2002 년과 2003년도의풍력발전설비의보급증가추이를보이고있다. 2003년도에건설된 8,344MW 중에서미주지역이 21.8%, 유럽지역이 66.5%, 아시아지역이 6.2% 정도의비율을차지하고있고, 2003년도누계로는유럽지역이 29,301MW, 미주지역이 6,905MW, 아시아지역이 2,707MW 정도의보급누계량을보이고있다. 2003년말현재, 세계적으로는유럽지역이 38,242여대의풍력설비댓수및용량기준으로 66.5% 의풍력설비를점유하고있으며, 독일, 미국, 스페인, 덴마크등네개국이 30,469MW의풍력설비규모로서세계보급량의 75.6% 로대부분을점유하고있는상황이다. 그러나풍력발전설비용량의절대치가유럽이차지하고는있으나, 최근인도, 일본, 중국등유럽외의국가에서증가하는추세를보이고있다. 한편, 최근 5년간의풍력기술시장의평균성장률은약 31.7% 에이르고있으며, 최근 3 년간의시장성장률을기준으로할때독일 (33.8%), 스페인 (31.3%), 미국 (34.6%) 및이태리 (29.5%) 가초고속으로성장하고있으며, 아시아권에서는일본 (75.1%) 및중국 (17.5%) 로서풍력발전기술의보급시장을주도하고있는상황이다. 현재풍력발전기술은전세계에서가장빠르게성장하고있는기술로서 2006년도까지는연간 20 25% 정도성장하고, 2010년도에세계보급량은 180,000MW 설비에 440TWh/ 년의전력을생산할것으로전망되고있다. 그리고 10년이내가장 37 표 3 향후풍력발전설비의대륙별보급전망 지역연도 2003 년 2004 년 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년총누계 (MW) 미주 1,818 950 1,500 1,900 2,550 2,550 16,355 유럽 5,549 5,560 6,625 6,770 8,800 8,925 65,981 남 / 동아시아 521 720 770 790 940 1,050 6,977 OECD- 태평양 352 590 650 650 875 875 4,717 기타지역 104 215 195 285 285 285 1,576 신규설치 (MW) 8,344 8,035 9,740 10,395 13,450 13,686 95,606 설치누계 (MW) 40,301 48,336 58,076 68,471 81,921 95,606 Journal of the KSME 37 기계저널 -10 월호 CK
38 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 38 실용적인발전기술로서자리잡을것으로예상되고있으며, 2020년기준으로전세계전력수요의 12% 를공급하며, 세계시장규모는 1,500 4,000억 $/ 년, 세계보급량은 180,000 474,000MW 에이를것으로전망되고있다. 그러나다소보수적으로는덴마크의 BTM Consult ApS 에서는표 3과같은전망을예측하고있어, 다소변화를보이 그림 4 풍력발전기평균용량대형화추이 고는있으나, 향후에도가장빠르게발전하는발전기및발전사업의형태로, 저개발국가의경우에는미전술이라는점에는변화가없을것이다. 화지역에현대적개념의에너지를공급하는전화사꾸준한풍력기술의발전으로현재는풍력기기의업등다양한형태로사업화가진행되어풍력산업의대형화와고신뢰도화가이루어져, 설비도입실적을시장은향후 10년간연평균 20 25% 정도로지기준으로하는경우평균설비용량은지역, 기술수속적으로성장할전망이다. 준등에따라서차이를보이고있으나, 독일의경우또한, 풍력기술의개발이거듭되어최근에는풍력에는 1999년 919kW, 2000년 1,101kW, 산업에의한단위풍력기기의평균용량도대형화를 2001년 1,281kW, 2002년 1,397kW 및거듭하고있는상황이다. 단위풍력발전설비의용량 2003년 1,650kW로서지속적으로증가하여이 1980년대초의 25kW/ 대에비하여현재평균 2012년에는수MW에이를것으로전망되고있다. 1,200kW/ 대급에서최근에는 2,500kW급의단그리고풍력기술및시장의규모가커짐에따라, 풍일풍력발전기기가상용화되기에이르렀으며, 력설비의저가화및비용저감에도큰발전이있어, 3,600kW급풍력발전기기는날개의직경이 2002년도의평균설비비가 765US$/kW에서 104m, 타워의높이가 90 100m 정도에이르 2012년에는 529US$/kW로 31% 정도로획기는거대구조물의규모를하고있다. 적으로하락할전망이며, 아울러발전단가는 2010 이밖에도, 선진외국에서의풍력산업의보급형태년평균풍속이 7.5m/s를기준으로할때 3.61센가대규모단지화되고있으며, 해양풍력자원을이용트 /kwh에서 2.5센트 /kwh로서약 40% 정도저하는풍력산업의발전도비약적으로이루어지고있감될수있을것으로예측되고있다. 는상황으로서, 선진국에서는해양풍력 (offshore) 풍력발전기술은 2003년현재 5개정도의선진시장에대비하여 3,000kW 5,000kW급의대제작사의시장지배구조하에서성장기에진입하는형풍력발전설비도개발을진행중에있다.( 그림 5) 기술이고, 기술의도입도유럽및미국등 10여개한편, 풍력기술은향후에도 2006년도까지는연국에세계누적시설용량의 90% 이상을차지하는간 20 25% 정도로성장하고, 기술의시장규모는등지역편중이심한기술적특성을지니고있다. 그 100억 $/ 년에이를것으로전망되고있으며, 러나지속가능사회에대한사회적욕구의증대와풍 2020년에는세계전력수요의 12%, 2030년에력발전기술의경쟁력강화등에힘입어범세계적으는 20% 이상을담당할것으로예상되는발전지향로시장확대가가속화될것이며, 특히풍력발전기적산업으로서청정에너지시장을주도할핵심기술술은선진국에서는대형화, 단지화를통한자원개발로서주목받고있다. 기계저널제 45 권제 10 호 38 기계저널 -10 월호 CK
39 기계저널 -10 월호 CK 테 마 기 획 신재생에너지 이글에서는소수력발전의개요및관련기술에관하여소개하고자한다. 이철형 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부, 책임연구원 박완순 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부, 책임연구원 e-mail : lchg@kier.re.kr e-mail : pwsn@kier.re.kr 에너지자원이절대부족하여에너지해외의존도가 97% 이상인우리나라의입장에서는에너지해외의존도를경감시키고에너지를안정시키기위하여국내의부존에너지를최대한활용하는것이매우중요하다. 또한지구온난화에대처하는범세계적인규제에대비하기위하여, 청정한에너지를적극개발하여에너지자립도를향상시켜야한다. 소수력자원은다른대체에너지원에비하여에너 지밀도가매우크기때문에개발할가치가큰부존자원으로평가되고있다. 정부에서는소수력자원의최대활용과소수력발전소의개발을촉진하기위하여 1982년 소수력개발방안 을제정하여, 민간자본에의하여소수력발전소를개발할수있도록하였다. 우리나라의경우, 소수력발전은설비용량이 10,000kW 이하의수력발전소를말하며, 소수력발전소의개발자에게기계 전기설비비의 100%, 토목공사비의 25% 를 5년거치 10년분할상환으로융자하여주고있다. 또한소수력발전소에서생산된전력은 73.69원 /kwh(2005년기준 ) 으로전량을매입하여주고있다. 소수력발전은화력및원자력과비교할때환경에대한영향이거의없는청정한에너지로서, 현재전세계적으로문제시되는지구온난화에대처하는범세계적인규제에대비하기위하여, 환경보전에많은영향을미치는소수력자원을적극개발하여야할것으로사려된다. 39 물의위치에너지를이용한소수력발전 소수력발전소의발전방식은지형조건에따라결정되며, 수로식, 댐식및터널식소수력발전소로분류한다. 수로식소수력발전소는하천을따라서완경사의수로에댐을설치하고하천의급경사와굴곡등을이용하여수로에의해서낙차를얻는방식으로, 일반적 Journal of the KSME 39 기계저널 -10 월호 CK
40 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 으로경사가급한하천의상 중류에적합한형식이며, 댐은월류식으로채택되는경우가많다. 댐식소수력발전소는주로댐에의해서낙차를얻는형식으로발전소는댐에근접해서건설하고일반적으로경사가완만하고유량이풍부한하천의중 하류에적합한형식이다. 댐식소수력발전소는하천홍수의범람정도와댐상류의농경지및가옥등의수몰관계를충분히고려하여댐의높이를결정하여야한다. 터널식소수력발전소는댐식과수로식을혼합한방식으로서하천의형태가오메가 (Ω) 형인지점에적합하며, 자연낙차를크게얻을수있고댐은일반적으로월류식으로한다. 펠톤수차런너의외형 40 소수력발전의경우, 수차발전기는소수력발전소건설비중차지하는비율이크고, 소수력발전소운영기간내지속적으로유지 관리하여야하는중요한핵심기기이다. 수차는크게중력수차, 충격수차, 반동수차로대별할수있다. 중력수차는물레방아와같이물의중량을이용하는방식으로발전용으로는거의사용하지않는다. 일반적으로수력발전용으로충격수차와반동수차가주로사용된다. 이와같이수차를분류함에있어서는수차가회전력을얻는방식에따라분류한다. 충격수차는저유량고낙차에적합한수차로물의위치에너지전부를운동에너지로변환시킨 jet를이용하여회전력을얻는다. 반동수차는저낙차와중낙차에사용되는형태로물이수차를통과할때압력과속도를동시에이용하여회전력을얻는다. 대표적인충격수차는펠톤수차를예로들수있으며, 반동수차로는프란시스수차와프로펠러수차를들수있다. 또한, 수차의특성은 Ns=nP 0.5 /H 1.25 로표시되는비속도에좌우된다. 여기서 n은수차의회전수 (rpm), P는수차의출력 (kw), H는낙차 (m) 를나타낸다. 일반적으로충격수차는반동수차에비하여작은 비속도범위에서사용된다. 펠톤수차는 10~25의비속도범위에서사용되고, 프란시스수차는 50~350, 프로펠러수차는 250~1,200의비속도범위에서사용된다. 수차의중요한특성중하나로무구속속도 (runaway speed) 를들수있다. 소수력발전기가발전중에, 송전망의고장등으로발전기가갑자기무부하가되는경우가있다. 이경우, 수차쪽으로의송수를갑자기차단하면, 격심한수격현상이일어나, 수압관의파괴등에의해대형사고를일으킬위험이있다. 따라서, 유량을수격작용이허용한도내에머물도록천천히잠그고, 그러는동안, 발전기축은오버런해서꽤높은회전속도에달한다. 이때, 도달하는최대회전속도를무구속속도라부른다. 무구속속도비 ( 무구속속도 / 정격속도 ) 는, 수차의형식에따라다르고, 비속도가큰것일수록크다. 펠톤수차의무구속속도는 1.6~1.9 정도이며, 프란시스수차는 1.4~2.0, 프로펠러수차는 1.4~2.0 정도이다. 펠톤수차는수압관을따라수차입구까지유도된물은니들밸브모양의노즐을통해속도가급속히가속되어대기압상태의고속제트로분출된다. 이와같은제트가런너의버킷에유입되어반사할때동력이발생한다. 기계저널제 45 권제 10 호 40 기계저널 -10 월호 CK
41 기계저널 -10 월호 CK 소수력발전기술 노즐에서유량을조절하여출력을변화시키기위해서노즐의니들밸브를유압서보모터로조절한다. 각노즐의유량을독립적으로조절하기위해서는노즐마다니들밸브조절용서보모터가설치된다. 노즐의출구에는디플렉터 (deflecter) 가붙어있다. 송전선의사고등으로발전기가갑자기무부하로되었을때, 니들을급히닫으면수격현상이일어나게되므로니들을닫는대신에디플렉터로제트의방향을급히바꾸어수격현상을방지하고런너의구동토크를 0으로하여발전기의오버런을피할수있다. 또한제트브레이크는물을차단한후수차의감속을빠르게하고, 감속에따라부하능력이적어지는베어링, 특히스러스트베어링 (thrust bearing) 을보호해준다. 펠톤수차에서는노즐을줄여유량을감소시켜도버킷에서의속도삼각형에는별변화가없고효율의변화도적다. 이때문에펠톤수차는설계점에서다른수차에비하여효율이다소낮으나넓은범위에서높은효율을나타낸다. 특히노즐수가많은수차에서는사용하는노즐수를줄여서최대출력의 10% 까지도효율저하가적으며이는다른수차에서볼수없는특징이다. 횡류수차는 1903년호주의기술자인 A.G.M. Mitchell에의해개발되었다. 1916년부터 1918년까지 D. Banki에의해일련의실험들이행해지고작동이론이체계화를이루었다. 횡류수차는횡류날개차를러너로사용하고노즐로증속된 2 차원제트를런너주위에충돌시켜구동토크를발생시킨다. 런너에서운동에너지를잃은유동은그대로방수면으로낙하한다. 횡류수차는원리상펠톤수차에매우가까운충격수차이다. 노즐을축방향으로분할하여펠톤수차와같이낮은출력에서도효율적이므로기존의수차중저낙차, 소수력용으로적합하다. 현재횡류수차의통상적인효율은 70% 정도로다른수차에비해효율이떨어지는편으로낙차 7.5~100m, 출력 50~1,000kW 정도의소수력발전에적합하다. 수압관을빠져나온물이두번의충돌과정을거치는데, 첫번째단에서런너블레이드에충격력을전 달하고직경방향으로반대편런너블레이드에두번째충격력을전달하는데, 그효율이첫번째단보다많이떨어지는 ( 전체유체력중에서두번째단의추력이 26~30% 정도이다 ) 것으로알려져있다. 두번째단에서는유동의방향을조절할수가없기때문에효율면에서불리하다. 또토출되는유동의운동에너지를흡수하기위한흡출관의사용이수월하지않다. 프란시스수차의구조는원심펌프의구조와거의같다. 단지유동의방향과회전방향이반대이다. 고압의물은수압관을통해스크롤케이싱 (scroll casing) 을통해안내깃에도달한다. 프란시스수차는기존발전소에서가장많이사용되는낙차범위에서적용하므로제작되는전체수차의 70% 를점유하고있다. 구조는비교적단순하다. 특히런너는가변부분이없는일체로되어있고, 구조는비교적단순하여소수력발전용수차로도많이사용된다. 프란시스수차런너의형상은비속도에따라다르며, 비속도가큰런너일수록주조또는용접조립에의해제조되며주강, 스테인리스주강의재료가사용된다. 프란시스수차의안내깃은증속원형날개열로되어있고, 유동을가속함과동시에선회속도성분을일으킨다. 프란시스수차의반동도 ( 런너의압력강하 / 전압력강하 ) 는보통 50% 이상으로하여안내깃에서운동에너지는유효낙차의절반이상이다. 선회하면서유입되는유동은런너출구에서완전히선회속도를잃으며축방향으로토출된다. 따라서안내깃출구의흐름은런너에유입되는각운동량이모두런너의토크가된다. 런너를나온유동은흡출관에서감속되고운동에너지는압력에너지로환원된다. 이는손실이최소가되도록설계된다. 프란시스수차의효율은회전수와안내깃이열림정도에따라변한다. 수차는설계된열림정도에서효율이최고로되는회전수에서운전된다. 출력을줄이기위하여안내깃을닫으면, 유량이감소함과동시에유동의방향도변하여런너입구에서의상대유입각이런너블레이드의입구각에서벗어나충돌손실 41 Journal of the KSME 41 기계저널 -10 월호 CK
42 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 42 이증가하여효율이감소한다. 부분부하에서효율이낮은것이프란시스수차의결점중의하나이다. 한편, 최대효율을얻을수있는설계출력은최대출력의 80~90% 로선정되어부분부하운전을포함한평균효율이최대가되도록고려되어있다. 동익형축류펌프의역으로운전되는것이프로펠러수차이다. 프로펠러수차의반동도 (degree of reaction) 는보통 70~80% 이다. 프로펠러수차는형태에따라튜브 (tube) 수차, 카프란 (Kaplan) 수차, 벌브 (bulb) 수차및림 (rim) 수차등으로구분한다. 프로펠러수차중카프란수차는런너가축류식인점외에는구조, 원리모두프란시스수차와공통점이많다. 카프란수차는안내깃의열림정도에따라런너베인의각도를변화시켜, 부분부하에서효율저하를방지한다. 스크롤케이싱, 안내깃을통한선회류는 90 도방향을바꾼다음에축류런너베인을구동한다. 런너를빠져나온유동은흡출관에서감속되어운동에너지가흡수된다. 카플란수차는속도조절기가안내깃과런너베인양쪽을연동시켜제어하고우수한부분부하효율을발휘한다. 이에반해고정날개프로펠러수차는부분부하효율이낮다. 낙차가 10~20m 이하로카프란수차가사용되기에는낙차가너무작은경우에는수직축카프란수차에서는유동이두번 90도방향을바꾸어야하므로이에의한손실이저낙차에서는상대적으로커지므로수평축카프란수차는유로형상이단순하고, 저낙차에서수직축보다효율이높다. 각적인노력이필요하다소수력발전개발초기에는주로하천을이용하여개인사업자에의해소수력발전소가건설되었으나, 민원등의문제로인하여개발이극히위축되어, 최근에는기존구조물을이용한소수력발전소를개발하는추세이다. 현재까지개발된소수력발전소를유형별로구분하여살펴보면, 하천에개발된소수력발전소는 15개소 29,745kW, 기존대댐을이용한소수력발전소 프란시스수차런너의형상 우리나라에는현재 38개소의소수력발전소가운영되고있으며, 총용량은 53,255kW로서이는의암댐의발전용량을훨씬상회하는용량이다. 이는국내부존잠재량의 3.2%, 개발가능양의 21.2% 정도밖에안되는양으로서소수력에너지의활용확대를위해서는국민의인식변화, 관련기술개발, 정부의제도적기반확충및관련산업의욱성등다 프로펠러수차런너의형상 기계저널제 45 권제 10 호 42 기계저널 -10 월호 CK
43 기계저널 -10 월호 CK 소수력발전기술 가 11개소에 10,634kW, 정수장을이용한소수력발전소가두개소에 590kW, 하수처리장을이용한소수력발전소가세개소에 86kW, 농업용저수지를이용한소수력발전소가다섯개소에 8,600kW, 양수발전소의하부댐을이용한소수력발전소가세개소에 2,600kW 등이다. 소수력발전소는전세계적으로매우광범위하게운영되고있다. 아시아권에서는중국이 58,000개소에 13,250MW, 일본이 600개소에 538MW 로서가장많이운영되고있으며, 유럽의경우독일이 5,882개소에 341MW, 프랑스가 1,479개소에 1,646MW, 이태리가 1,420개소에 1,969MW, 스웨덴이 1,346개소에 8,406MW, 스페인이 1,102개소에 1,010MW, 노르웨이가 227개소에 806MW 등으로매우많은소수력발전소가건설되어운영되고있다. 독일의경우, 소수력발전소한개소당평균발전용량은 58kW로서, 이용가능한소수력자원을적극적으로개발하여사용하고있으며, 중국의경우도, 평균발전용량이약 230kW이다. 우리나라의경우, 소수력발전소한개소당평균발전용량은약 1,400kW로독일과중국등에비하여매우크다. 향후우리나라의소수력발전용량을증가시키기위해서는부존자원을효과적으로개발할수있도록정책적인지원이요구된다. 소수력발전은국내부존자원량에비해서경제성이부족하여개발이미진하였다. 그러나최근에는지역에너지사업과연계한소수력개발자원조사, 장기저리의시설자금융자지원사업의확대, 전력판매단가의보장, 수차발전기의국산화및정부의보급확대정책등으로소수력개발에유리한여건이조성되어기존시설물인농업용댐, 하수종말처리장, 수도사업장의용수로관로, 중 소규모댐의방류량을이용한소수력개발이추진되고있다. 소수력개발이가능한후보지대상은농업용저수지는유효저수량 300만톤에유역면적 15km 2 이 상, 하수종말처리장은하수처리용량이 20,000톤 / 일이상, 정수장은시설용량이 50,000톤 / 일이상, 농업용보는기존콘크리트보의상단에가동보를설치하면낙차를확보할수있어소수력을개발할수있다. 하천의수계및농업용보에라버 (Rubber) 댐, 정수장의관로, 폐광용출수, 양어장의순환수, 기력발전소의해수방류량, 양수발전소의하부저수지등미활용소수력자원을이용하면개발지점은매우다양하다고할수있다. 특히, 하천을이용한댐식의경우대규모댐건설에서발생하고있는님비 (NIMBY) 현상이나지역간의물꼬싸움, 환경단체의반발과같은문제를일으킬소지가극히적다. 소하천을이용한취수보를설치할경우생공용수, 하천유지용수및관개용수등으로이용하며경관이좋은위치라면수상레저와같은관광개발로지역경제에도움을줄수있어경제성타당성만입증되면적극적인개발이요망된다. 소수력개발보급잠재량은 ( 총 1,5000,000kW) 일반하천 1,412,500kW, 농업용저수지 48,000kW, 다목적댐의하천방류수 6,744kW, 하수종말처리장 5,300kW, 정수장 2,500kW, 농업용보 5,000kW, 양식장의순환수및기력발전소의냉각수 19,956kW) 이고, 개발가능량은 227,544kW( 일반하천 147,000kW, 농업용저수지 48,000kW, 다목적댐의하천방류수 6,744kW, 하수종말처리장 5,300kW, 정수장 2,500kW, 농업용보 5,000kW) 이므로허가절차를간소화하고전력매입단가현실화를통한경제성을확보하면부존잠재량을개발할수있다. 2005년현재소수력시설용량이 50,455kW로서부존잠재량의약 3.2% 로극히적은비율이며, 개발가능양의약 21.2% 에불과하여개발여지가아주많다. 소수력전기사업허가가관련법 ( 전기사업법, 하천법및환경영향평가법 ) 에는 10,000kW까지개발할수있으나, 관련법은하천을이용한댐식발전방식의맥락으로제정되어있고, 한전의송전선로연결 43 Journal of the KSME 43 기계저널 -10 월호 CK
44 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 44 문제로 3,000kW 이하로개발되고있는것이현실이다. 또한, 2004년도에시설용량 200kW 이하까지의허가절차는일부간소화되었지만, 200kW 이상은발전사업인? 허가절차가복잡하고규제가심하여발전사업을추진하기에는많은어려움이있으므로관련법을획기적으로개정하면소수력개발이활성화될수있다고본다. 우리나라는연평균강수량이 1,274mm로서, 비교적강수량이풍부하고전국토의 2/3가산지로구성되어있어지형적및수문학적으로소수력자원이많이부존하고있다. 우리나라의소수력자원개발은부존자원량에비하여개발이부진하였으나, 최근에는원유공급의불확실성및유가의상승우려로부존자원의최대활용필요성증대, 한국전력공사에서의전력매입단가의현실적인조정, 소수력개발관련기술의정립및시스템의국산화및정부의대체에너지개발의촉진및지원정책등으로소수력자원개발에유리한여건이조성되고있다. 소수력발전은사회적, 환경적잇점으로최근에는선진국에서도큰관심을가지고있다. 특히경제적잇점중의하나는초기의투자에반하여 유지관리비가아주낮다는점이다. 소수력발전의장점은 1 풍부한국내부존자원활용, 전력생산 2 짧은계획, 설계및시공기간 3 낮은투자비용 4 민간및지자체주도의투자참여로지역개발효과 5 발전소수명이길고운영비가저렴함등을들수있다. 반면에소수력발전의단점은 1 전체투자비에대한조사및엔지니어링비용의비중이큼 2 출력이기상과계절의영향을받음 3 발전소가동률은설치에따른지형특성, 적용처에따라달라지며이에따라경제성이좌우될수있다는점이다. 소수력자원을경제적으로개발할수있도록하기위해서는우리나라소수력자원의특성에적합하고효율이높은수차발전기를국산화하여소수력발전소에적용하여야하며, 향후소수력자원의최대활용을위하여저낙차용수차등을표준화개발하여야한다. 아울러축적된기술을이용하여통일을대비북한에설치운영중인소수력발전시스템의노후설비개체및소수력자원개발과동남아등외국에플랜트수출을위한소수력발전산업기반의확충이필요할것으로사료된다. 기계용어해설 적외선가열 (Infrared Heating) 적외선가열은전자파에의하여전달되는복사열을이용하여물체를가열하는것으로산업체에서많이이용되고있다. 적외선열원의종류에따라고온급속가열에서부터저온가열까지다양한종류의가열에활용된다. 열원은화석연료를직접사용하는히터로부터전기에너지를사용하는히터를목적에따라선정하여사용할수있는데전기히터를사용하면배출가스가없는청정한환경에서의가열이가능하다. 전자파에의하여열이전달되는특성상열전달매체가없는진공환경에서가열에는필수적이다. 그리고전자파의중요한특성인직진성때문에열원및가열대상의형상이중요한인자가되므로뭉툭한물체보다는평판과같이면적이넓은물체의가열에유리하다. 기계저널제 45 권제 10 호 44 기계저널 -10 월호 CK
45 기계저널 -10 월호 CK 테 마 기 획 신재생에너지 이글에서는최근고조되어있는신재생에너지분야중지열을이용한지열시스템의소개및기술현황그리고앞으로의전망에대해소개하고자한다. 이의준 / 한국에너지기술연구원지열 소수력연구센터, 센터장 e-mail : ejlee@kier.re.kr 지열이란지표면의얕은곳에서부터수km 깊이에있는뜨거운물과돌을포함해땅이가지고있는에너지로태양과지구가존재하는한계속생성되는무궁무진한에너지다. 태양열의약 47% 가지표면을통해지하에저장되며, 태양열을흡수한땅속의온도는지형에따라다르지만지표면가까운땅속의온도는대략 10~20 C 정도로연중큰변화가없고, 지하수km의지열온도는 40~150 C 이상을유지한다. 우리나라의경우일본, 이탈리아등과달리화산지대가거의존재하지않아심층지열이용은불가능하고, 현재는지하 100~150m 깊이의지열을이용하는천부지열을이용한시스템이대부분이다. 이러한지열시스템의이용기술은연중거의일정한열에너지를유지하고있는지하수와천부지열을비용경제적이며친환경적으로사용할수있는지열 펌프시스템 (GHP : Geothermal Heat Pump system) 을이용한기술이다. 지열펌프는지표하수십m 이내의지각이나수체 (water body) 에저장된연중일정한지열을추출하여난방이필요한동절기에난방용으로이용하고, 반대로여름철에는실내열을추출하여실내냉방을시킨후실내에서추출한폐열은주변의지중에저장하여겨울철에는다시난방용으로재이용하는즉폐열을 100% 로활용하는냉난방장치이다. 지열펌프는계절과관계없이사용할수있고건물과외부공기사이의열을서로교환해서사용하는전통적인공기원열펌프보다훨씬효율적이다. 특허청에의하면지열식히트펌프의특원출원은 2001년을정점으로매년비슷한출원규모를보이고있다. 그러나히트펌프를이용하는지열이용시스템은운영비가기존설 45 지열펌프시스템 (GHP : Geothermal Heat Pump system) Journal of the KSME 45 기계저널 -10 월호 CK
46 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 46 비에비해적은반면초기투자비가커 지열히트펌프시스템국 경제성이다소부족하다. 내보급량 6,000RT에육박앞으로고성능히트펌프의개발과국제에너지협회 (IEA) 의 World 저렴한시스템을개발하지중열교환기효율을높아진다면히트 Energy Outlook 펌프를이용한지열이용시스템의보급은점차적으로증가할것으로예상된 기위해현재 RT당 500 만원정도되는비용을 2004에서는비관적인견해로 2030년에는현재의 60% 이상의에 다. 너지를더소비할것이며 (16,487Mtoe) 2012년가지 300만원으신재생에너지공급도 2002년전체에 로낮추는등보급활성너지소비의 14% 와마찬가지비율을 화를위한기술개발에점유 (2,226Mtoe) 할것으로전망하 였다. 2030년까지지열발전용량은주력하고있다. 에너지관리공단산하의지열에너지연구회에의하면 2000년에지열히트펌프시스템이국내에첫선을보인이후로현재까지약 6,000RT가보급된것으로나타났다. 시스템의종류별로살펴보면수-공기방식의히트펌프가약 2,100RT로 36% 정도를차지하며수-수방식의히트펌프가약 3,800RT로 64% 를차지하는것으로나타났다. 이러한결과는미국의지열히트펌프시스템이주로수-공기방식인것과비교하면상당한차이가있는것으로기존의국내냉난방시스템방식에맞추어보급이이루어지고있는것으로보인다. 히트펌프의용량별로살펴보면수-공기방식의경우 4RT급이가장많이보급되었고수-수방식은 10RT와 30RT 급이가장높은보급률을나타내었다. 일반적으로수-공기방식은하나의냉난방존에한대의히트펌프가사용되는방식이므로사용되는용량이작은편이며수-수방식은기계실의보일러나냉동기를대체하는개념으로대형이선호되는것으로파악된다. 지열히트펌프시스템이주로대체에너지의무화제도에따라공공기관의사무실건물에주로적용되고있 4배이상증가할것으로예상된다. 지열에너지의장기적인직접이용증가전망은자세히발표되지않고있으나대체적으로전세계적으로연간 6% 에서 8% 를전망하고있다. 한편우리나라와지열여건이비슷한스위스의경우를예를들면지난 10년간매년 10% 이상의증가율을보이고있다. 따라서우리나라가 2011년까지스위스와동일한수준의지중열교환기를설치한다면전체공급량은 623,000toe 에이르며 2002년에너지불변가격으로 9,000만달러에달한다. 이는 2011년우리나라의재생에너지공급목표의 4% 를차지하는데, 현재추진중인공공건물신재생에너지의무화제도가추진되고 2008년이후많은공공기관지방이전이될경우투자회수기간이다른신재생에너지원보다좋은지열히트펌프냉난방기술이실현되고또, 우리나라에는지역적으로풍부한충적층지하수자원이부족하고있음을감안한다면대용량의지하수열교환식냉난방시스템을설치할수있으므로적극적인투자를통해훨씬많은지열에너지의보급이가능할것으로판단된다. 으므로향후에도이러한양상은계속될것으로보이 며기술적으로볼때대용량의수-수방식히트펌프 의개발과보급이필요한것으로보인다. 기계저널제 45 권제 10 호 46 기계저널 -10 월호 CK
47 기계저널 -10 월호 CK 테 마 기 획 신재생에너지 이글에서는태양에너지의첨단활용분야중하나인고온태양열을이용한발전기술의개요와, 이를구성하는요소기술, 그리고태양열발전분야의국내 외현황과전망에관하여소개하고자한다. 강용혁 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부, 부장 김진수 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부, 선임연구원 e-mail : yhkang@kier.re.kr e-mail : jnskim@kier.re.kr 태양에너지를이용하는기술이라하면사람들은흔히온수활용을위해지붕에설치된평판형집열기나열을전기로바꾸어주는태양전지패널을머릿속에떠올리게된다. 그러나이마저도일정수준의지식이나경험이없는평범한사람들에게는그용도가서로어떻게다른지혼동되고있는것이현실이다. 따라서이들과는또다른분야라할수있는태양열발전기술을소개하기위해서는태양에너지를이용하는서로다른방법들에대한간략한분류와이해가선행되어야하겠다. 태양에너지를이용하는기술영역은크게열을이용하는태양열분야와빛을이용하는태양광분야로분류될수있다. 태양열이용분야의경우복사에의해전달되는태양에너지중주로가시광선영역의파장을흡수율이높은검은표면을가진물체에흡수시켜열에너지형태로전환시키고획득된열을활용한다. 반면, 태양광이용분야는태양복사에너지중특별한영역대의파장을가지는빛을태양전지라불리는장치를통하여전기에너지로변환시켜이를활용하는경우이다. 한편, 고온태양열을이용한발전기술은태양열을이용하여전기를생산코자하는기술로서, 열에너지를이용한다는측면에서는태양열이용기술의한분야로분류될수있다. 그러나보다고온을열을필요로한다는점과획득된열을발전을위한열원으로사용한다는측면에서차별성을가진다. 이글에서는고온태양열을이용한발전기술의요소를구성하고있는세부기술, 태양열발전의분류, 열에너지를저장하거나화석연료와함께복합발전을 행하는경우, 그리고태양열발전분야의국내 외적현황과전망에관한내용을순차적으로소개하고자한다. 고온태양열발전을위해서는태양복사에너지를고밀도록집적하는집광장치가있어야하며, 열원획득을위한흡수장치, 그리고흡수된열에너지를이용하여발전을행하는발전장치가필요하다. 또한, 시간과기후조건에따른태양에너지공급의불균일성을극복하고발전장치의가동률을높이기위하여별도의열에너지저장장치를함께사용하거나화석연료와함께발전을행하는복합시스템을구성하기도한다. 이글에서열에너지저장및복합시스템구성과관련된부분은별도의내용으로다루기로하겠다. 고온의태양열을이용한발전에서열에너지공급이후에이루어지는공정은기존의화석연료를이용한발전과동일하다고할수있다. 따라서발전사이클을운전하기위하여필요로하는고온의열원을어떻게태양에너지로부터얻을것인가하는문제는태양열발전의중요한핵심요소가된다. 고온의열원을태양으로부터얻기위해서는고배율의집광장치를필요로한다. 즉, 복사에너지를열에너지로전환시키기이전에광학적인방법으로빛에너지의밀도를높여주어야하는데, 이러한집광의정도는동일한면적에서집광이없는직달일사의경우와비교하여 sun 이라는단위로흔히표현한다. 즉, 1,000배의집광 47 Journal of the KSME 47 기계저널 -10 월호 CK
48 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 48 이이루어지면 1,000sun이라고표현하게된다. 집광을위해서는반사경을이용한다양한형태의집광장치가사용되는데그방식은크게세가지로, 구유형 (parabolic trough), 타워형 (power tower), 그리고접시형 (poarabolic dish) 으로나뉜다. 구유형집광장치의경우, 태양의고도만을추적하는말구유모양의포물면반사경을이용하여집광을행하게되는데이때태양빛은반사경전방에선형으로모아지게된다. 구유형집광장치의집광비는일반적으루수십 sun이며획득가능한온도는약 300~500 C 정도이다. 타워형집광장치는헬리오스테트 (heliostat) 라고불리는수백혹은수천개의평판형거울을사용하여집광을행하는데, 각각의거울은중앙부에위치한타워의상단으로태양빛을반사시켜집광을행하게되며이를위해개별거울은태양의위치 ( 방위와고도 ) 를인식하고추적해야한다. 타워형집광장치의집광비는반사경의수에비례하여증가하며일반적으로수백 ~ 수천의집광비를얻고있다. 집광방식의특성상구유형과타워형은일반적으로 MW급이상의대용량발전에사용되고있다. 마지막으로접시형집광방식은보다작은면적에서고배율의집광이가능토록고안된집광방식으로포풀면을가지는접시모양의태양추적반사경을이용하여태양빛을한곳으로모아고온획득이가능토록하는방식이다. 이경우비교적작은면적으로수백 ~ 수천에이르는집광비의획득이가능하여수 ~ 수십 kw 규모의소규모독립형발전을위한집광장치에사용되고있다. 최근에는구유형집광의다른형태로작은너비의평판형반사경을평면에순차적으로배열하고각각의반사경이서로다른각도로태양빛을반사시켜 ( 결과적으로포물면을효과를가지도록하여 ) 상부에선형의집광이이루어지도록하는프레즈넬 (Fresnel) 형집광장치가개발되어응용되어진바도있는데, 이는제작비용이적고제한된면적을최대한이용할수있다는장점으로주목을받고있다. 이러한다양한형태의집광장치들은태양추적기술, 고효율 고내구성의반사경제작기술등의세부요소기술을필요로한다. 흡수장치는집광장치를통하여고배율로집적된 태양복사에너지를흡수하여열에너지로바꾸어주는장치이다. 이장치는흡수율이높은검은색표면을통하여열에너지를회수한다는측면에서는일반적이태양열집열기와크게다르지않으나, 장치를구성하는재료가수백에서때로는수천도에이르는높은온도를견디어내야하고, 작은면적에서효과적인열전달이이루어져야하기때문에재료및복사열전달과관련된여러가지첨단지식을필요로한다. 흡수장치는사용되는작동유체즉, 흡수된열원을발전장치로이동시키는열전달유체의종류에따라각각의장치특성에최적화된서로다른형상을가지게된다. 열전달유체는획득가능한온도및발전방식에따라오일 (oil), 포화수증기, 공기, 용융염등의다양한물질이사용되며때로는열전달매체없이직접외연기관을구동하여전기를생산하기도한다. 태양열발전을위한발전장치는내연기관을제외한기존의화석연료발전방식의경우와동일한장치를사용한다. 랭킨 (Rankin) 사이클에기초한스팀터빈발전기는가장일반적인발전장치로서구유형및타워형집광장치와연계되어대규모태양열발전에널리사용되고있다. 보다고온의집광이가능한타워형혹은접시형집광장치에는가스터빈을이용한발전도가능한데이경우사이클의특성상발전은순수하게태양열만을이용하지않고일정정도의화석연료가함께사용된다. 또한바이오메스를이용한발전등의분야에서새로이주목받고있는스터링엔진도접시형집광장치와연계하여태양열발전을행하는주요한발전장치로사용되고있으며이는소규모태양열발전을위한가장효과적인방법으로응용되고있다. 태양열발전은사용되는집광방식에따라발전의규모, 발전의방식, 열전달방식등이달리적용되는관계로일반적분류는집광방식에따라이루어진다. 즉, 집광방식과동일하게태양열발전은구유형, 타워형, 그리고접시형으로구분될수있는데, 최근에는열에너지전달방식, 발전방식등에많은기술적 기계저널제 45 권제 10 호 48 기계저널 -10 월호 CK
49 기계저널 -10 월호 CK 고온태양열발전기술 진보를이루어집광방식과함께이들세부요소기술의명칭이태양열발전을분류하고명명하는데함께사용되기도한다. 에를들어, 용용염을열전달매체로적용한타워형집광방식의태양열발전설비는 Molten Salt Power Tower로, 스터링엔진을적용한접시형태양열발전설비는 Dish-Stirling System으로불릴수있다. 그러나적용되는세부기술이시스템별로다소상이할지라도구유형, 타워형, 그리고접시형으로분류되는태양열발전의형 대규모구유형태양열발전설비 ( 미국캘리포니아소재 ) 대규모타워형태양열발전설비 (Solar Two 로명명 ; 미국캘리포니아소재 ) 10kW 급 Dish-Stirling 태양열발전시스템 ( 진해시해상과학공원내구축중 ) 식은태양열발전분야 (CSP : Concentrating Solar Power) 를정의하고평가하는일반적인분류방법이며, 각각의방식은고유의특성과한계를동시에지니고있다. 먼저, 구유형태양열발전은 ( 현재까지는 ) 가장낮은비용으로발전설비를구축할수있다는이점으로인해수백 MW급대규모태양열발전설비에널리사용되는발전방식이다. 그러나획득온도의한계, 높은열손실, 오일등사용되는열전달매체의특성, 스팀터빈에기초한발전의한계등으로인해 10% 대초반의낮은효율 ( 태양복사에너지대비생산전력 ) 의운전이라는한계를가지고있다. 타워형태양열발전은고온의획득이가능한대규모발전시스템이라는특징을가지고있다. 발전사이클의효율은온도가높아질수록증가하는관계로보다높은효율의발전이가능하며, 구유식발전과비교하여열손실의여지가적으며무엇보다도집광과발전장치사이에열에너지를저장시스템을적용코자할경우높은온도차로인해보다높은밀도의열에너지저장이가능하다는이점을가지고있다. 이러한이점들은타워형태양열발전설비의경제성획득에유리함을제공하는주요인자가될수있다. 그러나수백, 수천의반사경이모두개별적으로태양을추적해야하기때문에이를위한추가비용, 유지. 보수의문제, 그리고고온의열원을흡수하고전달하기위한장치의개발및열매체의선정문제등문제점또한가지고있다. 이러한연유로타워형태양열발전설비의규모는약 10MW 내외에머물고있으며효율은현재구유형보다약간높은정도를보이고있으나, 이러한발전방식이시범운전단계이고기술의진보가최근빠르게이루어지고있는점을감안할때에, 향후에는가장경제성높은효율적발전이가능한발전방식이될것으로예측되고있다. 접시형태양열발전의특징은작은규모의장치로부터높은효율의발전이가능하다는점이다. 접시형태양열발전시스템은일반적으로태양을추적하는접시형반사경으로이루어진집광기에외연기관인스터링엔진을장착한장치를의미하는데, 최고 30% 에육박하는높은효율을구현할수있다. 이때 49 Journal of the KSME 49 기계저널 -10 월호 CK
50 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 50 스터링엔진의고온부는접시형집광장치에의해모아진태양광으로직접가열하거나, 고온히트파이프등의중간열전달장치를이용하여가열하기도한다. 이러한발전방식은수 ~ 수십 kw의소형 ( 독립형 ) 발전에효과적으로사용될수있다. 단점으로는대량생산이이루어지기전까지는제작비용의절감을기대하기어렵다는점과, 대형발전설비를구축하려할경우다수의소형시스템을연계해야한다는점이다. 또한이러한발전방식에적합한규모와성능의스터링엔진을개발하고장시간의안정적인운전을가능토록내구성을향상시키는노력이필요하다. 태양에너지를활용하는모든응용분야는계절, 시간및기후조건에따른에너지공급의불균일성이라는한계를가지고있다. 일정한규모의지속적에너지공급을불가능하게하는이러한한계는태양에너지활용에있어가장큰걸림돌중의하나이다. 이러한한계를극복하기위해서는다양한형태의에너지저장장치를필요로하게되는데, 열에너지를활용코자할경우열저장장치를, 전기에너지를활용코자할경우에는전기저장을위한배터리를요구하게된다. 이러한측면에서태양열발전은기존의태양에너지전기생산방법인태양광발전시스템과비교할때에보다유리한위치를점하고있다. 즉, 태양열발전은열을이용하여발전을행하는관계로태양광을전기로직접전환시키는태양광발전시스템이고가의배터리이외에에너지저장을위한별다른방법이없는것과달리, 열에너지형태의저장이라는저비용기술의적용이가능하다는이점을가지고있다. 열에너지의저장은동일한양의생산전기를기준으로전기저장의경우에비해약 1/20의저비용에너지저장이가능하다고한다. 따라서장치의특성상별도의열에너지저장장치를사용하지않은접시형발전방식을제외한모든태양열발전장치 (solar only system) 는열에너지저장장치를가지고있다. 이러한열에너지저장은단지안정적인발전을가능토록하는것이외에도발전사이클을최대용량이아 닌최적규모로설계할수있다는장점과최적의조건을지속적으로유지하며발전을행할수있다는측면에서태양열발전의경제성을끌어올릴수있는가장중요한요소기술중하나로여겨지고있다. 일반적으로태양열발전시스템의성능을나타내는수치는두가지인데하나는발전효율즉, 태양복사에너지가전기로전환되는효율이며, 다른하나는연평균가동률 (annual capacity factor) 로서이는저장시스템의용량에의해결정되는수치이다. 따라서고밀도, 저비용의고온열에너지저장장치의개발과적용은태양열발전에서매우중요한위치를차지하고있다. 열에너지의저장을위해서는액체나혹은고체 ( 혹은혼합물 ) 형태물질의의온도차를이용한현열 (sensible heat) 축열방법이일반적으로사용되고있는데, 현재까지검증된가장진보된방법은용융염을이용한열저장으로타워형발전방식에서성공적으로검증된바있다. 태양에너지공급의불균일성을극복하기위한또다른대안은별도의화석연료를함께사용하는복합발전이다. 소극적인의미에서복합발전은열원의추가공급을위해별도의보일러를추가로장착하여운전하는형태이나보다적극적의미에서의복합발전은기존의화석연료발전시스템에서폐열을회수하여추가의발전을행하거나, 온도별로다단계의발전사이클을연계하여사용하는경우와유사하게태양에너지에의한열원의공급을화석연료발전시스템과연계하는방법이다. 또한복합발전의다른형태로화석연료의열함량증가를위한흡열반응의열원으로태양열을이용하고개질된연료를발전을위한연료로사용하거나, 가스터빈발전을위한압축공기를태양열로가열하는방법, 바이오가스나천연가스의연소와태양열흡수가동시에이루어지도록하는특별한구조의복합기를적용하는방법등도사용되고있다. 태양열을이용한발전기술은오일쇼크이후미국등선진국을중심으로수십년간개발되고많은수의시스템이실증되어그기술적타당성에관한검증 기계저널제 45 권제 10 호 50 기계저널 -10 월호 CK
51 기계저널 -10 월호 CK 고온태양열발전기술 이완료된상태이다. 예로미국의캘리포니아지역에설치된 9개의구유형발전설비는 85년이후 80억 GWh의전기를남부캘리포니아계통으로전송한바있다. 보다효율적이고경제적인대규모발전이가능할것으로기대되는타워형발전설비는 80년대후반운전을완료한 1세대시스템에이어 90년대에는새로운열전달매체및저장방법을적용한 2세대시스템을성공적으로개발, 시운전을완료한한상태이며현재는동일기술을보완. 적용한 15MW급상업발전시스템을유럽에구축중이다. 접시형발전시스템은미국, 독일, 호주등여러국가의연구팀에의해다양한형태와규모로개발되고시운전되었으며이를위해필요한엔진의개발과함께상용화를위한시도들이앞다투어진행되고있다. 세계적으로 2010년까지구축이계획된태양열발전설비의규모는약 2GW를상회하는것으로알려져있다. 그러나자원고갈에따른신재생에너지활용의요구가높아지고있는추세와특히, 중국의경우별도로대규모태양열발전설비의구축을서두르고있는점을감안할때에그규모는더욱증가할것으로예상된다. 태양열발전분야의전망의하면약 2020년경구유식태양열발전시스템은약 16% 정도의효율획득이가능할것으로예측하고있으며, 특별히타워형태양열발전시스템의경우단일시스템의발전용량은약 200MW급, 효율은약 20%, 그리고연평균가동률은 75% 이상을목표로하고있다. 이러한기술개발이성공적으로이루어질경우태양열발전에의한생산전력의단가는현재의 15~20cent/kWh 수준에서 5cent/kWh 수준으로낮아져화석연료에의한상업발전과대등한정도의경제성을확보할수있을것으로기대되고있다. 한편, 국내의경우는 1990년대중반부터소형 태양열발전을고려한고효율집광시스템의개발에관한연구를수행해온바있으며, 최근에는 10kW 급발전을위한접시형집광시스템의개발을완료하고스터링엔진을장착한태양열발전실증연구, 태양열화학반응과가스터빈을연계한복합발전, 바이오가스를병행사용하는복합발전등에관한연구를수행하고있다. 또한, 중국내사막지역에 MW급대규모태양열발전시스템을구축코자하는국제공동연구를한 중양국이공동으로기획하여추진을앞두고있다. 분석에의하면지구상전체사막지역의 1% 면적에일사되는태양에너지는현재수준의전환효율을고려하더라도전세계의전력수요를모두충당할수있는막대한량에이르는것으로알려져있다. 태양에너지는화석연료의대안으로무한한보유량을가지는유일한신재생에너지자원이며, 기존기술들이지니고있는한계와진보의정도를고려할때에, 태양열발전은멀지않은미래에가장경제성있는신재생에너지활용기술의하나가될것이분명해보인다. 우리나라의경우, 태양에너지공급의량과밀도는사막과같은고밀도일사지역 (sun belt) 의약 70% 수준으로태양열발전을행하기에부족하지않은것으로분석되고있다. 또한, 관련기술을선도하고있는독일등선진국은자국이개발한기술을이용하여스페인이나북아프리카등고밀도일사지역에서의발전플랜트건설을주도하고있는데이는국내의태양열발전분야가나아가야할좋은본보기가될수있을것이다. 고유가와기후변화협약등대내외적인환경변화가현실화되고있는요즈음, 미래의에너지안보확보를위한전략적판단과투자가시급한시기임을잊지말아야하겠다. 51 기계용어해설 열영동 (Thermophoresis) 여러물리적조건의구배에의해작은콜로이드등이현상의일종으로온도구배에의해발생한다. 유체와고체간의계면에서발생하는유동에의해생성되며여과, 침전, 화학증기증착 (CVD) 등의응용분야가있다. Journal of the KSME 51 기계저널 -10 월호 CK
52 기계저널 -10 월호 CK 테 마 기 획 신재생에너지 이글에서는온수급탕및난방등에활용되고있는저온태양열이용기술과국내외보급현황을소개하고자한다. 이동원 / 한국에너지기술연구원신재생에너지연구부저온태양열연구센터장 책임연구원 e-mail : dwlee@kier.re.kr 52 화석연료를대체할수있는신재생에너지원중가장손쉽게얻을수있으며이용효율이상대적으로높은것이태양열이다. 태양열로부터 100 이하의열에너지를얻고자하는저온태양열시스템은, 비교적간단한구조의태양열집열기를통해태양열을집열하여축열조에저장하였다가온수급탕이나난방에이용하는설비이다. 쉽게볼수있는저온태양열시스템은건물의옥상이나지붕에설치된태양열온수기인데, 보통 3장의집열기와그상단에설치된축열조로구성되어태양열을온수급탕에이용하는대표적인설비라고할수있다. 태양열에너지는무공해이며그양이거의무한하다는점에서인류생존을위한영원한에너지원으로서인식되고있다. 그러나지역에따라또는계절및기후에따라지표면에입사되는태양열에너지의양 ( 일사량 ) 이달라지기때문에, 이를이용하기위해서는장기간에걸친자원량조사가필요하다. 국내주요지역에서측정된연평균수평면일사량은하루에약 3,040 kcal/m 2 로서, 우리나라면적을감안하면연간약 110억 TOE의태양에너지를얻을수있는것으로단순계산할수있다. 하지만모든지역을태양열집열판으로덮을수는없기때문에이용가능량은약 9,700TOE로추정하고있으며, 이는우리나라연간에너지소비량인약 2억 TOE의 50% 에육박하 는거대한양이다. 태양열에너지는그에너지밀도가낮기때문에태양열을집열하는집열기의역할이매우중요하며, 태양열집열기는크게평판형, 진공관형, 집중형으로구별된다. 비교적저온을얻고자하는경우에는평판형집열기를, 그리고 300 이상의고온을얻고자하는경우에는집중형집열기가이용된다. 태양열집열기에서의에너지전환은흡열판에태양복사에너지가흡수되어흡열판이더워지면흡열판내부를흐르는전열매체로이열이전달되고, 전열매체의열이축열조로이동되는과정을거친다. 저온태양열시스템에서사용하는평판형집열기는직달및분산일사량성분모두를이용할수있으며태양을추적하지않아도된다는장점이있다. 그러나집열기전체에흡열판이존재하므로외부로의 대표적태양열이용설비인태양열온수기 기계저널제 45 권제 10 호 52 기계저널 -10 월호 CK
53 기계저널 -10 월호 CK 저온태양열이용기술및현황 열손실이많아 100 이상의열원을얻기는어렵다는단점이있다. 평판형집열기는검은색으로코팅된흡열판에열전달매체가흐를수있는도관이설치되어있고, 흡열판밑에는단열재가흡열판위에는투과체가있어외부로의열손실을최대한억제하는구조로되어있다. 축열조는태양열에너지의수요와공급사이에발생하는시간적, 양적, 질적차이를극복하는데필요하다. 축열조가일반적으로갖추어야하는조건은단위부피또는단위질량당저장할수있는열에너지가커야하며, 열을저장하는매체가인체나환경에무해하고경제적이어야한다는점등이다. 일반적으로저온태양열시스템에서는물을열저장매체로이용하는데, 공기식태양열시스템의경우는자갈등을이용하기도한다. 축열조내온도성층화도전체적인효율에미치는영향이크므로이에대한고려도충분히이루어져야한다. 태양열설비의효율은태양열집열기의효율과시스템효율, 그리고이용효율등으로구분할수있다. 태양열집열기효율은집열기가얻은열량을집열기에입사된총일사량으로나눈값으로정의되는데, 여기서집열기가얻은열량은흡열판에서흡수한에너지로부터주위로손실된에너지를빼주면된다. 따라서집열기의효율은그때그때의기상상태와집열기로유입되는전열매체의온도등에따라달라져서, 하나의값이아니라운전상태에따라수시로변할수있는값이라고할수있다. 따라서최고효율이우수한집열기를이용하는것보다는최상의효율을갖는조건에서태양열시스템이운전되도록하는것이보다중요할수있다. 한편태양열시스템효율은태양열시스템이획득한열량을기준으로산정된효율이다. 집열기에서얻어진열은축열조에저장되었다가이용하는경우가일반적이므로, 이과정을모두고려한후태양열시스템이얻은열량을기준으로효율을산정하는것이다. 가장일반적인시스템효율분석방법으로는교반 시험이있다. 일출전축열조내물을교반하여초기온도를측정하고일몰후다시교반하여최종온도를측정해서, 그온도차와축열조내물의양을이용하여태양열시스템이얻은열량을구하게된다. 이시스템효율또한외기조건에영향을받으며, 따라서일사량과외기온이정해진기준내에부합되는날에측정하도록정해져있다. 우리가흔히볼수있는태양열온수기의경우이시스템효율은대략 50% 수준이다. 그러나이시스템효율은매우청명한날에측정된것이기때문에일반적인기후조건에서얻을수있는열적성능은아니다. 따라서최근에는일사량과외기온을변수로하는 2원일차방정식으로시스템의효율을표현하는것이일반적인추세이다. 중대형태양열시스템의경우는시스템효율에미치는인자가태양열온수기보다더욱많기때문에효율을일률적으로말할수없다. 한편이용효율은소비자가이용하는열량을기준으로산정된효율이다. 집열되어저장된열이라고해서모두이용하는것은아니기때문에이용효율은시스템효율보다작은값을갖게된다. 이용효율은전술한외기조건외에소비자의열이용방법, 축열조의형태, 보조열원의위치등에따라또달라지기때문에더더욱일률적으로말할수없다. 따라서시험조건을열거하고그러한상태일때어느정도의효율을갖는다고표현할수밖에없다. 현재국내에설치되어있는태양열설비로는가정용태양열온수기약 20만대가거의전부라고할수있으며, 이를통해얻는에너지는연간약 4만 TOE에불과한실정이다. 우리나라와에너지사정및기후조건이유사한일본에서는 400만기이상의태양열온수기가설치되어이용되는점에비추어보면, 우리나라에서의태양열이용실태가너무빈약하다는것을알수있다. 이러한문제점을인식하여정부에서는태양열시스템의보급확대에노력하고있다. 에너지관리공단에서는집열기및태양열온수기에대한인증제도를두어소비자가보다신뢰성있는 53 Journal of the KSME 53 기계저널 -10 월호 CK
54 기계저널 -10 월호 CK 테마기획 `` 신재생에너지 54 제품을선택할수있도록도와주고있으며, 지역에너지사업이나시범사업등을통하여중대형태양열시스템보급에주력하고있다. 관련업계에서도기술개발이이루어져현재는기술선진국과거의동등한수준의효율과신뢰성을갖는균일한품질의제품을생산하고있으며, 중대형태양열시스템에대한시공능력도많이향상되었다. 태양열시스템은제품생산과정에서의업계노력과함께사용자의유지관리여부에의해서그신뢰성이달라질수 있다. 태양열시스템의전열매체로는겨울철동파방지를위하여부동액을사용하고있는데, 이러한부동액에대한사용자의관리가대표적인예라고할수있다. 또한집열되는열에비해이용하는열이적은여름철에는간혹집열기가과열되는경우가있는데, 이러한현상을방지하기위한사용자의노력도필요할수있다. 간혹태양열온수기를난방보조기기로활용하려는예가있으나, 이러한시도는집열기를통한외기로의열손실을유발하여태양열온수기의효율을급격히저하시킬수있으므로피해야한다. 태양열시스템을이용한난방이물론가능하지만, 집열기 3장정도의태양열온수기를이용해서난방보조를한다는것은얻는것보다잃는것이더많기때문이다. 정부는 2011년까지태양열시스템을기존보급량의 10배이상보급하려는목표를갖고있는데, 이를통해약 40만톤의원유를대체하고약 30만톤의이산화탄소저감효과를얻을것으로기대하고있다. 이러한목표를달성하기위해서는정부및연구기관, 그리고민간부문모두에서적극적인노력이필요하다. 특히정부에서는관련업계의현실을감안하여다양한지원방안과보급체계구축을위한노력에힘을기울여야할것이며, 정부지원이있는실증시범 시범사업을통해학교에설치된저온태양열시스템 사업과지역에너지사업등을보다확대할필요가있다. 가장문제가되고있는태양열시스템의사후관리역시영세한관련업계에게만그책임을지우기에는현실적어려움이있을수밖에없다. 따라서관련업계는물론정부가관여하는사후관리지원체계를확립하여수요자의불안감을해소할필요가있다. 저온태양열시스템은목욕탕이나기숙사또는집단수용시설과같이연중온수를많이이용하는곳에설치하면, 높은효율을유지한상태에서운전될수있고이용효과도극대화시킬수있다. 따라서정부가이러한곳에태양열시스템의설치를강력추천하는것이필요하며이에따른지원도요구된다. 정부의이러한지원과간섭이자칫규제철폐와민간자율성확대라는대세에역행하는것으로비춰질수있지만, 전반적으로경쟁력이미흡한신재생에너지설비의보급확대를위해서는불가피한측면이있다고판단된다. 태양열은약간의기술향상과경제적지원이보완되면그보급이대폭확대되어화석연료사용억제와에너지자립화에기여하는바가큰분야이기때문이다. 2011년신재생에너지 5% 보급목표를달성하기위해서는, 설치비용대비에너지발생량기여도가높은저온태양열시스템을우선적으로보급 지원하는것이필요할것이다. 기계저널제 45 권제 10 호 54 기계저널 -10 월호 CK