백남춘한국에너지기술연구원태양열연구센터 (baek@kier.re.kr) 태양열이용 태양열이용은태양으로부터오는복사에너지를열에너지로변환해서직접이용하거나저장했다가필요시이용하는기술로서, 복사광선을고밀도로집광해서고온의열을이용하는기술 ( 예, 태양열발전 ) 과집광하지않고직접이용하는저온이용기술이있으며, 이용분야는주로온수급탕, 냉난방, 산업공정열, 열발전등열에너지를필요로하는분야에광범위하게사용된다. 태양열시스템은전세계적으로 80% 이상이주택의온수급탕및난방용으로사용되며, 그중에 80% 이상이온수급탕용으로사용된다. 국내에서는 IMF 이전에약 18 만여대의태양열온수기가보급된바있으나그이후로태양열온수기가정부의보급지원대상에서제외되었기때문에현재는거의보급이중단된상태이다. 따라서현재국내의태양열시장은 IMF 직전시장의약 10 15% 정도에불과한실정이다. 국내에서는주로사회복지시설, 기숙사, 학교, 양만장, 수영장, 골프장, 목욕탕등온수급탕분야에적용되어왔다. 2007 년도부터는주택난방 / 급탕용검용의태양열시스템 ( 집열면적이 14 m 2 이상규모 ) 에대한정부의지원이이루어지고있다. 태양열을이용하는시스템은크게설비형태양열시스템 (Active Solar System) 과자연형태양열시스템 (Passive Solar System) 으로구분된다. 자연형태양열시스템은태양열에의해서얻어지는열을이동하는펌프나휀 (Fan) 과같은구동장치가없이직접이용하는시스템을의미하며, 설비형태양열시스템은열에너지로변환된열 ( 열매체 ) 을구동장치에의해서이용부로이동되는시스템을의미한다. 자연형태양열시스템은주로건물의구조물을이용해서태양열을집열및축열해서이용하는방법으로직접획득방식과간접획득방식이있으며, 트럼월 (Tromb wall), 온실등이여기에포함되며, 80 년대부터주택, 우체국, 학교등에시범적용되어왔다. 한편설비형태양열시스템은태양열집열기를이용하여태양복사에너지를열에너지로변환하여변환된열에너지를직접이용하거나별도의축열장치 설비형태양열시스템 기술원리및특징 [ 그림 1] 설비형태양열온수급탕시스템의예 16
[ 그림 2] 태양열집열기 ( 집광기 ) 종류 에저장하였다가필요시사용하는시스템이다. 이기술은 70 년대말부터보급되기시작하였으며, 국내에서도건물의난방및온수급탕분야, 온실난방등에많이보급되었다. 설비형태양열시스템은일반적으로그림 1 에있는바와같이태양열을집열하는집열부, 집열된열 ( 사용하고남는여분의열 ) 을저장할수있는축열부, 태양열이없거나부족할경우열을공급하는보조열원장치와시스템제어장치로구성된다. 태양열집열기설비형태양열시스템에서가장핵심적인부분이태양열집열기이다. 지금까지전세계적으로상용화된집열기는그림 2 에있는바와같은것들이있으며, 평판형집열기와진공관형 ( 단일및이중진공관형 ) 집열기가주로건물의냉난방및온수급탕용으로널리사용되고있다. 날씨가청명한지역에서는집광형집열기인 PTC 집열기가온수급탕용이나산업공정열, 태양열발전분야에사용되기도하며, Dish 형과같이고집광형은주로태양열발전에사용된다. 일반적으로집열기의집열효율 (η co ) 은그림 3 과 같이 (T co - T amb )/I t 의함수로표시된다. 이것을수식으로표시하면다음과같다. η co = a - b x = a - b T co - T amb I t [ 그림 3] 집열기성능곡선 여기서 T co : 집열기입구로들어가는열매체온도 T amb : 외기온도 설비저널제 37 권제 12 호 2008 년 12 월호 17
태양열 / 태양광이용기술 I t : 집열면일사량 (W/ m2 K) a, b : 집열기성능에의해서결정되는값으로, a 는최고효율 ( 열손실이없을때의집열효율 ), b 는집열기의열손실계수로이들값은그림 2 에서 y 축과의교점과곡선의기울기에해당함. 따라서 a 값은클수록, b 값은작을수록좋은집열기임. 일반적으로현재상용화된평판형과진공관형집열기의열성능범위는표 1 에있는바와같이집열기에따라서열성능차이가크다. 태양열축열조태양열시스템은그림 4 a) 와같이집열되는시점과사용시점이일치하지않기때문에특별한경우를제외하고는축열조를필요로한다. 참고로그림 4 b) 는축열이필요없는경우의예이다. 축열은양질의열에너지를필요한시간에필요한양만큼수요측에공급하여에너지를효과적으로사용할수있도록, 열에너지를효율적으로저장하였다가공급하는기술이다. 크게축열은현열축열과상변화물질을활용한잠열축열에의한방법이있으나, 현재는주 < 표 1> 집열기의열성능범위집열기종류 열성능계수 비고 평판형 a 0.7 ~ 0.8 그림 2에서 Y축과의교점 b (W/ m 2 ) 6.0 ~ 3.5 그림 2에서성능곡선의기울기 진공관형 a 0.6 ~ 0.72 그림 2에서 Y축과의교점 b (W/ m 2 ) 0.8 ~ 3.0 그림 2에서성능곡선의기울기 a) 축열이필요한경우 b) 축열이불필요한경우 [ 그림 4] 열부하와태양열집열에따른축열의필요성 일반형태 열교환기내장형 보조열원축열조가열방식 온동성층화형축열조 급탕탱크내장형 이중탱크방식 [ 그림 5] 각종태양열축열조의형태 ( 소형 ) 18
[ 그림 6] 태양열계간축열조 (Seasonal Storage) 로물을축열매체로하는현열축열방법이사용된다. 주택의난방, 급탕용의소형축열조는그림 5 에서축열조내에열교환기를내장시켜컴팩트화시킨것이주로유럽을중심으로상용화되었다. 중 대형의축열조는판형열교환기를축열조외부에두는방식으로축열조내부에는온도성층화 ( 고온의물은상단부에모이게하는기술 ) 를위한디퓨저만있는축열조가주로사용된다. 한편대규모태양열아파트단지나태양열중앙공급시스템, 태양열지역난방시스템등에는그림 6 과같이지중에매설되는콘크리트탱크, 고무라바탱크, 토양축열등과같은대규모용량의계간축열조도사용되고있다. 이러한축열방식은저가로많은양의태양열을부하가적은하절기에축열하였다가열부하가많아지기시작하는가을부터사용된다. 이러한대용량의계간축열조는주로독일, 덴마크, 스웨덴과같은국가에서대규모태양열단지등에많이사용되고있다. 태양열시스템기술 태양열시스템은일반적으로다음과같은것들이 [ 그림 7] 태양열온수기 ( 자연순환식 ) 상용화되어보급되고있다. 태양열온수기및온수급탕시스템태양열온수기라고하면그림 7 과같이축열조가집열기상단부에있는일체화된태양열온수급탕장치를의미한다. 이제품은국내에약 18 만대이상이보급되었다. 주로축열조내부상단부에보조열원인심야전기히터가내장되어있는것이일반적이다. 이온수기는집열판에서가열된집열매체가축열조와의자연순환에의해서축열조의물을가열시킨다. 즉, 집열기에서가열된열매체 ( 부동액 ) 는밀도가낮 설비저널제 37 권제 12 호 2008 년 12 월호 19
태양열 / 태양광이용기술 a) 태양열온수기 b) 태양열급탕시스템 [ 그림 8] 태양열온수기및태양열온수급탕시스템설치및작동예 아져상단부인축열조 ( 열교환기나 2 중탱크사이 ) 로올라가서온수탱크내부의온수를가열하고다시온도가낮아져서집열기하단부로들어가서가열되면서상단부로올라가게된다. 그림 8 은태양열온수기와온수급탕시스템의작동및설치개념도를나타낸것으로배관길이가최단거리가될수있도록설치되는것이바람직하다. 특히태양열온수기의경우시수와온수배관의외부노출길이를최소화시켜야동파방지및열손실을줄일수있다. 태양열콤비시스템유럽에서주택의난방 / 급탕겸용으로개발된시스템으로집열기를제외한축열조, 펌프, 제어장치등이그림 9 와같이패키지화된것으로보일러까지를포함한것도있다. 이시스템은시공을간단하게하기위해서개발된것으로시스템을단순화시킨것이특징이다. 태양열냉난방시스템태양열은난방뿐만이아니라냉방도가능하다. 태양열시스템을비하절기에는난방용으로사용하고, 하절기에는냉방용으로사용한다. 태양열로구동되 [ 그림 9] 패키지화된축열조 는냉동기는가능한한저온으로작동되는것이중요하다. 지금까지개발된태양열구동냉동기는다음과같은것들이있다. 흡수식냉동기 : 리듐 / 브로마이드를작동매체로사용하는 1 중효용흡수식냉동기로 3 RT 이상이일본에서개발되었다. 현재는태양열로작동될때는 1 중효용으로, 보조열원으로작동될때는 2 중효용으로되는 1 중 2 중겸용의흡수식냉동기가개발중에있다. 20
흡착식냉동기 : 실리카겔을흡착제로사용하는냉동기로최근에독일에서개발되어시범적용되고있다. 태양열지역난방시스템최근에들어서유럽을중심으로지역난방에대규모태양열시스템을적용하는사례가점차증가하고있다. 그림 10 은덴마크에있는지역난방용태양열시스템으로집열기면적이 18,600 m 2 로단일시스템으로는세계에서가장큰태양열시스템이다. 이외에도여러개의태양열지역난방시스템이독일, 덴마크, 스웨덴등에설치된바있다. 국내에서는그림 11 과같이태양열축열조없이평판형과진공관형 2 개종류의집열기를사용하여 [ 그림 10] 태양열지역난방시스템 직접태양열집열기로부터원하는온도를얻는변유량항온제어방식의태양열지역난방시스템이분당의지역난방시스템에적용되어운전되고있다. 이시스템은약 60 전후의지역난방수환수의온도를축열조없이설정온도 ( 대략 95 ~ 100 ) 로승온시키는시스템으로 1 차로평판형집열기로승온시킨뒤 2 차로진공관형집열기로원하는온도까지승온하는방식의시스템이다. 이시스템은태양열축열조가없기때문에시스템이아주단순하고설치비도줄일수있는장점이있다. 태양열주상복합단지조성최근독일, 오스트리아등을비롯한유럽에서는신규주상복합단지를태양열로난방및급탕을하는대규모태양열단지가보급되고있다. 이미 10 여개신규단지가조성되었다. 그대표적인것이독일의 Solarthermie 2000 프로젝트로수행된것으로그림 12 에각단지의일부분을나타내었다. 이들단지는부하가적은하절기에태양열을축열할수있는그림 6 과같은저가의대규모용량의계간축열 (Seasonal Storage) 조를가지고있다. 이들신규로조성되는주거복합단지에설계단계부터 Low Energy building 과태양열시스템이복합된기술은에너지절감및건축의장적인측면에서성공한성공사례로발표되고있다. 이사업을통해조성된태양열단지 1 개를그림 13 에나타내었다. 이그림에서알수있는바와같이태양열시스템은단지의주택, 아파트, 학교, 주 지역난방수환수관 1차집열부 ( 평판형집열기 ) 2 차집열부 ( 진공관형집열기 ) 지역난방수공급관 [ 그림 11] 축열조가없는변유량정온제어방식의태양열지역난방시스템 ( 분당 ) 설비저널제 37 권제 12 호 2008 년 12 월호 21
태양열 / 태양광이용기술 차장, 상가등에분산설치되었으며, 그림 14 와같이하나의시스템으로통합운전되고있다. 부하가없는하절기에여분의태양열을계간축열조에저장하였다가필요시사용할수있도록하였다. 기타태양열시스템태양열은전술한바와같은분야에주로사용되나최근에는다음과같은분야에서의활용을위해서도연구와시범적용이되고있다. - 태양열산업공정열 - 태양열해수담수화 - 태양열건조 최근의태양열기술개발동향 2007 년도이후유럽을중심으로신축건물에신재생 heating 또는태양열적용의무화가점차확산되면서신축건물을중심으로태양열시스템설치가크 [ 그림 12] Solarthermie 2000 으로보급된대규모태양열단지 ( 독일 ) [ 그림 13] 태양열지역난방단지사진 [ 그림 14] 태양열시스템구성도 22
[ 그림 15] 건물일체형태양열집열시스템 게확대되고있다. 신재생 heating 을의무화하고있는경우주거건물의대부분은태양열시스템 ( 주로온수급탕용 ) 이선택되고있다. 태양열집열기가좀더건축적인측면에서효과적으로활용될수있도록건물일체형태양열집열기가최근들어선진국을중심으로활발하게개발및적용되고있다. 그림 15 는건물의외장재역할을하는건물일체형태양열집열기가설치된건물을보여주고있다. 최근정부의그린홈 100 만호보급이발표되고또한선진외국을중심으로에너지자립형건물에대한연구및보급이크게증가하고있는시점에이러한연구는태양열집열기가보다다양한형태로건물에적용되어태양열보급확대에크게기여할수있을것으로사료된다. 최근에는태양열시스템의경제성확보를위해폴리머와같은신소재를이용한폴리머태양열집열기및시스템의저가화연구가유럽을중심으로이루어지고있으며, 일부저온용집열기가개발되고있다. 태양열시스템적정적용분야 태양열시스템을효율적으로활용하기위해서는다음과같은 2 가지조건을만족하는분야에적용되어 야한다. 1 년중태양열사용기간이긴분야 2 가능한한저온을이용할수있는분야이와같이태양열시스템은 2 가지대원칙즉, 연간태양열시스템사용기간이길면서저온으로집열을해도되는분야 에적용되는것이효과적이라고할수있다. 이러한분야는대체적으로온수를사용하는분야이며고온의온수를필요로하는분야라도태양열은 예열 (pre-heating) 개념으로사용될수있도록시스템을설계하고운전되도록해야태양열시스템효율이높아진다. 이러한이유로인해태양열난방보다는태양열온수급탕시스템이더효과적인이유이다. 좀더구체적으로태양열시스템을적용하기에적정한분야를세부적으로보면대략다음과같다. 수영장, 목욕탕, 스포츠센타등온수를많이사용하는상업용건물 골프장의온수급탕분야 사회복지시설의온수급탕시스템 기숙사, 연수원, 여관, 호텔등숙박시설 주택또는집단주거시설의온수시설 지역난방시스템 연중부하가있는산업공정열분야 설비저널제 37 권제 12 호 2008 년 12 월호 23
태양열 / 태양광이용기술 맺음말 태양열기술이재생에너지원중에서는비교적일찍실용화되었으나최근태양광, 풍력등에비해 R&D 및정부지원정책이다소소원해지는분위기이다. 그러나최근에기후협약과관련해서정부의에너지절감목표달성이당초와는달리어려울것으로판단되자보급효과가큰재생에너지원중심으로보급방향이바뀌어야한다는목소리가국내외적으로다시일고있다. 태양열집열기는현재국내에서 6 7 개업체에서생산되고있으며, 이중진공관집열기가또한중국으로부터수입되고있는실정이다. 전문기업으로등록된업체는 100 여개이상이되나, 이중에서태양열시스템설계및시공능력을갖춘업체는소수에불과한실정이다. 국내에서인증된태양열집열기나온수기는 20 여개모델에이르고있다. 인증제품중에서도열성능이약 25% 정도까지차이가있을정도로열성능인증기준이낮으므로집열기선정시참고하는것이 좋다. 인증제품에대한성적서는에너지관리공단홈페이지에서볼수있다. 이미유럽의경우스페인, 독일, 이태리, 프랑스등의국가를중심으로신축건물에열부하 ( 또는온수급탕부하 ) 의일정부분을신재생 Heating ( 또는태양열 ) 으로공급하도록하는의무화정책이시도되고있다. 이로인해가장보급증가가두드러지는분야중에하나가바로태양열이다. 우리나라는이들각국가에비하면현재의시장은 10% 도채안되고있다. 따라서태양열산업의시설투자가거의이루어지지않고있어제품의신뢰성향상에어려움을겪고있으며, 또한중국의제품점유율이갈수록증가되고있어국내태양열산업의앞날을걱정하는이들이많다. 따라서비교적경제성이좋고에너지변환효율이높은태양열시스템과같은재생에너지시스템이많이보급될수있도록보급정책이바뀌어야한다는의견이제기되고있다. 특히전세계태양열시장의 80% 정도를차지하는주거용태양열온수기 ( 시스템 ) 에대한보급지원은시급한문제가아닐수없다. 24