태양열에너지이용시스템 강용혁 한국에너지기술연구원
정의 신재생에너지란? 신재생에너지는석유, 석탄, 원자력또는천연가스가아닌에너지로서재생에너지 (8개분야 ) 와신에너지 (3개분야 ) 를포함한 11개분야의에너지 재생에너지 신에너지 석유석탄원자력천연가스 Group Group D 풍력 태양열 지열 태양광발전 해양에너지 석탄액화가스 바이오매스 SCM SCM 페기물에너지 소수력 연료전지 수소에너지
에너지패러다임의변화 목재등바이오메스 석탄. 석유. 천연가스... 물 + 태양에너지 높은 C/H 비율 낮은 C/H 비율
고유가, 화석에너지고갈, 신재생에너지활용 - 2011 년전체에너지사용량의 5% 신재생에너지보급목표 (2003 년보급율 1.5%, 폐기물 93%) 지구온난화방지협약 - 교토의정서발효 ( 빠르면 2008 년, 늦어도 2013 년국내강제됨 ) - 이산화탄소배출권 (18$/ton 2005 년, 2010 년 2 억 5 천만톤거래예상 ) 수소 (H2) 경제의도래 - 가까운미래의수요량기하급수적증가예상 ( 현재 95% 생산즉시소비 ) - 새로운생산설비필요, 환경친화적신. 재생수소생산기술확립필요 태양에너지활용기술 - 태양에너지는지구상가장풍부한신재생에너지원 - 태양 -> 에너지획득을위한가장효과적방법 에너지패러다임변화에가장효과적으로대응가능
1. 기술개요 태양열시스템구성요소 집열 흡수흡수,, 저장저장,, 열변환 태양열집열기 진공관형집열기 태양열태양열집열집열기술기술 Dish 형집열기 축열조 태양열태양열축열축열기술기술 태양열시스템 태양열온수기 태양열태양열이용이용기술기술 태양열주택 온수급탕온수급탕,, 건물의건물의냉난방,, 산업공정열산업공정열농수산분야농수산분야,, 폐수처리폐수처리,, 열발전등열발전등 Array 시공 Solar Tower 장점 - 무공해, 무한정, 무가격의청정에너지원임 - 기존의화석에너지에비해지역적편중이적음 - 지구온난화대책으로탄산가스배출을저감할수있는대체에너지원 단점 - 고급에너지로엔트로피가낮음 - 밀도가낮고, 간헐적임 - 유가의변동에따른영향이크며, 현재유가에비해비경제적임
태양열산업의특징 신재생에너지개발및이용보급촉진법제 2 조 근거로한국가에너지산업 무한정의미래에너지확보및산업구조전환에필수적이며지속가능한에너지산업 태양으로부터지구에도달하는태양에너지량 : 년간 1.304 10^21kcal 일년간지구에서받는에너지량은연간세계에너지소비량의약 20,000배 화석연료의가채가능년수 : 석유 41년, 가스63년, 석탄223년 ( 자료 : BP, Statistical Review of World Energy 1998.6) 무공해에너지원인태양에너지의특성과이용기술을활용하여에너지생산을대체함과동시에환경문제해결, 청정에너지생산산업 이산화탄소를배출하는화석연료와는다른환경오염이없는그린에너지 각종환경규제에가장적극대응할수있는산업 에너지소비및수급특성상우리나라여건에필수적인산업 에너지수입의존도 97.7%(2004) CO2 배출세계 9위 (2004)
전국연평균 1 일수평면전일사량자원분포도 (kcal/ m2.day) 국내연평균 1 일수평면전일사량 연평균 1 일전일사량 : 3,079kcal/ m2 태양에너지자원부존량 : 111억 TOE에해당년간가용량 1017kcal/Yr의 31.5%(35억TOE) 일사조건이가장좋은달 : 5 월 4,296kcal/ m2일사조건이가장낮은달 : 12 월 1,702kcal/ m2 수평면전일사량 [kcal/ m2.day] 3500 3500 3000 3000 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 남해 & 목포호남 & 김해평야서울 1000 전국수평면중서부해안 ( 태안반도 ) 중부이남 & 전일사량평균 & 영주분지중부이북지방
태양열구성 태양 (Solar) 집열부 ( 자연형, 설비형, 집광형집열시스템 ) 축열부 ( 저온, 중고온, 현열, 잠열, 화학등 ) 이용부 ( 온수급탕, 냉난방, 산업발전, 우주용등 ) 구분 활용온도 집열부 축열부 이용분야 태양열시스템활용온도구분에따른이용분야 자연형 설비형 저온용 중온용 고온용 60 이하 100 이하 300 이하 300 이상자연형시스템 PTC, 평판형공기식집열기집열기 CPC 형집열기 Dish 형집열기진공관형집열기 Power Tower, 태양로 Tromb Wall 저온축열중온축열고온축열 ( 자갈, 현열 ) ( 현열, 잠열 ) ( 잠열, 화학 ) ( 화학 ) 열발전건물난방건물공간난방. 급탕, 건물농수산냉. 난방,, 산업공정열, 우주용농수산 ( 건조, 난방 ), 광촉매폐수처리담수화, 산업공정열, 열발전광화학, 신물질제조, 레이져
태양열이용기술체계도 (1) 기술영역핵심기술내용요소기술 건물및상업용태양열이용시스템기술 집열기술 축열기술 시스템최적화설계및응용기술 CONTINUE - 선택흡수막코팅기술 - 히트파이프전열기술 - 고효율저가평판형집열기설계 - 구조용 Mega 집열기개발 - 진공관형집열기 -CPC 집열기 - 축열조코팅기술 - 중고온잠열재및 encapsulation 기술 - 잠열축열조및열교환설계기술 - 화학축열재개발 - 태양열화학반응기개발 - 태양열구동냉동기, 히트펌프설계 - 태양열하이브리드급탕및냉난방시스템 - 중앙집중식대규모태양열시스템설계
네덜란드 Zero-Energy House (P.V. 3.4kWp, 12 m2설비형시스템 ) KIER ZESH I 보급형제로에너지솔라하우스 (ZESH) 개발 자연채광기술 자연형태양열시스템응용기술 공기식태양열집열기술 설비형태양열응용기술 시스템통합화및설계, 시공기술 대규모단지화기술 -복합창을이용한자연채광시스템개발 -가동형차폐장치의동합제어시스템개발 -주광제어시스템개발 -자연채광설계지침서개발 -투명단열집열시스템 -부착온실시스템 -모듈형축열벽시스템 -쿨튜브시스템 -자연형시스템통합제어장치개발 -아파트발코니태양온실화활용기술개발 -주택외피이용예열환기회수시스템개발 -모듈식패키지형공기식태양열집열시스템 -지붕일체형태양열콤비시스템개발 -건물통합형태양광발전시스템 (BIPV) -태양에너지백업시스템개발 -ZeSH 통합설계및성능평가기술 -ZeSH 모니터링및피드백기술 -ZeSH 설계및성능평가지침서개발 - 대규모태양에너지냉난방및급탕시스템개발 - 태양열, 태양광, 풍력복합이용시스템개발
기술영역핵심기술내용요소기술 중고온산업용태양열시스템개발 집광기술 고반사기술 태양추적제어기술 산업공정열시스템기술 태양열담수화기술 광혼합복합기술 시스템운전제어기술 -Concentrator 최적설계및구조해석 - 복합재료사용 -photogrammetry - 흡수기집광및열손실해석 -Flux Mapping - 고온선택흡수막처리기술 - 반사경제조기술 - 반사경코팅기술 - 태양추적센서 - 태양추적제어장치및프로그램 - 적용별, 공정별최적설계 - 고효율열교환기기술 - 증발기설계및제작기술 - 복합이용집열판개발 - 광혼합시스템기술 - 구동제어기술 - 자동보호및통합제어기술 - 시스템운전기술 - 이용시스템적용평가기술
50kW Big-Dish, ANU, Australia 태양열발전시스템개발 고집광기술 동력엔진관련기술 전력계통연계기술 복합시스템화기술 운전기술 성능평가및진단 7.5kW Dish, NREL, USA -PTC -DISH -태양로 -증기랭킨, 유기랭킨, 가스브레이톤사이클태양열적용기술 -태양열스터링엔진기술 -분산연계방식 -집중연계방식 -복합식태양열 -유기랭킨발전 -바이오가스, 풍력, 화석연료등기타태양열발전 -단독운전방식 -연료절감식 -보조발전식 -혼합식 -자동보호및통합제어기술 -사후진단기술
태양열이용기술분석 (1) 기술영역최첨단동향기술발전전망 건물및상업용태양열이용시스템기술 - 상용화보급 -- 경제성결여 정부의지원, 최소한시장확보기술개발유도 고효율저가집열기개발 : 흡수판 coating 기술, 집열기제작기술자동화, Mega 집열기, 구조집열기등효율향상 -- 경제성향상 축열비용저감을위한시스템대형화, 지중축열, 잠열축열연구 - 대규모중앙집중식태양열시스템연구 - 태양열구동냉동기개발 : 경제성결여와축열기술미개발로시범적용단계 - 고밀도축열기술개발단계 - 건물일체형태양열시스템개발시범보급 CONTINUE - 고효율저가집열기개발로제작단가저하 15 만원 / m2 8 만원 / m2 (2010 년 ) 고효율화 : 선택흡수막코팅기술, 단열기술, 신소재투과체개발 내구성향상 : 단순화형집열기개발 - 고밀도축열기술이요구 잠열축열재및 incapsulation 기술개발가속화 화학축열시스템을통한고온축열시스템요구됨 - 보조열원효율적연계형태양열시스템설계기술개발및보급활성화 : CO2 저감의무화시보급확산 - 태양열냉난방이가능한시스템개발및보급 - 대규모중앙집중식태양열시스템개발및보급 : solar village - 관련대체에너지시스템과연관된 Combi-system 개발및보급 -Low.Zero 에너지태양열건물에필요한기술의개발및보급 보급형제로에너지솔라하우스 (ZESH) 개발 -IEA SHC 프로그램 : 20 개국, 30 년간총 16 개 Task 수행 솔라빌딩을위한요소기술및통합화기술완성단계 -70% 자립솔라하우스기술 IEA Task13 으로 1994 년완결 : 독일, 스위스, 일본, 덴마크등많은국가에서 100% 자립주택기술구현데모중 - 미국백만태양에너지지붕주택진행중 - 미국제로에너지건물 (ZNEB) 사업착수 2020 년총 5600 만불투입, 상업화수준의 10 만호 ZNE 주택, 2 만호 ZNE 학교및사무소건물건립사업계획중 -2020 년까지 42trillion Btu/year 에너지소비절감 -0.7million metric ton 탄소방출량절감
기술영역최첨단동향기술발전전망 고온용산업용태양열시스템개발 - 유리관선택흡수막진공처리기술상용화 - 집광부설계제작 - 고반사율반사경제작 ( 반사율 95%) - 센서식, 프로그램식상용화 - 중온용잠열재개발 (HDPE 150 ) - 화학축열재개발 (350 ) - 산업공정열응용상용화 ( 증기, 건조, 열수 ) - 해수담수화상용화 - 태양화학열펌프개발 (350~700 ) -Hybrid 시스템개발중 - 통합제어시스템상용화 - 시스템운전기술확보 - 이용시스템적용평가프로그램개발 - 유리관진공및마감기술개발 - 이종물질접합기술개발 - 복합재료에따른형상개발 -Photogrammetry 개발 -Flux Mapping 개발 - 고반사율코팅내구성확보 - 센서식, 프로그램식상용화 - 중온용잠열재개발 (200 ) - 화학축열개발 (350~700 ) - 태양화학반응시스템 (700~900 ) - 화학연료생산 ( 수소등 ) - 산업공정별태양열시스템실용화 - 태양열담수화시스템실용화 - 산업용광혼합복합시스템개발 - 통합제어시스템상용화 태양열발전시스템개발 -Dish7.5kW, 25kW 급설치 - 증기랭킨, 유기랭킨 50kW 급 -Dish/Stirling 25kW 급 - 전력저장상용화 - 혼합발전상용화 - 최적운전기술데이터확보 -Dish Stirling 25kW급 -분산연계방식개발 -혼합발전실용화 -최적운전기술데이터확보
2. 추진성과 투자규모 태양열분야기술개발예산은 1988~2001년간총 48개과제 111억원 -1997~2000년 4년간년평균약 13억원임 단계별추진 대체에너지기술개발단계별추진 -1단계( 88~ 91년): 기반구축을위한대학및연구소중심의기초응용연구 -2단계( 92~ 96년): 실용화기반구축및기업의참여유도로태양열온수기보급증진 -3단계( 97~2001년): 실용화를위한산. 학. 연의연구가중점적으로추진 -4단계(2002~2006년): 건물태양열복합기술상용화, 대규모산업용태양열시스템실용화및태양열발전기반확보를위한산. 학. 연의연구추진 국내보급현황 ( 단위 : 대수 ) 구분 ~'93 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 계 가정용 19,657 7,796 16,106 41,149 77,226 12,012 4,833 5,924 1,206 826 186,735 골프장 66 3 6 6 11 11 103 양어장 16 3 5 5 5 10 4 48 지중난방 9 71 40 31 23 5 179 기타시설 2,462 6 1 9 28 49 18 19 17 48 2,657 합계 22,201 7,808 16,118 41,178 77,341 12,122 4,882 5,970 1,228 874 189,722
연구개발실적 ( 국내 ) 국내태양에너지기술개발 : 1988 년대체에너지기본계획이수립 1997 년수정된기본계획 : 산업용태양열시스템중점분야로개발 년도 ~ 1991 단계계 저온이용개발 1992~ 1996 저온이용실용화 1997~ 현재 연구기간 2000-2003 2000-2003 2000-2003 2000-2003 1999-2000 1997-1999 1997-1999 중고온이용개발 기술개발동향 자연형태양열시스템설계기술개발완료 평판형태양열집열기설계및제작기술완료 평판형태양열집열기선택흡수막처리기술개발완료 고효율전열소자개발시작 PTC 형중고온집광시스템설계및제작기술실용화개발중 산업용진공관형집열기설계시작 DISH 형태양열집광시스템설계및제작기술개발시작 과제명 2000-2003 Dish 형집광시스템적용산업용태양열시스템상용화개발 2000-2003 Dish 형태양열집광시스템의흡수기개발연구 Dish 형중고온산업용태양열활용시스템의자동제어시스템개발 2000-2003 태양열집광시스템용 Dish 형고반사율 reflector 제조공정기술개발 특수집광기를이용한자연채광장치개발중고온집광시스템및활용기반개발 Dish 형태양열집광시스템개발 수행기관당연구센터인하대서울산업대 성균관대당연구센터당연구센터당연구센터
3. 선진국기술동향 연구개발실적 ( 국외 ) 선진국들은 1980 년대중반부터산업용및태양열발전을상업화분산전원용 Dish 형시스템, Solar Chemistry 및초고온태양로개발중 년년도도 ~ 1990 1990 1991~ 1995 1995 1995~ 현재현재 기술개발동향동향 평판형평판형,, 자연형자연형시스템시스템실용화 PTC, PTC, Power Power Tower Tower 태양열태양열발전플랜트 산업공정열산업공정열시스템시스템건설운영 요소요소및시스템에시스템에대한대한실용화실용화수준 태양로태양로및 Dish Dish형집광시스템집광시스템개발개발 진공관형진공관형태양열집열기태양열집열기개발개발 우주용우주용태양열태양열집광시스템집광시스템설계설계,, 제작기술제작기술개발착수 Dish Dish형태양열집광시스템태양열집광시스템개발중 (10kW (10kW급 Dish Dish 완료완료 )) Solar Solar Chemistry( Chemistry( 화학열전달화학열전달,, 축열축열 )) 개발중개발중 초고온초고온태양로태양로개발중 Solar PACES Program: IEA 사업 - 태양열발전및태양화학에너지시스템분야 - 1977 년소규모태양열발전시스템 (SSPS: Small Solar Power System) 개발 - 참여국 : 오스트리아, 벨기에, 독일, 영국, 그리스, 이탈리아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 미국
Solar PACES 관련기관및 Project -4 단계사업으로확대 : 상업용대형발전소 ( 광범위한태양열응용분야 ) - 연구개발 : 산업및적용분야에서의시범실증실험단계로진행 Task I ( 발전및집광시스템개발 ): Dish Stirling System(KW 급 ) Task II ( 화학공정에서의 R&D): 태양에너지의장기저장과장거리수송 Task III ( 부품개발 ): 부품과 Subsystem 의개발, 시험및실증 국명 USA USA Germany Germany Switzerland Switzerland Russia Russia Spain Spain Australia Australia USA USA 수행수행연구연구기관 Luz Luz International International DLR DLR PSI PSI SPA SPA SAS SAS ANU ANU SNL SNL ( 자료 : IEA-SolarPaces Annual Report 1999) 사업명 SEG SEG Plants Plants (Power (Power Tower) Tower) Task Task III III :: Operating Operating agent agent Plataforma PlataformaSolar de de Almeria, Almeria, Spain Spain :: 재정재정,, 관리지원관리지원 Task Task II II :: Operating Operating agent agent 태양열태양열발전발전 (Dish/Stirling (Dish/Stirling시스템시스템 ), ), 태양화학분야태양화학분야태양로태양로 PAS=Ciemat(Spain) PAS=Ciemat(Spain) + DLR(Germany) DLR(Germany) 7MWt 7MWt Power Power Tower Tower CESA CESA 4MWt 4MWt Power Power Tower Tower CRS CRS 60KW 60KW 태양로태양로 44 44 m2 Dish Dish ( 집광비 ( 집광비4000sun) Big Big Dish Dish (4000 (4000m2 )) White White Cliffs Cliffs Project Project Task Task I I :: Operating Operating agent agent (Power (Power Tower) Tower)
기술개발및성과 ( 자료 : DOE/IEA Report(1999), TERES II(1998), ANUTECH(1997)) - 국외기술개발은 IEA 연구사업중심 - 각국의특성에맞게핵심요소기술의개발 - 상업화를위한관련업체와의실증시범연구 국국명명 미국미국 유럽유럽 기술개발동향동향 DOE DOE 중심중심 : : 90 90 년대년대중고온중고온분야중분야중태양열태양열집광형집광형발전분야발전분야연구투자연구투자 Sandia Sandia National National Lab. Lab. 과 Cumming Cumming 사공동공동 : : 99 99 년 25kW 25kW Dish Dish 형완성형완성 2000 2000 년상용화상용화계획계획 JOULE JOULE Program Program 내 THERMIE THERMIE Program Program IEA IEA SolarPaces SolarPaces 참여참여 : : 오스트리아오스트리아,, 독일독일벨기에벨기에,, 영국영국,, 그리스그리스,, 이탈리아이탈리아,, 스페인스페인,, 스웨덴스웨덴,, 스위스스위스 개발개발성과 Solar Solar Tower Tower Power Power 상업화상업화 Dish Dish Engine Engine 실용화실용화,, 상용화상용화 Hybrid Hybrid PTC PTC Plant Plant 실용화실용화 산업공정열산업공정열실용화실용화 유독성유독성폐기물폐기물실용화실용화 Dish Dish 형개발형개발 (7.5kW) (7.5kW) 태양화학공정태양화학공정 ( 폐수 ( 폐수,, 유독성유독성폐기물처리폐기물처리 부품개발부품개발 실증실험실증실험 (Dish (Dish 형,, Tower Tower 형 ) ) 보급보급 시장확대시장확대 ( 현보급량 ( 현보급량 : : 365MW) 365MW) 10MW 10MW 운전중운전중 Dish Dish 7.5KW 7.5KW 25kW 25kW 급설치급설치 7MW,4MW 7MW,4MW Power Power Tower Tower 운영운영 60kW 60kW 태양로태양로 Dish(44 Dish(44 m2 ) 개발 ) 개발완료완료 호주호주 시드니대학시드니대학,, 호주국립대학호주국립대학중심중심 중온형중온형 PTC PTC 와 Dish Dish 형을형을이용한이용한태양열태양열발전시스템발전시스템개발개발수행중수행중 PTC PTC 형개발형개발 Dish Dish 형시스템개발형시스템개발 (50kW) (50kW) Big Big Dish(4000 Dish(4000 m2 ) ) 실용화실용화
핵심기술내용 집열및축열집열및축열기술기술개발 국외 기술이기술이상용화상용화수준 대량생산으로대량생산으로시스템의시스템의저가화,, 신뢰성신뢰성확보 집단난방집단난방및급탕시스템급탕시스템보급보급태양열이용태양열이용 대규모대규모건물에건물에일체형일체형태양열시스템시스템통합통합및시스템개발및시범적용최적화최적화기술개발 태양열태양열냉난방시스템냉난방시스템설계기술흡착식흡착식,, 흡수식흡수식개발중 ( 미 (, 일,, 프, )) 미국미국 (2020 (2020년까지 )) 보급형보급형제로에너지 --100,000 100,000 ZNE ZNE주택솔라하우스개발솔라하우스개발 --20,000 20,000 ZNE ZNE비주거용 ( 학교등 ( 학교등 )) --신규공공건물신규공공건물ZNE ZNE화 산업용산업용태양열시스템시스템개발 태양열태양열발전시스템시스템개발 태양열핵심기술의국제경쟁력 --집광부집광부설계제작 (900 ) (900 ) --고반사율고반사율반사경제작반사경제작 (95%) (95%) --화학축열화학축열개발개발 (400 ) (400 ) --증기랭킨증기랭킨,, 유기랭킨유기랭킨50kW 50kW급 --Dish/Stirling Dish/Stirling25kW 25kW급 --화학축열화학축열개발중 국내국내개발개발현황 흡수판의 흡수판의흡수율흡수율,, 투과체의투과체의투과율투과율향상 최적운전을 최적운전을위한위한제어기술 축열조 축열조소형화소형화기술 시스템 시스템최적화최적화기술 기존 기존시스템과의시스템과의연계기술 집열 집열및축열성능축열성능향상기술 통합제어기술 통합제어기술 성능평가 성능평가및진단기술진단기술 핵심요소기술 핵심요소기술 -난방 -난방,, 온수온수,, 공조공조,, BIPV, BIPV, 복합조명복합조명,, thermochromic thermochromic창및자연냉방기술자연냉방기술 기술수준 70 70 실용화실용화보급중보급중 50 50 60 60 -고반사율 -고반사율반사체반사체제조기술 60 -집광구조설계 -집광구조설계및제조기술 60 제조기술 -집광형 -집광형태양열시스템태양열시스템이용이용 20 고온생산기술 20 고온생산기술
자연형 (Passive) 태양열냉난방및축열 - 자연형난방방식 : 직접획득형, 간접획득형, 분리획득형. - 자연형태양열난방시스템은건물의내부열획득보다는외부의기후조건이나건물의외부봉합특성에의해건물의공간조절부하가결정되므로건물이외피에지배되는경우에유리하게적용. - 자연형태양열난방을적용단계에서냉각부하의축소, 차양, 자연통풍, 방사냉각, 증발냉각, 제습, 지면냉각등의사항들이고려되어진다. 직접획득형난방개념도 간접획득형난방개념도 분리획득형난방개념도
자연채광 (Daylighting) 자연에너지활용시스템 태양에너지, 풍력, 수력, 지열, 해양, 바이오 (bio) 에너지 태양광발전 태양에너지활용시스템 태양열발전태양광채광태양열이용 태양광채광의종류 하이브리드 (hybrid) 형 자연형채광 ( 고정방식 ) 설비형채광 ( 추미 + 구동방식 ) 주광조명 (daylighting) - 창 - 반사루버 - 광선반 - 프리즘라이트 태양광채광 (sunlighting) - 반사거울방식 - 프리즘방식 - 프리즘. 거울방식 - 렌즈. 광섬유방식
자연채광의설치예
태양열조리기 (Soalr Oven, Solar Cooker) Box 형 Pannel 형 Parabolic 형 한국에너지기술연구원
태양열시스템열전달개략도
-설비형 -설비형태양열태양열집열시스템은가정용가정용온수난방,, 수영장난방,, 공조용공조용공기공기예열예열,, 공간난방을위한위한시스템.. -자연형시스템과 - 에너지보존의전략전략을충분히고려한이후에이후에건물의건물의설계와적용하는시스템을통합시켜고려고려.. -시스템의 - 주요주요요소로서는집열기집열기,, 집열기와축열조사이로유체를유체를유동유동시키는시키는순환시스템,, 저장탱크,, 제어제어시스템시스템,, 보조열원시스템이있다있다.. 설비형 (Active) 태양열시스템 집열판 태양열태양열온수급탕시스템개요도개요도 급탕열교환기 급탕축열조 시수 보조히터 온수
설비형 (Active) 태양열시스템종류 (1) 집열판 M-3 M-4 온수 P-1 급탕열교환기 M-1 P-2 난방열교환기 난방축열조 P-3 M-2 보조히터 P-4 난방부하 온수축열조 [ 태양열온수급탕 / 난방시스템개요도 ] 시수 보조히터 집열판 온수 P-1 열교환기 온수축열조 열교환기 시수 수영장 ( 수조 ) Filter [ 태양열수영장 ( 온수급탕시스템 ) 개요도 ]
설비형 (Active) 태양열시스템종류 (2) 집열판 M-4 온수 집열판 온수축열조 보조히터 수영장 ( 수조 ) P-1 P-2 시수 P-3 Filter P-2 [ 태양열수영장 ( 온수급탕 / 난방시스템 ) 개요도 ] 집광형집열기 냉각탑 난방부하 태양열축열조 보조히터 태양열구동냉동기 냉열축열조 냉방부하 [ 태양열냉난방시스템개요도 ]
설비형태양열온수급탕시스템 액체식액체식태양열시스템의설계기준 집열유량집열유량 (50:50 (50:50 프로필렌글리콜프로필렌글리콜 - - 물 ) ) 집열기집열기경사경사및방위각방위각 집열집열열교환기열교환기 축열용량축열용량 부하부하열교환기 온수급탕온수급탕예열조예열조용량 0.015l/sec 0.015l/secm2위도위도 +10, +10, 남향남향 FR /FR>0.9 FR /FR>0.9 50 100l/ 50 100l/ m2 1<εLCmin<15 1<εLCmin<15 온수급탕기의온수급탕기의 1.5 1.5 2.0 2.0배
설비형태양열시스템의구성구성및조합조합 i. i. 열교환열교환코일코일삽입방식 ii. ii. 예열조예열조삽입방식 태양 (Solar) i. i. 부동액부동액주입방식 (( 개방회로 )) ii. ii. 부동액부동액주입방식 (( 폐쇄회로 )) iii. iii. 자동배수방식 (( 개방회로 )) iv. iv. 자동배수방식 (( 폐쇄회로 )) v 자연배수방식 집열부 ( 자연형, 설비형집열시스템 ) 축열부 ( 저온, 중고온, 화학등 ) 이용부 ( 급탕, 냉. 난방, 산업, 발전 ) i. i. 직접가열방식직접가열방식 ii. ii. 분리이용방식분리이용방식 iii. iii. 예열이용방식예열이용방식
기술의특징 태양열온수급탕시스템 경제성을갖는갖는분야로서실용보급단계 집열장치가저가이고단순하며생산생산및설치에경제성이높음높음 이용률이높고높고설치설치및조작의단순함 온수급탕이저온의온수를가열하므로집열효과가높다높다.. 기술의분류및특징 작동유체의순환동력 자연형태양열시스템 설비형태양열시스템 뱃치뱃치 (batch) 형태양열태양열온수기자연자연대류형대류형태양열태양열온수기상변화형태양열태양열온수기 밀폐식밀폐식태양열태양열설비형설비형시스템개폐식개폐식태양열태양열설비형설비형시스템배수식배수식태양열태양열설비형설비형시스템
태양열온수급탕시스템 한국에너지기술연구원
태양열온수기 ( 자연대류형 ) 설비형태양열시스템 ( 수영장, 태안 )
설비형 (Active) 태양열시스템설치예 설비형태양열시스템 ( 냉동제상수, 전주 ) 네덜란드 Zero-Energy House (P.V. 3.4kWp, 12 m2설비형시스템 ) 스위스태양복합이용시스템 ( 집열면적 110 m2, 축열조 25 톤, P.V. 3.0kW)
Jaeju Solar Thermal Demonstration System for Protected Horticulture Heating
시설원예난방을위한태양열계간축열시스템 ( 기본설계 ) 지중난방지중난방 + + 베드난방베드난방 집열기 기계실 -2 집열부집열부 비닐하우스 -1 비닐하우스 -2 열이용부이용부 기계실 -1 축열부축열부 유리온실 공간난방공간난방 + + 베드난방베드난방 축열조
KIER ZESH I
KIER ZeSH I Active Solar System T2 T3 T9 DHW T6 T11 T14 H6 H7 Load T1 Solar Collector T7 T4 T8 Service Water T5 T13 Thermal Storage For Solar System H5 Heat Pump H1 H2 H3 H4 H8 Thermal Storage for Heating & Cooling H9 T12 Heat Exchanger T10 Ground Coupled Heat Exchanger
Zero Energy Solar House Demonstration Town( 05) 15 kw BIPV, 100kW wind Power and 5kW H 2 /FC with Solar Low Energy Building in KIER 05
대규모태양열지역난방시스템 네덜란드활렌 400 세대 ( 온수, 난방적용 ) 독일, Amorbach 태양열지역난방시스템 ( 온수난방적용 )
태양에너지집광, 온도및효율 1.0 0.8 concentration ratio = 10,000 efficiency 0.6 0.4 0.2 0.0 1 100 1000 efficiency collector Carnot system 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 temperature, K
태양에너지 사막지역 1% 발전 : 세계전력수요충족 남한부존량 : 약 100 억 TOE / 년 2000 년에너지수요 : 약 1.9 억 TOE 년간가용량 : 약 10 %, 10 억 TOE 태양열이용구분 Paradigm Shifting
태양열발전 USA : 85년이후9개PTC Plant 에서8십억kWh 를S. CA Grid 로공급 EU Plan: 2010년까지최소 1 GWe Solar Power 생산 핵심기술 : 집광기, 발전엔진, 열저장, 복합시스템구성, 반사경, 제어, 계통연결
태양열발전시스템개요 태양열시스템구성요소 축열조 태양열태양열축열기술축열기술 Array 시공 태양열집열기 진공관형집열기 태양열태양열집열집열기술기술 태양열시스템 Dish 형집열기 태양열온수기 태양열태양열이용이용기술기술 태양열주택 Solar Tower 태양열고집광기술 태양열집열기술중최첨단핵심기술 태양열상업발전, 중고온이용연구 환경친화적대체에너지산업활성화기술경쟁력향상 핵심단위기술 -Concentrator - Reflector - Absorber/Engine - Solar tracking system 주요기술 Concentrator 설계및평가기술 고반사반사경제작및코팅기술 Receiver, Engine 설계및제작기술 태양추적및통합제어기술 일사량성분분석및장기성능평가기술
집광기술 (Concentrating Technologies) Parabolic Troughs Heliostat : 2 축태양추적 열전달매체 : molten salt, 액체금속 집광비 : 수천 sun 가능 1 축태양추적 집광비 : 10~30sun Dish System Power Tower 2 축태양추적 집광비 : 300~1500sun 열이용, 화학공정전력생산
Dish/Stirling 태양열발전기술 태양열집광기 : Point-focus parabolic dish concentrator 태양추적시스템 : 태양과광학적축을유지하면서 2축회전동공흡수기 : 집광된태양에너지흡수 작동매체가열 전력선 ( 계통연계형 ) 태양 Dish 집광기 발전기 수요자 축전지 Stirling Engine: 작동매체의가열과냉각에의한압축과팽창으로기계적인동력생산
전국연평균청명일법선면직달일사량자원분포도 (kcal/ m2.day) 국내연평균청명일직달일사량 연평균청명일직달일사량 : 4,600kcal/ m2 태양에너지자원부존량 : 100억 TOE에해당년간가용량 : 부존량의 10%(10억TOE) 일사조건이가장좋은달 : 5 월 4,972kcal/ m2일사조건이가장낮은달 : 12 월 3,908kcal/ m2 연평균 1 일수평면전일사량 : 3,065kcal/ m2 일사조건이가장좋은달 : 5 월 4,286kcal/ m2일사조건이가장낮은달 : 12 월 1,689kcal/ m2
1. 1. 태양열집열기 태양열집열기종류 평판형평판형태양열집열기개략도개략도 핀 U 자형튜브 이중이중진공관식태양열집열기 U 자형진공관구조
평판형태양열집열기 한국에너지기술연구원
집열판제작공정 납땜 /Seam 용접 Seam 용접부 Al, Cu 열전달매체 - 테이프 Spot, Seam 용접및브레이징 Spot 용접부 Seam 용접부 Steel Sheet
태양열집열기성능실험장치
태양열집열기효율식산출 ㅇ태양열집열기열성능시험 - 유리가없는액체집열기 : ASHARE Standard 96-1980 - 유리가있는액체집열기와공기식집열기그리고추적식집열기등 : ASHARE Standard 93-1986 ㅇ집열기효율식. η g Aa = ( ) F [( τα ) A g R e U L T f, i G T T a ) ] ㅇ시험조건 : - 최소한일사량 790 W /m^2 이상, 대기온도 30 이하 (± 3.5%) - 태양입사각도는집열기경사각수직상태 - 집열기입구의열매체온도는 4가지이상. 온도범위는 (Ti-Ta) 값이 (-5, 5, 20, 50, 80 ) -유량: ASHARE 기준 0.02kg/s.m2
태양열집열기성능측정결과 1. 용접조립형 ( 판두께 0.5t) 0.8 Efficiency Plot( 용접형 0.5t) 0.7 0.6 Efficiency 0.5 y = -5.7284x + 0.7965 0.4 0.3 0.2 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 (Ti-Ta)/It Efficiency 선형 (Efficiency) 2. 용접조립형 ( 판두께 0.6t) Efficiency Plot( 용접형 0.6t) 0.8 0.7 0.6 Efficiency 0.5 y = -6.4139x + 0.8024 0.4 0.3 0.2 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 (Ti-Ta)/It Efficiency 선형 (Efficiency)
진공관형태양집열기핵심기술
진공관형태양열집열기 한국에너지기술연구원
진공관형태양열집열기설치예 한국에너지기술연구원
Solar Thermal Power Generation Parabolic Trough Power Tower Parabolic Dish CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector) MTSA (Multi-Tower Solar array)
PTC 형태양열집광시스템 Receiver Reflector 구동시스템 KIER PTC 형태양열집광시스템 한국에너지기술연구원
PTC 이용태양열발전시스템 ( 미국 ) 한국에너지기술연구원
Dish Solar Power System [KIER] 3kW Dish Pyrheliometer & Shadow Band 10kW Dish ORC System
Dish-Stirling 태양열발전시스템 ( 한국, 진해 ) 한국에너지기술연구원
Dish-Stirling Solar Power System 외국예 50kW Big-Dish, ANU, Australia 7.5kW Dish, NREL, USA
태양연료생산 프랑스 CNRS 스페인 PSA 스위스 PSI 미국 SNL 이스라엘 WIS 4,300 K 1,000 K 스페인 PSA Solar Fuel/ Solar Hydrogen
Solar Furnace [1] Solar Furnace(16kW), Sandia Lab., USA Solar Furnace(16kW), Plataforma, Spain
Solar Furnace [2] Solar Furnace(45kW), PSI, Swiss Solar Furnace(1,000kW), Odeillo, France
고온태양열이용기술국외동향 개발현황보급동향주요시책 (R&D) 미국 태양열발전및산업이용기술 -Solar Tower Power -Dish Engine 실용화, 상용화 -Hybrid PTC Plant 실용화 - 산업공정열실용화 - 유독성폐기물실용화 시장확대 ( 현보급량 : 365MW) -10MW 급운전중 -Dish 7.7kW, 25kW 급설치 SRCC 검증및등급 국제표준규격화 시스템복합화 태양열발전설계보조자금지원 E C 태양열발전 -Dish 형개발 (7.5kW) - 태양화학공정 ( 폐수, 유독성폐기물처리 - 부품개발 - 실증실험 (Dish 형, Tower 형 ) 7MW, 4MW Power Tower 운영 60kW 태양로 Dish(44 m2 ) 개발완료 IEA Task Solar PACES Program (14 개국참가 ) 호주 산업시스템개발 - 태양열집열기및온수기개발 -PTC 형개발 태양열발전 -Dish 형시스템개발 (50kW) Big Dish(4000 m2 ) 실용화 IEA Task Solar PACES Program (14 개국참가 )
복합발전가능시나리오
국외연구개발 ( 복합발전 ) SOLARSYS Project 독일 DLR - 이스라엘 WIS 1998-2002 집광 / 발전방식 : Tower/ 가스터빈 집광 / 발전방식 : Tower/ 가스터빈메탄을태양열로개질후합성가스를메탄을태양열로개질합성가스를별도의연료와함께가스터빈에사용별도의연료와함께가스터빈에사용 400 kw급 Solar Receiver Reactor 개발 400 kw Solar Receiver Reactor 개발 80 % 이상메탄전환율획득 80 % 이상메탄전환율획득 EFOS 1 Project 독일 DLR - 스페인 PSA 996-1999 집광 / 발전방식 : Tower/ 가스터빈 집광 / 발전방식 : Tower/ 가스터빈압축공기를태양열로가열하여터빈에유입압축공기를태양열로가열하여터빈에유입가스연소와복합열원사용가스연소와복합열원사용 350 kw급 Solar Receiver 개발 350 kw Solar Receiver 개발 3개의 Receiver를연계한 1MW 급 Solar Receiver 목표 3개의 Receiver 연계한 1MW Solar Receiver 목표 EFOS 2 Project 002 - 현재 yhpire Project 일DLR 998-1999 집광 / 발전방식 : Dish/ 스터링 집광 / 발전방식 : Dish/ 스터링 Hybrid Heat Pipe Receiver 이용 Hybrid Heat Pipe Receiver 이용 태양열 / 가스연소혼합열원사용, 10 kwe급발전 태양열 / 가스연소혼합열원사용, 10 kwe 발전 solar only 18 % 효율, gas only 17 % 효율 solar only 18 % 효율, gas only 17 % 효율 복합발전 16 % 효율달성 복합발전 16 % 효율달성
복합발전적용 ( 개발 ) 기술 Two Stage Solar Concentrator, Swiss
태양열온수급탕시스템의구성요소 2. 축열탱크 4. 운전자동제어기 가정용온수급탕시스템내부공기가열시스템 집열기1m2당 50 80l 설비형온수급탕시스템 3. 열교환기 열손실율 26.22kcal/hr. m2열전도율 0.036kcal/hr. m2 i. On-Off 제어 ii. 비례제어 i. 쉘인튜브형 (shell-in-tube) ii. 코일인쉘형 (coil-in-shell) iii. 튜브인튜브형 (tube-in-tube) iv. 스파이럴코일형 (spiral coils) v. 코일인탱크형 (coil-in tank)
핵심분야별기술개발 최종목표생산단가를화석에너지이하로생산 4. 향후기술개발및전망 저온태양열시스템효율상승 내구성향상, 저가화연구 시장확보및자동화공정설비 저온태양열시스템 : 신뢰성및경제성확보가필수 정부의지원이필요, 경제성좋은온수급탕분야에 R&D 및설비투자 저가의고효율화집열기의개발을위해시설투자및자동화생산필요 연중사용가능하도록냉방분야에대한연구, 기술개발이필요 보급형제로에너지솔라하우스 : 경제성, 실용화시기, 보급성고려 신뢰성및경제성있는기술을건물에적용, 실증사업수행 시스템통합연계기술및방법개발 시스템보완, 효율향상기술에투자 : 투명단열재, 일사조절유리,PV 건자재, 집열창 중. 고온분야 : 태양광을집광, 열손실최소화 고반사율의반사경, 태양추적장치기술필요 산업공정열, 전력발생, 화학공정에적용 태양열발전기술 : 신재료및첨단요소기술필요 열엔진 ( 증기랭킨, 유기랭킨, 가스브래이튼, 스터링 ) 개발이핵심
태양열건물복합이용중고온산업용태양열시스태양열에너지기술총괄 Roadmap 2003 2007 2012 진공관형집열기상용화 수축열시스템상용화 태양열급탕난방최적화 평판형 120 천원 /m^2 / 진공관형 300 천원 /m^2 온수난방단가 70 원 /Kwh 열부하 70% 자립데모 ZeSH 개발 CPC 형집열기상용화 장열축열시스템상용화 태양열냉방기히트펌프상용화 태양열집열기및온수급탕시스템성능측정평가 평판형 90 천원 /m^2 / 진공관형 150 천원 /m^2 잠열축열 150 deg./ 화학축열 450 deg 태양열냉동기 COP 0.7 / 온수난방단가 50 원 /Kwh 전체부하 100% 자립데모 ZeSH 진공관형 200 천원 /m^2/ 잠열축열 130 deg. 태양열냉동기 COP 0.6 전체부하 70% 자립데모 ZeSH 개발 집열기저가화내구성향상 * 화학축열시스템상용화 * 태양열급탕공조시스템상용화 태양열단수화시스템 고집광고반사기술개발 반사경 75$/m^2 집열관 400$/m^2 중형산업공정열태양열시스템 * * 소형스터링엔진태양열발전 태양열집광기및산업용시스템성능측정평가 템제품, 요소핵심기술성능목표정부인프라구축 반사경 50$/m^2, 집열관 200$/m^2 소형 Sys. 700$/Kwh, 대형 Sys. 650$/Kwh Dish: 초기투자비 2.9 천 $/kw, 연간효율 0.27 PTC: 초기투자비 4 천 $/kw 반사경반사율 0.93 * 대형산업공정열태양열시스템 * 중형스터링엔진태양열발전복합발전 * 공동개발 * * 기술도입검토