태양열 발전 시스템

태양은 지구의 1백9배크기로  이곳으로부터 1억5천만km떨어진곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체덩어리로서 초당 3.8 x 10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다.  지구는 태양으로부터 지표면 1m²당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양자신이 방사하는 에너지량의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2 x 10¹⁴kW)은 전 인류의 소비에너지량(1.2 x 10¹⁰kW)의 약 1만배에 달하는 것이다.

아직까지 전세계적으로 태양 에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다. 그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10 MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양 에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.

태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(central receiver solar thermal electric power system)과 분산형 시스템(distributed solar thermal electric power system)과 독립형 시스템으로 구분된다. 중앙 집중형 시스템은 태양 추적 장치(heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식이다.

집광비는 1000 정도이며 증기 터어빈은 약 600 ℃로 운전된다. 분산형 시스템은 선초점형이나 접시형 등 집광 집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관내를 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를 이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다. 독립형 시스템(stand-alone system)은 앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25 kW_p 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원으로 이용되는 것을 말한다. 또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이도 구분하기도 한다.

<소규모 태양열 발전 시스템>

수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다.

<중규모 태양열 발전 시스템>

수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.

<대규모 태양열 발전 시스템>

수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(solar electric generating system, Luz사에서 건설)을 들 수 있다.

태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며 2000년대 초에는 10 ￠/㎾h 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000 $/kW_P 정도에서 2000년경에는 1,000 $/kW_P 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.

이 발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다. 태양열 발전 시스템의 요체라고 할수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 'Solar Thermal Electric Program'을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다. 이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40 $/㎡ 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.

우리나라에서는 이러한 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다.