태양열 발전
1. 개요
太陽熱發電
태양의 열에너지를 이용한 발전방식. '''전기 혹은 화학(감응 잉크식) 작용에 따라서 전기를 생성하는 태양광 발전과는 별도의 방식이다'''.[1]
태양열은 공학적인 방식으로 에너지를 얻기에도 매우 편리한 에너지원이기 때문에 오래 전부터 인간은 태양열 에너지를 사용해 왔다. 비단 다른 형태의 에너지로 변환하지 않더라도 생명체의 생명활동에 필수적인 열 에너지를 직접적으로 얻을 수 있기 때문에 매우 중요한 에너지원이다.
발전기는 태양열을 거울로 반사, 한 곳에 집중시켜 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 증기터빈을 작동시켜서 전기를 얻는 방식. 이 방법은 화력은 화석연료ㆍ원자력은 방사성물질ㆍ태양열은 햇빛을 열원으로 삼는다는것이 다를뿐, 근본적으로 열원으로 물을 데워 그 증기로 터빈을 돌려 발전한다는 점에서 공통점이 있다.
위와는 좀 달리 태양열 밀도가 높은 곳에 꼭대기와 바닥이 뚫려 있는 높은 탑을 설치하면 탑의 윗부분은 고도가 높아서 기압이 낮고, 아랫쪽은 태양열을 이용해서 가열된 공기가 모이도록 하면 높은 압력으로 주위 공기가 탑을 통해 윗쪽으로 빨려 올라간다. 이 때 발생되는 공기의 운동에너지로 터빈을 작동시켜 전기에너지를 얻는 방식도 있다.
개인용으로는 취미삼아 태양열을 응집하여 스털링 기관을 응용한 발전기를 돌리기도 하는데, 효율은 위에 언급된 다른 방법보단 낮은 편이다.
온도가 높아 태양전지의 효율이 떨어지는 사막에서는 주로 이 발전 방식을 사용한다.
2. 태양열 발전 방식
- 태양열 발전탑
- 포물선형 거울 태양열 발전
포물선형 거울로 녹은 소금 등의 냉각재가 흐르는 관을 가열하고 관을 통과하여 뜨거워진 냉각재로 물을 끓여 터빈을 돌리는 방식이다.
- 축열식 태양열 발전
태양열을 모아 소금을 녹여 탱크에 저장한 뒤 액체 소금의 열을 이용해 터빈을 돌려 발전하는 방식. 저장된 열 에너지가 충분할 경우 밤이나 흐린 날에도 안정적인 발전이 가능하다.
- 태양열 열전 발전
열전 발전기를 이용하면 터빈 없이 태양열로부터 바로 전력을 얻을 수 있다. 효율은 5% 정도로 낮지만 일반 태양전지와 접목하거나 열전 발전 소자 자체의 효율을 개선하여[3] 발전 효율을 늘리는 연구가 진행 중이다. 반도체 재료를 사용하는 태양전지와 달리 금속 재료로도 만들 수 있기 때문에 연구개발상의 난제들이 해결되면 발전 용량당 비용이 태양전지보다 쌀 것으로 예상된다.
3. 발전 이외의 태양열 에너지 이용 방식
3.1. 태양열 패널
태양열 에너지로 직접적으로 물이나 공기를 가열시켜 가정의 난방열이나 온수로 사용하는 방식. 물은 매우 축열성이 높은 소재이기 때문에, 주야간의 일교차가 큰 지역에서는 매우 적합하다.
공기를 사용하는 방식의 경우에는 패널 하단에 흡기구, 상단에 배기구를 설치하는데, 이를 개폐식으로 만들어 실내에서 공기를 순환(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 실내로 배기)시키거나, 하계에는 실내의 더운 공기를 내보내는 환기용(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 외부로 배기)으로도 사용할 수 있다. 단순히 수작업으로 만든 패널이라도 동계 주간에는 공기가 30~40도까지 가열되기 때문에 상당한 난방 효과를 얻을 수 있으나, 정작 추워지는 밤에는 도움이 안된다는 것이 약점. 주간에나마 비용을 절감할 수는 있고, 학교 등 주간에만 사용하는 시설이라면 단점이 많이 보충된다.
태양광 패널과 접목하여 효율을 향상시킨 태양열 패널 또한 존재한다. 태양광 패널에서 발생되는 열을 태양열 패널이 흡수하여 온수를 가열하는 방식이다. 태양광 패널은 온도가 높아질수록 효율이 낮아지므로 태양광 발전에서의 폐열을 재활용하면 일석이조이다.
3.2. 태양열 조리기
태양열을 음식을 조리하는 데 사용하는 기구. 상자 안쪽을 검게 칠하고 윗면을 비닐이나 유리로 밀폐한 밀폐형과 거대한 오목거울이나 경사진 거울판 한두 개를 이용하는 파라볼라형(Parabolic cooker)이 있다.
가장 간단한 구조인, 경첩으로 조절되는 평범한 거울 한두 개를 경사지게 기울여 빛을 반사, 집중시켜 달구는 형태는 만들기가 매우 쉬운지라 오래 전부터 간단한 DIY로도 제작되는 모델이고. 파라볼라형은 경사 거울 모델의 거울 면을 네잎 클로버처럼 네개 배치하거나 곡면 원형으로 만들어진 금속제 접이식 패널 등으로 빛을 집적하는 구조로, 태양 위치에 맞춰 각도 조절이 가능한 받침, 초점 부분에 냄비를 얹을 수 있는 버팀대로 보통 구성되고, 밀폐형과 달리 상자 크기에 냄비가 제한되지 않으며 초점에 사용하는 냄비를 검게 칠하면 열흡수율이 높아진다. 햇빛을 제대로 모으면 깜짝 놀랄 만큼 고열이 생기므로 밀폐형보다 훨씬 효율적이지만, 부피가 크고 태양의 움직임에 맞추어 패널의 각도를 조절해야 한다는 단점이 있다. 그래도 아프리카 등에서는 연료를 구하기도 어렵기에 적정기술의 일환으로 널리 사용된다.
솔라 박스 쿠커(Solar Box cooker)라고도 하는 밀폐형은 부피가 작고 휴대가 편하지만, 2시간쯤 걸려야 100도 정도가 한계라서 굽는 요리를 할 수 없어서 제한적으로만 사용한다. 일부에서는 보온용 상자로도 쓰는 듯.
유사한 물건으로 Solar Kettle이라고 하는 원통형 수통이 있다. 투명한 본체에 오목거울을 달고 중앙 촛점부에 검은 축열기를 배치하여, 2시간쯤 펼쳐두면 물이 끓기 직전까지 뜨거워진다. 자외선 소독은 덤.
요리와는 관계없지만 손바닥만 한 오목거울을 이용한 태양열 라이터도 있다. 초점부에 담배를 꽂는 스프링이 설치된 흡연자용인 듯. 물론 불쏘시개에 점화해 서바이벌 용도로 사용하는 것도 가능.
3.2.1. 셰플러 집열기
파라볼라형은 적정기술로도 널리 활용되며, 접이식으로 만들어 휴대성을 높이기도 한다. 아무튼 아프리카나 중동에서 연료 걱정 없이 요리할 수 있다면 큰 도움이 될 수밖에 없다. 셰플러 집열기는 독일인 볼프강 셰플러(Wolfgang Scheffler, 1956-)가 파라볼라형을 개량하여 발명한 것으로, 태양 아래에서 조리해야 한다는 단점을 없앴다. 벽에 구멍을 뚫고 아궁이를 노출한 뒤 아궁이에 패러볼러로 태양광을 집열하는 방식을 취하는데, 집열점 온도가 300도 이상, 검게 칠한 솥을 사용하면 솥 내부는 450도까지 올라가므로 고열을 이용하여 각종 요리를 할 수 있다. 심지어는 낮에 금속 블럭을 가열해 축열하여 2~3일 정도 햇빛이 잘 안 나도 조리에 쓸 수 있다는 듯. 하나의 셰플러 집열기로 50~60명분 음식 조리가 가능하다.
인도에서는 학교 기숙사나 산업체 등 공동체 150여 곳 이상에서 셰플러 집열기를 이용하며, 빈민들이 아이를 학교에 보내게 하려는 정책 중 학교에서 아이들에게 식사를 제공하는 프로그램이 있는데, 이것과도 연계되었다. 규모가 이쯤되면 셰플러 조리기를 여러 개 설치할 공간이 나기 쉽지 않으므로 물을 끓여 그것으로 천 명 단위로 대량조리하는 시스템으로 바꾸었다. 인도 티루파티 사원에는 하루에 음식 1만 5천 명분을 조리할 수 있는 대형 시스템이 설치되었다.
외부 온도로 작동하는 것이 아니기 때문에 히말라야에서도 쓸 수 있고, 증류시스템으로도 제안되었다.
아울러 인도에서는 힌두교의 영향으로 장례 방식이 화장인데, 시신은 잘 안 타기 때문에 목재를 300 kg, 부유한 이들은 500 kg 이상 소비한다. 심지어는 연료를 구하지 못해 전기로 화장을 하는 경우까지 있다고. 이에 따라서 태양열 화장터도 설치되었다.
4. 대중매체
폴아웃: 뉴 베가스에 등장하는 헬리오스 원이 태양열 발전탑 방식의 발전소다. 작중 이곳의 지배권을 놓은 큰 전투가 벌어진 적도 있고, 이곳과 관련된 무기까지 등장하는 등 나름 중요하게 다뤄진다.
[1] 이 두가지를 구분못하고 혼돈하는 사람들이 굉장히 많다![2] 대구에 설치됐는데 4만 kw가 유지비로 사용되는데 발전량은 4천 kw... 그래서 연구목적 가동만 한다고 한다. 혈세낭비도 연간 1억 이상으로 심각하다고 한다. 결국 2019년에 철거되었다.[3] 약 15%까지 올릴 수 있을 것으로 예상된다.