태양광 발전
◎ 태양광 발전
태양광발전은 태양전지와 축전지, 전력변환장치로 구성되어 있다. 태양빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 쪼여지면 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(hole)과 전자(electron)가 발생한다. 이때 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 되는 것이다.
태양광발전의 장점은 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 것이다. 반면에 전력생산량이 일조량에 의존하고, 설치 장소가 한정적이며, 초기 투자비와 발전단가가 높은 단점이 있다.
◎ 태양열 발전
태양열발전이란 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다. 태양열 이용시스템은 집열부, 이용부, 축열부로 구성된다.
집열부는 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치이다. 가장 중요한 부분으로 가장 간단한 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관이다. 이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으킨다.
빛이 집열판 속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워진다. 이렇게 뜨거워진 내부에는 열을 흡수하였다가 전달하는 매체가 흐르는데 이 뜨거워진 매체는 물과 열교환하여 난방용 또는 온수용 물을 생산한다.
축열부에서는 열교환되어 이용할 곳에 활용될 매체(난방용 온수 등)를 저장한다. 이렇듯 태양열에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심한 에너지이므로 집열과 축열기술이 가장 기본이 되는 기술이다.
태양열발전의 장점
- 유지보수비가 적음
- 다양한 적용 및 이용성
- 무공해, 무제한 청정에너지원
- 기존의 화석에너지에 비해 지역적 편중이 적음
태양열발전의 단점
- 초기 설치비용이 많음
- 밀도가 낮고, 간헐적임
- 유가의 변동에 따른 영향이 큼
- 봄, 여름은 일사량 조건이 좋으나 겨울철에는 조건이 불리함
태양열 이용기술의 분류
적용분야 및 활용온도에 따라 구분하며, 일반적으로 자연형과 설비형으로 구분하고, 설비형은 저온용, 중온용, 고온용으로 구분한다.
◎ 풍력 발전
원리와 시스템 구성
풍력발전기는 바람이 지니고 있는 에너지를 우리가 유용하게 사용할 수 있는 전기에너지로 바꿔주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력발전기의 날개를 회전시키게 된다. 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이다. 구체적으로 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다.
날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
시스템의 분류
풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍차와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍차로 구분된다. 수평축 풍차는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용할 수 있지만 그 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.
입지 조건
풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다. 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다. 여기서 말하는 바람의 속도는 우리가 서 있는 땅위가 아니라 풍력 발전기의 날개가 있는 높이에서의 속도를 말한다. 그럼 초속 4m로 부는 바람이란 어느 정도의 바람인가?
다음은 바람과 우리 생활과의 관계를 나타낸 것이다.
- 2미터/초 : 바람을 느낀다.
- 4미터/초 : 나뭇가지가 흔들린다.
- 7미터/초 : 먼지가 인다.
- 12미터/초 : 몸이 떨린다.
- 25미터/초 : 나무가 뽑힌다.
- 30미터/초 : 유리창이 깨진다.
풍력발전의 효과
첫째, 바람의 운동에너지를 이용한 발전방식으로 화석연료 대체효과가 매우 크다.
둘째, 낙도 등의 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하다.
셋째, 풍향이 우수한 해안 및 산간지역에 설치함으로써 국내 토지이용을 합리화할 수 있다.
넷째, 제주지역과 같은 일부 특정지역의 경우 대규모 풍력발전단지 조성으로 관광자원으로 활용이 가능하다.
◎ 연료전지
일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있다. 산화·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다. 원리적으로는 1839년 영국의 W. R. 그로브(1811~96)가 발견하였으나, 그 특징이 바뀌어 다시 관심을 가지게 된 것은 1950년대 후반의 일로, 1959년 5 kW의 수소-산소 연료전지가 영국의 F. T. 베이컨에 의해 실증시험(實證試驗)됨으로써 각광을 받게 되었다. 그 후 1960~1970년대에 걸쳐 제미니 및 아폴로11호 우주선에 연료전지가 탑재되었다. 이 전지는 다같이 알칼리 수용액을 전해질로 하며, 순수한 수소와 산소를 사용한다.
그 후, 수소 외에 메테인과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 하이드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔다. 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다.
최근, 가장 실용화에 접근한 것은 제1세대의 것으로서, 미국 UT사(社)를 중심으로 일반 민수용(民需用)으로 개발된 인산전해질(燐酸電解質) 연료전지가 그 좋은 예이다. 이것은 화석연료를 개질(改質)한 수소를 주성분으로 하는 수소가스와 공기 속의 산소를 사용한 수소-공기 연료전지이다. 연료전지는 저공해성이며, 소음이 없고, 배열(排熱)을 이용할 수 있기 때문에 종합효율이 높다. 1988년에 한국에서는 동력자원연구소와 한국전력(주) 기술연구원에서 메탄올을 연료로 하여 열과 전기를 동시에 얻는 5 kW급 연료전지를 개발하였다. 이 연료전지는 천연가스 등의 연료와 공기 중의 산소를 반응시켜 전지를 얻는 기술로, 효율이 50~60 %로서 매우 높다.
◎ 지열발전
지열발전은 지하의 고온층에서 증기나 열수의 형태로 열을 받아들여 발전하는 방식을 말한다. 지열은 지표면의 얕은 곳에서부터 수 km 깊이의 고온의 물(온천)이나 암석(마그마) 등이 가지고 있는 에너지이다. 일반적으로 자연상태에서 지열의 온도는 지하 100m 깊어질 수록 평균 3°C~4°C 가 높아진다. 지대와 발전 방식에 따라 수백m 에서 수km 깊이의 우물을 파기도 한다.
우물로부터 고온의 증기를 얻으면, 이것을 증기터빈에 유도하고 고속으로 터빈을 회전시켜서 이와 직결된 발전기에 의해 전력을 생산한다. 우물로부터 분출하는 증기가 습기가 적으면 그대로 터빈에 보내는 형식으로 할 수 있으나, 열수로서 분출하는 경우는 그 열을 열교환기에 보내어 물을 증발시켜 터빈으로 보낸다. 또는 물의 온도가 낮은 경우 끓는점이 더 낮은 액체를 증발시켜 터빈으로 보내기도 한다.
지열발전의 특징
지열발전은 원리적으로 연료를 필요로 하지 않으므로 연료 연소에 따르는 환경오염이 없는 클린에너지이다. 그러나 지열정에서 분출하는 비응축성 가스 중에는 소량의 황화수소가 함유되어 있다. 현재로서는 농도가 낮아 환경기준 이하이므로 문제가 없지만 장차 대량으로 분출하게 된다면 탈황장치가 필요할 것이다. 또 열수 중에는 미량의 비소가 함유되어 있어서 발전 후 모두 지하로 다시 환원하고 있다. 하지만 경제적인 탈비소기술이 확립된다면 이 열수 또한 귀중한 저온열에너지 자원으로 이용할 수 있다.
지열발전의 비용은 대부분을 지열발전소의 건설비와 지열정의 굴착비가 차지하며, 지열자원의 질과 발전형식에 따라서도 달라진다. 하지만 화력이나 원자력에 비해 발전소의 규모는 작지만 경제성을 지니고 있는 점이 강점이며, 소규모 분산형의 로컬에너지 자원으로서의 특색도 갖추고 있다.
땅속으로부터 끌어올린 뜨거운 증기나 물은 엄밀한 의미에서 재생가능한 에너지는 아니다. 발전을 위해 빠져나가는 지열의 양이 저장소의 재충전 능력보다 크기 때문에 현재 열저장량은 점차 줄어들고 있다. 오랜 시간이 걸리겠지만, 땅 속에서 뜨거운 물이나 증기가 고갈되고 뜨거운 암석층이 식으면 더이상 열을 끌어올릴 수 없다. 하지만 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 거의 무한이라고 할 수 있다.
발전현황
현재 열을 이용해서 발전하고 있는 곳은 전세계에 널리 퍼져 있다. 1998년 기준으로 가장 큰 규모로 하는 나라는 2850MW(메가와트; 1MW=106W)의 발전용량을 지닌 미국과 1848MW의 발전용량이 설비된 필리핀이다. 필리핀은 지열발전으로 전체 전력의 22%를 공급한다. 그 밖에 인도네시아, 이탈리아, 일본, 멕시코, 뉴질랜드 등에도 상당한 용량이 설비되어 있고, 점차 늘어나는 추세이다. 지열발전은 1990년에서 1998년 사이에 약 40%가 증가했다. 가장 많이 증가한 나라는 957MW가 새로 설치된 필리핀인데, 필리핀은 1999년에서 2008년까지 580MW를 더 설치할 계획이다.
지열을 이용한 전력생산은 1975년부터 95년까지 연간 9%씩 증가했고, 직접적인 이용은 연간 6%씩 증가했다. 1998년 지열을 이용한 전력생산은 전세계적으로 45TWh(테라와트시; 1TWh=1012Wh)에 달했고, 열에너지 생산은 40TWh에 달했다. 앞으로 2020년까지 연간 9%씩 지열발전이 확대된다면 2010년에는 전력생산이 130TWh, 2020년에는 310TWh에 달할 것이다. 설비용량은 1998년 8239MW였는데, 해마다 9%씩 증가한다면 2010년에는 전세계적으로 설비용량이 25000MW, 2020년에는 58000MW로 늘어날 것이다.
하지만 우리나라의 경우, 아직까지 온천으로 이용하는 것 외에는 지열에너지를 본격적으로 이용하려는 시도가 그다지 없다. 지열자원 또한 저온 염수가 주류를 이루고 있는 것으로 알려지고 있어 앞으로도 이런 추세는 지속될 것으로 보인다. 그러나 백두산과 한라산 지역은 분화 기록이 존재하는 휴화산으로 상당한 지열에너지가 존재할 가능성이 있다. 1990년대 초 한국자원연구소에서 마산·창원 지역에 대한 지열자원 조사를 실시한 바 있다.
출 처 : http://menchi.egloos.com
