태양열 에너지의 원리, 시스템 구성 요소, 활용 방안 및 기술 분류

목차

태양열 에너지란?
태양열 시스템의 작동 구조
태양열 시스템 구성
태양열 에너지의 활용
태양열 에너지의 장점 및 단점
태양열 이용 기술의 분류

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태양열 에너지란?

태양열 에너지는 태양으로부터 오는 열 에너지를 이용하는 에너지입니다. 태양열 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전과 달리, 태양열 에너지는 열을 직접 이용하거나 간접적으로 이용하는 방식입니다.

 

태양열 에너지(출처:한국에너지공단)

태양열 시스템의 작동 구조

태양열 시스템의 작동구조

태양열 시스템 구성

1. 집열부

집열부는 태양 에너지를 열 에너지로 변환하는 부분입니다. 가장 대표적인 집열기는 평판형 태양열 집열기입니다. 평판형 태양열 집열기는 다음과 같은 구조로 되어 있습니다.

• 투명 덮개: 태양 에너지를 투과시키면서 열 손실을 줄이는 역할을 합니다.
• 흡열판: 태양 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환합니다. 일반적으로 구리나 알루미늄과 같은 금속판에 검은색 도료를 칠합니다.
• 열매체 도관: 흡열판에서 발생된 열 에너지를 운반하는 역할을 합니다. 일반적으로 구리나 알루미늄 파이프를 사용합니다.
• 단열재: 열 손실을 최소화하기 위해 흡열판 주변에 단열재를 삽입합니다. 집열기 틀: 집열기를 지지하고 보호하는 역할을 합니다.

2. 축열부

축열부는 집열 된 열 에너지를 저장하는 부분입니다. 일반적으로 수조형 축열조를 사용합니다. 수조형 축열조는 다음과 같은 구조로 되어 있습니다.

• 내부 용기: 열 에너지를 저장하는 용기입니다. 일반적으로 스테인리스 스틸이나 유리 섬유 강화 플라스틱(FRP)으로 만들어집니다.
• 단열재: 열 손실을 최소화하기 위해 내부 용기 주변에 단열재를 삽입합니다.
• 보조 가열 장치: 태양 에너지로 충분히 열을 공급하지 못할 경우, 보조적으로 가열하는 장치입니다. 일반적으로 전기 히터나 가스보일러를 사용합니다.

3. 이용부

이용부는 저장된 열 에너지를 사용하는 부분입니다. 대표적인 이용 예시는 다음과 같습니다.

• 급탕: 가정용 온수 공급
• 난방: 주택이나 건물 난방
• 공업용 열원: 제품 건조나 열처리 등
• 발전: 증기 발생 및 터빈 구동을 통한 전기 생산

4. 제어부

제어부는 태양열 시스템을 자동으로 제어하는 부분입니다. 집열 온도, 축열 온도, 이용 온도 등을 감지하여 펌프, 밸브, 보조 가열 장치 등을 작동시킵니다.

 

태양열 시스템의 구성(출처: 한국에너지공단)

 

태양열 에너지의 활용

• 난방: 태양열 집열기를 이용하여 주택이나 건물을 난방합니다.
• 급탕: 태양열 집열기를 이용하여 가정용 온수를 공급합니다.
• 냉난방: 태양열 흡수 냉각 시스템을 이용하여 건물을 냉난방합니다.
• 발전: 태양열을 이용하여 증기를 발생시키고 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.
• 공업용 열원: 공업 분야에서 제품 건조나 열처리 등에 이용됩니다.
• 농업: 온실 난방, 탈수 등에 이용됩니다.

 

태양열 에너지의 장점 및 단점

구분	장점	단점
환경	온실가스 배출없는 지속 가능한 에너지원, 대기 오염 및 소음 없음	토지 사용 면적이 넓음
경제성	연료비 절감으로 장기적으로 경제성 우수	초기 투자 비용 높음
에너지 자원	거의 무한한 자원으로 고갈 염려 없음	일사량에 따라 에너지량 변동
유지 관리	부품이 적고 구조 단순하여 유지 관리 비용 낮음	정기적인 점검 및 청소 필요
기술	비교적 성숙된 기술	에너지 저장 기술은 초기 단계
사회적 책임	에너지 절약 및 친환경적 에너지 사용 가능	토지 이용 및 자연 경관 변화 우려

 

 

태양열 이용 기술의 분류

태양열 시스템은 크게 열매체 구동 방식과 집열 또는 활용 온도에 따라 분류됩니다.

구분	자연형	설비형
	저온용	중온용	고온용
활용 온도	60℃이하	100℃이하	300℃이하	300℃이상
집열부	자연형 시스템, 공기식 집열기	평판형 집열기	진공관 집열기 PTC형 집열기 CPC형 집열기	Dish형 집열기, Power Tower
축열부	Tromb Wall (자갈, 현열)	저온 축열 (현열, 잠열)	중온 축열 (잠열, 화학)	고온 축열 (화학)
이용분야	건물 공간 난방	냉난방, 급탕, 농수산	건물 및 농수산, 냉난방, 담수화, 열발전	산업공정열, 열발전, 우주용, 광화학 등

 

1. 열매체 구동 방식

• 자연형(passive) 시스템온실, 트롬월과 같이 건물 구조 자체를 활용하여 태양열을 집열하는 방식입니다. 펌프나 같은 별도의 구동 장치가 필요하지 않아 경제적이고 유지 관리가 용이합니다. 하지만, 집열 효율이 낮고 활용 가능한 온도 범위가 제한적이라는 단점이 있습니다.
• 설비형(active) 시스템: 집열기를 별도로 설치하고 펌프와 같은 구동 장치를 사용하여 열매체를 순환시키면서 태양열을 집열 하는 방식입니다. 자연형 시스템에 비해 집열 효율이 높고 활용 가능한 온도 범위가 넓습니다. 하지만, 설치 비용이 높고 유지 관리에 다소 번거로움이 있습니다.

2. 집열 또는 활용 온도

• 저온용: 30~60℃ 이하의 온도를 활용하는 시스템입니다. 대표적인 이용 분야는 급탕, 온수 난방, 수영장 가열 등이 있습니다.
• 중온용: 60~150℃ 이하의 온도를 활용하는 시스템입니다. 대표적인 이용 분야는 공업용 열원 공급, 냉난방 시스템, 발전 등이 있습니다.
• 고온용: 150℃ 이상의 온도를 활용하는 시스템입니다. 대표적인 이용 분야는 발전, 제염, 해수조증발 등이 있습니다

 

태양열 시스템 기술 구분(출처:한국에너지공단)

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태양열 에너지는 지속 가능한 에너지원으로서 많은 주목을 받고 있으며, 앞으로 더욱 발전할 것으로 기대되는 기술입니다. 지속 가능한 에너지원에 대해 더 알고 싶은 분은 아래 글을 참고하세요. 

 

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