태양에너지 이용기술

• 태양에너지 자원의 특성

• 태양열의 이용

• 태양광발전

태양에너지 자원의 특성

• 지구상에 존재하는 깨끗하고 안전한 자원• 환경오염을 유발하지 않음• 태양 표면온도 : 5,500 C• 태양복사에너지 : 가시광선 38%, 자외선 9%, 적외선 53%• 지구에 입사되는 태양에너지

– 우주로 재반사 : 30%– 지표나 대기 중에 흡수 : 47%– 물증발 , 광합성 : 23%– 대기권에서 바람 등 기상변동 유발 : 0.5%– 태양상수 : 1.36 kW/m^2

( 지구 공기층 밖에서 단위시간 , 단위면적당 수직으로 들어오는 태양복사량 )

– 직사 ( 직달 ) 일사와 산란일사 : 총일사량

• 국내 일사량 조사자료– 전국 연평균 하루 일사량 : 3,042 kcal/m^2 (3.537 kWh/m^2)– 대기오염이 심한 서울 , 수원의 경우 전국에서 가장 낮은 일사량– 해안지방의 일사량 조건이 대체로 양호– 월평균은 5 월의 일사량이 가장 높게 나타남

청주 : 연평균 3,044 kcal/m^2 봄 : 3,778 kcal/m^2 여름 : 3,745 kcal/m^2 가을 : 2,652 kcal/m^2 겨율 : 2,000 kcal/m^2

• 대기의 청명도에 크게 영향을 받는다

태양열의 이용

• 미국이나 유럽에서 사용되는 전체에너지의 ¼ 정도가 저온 가열이나 냉방을 위해 이용되며 상당부분이 건물의 냉난방에 이용

• 유리온실– 유리는 파장이 0.3~3 um 범위에서 복사에 대한 높은 반사 효율– 유리를 통과한 후 온실안에서 파장이 증가하여 내부에서 산란 ,

회절로 인해 에너지가 온도상승에 기여• 열전달방법에 따른 구분

– 강제순환적 열전달 : 설비형 (active solar thermal system)– 비기계적 열전달 : 자연형 (passive solar thermal system)

• 공업용 태양열 온수시스템– 보다 높은 온수를 이용하기 위하여 집광기 ( 렌즈 ) 를 활용– 극히 제한된 경우에만 이용

태양열의 이용 ( 계속 )

• 태양열 온수 : 난방 보다는 급탕용으로 활용• 태양열 온수시스템의 작동원리

– 소용량 ( 가정용 ) : 축열탱크는 상부에 집열기는 하부에 설치 , 자연 대류현상에 의해서 온수가 탱크에 저장

– 대용량 : 집열된 열을 축열탱크로 강제순환 , 온수는 배관을 통해 사용됨 . 집열량이 부족한 경우 심야전기 등을 보조열원으로 이용

• 시스템의 구성– 집열부 ( 집열기 ) : 평판형 , 진공관형 , 혼합형– 축열부 ( 축열탱크 ) : 소용량 , 2 중자켓형 , 열매체 축열식 ,

판튜브형– 이용부 : 배관 , 보온 , 열교환기 , 각종 밸브 및 제어장치 , 지지

구조물• 개략적인 규모 산정

– 소용량 : 4-5 인 가정용 : 일일 온수사용량을 기준 (180-300 리터 )– 사계절이 있는 경우 동절기를 기준으로 설정하면 하절기의 과열로

인해 제품의 수명이 현저하게 단축될 수 있다

집열면적

• 집열면적– 축열용량 , 일사량 , 집열효율 등을 기준으로 산정한다 .– 축열용량 : 253 L * 50 C = 12,650 kcal/day

일사량 : 일평균 3,000kcal/m^2집열 효율을 70%

= 12,650 /3,000 /0.7 = 6 m^2

집열부의구조

태양열을 이용한 증류장치

소형 태양열온수기의 구성도

태양에너지를 이용한 건조장치

• 곡물 건조 등에 활용• 기본 원리

– 투명한 피복재료– 집열부분은 어두운 또는 흑색으로– 바닥은 단열처리– 공기의 유입과 유출 : 습공기를 배출되고 외기의 건공기가 유입

• 곡물건조장치 • 직접 적용법

• 직접방식의 장단점• 장점

– 시설비가 낮다– 유지관리비가 저렴– 연료가 이용되지 않는다– 일부의 경우 건조시간이 짧다

• 단점– 외기 조건에 노출– 과다 건조 또는 과열의 위험성– 건조 대상물질의 물질 변형이 가능

• 간접 적용방식

• 간접방식의 장단점• 장점

– 고열에 노출되지 않으며 이에 따르는 위험성이 낮다– 자외선 등에 노출되지 않는다 ( 변색 , 물질 변형 등이 없음 )

• 단점– 건조대상 물질이 엉킬 수 있다– 하부의 더운공기가 위로 상승하면서 상부에서는 건조가 불량할 수

있다 .

태양광 발전 (Solar photovoltaic conversion)

• 광전효과 : 전해질에 담근 전극 사이에서 재료들이 빛을 받을 때 혹은 셀레늄과 같은 고체에서도 작은 양의 전류가 흐르는 현상 (photovoltaic effect)

• 태양전지 : – 태양열전지 : 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한

증기를 발생시키는 방법– 태양광전지 : 반도체의 성질을 이용하여 전기에너지로 변환시키는

장치 ( 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 발광 다이오드의 역 )– 초기 전환효율 : 1~2%– 이후 4% 대에서 현재 10% 의 효율 수준에 이름

• 태양전지의 장점– 교체 부분이 없어 유지비가 저렴– 무공해 청정에너지생산– 내구성이 우수– 전기공급이 되지 않는 원격지에서 활용가능– 실리콘으로 제작

• 태양발전 비용– 연도 발전단가 – 1973년 : $7.5/kWh – 1983년 : $0.65/kWh – 1997년 : $0.18~0.25/kWh

– 일본 2005년까지의 목표• 발전단가 : 144-240 원 /kWh• 태양전지 : 140-250 원 /W

• 태양전지의 종류– 결정질 실리콘 : 단결정은 효율이 높으나 생산비용이 높으며 ,

다결정은 저효율인 반면 생산단가가 낮다 (최대 35%, 19% 예측 )– 비결정질 실리콘 : 10% 이상의 효율– 기타 (GaAs, CdTe 등 )

• 개략적인 설치발전량 : 100W/m^2

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• 태양전지 소요면적 계산 :– 발전량

일사량 (W/m^2) * 전지면적 (m^2) * 전지효율 (%)* 조사시간 (h)

– 일사량 : 약 1kW/m^2 ( 청명한 날 )– 전지효율 : 약 10% 내외– 조사시간 : 흐린날 등 고려 연 평균 하루에 3~4 시간 (3.84 시간 )

– 1 m^2 당 전력생산 : 1kW/m^2 * 1 m^2 * 0.1 * 3.84 hr/day= 0.38 kWh/m^2

– 하루 12 kwh 전기 소모하는 가정인 경우12 / 0.38 = 31.6 m^2

– 직류에서 교류 전환과정에서의 손실 : 30% 수준– 31.6 /0.7 = 45.1 => 50 m^2

• 태양전지의 수명– 25~30년– 발전부위가 실리콘이므로 반영구적이나– 실제로 조립하는데 유리 , 알루미늄 , 접착제 등의 수명이 30년

내외• 태양광 발전의 종류

– 계통연계형 : 한전 계통선과 연계시켜 낮에 발전되는 전력 가운데 일부는 소비하고 잉여전력은 계통선으로 보내며 , 야간이나 흐린 날에는 전기를 받아서 쓴다 . 1999년 현재 1 가정 규모 (3kW) 로 4000 만원 정도 예산

– 독립형 : 계통선으로부터 전기의 공급없이 자체적으로 생산 / 소비3kW 규모에서 축전지의 비용으로 약 5000 만원 정도 예산

소수력 발전

• 수력발전의 분류– 초소형 수력발전 : 100kW 이하– 소수력발전 : 100kW ~ 10 MW– 일반 ( 대형 ) 수력발전 : 10 MW– 국내에서는 3000kW 이하의 경우 소수력으로 분류

• 수력발전의 특징– 값싼 재생에너지원– 초소형 또는 소수력의 경우 발전단가 면에서 불리한 상황으로 전개– 수자원 및 수문예측과 관련된 기술발전으로 경쟁력이 점차 강화– 환경영향이 있으나 사전 관리로 극복이 가능– 소수력의 경우 분산형 발전시스템으로 적용성이 있음– 풍력 등에 비해서 비교적 안정적인 발전을 기대할 수 있음

• 국내 소수력 자원– 자원량 : 582,000kW– 개발가능량 : 147,000kW– 현재 개발량 : 31,920kW– 발전소 수 : 16 ( 소수력 )

• 여건– 소수력 발전의 입지가 자연낙차가 크지 않아 이에 맞는 계획요구– 저낙차용 수차의 개발이 시급– 국내 소수력발전소의 평균설비용량은 약 2000kW 이고 대부분 낙차가 큰 곳에 위치

• 양수발전– 하부저수지와 상부저수지를 만들어 주간에 전력의 수요가 많을 때

상부저수지의 물로 보통의 수력발전– 사용한 물은 하부 저수지에 저장해 두었다가 야간이나 휴일과 같이 전력이

남아돌 때 잉여전력을 이용하여 물을 상부저수지로 퍼올림– 상부에 물을 올릴때 수차는 펌프로 , 발전기는 모터로 역이용 가능

• 발전단가의 비교 (cents/kWh)– 분 류 1995 2020– 화석연료 대형 / 중앙집중식 4~6– 화석연료 소규모분산형 8~12– 대규모 수력 3~13 2.6~11.2– 소수력 4~14 3.6~10.1– 조력 6.7~17.2 6.1~11– 풍력 5~9.8 2.5~7.3– 태양열 20~24 8~10– 태양광발전 21~29 8~22– 지열 5~8 5~7

• ( 소 ) 수력발전에서의 가용 에너지– 유량 * 수두

• 낙차• 0.61 m 이하의 수두는 적용 불가• 낙차가 적은 경우 유량으로 보상될 수 있으나 고가 ( 대용량 ) 의

터어빈이 요구• 총수두 : 터어빈 방류구와 유입구사이의 수두• 순수두 : 총수두에서 관내 마찰손실 등을 제외한 수두• 일반적으로 저수두 , 저속의 터어빈의 효율이 고수두 , 고속의 터어빈에

비해 낮다• 따라서 저수두 , 저속의 터어빈 제품은 찾기 어려움• 발전효율은 대체로 40~70% 수준 , 평균적으로 55% 수준

– 동력계산• 총수두 (m) * 유량 (cms) * 효율 * 9,81 : kW• 예 ) 수두 : 15 m, 유량 : 0.02 cms, 효율 : 55% => 1.62 kW•

• 터어빈의 종류– 프란시스 수차 (Francis turbine)

물의 압력을 이용하는 형식대부분의 수력발전에 이용

– 펠톤 수차 (Pelton turbine)낙차가 큰 곳에서 물의 분출력을 이용하여 발전하는 방식

– 카플란 수차 (Kaplan turbine)반동형 수차 , 운동에너지와 압력에너지를 동시에 사용하는 수차프로펠러식과 유사한 낙차범위에서 사용유량과 낙차의 변화가 많은 수력발전소에서 안정적으로 운전가능우리나라 소수력발전소에 적용하기 유리

펠톤 터어빈

프란시스 터어빈

카플란 터어빈

• 수차의 비속도 (specific speed) : Ns– 단위낙차 1m 위치에서 단위출력 1kW 를 발생시키는 데 필요한 1

분간의 회전수– Ns = NP1/2/He5/4

N : 수차의 정격 회전속도 (rpm)He : 유효낙차P : 낙차 He 에서의 수차의 정격 출력 (kW)

– 수차의 형식과 적용낙차• 수차의 형식 적용낙차 (m) 비속도

펠톤 150~800 12~23 (< 4300/(He+195)+13)프란시스 40 ~ 500 65~350 (< 2100/(He+25) +35)카플란 5 ~ 80 350~800

(Ns 는 21000/(He+17) +35 이하 )

• 예제 )– 유효낙차가 300m 이고 , 유효출력이 2400kW, 정격회전속도가 6

40rpm 의 수차의 비속도와 적합한 수차를 결정하라

He = 300m, P = 2400kW, N = 640 rpm

Ns = 25.1

펠톤 : 4300/(300+195)+13 = 21.7 : 25.1 보다 작으므로 곤란

프란시스 : 2100/(300+25)+35 = 41.5 : 25.1 보다 크므로 적정

• 소수력발전 계획– 수문 , 가용 수자원의 평가 :

• 평균 낙차 , • 유량 ( 시간 vs. 유량 )• 유량자료가 없는 경우 강수량을 이용하여 추정

– 적정 수차의 선정 : 소수력의 경우 프로펠러 또는 카플란식이 적합• 비속도 계산• 적정 터어빈의 결정

– 생산된 전력의 소비 또는 판매 방법• 인접 지역에서의 소비• 또는 한전계통으로 판매

– 경제성 분석• 시설비용• 토목건설비용• 기타 부대시설• 전력판매량

소수력개발을 위한 검토사항

• 후보지 결정 – 법적 적합성 여부– 날짜와 월별실적 평균 방류량에 의한 이론출력 산출– 후보지의 경제성과 주위환경 등 입지여건 파악

• 유효낙차 결정– 과거 10년간 일편균수위 분석– 손실수두 산정– 설계수위 , 평균수위 및 정격수위 산정

• 사용수량 결정– 유입량 및 방류량 분석– 저수지 모의 운영– 수문자료와 하류 용수공급 검토

• 시설용량 결정– 발전사용수량 및 정격낙차 결정– 수차형식 및 댓수 결정– 수차발전기 효율을 적용 최적 시설용량 계산

• 연간경비 산정– 산정기준 설정– 총사업비 산정– 연간경비 산정

• 연간수익 산정– 연간 발전량 산정– 소수력 구입단가 적용– 연간 수익 산정

• B/C 분석– 발전원가 계산– B/C 계산

• http://www.solarelectric.com/products/level3_43.htm(마이크로 터어빈 )

                                                                                      

    

                                                                                      

    

Head range: 20 to 600 feet ·Flow Range: 4 to 250 GPM ·Maximum 12 Volt Power: 700 Watts ·Maximum 24 Volt Power: 1400 Watts ·Maximum 48 Volt Power: 2500 Watts (with additional fan)

Head range: 5 to 200 feet ·Flow range: 40 to 400 GPM ·Maximum Power: 1000 Watts ·Voltage is user-set from 12 to 48 VDC

1gpm(gallon per minute)=0.06309 L/s