태양열 시스템

왜 배우는가: 태양열 시스템은 신재생에너지 중 열원을 직접 이용하는 대표 기술이며, 집열부·축열부·이용부로 나뉜 구성과 축열 원리는 냉난방·급탕 설비 설계의 기본이다. 그래서 1교시 용어 문제와 장단점 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제110회 1교시 2번, 제99회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

태양열 시스템은 태양의 복사에너지를 집열기로 흡수해 열에너지로 변환하고, 축열조에 저장하여 냉난방·급탕·공정열에 이용하는 설비이다.

핵심 키워드

• 집열부(집열기, 흡열판, 투명덮개)
• 축열부(축열조, 현열축열, 잠열축열)
• 이용부(열공급, 보조열원)
• 제어장치(순환펌프, 온도 제어)
• 평판형 집열기(Flat-plate Collector)
• 진공관형 집열기(Evacuated Tube Collector)
• 태양열 냉난방(Solar Heating and Cooling)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 지붕에 모은 햇빛을 물이나 공기에 담아 두었다가 필요할 때 꺼내 쓰는 기술이다. 태양열은 에너지밀도가 낮고 시간·계절별 변동이 크므로 집열과 축열이 기술의 기본이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 태양열 시스템은 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치로 구성되며, 태양에너지를 열매체를 통해 집열·저장·공급하는 열 이용 설비다.

집열부는 태양복사를 흡수해 열매체에 전달하는 부분이다. 집열기는 1차 열교환기 역할을 하며, 흡열판은 흑색으로 도장해 복사 흡수율을 높인다. 집열온도는 집열기의 열손실율과 집광 장치의 유무에 따라 결정된다.

축열부는 집열된 열을 필요한 시간에 필요한 양만큼 공급하도록 저장하는 부분이다. 축열은 열을 매체의 내부에너지로 저장하는 것을 말한다. 축열방법은 현열축열(물질의 온도 상승을 이용, 물·모래·자갈)과 잠열축열(상변화물질의 융해열을 이용)으로 나뉜다. 잠열축열은 특정 온도범위에서 축열량이 현열축열보다 매우 크다.

이용부는 축열조의 열을 효과적으로 공급하고, 부족할 때 보조열원으로 채우는 부분이다.

제어장치는 집열·축열·공급을 효율적으로 조절하며, 시스템 성능과 신뢰성에 중요한 역할을 한다.

축열장치에 요구되는 성질은 소요 온도에서 작동할 것, 소요 입출력 밀도를 가질 것, 에너지 손실이 적을 것, 재료의 안정성·안전성이 장기간 우수할 것, 축열밀도가 높을 것, 저렴할 것이다. 이 중 온도 작동성, 재료 안정성, 축열밀도는 축열재료의 성질에 좌우된다.

3. 등장 배경과 필요성

화석연료 가격 급등과 에너지 파동을 계기로 대체에너지 연구가 확대되었다. 태양은 무한하고 기후변화 대응에도 유리해 태양열 이용 기술이 주목받았다.

태양열은 에너지밀도가 낮아 넓은 집열면이 필요하다. 또 계절과 시간에 따라 발생량이 크게 변하므로 집열만으로는 수요에 맞출 수 없다. 그래서 축열 기술이 필요하다. 축열조는 야간이나 흐린 날, 급탕 수요가 몰리는 시간대에 열을 공급한다.

건물 부문에서는 냉난방과 급탕 수요가 많아 태양열 적용 효과가 크다. 건물에 설치하면 화석연료 사용을 줄이고 온실가스 배출을 낮출 수 있다. 국내에서도 태양열 주택 시범 설치 사례가 있다.

태양열 시스템은 설비형과 자연형으로 나뉜다. 설비형은 집열기·축열조·순환펌프를 갖춘 기계적 시스템이며, 자연형은 건물 구조 자체를 집열·축열에 활용한다.

집열과 축열 기술이 태양열 시스템의 가장 기본이 되는 기술이다.

4. 구성요소·원리·절차

태양열 시스템은 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치로 구성된다. 각 구성의 역할은 다음 표와 같다.

태양열은 에너지밀도가 낮고 계절별·시간별 변화가 크다. 그래서 집열과 축열이 태양열 시스템의 기본 기술이다. 집열과 축열이 태양열 시스템의 기본 기술이다. 집열기의 흡열판은 입사한 일사를 흡수하고, 열매체가 그 열을 받아 축열조와 집열기 사이를 순환한다. 축열조에 저장된 열은 야간이나 흐린 날, 급탕 부하가 커지는 시간대에 이용부로 공급된다.

집열기의 순간 효율은 유효 집열량을 집열 면적과 일사량의 곱으로 나눈 값으로 정의한다.

$\eta=\frac{Q_u}{A_c\,I}$

여기서 \eta는 집열효율(-), Q_u는 유효 집열량(W), A_c는 집열 면적(㎡), I는 일사량(W/㎡)이다. 순간 값을 시간에 대해 적산하면 하루 동안 얻을 수 있는 열량이 된다.

현열 축열에서 저장되는 열량은 다음 식으로 구한다.

$Q=m\,c_p\,\Delta T$

여기서 m은 축열 매체의 질량(kg), c_p는 매체의 비열(kJ/(kg·K)), \Delta T는 온도 상승폭(K)이다. 물은 비열이 크고 값이 싸서 축열 매체로 가장 널리 쓰인다. 축열 방식은 물·자갈처럼 온도 상승을 이용하는 현열축열과, 상변화물질의 융해열을 이용하는 잠열축열로 나뉜다. 잠열축열은 특정 온도 범위에서 축열량이 현열축열보다 크다.

태양열 시스템의 동작 절차는 다음과 같다.

• 일사가 집열기 투명덮개를 통과하여 흑색 흡열판에 흡수된다.
• 흡수된 열이 열매체로 옮겨져 축열조 방향으로 순환된다.
• 축열조가 열을 현열 또는 잠열 형태로 저장한다.
• 이용부가 축열된 열을 난방·급탕 부하에 공급한다.
• 축열량이 부족하면 보조열원이 부족분을 공급한다.
• 제어장치가 순환 펌프, 밸브, 공급 순서를 조절한다.

5. 관련 법령·기준·표준

태양열 집열기의 성능 시험은 국제 시험 기준을 따르고, 설치와 지원은 신재생에너지 관련 법령이 규정한다. 집열기 종류별 기준값과 근거는 다음과 같다.

평판형 집열기는 출구온도가 일반적으로 100℃ 미만이다. 집광장치가 없고 흡열판과 투명덮개만으로 열을 얻기 때문이다. 이보다 높은 온도가 필요하면 진공관형이나 집광형 집열기를 쓴다.

진공관형 집열기는 평판형보다 높은 온도까지 도달할 수 있다. 튜브 내부를 진공으로 만들어 대류와 전도에 의한 열손실을 줄이기 때문이다.

집열기 효율은 최근 개정된 ISO 9806에 따라 총 면적(gross area) 기준으로 측정한다. 진공관형은 튜브 사이 간격 때문에 흡수 면적 비율이 낮아, 기준 면적에 따라 평판형과 비교 결과가 달라질 수 있다. 따라서 답안에서는 비교 기준 면적을 함께 밝혀 쓴다.

축열조는 소요 온도에서 작동하고, 소요 입출력 밀도를 가지며, 에너지 손실이 적고, 재료가 장기간 안정하며, 축열밀도가 높고, 저렴해야 한다. 이 요건은 설계 기준으로 사용되며, 축열 재료의 성질과 열교환 방법에 따라 충족 여부가 갈린다.

6. 유형과 비교

태양열 집열기는 흡수면 구조와 집광 여부에 따라 나뉜다. 시스템 설계에서는 집열기 형식이 집열온도와 효율을 좌우하므로 유형별 특징을 함께 이해해야 한다. 아래 표는 태양열 시스템에서 가장 많이 쓰이는 평판형과 진공관형을 비교한 것이다.