[칼럼] 단일장치로 태양에서 전기와 열을 획득하는 기술 ‘LCPVT’
  • 인더스트리뉴스 기자
  • 승인 2018.11.22 21:27
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태양에너지는 모든 에너지의 원천으로 지구에서 일어나는 모든 활동에 필요한 에너지를 공급한다. 특히, 전기에너지와 열에너지를 많이 활용하는데 이들 에너지를 동시에 획득할 수 있는 기술이 개발돼 상용화를 앞두고 있다.

실증 과정 중인 LCPVT 기술, 내년 상반기 내 상용화 가능

[한중에너지네트웍스 조영석 CTO] 태양에너지는 대기표면에 약 174PW(Peta Watts=1,015Watts)가 도달하고 이 중 약 30%는 우주로 반사 소멸된다. 그 나머지가 대기, 바다, 육지 등에 도달해 지구에서 일어나는 모든 활동(대기 유동, 동식물 성장, 수자원 순환 등)에 필요한 에너지를 공급하여 제2에너지 원천(Secondary Energy Resource)이 된다. 지구에 도달하는 이 태양에너지 1시간 분량은 지구에서 소비하는 전체 에너지 1년치에 해당할 정도로 막대하지만, 대부분의 에너지는 바다에 도달하므로 인간이 생활하는 육지에서 사용할 수 있는 에너지는 대단히 제한적이다.

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태양광에너지를 이용한다는 의미는 발전과 함께 열에도 관심을 가질 필요가 있다. [사진=dreamstime]

육지에 도달하는 이 태양에너지를 획득하는 기술은 여러 방안이 있지만 중요한 것은 획득 효율과 방법이 관건이다. 즉, 태양전지를 이용한 전기를 획득하는 기술은 이미 오래전부터 상용화되었고, 그 이전부터 열 에너지는 간단한 도구를 이용해 유용하게 사용해 왔다.

많은 태양광 기술자들은 어떻게 하면 태양에서 전기에너지와 열에너지를 단일장치에서 동시에 획득할 수 있을지를 연구해 오고 있지만 아직까지 이런 기술이 상용화되지 못하고 있다. 한중에너지네트웍스 연구소는 수년 전부터 이 기술을 개발하고 상용화를 위한 도전에 나서 최근 LCPVT(Low Concentration PhotoVoltaic & Thermal) 기술개발을 성공적으로 완료하고 상용화를 위한 양산체계를 구축하는 과정에 있다.

LCPVT : 저집광 태양광에너지 획득 기술
태양광은 지표면에 도달하는 파장 범위가 0.15~4um 정도되며 이 중 발전에 기여하는 파장은 0.3~1.1um 범위가 Si 셀에서 발전하고, 나머지 파장은 발전에 기여하지 못하면서 셀 온도를 상승시켜 발전을 오히려 저해하는 부작용을 유발한다. 즉, 일반적으로 물질은 온도가 상승함에 따라 저항(Resistance)이 증가하는데 이에 따라 전자 이동이 줄어들어 전기 흐름을 방해한다. 태양광발전에서 이 열적 부작용은 발전효율에 영향을 주게 된다. 이는 기온이 높은 하절기가 다른 계절보다 발전효율이 감소하는 현상에서 확인된다.

이런 효율감소가 발생됨에도 불구하고 집광한 태양광을 셀에 조사한다면 그 부작용은 훨씬 증가한다. 파장분리 없이 집광된 태양광을 셀에 조사한다면 발전 초기 효율은 일시적으로 상승하나 곧바로 감소되고 오히려 집광하지 않는 상태보다 더 저하된다.

이 효율 감소를 방지하기 위해 여러 기술을 적용(셀 배면에 히트씽크 부착, 냉각장치 동원 등)하기도 하나 경제성 측면에서 불리해 이른바 가성비가 낮아 적용을 어렵게 하고 있다. 그러나 발전에 기여하는 파장을 선택적으로 셀에 조사할 수 있다면 온도상승에 따른 부작용을 줄일 수 있고 나머지 파장 또한 에너지원으로서 가치를 갖고 있으므로 이를 이용한다면 열 에너지를 얻을 수 있는 길을 열게 된다.

저집광이란 태양전지 크기보다 태양광을 집광하는 광학장치 면적이 태양전지 면적의 몇 배인지를 구분하는데, 통상 20~100배를 말하며 이보다 넓은 면적비를 갖는 것을 고집광(High Concentration)이라고 한다. 이 기술은 발전기여파장과 발전저해파장이 혼재해 지구에 도달하는 태양광을 광학적 분리를 통해 실리콘 태양전지(Si Solar Cell)에 발전기여파장을 선택적으로 조사하도록 하고 나머지 파장은 열 에너지를 획득하는 것이다.

이 기술은 광학적 집광 장치와 태양위치 자동추적장치, 열 획득장치 및 열 저장장치 등을 이용해 단일 장치에서 전기와 열을 동시에 획득 가능하다. 이 기술은 태양전지 발전효율은 기존 방식보다 월등한 효율(기존 대비 25~30% 향상)을 보이고 있으며, 획득된 열량을 전기로 환산한다면 약 40%를 상회하게 된다. 특히, 적도지역 등 태양광 우수지역에서 열 획득효율은 이보다 훨씬 높아 약 60%에 이름을 확인했다. 

또한, 파장 분리기술은 실리콘 태양전지의 열적 부작용을 원천적으로 해결하므로 냉각장치 등 부가적인 설비 등이 전혀 불필요하다는 경제적, 구조적 장점을 추구할 수 있는 유리함도 얻을 수 있다.

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한중에너지네트웍스가 개발한 LCPVT 장비 [사진=한중에너지네트웍스]

LCPVT 기술의 적용
한 국가의 에너지 소비 총량(전기, 가스, 석탄, 재래식 연료 포함)의 약 60%가 열에 관련한 부분이다. 대한민국은 약 2,000만대를 상회하는 자동차가 소비하는 운송에너지는 약 28% 정도이고 나머지가 조명, 기계 구동, 선박 등 기타 분야에서 소비되고 있다. 이처럼 국가에 따라 난방과 냉방에 소비되는 비율은 달라도 전체 소비 비율은 큰 차이가 없다.

온실재배산업(화훼, 농산물 생산 등)과 양어장 분야에서 일정 온도 이상을 유지해야 하는데 소요되는 에너지는 전기, 가스, 석탄 그리고 폐목재 정도가 될 것이다. 이 에너지는 온도를 유지하기 위해 지속적인 투입에 필요하지만 곧 바로 사라지고 만다.

일례로 1헥타르(ha) 온실에 사용되는 유류비용은 면세유 기준 약 8억5,000만원(2010년 기준) 정도로 알려져 있다. 이 비용은 재사용 불가한 그야말로 허공에 날리는 일회성인 것이다. 이것은 매년 유류비용으로 허공에 날린다는 의미이고 이산화탄소 배출, 지구온난화를 가속하는 화석연료 소비를 방치하는 것과 다름이 아니다.

전기를 이용하는 난방의 경우도 예외가 아니다. 대한민국 전기 생산의 약 62.1%(2016년, 에너지경제연구원)가 석탄, LNG, 석유로 생산된다는 것을 본다면 전기 사용이라 해도 화석연료 소비라는 면에서 동일하다. 전기를 선호는 이유는 다른 에너지원 보다 사용 편리성, 응용성 및 저장성 등이 우수한 에너지라는 것이다.

태양광에너지를 이용한다는 의미는 곧 발전(Electric Generation)을 지칭하는 것으로 일반적으로 인식하고 있으나 앞서 언급한 바와 같이 열도 함께 주시해야 한다는 것이 한중에너지네트웍스의 주장이자 미래 성장동력원이다. 이러한 열적 수요를 대체할 기술이 바로 LCPVT 기술이다.

이는 온실, 양어장, 거주형 건물, 대규모 온수공급 시설 등등 열을 얻기 위해 전기나 화석연료를 사용하는 전 분야에 적용될 수 있고 그 효과는 화석연료 소비 저감, 이산화탄소 배출 저감, 지구온난화 지연 등 그 효과는 막대하다. 그리고 새로운 신사업 분야 창출도 가능한 길을 열 수 있다. 예를 들어, 눈 내리는 겨울철에 퇴근 후 뜰 앞에 설치한 수영장에 와인잔을 들고 수영한다는 상상을 해보자. 환상적이나 많은 양의 물을 수영이 적합한 온도로 데우기 위해 소요되는 에너지를 계산해 본다면 이는 꿈에 불과하다. 그러나 LCPVT는 그 같은 일상이 꿈이 아닌 현실화가 가능한 길을 열어 주게 된다.

열을 이용해 태양광 냉방도 가능하다. 밀폐된 탱크를 저기압으로 하고 열을 공급하면 물은 낮은 온도에서 기화되고, 단열 팽창을 거치면 주변의 열을 흡수하는 냉방이 된다. 하지만 하절기에 열을 저비용으로 지속적인 공급할 수 있는가가 관건이 된다. 태양에너지는 무한하다고 볼 수 있는 비교불가한 열 에너지원이다. 이 에너지를 어떤 방법으로 인간에게 충분하고 유용한 열원으로 공급 가능한 기술이 있다면 태양광 냉방은 가능하다.

이 해결 방안 중 하나가 LCPVT이다. LCPVT는 자가소비 전력을 자가 생산해 장치 구동에 사용하므로 외부 전원 필요 없이 열을 생산해 공급한다. 대단히 경제적이고 독립적으로 설치가 가능하며 건물 벽, 옥상, 지붕, 경사면을 갖는 불용대지 등 설치에 제약도 없다. 한중에너지네트웍스의 LCPVT 기술은 연구 및 실증 과정 중에 있고 내년 상반기 내에 양산 체계를 갖춘다면 저비용 고효율 장비로서 시장에 공격적으로 진입할 수 있을 것으로 예상하고 이를 차분히 준비하고 있다.

최근에는 이 기술을 가장 필요로 하는 국가 중 하나인 몽골에 기술을 소개해 몽골 정부 각료들로부터 대단한 관심과 의지를 확인했으며 당사를 내방해 기술을 확인할 예정이며 이후 구체적인 사업 진행 방법과 조건을 함께 구상하기로 했다.

끝으로 에너지에서 자유로운 국가는 없고, 빈한한 국가일수록 에너지로 인한 고통은 더 심각하다. 석유수출국만 에너지 수출국이 아니고 에너지 획득기술을 보유한 국가가 에너지 수출국임을 인식할 필요가 있다고 주장하고 싶다.


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