태양광발전·온열 코제네패널 이용시스템 발전 동향 예측!
GF기연과 제휴팀은 최적인 태양전지 셀을 편입시킨 전열패널을 이용해 차세대의 주력 분산형인 전열에너지 공급시스템의 실현을 위해서 기술개발, 상품화 검토를 계속해 왔다. 여기에 몰두해 온 시스템의 개요, 실현의 과제, 이후 몰두할 목표에 대해서 설명한다.
우메츠 켄지(Umetsu Kenzi), GF기연 대표이사
최근 지구온난화와 에너지 자원 문제가 진지하게 의논되고 있다. 요즘 원가 경제성에서부터 장기적인 시야로 본 인류 문명론까지, 백화요란(百花燎亂)의 열기를 느끼고 있다.
그러한 가운데 GF기연은 태양광에너지를 가장 유효하게 이용할 수 있는 실용화 기술을 개발해 모든 사람을 위해 새로운 민생용·업무용 에너지 공급시스템을 실현하고, 그 시장을 개척해 보급시킨다는 것을 목표로 내걸고 수년 전부터 활동해 온 회사이다. 이미 새로운 에너지장치의 형태로써 실용화된 시스템은 태양전지, 연료전지, 풍력발전, 태양열발전, 가스 코제너레이션, 지열발전 등의 새로운 발전 시스템으로 태양열온수기, 히트펌프 급탕기 등의 온열시스템 등 많은 분야에 퍼져있다.
한편 현재 및 가까운 미래의 에너지 주역은 역시 광역전력 계통(화력발전, 원자력발전), 도시가스 계통, 석유 가솔린 계통 등의 광역기간 에너지 시스템임에는 틀림없다. 그래서 이후 주력화 되어야만 하는 신재생에너지 공급시스템의 형태로써는 광역기간 에너지 시스템과 분산형 자연에너지 시스템과의 하이브리드 시스템이라고 생각된다. 자원 확보의 시점과 지구온난화의 시점에서 과제가 있는 광역기간 에너지 시스템과 소비 시간대에서의 안전공급에 과제가 있는 자연 에너지 시스템을 조합시켜 각각의 결점을 보충할 수 있는 하이브리드 시스템이야말로 가까운 미래의 에너지 공급 시스템의 하나의 방향성을 가진다는 것에 의견을 같이하고 있다.
여기에서 하이브리드의 한 쪽을 담당하는 ‘자연에너지형 분산에너지시스템은 무엇이 되는가?’라고 하는 포인트에 다다른다. GF기연에서는 주역인 자연에너지는 다음의 요건을 만족시키는 것이 당연하다고 여기고 있다.
사용지속 가능형으로 장기사용이 가능한 것, 분산형, 지산지소(地産池消)형인 것, 주택 등 모든 민생용·업무용시장을 조달할 수 있는 것, 에너지 효율이 높고, 경제성을 만족시키는 것, 공간당의 출력이 큰 것이 해당된다. 이러한 요건으로부터 고려하면 먼저 리스트 업을 한 신규에너지 시스템에는 저마다 과제가 남아있다. 예를 들어 풍력발전 장치는 설치 가능지역 제약의 점에서 주택 등 모든 민생용·업무용시장을 조달할 수 있는 것이, 태양열온수기는 공간당의 출력이 큰 것, 가장 유망되는 태양전지는 주택 등 모든 민생용·업무용시장을 조달할 수 있는 것, 에너지효율이 높고, 경제성을 만족시키는 것, 공간당의 출력이 큰 것이 과제이다. 초기비용의 경제성, 30평방미터의 대면적 패널이 설치 가능한 지붕이 적고, 스마트 그리드의 투자금 확대 등 기본적인 문제를 안고 있다.
태양전지에 대해서 ‘본격적인 보급을 실현 한다’를 위한 기술시책은 다음의 2가지 방향을 생각할 수 있다.
첫 번째 패널의 변환효율을 현재의 15%(셀 변환효율 19%)에서 30% 이상으로 향상시키는 기술개발로, 현재 많은 초우량기업이 몰두하고 있다. 두 번째 현상의 셀을 이용해 발전과 온열 집열을 동시에 실시하는 코제너레이션 패널방식을 개발하고, 발전변환효율과 온열 변환효율의 화합인 토탈 변환효율 60%를 실현하는 방법이다.
전력과 온열의 쌍방의 수요를 가진 막대한 시장(기기시장은 전 세계에서 40조엔으로 상정)을 조달할 수 있고, 실현성이 높은 동시에 일본정부가 내건 2020년에 자연 에너지율 10%라고 하는 거대한 사회목표를 실현하기 위해서 몰두해야만 하는 최우선의 기술 분야는 아닐까라고 생각했다.
이 방식에서는 온열을 취급하는 매체는 공기 내지는 액 매체가 있을 수 있지만, 후설치나 업무용 등에 펼쳐진 큰 시장에 전개할 수 있는 주요 시스템에의 진전을 목표로 해 액 매체 방식으로 도전해 왔다. 전력과 온열(액 매체 이용)을 코제너레이션시킨 태양광 전열패널의 연구개발은 많은 기업, 기관에서 실시해 오고 있지만, 유감스럽게도 현재까지는 상품화를 달성하지 못했다. 그렇지만 GF기연과 제휴팀은 최적인 태양전지 셀을 편입시킨 전열패널을 이용해 차세대의 주력 분산형인 전열에너지 공급시스템의 실현을 위해서 기술개발, 상품화 검토를 계속해 왔다. 여기에 몰두해 온 시스템의 개요, 실현의 과제, 이후 몰두할 목표에 대해서 설명한다.
시스템의 개요
태양광 전열패널을 이용한 가정용 장치시스템의 대표적인 구성에는 다음의 2가지가 있다고 생각한다. 첫 번째가 30평방미터 정도의 태양전지의 일부인 6평방미터 정도를 전열패널로 해 온열은 급탕에만 이용하는 방식과 두 번째로 전 패널을 전열패널로 하고 전력과 온열을 출력시켜, 온열은 급탕, 난방, 냉방으로 넓게 이용하는 방식이다. 종래, 태양광 전열패널의 연구개발을 실시해 온 기업의 사고방식은 첫 번째 방식을 주로 채택해 온 것으로 추측되지만, GF기연과 제휴팀은 두 번째 방식을 주체로써 몰두해오고 있다. 두 번째 방식은 기술개발 리스크, 개발기간 리스크, 개발투자 리스크가 높지만, 장래 이 시스템을 이용하는 고객에게 있어서, 상품성 효과가 우수하고, 이산화탄소 삭감효과가 우수한 두 번째 방식이야 말로 지지 받을 것이라고 확신하고, 또 두 번째 방식의 개발 기술은 첫 번째 방식의 상품화 실현에 필요한 기술을 모두 내포하고 있다고 생각했기 때문이다. 실제는 첫 번째 방식으로부터 보급이 시작되는 것도 시야에 넣고 몰두하고 있다.
GF기연과 제휴팀이 상품화를 목표로 하고 있는 두 번째 방식의 태양광 전열에너지 공급시스템(하이브리드 시스템)의 구성을 그림 1에, 그리고 태양광 전열패널의 개요를 그림 2에 나타낸다. 이 태양광 전열패널과 현재의 에너지 기기와의 하이브리드 시스템의 주요 개발 테마를 다음의 4개로 정리해 진행하고 있다.
태양광 전열패널
에너지를 끄집어내는 변환효율은 53%(연간 평균)로 개발 완료해 2009년 10월, 테스트 판매를 개시했다.
S-축열조
대량의 온열을 축열하는 축열캐비소형화(용량 1/2)를 개발 중으로 2010년 12월, 테스트 판매 예정이다.
열원이용 냉방장치
온열로 냉방이 가능하며 1차 에너지 효율이 에어컨보다 우수하다. 개발 중이며 2010년 12월, 테스트 판매 예정이다.
에너지 공급시스템 SLLS
미니 주택용에서부터 야채공장까지 전개가 가능하며 개발 중으로 2011년 4월, 테스트 판매 개시 예정이다.
이상 4개의 스텝에 걸쳐, 기술·상품개발을 추진 중이다. 여기에서, 그림 1은 저마다 스텝 성과물이며, 그림 1의 시스템 전체가 스텝의 성과물을 나타내고 있는 것이다. 많은 기업, 대학, 기관의 모두와 제휴해 핵심기술을 개발 중인 동시에, 현재 스텝 상품화로 제휴할 수 있는 기업, 기관을 모집 중이다. 동시에 각 스텝의 고객이 될 몇 개의 기업·사업체와의 제휴를 모색하며 활동 중이다. 많은 급탕시스템, 태양광 패널 이용 시스템의 사업자에게 이해시키고 활용되어, 전력과 온열을 출력하는 새로운 시스템을 인지시켜 참가, 지원을 받고 싶다. 이상의 네 가지 스텝의 활동 개요를 표 1에 정리해 제시한다.
시스템화의 핵심기술 소개
이상 개설한 하이브리드 에너지시스템을 실현하기 위한 핵심기술은 굉장히 다양한 분야에 걸쳐 있지만, 여기에서는 그 중요한 것에 대해서만 설명하고자 한다.
태양광 전열패널의 핵심기술
태양전지 셀은 실리콘 결정타입 및 각종 타입을 포함해 개발했다. 실리콘 결정질을 이용한 패널의 단면구조를 그림 3에 나타낸다. 발전 셀에 있어서의 발생온열을 액체매체가 흐르는 관체에 전열시키기 위해서는 전열성의 확보와 동시에 전기절연성의 확보, 약한 발전 셀을 강체에 가까운 냉각기구와 어떤 식으로 접합시킬 것인가 등의 과제가 있다.
팀은 거듭되는 사고착오 끝에 상온상태에서의 접착방식이 아니라 고온도 핫 멜트에서의 진공라미네이션 접합방식을 선택했다.
이 결과 고온도 150℃의 가공온도에서 시장 최저온도인 영하 30℃의 범위의 온도변화에 견딜 수 있는 구조와 재료 및 접합방법이 필요하게 되어, 그 조건은 과혹하지만 진공라미네이션 가공의 제조품질의 안정성에서 승리했다. 패널이 사용되는 조건으로써도 태풍 등의 과혹한 시장 스트레스에 견디고, 전열의 촉진기능을 양립할 수 있는 구조방식으로 해 그림에 보여지는 것처럼 일체 접합 구조방식을 선정했다. 30년의 장기사용에 견딜 수 있는 구조를 고려해 구조·재료·제법을 정하고 있다.
테스트 판매를 개시한 전열패널(1㎡ 모델)의 출력은 전력 130W, 온열 400 ~480W로 안정된 데이터를 나타냈다. 현재 장기 신뢰성 평가검토 중이다. 시작패널에서는 그 발전성능에서 온열출력성능이 저마다의 전용장치인 태양전지와 태양열 온수기에 비교해 구조상의 이유로 각각 조금씩 저하한다. 이 개선에는 특별한 고안을 강구해 계속 검토하고 있다. 이 전열패널을 지붕 위에서 안정되게 작동시키는 데는 이 외 몇 가지의 신규기술의 개발이 필요하다. 예를 들어 온열 사용정지 시(열 초과 시 등)에 있어서의 패널온도의 제어이다. 패널의 과열대책을 위해서 새로운 냉각 기구를 개발했다.
더욱이 냉각용 매체가 새서 없어져버렸을 경우에 패널이 열 파손되지 않는 보증이 필요하고, 구조설계와 재료선정에 특단의 주의를 기울이고 있다.
한편 전열패널의 단위면적 당의 중량은 태양전지의 2배 정도로 설치건축물의 구조강도에서 과제가 된다. 개발팀은 알루미늄 등을 중점사용해서 중량을 태양전지의 1.6배 정도로 억제하는 한편, 총계의 패널면적을 태양전지의 1/2 이하의 시스템 구성으로 함으로써 건물에의 가중부하를 경감시키는 것을 전제로 하고 있다. 사진 1에 테스트 판매를 개시한 태양광 전열패널의 개관을 나타낸다. 그럼에도 불구하고 이 시스템의 실용화를 위해서 새롭게 개발해야만 했던 가장 중요한 기술 분야는 전열패널의 우위특성을 살려야만 하고, 그 출력온열을 컨트롤해서 얻어진 온열을 낭비하지 않고 이용하는 데 있어서 최적인 시스템의 개발로 아래에 나타낸다.
S-축열조 핵심기술
B방식에서는 전 패널을 전열패널 구성으로 하면 출력온열은 급탕수요의 많은 점포나 대중목욕탕 등에는 적합하지만, 보통의 주택의 경우에서는 급탕에서만 잉여 되기 때문에, 난방이나 냉방에 온열을 이용하는 것이 필연이다. 이 경우 축열조의 열용량 부족이 애로가 되고, 현재의 주택용 급탕 시스템으로 이용되고 있는 축열조는 급탕용의 온열을 축열하는 것만으로 대형이 되어, 그 설치 공간이 큰 것이 이미 문제시 되고 있다. 따라서 급탕뿐 만 아니라 난방·냉방까지 사용하기 위해서 그것을 2배 이상의 축열 용량으로써 축열 캐비닛을 대형화하는 것은 상품성을 크게 망가뜨리는 일이다. 그림 1에 나타낸 S-축열조는 동일 용량의 캐비닛 내에 실질 2배의 온열을 축열 시키기 위한 것으로 새로운 기구, 구조, 재료를 구사해서 축열재 용량 효율의 배증을 도모한 것이다. 한마디로 표현하자면 현상과 같이 캐비닛에 수납한 캡슐형의 SUS탱크 내에 온수를 저장하는 것이 아니라, 그 캐비닛을 온수 탱크로 함과 동시에, 기술을 구사한 신열교환기를 실현해서 대처함으로써 높은 용량효율을 실현하려고 하는 것이다.
이후 다양한 자연에너지의 이용을 촉진하기 위해서는 불안정한 자연에너지를 소비하는 시간까지 ‘축전 및 축열’시키는 것이 사회 인프라에서의 기술의 하나라고 인식되고 있지만, 축전기술에 비교해 축열 기술의 개발의 늦은 정체는 반성재료이다. 당사와 제휴한 개발팀은 이 기술이야말로 태양광 전열패널을 이용한 B방식의 기능 에너지 공급 장치의 실현을 위해서 피할 수 없는 필수 기술의 하나로 인식해서 개발에 몰두하고 있다.
열원 이용 냉방장치의 핵심기술
온난지, 열대지, 냉방·냉각부하가 큰 극장, 호텔, 컴퓨터 이용이 많은 오피스 등 사람이 모인 곳에서는 냉각부하가 굉장히 크다. 그래서 전열패널의 출력인 온열을 이용한 냉각실현을 위한 기술은 중요한 기술개발 테마라고 여기고 있다. 현재, 흡수식 내지는 흡착식의 냉각·제습장치에서는 전동에어컨의 막대한 시장에 깊숙이 들어가는 것은 어렵고, 냉각의 원점으로 돌아가 새로운 핵심기술을 개발하고, 다음과 같은 상품사양의 확립을 목표로 해 연구개발 중이다.
60℃의 태양열을 주 에너지원으로써 이용, 단 가스·석유·히트펌프도 이용가능하며, 일차에너지 효율이 COP 1.2 이상, 전동에어컨 수준의 원가, 온습도 독립제어에 의한 쾌적·건강냉방이라는 목표를 세워 몰두하고 있다. 종래에서부터 이미 실용화되고 있는 흡착식 제습 냉방장치는 제습한 후에 적당량의 가습을 실시해, 공기를 제습하는 동시에 냉각을 실시한다. 이 때의 COP는 0.5 정도이다. 당사와 그 제휴팀이 몰두하고 있는 냉방기술은 그 기본원리를 브레이크 스루(Breakthrough)하는 것으로, 일차에너지 COP는 1.2를 클리어 하는 것이다. 이러한 핵심기술의 완성·실용화는 태양광 전열패널과 그 이용시스템의 실용화·보급에 굉장히 큰 영향을 주는 것이라고 생각하고 있다.
시스템의 특징
‘태양광 전열패널과 그 이용시스템’이야말로 일본정부가 내건 2020년에 자연 에너지율 10%라고 하는 위대한 사회목표를 실현하기 위해서 몰두해야만 하는 최우선 기술 분야의 하나라고 설명했다. 그 의미는 다음과 같다. 일본정부는 2030년에는 5,300만kW의 태양전지에 의한 발전량 실현을 목표로 하고 있다고 발표했다. 그 2/3이 가정용이라면 약 1,200만호의 주택, 즉 아파트를 포함한 전 주택 5,000만호의 약 24%의 주택에 설치하는 계획이라고 추정된다. 이것은 남향으로 설치할 수 있는 공간을 가진 모든 주택에 설치해야 겨우 도달할 수 있는 레벨의 목표라고 말할 수 있을 것이다. 그러나 이 목표설정 바탕에는 전 주택의 전 소비에너지의 6% 정도밖에 공급할 수 없기 때문에 앞서 기술한 2020년의 목표인 10%의 달성은 어려울 것 같다.
그래서 태양전지 대신에 같은 면적의 태양광 전열패널이 설치되는 경우를 생각하면, 전력기준 베이스로 약 2배의 에너지를 획득할 수 있다고 상정되기 때문에, 전 소비에너지의 12%이상을 공급하는 것이 가능하게 된다. 더욱이 태양광 전열패널은 6~8㎡의 작은 패널면적의 소형 시스템에도 보급할 수 있는 가능성이 높다고 기대되기 때문에, 넓게 태양광 이용의 촉진시키는 것이 가능하게 될 것이라고 기대된다. 전열패널 시스템의 경우 면적당의 출력 에너지량이 많기 때문에, 8~20㎡의 작은 면적의 전열패널이라도 사용자에게 있어서의 만족도는 충족시키기 쉽다. 8㎡의 패널에서도 1kW의 전력과 4kW 정도의 온열을 출력가능하고, 온열로 급탕을 공급할 수 있기 때문이다.
따라서 모든 주택 예를 들어 아파트라도 서향 지붕밖에 없는 주택이라도 나름대로 유효하게 설치할 수 있을 가능성이 크다. 여기에서야 말로 ‘태양광전열패널을 기점으로 한 에너지공급시스템의 존재가치’가 있다고 인식되고 있다. 게다가 고성능인 축열 시스템의 개발에 따라서 지역에서 축열할 수 있다면 대량 발전을 실시해 계통 전력망에 걸쳐서 부담도 많이 반감시킬 수 있는 가능성이 있다. 이 신에너지시스템은 현재의 스마트 그리드 구상과 짝이 될 수 있지는 않을까? 등이라는 생각은 앞으로 많은 제휴활동을 실시하는 기업·기관과 공유해 나가고 싶다.
태양광 전열패널 시스템 보급의 길
이상 개설한 태양광 전열패널을 기점으로 한 민생용, 업무용에 기대되는 에너지 시스템의 실현에는 앞으로도 큰 파워의 투입이 필요하다는 것을 설명해 두고 싶다. 자동차산업이 무에서 출발해 전 세계 80억엔의 거대산업으로 키우기 위한 기점이 되었던 산업혁명 이후의 파워에너지에 닮은 듯한 사회적 파워의 계속적인 투입이 필요한 것은 아닐까라고 느끼고 있다. 그것은 기술의 혁신이나 발상의 전환을 뛰어넘은 새로운 문화 창조와 같은 파워, 에너지혁명이 요구되고 있는 듯한 느낌이 든다.
표 2에는 대표적인 3종의 태양광 패널(태양전지, 태양열 온수기, 태양광 전열패널)의 시장과의 평가를 정리했다. 이중 O는 최적이고 X는 설치가 적합하지 않다고 하는 평가를 표시하고 있지만, 평가는 GF기연의 사내 평가판단이기 때문에 절대적 평가로써가 아니라, 참고로써 파악할 필요가 있지만 태양전지, 태양열 온수기, 태양광 전열패널 각각의 우위성을 명확하게 하고 사용자가 최적인 시스템을 선택할 수 있도록 충분한 가이던스를 실시할 필요가 있고, 그것이 보급촉진의 하나의 열쇠가 될 것이라고 생각된다.
태양광 전열패널을 기점으로 한 새로운 에너지 공급 시스템을 보급시키기 위해서는 다음과 같은 활동이 필요하다고 인식되고 있다. 첫 번째 갖가지 시장의 사용자에게 적합한 에너지 공급시스템의 장치시스템의 개발·상품화 완성과 이후, 태양전지 사업자, 급탕기 사업자, 태양열 온수기 사업자 등의 모두와의 제휴에 따른 시스템 상품화, 사업화에 매진해 나간다. 두 번째 태양광 전열패널과 가스·석유·히트펌프와의 하이브리드 시스템의 사회적 인지를 확립한다. 이후, 학회나 전시회 발표 등을 시발점으로 사회를 향한 홍보에 주력함과 동시에, 국내의 환경·에너지·이산화탄소 논의에 참가할 수 있도록 활동을 늘려간다. 세 번째 태양광 전열 에너지 시스템이 사용자 및 에너지업자, 시스템기기 사업자에게 있어서 유효한 시스템이라는 것의 증명과 동시에, 가장 유효하게 운전할 수 있는 시장·사용자의 특정을 실시해 가장 유효한 시장에 대해서 조기에 상품화·사업화 활동을 집중하고 시장을 개척해 나간다.
네 번째 일본에 있어서의 보조금 제도와의 정합을 도모하고, 공적 및 에너지 사업자 등으로부터의 지원을 얻을 수 있는 상품 만들기, 사업추진에 주력한다. 다섯 번째 국내에의 보급과 진행에 맞춰, 일본연합으로써 해외전개의 구체화를 목표로 한다. 태양전지 이상에 일본기업으로써의 기술 및 사업화 노하우를 조기에 확립하고, 전 세계에 발전 보급시킨다. 그 것을 위해 해외시장에의 진출, 해외기업과의 제휴가 필요하다. 이상 5항목에의 사회조직적인 주력이 기대된다.
한편 시선을 집중시키는 태양광 에너지를 최대한 유효하게 이용하기 위해서는 어떤 건축물의 옥상 공간에도 설치할 수 있는 공간의 유효성, 높은 변환효율에서 오는 이용자의 경제적 유효성, 에너지 하이브리드화에 의한 공급의 안정성, 전 세계 어디에서도 전개할 수 있는 범용성을 갖춘 시스템이 바람직하다.
본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.
