전력/온열 출력 조정형 태양광 풀 이용 시스템

태양에너지 최대 활용으로 에너지 공급 실현 목표

이치카와 와타루(Ichikawa Wataru) KIS 대표이사

우메즈 겐지(Umetsu Genzi) GIF 기술연구소 대표이사

그 옛날, 농업 및 목축 등 ‘지표 태양광’의 혜택으로 생활하던 시대에서, 어느 한순간 땅속에서 채굴한 석탄, 석유, 가스 등에 의지하는 ‘지중 에너지 문명 시대’가 도래했으며, 지금은 다시 그 반동으로 ‘지표 에너지 문명 시대’로 회구하는 움직임이 일고 있다. 이는 태양광 이용 기술의 향후 이상적인 방향을 시사한다는 점에서 매우 중요하다.

지중 에너지 문명 생활에 익숙해진 인류는 일본의 대지진과 이로 기인한 후쿠시마 원전 사고로 인해 그 위험성을 충분히 깨닫게 됐으며, 이제 또 다시 태양광발전 및 풍력발전, 지열발전 등 자연에너지 이용 발전 시스템의 실용적 이용을 위해 전 세계가 진지하게 고민하고 있다. 이는 인류 생존을 위한 ‘지표 에너지 문명’으로의 르네상스라고 해도 과언이 아니다.

하지만 지표 에너지만으로 인류가 생활할 수 있기란 사실상 불가능에 가까운 이야기다.

지표 에너지 문명을 지탱하는 기술의 첫 주자는 태양전지를 활용한 태양광발전으로 볼 수 있는데, 지금의 태양광발전 기술로는 태양광 패널을 광대한 공터에 빈틈없이 깔고 발전 효율을 높이기 위해 부단히 노력해도 인류에 필요한 에너지를 모두 충족시킬 수 없는 실정이다.

석탄 및 석유 등의 지중 에너지는 인류 활동을 위한 에너지양을 충족시켰을뿐더러, 생활에 필요한 다양한 에너지 형태를 제공해 왔다. 즉, 지중 에너지는 전력과 온열로 자유롭게 전환 가능하며, 그 외에도 생활을 지탱하기 위한 많은 응용 기술과 산업을 확립할 수 있었던 에너지원이 됐다.

반면, 태양광발전을 통한 에너지양의 관점에서 볼 때, 단위 면적당 발전량(변환 효율)을 ‘CR=35%’ 정도까지 향상시키고, 이를 상회하는 특성을 얻을 수 있을 때야 비로소 석탄 및 석유의 실용성(경제성)과 어깨를 나란히 할 수 있으리라는 판단이다.

이 목표값인 변환 패널의 효율 향상을 지금 상황에서 유일하게 달성할 수 있는 기술로는 ‘고효율 태양광 코제너레이션(Cogeneration) 패널(통칭 SSP : CR= 53%)의 실용화’ 및 ‘고용적율 온열 축열조의 실용화’, ‘실용형 반사 집광 방식 개발’ 등 3개 기술로 이뤄지는 에너지 시스템을 들 수 있다. 이와 함께, 이 시스템을 실용화할 수 있는 4번째 기술로 ‘출력(전력/온열)의 조정 및 변환 기술’을 검토해 볼 수 있겠다. 이는 태양광 이용 에너지가 석유가스 등의 에너지 기술을 대체한다고 했을 때, 그 실현을 위해서는 필수 불가결한 실용화 기술이라고 본다.

일본의 KIS와 GF 기술연구소가 실용화한 태양광 코제너레이션 패널의 변환 효율은 현재 CR=53%(전력 : 12%, 온열 41%)다. 또, 이것을 간이 반집광을 이용해 각각 16%, 55%로 증폭시켜 변환 효율 71%를 달성한다. 온열 에너지의 가치를 전력의 1/3로 해서 전력 기준으로 변환하면, 이 값은 변환 효율 35%의 태양전지와 동등한 가치가 된다. 다시 말해, 앞서 언급한 태양전지 변환 효율 개선 목표값인 35%를 수치상으로는 이미 달성했다고 할 수 있다.

이들 회사는 이 기술들이 태양전지만으로 변환 효율 35%를 목표로 하는 방법에 비해, 훨씬 실천적이며 기술적 가능성이 높고 안전할뿐더러, 시스템 전체로서의 사회 부담이 적기 때문에 상품으로서 완성도와 편리성이 높다고 판단했다. 그 때문에 향후 사회에 보급되면 영원히 사용 가능한 에너지 솔루션으로 매우 유력한 기술이라고 전망하고 있다.

유연성과 생활감 가진 시스템 개발

태양광 코제너레이션 패널에 태양광을 집광시킴으로써 태양광으로부터 71%에 달하는 고효율 에너지를 출력시킬 수 있게 됐을 때, 그 전력과 온열을 이용 사이트의 에너지 환경 및 시간대나 계절에 따라 자유롭게 서로 변환해 선택할 수 있다. 또, 온열의 출력 온도를 자유롭게 조정 가능하며, 전력과 온열을 자유자재로 축전열할 수 있다는 것이 이 새로운 에너지 시스템 보급을 위해서 필요한 목표다.

그림 1은 이 시스템의 구성과 시장에의 에너지 제공을 표현한 그림이다.

이 시스템이 보급되기 위해서는 사람들이 요구하는 에너지의 특성에 대해 충분히 대응할 수 있도록 인류의 생활과 밀착된 특성을 가진 시스템이어야 할 것이다. 즉, 사용자의 생활 환경과 그에 따른 요구를 충분히 만족시킬 수 있는 솔루션으로서 유연성과 생활감을 가진 시스템이어야 하며, 이를 위해서는 다음의 기능이 요구될 것으로 판단된다.

전력 출력의 최대화

태양열 온열 출력에 비해, 전력 출력을 증가시키고자 하는 시장이나 시간대에 대해 전력 출력을 최대화하는 제품이나 운전 제어 방법을 선택해야 한다.

그 첫 번째로, 소비될 필요 온열양이 다량일 경우 전력 중시의 가시광 투과성이 좋은 커버유리 등을 사용하고 패널의 설치 각도를 태양전지와 마찬가지로 전력의 연간 최대 출력 각도로 설정해서 설치한다.

운전시에는 온열 출력 온도를 저온(35℃ 전후)으로 조정하고, 가스 및 석유 등의 보조 열원으로 보충하는 방법이 출력 전력의 증가라는 점에서 효과적이다.

온열 온도를 저온인 35℃ 정도로 조정하고, 어차피 사용할 보조 열원을 가열에 이용해 급탕함으로써 대량으로 온열을 사용하는 곳이나 온천, 케어 하우스, 골프장 등의 시설용으로 효과적으로 사용 가능하다.

두 번째로, 출력 온열이 저온으로도 충분히 실용성이 있을 경우 주택이나 시설에서 본체 축열로 난방이 유효할 때에는 난방 쾌적성 측면에서도 고온 온열 필요성이 적다. 35℃ 정도의 온열로 계속적으로 난방(바닥 난방 등)을 함으로써 쾌적성과 경제성의 양립을 꾀할 수 있다. 시장의 온열에 대한 요구를 만족시키고 발전량의 최대화를 도모하는 데 있어서 효과적인 수단이다.

이 같은 관점에서 상품을 제조하면 ‘발전량 증가’와 ‘품질 및 신뢰성 향상’이라는 두 가지 장점을 얻을 수 있다.

우선 ‘발전량의 증가’ 측면에서 보면, 실리콘 결정질 셀의 경우 1℃의 온도 저하로 0.4% 정도의 발전량 증가를 예상할 수 있으며, 발전 셀 온도를 55℃에서 35℃로 저온화했을 경우 8%의 발전량 증가를 기대할 수 있다는 계산이 나온다.

또, ‘품질 및 신뢰성 향상’ 측면에서는 특히 실리콘 결정질 셀의 경우 셀과 그 주위 탭선 회로 등의 온도를 낮추고 안정화시킴에 따라, 핫 스팟(Hot Spot) 현상에 의한 불량 발생의 위험도를 감소시킬 수 있다.

출력 온열의 고온화

출력 온열을 목욕탕의 급탕이나 실온 난방, 의류 건조 등에 이용시 35℃ 정도의 온열로는 충분하지 않다. 발전량을 약간 희생시키더라도 어느 정도 이상의 고온 온열이 필요하다.

우선, 겨울철에 50℃ 이상의 온열이 필요할 경우 온열 중시의 적외광 투과성이 좋은 커버 유리 및 빛 반사율이 낮은 특성을 가진 발전 셀을 사용한 모듈을 이용한다. 이 때 중요한 것은 패널의 설치 각도는 겨울철 집열에 적합한 각도로 설치하는 한편, 온열 출력의 온도를 높은 온도(55℃ 정도 등 필요한 온도에 맞춰)로 조정하는 것이다. 맑은 날에는 보조 열원(석유, 가스 등)을 이용하지 않고 태양광만으로 조달한다.

또, 반사 집광 방식을 채용해 패널 면적을 줄여 패널로부터 방열되는 열 손실을 감소시키는 것이 고온 온열 출력에는 효과적이다. 반사 집광을 사용할 수 없는 경우에는 패널의 단열 특성을 높이고 방열 손실의 최소화를 도모할 필요가 있다.

한편, 여름철에 고온의 온열이 필요한 경우 태양열을 냉방에 이용할 수 있다면 태양광 풀 이용 시스템의 상품 가치는 비약적으로 향상된다. 현재 사용되고 있는 열원을 이용한 냉방 장치(흡수식, 일부 건조방식도 있음)에서는 70∼85℃ 정도의 비교적 고온의 열원이 필요하다.

이와 같은 고온의 온열을 얻기 위해서, 현재 태양열에 적합한(전력은 출력하지 않는다) 태양열 온수 패널이 이용되는 경우가 많다. 전열 하이브리드(코제너레이션) 패널로도 앞에 기술한 것과 같이, 그 열 특성을 온열 중시 설계로 확보하고 설치 각도를 최적화하면 65℃ 정도의 온도는 실현된다. 또, 반사 집광형을 적용하거나(건물의 반사광을 이용할 수 있으면 더욱 좋다) 65℃ 정도의 열원으로 작동하는 냉방 장치를 이용하면 그 목적을 달성할 수 있다.

경제성, 환경 효과, 세계 거대 시장의 가능성 등에서 전열 하이브리드 패널과 저온에서 작동할 수 있는 열원 냉방기에 의한 시스템 실현은 큰 잠재 가능성을 가지고 있으므로, 향후 유망한 환경 시스템 기기 중 하나로서 대대적인 노력이 필요할 것으로 판단된다.

지금까지 태양광 풀 이용 시스템으로서 태양광으로부터 온열과 전력을 생산해 이용하고자 할 때, 사용자들의 생활이나 경제 활동을 효과적으로 지원할 수 있는 구체적이고 확실한 효과가 있는 시스템을 실현하는 것이 중요하다는 사실을 설명했다.

인류는 지중 에너지를 이용해 전력이라는 문명의 힘을 확보 및 확립하고, 그 전력에 의해 대단히 효율적으로 사람들의 생활과 경제 활동의 구석구석까지 지원할 수 있는 구조와 기기 문화를 구축해 왔다. 그러나 그 일부라도 바꾸고자 할 때에는 재생 가능 에너지로 전력을 대체해야 한다는 관점뿐 아니라, 새로운 에너지를 이용하는 문화를 개척 및 구축해야 한다는 관점도 필요하다는 판단이다.

향후 대처 방법 및 전망

그림 2는 태양광 풀 이용 시스템이 보급됐을 경우 전반적인 미래 사회를 모식화한 것이다.

전력이 가지고 있는 편리성이 현재 사회의 구석구석까지 널리 퍼져 있다는 것은 누구나 잘 알고 있다. 인류가 사용하는 전력의 절반이라도 열 인프라를 통해 공급할 수 있는 사회를 실현할 수 있을지는 장담할 수 없다.

그러나 태양이 대량의 열에너지를 지상으로 보내고 있다는 사실에서 미뤄볼 때, 전력+열에너지로 에너지를 공급하는 사회를 실현하기 위해 연구 개발하는 것은 매우 중요한 일일 것이다. 그 첫걸음으로 태양광 전열 하이브리드 패널의 개발에 주력해 이를 상품화했다. 이를 이용해 태양광 풀 이용 시스템을 실용화하려는 움직임은 청정한 자연에너지로 전력과 열에너지 모두를 다 충족시킬 수 있는 사회 실현을 위해 꼭 필요하다.

태양광 전열 시스템의 실용화

전력과 열에너지 모두를 코제너레이션하는 패널이 높은 변환 효율을 가지고 있다는(현재 패널에서 53%) 사실은 이미 앞서 설명했다. 향후 기술 개발을 통해 PV의 변환 효율이 20%까지 향상되고 온열 변환 효율이 50%로 향상된다면 종합 효율은 70%가 된다. 이 패널에 반사 집광을 조합하면 80% 이상의 태양에너지 변환 장치가 실현될 수 있을 것이다.

이 특성을 가진 태양광 변환 장치의 최대 실용 효과는 필요한 설치 면적이 작다는 점과 사람들의 활동에 필요한 2종류의 에너지를 직접 공급할 수 있다는 점, 이 두 가지다. 예를 들어, 태양광발전처럼 광대한 오픈 스페이스의 이용(메가 발전소)이나 넓은 지붕을 가진 신축 건물, 그리고 고효율 코제너레이션 시스템을 주택 밀집지의 기설 건물에 설치하는 것은 거주 생활지역에서의 본격적인 분산형 에너지 실용화를 위해 가장 효과적인 기술 시책 중 하나라는 판단이다.

또, 생활자의 요구에 맞춰 코제너레이션 시스템과 태양광발전 시스템의 구분 및 양쪽 모두의 패널 하이브리드를 설치하는 시스템은 새로운 시장의 탄생을 예상하게 한다.

전열 코제너레이션 시스템을 설치하면, 도시의 열섬현상 완화 및 대기오염 완화, 에너지 안전성 향상, 이용자의 경제성 서포트, 거대 전력 인프라 투자 삭감 등 많은 효과가 있을 것으로 기대된다.

향후 연구 개발 과제

이 시스템은 가스, 석유, 전력기기와의 하이브리드라는 점에서, 이에 적합한 각종 장치의 개발 및 보급은 새로운 전개에 있어 중요한 요소 중 하나다. 그 예로, 태양열로 40℃ 정도까지 가열된 온열을 이용해 수원을 실용 온도(목욕탕 급탕으로는 50℃ 정도)까지 효율적으로 가열하기 위한 석유 및 가스 급탕 장치는 보급돼 있지 않다. 현재의 기기는 일단 수돗물과 혼합해 온도를 낮춘 후 석유 및 가스 온수기로 가열해서 급탕하는 것으로, 이 경우 태양열은 충분히 활용되지 않는 경우가 많다.

이상의 사례에서 언급한 것과 같이, 현재 많은 기기를 바탕으로 새로운 에너지와의 하이브리드화에 적합한 장치를 개발하는 것이 중요하다. 이는 곧, 사회 인프라의 전환이라는 측면과도 상통한다. 현대 생활의 중심이 되는 지중 에너지 이용을 지표 에너지로 전환하기 위해서는 많은 시행착오를 거쳐야 할 것이다.

분산형 축전 축열 시스템의 실용화

앞서 언급한 것은 분산형 에너지 시스템이다. 태양광발전의 경우 전력 그리드가 잉여 전력을 흡수하는 기능을 담당하고 있지만, 분산형 에너지가 대량으로 보급되면 그 구도는 바뀌지 않을 수 없다.

여기서 설명한 시스템을 활용하면, 향후 분산형 축전지와 분산형 축열조 모두가 필요하게 돼 하이브리드 축적 에너지 시스템이 보급되는 세상이 도래할 수도 있을 것으로 전망된다. 에너지 수급의 위험 분산이라는 관점 및 사회 에너지 인프라의 최적화라는 관점에서 가능성이 있다.

집광 시스템의 실용화

집광에 의한 에너지의 실용화를 위해 지금까지 많은 노력과 도전이 있었지만, 일부를 제외하고는 경제적 우위성이 명확하지 않다. 반사경 플러스 타워형 열발전과 트로프형 코제너레이션 장치 등 속속 실용화되고 있는 집광 시스템은 모두 산업용 및 업무용으로, 민생용 및 주택용으로 실용화하기란 상당히 어려운 현실이다.

태양광 풀 이용 시스템에서는 집광 효과가 발전량과 집열량 양쪽 모두에 미치기 때문에 경제적 이익을 증폭시킬 수 있다. 그동안 일본의 KIS와 GF 기술연구소는 간이 추종형 반사 집광 시스템에 대한 연구를 진행해 왔으며, 그 결과를 보면 실용화될 가능성이 높을 것으로 전망된다.

보급 감당 비용 & 경제성의 실현

지금의 기간 에너지 시스템인 전력 시스템이나 도시가스 시스템은 긴 역사를 거쳐 광역사회 전체를 담당하는 거대 시스템이 됐기 때문에 그 경제성, 편리성, 안전성 등은 대단히 높은 수준에 달해 있다. 그 반면, 태양광 등의 지표 에너지 이용 시스템은 생겨난 지 얼마 되지 않은 갓난아이처럼 작고 미숙한 상태다. 하지만 앞으로 가능성과 잠재성은 인정되고 있다.

이 태양광 코제너레이션을 포함한 지표 에너지 분야는 국가 차원에서 주력해야 할 비즈니스 잠재 가능성이 높은 새로운 분야 중 하나로, 그 활동 목표는 이것을 보급시키기 위해 필요한 수준을 달성하는 것이다.

태양광 전력/온열 코제너레이션 시스템의 필요성

태양광으로부터 전력과 온열을 코제너레이션해 기존 에너지와의 하이브리드 시스템을 실현하고 보급해야 하는 것에 대한 중요성과 가능성에 대해 설명했다. 그렇지만 결론적으로 말하면, 이 상태로는 일본에서 태양광을 이용한 전열 코제너레이션 에너지 시스템을 보급하기란 거의 불가능할지도 모른다.

현재 재생 가능 에너지의 핵심은 태양광발전과 풍력발전이다. 분산형 시스템에서 발전된 출력은 지금까지 인류가 이룩한 거대 에너지 인프라인 전력 시스템과 양립하기 쉽다는 점, 그리고 전력 자체를 다른 에너지 형태로 전환하기 쉽다는 점 때문에, 전력이야말로 인류 경제활동의 재산이라고 생각하는 경향이 강하기 때문이다.

하지만 태양광에너지를 최대한으로 이용해야 할 시기가 바로 코앞으로 다가왔다는 점을 생각할 때, 전력뿐 아니라 온열 에너지를 또 하나의 인프라로 갖춘 사회 실현을 위해 노력하는 것은 의미가 있는 일임에는 틀림없다.

<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.>

SOLAR TODAY 편집국 (st@infothe.com)