0. 목차
- '태양열 발전'이란?
- '태양열 발전' 산업
- 집광형 태양열 발전
- 집광형 태양열에너지 저장 기술
- '태양열 발전' 기술 발전 방향
- '태양열 발전' 관련 기업
1. '태양열 발전'이란?
'태양광 발전'은 태양으로부터 오는 빛에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전 방법으로, '태양광 패널(Solar Panel)'이 빛을 흡수하면 물질의 표면에서 전자(Electorn)'가 생겨 전기를 발생시킨다. 즉, 태양빛을 직접적으로 활용하여 전기를 생성한다. 태양광 발전을 위한 시스템은 크게 '태양 전지(Solar Cell)'로 구성된 모듈(Module)', '고성능 축전지', '전력 변환 장치(Power Converter)'로 구성되어 있다.
한편, '태양열 발전(CSP: Concentrated Solar Power, 집광형 태양열 발전)'은 '태양광 발전'과는 달리, 태양의 '열에너지(Heat Energy)'를 이용한 발전 방식이다. 태양열로 물을 끓여 증기를 발생시키고, 이를 이용하여 '터빈(Turbine)'을 돌려 전기를 생성한다. '태양광'과 마찬가지로 '태양열 발전' 또한 햇빛이 비칠 때에만 그 열을 모아 터빈을 돌려서 전기를 생산할 수 있다.
'태양열 발전(CSP)'은 거울로 반사된 태양열을 한 곳에 집중시켜 얻은 열에너지로 '발전기(Generator)'를 작동시켜 전기를 얻는 방식이 주를 이룬다. 태양의 열로 직접 물이나 공기를 가열시켜 가정의 난방열이나 온수로 사용하는 '태양열 패널 방식'도 주간·야간의 일교차가 큰 지역에서 적합한 방식으로 알려져 있다. '집광형 태양열 발전'의 종류로는 '파라볼릭형(Parabolic Trough)', '선형 프레넬(Linear Fresnel Reflector)', '타워형(Central Receiver)', '접시형(Parabolic Dish)' 등이 있다.
2. '태양열 발전' 산업
'태양광 발전 산업'은 '풍력 발전 산업'과 더불어 대표적인 신재생에너지 분야이다. 태양 에너지 산업은 초기에는 정부의 지원정책을 바탕으로 성장하는 것이 일반적이며, '태양광 시장'이 '태양열 시장'보다 월등히 큰 시장을 형성하고 있다. 태양광 산업은 '태양 전지(Solar Cell)' 제조 분야와 발전 산업을 비롯하여, '자동차', '건축', '전자제품' 분야의 산업과 연계되어 있다. 한편 '태양열 산업'은 발전 산업과 더불어 주로 '주택 난방', '급탕' 분야 관련 산업과 연계되어 있다. 대규모 태양열 발전설비는 기본적으로 '집광(Concentration)', '흡수(Absorption)', '저장(Storage)', '발전 시스템(Power Generation System)' 등의 제조업으로 이루어져 있다. 산업적으로는 발전 산업과 직접 연계되어 있으며, 가정용으로는 태양열 주택 산업을 포함한다.
'태양광 산업'과 '태양열 산업'의 각 범주는 상당 부분 겹치게 되는데, 각 국가별로 어떠한 산업이 성장하는가는 차이가 있다. 특히 '태양열 발전' 분야는 '직사광(Direct Light)'이 매우 중요하기 때문에, 고위도 지방에 속하는 국가에서의 활용성은 비교적 낮을 수밖에 없다. 반면, 태양광 분야에서는 '고효율 태양전지' 및 '저장 장치'의 도입으로 이러한 문제를 극복하고 있다. 제품군으로는 '태양 전지(Solar Cell)', '반사경(Reflector)', '축열설비' 등의 구조적 차이를 가지고 있다. 해당 기술 분야를 기선점하고 있는 국가 및 기업이 주도적인 시장선도를 하고 있는 점에서, '태양광 산업'과 '태양열 산업'은 일부 차별화되는 것으로 볼 수 있다.
3. 집광형 태양열 발전
'집광형 태양열 발전(Concentrated Solar Power)'은 '국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)'에서 발간한 지구온난화 억제 기술에 관한 ETP 2008에서도 지구 온난화를 억제하는데 중요한 17개 기술 중의 하나로 제안되기도 하였다. 다만, '집광형 태양열 발전'은 직사광을 이용하므로, '선벨트(Sun Belt)' 지역이 아닌 한국에서는 설치에 적합하지 않은 편이다. '선벨트(Sub Belt)'란 북위 37˚ 이남의 따뜻한 지역을 말한다.
그러나 국제적으로는 북아프리카 사막지대에 집광형 태양열 발전을 설치하여, 발전 전력을 고압직류송전으로 유럽에 보내는 계획이 추진되고 있고, 여기에는 유럽 외에도 '미국', '일본' 기업이 이 계획에 참가를 표명하고 있다. 상대적으로 태양열 발전에서 후발주자인 한국도 '열매체(Calorie Meter)', '직류 송전(DC Electric Power Transmission)', '축열(Heat Storage)' 등 '집광형 태양열 발전' 관련 기술의 연구개발 등을 통해 태양열 발전 분야에 진출이 이루어질 수 있다.
'집광형 태양열 발전(Concentrated Solar Power Generation)' 적용 분야를 살펴보면, 전통적인 태양열의 기능인 '온수·급탕', 온수·난방 겸용 기기인 '콤비 시스템(Combi System)', 냉난방용 태양열 '히트 펌프 시스템(Heat Pump System)', '산업공정 열 시스템(Industrial Process Heat Systems)', '지역 난방 시스템(District Heating System)' 등으로 다양하게 확대되고 있다.
다만, '유럽연합(EU: European Union)' 지역에서는 태양열에너지 비중이 줄어들고 있는 추세이다. '유럽 재생에너지 연구소(Observ' ER)'에 따르면, 덴마크와 폴란드만 예외일 뿐 EU 내 모든 국가에서 태양열에너지 비중이 줄고 있다. 심지어 EU 태양열에너지 생산량의 38%를 차지할 정도로 태양열에너지 이용률이 높은 독일에서도 2015년 태양열 에너지 시장 규모가 10%나 줄어들었다.
4. 집광형 태양열 에너지 저장 기술
- 간접 용융염 에너지 저장 장치(Indirect Molten Salt Energy Storage System): '집광형 태양열 에너지 저장 장치' 중에서 '간접 용융염 에너지 저장 장치(Indirect Molten Salt Energy Storage System)'가 가장 널리 사용되고 있다. 이는 일정한 속도로 에너지를 방출할 수 있는 장점과 높은 효율성 때문이다 '직접 용융염 에너지 저장 장치(Direct Molten Salt Energy Storage System)'도 유사한 장점을 가지고 있지만 '중간 에너지 저장 매체'가 없는 차이점이 있다. '직접·간접 용융염 에너지 저장 장치'는 용융이 얼지 않도록 적절한 온도를 유지해 주어야 한다. 또한 용융의 시작 가격에 따라 저장 장치의 가격이 변동하기 때문에, 안정적이면서 저렴한 용융의 공급 또한 중요한 선결 과제이다.
- 증기축열식 에너지 저장 장치(Steam Storage Type Energy Storage System): '집광형 태양광 에너지 저장 장치' 중에서 '증기축열식 에너지 저장 장치(Steam Storage Type Energy Storage System)'는 빠른 반응속도와 높은 방출률이 장점으로 꼽힌다. 하지만 비교적 큰 규모와 높은 '증기압(Vapor Pressure)'을 견디기 위해서 필요한 두꺼운 외벽 구조를 만들어야 하므로, 비용 증가로 이어진다는 단점이 있다. 비교적 작은 사이즈의 저장 장치의 경우에는 '용융염 에너지 저장 장치'보다 '증기축열식 에너지 저장 장치'가 경제적인 저장장치로 볼 수 있다.
에너지 저장 수준은 다양한 외부 조건에 의해서 조금씩 상이할 수 있다. 가령 '사이클의 출력과 효율', '발전소 부지', '시장 상황', '저장 시간', '원재료 비용', '운영 및 유지 보수 비용' 등에 의해 상이해질 수 있다. 이런 요소를 모두 고려했을 때, 태양열 발전 방식이 최적에 이르는 비용을 산출할 수 있다. 또한 이 분석을 바탕으로 보다 경쟁력 있는 태양열 발전 설비 시스템으로 거듭날 수 있을 것이다.
집광형 태양열 에너지 저장 장치 시스템은 크게 세 부분으로 구성된다. '저장 물질', '열전달 장치', '저장 탱크(Storage Tank)'가 그 구성요소이다. '저장 물질'은 열에너지를 저장하는 역할을 하며, 열 혹은 잠열 형태로 저장하게 된다. '열전달 장치'는 저장된 열을 저장물질로부터 열을 전달하는 파트를 담당한다. '저장 물질'을 최적화하기 위해서는 '에너지 밀도(Energy Density)'와 '안정성'이 높아야 한다. 이러한 태양열에너지 저장 장치 시스템은 크기와 비용이 적절해야 소비자들이 사용하기 용이하다. 이러한 사용 기준 모두가 중요하며, 태양열에너지 저장 장치 시스템을 설계하기 위해서 모두 고려해야 한다.
5. '태양열 발전' 기술 발전 방향
'태양열 발전 시스템(Solar Power Generation System)'은 '태양열 집열기(Solar Collector)'의 종류에 따라 구분된다. '태양열 집열기(Solar Collector)'는 '평판형(Plate Type)'과 '진공관형(Vacuum Tube Type)'이 많이 쓰인다. '평판형'은 난방·급탕 등 '저온 분야(취득온도 60~100℃)'에 많이 쓰이고 낮은 온도에서 높은 효율을 유지한다. 한편, '진공관형'은 냉난방·산업공정열 등 '중고온 분야(취득온도 80~200℃)'에 많이 쓰이고, 진공을 통한 열손실을 차단하며 설치면적의 30% 절감이 가능하다. 따라서 향후 기술 전망은 '고효율'과 '저면적 설치 가능 시스템'의 개발 위주로 이루어질 전망이다.
6. '태양열 발전' 관련 기업
| 기업 | 국적 | 설립 |
| 헤왈렉스(Hewalex) | 폴란드 | 2009년 |
| MF 에너지 솔루션(MF Energy Solution) | 인도 | 2014년 |
| Solar Skies | 미국 | 2006년 |
| SunMaxx Solar | 미국 | 2006년 |
| TVP Solar | 스위스 | 2008년 |
- 헤왈렉스(Hewalex): 'Hewalex'는 2009년에 폴란드에 설립되어, '태양열 집열기(Solar Collectors)'를 개발·판매 중에 있다.
- MF 에너지 솔루션(MF Energy Solution): 'MF 에너지 솔루션(MF Energy Solution)'은 2014년 인도 뉴델리에 설립되어, 태양 에너지와 청정 에너지 생성 시스템을 제조·판매 중에 있다. 태양에너지의 실용적인 비용 절감 솔루션을 제공하며, '태양열 발전 시스템(Solar Power System)'의 '설치', '시운전'을 수행하고 있다.
- Solar Skies: Solar Skies는 '태양열 집열기(Solar Collector)', '태양열 탱크(Solar Tank)' 관련 부품의 주요 제조·공급 업체 중 하나이다. 'Solar Skies'는 다양한 모델 시리즈와 댱한 크기의 제품을 제공하며, 이 제품들은 가정용 온수 및 공간 난방을 포함한 주거용으로 사용된다.
- SunMaxx Solar: SunMaxx Solar는 '태양열 온수기', '태양열 온수 시스템' 관련 부품의 제조·공급 업체 중 하나이다.
- TVP Solar: 'TVP Solar'는 스위스 '제네바(Geneva)'에 설립되어, TVP 충전 기술을 사용하여 개발된 고진공 평면 태양열 패널을 제조·판매 중에 있다.