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1. 개요
太陽熱發電 / Solar thermal Power태양에서의 열로 터빈 또는 열전 반응을 이용해 전기를 생성하는 발전방식으로, 태양에서의 빛으로 전기 또는 화학 작용을 이용해 전기를 생성하는 태양광 발전과는 구분된다.
한 때, 태양광 발전보다 인지도가 높았지만, 2010년대 중반 이후로 역전되었다.
2. 원리
온도가 높아 태양전지의 효율이 떨어지는 사막에서는 태양광발전보다 태양열발전이 선호되기도 한다. 그러나 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는데는 사막에서 구하기 힘든 물이 필요하다는 문제가 있다. 따라서 사막의 태양열 발전소에서는 터빈을 돌린 증기를 응결시켜 재사용하는 방법이 사용된다.- 터빈 발전 방식[1]
집중형 태양열 발전이라고도 한다. 영문위키 (CSP, Concentrated solar power). 태양열을 거울로 반사, 한 곳에 집중시켜 매우 높은 밀도로 얻어진 열에너지로 터빈을 작동시켜서 전기를 얻는 방식이다. 열에너지를 집중시키는 거울에 따라 종류가 나뉜다. - 평판형 거울
태양열 발전탑이라고도 한다. 영문위키 (Solar Power Tower) - 미국 - 뉴멕시코에 STACEE, 캘리포니아에 Solar2, Ivanpah 등이 있다.
- 스페인 - 안달루시아에 세계 최대 PS10 발전소, 아르메리아에 PSA 등이 있다.
- 대한민국 - 2011년, 한국에서 나름 태양이 가장 많이 쬐는 대구에 116억원을 들여 설치했다. 그럼에도 4만 kW가 유지비로 사용되는데 발전량은 4천 kW였다... 그래서 연구목적 가동만 하며 혈세낭비가 연간 1억 이상으로 심각하자 결국 2019년에 철거되었다. #
- 포물선형 거울
구유형(가축의 먹이 그릇)이라고도 한다. 액체 상태의 염 등 냉각재가 흐르는 관을 가열하고, 뜨거워진 냉각재로 물을 끓여 터빈을 돌리는 방식이다. - 오목 거울
열집중식 태양열 발전(소형), 태양로(대형)이라고도 한다. 영문위키 (Solar Furnace) 집열 장치가 작은 소규모 태양열 발전에 주로 쓰인다. 대형인 경우 2000도 가량까지 열을 낼 수 있어 물을 바로 쪼개어 수소를 생산할 수 있다! - 태양열 풍력 발전
태양열 기류 탑이라고도 한다. 영문위키 (Solar Updraft Tower) 일교차가 있는 곳에 높은 탑을 세우면 탑의 윗부분은 고도가 높아서 기압이 낮고, 아래쪽은 태양열을 이용해서 가열된 공기가 모이도록 하면, 공기가 아래에서 위쪽으로 빨려 올라간다. 이 때 발생되는 공기의 운동에너지로 터빈을 작동시키는 것. 사막에 설치할 경우 사막에서 희소한 자원인 물을 거의 사용하지 않는다는 장점도 있다.
- 터빈 외의 발전 방식
- 에너지 저장 체계 목적
- 태양열 축열 발전
태양열로 염을 녹여 탱크에 저장한 뒤, 필요한 때에 용융염의 열을 꺼내어 터빈을 돌려 발전하는 방식. 꼭 태양열이 아니어도 열을 저장할 수 있다. 계절 단위로도 긴 기간 보관이 가능한 경우 계간축열이라고도 한다.
3. 발전 외 태양열 이용 분야
3.1. 난방
태양광 패널과 접목하여 효율을 향상시킨 태양열 패널 또한 존재한다. 태양광 패널에서 발생되는 열을 태양열 패널이 흡수하여 온수를 가열하는 방식이다. 태양광 패널은 온도가 높아질수록 효율이 낮아지므로 태양광 발전에서의 폐열을 재활용하면 일석이조이다.3.1.1. 온수
건물의 지붕 및 외벽에서 패널 또는 구유식 배관에서 태양열로 물을 가열하여 물탱크에 보관하는 방식. 온수의 생산은 온수 그 자체로 활용하거나 바닥 온돌 난방에 사용 가능하다. 물은 매우 축열성이 높은 소재이기 때문에, 주야간의 일교차가 큰 지역에서는 매우 적합하다.
3.1.1.1. 해수 담수화
2020년, 사우디 신도시 네옴에 물을 제공할 방법으로 영국 솔라워터의 태양열 해수 담수화 장치가 선정되었다. 거울들로 돔에 태양열을 모으고, 그 열로 바닷물을 끓이는 방식. #3.1.2. 공기
영문위키(태양 굴뚝, Solar Chimney)온수 난방보다 드문 방식. 공기를 사용하는 방식의 경우에는 패널 하단에 흡기구, 상단에 배기구를 설치하는데, 이를 개폐식으로 만들어 실내에서 공기를 순환(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 실내로 배기)시키거나, 하계에는 실내의 더운 공기를 내보내는 환기용(실내에서 흡기한 공기를 패널 안에서 가열하여 외부로 배기)으로도 사용할 수 있다. 단순히 수작업으로 만든 패널이라도 동계 주간에는 공기가 30~40도까지 가열되기 때문에 상당한 난방 효과를 얻을 수 있으나, 정작 추워지는 밤에는 도움이 안된다는 것이 약점. 주간에나마 비용을 절감할 수는 있고, 학교 등 주간에만 사용하는 시설이라면 단점이 많이 보충된다.
3.2. 조리
3.2.1. 상자형
상자 안쪽을 검게 칠하고 윗면을 비닐이나 유리로 밀폐하여 상자형/밀폐형이라 부른다. 가장 간단한 구조인, 경첩으로 조절되는 평범한 거울 한두 개를 경사지게 기울여 빛을 반사, 집중시켜 달구는 형태는 만들기가 매우 쉬운지라 오래 전부터 간단한 DIY로도 제작되는 모델이다.솔라 박스 쿠커(Solar Box cooker)라고도 하는 밀폐형은 부피가 작고 휴대가 편하지만, 2시간쯤 걸려야 100도 정도가 한계라서 굽는 요리를 할 수 없어서 제한적으로만 사용한다. 일부에서는 보온용 상자로도 쓰는 듯.
유사한 물건으로 Solar Kettle이라고 하는 원통형 수통이 있다. 투명한 본체에 오목거울을 달고 중앙 촛점부에 검은 축열기를 배치하여, 2시간쯤 펼쳐두면 물이 끓기 직전까지 뜨거워진다. 자외선 소독은 덤이다.
3.2.2. 파라볼라형
거대한 오목거울이나 경사진 거울판 한두 개를 이용한다. 경사 거울 모델의 거울 면을 네잎 클로버처럼 네개 배치하거나 곡면 원형으로 만들어진 금속제 접이식 패널 등으로 빛을 집적하는 구조로, 태양 위치에 맞춰 각도 조절이 가능한 받침, 초점 부분에 냄비를 얹을 수 있는 버팀대로 보통 구성되고, 밀폐형과 달리 상자 크기에 냄비가 제한되지 않으며 초점에 사용하는 냄비를 검게 칠하면 열흡수율이 높아진다. 햇빛을 제대로 모으면 깜짝 놀랄 만큼 고열이 생기므로 밀폐형보다 훨씬 효율적이지만, 부피가 크고 태양의 움직임에 맞추어 패널의 각도를 조절해야 한다는 단점이 있다. 그래도 아프리카 등에서는 연료를 구하기도 어렵기에 적정기술의 일환으로 널리 사용된다.파라볼라형은 적정기술로도 널리 활용되며, 접이식으로 만들어 휴대성을 높이기도 한다. 아무튼 아프리카나 중동에서 연료 걱정 없이 요리할 수 있다면 큰 도움이 될 수밖에 없다.
3.2.3. 셰플러형
셰플러 집열기는 독일인 볼프강 셰플러(Wolfgang Scheffler, 1956-)가 파라볼라형을 개량하여 발명한 것으로, 태양 아래에서 조리해야 한다는 단점을 없앴다. 벽에 구멍을 뚫고 아궁이를 노출한 뒤 아궁이에 패러볼러로 태양광을 집열하는 방식을 취하는데, 집열점 온도가 300도 이상, 검게 칠한 솥을 사용하면 솥 내부는 450도까지 올라가므로 고열을 이용하여 각종 요리를 할 수 있다. 심지어는 낮에 금속 블럭을 가열해 축열하여 2~3일 정도 햇빛이 잘 안 나도 조리에 쓸 수 있다는 듯. 하나의 셰플러 집열기로 50~60명분 음식 조리가 가능하다.인도에서는 학교 기숙사나 산업체 등 공동체 150여 곳 이상에서 셰플러 집열기를 이용하며, 빈민들이 아이를 학교에 보내게 하려는 정책 중 학교에서 아이들에게 식사를 제공하는 프로그램이 있는데, 이것과도 연계되었다. 규모가 이쯤되면 셰플러 조리기를 여러 개 설치할 공간이 나기 쉽지 않으므로 물을 끓여 그것으로 천 명 단위로 대량조리하는 시스템으로 바꾸었다. 인도 티루파티 사원에는 하루에 음식 1만 5천 명분을 조리할 수 있는 대형 시스템이 설치되었다.
외부 온도로 작동하는 것이 아니기 때문에 히말라야에서도 쓸 수 있고, 증류시스템으로도 제안되었다.
3.3. 점화
손바닥만 한 오목거울을 이용한 태양열 라이터도 있다. 초점부에 담배를 꽂는 스프링이 설치된 흡연자용인 듯. 물론 불쏘시개에 점화해 서바이벌 용도로 사용하는 것도 가능.인도에서는 힌두교의 영향으로 장례 방식이 화장인데, 시신은 잘 안 타기 때문에 목재를 300kg, 부유한 이들은 500kg 이상 소비한다. 심지어는 연료를 구하지 못해 전기로 화장을 하는 경우까지 있다고. 이에 따라서 태양열 화장터도 설치되었다.
아르키메데스의 거울의 사례처럼 무기로도 사용이 가능하다. Helio beam (Sun gun). 태양열을 거울로 반사해서 특정지점에 집중시켜서 가열해서 불을 내 공격하는 개념. 하지만 현대에 와서 현실에서 무기용으로 제작되지는 않았다. 또한 밤이나 흐린 날씨에는 사용이 불가능하며, 상위호환의 대체 기술인 광학 병기(레이저)의 존재로 인해 미래에도 무기용으로 쓰일 가능성은 희박하다.
4. 대중매체
1979년 일본 만화 건담 시리즈에 솔라 시스템이라는 아르키메데스의 거울처럼 태양열을 모아 발사하는 무기가 등장한다.2010년 미국 게임 폴아웃: 뉴 베가스에 헬리오스 원이라는 태양열 발전탑 방식의 발전소가 등장한다. 작중 이곳의 지배권을 놓은 큰 전투가 벌어진 적도 있고, 이곳과 관련된 무기까지 등장하는 등 나름 중요하게 다뤄진다.
[1] 화력, 원자력과 열원이 다를 뿐 물을 데워 터빈을 돌려 발전한다는 공통점이 있다. 수력, 파력, 조력, 풍력도 터빈을 돌려 발전한다는 공통점이 있다.[2] 출처: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610214006092