탄소무배출설비(신재생에너지)
태양광 설비
- 감축기술 개요
- 태양광발전(Solar Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로, 다음 그림은 태양광 발전시스템의 구성요소를 나타낸다. 태양광발전 시스템은 발전기에 해당하는 태양 전지 모듈(여러 모듈의 집합체인 어레이), 전력저장기능의 축전장치, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인 PCS (Power Conditioning System), 시스템 제어 및 모니터링과 부하로 구성되어 있음.
- 태양광발전 시스템의 구성요소 중 가장 핵심적인 부품은 태양전지이며,태양전지는 기본적으로 반도체 소자이며 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행함. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀1장에서 나오는 전압이 약 0.5∼0.6V로 매우 작기 때문에 여러 장을 직렬로 연결하여 수 V에서 수십 V 이상의 전압을 얻도록 패널형태로 제작하며 이를 태양광모듈이라고 한함. 또한 이러한 모듈을 여러장으로 직병렬 연결함으로써 부하의 용량에 적합하게 연결하여 설치한 것을 태양광 어레이라고 하며, 이는 회전형 발전방식의 발전기에 해당함. 전력변환장치인 PCS/인버터는 태양광어레이로부터 발생되는 직류전기를 상용주파수·전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계하여 전력을 송전하는 역할을 함과 동시에 시스템의 직류와 교류 측의 전기적인 감시 및 보호를 하는 구성요소로서, 태양광시스템 중에서 태양광모듈 다음으로 가격 비중이 높음.
- 감축기술 특징
- 태양광 설비의 장단점
■ 태양광 발전의 첫 번째 특징이자 장점은 청정하면서 무한정한 태양에너지를 원료비용 없이 사용할 수 있다는 것이다. 2007년 기준 세계 1차 에너지 소비량의 1800배의 태양에너지가 지구상에 유입되고, 따라서 여타 발전방식에 비해 유지 운영에 필요한 비용이 매우 낮음. 그리고 발전과정에서의 소음이 거의 없으며 환경오염이 발생하지 않음.
■ 하지만 태양빛은 낮에만 조사될 뿐만 아니라 날씨상황에 따라서도 변경되며, 국내 신· 재생에너지 보급통계 및 전력거래소 통계에 의하면 국내 가정용 태양광 발전 시스템의 이용률은 15% 내외임. 이는 하루 24시간 중 평균 3.6시간만을 발전한다는 것을 의미함. 즉 주택 지붕에 3kW의 태양광 모듈을 설치하게 되면 30일 동안 평균적으로 3kW*3.6h/ 일*30/월 = 324 kWh/월의 전력량을 만들어내게 됨. 이용률은 지역별 일사량과 밀접한 연관이 있으며 우리나라의 이용률은 독일에 비해 높은 것으로 알려져 있음. 또한 여타 발전원 대비 상대적으로 낮은 이용률이지만 전기 사용률이 높은 시간에 전력생산량도 증가하기 때문에 첨두부하를 낮추는 역할을 함으로써 전체적인 경제성을 향상시킴. 국내에 보급된 태양광발전으로 인해 여름철 전력 수요 피크시간대가 14∼15시에서 16∼17시로 이전되었고 이는 태양광 발전이 여름철 냉방수요를 감소시켜서 안정적 전력수급관리에 기여를 하고 있다는 것을 의미함.
- 태양전지의 작동원리와 종류
■ 태양전지의 기본구조 및 전기 생산과정을 실리콘 태양전지 단면도를 이용하여 구현 했을 때 태양전지는 p형과 n형 반도체를 접합시키고('p-n 접합') 앞뒤 표면에 금속전극을 붙여 제작함. 빛이 반도체에서 흡수되면 전자와 정공 쌍이 생성되고, 전자와 정공은 p-n 접합부에 존재하는 전기장의 영향으로 서로 반대 방향으로 흘러감. 따라서 도선으로 연결된 외부 회로에 전기가 발생하게 됨.
■ 광전 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 (i) 가급적 많은 빛이 반도체 내부에서 흡수되도록 하고, (ii) 빛에 의해 생성된 전자와 정공 쌍이 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 하며, (iii) p-n 접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재 및 공정을 설계해야 함. 한편 빛을 흡수하는 태양전지의 소재에 따라 태양전지는 실리콘계, 화합물계, 유기계로 구분할 수 있으며, 흡수층의 형태에 따라 결정계와 박막계로 구분할 수 있음. 현재 결정질 실리콘 태양전지가 태양전지 시장의 주종을 이루고 있으며, 저가 고기능성화를 구현하기 위해서 많은 기술개발이 진행되는 한편, 미래시장을 두고 결정질 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있는 다양한 신개념 태양전지 기술의 개발이 시도되고 있음. 최근에는 III-V 태양전지뿐만 아니라 결정질, 박막, 페로브스카이트 태양전지의 장점을 조합한 이중접합 태양전지 개발이 활발히 진행중임.
- 태양광설비 종류
- 태양전지는 빛을 흡수하는 소재의 종류에 따라 Si계, 화합물반도체계, 유기계 등으로 분류될 수 있으며, 상용화 순서에 따라서는 1세대(결정질 실리콘), 2세대(실리콘박막, CIGS 및 CdTe 박막), 3세대 (염료감응, 유기) 및 차세대(양자점, 플라즈몬 등)로 분류할 수 있음. 결정질 실리콘 태양전지의 경우 최근 실험실 및 상업용 모듈의 효율이 기술개발에 의해 지속적으로 증가하고 있으며, 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이는 연구가 진행되고 있음. 박막 태양전지 중에서는 고효율화 기술개발과 함께 플렉시블 태양전지의 개발이 진행되고 있음.
1) 결정형 태양전지
▶ 결정질 실리콘 태양전지는 단결정과 다결정으로 나뉘며, 단결정 실리콘 태양전지는 순도가 높고 결정 결함밀도가 낮아 효율이 높지만 고가임. 다결정 실리콘 태양전지는 상대적으로 품위가 낮아 효율은 떨어지지만 제조가 쉽고 저가로 생산할 수 있는 장점이 있어 실리콘 태양전지 수요의 80%를 차지하고 있음. 현재 상용화된 통상적인 결정질 실리콘 태양전지는 P-type의 실리콘 기판에 전극이 screen print된 형태로, 단결정 태양전지의 평균 효율은 18∼19%, 다결정은 16∼17%의 효율을 보이고 있음.
2) 박막형 태양전지
▶ 박막 태양전지는 실리콘 기판 전체를 태양광 흡수에 쓰는 결정질 실리콘 태양전지와 달리 유리나 플렉시블 기판 위에 빛을 흡수하는 반도체 소재를 얇게 증착하는 방식으로 제작하는 태양전지로 실리콘 박막, CIGS, CdTe 등이 있음. 박막 태양전지는 저가의 기판을 사용할 수 있고 공정이 상대적으로 단순하여 단가 절감과 다양한 응용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있으나, 결정질 실리콘 태양전지 가격의 지속적인 하락으로 박막 태양전지를 비롯한 다른 종류의 태양전지 경쟁력이 크게 약화됨에 따라 시장 진입이 지연되고 있음.
3) 인버터
▶ 산업자원부의 대체 에너지 기술개발 실용화 평가사업으로 성능평가 기술 기준을 제정해 2004년부터 태양광발전용 인버터에 대한 인증제도를 도입하였고, 신재생에너지 설비심사세부 기준 NR-PV 502 : 2009 신재생에너지 설비심사세부기준 중대형 태양광발전용 인버터(계통연계형, 독립형) 기준을 운영하고 있음.
- 독립형
■ 독립형 태양광 발전시스템은 태양광으로 발생되는 전력의 생산과 공급을 전력망에 의존하지 않고 자체적으로 해결할 수 있는 발전시스템으로 독립형 태양광 발전시스템은 태양전지 패널, 배터리(Battery), 충전조절기(Charge Controller), AC/DC 인버터로 이루어짐. 배터리는 태양전지 패널에서 생산된 전력을 저장하는 역할을 함. 충전조절기(Charge Controller)는 태양전지 판과 배터리 사이에 위치하여 배터리의 충전상태를 모니터링하고, 충전이 완료되었을 때 태양전지 패널에서 배터리로 전력이 흐르는 것을 방지하여 배터리의 손상을 막는 역할을 할 뿐 아니라 배터리에서 태양전지 패널로 전력이 역류하는 것을 방지하기도 함. 독립형 태양광 발전시스템은 설치지역에 제한을 받지 않기 때문에 주로 전력망 보급이 어려운 산간이나 섬 등의 격오지에 전력을 공급하기 위한 발전시스템으로 널리 사용되고 있음.
- 계통 연계형
■ 계통연계형 태양광 발전시스템은 현재 가장 널리 쓰이고 있는 발전시스템으로 태양전지 패널(Photovoltaic Panels)과 AC/DC 인버터(AC/DC Inverter)로 이루어져 있음. 이는 전력망과 연결되어 있어 가정에서 쓰고 남는 전기는 한국전력에 보내져 판매됨. 태양전지 패널에서는 태양에너지를 이용하여 전력을 생산하고, 이를 통해 생산된 전력이 직류 형태이기 때문에 가정에서 이 전력을 사용하기 위해서는 인버터를 통해 직류 전류를 교류 전류로 변환해주어야 함. 수 kW에서 수 GW까지 설치용량이 다양해 대형 발전소, 상업용, 가정용 발전시스템에 널리 적용되고 있음. 현재 발전단가는 가정용의 경우 W당 2.5달러 정도이고, 대형 발전소의 경우 W당 1.5달러 수준이며, 비록 독립형 태양광 발전시스템에 비해 발전단가는 낮지만 전력망과 연결되어 있어야 한다는 점 때문에 설치지역에 제한이 있음
- 도입효과
- 에너지 절감으로 비용 감소
- CO₂ 배출 저감
태양열 설비
- 감축기술 개요
- 설비형 태양열시스템은 태양열 집열기나 집광장치를 이용하여 태양복사에너지를 열에너지로 변환하여 변환된 열에너지를 직접 이용하거나 별도의 축열장치에 저장하였다가 필요시 사용하는 시스템임. 필요한 온도에 따라서 집열기는 평판형(Flate plate collector), 진공관형(Evacuated tube collector) 및 집광장치(구유형(PTC, Parabolic Trough Collector), 접시형(Dish), 타워형(Tower)) 등 다양한 것들이 있으며, 용도에 따라서 냉난방 및 온수급탕용, 산업공정열 등으로 구분됨.
- 한편 태양열을 고온으로 집광하여 발전을 하는 태양열 발전시스템은 태양복사광선 중 직달성분만 고밀도로 집광하는 집광장치와 집광된 고밀도의 일사에너지를 열에너지로 변환하는 흡수부, 이 에너지를 이용하여 발전하는 발전기로 구성됨. 또한 열에너지를 저장하는 저장기가 있으며 일사량이 부족할 때에 저장된 열에너지로 전력을 생산할 수 있도록 함.
- 감축기술 특징
- 태양열시스템 구성 요소
1) 태양열 집열기
▶ 태양열 집열기는 태양 복사에너지를 열에너지로 변환시키는 장치이며, 태양열 집열기는 집열온도에 따라 분류됨. 집열온도는 집열기의 열손실율의 크고 작음과 집광장치의 유무에 따라서 결정됨. 즉 집열기로부터 주변으로의 열손실이 작을수록 즉 열성능 부분에서 설명할 열손실 계수가 작을수록, 그리고 빛을 모으기 이전의 일사 면적의 이후 면적에 대한 비율인 집광비가 클수록 높은 온도를 얻을 수 있음.
▶ 저온용 집열기는 태양광선을 집광하는 장치 없이 집열을 하는 집열기로, 평판형 집열기와 진공관형 집열기가 대표적인 집열기임. 이중에서 진공관형 집열기는 유리관 내부를 진공으로 만들어 열손실을 최소화시킨 것으로 비 집광형 집열기 임에도 불구하고 비교적 높은 온도를 집열하는 데 효과적임. 또한 평판형 집열기의 경우에도 단열재와 몸체 부분을 진공 단열재를 적용하여 열손실을 줄이고 효율을 향상시켜 높은 온도의 집열이 가능함. 저온용 집열기의 일종으로서 태양광발전모듈과 집열모듈을 결합한 태양광열 복합 집열기(Solar photovoltaic-thermal hybrid collector)가 있으며, IEA SHC의 집열기 보급통계자료인 Solar Heat Worldwide 자료에서는 공기식, 진공관식, 집광식, 투과체를 갖는 액체식, 비투과체 액체식 집열기 등으로 구분하고 있음.
2) 축열조
▶ 태양열집열기에서 생산한 열에너지를 저장하기 위한 태양열 축열조는 열에너지를 저장하였다가 필요한 시간에 공급하기 위해 필요한 장치임. 태양열시스템에서 축열은 집열되는 시점과 사용시점이 일치하지 않기 때문에 필요함. 태양열 축열은 현열축열과 상변화 물질을 활용한 잠열축열에 의한 방법이 있으나, 현재는 저온용으로는 물의 온도를 올려서 축열하는 현열축열(Sensible heat storage)방법이 주로 사용됨.
▶ 태양열 집열 열교환기의 축열조 내부에 삽입 여부, 온수열교환기 또는 온수탱크를 난방 축열조 내부에 삽입 여부 등에 따라서 여러 가지 형태가 있을 수 있음. 대부분의 태양열 축열조는 일반적으로 물의 온도를 높여 열에너지를 저장하는 수축열조이며, 온도가 높은 물이 축열조 상단부에, 그리고 온도가 낮은 물은 하단부에 위치하도록 하는 온도 성층화 장치가 있음.
- 태양열시스템 종류
- 태양열 온수 시스템
■ 태양열 온수시스템은 소규모와 대규모의 태양열시스템으로 구분할 수 있으며, IEA에서는 500㎡ 이상의 집열기 설치면적을 대규모로 정의하고 있음. 주택이나 건물에 주로 적용되는 소규모 태양열 온수시스템은 난방이나 급탕온수 등에 이용되고 있으며 태양열 온수 급탕시스템과 집열부가 동일하며, 축열조로부터 난방부로 공급되는 것과 보조 보일러와의 연결이 약간 다름. 소형시스템의 경우에는 시스템 단순화를 위해서 집열 열교환기를 축열조 내부에 위치시키기도 함. 태양열을 이용하여 주택의 난방에 활용하는 경우 집열기의 면적이 온수급탕용에 비하여 더 증가하게 되므로 여름철에 난방부하가 없기 때문에 집열기의 과열 등 문제가 발생될 수 있으므로 적정한 집열기의 면적 범위에서 설치하여야 함.
- 태양열 냉난방 시스템
■ 태양열 냉방은 난방 및 온수부하가 적은 하절기에 일사량이 많은 태양열을 냉방에 사용할 수 있다는 측면에서 장점이 있음.일반적으로 태양열 냉방은 기존의 냉방시스템 중 열에 의해서 구동되는 것을 태양열로 대체한 것이고 따라서 태양열을 높은 온도로 집열하고 축열함으로써 생기는 단점을 줄이기 위해 가능한 한 낮은 온도로 작동될 수 있도록 개발된 것이 태양열 구동 냉동기임.
■ 태양열 냉방기로 개발되어 사용되고 있는 것들은 다음과 같은 것이 있음.
▶ LiBr/물 등과 같은 작동매체를 활용하는 1중 효용 흡수식 냉동기
▶ 액체 및 고체 흡수제를 활용한 제습냉방 시스템
▶ 제올라이트, 실리카겔과 같은 고체 흡착제를 활용한 흡착식 냉방시스템
■ 최근에는 1중 2중 겸용 흡수식 냉동기도 연구된 바가 있음. 이 냉동기는 태양열로 구동될 때는 성능이 낮으나 작동온도가 낮은 1중 효용으로 작동되고, 보조열원으로 작동될 때는 작동온도도 높고 효율이 높은 2중 효용으로 작동됨.
- 산업용 태양열시스템
■ 산업분야에서 필요로 하는 열(온수 및 스팀)을 태양열시스템으로부터 공급하는 것으로, 저온에서부터 고온까지 다양하며, 하절기에도 태양열을 효과적으로 사용할 수 있음. 산업에서의 열공급 방식은 연료(LNG, B-C유 등) 및 전력을 이용한 방식으로 안정적인 열원공급이 요구됨. 따라서 저온 태양열 시스템의 대규모 블록 히팅(Block heating) 적용 및 연간 지속적인 태양열 사용을 통한 온수 공급이 가능하기 위하여 집단 열공급을 위한 태양열 집열기의 최적 설계, 설치를 위한 예측 및 운전 기술 필요함. 또한 산업용 증기 공급을 위하여는 중온용 태양열 시스템 기술이 요구됨.
■ 국내에서는 저온용 태양열 시스템은 상용화하여 사용하고 있으나 건물용에 한정되어 있으며 산업용으로 거의 활용되고 있지 않음. 이는 산업용 전기, 연료 값이 저렴하고 24시 간 운전이 필요하기 때문으로 간헐적인 태양에너지를 이용하는 태양열시스템의 특성상 산업용에 적합하지 못한 측면이 있으나, 해외에서는 공정열의 일부를 공급하거나 열저장 을 통한 열공정과 적절한 통합화를 이루어 실적용이 이루어지고 있으며, 기후변화에 대응한 온실가스 저감을 위하여 기존 화석연료 소비를 대체하거나 절감하기 위한 측면에서 태양열시스템의 적용이 확대되어야 할 것임.
- 태양열 발전시스템
■ 태양열 발전은 태양광을 집광하여 고온 환경에서 고온, 고압의 증기를 만들어 터빈(Turbine)을 구동, 전기를 생산하는 방식이며 일부 스터링엔진(Stirling Engine)을 사용하기도 함. 집광형식으로 구분하면 태양을 1축으로 추적하며 선(Line)집광이 가능한 구유형(Parabolic Trough)과 선형프레넬형(Linear Fresnel)이 있으며 태양의 고도와 방위를 추적하여 고온의 점(Point)집광이 가능한 타워형 (또는 중앙흡수형)(Central Receiver System)과 접시형(Dish)이 있음. 이를 발전형식으로 나누면 기존 기력 발전소의 증기터빈으로 구동하는 구유형, 타워형 및 선형 프레넬형과 스터링엔진으로 전력을 생산하는 접시형이 있음.
■ 현재 구유형과 타워형은 이미 상용화 되었으며 구유형은 작동유체로 주로 합성유를 사용함으로서 합성유의 특성상 400℃가 이용 가능 한계로 발전효율 향상을 위한 기술적 포화단계에 있으나, 타워형의 경우 600℃ 이상 고온을 이용한 발전이 가능하여 초임계 발전 등 다양한 발전형태와의 접목을 통해 발전효율을 높이고 발전단가를 낮추기 위한 연구개발이 추진 중에 있음. 선형 프레넬 집광은 타워형과 같은 고온 발전은 어렵지만 고효율 냉방이 가능한 중고온 영역에도 활용할 수 있으며 활용 범위가 넓다고 할 수 있으나 발전측면으로는 구유형보다 집광 효율이 낮아 아직 대중화 되지 않고 있음. 접시형은 수∼수십 kW급의 분산형 발전이 가능하며 태양에너지 전환 전기생산 효율이 30%에 도달할 정도로 높은 효율을 나타내지만 태양열 발전 방식 중 가장 가격이 높은 시스템으로 보급에 한계를 보이고 있음.
- 도입효과
- 에너지 절감으로 인한 비용 감소
- CO2 배출 저감
- 온실가스 감축 효과 산정 방식
- 베이스라인 배출량(사업 전)
- 프로젝트 배출량(사업 후)
- 온실가스 감축량
설치사례 분석
- 설치 사례 문헌조사
- 신재생에너지(탄소무배출설비) 관련 감축기술 사례 3건을 조사한 결과 탄소무배출설비 특성상 베이스라인 배출량이 존재하지 않고 절감액을 발전순수익으로 책정하는 경우와 생산되는 전력을 자가사용함으로써 전력사용량을 줄이는 사례로 나뉘었음. 다른 감축기술과는 다르게 투자비 회수기간이 길다는 특징을 가지고 있음.
- 설치 사례 현장조사
- 탄소무배출설비(신재생에너지)를 이용한 감축사례를 분석 한 결과 앞의 사례와 마찬가지로 탄소무배출설비 특성상 베이스라인 배출량이 존재하지 않으며 생산되는 발전량이 온실가스 감축량이 됨.
'기후변화 감축 기술 정보' 카테고리의 다른 글
| 온실가스 감축기술 7탄 - 탄소포집기술(CCU, CCS, CCUS) (1) | 2022.10.15 |
|---|---|
| 온실가스 감축기술 6탄 - 폐기물 열분해 시설 (0) | 2022.10.12 |
| 온실가스 감축기술 4탄 - 고효율기기 (0) | 2022.10.10 |
| 온실가스 감축기술 3탄 - 인버터 제어형 공기압축기 (0) | 2022.10.09 |
| 온실가스 감축기술 2탄 - 인버터 (0) | 2022.10.08 |