개요
태양열은 태양에서 지구로 전달되는 복사에너지를 열에너지로 변환해 온수, 난방, 냉방 또는 발전 등에 이용하는 에너지를 말한다. 대한민국의 재생에너지 관련 법령에서는 태양열 설비를 태양의 열에너지를 변환시켜 전기를 생산하거나 에너지원으로 이용하는 설비로 규정한다.
태양열은 태양광과 같은 태양에너지를 이용하지만 에너지를 얻는 방식이 다르다. 태양광은 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 반면, 태양열은 태양복사를 먼저 열로 바꿔 이용한다.
태양열 이용 원리
태양열 시스템은 일반적으로 집열부, 축열부, 이용부로 구성된다.
집열부에서는 태양복사를 흡수해 물이나 부동액 같은 열매체를 가열한다. 축열부는 낮 동안 얻은 열을 저장해 필요한 시간에 사용할 수 있도록 하며, 이용부에서는 저장된 열을 온수나 난방 등에 사용한다.
태양열 시스템은 일사량과 외기온도, 집열기의 방향·경사각, 집열면적, 축열조 크기 등에 따라 성능이 달라질 수 있다.
집열기
집열기는 태양열 시스템에서 태양복사를 흡수해 열로 변환하는 핵심 장치다.
평판형 집열기는 평평한 흡수판을 이용해 태양열을 흡수하는 방식으로 구조가 비교적 단순하고 온수·난방용으로 널리 활용된다.
진공관형 집열기는 유리관 내부를 진공 상태로 만들어 외부로 빠져나가는 열손실을 줄이는 방식이다. 외기온도가 낮거나 비교적 높은 온도의 열을 얻어야 하는 경우 활용될 수 있다.
이 밖에 공기를 직접 가열해 사용하는 공기식 태양열 집열기도 있다.
축열
태양열은 밤이나 흐린 날에는 공급량이 줄어들기 때문에 생산한 열을 저장하는 축열기술이 중요하다.
가정용 태양열 시스템에서는 보통 물을 저장하는 축열조를 이용한다. 낮 동안 집열기에서 데워진 열매체가 축열조의 물을 가열하고, 필요할 때 저장된 온수를 사용한다.
축열조 용량이 지나치게 작으면 생산한 열을 충분히 저장하기 어렵고, 지나치게 크면 설치비와 열손실이 증가할 수 있어 사용량과 집열면적을 고려해 설계한다.
급탕과 난방
태양열의 가장 일반적인 이용 분야는 생활용 온수와 건물 난방이다.
한국에너지공단 재생에너지센터는 태양열 시스템이 집열부·축열부·이용부로 구성되며, 가정용 온수와 난방용 시스템이 주요 보급 분야라고 설명한다.
주택에서는 지붕이나 옥상 등에 집열기를 설치해 물을 데우고, 저장된 열을 세면·목욕·급탕 등에 사용할 수 있다. 난방시스템과 연계하면 난방에 필요한 에너지의 일부를 태양열로 공급할 수도 있다.
태양열 발전
태양열은 직접적인 온수·난방뿐 아니라 발전에도 이용할 수 있다.
대규모 태양열 발전에서는 거울이나 반사판으로 태양빛을 한곳에 집중해 고온의 열을 만든 뒤 증기를 발생시켜 터빈과 발전기를 돌리는 방식을 사용할 수 있다. 이를 집광형 태양열 발전이라고 한다.
이 방식은 일반적인 주택용 태양열 온수시스템과 달리 높은 온도와 대규모 집광설비가 필요하므로 주로 일사량이 풍부한 지역의 발전시설에 적용된다.
태양광과의 차이
태양열과 태양광은 모두 태양에너지를 활용하지만 최종적으로 생산하는 에너지가 다르다.
태양광 발전은 반도체 태양전지를 이용해 햇빛을 곧바로 전기로 변환한다. 생산된 전기는 가전제품이나 전력망 등에 사용할 수 있다.
태양열은 집열기로 태양복사를 흡수해 열을 얻고 이를 온수·난방 등에 이용한다. 따라서 전기를 주요 목적으로 한다면 태양광이, 온수나 난방용 열에너지가 필요하다면 태양열이 직접적인 활용방식이 될 수 있다.
장점
태양열은 태양이라는 재생 가능한 에너지원을 이용하므로 운전 과정에서 화석연료 사용을 줄일 수 있다.
생활용 온수 사용량이 많은 건물에서는 기존 보일러나 전기온수기의 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 특히 일사량이 충분하고 온수 수요가 꾸준한 시설에서는 활용도가 높아질 수 있다.
집열기와 축열조 중심으로 구성되는 시스템은 비교적 구조가 단순하며 건물의 기존 급탕·난방설비와 함께 보조 열원으로 사용할 수 있다.
한계
태양열의 생산량은 날씨와 계절, 일사량에 크게 영향을 받는다. 밤에는 태양열을 직접 얻을 수 없고 장기간 흐린 날씨가 이어지면 생산량도 감소한다.
따라서 안정적인 급탕이나 난방을 위해서는 축열설비와 함께 보일러·히트펌프 등 보조 열원을 두는 경우가 많다.
또한 집열기 설치면적이 필요하고 배관의 열손실, 동파, 누수, 과열 등을 관리해야 한다. 실제 경제성은 건물의 열수요와 지역 일사량, 설치비, 유지관리 여건 등에 따라 달라진다.
재생에너지로서의 태양열
현행 재생에너지 관련 법령에서는 태양에너지를 재생에너지의 한 종류로 규정하고 있으며 태양열 설비도 재생에너지 설비에 포함한다.
정부의 주택지원사업에서도 평판형·진공관형 태양열 설비와 자연순환식 태양열 온수기 등이 지원대상 설비로 분류될 수 있다.
태양열은 태양광에 비해 국내 전체 재생에너지 생산에서 차지하는 비중은 크지 않지만 급탕과 난방처럼 열 자체가 필요한 분야에서는 전기로 변환하지 않고 직접 열을 이용할 수 있다는 특징이 있다.