신재생에너지 2

신재생에너지 2

출처; 에너지관리공단 신재생에너지센터

4. 태양열

• 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지의 광열학적 이용분야

• 태양열의 흡수, 저장, 열변화 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등 에 활용하는 기술

• 태양광 중의 적외선을 집광하여 열로 변환한 후 증기를 발생시켜 발전하는 시스템

• 직달광만 집광할 수 있고, 날씨가 흐리면 급격하게 효율이 나빠짐

• 산란광이 많은 지역에서는 충분한 효율을 얻을 수 없음

출처; http://gtska.com

4.1 시스템 구성

구분 자연형 설비형

저온용 중온용 고온용

활용온도 60℃이하 100℃이하 300℃이하 300℃이상

집열부 자연형시스템

공기식집열기 평판형집열기

PTC^*형 집열기 CPC^**형 집열기 진공관형 집열기

Dish형 집열기 Power Tower

태양로

축열부 Tromb Wall (자갈, 현열)

저온축열 (현열, 잠열)

중온축열 (잠열, 화학)

고온축열 (화학)

이용분야 건물공간난방

냉난방․급탕 농수산(건조, 난

방)

건물 및 농수산분 야, 냉․난방, 담수 화, 산업공정열,

열발전

산업공정열, 열발 전, 우주용, 광촉 매폐수처리, 광화

학, 신물질제조

*PTC(parabolic trough solar collector)

**CPC(compound parabolic collector)

4.2 태양열 종류 및 특징

(1)Parabolic Trough Collectors

• PTC의 반사면은 trough의 초점에 놓인 집열관에 태양열을 모음

• 집열관 내의 가열된 열매체는 파이프를 통해 터빈/발생기에서 사용을 위해 열교환기로 수송되어 증기로, 때로는 직접 집열관에서 증기로 만들어지기도 함

• PTC는 1축이 고정되어 태양을 추적

• 공정열이나 화학반응을 위해 열을 제공하기 위해 사용되며, 현재는 전력 생산을 위해 많이 사용되고 있다.

출처; http://blog.naver.com/

daramjuo

(2)Power Tower

• heliostat가 중앙 타워에 설치된 집열기에 태양 일사를 반사하고 모으는 역할

• 집열기의 열전달 매체로는 축열조를 거쳐 전력 변환 장치에서 전기를 생산

출처; http://blog.naver.com/daramjuo

(3)Dish System

• dish의 초점에서 태양열을 모음

• 이 집열기는 태양 에너지를 직접 열로 변환시켜 열로 직접 이용하거나 화학공정에 사용할 수 있으며 가장 보편적인 사용형태는 전력생산

출처; http://blog.naver.com/daramjuo

(4)Solar Chimney

• solar chimney의 구조 : 지상의 집열기 + 굴뚝

• 작동 원리 : 지상의 집열기는 얇은 금속 막이나 유리와 같은 투명한 재료로 덮어져 있어 -> 그 안의 공기를 태양열에 의해

가열시킴으로써 온실 효과를 일으켜 -> 가열된 공기를 중심부에 설치된 굴뚝을 통하여 상승 -> 연속적으로 자연순환에 의해 굴뚝의 하단부에 위치한 발전기 역할을 수행하는 공기 터빈을 작동시켜 발전

• 집열기(온실에서의 가열 공기)와 굴뚝 상단부의 대기 온도와의 차이가 크면 클수록, 굴뚝 위에서는 더 큰 압력 강하가 일어남

출처; http://blog.chosun.c om/gimbyngh

4.3 태양열 온수 급탕시스템

• 태양열 온수기의 구조

- 태양의 방사열을 받는 집열기 - 얻어진 온수를 모으는 저탕탱크 - 열을 실내로 보내는 배관으로 구성

• 태양열 온수기: 집열기와 저탕탱크가 일체인 온수기 - 보통은 펌프가 없음

• 태양열 급탕시스템 :

- 집열기와 저탕탱크가 독립되어 있고, 펌프로 열매체를 강제 순환시키는 방식.

• 강제 순환되기 때문에 무거운 저탕탱크를 지붕 위에 둘 필요가 없고, 열원기기와 접속 사용할 수 있으므로 온도 조정이 용이

1)

• 집열부 : 태양에너지를 흡수하여 열매체에 열을 전달

• 축열부 : 가열된 열매체를 저장

• 이용부 : 저장된 열매체를 취출하여 이용

• 조절부 : 열매체의 이동을 제어

• 이용부에는 난방 또는 급탕을 위한 팬코일, 히팅패널, 보조열원 등이 사용

• 자연형 시스템에서는 조절부가 없으며, 설비형 시스템에서는 펌프, 온도센서, 온도차 제어기 등과 같은 조절장치가 사용된다.

태양열 이용기술

집열부 (자연형, 설

비형)

이용부 (급탕, 냉난

방, 산업발 전 등) 축열부

(저온, 중고 온, 화학 등)

(1)집열장치

• 집열기는 태양열에너지를 열매체에 전달하는 1차 열교환기

• 종류 : 평판형 ‧ 포물경형 ‧ 집광형 등

• 태양열 난방 및 급탕용 : 평판형 집열기가 많이 사용

• 투명덮개

• 흡열판

• 단열재

출처; http://greenhomekorea.org

(2) 축열탱크

• 축열조 : 흡수된 태양에너지를 저장하는(야간, 흐린 날에 대비) 열저장 장치

• 일반 급탕설비의 저탕조

(3)열원 보조장치

• 날씨가 흐리거나 외부기온의 강하 시 부족열량을 공급하는 장치

(4)제어장치

• 집열펌프의 자동작동

• 열매체 누출감지

• 동결방지 등.

2)

• 가정용 설비로 많이 사용

• 태양열을 이용, 물의 온도를 높이는 집열장치

• 보통 표면이 검은 스테인리스, 구리파이프를 집열파이프로 이용, 투명한 뚜껑이 달린 상자에

넣어 지붕 등에 설치

• 태양광선이 집열 파이프에 닿으면 태양에너지가 열로 전환

파이프 온도가 50~60도로

올라가고 이 파이프를 통과하는 물의 온도도 상승하므로

더운 물을 얻게 됨

출처; http://gtska.com

(2) 진공저탕형

• 중온 이상의 온도 : 진공관형 등 고집광 시스템 등이 사용

• 산업공정, 대용량 급탕 및 냉난방시스템에 적합, 최근에는 가정용 설비로 보급

• 유지관리가 용이, 설치각도의 제한이 없음

출처; http://gtska.com

단일진공관형 이중진공관형

3)

(1) 자연순환형 태양열온수기

• 원리 : 자연대류(온도차에 의한 작은 압력차로 순환)

• 구성 : 평판형 집열기, 축열탱크, 물을 연결하는 관

• 경제적, 간단

• 설계, 작동 및 관리가 용이

• 주택, 학교, 사무실 등

(2) 태양열 급탕시스템(강제순환형)

• 축열탱크를 지붕 위에 두지 않고 지상 또는 지하로 내려 사용(동절기 중 동파의 염려가 없음)

• 집열기에서 획득한 태양열은 열매체 순환펌프에 의해 축열조로 이동, 저장되며 동력을 위한 설비가 추가됨

4.4 Solar pond

• 2 ~ 3m 넓이에 수천m

²

• 연못 속에 소금물을 넣어 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도차에 의해 층을 형성하게 되어 축열을 하는 방식

• 깊이는 약 10m이상으로 이 물의 온도는 약 70℃정도가 됨

출처; www.energyeducation.tx.gov

• 보통 세 개의 층(Layer)으로 나누어짐

• 소금물의 밀도에 따른 층별 구성

- 맨 윗층은 밀도가 0-5%인 자연대류층

- 중간층은 밀도가 포화상태인 23%정도에 이르기까지 약 1m 깊이에 걸쳐 구배(Gradient)되어 비대류 특성을 갖는 층

- 맨 아래층은 포화되어 있는 대류층으로 구성

solar pond in El Paso ►

출처; http://windenergy7.com/turbines

5. 풍력발전 시스템

5.1 현대풍력발전 특징

1) 풍력터빈발전기

• 19세기까지의 옛날 풍차 : 제분이나 양수용으로 사용

- 바람에 의해서 구동되거나 풍차의 기계적 동력은 풍차간 안에 설치된 연자매를 돌리거나 양수나 관개용 펌프를 구동하는데 사용

• 현대 : 중형, 대형 풍차는 99%가 발전기를 구동(이용 가치 보편화)

- 연자매나 양수 펌프를 풍차간 안에 설치해야 하는 공간적 속박에서 해방 전력 케이블만 연결되어 있다면 어디서든 풍력 에너지를 이용

2)고속, 고성능 풍차

• 고성능 풍차 설계를 통해 풍력 에너지의 50% 가까이 동력으로 이용할 수 있게 됨 (중세 풍차의 효율: 25%)

• 풍차 날개의 재료 : 가벼우면서도 강도가 높은 신재료 개발(금속재료와 강화플라스틱재료(FRP)

3) 집합화, 대형화

• 풍차의 취득 에너지 : 임펠러(impeller)의 회전 면적에 비례 - 지름을 배로 하면 획득하는 에너지는 4배

• 풍차의 지름이 커지게 되면 -> 풍차도 높이 솟게 됨 : 대형기일수록 상공의 고속바람을 포획하게 됨

• 1980년대 초반에 불과 50kW급이 한계였으나 지금은 500~700kW로 대형화되었고, 개중에는 수MW급도 모습을 보이고 있음

출처; http://blog.naver.com /daramjuo

5.2 개요

• 풍력발전은 블레이드의 회전을 통해 발생하는 공기 역학적 힘을 전기적 에너지로 변환하여 생산하는 시스템

• 산악지역이나 해안 지방, 도서 지방과 같이 바람이 비교적 많이 부는 곳에 설치하는 것이 경제성 있음

5.3 장점

- 부지의 효율적 이용 : 풍력 발전시스템이 차지하는 면적은 풍력발전단지의 1% 내외, 기타 지역은 농장 및 목축 등으로 활용가능

- 낮은 유지비용 : 연료비가 들지 않고 무인운전으로 유지보수비용 절감

- 수려한 외관으로 인한 관광산업 개발이 가능

- 지구온난화 방지를 위한 적극적 대체 안 : 무공해 청정에너지로 온난화 방지를 위한 국제 여건 변화에 발 맞추어 대체할 수 있는 가장 유망한 대체에너지 자원

5.4 구성

① 로터계(로터와 로터 축)

② 전달계(동력전달축과 증속 톱니바퀴)

③ 전기계(발전기와 부수되는 전력기기)

④ 운전·제어계(피치제어, 요제어, 블레이드 등)

⑤ 지지·구조계(타워, 기초 등)

5.5 용도에 따른 분류 1)

• 바람 양이 적어 충분한 양의 전기를 사용하지 못할 경우

2) 독립 전원형

• 계통을 연결하지 않았기 때문에 별도의 전기 저장장치 필요

5.6 구조에 따른 분류(회전축방향)

1

) 수평축 방향

• 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치

• 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리

• 바람의 방향에 영향을 받음

• 준대형급 이상은 수평축을 사용

• 100kW급 이하 소형은 수직축도 사용됨

출처; http://blog.daum.net/2008211904

2) 수직축 방향(다리우스형)

• 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치

• 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능

• 소개가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점

출처; http://blog.daum.net/2008211904

5.7 풍력발전 설비과정

1) 풍향조사: 지역의 연평균 풍속을 기상관측소를 통하여 알아냄 5.6m/s 이상 되어야 경제성이 있음

2) 설치용량 정하기: 일반적 가정에 평균 1.5kW의 전기를 사용하나 풍력발전기의 경우 바람의 질에 많은 영향을 받기 때문에 일반적으로 25%의 이용효율을 감안하면 6kW급의 풍력발전이 필요

3) 설치지역에 대한 타당성 검토: 설치 후 전력을 사용하고자 하는 방법과 설치지역 등에 따라 가격이 달라지기 때문에 시공업체를 통해 정보를 받은 후 검토

5.8 건물적용 사례

도로용 풍력발전 시스템

출처; http://cafe.naver.com/hansem

출처; http://blog.naver.com/giant50

출처; 중앙일보 기자블로그 “녹색연금술사”

6.1 개요

• 지열 : 지표면의 얕은 곳에서부터 수 km깊이에 존재하는 뜨거운 물과 암석을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지

• 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며 지표면 가까운 땅속의 온도는 대략 10~20 ℃정도로 연중 큰 변화가 없으나 지하 수 km의 지열온도는 40~150 ℃ 이상을 유지함

• 지열에너지원은 무궁무진

• 우리나라의 경우 심층지열 이용은 매우 어려운 것으로 나타나고 있으며, 이에따라 현재는 지하 100~150m깊이의 지열을 이용하는 시스템의 개발 보급이 점차적으로 활성화되고 있음

6. 지열시스템

6.2 지열 기술

• 지열은 건물의 냉난방 열원으로 활용

• 주요설비 : 지열을 회수하기 위한 열교환기 + 회수한 저온의 지열을 유효에너지로 변환시키기 위한 히트펌프(heat pump)

• 히트펌프 : 지열과 같은 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치

- 열을 빼앗긴 저온측은 여름철 냉방에, 열을 얻은 고온측은 겨울철 난방에 이용

6.3 시스템구성도

출처; 에너지관리공단 신재생에너지센터 지열에너

지

• 발전(100^oC~)

• 직접이용(30^oC~)

• 히트펌프 열교환기 이 용(5^oC~)

6.4 시스템종류

• 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 폐회로(closed loop)와 개방회로(open loop)로 구분

• 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 폐회로로 구성 - 파이프내에는 지열을 회수(열교환)하기 위한 열매가 순환 - 파이프의 재질 : 고밀도폴리에틸렌이 사용

• 폐회로 시스템의 구분 : 수직, 수평루프시스템

출처; 에너지관리공단 신재생에너지센터

• 수직형 지중 열교환기 : 토양속에 수직으로 매설 - 타 시스템에 비해 매설에 필요한 부지가 적게 필요 - 가장 효율이 높은 시스템

-일반적으로 지중 열교환기는 75 ~ 180m에 매설, 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 사용

• 수평형 지중 열교환기 : 파이프가 지면에 수평으로 매설 - 시공비용은 저렴

- 학교나 공공기관 및 운동장, 주차장에 매설하여 부지가

충분할 경우 경제적인 시스템

6.4 시스템종류

• 개방회로 : 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것

• 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용

• 개방회로는 파이프내로 직접 지열source가 회수되므로 열전달효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점

• 폐회로에 비해 보수가 필요한 단점

출처; 에너지관리공단 신재생에너지센터

6.4 시스템종류

• 지표수 열원 히트 펌프 시스템

- 자연, 인공연못, 호수 등을 활용

- 일반적으로 폐쇄형 지표수 열원 히트펌프는 나선 형상 사용

• 에너지 말뚝형

- 건축물의 토목공사시 현장 타설말뚝, 가시설 벽체, 베드기초 등에 지중 열교환기를 삽입하는 방식