신재생 에너지 1

신재생 에너지 1

두바이 세계무역센터

출처; http://cafe.naver.com/seonjeart

1.1 신재생에너지 이용의 필요성 1) 에너지 과소비 도시의 불편

- 에너지 과소비로 시민들의 생활은 편안하고 풍요로움 - 개개인의 일상은 진정한 의미에서 풍요로워지지 않음

Ex: 알레르기성 비염, 냉방병

2) 가까운 것이 안전하고 평화롭다.

- 2003년 8월 14일 뉴욕시의 29시간 동안의 대규모 정전사태(Black out) → 경제적 손실 11억 달러, 지역 내 총생산 손실 등을 합하면 피해규모 약 60억 달러

- 중앙 집중형 시스템에 대한 의존도, 편의성 향상의 결과 ->

이상기후, 단순화재, 사고로 인한 도시 전체의 시스템의 마비

1. 재생 에너지 개요

3) 생태적 빚에서의 해방

- 에너지 이용에 따른 환경피해를 유발한 책임과 피해의 정도가 도시 및 도시 내 다양한 집단에 따라 다르게 전달

- 화석연료를 쓰는 도시는 혜택보다 더 많은 피해를 제 3의 도시에 전가시키는 ‘생태적 빚’을 지는 것이다.

1.2 정의

- 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물 유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지

1.3 종류

- 태양에너지

- 생물자원을 변환시켜 이용하는 바이오 에너지 - 풍력

- 수력

- 연료전지

- 석탄을 액화·가스화한 에너지 및 중질잔사유를 가스화한 에너지 - 해양에너지

- 대통령령이 정하는 기준 및 범위에 해당하는 폐기물 에너지 - 지열에너지

1.3 종류

1) 태양에너지

- 태양광 : 반도체에 태양광을 비추어 생기는 광전효과를 이용하여 전기를 발생

- 태양열 : 태양의 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변환 2) 생물자원을 변환시켜 이용하는 바이오 에너지

- 바이오 에너지 : 태양광을 이용하여 광합성 되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물

유기체(바이오매스)의 에너지

- 바이오 에너지 생산기술 : 동·생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를

생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등을 일컬음.

1.3 종류

3) 풍력

- 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력 계통이나 수요자에게 공급하는 기술

4) 수력

- 물의 유동에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 것 5) 연료전지

- 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지

1.3 종류

6) 석탄을 액화·가스화한 에너지 및 중질잔사유를 가스화한 에너지 - 가스화 복합발전기술(IGCC:Integrated Gasification Combined

Cycle) : 석탄, 중질잔사유 등의 저급원료를 불완전연소 및

가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어

정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈 등을 구동하여 발전하는 신기술

7) 해양에너지

- 조력발전 : 조석을 동력원으로 하여 해수면의 상승하강 운동을 이용하여 전기를 생산하는 발전 기술

- 파력발전 : 입사하는 파랑에너지를 구동하여 변환하여 발전하는 기술

- 온도차 발전 :해양 표면층의 온수(예 : 25∼30℃)와 심해

500∼1000m정도의 냉수(예 : 5∼7℃)와의 온도차를 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 기술

1.3 종류

8) 대통령령이 정하는 기준 및 범위에 해당하는 폐기물 에너지

- 사업장, 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 가공·처리 방법을 통해 -> 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생에너지

9) 지열에너지

- 지열이란 : 지표면의 얕은 곳에서부터 수㎞깊이에 존재하는 뜨거운 물과 암석을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지

- 지열을 통상 건물의 냉난방 열원으로 활용하거나 발전

2.1 국가별 신재생 에너지 발전설비 현황

2. 신재생에너지 동향

2.2 국가별 각국의 신재생에너지 공급 비중

구분 한국 덴마크 프랑스 미국 독일 일본

공급율(%) 2.1 13 6.4 4.5 3.8 3.7

*IEA 2005 자료(`03기준, 한국은 05년) : 폐기물, 대수력 포함

유럽연합(EU) 의 신재생 에너지 공급 목표 (발전량 대비)

3.1 개념

 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환 -> 태양전지 / 발전시스템 기술

 태양전지를 이용하여 태양빛을 받아 바로 전기를 생성하는 기술

 시스템의 구조가 단순, 유지 보수가 거의 요구되지 않음

 수명 : 20 ~ 30년 정도로 길다.

 안전하고 환경친화적임

 발전 규모 : 주택용 ~ 대규모 발전용까지 다양

3. 태양광(Photovolatic)

3.2 특징

장 점 단 점

•에너지원이 청정하고 무제한

•필요한 장소에서 필요한 양만 발전 가능

•유지보수가 용이하고 무인화 가능

•20년 이상의 장수명

•건설기간이 짧아 수요증가에 신속히 대응가능

•전력생산이 지역별 일사량에 의존

•에너지 밀도가 낮아 큰 설치면 적 필요

•설치장소가 한정적이고 시스템 비용이 고가임

•초기투자비와 발전단가가 높음

•일사량 변동에 따른 출력이 불 안정

3.3 기본원리

 p형과 n형 반도체를 접합시키고 (‘p-n 접합’) 금속전극을 붙여 제작

 광기전력효과 (Photovoltaic Effect)를 이용 : 반도체가 태양빛을 흡수하면 전기가 발생되는 원리

 반도체 접합부에 태양빛이 입사 -> 접합부에서 전자가 발생 ->

외부회로에 전류가 흐름

출처; http://sdistory/

3.4 구성

 태양전지 모듈 : 빛을 받아 전기를 생산

 배터리 : 생산된 전기를 저장

 인버터 PCS(power conditioning system) : 전기를 직류에서 교류로 변환, 전력계통에 연결시키는 등의 기능

 전력계통이나 다른 전원에 의한 백업(back-up)기능

 발전된 전력을 공급하기 위한 대상 부하

출처; 친환경건축, 임만택저, 보문당, p 226

3.5 태양전지

셀(Cell)

- 태양광에 노출되면 전기를 발생하는 얇은 정방형 의 반도체 디스크

-태양전지의 기능을 가지는 최소의 단위 -크기 : 10*10㎝, 12.5* 12.5 ㎝, 15*15㎝

(Module) 모듈

- 태양전지 셀을 여러 장 모아서 규격화시킨 것 - 공사 시에 취급하는 최소단위

- 모듈은 셀을 이어 맞추어, 사용하는데 편리한 전 압을 꺼낼 수 있도록 패키지에 모아둔 것

어레이(Array)

- 한 개 혹은 여러 개의 모듈을 특정 전력량에 맞 게 전기적 배선을 연결한 형태

- 큰 전기를 꺼낼 수 있도록 모듈을 발판에 늘어놓 은 것

• 에너지 변환 효율의 향상 방법

① 많은 태양빛이 반도체 내부에 흡수되게

② 생성된 전자가 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 ③ p-n 접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재 및 공정을 디자인

※ 태양전지는 주로 실리콘 소재로 제작

- 현재 상용화된 제품의 효율 : 15% 정도(즉 태양빛의 일사 강도 가 1 kW/m ² 이라면 태양전지는 0.15 kW/m ² 의 전력을 얻을 수 있다.)

- 이론적인 최대 효율 : 30% 이하, 실제적인 실험 최대치는 28%

임

<단결정> <다결정>

• 태양전지의 분류

출처; 이건창호

• 태양전지별 장단점

3.6 시스템 분류

1) 독립형(off-grid, stand alone system)

• 계통선이 공급되지 않는 산간벽지, 도서지역 등에 전력을 공급하기 위한 시스템

• 주간에 발생시켜 남은 전력을 축전지에 저장하였다가 야간에 사용

• 부하의 종류와 시스템의 구성에 따른 분류 : 직류부하용, 교류 부하용, 보조 발전기 보완형 시스템

• 주로 등대, 중계소, 인공위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용

• 발전의 불안정성을 보완하기 위하여 축전지와

보조발전기를 사용하는 것이 일반적

2) 계통 연계형(grid connected system)

• 계통선이 공급되는 지역에서 사용

• 태양전지를 이용하여 주간에 생성된 전력을 인터버를 통하여 계통선에 연계하여 전력을 공급하거나,

부하측에 직접 전력을 전달

• 계통연계 보호 장치를 통하여 태양전지에서 발생된 전력이 계통선과 연계 (∵ 계통선이 안정을 유지하기 위하여)

• 주택, 빌딩 등의 옥상, 대규모(수 MW 급) 발전

시스템에 사용

• 태양광 설계 컨셉

출처; 한국건설기술 연구원

3.7 건물 적용 태양광발전 시스템

3.7 건물 적용 태양광발전 시스템

장 점 단 점

•증가하고 있는 건물 전력 소비 지원가능

•여름철 냉방부하 등으로 인한 전력피크 완화

•별도의 설치 부지가 필요 없이, 실제 거 주면적이 협소한 지형 조건에 적합

•생산지와 소비자가 동일하여 송전 등으 로 인한 전력 손실 최소화

•PV를 건물 외장재로 사용하여 건설시 재료비용 절약

•환경친화적인 건물 의장 요소로서 건물 의 가치 향상에 기여

•PV에 대한 홍보의 장으로서의 역할 가 능

•지상용에 비해 고려해야 할 사항들이 더 많이 있음 (온도, 음영, 미관 등)

•향, 설치각도 등 제약

•시공 상의 어려움

1) BIPV( Building Integrated Photovoltaic)

• 건물에 일체화된 PV시스템

• 장점:

- 건물의 외장재로서 사용되어 비용을 절감 - 건물과 디자인적인 조화가 잘 이루어짐 - 건물의 부가적인 가치를 향상

• 단점:

- 온도 등을 고려

- 신축건물, 기존 건물을 개보수하는 경우에 적용 가능

• BIPV를 구성하는 태양전지 모듈 종류 - 단결정 및 다결정의 결정계

- a-Si계 2종류가 실용화

• BIPV의 시공

- 건자재를 건물에 설치하는 공법과 근본적으로 동일

- 단자함이나 전선 등의 처리를 고려

• 건축 디자인 측면에서 모듈의 크기․형태,

셀의 종류, 색깔, 크기, 배치, 광투과율, 단자함 등에 대하여 설계 단계에서부터 건축

디자인과 충분히 협의

▲ solar tower-German Ekoviikki PV

Building project – Finland ►

(1) 설계 시 고려사항

항 목 내 용

건자재로서

의 성능유지 BIPV 모듈은 건축부재로서 성능을 유지할 필요

재료로서 성능 이외에 시공상 충분한 품질 보증이 필요

크기 및 형 태

모듈의 크기 : 건자재로서 필요한 작업범위 등을 확보하지 않 으면 안됨

시공의 용이성과 전기적 출력을 담당하는 출력단자의 형상에 주의 해야함

조립 및 배 선

조립 : 태양전지를 의식하지 않는 일반적인 건자재로서의 조립 이 가능해야 함. 모듈간의 출력용 배선은 외형적으로 미관에 주의하여야 하며 건축설계자와 상담하여 배선할 필요가 있다.

보수점검 기본적으로는 보수점검이 불필요하게 설치되어야 함.

불가피한 경우 교체 가능한 방법을 강구해야 함 String(집합

체, 줄)의 구 성

BIPV는 방위각이나 경사각 측면에서는 이상적이지 못한 경우 가 많음

각 방위각 및 경사각마다 스트링을 구성함

(2) 경제성

• PV모듈의 가격 : 70년대 1W당 $100에서 최근 $6 이하로 하락

• 효율 : 4 ~ 5%에서 15%이상으로 향상, 이론 상 25%이상의 효율도 개발

• 태양광발전은 기존 화석연료 발전에 비해 경제성이 크게 떨어짐 : PV 시스템에서 모듈(혹은 패널)이 차지하는 비용은 30 ~ 40%에 지나지 않는 반면 인버터나 배터리 등을 포함한 BOS(Balance of System)가 차지하는 비용이 크기 때문

• 일반적인 태양열 발전시스템의 비용 : 시스템의 크기에 따라 1W당 10 ~ 20불 - - 발전단가로 환산하면 1 kw당 0.15 ~ 0.25불(약180- 300원)에 해당(현재 전기가격에 비해 약 3배 이상 (국내 kwh당 약 70원 ~ 100원) 높음)

(3) 경제성-에너지절약효과

• BIPV시스템 활용

- 주로 건물의 외벽과 지붕 등의 벽체 마감재료로 사용 - 각종 차양장치

- 천창과 수직창 등의 일사여과장치(solar screening device)로도 사용

• BIPV가 차양장치나 일사여과장치로 사용되는 경우 건물의 냉난방부하를 크게 절감

• 에너지절약효과가 실현되기 위해서는 설계초기단계에서 건축가의 세밀한 건물에너지분석이 뒤따라야만 함

(4) 경제성-인센티브

• 대체에너지의 보급확산을 촉진하기 위하여 각종 정책적 수단 사용

• 인센티브제도 : 보조금, 금융혜택 제공, 건축규제의 완화를 통한 간접적인 경제적 이득을 제공

• 우리나라의 경우 대체에너지이용촉진법에 따라 시설설치에 따른 보조금지급제도와 융자제도가 시행 중

•각종 건물의 성능평가와 인증제도에서 BIPV의 적극적인 이용으로 건물의 에너지성능 및 환경성능을 인증 받을 경우 건물의 가치상승에 따라 경제성 향상 가능

(5) 경제성-다기능성

• 복합적 기능 : 전력생산시스템 + 건물의 외피를 구성하는 건축자재

• PV시스템을 건물의 외피와 일체화하여 설계단계에서부터 건축의 구조, 기능 및 형태를 고려한 통합시스템으로 구축 (기존의 건축물에 PV시스 템을 별개로 설치하는 것이 아님)

• BIPV시스템의 다기능적 특성이 경제성을 확보방법 - 규격의 표준화

- 주변 자재와의 조화

- 구조적 안정성 등을 확보하는 것이 필수적

2) PVIB(Photovoltaic in Building)

• 본래 건물의 일부분으로 계획되지 않았으나, 건물이 완전히 지어진 후에 건물에 PV를 부착, 거취 시킨 것

• 장점 :

- 시공이 용이

- 신축 및 기존 건물에 적용 가능

• 단점 :

- 별도의 지지물이 필요 - 건물과의 부조화 가능성

3.8 적용 위치별 분류

1)건물 상부 외피 요소

• 건물의 구조 및 재료에 관계없이 독립적으로 태양광발전 설치 가능

• PV를 경사지게 설치하기 때문에 일사 획득 용이

• 신축 건물이든 기존 건물이든 어디에도 사용될 수 있음

출처; 친환경건축, 임만택저, 보문당, p 233

2)건물 입면요소

• 태양광을 수직으로 받게 되므로 비교적 효율이 떨어짐

• 건물 부지를 최대한도로 이용

• 내부 공간도 기존 건물과 같이 효율적으로 이용할 수 있음

• 수직벽면에 미적인 파사드를 제공하기 위해 다양한 사이즈, 형태, 패턴과 색상의 PV모듈을 추가할 수 있음

• PV모듈을 다양한 기능의 건물재료로써 적용할 수 있음

출처; 친환경건축, 임만택저, 보문당, p 234

3)차양채광요소

• 전력 발전 + 빛 조절 기능 + 건물의 이미지를 향상하는 디자인적인 요소로서의 역할

• 적용기법 :

① 셀 자체를 아주 미세한 구멍을 만들어 빛이 투과할 수 있는 모듈을 제작하여 사용하는 방법

② 셀 사이에 일정한 간격을 두어 모듈을 제작하는 방법이 사용됨

• 전력 발전이라는 본래의 기능을 저해할 수 있으므로, 유리 및 태양전지, 전기 특성을 잘 고려하여 디자인해야 함

• 과도한 직사일광의 유입을 막고 재실자로 하여금 불쾌감을 유발하는 현휘 등을 방지하기 위해 사용되는 차양 요소로 사용되기도 함

출처; 친환경건축,

임만택저, 보문당, p 234

3.9 시스템 적용 시 검토 사항

1) 방위, 설치 경사각도

• 지역별 특성에 따라 차이가 있으며 태양복사량은 위도에 따라 변화

• 최대 획득량은 시스템의 설치 위치 즉, 경사각 및 방위각에 의해 결정

PV타입 경사각도

Thin Film Sillicon Mono-Crystalline Sillicon 남동향 정남향 남서향 남동향 정남향 남서향 수직 외벽 2.00 2.15 2.13 3.50 3.75 3.72 30° 경사지붕 2.96 3.09 3.08 5.18 5.41 5.38 45° 경사지붕 2.86 3.03 3.01 5.00 5.30 5.26 설치방향 및 경사 각도에 따른 시스템 출력[MWh/y]

2) PV시스템의 온도상승과 변환효율

• PV모듈은 전기를 발전하는 과정에서 자체적으로 발생하는 열과

주변대기의 상태에 따라 온도가 상승하게 되어 실제적 변환효율은 더 낮아짐

• 태양전지모듈의 자체 온도가 1℃ 상승함에 따라 변환효율은 0.5%정도 감소 -> 자체 냉각효과를 가질 수 있는 건축적 디자인 방안이 필요

•덧대기 방식

-간격유지로 PV통풍, 자연 냉각기능 :변환효율 양호 -건축물 초기 단계에서 적

용 적합

•덧붙이기 방식

-냉각작용이 미약하므로 모 듈 온도 상승 : 효율 감소 -비교적 설치 용이

•건물일체화 방식

-건축요소로 가장 바람직함 -고도의 설치기술 요구

3) 인접건물과의 거리(인동거리)

• 도심지와 같이 건물간의 거리가 조밀한 경우 연중 상당기간 동안 음영에 의한 영향을 받게 됨

• 공동주택의 경우 저층 주거시 음영문제가 큰 영향을 끼침

• 20층 이상의 고층 공동주택의 경우 인동거리가 59.8m이상이 필요

4) 식생

• 식재를 통한 음영으로 태양광발전시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음

• 조경계획 시 가능한 건물의 북측에 식재를 하며, 2층 높이를 넘지 않는 나무를 선택해야 함