-특징 : 중온(100-200℃), 평판형과 동일한 설치가능, 집광비

<그림>CPC(compound Parabolic Concentrator)형 태양열 집열기

*CPC형 집열기 : 유리관내 포물선형 반산판과 흡수관을 구조 태양에너지 흡수면적이 입사면적보다 작음 -특징 : 중온(100-200℃), 평판형과 동일한 설치가능,

집광비 10이하

*집광형 집열기 : 고온으로 태양에너지를 집열 -분류 : 일반 집광방식

고집광과 초고온 태양로

-일반 집광방식 :

홈통형(PTC,Parabolic Trough) : 300

℃

중앙타워(Central Tower) : PTC 보다 높은 온도

Parabola Dish : 소면적 고집광, 스터링엔진 등 구동 복합방식 : 1,2차 집광, 초고온 획득

-고집광과 초고온 태양로 : 초고온 태양에너지 집광 1000~수천K

화학반응 등에 이용

8-8. 태양열 축열 기술

*축열 시스템의 요구 조건

-단위 용적당 축열용량이 클 것 -값이싸고 해가 없을 것

-수명이 길 것

-열확산계수가 커서 열저장 속도가 클 것

-집열/방열 시스템과의 연계조합이 쉬울 것

8-9. 축열방법의 종류

*축열방법

: -현열이용 -잠열이용

*축열온도에 따른 분류

-

저온저장 : 100 ℃ 이하 –난방

-중온저장 : 100 ~ 500 ℃ – 산업공정 -고온저장 : 500℃ 이상 -산업공정

*축열 저장기간에 따른 분류

-

저장 기간에 : 단기저장과 장기저장

-냉난방의 경우 : -단기 저장 : 2~3일 저장

-장기 저장 : 하절기 열을 대수층(aquifer) 저장 동절기 사용

*저장 에너지 형태에 따른 분류 -

열 저장(thermal storage)

-전기 저장(electrical storage)

-기계적 저장(mechanical storage) -화학적 저장 (chemical storage)

-현열(sensible heat) 이용 현열 축열의 종류 :

-축열매체 : 액체식과 고체식

-저장온도 : -저온 저장 :100 ℃ 이하 : 평판형 액체식/기체식 -고온 저당 : 수백 ℃ 이상 : 집광형 집열기

-현열 이용 액체 축열 열매 : 물, 다우썸, 프로필렌 그리롤 등 100 ℃ 이하 가정용 열매는 경제성이 중요 : 예) 물

-현열 이용 태양열 저장의 특징 : 저가(경제적) 장수명

잠열저장 비교 큰 축열조

불균일 저장온도

-잠열((Latent heat) 이용

-잠열:

물질의 상이 변화할 때 등온에서 흡수 방출되는 열 예) 얼음의 융해열 80cal/g, 물의 기화 잠열 : 540cal/g

-열 저장 매체 :

유기물 : 파라핀 와스 등

무기수화염 : 망초나 염화칼슘 6수화물 등 (고온 :) 불화물, 합금

-잠열 저장의 특징 :

작은 공간

균일 저장 온도와 저 열손실

-잠열 축열 방법 :

-(열저장 매체) 관형/구형 용기나 선반에 넣고 (공기)열매를 용기 밖으로 유동

-열 저장 매체 저장조에 코일을 통하여 (물)열매를 유동

*축열장치 분류

-관상형과 캡슐형

-히트파이프 이용, Moving scraper이용, 직접접촉식, 회전형

-화학 축열

: 확학반으로에 동반하는 방열, 흡열을 이용한 열저장

-화학 축열 특징 :

-열 저장 방식과 비교 축열 밀도가 큼 -보온재 없이 장기간 열저장이 가능

-화학 축열 분류 :

-폐쇄계(closed system)

: 방열과정-가압, 축열과정 - 감압 -개방계(open system)

:최대 승온 온도는 대기압 평형온도

-화학 축열재 선정 고려 항목 :

-축열 온도와 용량 -축열 및 방열 속도

-축열 물질의 취급사의 문제

*축열 시스템 설계

-축열조의 형상 및 재질 선정 : 축열 매체, 축열 온도 -축열조 온도 성층화 : 온도 변화에 따른 밀도 이용

예)상층부 고온(저밀도) 하층부 저온

(고밀도)이용시 대류 미발생-효율 증대

*축열 제어방법에 따른 분류 :

-차온제어(Differnetial Temp. control scheme) : 집열 및 축열 펌프의 on-off제어,

집열기 상하단부의 온도차가 11 ℃ 이상이면 펌프 작동, 3-5 ℃ 이하가 되면 펌프 중단

-비례제어(Proportional control scheme) : 순환 열매체의 유량까지 제어,

일사량에 따라 펌프의 회전수 제어를 통한 적당한 유량제어 -동파방지제어

-과열방지제어

*태양열 시스템 구성 :

-집열부(Collector element)

-축열부(Thermal storage element)

-분배 및 활용부(Distribute & Use element)

*태양열 시스템의 분류 :

-자연형(passive) 시스템 : 자연순환 방식, 외부로부터 에너지 공급업이 전도, 대류, 복사에 의한 열전달

-설비형(active) 시스템 : 기계적 강제순환 방식, 펌프나 송풍기의 외부 에너지 이용에 의한 열전달

-혼합형(hybrid) 시스템 : 자연형과 혼합형의 병용

8-10. 태양열 이용 시스템

자연형 난방 냉방 온수 설비형 난방 냉방 급탕

*용도별 분류

<그림> 설비형과 자연형 태양열 시스템

<그림> 자연형 태양열 시스템의 구성 <그림>자연형 시스템의 작동원리

8-11. 자연형 태양열 시스템

*자연형 태양열 시스템의 분류

: 태양에너지의 활용과 물리적 변환 등에 의한 분류

*적용 방법상의 분류 :

-직접 획득형(Direct gain) -간접 획득형(Indirect gain) -분리 획득형(Isolated gain)

*물리적인 분류 :

-직접 획득방식 (Direct gain)

-축열식 방식(Thermal storage walls)

-축열 지붕 방식(Thermal storage Roof, Roof Pond) -부착 온실 방식(Attached Sun spaces)

-자연 대류 방식(Convective loop)

-혼합형(Hybrid system)

<그림> 직접획득방식의 유형

-직접 획득형 자연형 태양열 시스템:

단순,

태양거주공간축열복사(난방), 태양에너지의 60-70% 집열,

실내온도 변화폭이 큼(5~17 ℃)

<그림> 간접획득(축열벽)방식의 유형

-간접 획득형 자연형 태양열 시스템 : (출열벽 방식)

실내의 온도는 축열벽의 두께와 관계

-축열 지붕 방식

:

냉난방에 효과적, 북위 36도 이하에만 가능, 축열성 건물 3-5 ℃, 비축열성 건물 5-8 ℃, 기온 일교차가 심산 지역(사막)에 유리

<그림>축열지붕방식의 개념

- 부착온실 방식 :

거주공간과 분리된 별개의 공간에 에너지를 저장해 두었다, 필요시 사용

집적획득방식과 간접획득(축열벽)방식의 절충

-자연대류 방식 :

자연대류 방식에 의한 열매체를 작동, 집열부와 거주공간 분리

주로 온수급탕용으로 사용

-장점 : 집열체의 태양 노출이 좋음

주택 벽체나 개구부 설계에 ㅇ유통성 -단점 : (집열기의) 설치공간 확보

자연형 냉방(Passive cooling) :

인체에 쾌적한 냉방,

태양 복사열과 같은 열공급원을 차단하고 천공, 습한 표면과 같은 열 흡수원(heat sink)를 적극적 으로 이용,

증발내각, 축열재, 자연환기, 야간 천공 복사, 자연형제습 등

-자연환기에 의한 자연형 조절 -구조체 냉각을 위한 자연 통풍 -대기 복사 냉각

-증발냉각(건조지역)

8-12. 자연형 냉방

설비형 태양열 난방 시스템 :

집열기로 집열 열매체로 직접 실내 공기를 가열 사용함,

- 종류 :액체식과 기체식

8-13. 설비형 태양열 시스템

-액체식 태양열 시스템 :

집열 열전달매체로 물이나 부동액을, 축열매체로 물을 주로 사용,

수조식 축열조에 현열, 잠열형태로 저장,

집열기내 열매체 설계 유량 0.1m

²

당 0.015liter/sec, 50~100liter 수량 결빙과 부식 문제

-공기식 태양열 시스템 :

집열기에서 승온된 공기를 실내와 축열조에 유송, 자갈식 축열조,

집열 공기 설계 유량 0.1m2당 5-20liter/sec, 축열조 용적 0.12-0.3m3 수량

결빙문제가 없고, 부식이 작음

공기 열전달 계수가 작아 열교환기가 커야함 동력소비가 큼

축열조 먼지 축적

*설비형 태양열 시스템의 구성

*설비형 태양열 냉방 시스템 : 주거냉방과 냉장도 가능, 난방과 병행하는 시스템 구성,

높은 온도가 필요 시스템효율 저하, 축열조/집열기의 고시설비가 단점

*분류 :

-흡수식 : 85 ℃ 중저온 열원 필요 -제습냉방

-증기 압축식 : 상품화, 저경제성 -흡착식

8-14. 설비형 태양열 냉방 시스템

* 연구개발 중인 태양열 냉방 및 냉도 시스템 예

-흡수식 태양열 냉방 :

85 ℃ 중저온 열원 필요, 냉방, 난방, 급탕 가능, 정숙한 운전, 대용량도 가능, 부분부하에서도 성능저하가 거의 없음, COP= 0.1-0.2(집열면 기준)

태양열은 용액(흡수제, 냉매)에서 냉매를 증발 분리에 이용 -

분류 : 밀폐형과 개방형

-태양열 제습냉방(Desiccant Cooling) :

공급 실외기를 제습 후, 증발냉각장치에서 냉각하여 실내로 공급, 태양열은 제습재의

재생에 이용

-개발된 제습기 종류 :

-태양열 흡착 (Adsorption)식 냉방 :

고체흡착제의 온도에 따른 냉매의 평형 흡착량이 변하는 현상을 이용 냉방, COP=0.4, 활성탄의 재생온도는 최대 140

℃

보통 100

℃

전후

흡착제 가열(태양열) 냉매탈락 증기압 증가 응축기 응축 흡착제 냉각 냉매흡착 증기압 감소 증발기 증발

-사용 흡착재/냉매 :

*태양열 온수/급탕기 :

40~60

℃

정도의 저온 집열, 집열 장치가 저가, 다순한 구조, 생산 및 설치에 경제성이 높음, 냉난방과 비교

이용률이 높음, 흐린날/겨울철에서도 효과적, 실용화 단계.

*종류 :작동유체의 순환에 동력사용 여부 -자연형(Passive) : -배치(batch)형

-자연대류형

-상변화형(Phase Change type) -설비형(Active) : -밀폐식

-개폐식 -배수식

8-15. 태양열 온수/급탕기

-배치(batch)형 온수/급탕기 :

설계 및 제작이 가장 간단,

태양에 노출된 축열조(집열기능)와 야간 단열덮개, 2/3중 창,탱크내의 성층화가 성능에 큰 변수

-자연 대류형 온수/급탕기 :

축열조가 집열기 상부에 설치됨, 집열기에서 데워진 축열매체가 축열조에 성층화, 온도차에 의한 작은 압력차로 순환되므로 탱크위치, 열결관 크기, 배치

등의 설계에 주의가 필요

<그림> 배치형과 자연대류형 온수/급탕기

8-15-1. 자연형 태양열 온수/급탕기

-상변화형 온수/급탕기 :

열전달 매체로 상변화 물질을사용,

증발

집열기 가열(태양열) : 액체 기체(상승)

응축

축열조(집열기 상부) 내의 열교환기 통과 : 기체  액체(하강)

8-15-2. 설비형 태양열 온수/급탕기

-밀폐식 설비형 온수/급탕기 :

동절기 동파 방지를 위한

부동액과 물을 열전달 매체로 하는 밀폐 회로 강제 순환 구조, 부동액 시스템이라고 함, 밀폐식이라 순환 펌프의 부하가 작고,

전력소모가 적음, 초기 투자비와 유지 관리비가 높음.

-개폐식 설비형 온수/급탕기 :

동파 온도를 감지 배수 밸브로

열전달 매체를 회수, 초기 투자비가 적음, 집열배관 설치 정확성, 순환펌프에 많은 부하와 전력소모가 많음.

-배수식 설비형 온수/급탕기 :

동파 방지용 열전달 매체(물) 배수 저장조를 마련순환 펌프 정지시 배수 저장, 유지비가 적음, 펌프 부하가 큼, 동절기 집열효율저하, 배수저장조 설비 등 으로 인한 초기 투자비가 많음.

*중고온 태양열 이용 시스템의 분류 : -고집광 태양열 이용

-중고온 산업용 태양열 시스템 -태양열 발전시스템

8-16. 중고온 태양열 이용 시스템

-고집광 태양열 이용 : 장치를 통한 고집광한 에너지를 이용

고온태양열 반전과 고효율 PV발전 가능, 다양한 응용성

-중고온 산업용 태양열 시스템 : 중온(65 ℃) 이상의 온도를 얻기 위해 태양광을 집광(집열기는 면적에 따른 열손실이 커짐),

산업공정열, 전력발생, 화학공정 등에 사용, 반사경 면적과

흡수기 면적비(집광비)로 집광형 집열기에서 필요온도를 집열 (100~500 ℃)

-집광형 집열기의 분류 :

(집광형태의 기하하적 구조)

-PTC(Parabolic Trough Concentrator , 집광비 1-10)

-CPC(Compound Parabolic Concentrator, 집광비 1-10) - Parabolic Dish형(집광비 ~수천) 등..

(이용 사업분야)

-공정열수(Process Heat water)

-건조열수(Drying&Dehydration)

-공정증기(Process steam)

*중고온 산업용 태양열 시스템 기술분야(집광시스템 제외) : -태양열 복합축열기술

-태양에너지 유독처리기술

-태양열 담수화기술

-태양열 발전시스템 :

고배율 집광에 의한 고온(250~1200℃)의 열에너지를 이용 발전, 집광/흡수/저장/발전 시스템 구성,

발전단가US¢ : 현재 12-20/kWh장기적 5-10/kWh

에너지 변환 시스템 : 열엔진(증기랭킨, 유기랭캔, 스터링 등)

※CSP(태양열 발전, Concentrating Solar Power)

태양열 발전시스템 분류 :

(발전 규모)

집중형 – 대규모 발전

분배형 – 중규모 또는 독립형 발전 (집광기술)

홈통(PTC, Parabolic Trough)형(집광비 10-30sun) 파워타워(Power Tower)형(집광비 300-1500sun) Parabolic Dish형(집광비 수천 sun)

<그림> PTC형 태양열 집광기(미국 NREL, 한국 KIER)

8-17. 태양열 발전시스템 분류

<그림> Power Tower형 태양열 발전시스템

(미국 샌디애고연구소, 용융염, 공기, 액체금속, 작동온도 1500 ℃)

Heliostat 흡수기

<그림> Parabolia Dish형 태양열 발전시스템 (호주 ANU 50kW, 한국 KEIR 10kW)

<표> 태양열 발전의 종류와 특징

<표> 신재생에너지별 저장 가능성

<표> 각 에너지별 발전 규모와 단가

<그림> 태양광/태양열 발전의 비용 구조(%)

*태양열 복합발전 : 태양에너지는 일조시간 및 기후조건에 한계 태양에너지와 천연가스 등의 화석연료를 동시에 이용하는

복합시스템,

지속적인 전기생산이 가능, 시스템 이용 효율 향상

*태양열 화학반응 기술 : 집적 태양열을 화학반응열에 사용 수소 등을 얻거나, 유기물의 분해열로 사용

8-17. 기타

*”태양열”,에너지관리공단 신재생에너지센터, 북스힐,

<그림> 태양광 발전과 주요 관련 기술의 개발 현황

<그림> 태양열 발전 시장 전망

해외 개발현황



저온분야 소재개발을 통한 시스템의 고효율화 저가화에 집중



중고온 분야의 태양열발전, 태양열 화학시스템의 응용 개발 연구개발 중



태양열 적용분야중 집열효율이 높고 생산단가가 낮은 온수급탕 및 난방분야에 가장 많은 기술개발이 이루어져 시장형성 및 상용화 집중

-2004년 세계적으로 약 1억1천만㎡(열 생산용량 기준 77GWth)의 태양열 집열기가 설치됨

-세계 가구수의 2.5%인 4천만 가구가 태양열온수기를 사용 -태양열 온수급탕/, 난방 기술의 세계시장 60%를 중국이 ,

유럽이 11%, 터키가 9%, 일본이 7%를 차지



미국은 DOE 중심으로 건물용의 Solar Building Technology와 태양열 발전의 Solar Thermal Energy System으로 구분하여 추진

-70년대 저온 분야(집열기, 온수기, 자연형시스템)

연구개발 투자 -

80년대 이후 자연형 건물과 중고온 분야에 연구개발 투자

-캘리포니아에 354MW급 태양열발전소 운영



일본은 태양열 온수기 업체 중심으로 개발 및 상용화하고 있음 -2010년까지 최소 7.8 TWh에 해당한 태양열 시스템을

설치할 계획으로 자연채광 및 제어와 대규모 태양열 냉난방, 온수급탕 시스템의 산업이용 개발에 주력



중국은 세계 최고의 태양열 온수기 제작국과 이용국으로 2002년말까지 4천만㎡에 이르는 가정용 급탕시스템 설치

-진공관형 태양열온수기가 88%의 시장을 차지



유럽의 개발과 보급의 핵심은 태양열 난방 및 온수기, 대규모 태양열 시스템, 자연형 태양열 건물

-유럽은 1.6백만㎡가 보급 및 증가 추세

-스웨덴과 오스트리아은 집열기의 50% 이상이 온수와 난방을 겸한 시스템 -독일은 25~30%가 온수와 난방 겸용

-태양열 건물이용 Program: EU의 JOULE (설비형, 자연형 시스템), THERMIE (대형건물, 집단주택의 냉난방), 제로에너지 하우스/타운 등의 많은 연구와 시범보급이 이루어지고 있다.

-프랑스(Jordano), 영국(Thermomax), 독일(Daimler-Benz Aerospace) 등에서 진공관형 집열기 및 메가 집열기 상업화

국내 현황



기술개발 동향은 보급확대를 위한 태양열 온수기 등 저온활용 요소기술에 대한 효율 및 신뢰성 향상



태양열 이용분야 확대를 위해 중고온 시스템 개발 추진 중



온수·급탕 기술의 저온 활용 분야

-80년대 자연형 및 설비형 온수급탕시스템의 블랙크롬코팅기술 등 기초기술개발등을 추진하여 온수급탕 시스템 확립 및 실증을 완료

-90년대 차온제어, 온수기 저가화, PTC 및 중온 축열재 기초기술, 공조 등에 활용하는 기술개발을 하여 태양열 시스템의 차온제어 기술을 확립 -2000년대 단일진공관형 집열기를 개발, 대량 생산 체제를 갖추었으며,

이를 이용 건물의 냉난방시스템의 실증시험을 완료하였으며, 해수담수화 기술개발 등이 진행

-보급 단계로 가정용 온수기및 골프장, 양어장 등의 급탕시설에 보급중



태양열 집열기의 요소기술 분야

-전량 수입 흡열판(Absorb plate)의 국산화를 위한 기술개발 필요 -흡열판과 동관의 열전달 손실을 최소화하기 위한 초음파 용접기의

국산화 기술개발

-저온 분야 집열기의 손실 최소화를 위해 메가 집열기 개발 추진



중고온 활용 분야

-기술이 취약하나 진공관형, dish형 태양열 집열시스템과

사계절 이용 가능한 시스템 개발시 산업용으로서 실용화에 유리 -90년대부터 기술개발을 추진하여 2000년대에 집광시스템에 대한

국내 기술수준은 지속적으로 상승

-진공관형, Dish형, PTC형 집열시스템과 잠열/화학축열시스템 개발 중 -한국에너지기술연구원에서 10kW급 Dish형 태양열 발전 실증

연구를 완료, 현재 요소기술인 Stiring 엔진 기술개발이 진행중(2006) -진공관형 집열기는 산업 공정열에 시범적으로 적용하여 사용 중

-대규모 발전을 고려한 1MW급 타워형 발전시스템 개발에 관한 연구가 한·중 국제공동 과제로 진행중



냉/난방 분야

-한국에너지기술연구원에서 태양열을 이용한 흡수식 냉방시스템 실증 연구 완료 (2006 : 광주 서구 문화 센터)

-대규모 태양열 지역 냉난방 및 급탕시스템 연구개발이 성공적으로 완료됨(2007)

-세계 최초 축열조 없이 활용 가능한 시스템 운전 중(지역난방공사)