태양광 발전은 기후에 영향을 많이 받기에 안정적인 전력 공급이 중요하다. 또한 신재생에너지 설비 중 태양광 패널은 설치가 용이하지만 태양 전지 패널의 재료에는 중금속이 사용되고 있어 폐기가 어렵다는 문제적도 지적됐다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 일본의 이화학연구소와 다빈치社는 태양광 집광 렌즈인 프레넬 렌즈를 입체적으로 조합하고 이 렌즈를 통해 태양광 에너지를 효율적으로 회수해 발전이나 급탕에 이용하는 열병합 발전 시스템을 개발했다. 태양광 에너지의 새로운 가능성을 여는, 이화학연구소와 다빈치社의 연구 성과를 소개한다.   정리 유미희 기자

 

 

일본의 이화학연구소와 다빈치社가 태양광 집광 렌즈인 프레넬 렌즈Fresnel lens를 이용해 축열 탱크에 저장된 물을 가열하고, 이때 발생하는 열로 터빈을 구동해 발전과 급탕이 가능한 열병합 발전 시스템을 개발했다. 이는 연구기관과 산업계의 융합적 제휴 연구 프로그램에 의거, 이화학연구소의 사회사업 부문인 이노베이션 추진 센터 내 광열에너지 전력화 연구팀과 기업이 협력 연구를 진행해 얻은 성과다. 

태양광을 이용해 발전하는 대표적인 시스템인 태양 전지 패널의 광전 변환 효율은 20%로 현저하게 적다. 날씨에 따라 발전량이 좌우되는 문제점을 해결할 수 있는 추적 장치가 있지만 추적 장치를 탑재할 경우 태양 전지 패널의 높은 비용이 소요된다. 또한 폐기할 때 태양 전지 패널에 포함된 중금속을 분리하는 기술이 아직 미확립 상태다. 

이에 연구팀은 아침부터 저녁까지 모든 각도에서 태양광 에너지를 회수할 수 있게끔 동심에 홈을 새겨 효율적 집광이 가능한 패널형 프레넬 렌즈를 입방체立方體 모양으로 결합했다. 일반적으로 프레넬 렌즈는 투명도가 높고, 표면 거칠기가 20㎚로 매우 낮아 초고에너지 우주선(Extremely High Energy Cosmic Rays)을 관측하기 위한 망원렌즈로 사용되고 있다. 

이화학연구소와 다빈치社는 태양광 추적 장치인 구동부 등이 없어도 모든 시간대의 태양에너지를 회수해 전력과 온수를 공급할 수 있는 간단하고 높은 효율적인 열병합 발전 시스템의 개발을 목표로 했다.

 

태양 추적 장치가 불필요한 시스템 개발을 위해서는 어느 방향에서도 태양광 에너지를 회수해야 한다. 또한 손실 없이 회수하기 위해선 투명도가 높고 표면 거칠기가 적은 렌즈가 필요했다. 이에 동심원 상에 홈을 판 평면형 프레넬 렌즈에 주목했다. 

프레넬 렌즈는 성형 가공으로 제작된 얇은 플라스틱 렌즈로 두께가 얇아 빛을 효율적으로 회수한다. 이에 표면 거칠기가 20㎚(1㎚=10-9m)로 매우 낮은 프레넬 렌즈를 채택했다. 그리고 프레넬 렌즈를 정육면체(입방체立方體) 구조로 해, 각 측면에 설치했다. 입방체 내부에는 알루미늄 합금으로 완성된 T자형 열 교환기를 설치했다. 이로써 아침부터 저녁까지 전 방향의 태양광을 회수한다. 이렇게 태양광 추적 시스템 없이 모든 방향에서의 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 시스템을 개발했다(<그림 1> 참조). 

아울러 열 교환기 내부에는 유체 유로가 깔려 있어 축열 탱크의 물이 순환하는 구조이다. 여기에 열 교환기에 모인 광열에너지가 물을 가열해 온수로 사용한다. 전기가 필요할 경우에는 축열 탱크에 축적된 광열에너지를 다빈치社가 개발한 로터리 열 엔진에 공급하고 열매체인 대체 프레온가스(CFCs) 등을 기화시켜 로터리 열 엔진을 회전시켜 발전한다. 이것이 바로 전력과 온수를 동시에 공급할 수 있는 열병합 발전 시스템의 실현이다.

로터리 열 엔진은 실린더 용적의 변화로 회전 에너지를 발생시키기에 저온 영역의 열원에서 발생하는 낮은 압력에서도 열효율이 좋고 40도의 저온까지 회전 에너지를 발생시킨다. 이에 동일한 열량이라도 온수를 순환해 이용할 수 있어, 총 발전량의 증가도 예상된다. 

프레넬 렌즈·열 교환기·축열 탱크로 구성된 이 시스템을 ‘프레넬 태양 하우스’란 이름을 붙여 2012년 12월 28일 등록 신청했다. 

 

 

이번에 개발한 열병합 발전 시스템은 추적 장치가 불필요하기에 비용이 저렴하며, 필요에 따라 열에너지를 이용해 발전하거나 물을 가열할 수 있어 향후 폭넓은 활용이 기대된다. 아울러 열병합 시스템은 자가 발전 장치 또는 분산형 전원으로 유용하고, 공장의 폐열을 공급하면 24시간 발전도 가능하다. 또한 발전 후 온수를 목욕용으로 사용하는 등 확장성이 우수해 에너지 이용 효율을 높일 수 있을 것으로 예상한다. 

일반 가정에서는 하루 평균 1㎾ 정도의 전력이 필요하며 10가구 정도는 10㎾ 정도의 전력 수요가 예상된다. 이에 연구팀은 올해 안으로 출력 1㎾급의 시스템을 제작하고 프레넬 렌즈 시스템의 개조 및 양산화, 로터리 열 엔진의 출력 효율 향상을 연구할 계획이다. 

이 열병합 시스템의 설치 비용과 회수 비용을 고려할 경우 가정용 및 공업용의 10㎾급 열병합 시스템이 비용 대비 효과가 뛰어날 것으로 예상하고 있다. 따라서 2014년에 10㎾급 열병합 시스템을 실증 연구할 예정으로, 지방 자치 단체와 연계해 태양광을 활용한 분산형 전원의 확립을 목표로 한다.