1. 집광 필요성과 CSP 적합지역
CSP(Concentrating Solar Power) 시스템은 태양광을 집광하여 열로 변환시켜 축열 시스템에 저장하여 발전하므로 집광부분과 축열부분에 독특한 기술이 필요하지만, 발전 방식은 화력발전소나 원자력발전소와 같이 일반 증기터빈을 사용한다.

 

CSP는 축열 시스템을 이용하므로 전력 수요에 부응하는 전력공급이 가능하여 수요 부응성 면에서 태양광발전에 비해 유리하다. 또, 열 관성에 따라 태양광발전에 비해 출력의 시간 변동이 작으며, 그리드 접속이 용이한 특징도 갖고 있다.

 

지표면의 태양에너지 밀도는 1kW/㎡ 정도에 불과하므로 집광을 하지 않으면 receiver에 열손실이 적은 진공관을 사용해도 100℃ 정도에서 운전할 수밖에 없다. 따라서 발전효율을 높이기 위해서는 집광하여 고온을 얻을 필요가 있다.

 

지표면에 도달하는 태양광에는 직사광과 공기 중의 미립자 등에 의해 산란된 산란광이 있는데, 집광할 수 있는 태양광은 직사광뿐이다. 따라서 CPS 설치에 적합한 지역은 적도 부근이 아니고 온도가 높고 건조한 대기의 하강류로 인해 산란입자가 적어 직사광이 많은 남반부와 북반 부의 위도 20～40도 사이에 분포되어 있는 sunbelt 지역이다.

 

Sunbelt 지역은 연간 직사일사량이 1,800kWh/㎡ 이상으로 그 중에서도 사하라 사막과 미국 남서부 등은 세계에서 가장 적합한 CSP 지역으로 연간 직사일사량은 2,700kWh/㎡ 이상이다.

 

2. 집광·집열 기술의 종류
CSP의 집광·집열방식에는 parabolic trough 형, linear fresnel 형, power tower 형 그리고 parabolic dish 형이 있다. 이러한 집광기(collector)는 집광효율을 높이기 위해 태양 추적기술이 필수적이다.

 

선(line) 집광 방식의 집광기는 집광도가 낮아서 고온운전에는 적합하지 않으며, 가동온도의 상한도 500～550℃에 불과하다. 이에 비해 점(point)집광 방식은 집광도가 높아서 고온운전에 적합하다.

 

○ Parabolic Trough 형
Parabolic trough 형은 오목곡면 반사경의 초점 선상에 receiver를 설치한 구조이다. Receiver에서는 빛을 열로 변환시켜 receiver tube에 흐르는 열매체를 가열하고, 가열된 열매체가 증기를 발생시켜 발전하는 구조이다. 1980년대 미국 California주 Mojave 사막에서 상용발전을 하였으며, 다른 방식에 비해 압도적인 상용운전 실적을 갖고 있다.

 

·일반적으로 parabolic trough 형은 trough 길이방향을 남북으로 하고 동쪽에서 서쪽으로 태양을 추적하도록 설치한다. 집광기의 폭은 5～6m 이지만 발전비용 절감을 위해 대형화하는 추세에 있으며 최근에는 7.5m의 trough도 개발되었다.

 

○ Linear Fresnel 형
·Linear fresnel 형은 폭이 좁은 반사경 다수를 수평으로 설치하며, 각각의 반사경이 태양을 추적하여 상부에 고정된 receiver로 집광한다. 이 형은 parabolic trough 형에 비해 바람의 영향을 작게 받으므로 견고한 구조가 필요하지 않아서 경량으로 제작되며, 건물 위에 설치 할 수 있으므로 흡수식 냉동기의 열원으로도 이용되고 있다.

 

·Linear fresnel 형은 다른 집광기에 비해 토지 이용률이 높다. 부지에 설치할 수 있는 반사경의 면적은 parabolic trough 형이 부지의 약 30% 정도인데 비해 linear fresnel 형은 60～80%로 배가 넘는다.

 

·Linear fresnel 형은 대형 발전소도 건설되고 있지만, 생산 공정에 열을 공급하는 열원으로도 기대되고 있다. 이러한 기대로 제작회사가 최근에 급증하고 있으며, 유럽 외에도 인도, 아부다비, 중국 등에서도 제작사가 나타나고 있다.

 

○ Power Tower 형
·타워(tower)형은 타워 주위에 설치한 다수의 태양 추적기능을 갖는 헬리오스탯(heliostat, 태양추적 광반사장치)에서 반사한 태양광을 타워 상부에 설치된 집광기에 모아 열로 변환시켜 발전한다. 2011년에 가동을 개시한 스페인의 타워형 발전기는 타워 높이가 140m 그리고 타워 중심에서 900m 범위에 1기당 120㎡의 면적을 갖는 헬리오스탯이 2,650개 설치되어 있다.

 

·타워형은 열매체로 용융염, 물/수증기, 공기가 사용되고 있으며 각각 장단점이 있는데, 최근에는 축열을 보다 중요시하여 용융염을 열매체로 사용하는 플랜트가 주목을 받고 있다.

 

○ Parabolic Dish 형
·Parabolic dish 형은 곡면 반사면에 태양광을 반사시켜 초점에 설치한 집광기에서 열로 변환시켜 스털링 엔진(Stirling engine, 외열식 엔진의 하나) 등으로 발전한다. CSP 중에서 집광도가 가장 높으며, 고온을 얻을 수 있으므로 고효율의 발전이 가능하다. 그러나 곡면 반사면 전체가 언제나 태양 방향을 향해 있어야 하므로 설비의 대형화가 곤란하여 출력은 3～25kW에 불과하다.

 

·Parabolic dish 형은 모듈화가 간단하여 분산형 발전설비에 적합하다. 따라서 송전선의 설치가 곤란한 도서지방, 산간지방 등에 유리하지만 풍력발전과 같이 한 장소에 여러 장치를 설치하는 solar farm도 건설되고 있다.

 

3. 축열기술
현재 사용되고 있는 축열시스템은 질산염계 용융염을 열원으로 이용하는 시스템이 주류를 이루고 있다. 용융염(융점 ～230℃)은 receiver에서 약 565℃로 가열되어 고온탱크에 모아지고 증기를 생산한 후에는 약 290℃가 되어 다시 저온탱크에 모아진다. 이 시스템은 동절기 일부를 제외하면 24시간 운전이 가능하므로 연간 가동율이 약 75%에 이른다.

 

저비용화를 위한 축열기술의 연구·개발도 활발하게 수행되고 있다. 현재 주목받고 있는 축열기술로 상(phase) 변화를 이용하는 잠열축열이 있다. 가동온도 조건에 따라 여러 종류의 재료가 검토되고 있는데, 현시점에서는 질산염계 용융염이 가장 유망한 재료의 하나로 거론되고 있다. 그리고 그 다음 세대의 축열기술로는 금속산화물 및 금속수산화 물 등을 이용하는 가역적 화학반응이 고려되고 있다.

 

4. CSP 잠재력과 시장
독일 DLR의 시산에 의하면 직사 일사량이 연간 2,000kWh/㎡ 이상인 지역 중에서 설치가 가능한 면적에 parabolic trough 형 발전소를 설치 하면 연간 발전량이 300만TWh에 달하는데, 이 발전량은 전 세계 전력 수요의 150배 이상이다. 그리고 일사조건이 양호한 사하라 사막의 250km×250km 면적에 CSP를 설치하면 계산상으로 세계의 전력수요를 충분히 담당할 수 있다.

 

세계에서 CSP 발전소가 가장 많은 스페인에는 35기의 CSP 발전소가 있으며, 총 발전량은 1.6GW이다. 이 외에도 1980년대 후반부터 상업운전을 시작한 미국에서도 발전소 건설이 확대되고 있으며, 다른 sunbelt 지역에서도 확대되고 있다.

 

독일에서는 북아프리카의 사막지대에 CSP를 설치하여 지역 국가에 전력을 제공함과 동시에 잔여 전력을 고압직류송전으로 유럽에 송전하는 Desertec 계획을 입안하고 있다. 이 계획에는 유럽을 비롯하여 미국 및 일본기업도 참가를 표명하고 있다. 현재는 아랍의 불안정한 정세 및 EU의 경제적 문제 등으로 정체되는 분위기이지만, 경제안정이 되면 활동이 활발할 것으로 보인다.

5. 전문가 제언
태양에너지를 이용한 발전에는 태양광발전뿐만 아니라 집광형 태양열 발전(CPS)도 유망한 발전기술의 하나로 개발되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에서 발간한 지구온난화 억제기술에 관한 ETP 2008에서도 지구 온난화를 억제하는데 중요한 17개 기술 중의 하나로 집광형 태양열발전이 제안되어 있다.

 

CSP에서 주요 집광·집열방식에는 parabolic trough 형, linear fresnel형, central tower형, parabolic dish형 등이 있는데, 현재는 parabolic trough형이 거의 시장을 석권하고 있다. 그러나 앞으로는 고온·고효율의 발전이 가능한 타워형과 설비가 저념하고 발전 외에 생산 공정 등에도 열 공급이 가능한 linear fresnel 형도 시장 점유율이 확대될 것으로 보인다.

 

독일 DLR의 시산결과에 의하면 sunbelt 지역 중에서 토지의 이용성이 낮은 지역에 parabolic trough 형 CSP를 설치하면 전 세계 전력 수요량의 150배 이상의 전력을 생산할 수 있으며, 북 사하라 사막의 62,500㎢ 면적에 CSP를 설치하면 전 세계 전력수요를 충분히 담당할 수 있다.

현재 스페인은 CSP 발전량이 1.6GW에 이르고 있으며, 1980년대 후반부터 상업운전을 하고 있는 미국과 다른 sunbelt 지역에서도 CSP 건설이 확대되고 있다.

 

CSP는 직사광을 이용하므로 sunbelt 지역이 아닌 우리나라는 CSP 설치에 적합하지 않다. 그러나 국제적으로는 독일의 Desertec 계획과 같이 북아프리카 사막지대에 CSP을 설치하여 발전전력을 고압직류송전으로 유럽에 보내는 계획도 추진되고 있으며, 유럽 외에도 미국, 일본 기업도 이 계획에 참가를 표명하고 있다.

 

따라서 우리나라도 정부와 기업은 태양광발전뿐만 아니라 열매체, 직류송전, 축열 등 CSP 관련기술의 연구개발에 많은 관심을 갖고 해외 CSP 사업에도 참여하는 방안을 검토할 필요가 있다고 생각된다.

 
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr)  KISTI 미리안 『고경력과학기술인(www.reseat.re.kr) 2013. 02. 07]