태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 3>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

4. 집열기 효율

태양열 집열기의 효율은 언제든지 태양열이 집열기를 때리는 전체 양에 비하여 사용할 수 있는 집열 총량의 비율과 같이 정의된다.

평판형 시스템과 함께 나타나는 문제 중의 하나는 다른 태양열 시스템과 비교하여 상대적으로 낮은 집열효율을 가진다는 것이다. 이렇게 집열효율은 태양에너지의 운송과정에서 일어나는 열손실과 집열과정에서의 높은 열손실 때문에 일어난다고 할 수 있다.

평판형 태양열 집열기의 경우 열손실은 전면을 통하거나 집열기의 뒤와 옆을 통해서 일어나며, 또한 커버의 반사와 평판형 집열판으로부터 발생하는 직접적인 방사에 의해서 발생한다. 여러 형태의 평판형 집열기의 하루의 효율은 <Figure 4-1>과 같이 나타난다.

<Figure 4-1> Solar Air Heater Efficiencies

일시적인 효율은 하루의 평균효율보다 높을 수 있다. 또한, 특이한 형태의 집열기에 대한 효율을 제조사에 청구할 수 있다는 것을 기억하라.

기본적인 집열기의 몇 가지의 수정은 효율을 개선할 수 있다. 만약 집열기가 외부 공기의 온도와 순환하는 매질의 온도 사이의 차이가50℉(27.77) 이상에서 작동한다면 여러분은 커버를 2중으로 더 첨부하는 것에 의해서 그 효율을 증가시킬 수 있다. 특히 이렇게 더 첨부한 커버는 대류와 방사에 의한 열손실을 줄일 수 있다.

그러나 커버의 첨부에 의해서 열효율을 얻고자 한다면 여러분은 다른 물질이나 유리로부터 반사손실의 발생과 함께 비용의 증가를 감수해야 한다. 그래서 그 지역 최적 커버의 수를 찾아야만 한다. 보통 두 개의 커버를 사용하는 것이 가정 난방을 위해서는 좋지만, 일반적으로 농장을 위해서는 하나의 커버를 사용하는 것이 보통이다. 이것은 경제적인 문제와 관련이 있다.

즉, 태양열 집열기의 효율은 태양이 뜨는 언제든지 집열기의 표면을 치는 태양 방사열의 전체와 집열판에 집열되는 유효한 열량의 비와 같이 정의된다.

집열효율 = 태양에너지 집열량/태양에너지가 집열기 표면을 치는 전체열량

이러한 비율은 백분율로 계산할 수 있다. 예를 들면 만약 낮에 800BTU/ft2의 에너지를 받는다면 그 효율은400BTU/800BTU×100%=50%로 나타난다.

 남반구와 북반구의 차이

태양열 시스템의 열효율 개념을 달리 설명한다면 전체의 유효열에 의해서 나누어진 농장이나 주택 그리고 열을 사용할 수 있는 곳에서 나타나 있는 총량과 같이 정의된다. 이렇게 유용하게 사용하고 남는 것은 결국 손실이다.

즉, 이러한 열손실은 커버로부터의 반사에 의한 열손실 그리고 집열기의 상부로부터의 열손실, 집열기 주위의 파이프와 케이스로부터의 열손실 등이 있다. 이러한 열손실은 좋은 단열재의 선택으로 감소될 수 있고, 집열기로부터의 유용한 열로 더 많이 사용될 수도 있다. 그리고 미래에는 그 효율은 점점 더 좋아질 것이다.

공기와 물이 집열기의 내부를 통과하는 비율도 열효율에 많은 영향을 미친다. 만약 열전달 유체가 천천히 흐른다면 그 유체는 집열기의 내부를 천천히 흐르게 되기 때문에 더 뜨거워질 것이다. 이러한 이유로 주위와 유체 사이의 큰 온도 차이는 주위로 더 많은 열손실이 일어날 수 있다는 것을 의미한다.

만약 유체가 집열기의 내부를 너무 빨리 흐른다면 그것은 열을 흡수하기 위한 충분한 시간을 가지지 못하기 때문에 유용하게 열을 사용할 수 없으며, 효율도 떨어진다. 그래서 집열기를 위한 최적의 흐르는 비율을 계산하여 적용해야 한다.

<Figure 4-1>은 전형적인 공기 형태 집열기의 효율을 보여 주고 있다. 그리고 이러한 효율은 낮에 다른 형태에 의해서 집열되어 사용가능한 에너지의 백분율로 나타난 것이다.

5. 어떻게 효율을 개선할 것인가?

 집열기의 집열능력 증강

주택에 적용할 때는 두 장의 커버를 사용할 때가 하나의 커버로 사용하는 것보다 훨씬 더 효율적이다. 그리고 흡수표면의 재질과 페인트 등은 다른 가능성이라고 할 수 있다.

흡수판은 주위로부터 매우 많은 열을 흡수하여 재방사하지 않아야 하고 태양의 방사열을 가장 잘 흡수하도록 화학적으로 처리되어야 한다.이러한 개념은 한 방향을 통해서 볼 수 있는 거울 또는 아날로그 방식의 한 방향의 유리라고 할 수 있다.

게다가 다른 물질로부터 거울 이미지처럼 반사되는 것을 잘 받아들일 수 있어야 한다. 물론 이렇게 처리된 형태는 가격이 매우 비싸지만,높은 온도에 적용할 수 있고 에너지효율이 높다는 특징을 가지고 있다. 그리고 사람들은 효율을 더욱더 높이기 위하여 여러 가지 흡수판의 디자인을 포함하여 보다 나은 것을 원할 것이다.

가령 예를 들어 글라스를 더 장치한다던가, 흡수판의 주름을 잡던가, 핀을 더 설치하던가, 튜브에 얇은 판을 덧붙이는 등의 수정을 원하는 경우가 많다. 그래서 <Figure 5-1>의 우측 그림과 같이 반사경은 태양열이 집열기의 표면을 치는 방사량을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 다른 수정·보완된 기기들은 튜브를 내장하는 방법의 판이나 핀을 붙인 판, 주름을 지게 하는 판, 위에 다시 유리를 더 덮는 집열판과 같이 여러 가지 효율을 개선한 흡수판 디자인들이 만들어지고 있다.

이렇게 태양열의 집열효율 개선은 시스템의 유지비용과 설치비용의 증가와 함께 무게도 증가하게 된다. 보통 더욱더 효율적인 집열판은 가격 면에서 비싸다. 그러나 효율이 떨어지고 가격이 싼 집열기는 주어지는 열의 총량을 운송하는 데 있어서 비용과 대비하여 더 효과적일 수 있을 것이다. 새로운 디자인으로 제작되어 설치·개발된 이러한 대체집열기가 의심할 여지 없이 상대적으로 비용적인 효과를 발휘할 수 있을 것이다.

6. 집열기의 제작

그러면 우리는 태양열 집열기를 어떻게, 그리고 무엇으로 만들 것인가?

태양열 집열판은 서로 다른 물질들을 조립하여 만들어지고 있고, 폭넓은 여러 가지의 디자인으로 구성되어 있다. 벽이나 지붕과 같이 변화하는 날씨에 적응하도록 사용되는 이러한 물질들은 태양의 방사에 역효과를 가짐에도 사용된다.

물을 매질로 하는 집열기의 경우에는 얼어서도 안 되고 부동액 또는 물의 통과가 어렵게 되는 알칼리나 산성화와 같은 방해와 부식에 저항해야 한다. 먼지의 침전과 공기 형태의 집열기에서의 습기, 우박 등에 의해서 나타나는 유리의 파손, 온도에 따른 팽창이나 다른 여러 가지 원인에 의해서 발생하는 이러한 문제들을 해결해야 하는 것이다.

이러한 집열기 제작의 목표는 대체할 구성품과 유지비용 및 수리비용의 최소화와 함께 경제적인 열 생산과 그것을 유용하게 디자인하는 것이다.

1) 커버 물질

집열기의 구조

유리는 보편적으로 일반 빌딩과 산업용 빌딩 그리고 주택의 공간난방에 사용하는 집열판의 커버로서 사용하고 있다. 이렇게 유리는 일반적으로 빛을 잘 투과하고 태양에너지를 잘 받아들이지만, 흡수판의 표면으로부터 주위까지 거의 방사열이 없이 투과된다. 그래서 이것을 온실효과라고 불리기도 하고 ‘heat-trap’ 효과라고 부르기도 한다.

이 효과는 차 내부가 여름에 뜨거워지는 것과 같은 이유로 설명된다. 이렇게 태양열 집열판의 내부구조는 여름에 차의 유리창이 열을 잡는 것과 같다.

그러나 모든 열이 잡히는 것은 아니다. 유리는 흡수판으로부터 방사되는 열을 흡수하게 되어 유리의 온도가 상승하게 되고, 어떤 열은 유리와 주변과의 온도 차에 의해서 그 열을 또한 잃게 될 것이다. 그리고 유리는 외부의 대류현상으로 열손실이 일부나마 발생한다.

 집열판의 위치

일반적으로 태양열의 집열을 연구하는 과학자들은 단층유리나 복층유리를 사용하여 그 효율을 올리려고 한다. 물론 이러한 유리들은 태양방사열의 87%를 투과하는 능력을 가지고 있다. 이것은 유리를 통해서 들어올 수 있는 에너지가 태양광의 87% 정도 된다는 것을 의미한다.그 나머지는 반사되거나 유리에 의해서 흡수되는 것이다.

우박과 같은 불의의 사고에 의해서 이렇게 집열판의 유리가 파손될 우려가 있는 지역에서는 0.5인치의 철망으로 보호를 해주어야 한다. 하지만 이 철망은 유리에 그림자를 지게 하여 그 효율을 15% 정도 떨구게 되고 지역에 따라서는 그 이상의 효율이 떨어지게 된다.

그래서 오늘날 개발된 커버가 바로 저철분 강화유리이다. 물론 이 강화유리의 가격은 상당히 비싼 단점을 가지고 있다.

집열판의 구조

플라스틱 필름이나 종이도 커버의 물질로 사용되기도 한다. 단지 1~2년 이상 태양광에 저항하는 것이 오늘날 유용하게 사용되고 있는 것이다. 이러한 물질의 태양광 투과율은 92% 정도 되지만, 흡수판으로부터 주변으로 방사되는 장파장의 광선 중 30%까지 빠져나가게 하여 열손실을 가지고 오기 때문에 그렇게 효율적이지는 않다.

가령 일시적으로 사용하거나 곡물 건조용과 같은 경우에 적용하는 낮은 온도의 경우, 플라스틱이 유리한 점은 있다. 우박과 바람에 저항하도록 유연성이 있고, 유리보다는 가격이 저렴하고 설치가 쉽다는 장점을 가지고 있다.

그리고 유리를 사용하는 경우라고 하더라도 대류장벽으로 플라스틱을 사용할 수 있다. 즉, 한 층은 유리를 사용하고 다른 한 층은 플라스틱을 사용하여 대류현상에 의한 열 손실을 막을 수 있다는 것이다. 물론 가격은 점점 더 비싸지게 된다.

 집열판과 건축 내부구조

온실에 사용하는 화이버글라스는 오늘날 미국의 축사에서 가장 많이 사용하고 있는 커버 물질이다. 그것은 태양광의 손실 없이 유리와 같은 방법으로 집열할 수 있는 투과성을 가지고 있다.

그러나 투과율이 유리가 87%인 반면, 화이버글러스는 80% 정도로 낮다는 것이 문제이기는 하다. 하지만 화이버글라스는 집열과정에서 수축과 팽창에 의하여 찢어지거나 파손되는 일이 적다. 그래서 일반적으로 가정용이나 다른 빌딩의 난방용으로 사용하는 집열판의 커버로는 저철분 강화유리를 사용하는 경우가 대부분이다.

특히 이 저철분 강화유리의 경우에는 햄머로 때려도 깨지지 않을 정도로 견고하기 때문에 우박이나 다른 충돌에 의한 피해를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 문제는 이것 역시 가격이 결코 싸지 않다는 점이다.