태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 7>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

9. 태양에너지의 잠재적인 적용

태양열 평판형 집열판의 잠재적인 적용은 급탕용, 수영장, 곡물의 건조, 축사의 난방과 주택의 냉난방 등 사용할 수 있는 곳이 많다. 즉, 태양에너지의 사용은 많은 다른 접근을 통해서 무궁무진한 개발이 가능하다고 할 수 있다. 그러나 어떻게 이러한 잠재적인 태양열을 사용하기 위하여 준비하고 응용해야 하는가가 큰 문제이다.

우리가 태양열을 사용하기 위해서는 하드웨어적인 것보다는 소프트웨어적인 문제를 먼저 공부하고 알아야 한다. 즉, 어떠한 집열판을 사용하여 태양열을 얻을 것이냐는 문제보다 어느 곳에서 얼마나 많은 열량을 필요로 하고 있느냐는 문제를 먼저 검토하고, 그다음에 그 열량에 맞게 어떤 시스템을 선택할 것이냐는 문제를 결정해야 한다는 것이다. 이는 적용하는 곳의 요구열량도 모른 채 태양열 시스템의 크기를 결정할 수 없기 때문이다.

1) 공간난방

<Figure 9-1> 지구의 기울기가 가지는 의미

태양에너지를 이용한 공간난방은 그 태양에너지를 받아들일 수 있는 온도까지 증가시킬 수 있는 태양열 집열판으로부터 얻은 열을 사용하는 것과 함께 그 편리성을 포함한다. 이러한 공간난방의 사용은 축사, 창고, 상점, 주택, 방 등 여러 곳에 적용할 수 있다.

오늘날 여러 다른 형태의 집열판과 복합적인 시스템 그리고 저장시설 및 열운송물질이 사용되고 있다. 우리는 자갈과 함께 물을 이용하여 태양열을 저장할 수 있고 유체에 의한 열의 수송과 함께 공기를 사용하여 집안의 공간난방에 이용할 수 있다.

2) 태양열 난방시스템

<Figure 9-2> 태양열 난방시스템의 원리

태양열은 지금까지 인류가 지구에서 태어나면서 사용하고자 하는 희망의 에너지원이라고 할 수 있다. 그러나 이러한 큰 잠재력을 가지고 있는 태양열임에도 불구하고 아직까지 아무나 사용할 수 있는 에너지원은 분명 아니었다.

하지만 오늘날 화석연료의 과다한 사용에 따른 환경오염의 문제가 심각해지면서 태양열에 대한 관심이 고조되고 있으며, 2003년 미국의 제2차 걸프전의 개전 이래 석유가격의 급등으로 많은 나라들이 태양열 이용에 대한 심각한 고민과 함께 많은 연구를 진행해 오고 있는 실정이다.

우리나라의 경우에는 과거에 일부의 태양열에너지를 취급하는 회사들이 난방에 대한 부하계산도 하지 않고 태양열로 난방이 가능한 것처럼 과대 선전하며 판매하고, 실제로도 난방을 할 수 없자 소비자들이 태양열은 어떠한 난방기로도 사용할 수 없다는 불신의 벽만 높아지게 되었다. 하지만 이것은 잘못된 생각이다.

태양열을 사용하기 위해서는 반드시 하드웨어적인 것보다는 우선적으로 소프트웨어적인 것이 개발되어야 한다. 그러나 이전에는 이러한 소프트웨어적인 것을 개발하지 못하고 판매를 하는 우를 범하는 바람에 오늘날 태양열 난방시스템이 우리나라에 별로 없는 것이다.

이는 안타까운 일이지만, 이보다 중요한 것은 이제부터라도 태양열에 대한 모든 것을 계산하여 열량적으로 남는 시스템을 개발할 필요가 있다는 것을 인지하고 실천하는 것이다. 태양열은 지구가 멸망하는 그 날까지 계속해서 우리에게 그 에너지를 제공할 것이지만, 인간이 이 태양열을 이용할 줄 모른다면 이 또한 안타까운 일이 아니겠는가?

① 열저장소를 포함하는 태양열 시스템

태양열 난방시스템의 구성은 집열기, 저장소, 열전달을 위한 공기 또는 물과 같은 매질의 순환시스템으로 구성된다. 이러한 구성품에 더해서 흐린 날이 길어지거나 극한적인 추위가 계속되는 동안 요구되는 열을 제공할 수 있는 Backup system을 포함해야 한다. 즉, 태양을 볼 수 없는 날이 길어지면 이러한 날에 대한 대비로 예비의 보조적인 난방시스템을 필요로 한다는 것이다.

그래서 단독적으로 태양열 난방시스템을 신뢰하기 위하여 필요한 열저장용적을 충분히 준비하는 것이 경제적이다. 이것은 필수적인 사항이며, 그 열저장용적은 열량의 예비율에 맞추어야 한다. 그래서 3~5일 정도의 예비용량을 준비해야 하는 것이다.

요구열량의 %는 다른 보조장치와 함께 태양열의 변화에 의해서 공급된다. 일반적으로 변화하는 기후로 인해 태양열 시스템은 전체 필요한 열량의 25%에서 85% 사이를 공급하도록 디자인한다. 태양열과 함께 공급되는 %의 결정은 연료의 비용과 태양열기기의 가격 및 단열재의 가격과 관련하여 결정된다. 하지만 오늘날 원유가격의 급등으로 웬만한 태양열기기의 설치비용은 경제적이라 하겠다.

<Figure 9-3> 돈사에서 태양열 시스템의 적용

<Figure 9-4>는 열저장소를 포함한 태양열 난방시스템을 보여주고 있다. 시스템을 통과하는 공기의 경로는 댐퍼에 의해서 조절된다. 태양이 떴을 때 공기는 집열기를 통해서 불게 되고, 가열된 공기는 집열기로부터 주택으로 더운 기운을 전달해 준다.

밤 또는 흐린 날 공기는 집열판을 직접으로 통과하지 않는다. 대신에 주택에 따뜻한 열을 전달하기 위하여 열저장소를 통과한다. 그리고 집열기나 저장소가 충분히 따뜻하지 않다면 공기의 가열을 도와주기 위한 예비의 난방기기는 전통적으로 전기를 사용한다.

너무 많은 태양열이 집열될 때나 주택에서 더 이상의 열이 필요하지 않을 때 집열기로부터의 공기는 자갈저장소를 통해서 불고 집열기 쪽으로 되돌아 불게 된다. 그리고 그 저장열은 후에 집의 난방을 위하여 다시 재사용된다.

<Figure 9-4> 열저장소를 포함한 태양열 난방시스템

② 열저장소를 포함하지 않는 태양열 시스템

저장소를 포함하지 않은 태양열 시스템을 <Figure 9-5>에서 보여주고 있다. 이 시스템에서 공기는 집열기를 통해서 불게 되고, 주택의 난방은 태양이 뜰 때 비로소 난방이 시작함과 동시에 태양열 난방이 된다. 그리고 태양열이 없을 때는 공기는 보조난방기기로 연결되어 가동된다.

이 시스템은 태양열이 없는 경우에는 그 열을 사용할 수 없어 낮 동안에만 사용할 수 있다. 그리고 남는 열은 사용할 수 없다.

<Figure 9-6>은 공기형태의 집열기가 지붕에 어떻게 설치되어 있는가를 잘 보여주고 있다. 여기서 중요한 것은 열저장시설이 없을 때, 태양이 없는 동안에는 어떠한 열도 이용할 수 없다는 문제를 가지고 있다는 것이다.

태양은 무한대의 열을 지구로 보내오지만, 실제로 우리가 이 태양열을 이용할 수 있는 시간은 하루 중에 고작해야 5시간 정도라는 것과 같이 우리에게 있어서 태양열의 이용은 제한적이라는 사실이다. 이렇게 볼 때 태양열을 잘 사용할 수 있는 방법은 바로 태양열을 어떻게 저장할 수 있느냐는 문제이다.

<Figure 9-5> 보조난방기의 채택

<Figure 9-5>와 같이 태양열을 보존하지 않고 사용하기 위해서는 사용시간의 제약도 따르지만, 이러한 사용시간 외에 요구되는 시간에는 어쩔 수 없이 보조난방기기를 준비해야 한다. 미국의 경우는 열저장소 없이 <Figure 9-5>와 같이 태양열 시스템을 아주 잘 사용하고 있다.그것은 바로 그들이 어떻게 이러한 태양열을 잘 사용할 수 있는가에 대해 필요로 하는 열량을 충분히 계산하여 적용하기 때문이다.

그러나 우리나라의 경우에는 이러한 태양열에 대한 정확한 열량계산과 함께 집열면적 등의 계산이 이루어지지 않고 태양열을 사용하는 경우가 많다. 결국, 실제로 태양열을 효율적으로 사용할 수 없다는 것이 더 큰 문제라고 할 수 있다.

<Figure 9-6> 지붕의 공기형태 태양열 집열기와 환기를 위한 공기덕트의 설치

<Figure 9-6>과 같이 태양열의 저장소 없이 그들은 공간난방을 위한 공기를 태양열로 가열하는 독특한 시스템을 사용하고 있다. 하지만 우리나라의 경우는 이러한 시스템의 연구도 없이 무조건 태양열은 마음대로 사용할 수 없는 에너지로 치부하고 있다는 것이 참으로 안타깝다.

태양열을 이용하는 데에 반드시 태양열의 생산량과 필요로 하는 열량을 계산하여 정확하게 맞추어 줄 수 있는 전문 컨설턴트가 필요하다.미국, 호주, 유럽의 경우에는 이러한 계산상 열량의 필요성과 함께 정확하게 컨설팅할 수 있는 전문가들이 많이 있다.

이러한 관점에서 볼 때 우리나라와 같이 농장을 위한 대체에너지를 컨설팅할 수 있는 전문가의 부재는 앞으로 개발해야 할 대체에너지의 사용에 있어서 어떠한 도움도 받을 수 없다는 문제를 야기할 수 있다. 즉, 미국이나 유럽처럼 전문적인 인력 및 열량을 계산하여 사용할 수 있는 시스템의 확보는 참으로 부러운 일이 아닐 수 없다.

<다음 호에 계속>