신재생에너지 이해하기 [1]

1. 신재생 에너지 원리 및 특징

화석에너지는 산업혁명부터 지금까지 우리의 에너지원으로 활용하고 있고, 그 대부분을 차지하고 있다. 우리 원시시대 에너지원은 음식을 조리하거나 추위를 피하는 등 필수 생활에 필요한 에너지원으로 활용한 반면, 문명의 발달로 전기 에너지 등 다른 용도 즉, 교통, 운송, 의료, 산업 등 여러 가지 다 방면으로 활용하고 있다.

이와 같이 에너지 사용량이 늘어남에 따라 기존 에너지원으로는 환경오염(온실가스 배출로 인한 지구온난화, 핵연료 사용으로 인한 핵폐기물 처리)을 발생할 수 있어서 새로운 에너지원을 현시대에서는 반드시 필요하다.

 

1.1 태양광

태양전지를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜 직류전기를 생산한다. 우리가 매일 생활하는데 있어서 전기에너지는 반드시 필요하다. 전기에너지는 생산하는 즉시 소비하거나 저장하지 않는 이상 손실된다. 따라서, 에너지를 생산하면 저장하거나 그 즉시 바로 생산하지 않으면 안 된다.

에너지를 저장하는 방법에는 여러 가지 방법이 있다.

축적지이다.

 

1) 태양전지

PN 접합다이오드로 구성되어 있고, 태양에너지를 받으면 광전효과에 의해서 전자와 정공으로 분리되고 전하 캐리어를 발

생시켜 접합 양 측면에 전위차가 발생되어 전기에너지가 발생된다.

 

2) 인버터

우리가 일상생활에서 사용하는 전기는 발전기를 구동시켜 교류 전기에너지를 생산한다. 교류 전기는  시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류다. 여기서, 1초 사이에 전류의 극성이 변하는 횟수를 주파수라고 하고, 단위는 Hz라고 표시합니다.

태양전지에서 생산되는 전기는 직류전기이고, 여기서, 직류란 시간에 따라 극성이 변하지 않는 전류입니다.

직류전기에서 시간에 따라 극성은 변하지 않지만, 크기는 변하는 전류를 맥류하고 합니다.

인버터는 직류전기를 교류전기로 변환시켜 주는 장치이다.

 

구분	교류	직류
장점	- 변압기를 사용하여 전압 크기 즉, 승압/강압    변경 용이하다. - 큰 전력을 장거리 전송 가능. - 구조가 간단하고 효율이 좋고, 회전 자계를    쉽게 얻어 전동기 사용에 용이하다.	- 전압이 일정하여 장치 손상 감소. - 에너지 저장이 가능. - 자연에너지로 생산 가능. - 주파수가 없어 사용하기 쉽다. - 장거리 송전시 절연계급을 낮출 수 있다. - 역률이 1이므로 장거리 송전 효율이 좋다. - 리액턴스나 위상각을 고려할 필요가 없어 안정성이 향상된다. - 위상각 = 0 이어서 정전유도나 전자유도가 없다. -  계통 연계가 단순하다.
단점	- 에너지 저장이 어렵다. - 전자파, 유도장애가 있다. - 전력 전송시 전선의 표피효과로 저항이 커   손실 증가한다. - 패런티 현상, 자기여자 현상 등 이상 상태 발생    증가 한다. - 주파수가 다르면 연계 불가능하다.	- 승압/강압 등 전압 크기 변경 어려움. - 전류 영점이 없어, 차단이 어렵다. - 장거리 송전 어려움. - 저 전력 장비에 사용. - 인버터/컨버터 등 교류/직류 변환 장치의 신뢰성과 보수 필요하다.

 

1.2 태양열

다양한 반사 거울을 이용하여 태양에너지를 집적하여 고온의 열에너지로 변환, 증기를 발생시켜 전력을 생산한다.

1.2.1 시스템 방식

1) 전력 타워형

중앙집중형이라고도 하고, 지표면의 태양추적거울로 태양에너지를 반사시켜 타워 상부 중앙에 있는 집열기로 집속 하여 열전달 매체를 활용하여 타워 하부에 있는 터빈을 돌려 발전한다. 여기서, 열전달 매체로는 열전달 효율이 우수한 용융질산염을 주로 사용한다.

 

2) 홈통형

분산형이라고 하고, 금속판으로 제작된 홈통형태의 반사경을 이용하여 홈통 중앙부에 열에너지를 집속 가열하여 고온의 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 전력을 발생시킨다.

 

3) 접시형

스털링 엔진형으로도 불리고, 접시형태의 반사경에 태양에너지를 집속하고 그 중심부에 설치한 엔진을 가열하여 발전한다.

 

1.2.2 시스템 종류

1) 수동형

가. 직접획득형

- 태양에너지가 유리창을 통해 실내로 유입되고 유입된 열에너지는 바닥이나 벽체 등 축열부에 저장되는 방식으로 동일 공간에서 열에너지를 획득하고 저장하고 분배되는 시스템이다.

 

나. 간접획득형

- 태양에너지와 난방부하 사이에 축열부가 있는 형태로, 유리창으로 유입된 열에너지가 유리창과 벽체사이의 공간을 통해 벽체상부의 통기구를 통해 실내로 유입되는 시스템이다.

 

다. 고립형

- 태양에너지와 난방부하를 분리하여 열에너지 대류 작용을 활용하여 난방한다.

 

2) 능동형

가. 집열기 

- 평판형 : 급탕, 난방에 이용하는 일반적인 방법. 

- 진공관형 : 평판형보다 효율이 좋음.

- 집적형 : 반사판을 이용하여 열에너지를 집적한다.

 

나. 난방장치

- 자연순환형 : 온도가 높은 물이 상부로 이동하는 원리 이용.

- 강제순환형 : 열매체, 펌프, 열 교환기, 보조열원 등 사용.

 

1. 3 풍력

1) 원리

바람 운동 에너지를 풍력 터빈 회전자를 회전시켜 전력을 생산한다.

 

2) 장점

- 고갈될 염려가 없는 청정 에너지

- 연료비가 없음.

- 유지비가 절감.

 

3) 단점

- 투자비가 고가

- 바람이 불지 않으면 전력 생산 어려움.

- 주변에 소음 발생.

 

4) 구성

- 블레이드

- 전달 축

- 증속기

- 발전기

- 피치 제어 장치 : 발전출력을 조절하기 위해 블레이드 취부각도를 제어.

- 요 제어장치 : 로터의 방향을 풍향과 추정시킴.

- 브레이크 : 풍속이 약하거나 강할 때, 발전에 부적합하거나, 점검, 수리 시 로터 정지가 필요할 때.

 

5) 효율

- 날개 이론상 59.3% 전기 발생.

- 날개 형상, 기계적인 마찰, 발전기 손실 등 고려하면 실제 효율 20% ~ 30%

 

6) 종류

- 수직축

- 수평축

 

1.4 수력

1) 정의

- 물의 유동, 위치에너지를 이용하여 발전하는 형태이다.

 

2) 원리 

- 수로식 발전 : 경사가 급한 하천의 상류를 막아 취수 댐을 만들고, 수로를 통하여 물을 수차에 유입시켜 낙차를 얻는 방식이다.

- 댐식 발전 : 기울기가 완만한 하천의 중하류에 하천에 댐을 건설하고 물의 수위를 높게 하여 낙차를 얻어 발전하는 방식이다.

- 댐 수로식 발전 : 댐식과 수로식을 혼합한 방식이다. 댐에서 수위를 높이고 수로에 의해서 낙차를 더욱 증가시켜 발전하는 방식이다.

 

1.5 연료전지

1) 정의

물을 분해하면 산소와 수소를 얻을 수 있는데, 반대 원리로 수소와 산소가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지를 발생시킨다.

 

2) 특징

- 발전효율은 40 ~ 50%이지만, 발생열을 에너지로 이용하면, 80%이다.

- 발전 시 물만 배출되고 오염 물질을 발생하지 않고 저진동, 저소음이다.

- 단위출력당 용적, 무게가 적다.

- 배기가스 중 NOx, SOx 및 분진이 적다.

- 냉각수 필요 없다.

- 부하조정용이하고, 저부하 효율 저하 적다.

- 설비 부품화 가능하고, 대량생산 가능하다.

- 석유 대체 가능.

 

3) 구성

- 연료 : 수소(천연가스, 메탄올에서 축출), 산소(대기에서 포집)

- 본체 : 개질기로부터 들어오는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 직류전기, 물, 열 발생.

- 개질기 : 수소를 함유한 연료( LPG, LNG, 메탄가스, 메탄올 등)를 수소 가스로 변환시키는 장치.

- 인버터 : 직류전기를 교류전기로 변환시키는 장치.

 

4) 종류

- 1세대 : 연료전지 연료(경질유, LNG 등 사용), 전해질(인산)

- 2세대 : 연료전지 연료(석유, LNG, 석탄가스, 일산화탄소 등 사용), 전해질(용융탄산염)

- 1세대 : 연료전지 연료(산화칼슘, 산화지르코튬 등 고체연료 사용)

 

1.6 해양에너지

1) 정의

- 파도의 힘, 조류, 조력, 해수온도차 등을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.

 

2) 종류

- 조력발전 : 해수면이 높은 만조 때에 댐에 해수를 가두고 해수면이 낮아지는 간조 때 낙차를 이용하여 발전하는 방식이다.

- 파력발전 : 파도가 가지고 있는 주기적인 운동 에너지를 이용하여 발전하는 방식이다.

- 조류발전 : 해수의 유동이 빠른 지역에서 해수 운동에너지를 이용하여 수차를 돌려 전기를 생산하는 방식이다.

- 온도차 발전 : 해수 수심 온도차를 이용하여 에너지를 얻는 발전 방식이다.

 

1.7 지열에너지 

1) 정의 

- 땅속 깊은 곳에서는 방사성 동위원소들의 붕괴로 끊임없이 열이 생성되고, 마그마가 활동하는데 이런 열에너지를 이용하여 전력에너지를 생산하는 방식이다.

 

2) 특징

- 분산형이고 풍부하다.

- 저렴하다.

- 무공해이다.

 

1.8 바이오에너지

1) 정의

광합성 유기물, 동물 유기물을 이용하여 가연성 가스, 고온, 고압, 메탄, 에탄올을 얻어 발전에너지로 활용하는 기술이다.

 

2) 종류

- 고체 바이오메스 : 나무류, 수중생물, 농업 폐기물, 잡초, 동물 배설물 등.

- 액체 바이오메스 : 바이오알코올, 식물추출오일, 바이오디젤.

- 바이오가스 : 바이오메탄

 

1.9 수소에너지

1) 활용

- 화학 공업 원료

- 연료전지 발전

- 2차 전지

- 금속 수소화물 시스템

- 열-화학에너지 시스템

- 수소 연소시스템

- 수소 추진시스템

 

1. 10 폐기물에너지

1) 정의

- 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해 하여 오일화 기술

- 성형 고체연료의 제조 기술

- 기체화에 의한 가연성가스 제조기술

- 소각에 의한 열회수 기술

- 고체연료, 가스연료, 폐열 등을 생산하고 에너지원으로 활용.

 

2) 종류

- 성형 고체연료 : 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 과정을 거쳐 제조된 고체연료.

- 폐유 정제유 : 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 공정으로 정제하여 생산된 정제유.

- 플라스틱 열분해 연료유 : 플라스틱, 고무, 합성수지, 타이어 등의 고분자 물질 폐기물을 열분해하여 생산하는 청정연료유.

- 폐기물 소각열 : 가연성 폐기물 소가열 회수에 의한 스팀생산 및 발전 등의 열원으로 이용.

 

3) 특징

- 조기 상용화 가능

- 경제성 높음

- 재활용 효과 크다.

- 환경문제 해소

- 산업용 폐기물 문제 해소.

 

1.11 핵융합발전

1) 정의

수소, 중수소, 삼중수소 등의 가변운 원소의 원자핵끼리 충돌하여 헬륨으로 융합되는 과정에서 질량결손이 발생되고, 감소된 만큼 에너지가 발생된다. 핵융합을 하려면 수억 ℃에 달하는 초고온의 플라즈마 상태여야 한다. 이런 수억 ℃에 달하는 에너지를 발생시키려면 출력 10TW이상, 펄스폭 수백 fs이하의 광 펄스를 만들어내는 레이저가 필요하다.

 

2) 특징

- 1g의 중수소와 삼중수소의 혼합연료로 시간당 10만 kW 전기 에너지 생산 가능하다.

 

2023.01.14 - [교육] - 태양광 발전 시스템 [1]

태양광 발전 시스템 [1]

2023.01.15 - [교육] - 태양광 발전시스템 [2]

태양광 발전시스템 [2]

2023.01.15 - [교육] - 태양광 발전시스템 [3]

태양광 발전시스템 [3]