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[태양광 산업의 기술 및 동향 ④] 태양열 발전 시스템의 개발, 국립천문대와 미타카코키㈜를 중심으로
2013년 10월 7일 (월) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 10월호 - 전체 보기 )

[태양광 산업의 기술 및 동향 ④]
태양열 발전 시스템의 개발, 국립천문대와 미타카코키㈜를 중심으로

태양광 발전시스템의 실증실험을 일본의 국립천문대와 미타카코키㈜의 현지 실험사례들을 통해 소개하고, 태양광 집광장치와 헬리오스탯를 이용한 발전 시스템의 구조, 고정밀도 거울 및 헬리오스탯의 개발 및 기술에 대해 정리했다.

번역·정리 김대근 기자

풍력과 태양광 등을 이용한 재생가능에너지원을 통해 지속형 사회 실현을 모색하고 있지만, 태양광을 이용한 발전으로는 태양전지가 가장 일반적이다. 한편, 이번 취재에서 태양광 집광에 의한 태양열의 이용은 우리들에게 이미 친숙한 올림픽 성화의 채화식에서처럼 태고의 그리스 시대부터 이용되어져 온 유구한 역사를 지닌 방식이다. 그러나 이 방식을 통한 발전 시스템은 건조한 기후와 대형 시설이 설치 가능한 비교적 넓은 토지가 필요하며, 이러한 조건을 갖춘 나라에서는 태양광 실험이 수월하게 이루어지며(미국, Solar Two), 계획되고 (스페인, Solar Tres) 있지만, 지가가 높고 습윤한 기후의 일본에서는 과거 가가와현 니오쵸(香川縣 仁尾町)에서의 실험 사례(1974년~1993년의 선샤인 계획의 일부)가 있었지만, 기대할만한 성과는 얻지 못하고 그 후로는 실시되지 않았다. 태양광 이용의 발전방식에는 탑의 상부에 설치한 집광장치의 주변에 많은 거울을 배치한 타워식과 거울을 복수 배치해 거울 앞에 배치한 관에 흐르는 오일 등을 과열시키는 트로프(빗물받이)식이 있지만, 트로프식은 특히 대규모의 시설이 필요함과 동시에 발열온도가 낮아 일본과 같이 습윤하고 집광효과를 기대할 수 없는 환경에서는 타워식의 채용이 유효하다고 할 수 있다. 또 타워식에는 타워 정점에서 집광하는 타워톱 방식과 타원형의 한 개의 집점集點에서 집광을 하고, 또 다른 한 개의 집점에 빔Beam을 보내는‘빔다운’방식이 있는데, 이번 견학한 시설에서는 빔다운 방식을 채용하고 있었다. 타워식으로 효율을 높이기 위해서는 헬리오스탯Heliostat이라고 불리는‘태양 추적식 거울’이 사용된다. 이번 방문한 미타카코키㈜에서는 고정밀도 거울과 간단한 제어장치를 갖춘 헬리오스탯을 개발하고 있었다. 미타카코키㈜는 도쿄 교외의 미타카시에 있으며, 망원경 등의 천문기기, 우주기에 탑재하는 관측기기, 뇌신경 외과 수술용 현미경 등의 의료기기의 개발, 제조를 손수 다루는 정밀기기의 제조업체로서 규모는 결코 크지 않지만 그 높은 기술력과 독특한 아이디어에 의한 제품으로 많은 주목을 모으고 있는 회사이며, 2006년에는 산업진흥의 일환으로 천황도 시찰한 바가 있다.

시스템의 구조와 개발 콘셉트
이번 국립천문대에서 실증시험을 개시한 태양광 집광장치(헬리오스탯)와 헬리오스탯를 이용한 발전 시스템의 구조를 <그림 1>에 나타냈다. 또한 국립천문대에서는 1기의 대형 헬리오스탯을, 미타카시에서는 소형의 헬리오스탯를 여러 개 사용한 시스템을 가지고 각각 실증시험을 실시했다. 발전 시스템에서는 헬리오스탯에 의해 반사된 빛을 탑으로 모아서 탑 하부에 설치된 광농축光濃縮장치로 보내(빔다운 방식) 고효율의 광열 교환기로 증기를 발생시키고, 그 증기로 터빈을 회전시켜 발전하는 시스템이다. 2009년 8월에 국립천문대에서 행해진 시험에서는 이 시스템을 통한 20분간의 집광에 의해 최고온도가 900℃를 넘어 시험적으로 놓아둔 알루미늄 조각(알루미늄의 융점은 660℃)들이 매우 간단하게 녹아버린 것을 확인할 수 있었다. 또 이 실험을 통해 발전기의 출력은 300W/3A/3000회전을 달성했다고 한다. 미타카시에 설치한 시설의 실증실험은 소규모의 예산으로 진행되었고 수 10㎾의 발전량밖에 기대할 수는 없지만, 직경 600m의 부지면의 규모라면 72㎿가 되고 그것을 14기(개소) 만들면 실제로 1000㎿(원자력 발전소에 필적)의 발전량을 예상할 수 있다. 이 시스템은 원래 천문관측소에서의 전력공급장치로 개발되었다. 천문관측소는 기후나 인공적인 빛의 영향을 받기 어려워 3000m 정도의 고지 등에 설치되는 경우가 많아 전력 확보가 어렵다. 그 때문에 태양열을 이용한 발전 시스템이 필요는 하나, 이러한 환경에서 현지 작업원이 시스템 운영을 실시하는 경우, 컴퓨터 구사 능력을 요하는 복잡한 유지·관리 제어 시스템을 사용하기란 대단히 어렵다. 그리하여 개발 콘셉트로서 컴퓨터를 사용하지 않는 방식을 내걸게 되었다. 이하는 이번에 개발한 헬리오스탯의 주요 특징이다.

적도의식
태양의 방향 헬리오스탯의 각도를 조정하는 방식으로서 천체관측용의 망원경과 마찬가지로 경위대 방식(수직축과 수평축 주위에서 경위를 조정하는 방식)과 적도의 방식(지구의 공전축 둘레에 지구의 공전 방향과 역방향으로 회전시켜 늘 특정한 항성 방향을 추적하는 방식)을 생각할 수 있지만, 통상의 헬리오스탯에서는 경위대 방식을 채용하고 있어 태양의 위치에 맞게 정확한 방위와 고도를 제어하지 않으면 안 된다. 한편, 이번에 채용한 방식은 적도의식이다. 망원경에서의 적도의赤道儀방식으로는 공전축 주위에 망원경 자체를 회전시켜야 하기 때문에 회전축을 끼고 망원경의 반대 측에 밸러스트(회전축이 지점이 되도록 설치한 추)가 설치되어 있어 이 구조를 취하는 것으로 큰 동력 없이도 회전시킬 수 있다. 국립천문대에 설치한 헬리오스탯(<그림 2>참조)은 거울면의 총면적이 약 18㎡이라는 거대한 크기에도 불구하고, 구동모터는 축 길이 10㎝ 정도로 매우 소형이며, 실제로 우리들이 수동으로 직접 움직여도 커다란 힘을 들이지 않고 간단하게 방향을 바꿀 수 있다.



센서 방식
개발된 헬리오스탯에서는 각도의 현미경에 태양의 방위를 검출하는 센서방식이 채용됐다. 적도의 방식의 채용으로 항상 태양 쪽을 향하는 기본적인 시스템을 실현했지만, 실제로 바람의 영향 등에 의해 각도에 오차가 발생한다. 그리하여 가장 좋은 효율의 태양의 방향을 검출하기 위해 태양전지 2개를 사용한 센서를 사용하고 있다. 이 센서는 미세한 슬릿으로부터 입사되는 빛이 2개의 센서에 균등하게 조사照射되도록 피드백을 거는 방식이며 매우 저렴하게 제작할 수 있다. 이 기술은 태양관측용 기구를 사용한 실험용 계측기기를 제작할 무렵에 개발한 기술이다.

집광장치와 자율형 헬리오스탯
개발된 헬리오스탯은 센서에 의해 자율 가동되기 때문에 집광장치와의 연결이 필요 없고, 설치 및 유지·관리 시에 작업량이 대폭 감소된다. 한편, 통상의 방식에서는 집광장치로 측정하는 집광효율로 헬리오스탯의 동작을 제어하기 때문에 집광장치와의 연결은 필수 불가결이다.
 
클러스터형 반사경
통상의 방식으로는 광량을 확보하기 위해 대형 거울을 사용하지만, 제작, 운반, 설치 등의 비용이 크다. 한편, 이번 개발된 헬리오스탯은 직경 50㎝의 거울을 여러 장 조합한 클러스터형이기 때문에 코스트의 절감이 예상된다.
 
컴퓨터 미사용
위에서 설명한 특징에 의해 제어 컴퓨터는 특별히 필요가 없으며, 앞서 설명한 것과 같이 유지·관리가 간편하게 끝나기 때문에 벽지나 고지에서의 사용에 적합하다.

 
개발의 기술
이번 개발된 헬리오스탯의 태양추적 방식은 컴퓨터를 사용하지 않기 때문에 여러 가지 메리트를 기대할 수 있지만, 이 방식이 실현 가능했던 이유는 바로 적도의식의 채용에 있었다. 그러나 적도의식을 가능케 한 것은 실질적으로 사용하고 있는 거울에 비밀이 있다. 통상의 거울은 표면의 거칠기와 일그러짐 때문에 계산대로 집광을 할 수가 없고 게다가 각 거울의 거칠기와 일그러짐이 다르기 때문에 각각의 헬리오스탯에서의 반사광을 컴퓨터 제어의 개별 경위대를 사용하여 집광장치에 모을 필요가 있다.(<그림 3> 참조) 한편, 이번에 채용한 거울은 고정밀도 가공에 의해 일률적인 곡률을 유지할 수 있기에 한 번 설치 각도를 정해두면 간단하게 한 개의 축 주위의 제어만으로도 높은 집광율을 기대할 수 있다. 그러나 거울 표면의 곡률을 유지한다고 해도 직경 50㎝의 오목 거울로 300m의 집점 거리를 실현하기 위해서는 중앙의 움푹 패인 곳이 불과 52.1㎛이다.(<그림 4> 참조) 이러한 정밀도를 지닌 거울을 제작하기 위해서는 제작된 거울의 형상을 계측하는 장치가 필요하나 이렇게 넓은 면의 형상을 서브미크론Submicron 단위로 측정하는 장치는 일반적으로 찾아보기 힘들다. 그런데 미타카코키㈜에서 이러한 계측이 가능한 레이저 프로 방식의 비접촉 3차원 측정 장치를 자체 개발하여(<그림 5> 참조) 이러한 고정밀도 거울을 제작할 수 있게 되었다. 즉, 이번 헬리오스탯의 개발에는 ▲망원경과 수술용 현미경대를 개발할 즈음에 발전시킨 적도의 기술, ▲태양관측용 계측기기를 개발할 즈음에 발전시킨 센서 기술, ▲비접촉 3차원 측정 장치를 개발할 즈음에 발전시킨 기술 등 지금까지 개발해온 기기의 다양한 기술 응용을 통해 이루어낸 기술이며, 한 개 한 개의 제품 개발로 발전시킨 높은 기술과 독특한 발상의 축적으로 실현한 것임을 엿볼 수 있었다.


 

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