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태양에너지 이용기술

태양에너지 이용기술. 태양에너지 자원의 특성 태양열의 이용 태양광발전. 태양에너지 자원의 특성. 지구상에 존재하는 깨끗하고 안전한 자원 환경오염을 유발하지 않음 태양 표면온도 : 5,500 C 태양복사에너지 : 가시광선 38%, 자외선 9%, 적외선 53% 지구에 입사되는 태양에너지 우주로 재반사 : 30% 지표나 대기 중에 흡수 : 47% 물증발 , 광합성 : 23% 대기권에서 바람 등 기상변동 유발 : 0.5%

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태양에너지 이용기술

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Presentation Transcript

  1. 태양에너지 이용기술 • 태양에너지 자원의 특성 • 태양열의 이용 • 태양광발전

  2. 태양에너지 자원의 특성 • 지구상에 존재하는 깨끗하고 안전한 자원 • 환경오염을 유발하지 않음 • 태양 표면온도 : 5,500 C • 태양복사에너지 : 가시광선 38%, 자외선 9%, 적외선 53% • 지구에 입사되는 태양에너지 • 우주로 재반사 : 30% • 지표나 대기 중에 흡수 : 47% • 물증발, 광합성 : 23% • 대기권에서 바람 등 기상변동 유발 : 0.5% • 태양상수 : 1.36 kW/m^2 (지구 공기층 밖에서 단위시간, 단위면적당 수직으로 들어오는 태양복사량) • 직사(직달)일사와 산란일사 : 총일사량

  3. 국내 일사량 조사자료 • 전국 연평균 하루 일사량 : 3,042 kcal/m^2 (3.537 kWh/m^2) • 대기오염이 심한 서울, 수원의 경우 전국에서 가장 낮은 일사량 • 해안지방의 일사량 조건이 대체로 양호 • 월평균은 5월의 일사량이 가장 높게 나타남청주 : 연평균 3,044 kcal/m^2봄 : 3,778 kcal/m^2여름 : 3,745 kcal/m^2가을 : 2,652 kcal/m^2겨율 : 2,000 kcal/m^2 • 대기의 청명도에 크게 영향을 받는다

  4. 태양열의 이용 • 미국이나 유럽에서 사용되는 전체에너지의 ¼정도가 저온 가열이나 냉방을 위해 이용되며 상당부분이 건물의 냉난방에 이용 • 유리온실 • 유리는 파장이 0.3~3 um범위에서 복사에 대한 높은 반사 효율 • 유리를 통과한 후 온실안에서 파장이 증가하여 내부에서 산란, 회절로 인해 에너지가 온도상승에 기여 • 열전달방법에 따른 구분 • 강제순환적 열전달 : 설비형 (active solar thermal system) • 비기계적 열전달 : 자연형(passive solar thermal system) • 공업용 태양열 온수시스템 • 보다 높은 온수를 이용하기 위하여 집광기(렌즈)를 활용 • 극히 제한된 경우에만 이용

  5. 태양열의 이용(계속) • 태양열 온수 : 난방 보다는 급탕용으로 활용 • 태양열 온수시스템의 작동원리 • 소용량(가정용) : 축열탱크는 상부에 집열기는 하부에 설치, 자연 대류현상에 의해서 온수가 탱크에 저장 • 대용량 : 집열된 열을 축열탱크로 강제순환, 온수는 배관을 통해 사용됨. 집열량이 부족한 경우 심야전기 등을 보조열원으로 이용 • 시스템의 구성 • 집열부(집열기) : 평판형, 진공관형, 혼합형 • 축열부(축열탱크) : 소용량, 2중자켓형, 열매체 축열식, 판튜브형 • 이용부 : 배관, 보온, 열교환기, 각종 밸브 및 제어장치, 지지 구조물 • 개략적인 규모 산정 • 소용량 : 4-5인 가정용 : 일일 온수사용량을 기준 (180-300리터) • 사계절이 있는 경우 동절기를 기준으로 설정하면 하절기의 과열로 인해 제품의 수명이 현저하게 단축될 수 있다

  6. 집열면적 • 집열면적 • 축열용량, 일사량, 집열효율 등을 기준으로 산정한다. • 축열용량 : 253 L * 50 C = 12,650 kcal/day일사량 : 일평균 3,000kcal/m^2집열 효율을 70%= 12,650 /3,000 /0.7 = 6 m^2

  7. 집열부의 구조

  8. 태양열을 이용한 증류장치

  9. 소형 태양열 온수기의 구성도

  10. 태양에너지를 이용한 건조장치 • 곡물 건조 등에 활용 • 기본 원리 • 투명한 피복재료 • 집열부분은 어두운 또는 흑색으로 • 바닥은 단열처리 • 공기의 유입과 유출 : 습공기를 배출되고 외기의 건공기가 유입

  11. 곡물건조장치 • 직접 적용법

  12. 직접방식의 장단점 • 장점 • 시설비가 낮다 • 유지관리비가 저렴 • 연료가 이용되지 않는다 • 일부의 경우 건조시간이 짧다 • 단점 • 외기 조건에 노출 • 과다 건조 또는 과열의 위험성 • 건조 대상물질의 물질 변형이 가능

  13. 간접 적용방식

  14. 간접방식의 장단점 • 장점 • 고열에 노출되지 않으며 이에 따르는 위험성이 낮다 • 자외선 등에 노출되지 않는다 (변색, 물질 변형 등이 없음) • 단점 • 건조대상 물질이 엉킬 수 있다 • 하부의 더운공기가 위로 상승하면서 상부에서는 건조가 불량할 수 있다.

  15. 태양광 발전 (Solar photovoltaic conversion) • 광전효과 : 전해질에 담근 전극 사이에서 재료들이 빛을 받을 때 혹은 셀레늄과 같은 고체에서도 작은 양의 전류가 흐르는 현상 (photovoltaic effect) • 태양전지 : • 태양열전지 : 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 방법 • 태양광전지 : 반도체의 성질을 이용하여 전기에너지로 변환시키는 장치 (전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 발광 다이오드의 역) • 초기 전환효율 : 1~2% • 이후 4% 대에서 현재 10%의 효율 수준에 이름 • 태양전지의 장점 • 교체 부분이 없어 유지비가 저렴 • 무공해 청정에너지생산 • 내구성이 우수 • 전기공급이 되지 않는 원격지에서 활용가능 • 실리콘으로 제작

  16. 태양발전 비용 • 연도 발전단가 • 1973년 : $7.5/kWh • 1983년 : $0.65/kWh • 1997년 : $0.18~0.25/kWh • 일본 2005년까지의 목표 • 발전단가 : 144-240원/kWh • 태양전지 : 140-250원/W • 태양전지의 종류 • 결정질 실리콘 : 단결정은 효율이 높으나 생산비용이 높으며, 다결정은 저효율인 반면 생산단가가 낮다 (최대 35%, 19% 예측) • 비결정질 실리콘 : 10%이상의 효율 • 기타 (GaAs, CdTe 등)

  17. 개략적인 설치 발전량 : 100W/m^2 솔라판넬 상품(대체에너지 일반 포함) 관련 정보http://www.mrsolar.com(판매상품 사례)32W 판넬 (0.6 m2: 1.43m x 0.42 m) : $250 (30만원, $1:1200원)160W (2.5m^2) : $690 (828,000원)* 소요 태양광발전 시스템 견적: (위도가 비슷한 Virginia 선택)http://www.mrsolar.com/sizing.htm

  18. 태양전지 소요면적 계산 : • 발전량일사량(W/m^2) * 전지면적(m^2) *전지효율(%)*조사시간(h) • 일사량 : 약 1kW/m^2 (청명한 날) • 전지효율 : 약 10% 내외 • 조사시간 : 흐린날 등 고려 연 평균 하루에 3~4시간 (3.84시간) • 1 m^2 당 전력생산 : 1kW/m^2 * 1 m^2 * 0.1 * 3.84 hr/day= 0.38 kWh/m^2 • 하루 12 kwh 전기 소모하는 가정인 경우12 / 0.38 = 31.6 m^2 • 직류에서 교류 전환과정에서의 손실 : 30% 수준 • 31.6 /0.7 = 45.1 => 50 m^2

  19. 태양전지의 수명 • 25~30년 • 발전부위가 실리콘이므로 반영구적이나 • 실제로 조립하는데 유리, 알루미늄, 접착제 등의 수명이 30년 내외 • 태양광 발전의 종류 • 계통연계형 : 한전 계통선과 연계시켜 낮에 발전되는 전력 가운데 일부는 소비하고 잉여전력은 계통선으로 보내며, 야간이나 흐린 날에는 전기를 받아서 쓴다. 1999년 현재 1 가정 규모(3kW)로 4000만원 정도 예산 • 독립형 : 계통선으로부터 전기의 공급없이 자체적으로 생산/소비3kW규모에서 축전지의 비용으로 약 5000만원 정도 예산

  20. 소수력 발전 • 수력발전의 분류 • 초소형 수력발전 : 100kW 이하 • 소수력발전 : 100kW ~ 10 MW • 일반(대형) 수력발전 : 10 MW • 국내에서는 3000kW 이하의 경우 소수력으로 분류 • 수력발전의 특징 • 값싼 재생에너지원 • 초소형 또는 소수력의 경우 발전단가 면에서 불리한 상황으로 전개 • 수자원 및 수문예측과 관련된 기술발전으로 경쟁력이 점차 강화 • 환경영향이 있으나 사전 관리로 극복이 가능 • 소수력의 경우 분산형 발전시스템으로 적용성이 있음 • 풍력 등에 비해서 비교적 안정적인 발전을 기대할 수 있음

  21. 국내 소수력 자원 • 자원량 : 582,000kW • 개발가능량 : 147,000kW • 현재 개발량 : 31,920kW • 발전소 수 : 16 (소수력) • 여건 • 소수력 발전의 입지가 자연낙차가 크지 않아 이에 맞는 계획요구 • 저낙차용 수차의 개발이 시급 • 국내 소수력발전소의 평균설비용량은 약 2000kW이고 대부분 낙차가 큰 곳에 위치 • 양수발전 • 하부저수지와 상부저수지를 만들어 주간에 전력의 수요가 많을 때 상부저수지의 물로 보통의 수력발전 • 사용한 물은 하부 저수지에 저장해 두었다가 야간이나 휴일과 같이 전력이 남아돌 때 잉여전력을 이용하여 물을 상부저수지로 퍼올림 • 상부에 물을 올릴때 수차는 펌프로, 발전기는 모터로 역이용 가능

  22. 발전단가의 비교 (cents/kWh) • 분 류 1995 2020 • 화석연료 대형/중앙집중식 4~6 • 화석연료 소규모분산형 8~12 • 대규모 수력 3~13 2.6~11.2 • 소수력 4~14 3.6~10.1 • 조력 6.7~17.2 6.1~11 • 풍력 5~9.8 2.5~7.3 • 태양열 20~24 8~10 • 태양광발전 21~29 8~22 • 지열 5~8 5~7

  23. (소)수력발전에서의 가용 에너지 • 유량 * 수두 • 낙차 • 0.61 m 이하의 수두는 적용 불가 • 낙차가 적은 경우 유량으로 보상될 수 있으나 고가(대용량)의 터어빈이 요구 • 총수두 : 터어빈 방류구와 유입구사이의 수두 • 순수두 : 총수두에서 관내 마찰손실 등을 제외한 수두 • 일반적으로 저수두, 저속의 터어빈의 효율이 고수두, 고속의 터어빈에 비해 낮다 • 따라서 저수두, 저속의 터어빈 제품은 찾기 어려움 • 발전효율은 대체로 40~70% 수준, 평균적으로 55% 수준 • 동력계산 • 총수두(m) * 유량(cms) * 효율 * 9,81 : kW • 예) 수두 : 15 m, 유량 : 0.02 cms, 효율 : 55% => 1.62 kW

  24. 터어빈의 종류 • 프란시스 수차 (Francis turbine)물의 압력을 이용하는 형식대부분의 수력발전에 이용 • 펠톤 수차 (Pelton turbine)낙차가 큰 곳에서 물의 분출력을 이용하여 발전하는 방식 • 카플란 수차 (Kaplan turbine)반동형 수차, 운동에너지와 압력에너지를 동시에 사용하는 수차프로펠러식과 유사한 낙차범위에서 사용유량과 낙차의 변화가 많은 수력발전소에서 안정적으로 운전가능우리나라 소수력발전소에 적용하기 유리

  25. 펠톤 터어빈

  26. 프란시스 터어빈

  27. 카플란 터어빈

  28. 수차의 비속도 (specific speed) : Ns • 단위낙차 1m 위치에서 단위출력 1kW를 발생시키는 데 필요한 1분간의 회전수 • Ns = NP1/2/He5/4 N : 수차의 정격 회전속도 (rpm) He : 유효낙차 P : 낙차 He에서의 수차의 정격 출력 (kW) • 수차의 형식과 적용낙차 • 수차의 형식 적용낙차(m) 비속도 펠톤 150~800 12~23 (< 4300/(He+195)+13) 프란시스 40 ~ 500 65~350 (< 2100/(He+25) +35) 카플란 5 ~ 80 350~800 (Ns 는 21000/(He+17) +35 이하)

  29. 예제) • 유효낙차가 300m이고, 유효출력이 2400kW, 정격회전속도가 640rpm의 수차의 비속도와 적합한 수차를 결정하라 He = 300m, P = 2400kW, N = 640 rpm Ns = 25.1 펠톤 : 4300/(300+195)+13 = 21.7 : 25.1보다 작으므로 곤란 프란시스 : 2100/(300+25)+35 = 41.5 : 25.1보다 크므로 적정

  30. 소수력발전 계획 • 수문, 가용 수자원의 평가 : • 평균 낙차, • 유량 (시간 vs. 유량) • 유량자료가 없는 경우 강수량을 이용하여 추정 • 적정 수차의 선정 : 소수력의 경우 프로펠러 또는 카플란식이 적합 • 비속도 계산 • 적정 터어빈의 결정 • 생산된 전력의 소비 또는 판매 방법 • 인접 지역에서의 소비 • 또는 한전계통으로 판매 • 경제성 분석 • 시설비용 • 토목건설비용 • 기타 부대시설 • 전력판매량

  31. 소수력개발을 위한 검토사항 • 후보지 결정 • 법적 적합성 여부 • 날짜와 월별실적 평균 방류량에 의한 이론출력 산출 • 후보지의 경제성과 주위환경 등 입지여건 파악 • 유효낙차 결정 • 과거 10년간 일편균수위 분석 • 손실수두 산정 • 설계수위, 평균수위 및 정격수위 산정 • 사용수량 결정 • 유입량 및 방류량 분석 • 저수지 모의 운영 • 수문자료와 하류 용수공급 검토 • 시설용량 결정 • 발전사용수량 및 정격낙차 결정 • 수차형식 및 댓수 결정 • 수차발전기 효율을 적용 최적 시설용량 계산

  32. 연간경비 산정 • 산정기준 설정 • 총사업비 산정 • 연간경비 산정 • 연간수익 산정 • 연간 발전량 산정 • 소수력 구입단가 적용 • 연간 수익 산정 • B/C 분석 • 발전원가 계산 • B/C계산

  33. http://www.solarelectric.com/products/level3_43.htm(마이크로 터어빈) Head range: 20 to 600 feet ·Flow Range: 4 to 250 GPM ·Maximum 12 Volt Power: 700 Watts ·Maximum 24 Volt Power: 1400 Watts ·Maximum 48 Volt Power: 2500 Watts (with additional fan) Head range: 5 to 200 feet ·Flow range: 40 to 400 GPM ·Maximum Power: 1000 Watts ·Voltage is user-set from 12 to 48 VDC 1gpm(gallon per minute)=0.06309 L/s

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