태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 5>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

7. 태양열 에너지는 어떻게 유용한가?

<Figure 7-1> 대기권에서의 태양광의 역할

지구 대기권의 바깥층으로 입사하는 태양에너지의 총량은 연간 같은 비율로 조금씩 변화한다. 이러한 태양에너지가 지구의 표면까지 대기를 통과해서 여행하는 것과 같이 빛은 먼지, 구름과 같은 수증기와 가스입자 그리고 공기의 오염인자들에 의해서 흡수되거나 산란된다.

그 결과 태양으로부터 들어오는 직사광선 중 단지 일부분만이 지표면에 와 닿는다. 왜냐하면, 대기 상태는 받아들이는 태양에너지의 변화에 의해서 매일매일 변화하기 때문이다.

<Figure 7-2> 지구의 공전

연중 변화하는 4계절이 지구에 얼마나 많은 태양광을 도달시키느냐 하는 것을 결정한다. 즉, 태양광선은 여름에는 북반구에, 겨울에는 남반구에 더 많은 태양광을 보내준다. 그 결과 태양광이 많은 여름에는 태양열이 많아지기 때문에 결과적으로 온도가 올라가 덥게 되고, 겨울에는 태양광이 적어 추워지게 되는 것이 다르다고 할 수 있다. 또한, 빛 산란의 감소로 겨울에는 지표면까지 도달하는 태양광이 적어진다.

이렇게 직사광선과 함께 지구에 도달하는 산란된 방사는 확산방사(diffuse radiation)라고 부른다. 겨울에는 바로 이 확산 방사량이 적다.

<Figure 7-3> 위도 40° 지역의 계절별 입사각의 변화

태양으로부터 들어오는 에너지는 시간을 가지고 진동을 치듯이 들어온다. 예를 들어 밤에는 태양 빛이 없지만, 낮에는 시시각각 빛의 조사량이 달라지듯이 어느 한순간도 같은 양을 보내오지는 않는다.

하루에 태양에너지 대부분은 아침 10시부터 오후 4시까지가 가장 많은 입사시간이 되기는 하지만 그중에서도 가장 많은 태양에너지의 공급시간은 오후 12시부터 오후 3시까지라고 할 수 있다. 즉, <Figure 7-4>와 같이 이렇게 포물선을 그리는 태양에너지의 활동시간은 바로 우리가 태양에너지를 얻을 수 있는 시간이기도 하다.

<Figure 7-4> 12월 21일에 태양에너지의 평균적인 변화

실질적인 태양방사의 기록은 폭우가 쏟아지는 더운 여름날에는 그리 많지 않다. 태양에너지의 전체 총량을 측정하는 대부분의 기상관측소는 12월이 가까워질수록 에너지의 총량이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

<Figure 7-6>은 지난 1951년부터 1966년까지 미국 인디애나주의 인디애나폴리스에서 당시 15년간의 태양에너지 열적 변화를 축적한 자료이다. 그 값은 한 달 동안 매일 평균을 낸 값으로 매일 ft2당 BTU로써 표현된 값이다.

방사 값을 측정한 결과가 높고 낮은 것은 25년이라는 기간 동안 기록된 가장 높고 낮은 월별 기록이다. 투과율은 맑은 날과 관계되는 것을 반영한 것이고, 여러 가지 남쪽에 면한 곳의 기대치의 평균값이다. 그러나 태양에너지가 가장 많았던 총량은 집열판이 태양이 바로 위치해 있는 남쪽을 향해서 있을 때의 양이다.

인디애나주에서 겨울에 집열판의 표면으로 태양광이 최고의 양으로 입사되기 위하여 그것은 수평으로부터 55~60°각을 이룰 때이다. 여름에는 최고의 태양광이 입사되는 각은 25~30°를 이룰 때이다.

만약 집열판의 표면이 남쪽으로 면하지 않는다면 가장 큰 집열량은 한낮이 아닌 아침이나 오후 늦은 시각이 될 것이다. 이것은 결과적으로 충분한 열을 집열할 수 없다는 것을 의미한다.

<Figure 7-5> 겨울과 여름의 집열판 추천각

1) 대기권의 완전투과는 태양열이 지표까지 들어오는데 아무런 장애가 없다고 가정했을 때의 열량을 말한다. 이렇게 될 경우에는 시간에만 의존한다.

2) <Figure 7-6>의 측정치는 미국 미네소타 대학의 Baker, D. G.와 그리고 D. A. Haines.가 측정한 측정값이다.

3) <Figure 7-6>의 측정치 평균은 투과되어온 태양광 중 지표면에 도달하는 광선량의 평균치를 말한다.

만약 태양열에 대한 효율을 알고 있다면, 그다음은 태양열을 사용하고자 하는 월에 하루에 태양열을 받을 수 있는 열의 평균량을 계산할 수 있다.

예를 들어 집열판의 효율이 50% 정도의 것을 사용하는 태양열 주택에 살고 있다고 가정하자. 그리고 지붕의 경사도가 30°각으로 태양열 집열판을 지붕에 얹고, 12월에 집열할 수 있는 에너지의 총량을 알고 있다고 가정하자.

그러면 <Figure 7-6>에서 12월에 입사각이 30°이면 959BTU 정도의 열량을 받고 있다는 것을 알 수 있다. 여기에 태양열 기기의 효율이50%이기 때문에 결과적으로 ‘0.5 × 959 BTU/day = 480BTU/day’가 계산되는 것을 알 수 있다. 이것은 12월에 집열판 각 ft2당 평균적으로 480BTU/day를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 이렇게 월별 지표면까지의 각도에 따른 투과량을 알아야 전체적으로 자신이 제작·설치할 태양열 집열판이 받아들이는 열량을 계산할 수 있다.

<Figure 7-6> 미국 북위 40°인 인디애나주 인디애나폴리스의 태양열 평균방사율(BTU per sq. ft. per day)

특히 필자가 인디애나폴리스의 연구자료를 선택한 것은 우리나라가 38° 선상에 위치하여 위도상 거의 같은 위치에 있기 때문이다. 결과적으로 이 자료는 태양의 입사각에 따른 열량값을 측정하여 평균낸 값으로, 우리는 이 값에 따라서 태양열을 얼마나 얻을 수 있는지를 계산할 수 있는 것이다.

<다음 호에 계속>