태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 6>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

8. 태양열의 저장

우리는 이전까지 태양열을 어떻게 받아낼 수 있을 것인가에 대하여 알아보았다. 그러면 이제는 반대로 태양열을 어떻게 저장을 할 것인가를 연구해야 한다.

낮에 태양열을 잘 받으면 밤에는 어떻게 할 것인가? 그리고 비가 오고 눈이 오는 날에는 어떻게 할 것인가? 등 이 같은 물음에 대한 해결책이 바로 태양열을 어떻게 잘 보존할 것이냐는 문제이다.

일반적으로 태양열을 저장하고자 할 때는 하루의 저장량에만 맞추어 저장할 수 없다. 더구나 연중 절반은 밤이며, 흐린 날과 비가 오는 날도 잦아 우리는 예비저장일수를 계산하여 반드시 태양열의 저장소 크기를 결정해야 한다.

이렇게 태양열 에너지를 받는 것도 중요하지만, 이 대체에너지의 사용에 있어서 가장 중요한 것은 바로 열을 필요로 할 때 언제든지 사용할 수 있도록 열을 어떻게, 얼마나 저장하느냐이다.

a) 밤에 사용하기 위하여 낮에 집열한 태양열을 잘 유지·보존할 수 있는 저장시스템을 사용하여야 한다.

b) 태양열을 받지 못하는 시기를 대비하여 보조난방기구를 갖추어야 한다.

c) 보조적으로 단지 낮에만 사용하는 태양열기기를 준비하여 저장과 상관없이 낮에만 사용할 수 있는 시스템을 따로 준비하여 사용하는 것이 좋다. 즉, 밤을 위한 열의 저장과 낮에 사용하는 것을 분리하여 시설하는 것이다.

앞에서 지적한 바와 같이 우리는 태양열과 같이 돈이 들지 않는 에너지의 사용을 위해서 반드시 밤이나 비가 오거나 흐린 날에 대비하여 태양열 예비저장시스템을 준비해야 한다. 열은 저장하지 않으면 다 소멸되므로 저장시스템을 갖추어야 하는데, 이것은 어떤 상황에서도 열을 보존할 수 있는 물질, 즉 물이나 자갈 그리고 상변화 물질과 같은 저장물질을 필요로 한다. 여기서 상변화물질은 지금까지 우리가 사용하던 자갈이나 물과는 전혀 다른 형태의 저장물질로써, 그 물질이 하나의 상태에서 다른 상태로 상변화하는 동안의 열과 잠열 및 물질의 해동과 어는 것을 포함하여 그 열을 저장하였다가 사용하는 것이다.

그리고 이렇게 열을 축열하면 그 열을 어떻게 잘 보존할 것이냐는 문제는 순전히 앞에서 언급한 단열의 문제라고 할 수 있다. 그래서 필자는 단열재와 습기장벽의 중요성을 수시로 언급하는 것이다.

1) 열저장 시스템

<Figure 8-1> 태양열 농장

온도변화에 따른 열저장 시스템은 현재 세계적으로 가장 폭 넓게 사용하고 있는 시스템이다. 즉, 열저장 시스템은 자신의 온도변화 효과에 의해서 열을 저장하는 물질을 포함한다.

일반적으로 두 가지의 시스템이 이러한 방법으로 사용되고 있는데, 하나는 물탱크이고 다른 하나는 자갈노반이다. 그리고 이 방법 외에 사용하는 것이 바로 열의 유무에 따른 상변화물질이라고 할 수 있다.

물은 저장시스템을 위하여 즉시 사용할 수 있고 가격이 비싸지 않다는 장점을 가지고 있다. 물의 비열은 1BTU가 물 1파운드를 1℉ 상승시키는 열량을 의미하는 1.0 BTU/°F-lb이다. 1cu.ft.는 물의 무게로는 62.4파운드에 해당한다. 그래서 만약1 ft3의 물을 10℉ 상승시킨다는 것은 바로 물이 가지는 에너지가 624BTU에 해당하며, 이것은 물 1ft3은 624BTU의 열량을 저장하는 것과 같다.

조금은 큰 스케일로 가서 1,500갤론의 저장탱크는 물 12,513파운드에 해당하는 6t이 넘는 양을 의미한다. 물의 온도 50℉ 정도 상승시키는 것과 함께 그 탱크는 625,650BTU의 열을 저장할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이 된다. 이러한 온도 차이에 따른 열을 저장하기 위해서는 반드시 저장탱크를 좋은 단열재로 싸주어야 한다.

즉, 단열재의 존재 없이는 어떠한 열도 저장을 할 수 없다. 특히 단열재의 지속적인 효과를 위해서는 이와 같이 태양열을 저장하는 저장소에도 어김없이 습기장벽이 요구되고, 이렇게 습기장벽이 제대로 설치되었을 때 태양열 저장소는 오랜 기간 동안 설치한 단열재의 단열효과에 대한 변화 없이 사용할 수 있는 것이다.

펌프는 탱크로부터 집열판까지 물을 운송하기 위하여 사용하고 자연의 힘인 중력은 물을 원래의 위치로 되돌려줄 것이다. 만약 부동액을 사용한다면 열교환기를 사용하여야 한다. 다른 한편으로 물과 부동액으로 혼합된 1,500갤론이 요구되지만, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.

열교환기는 탱크에 부착되어 있고 이 열교환기가 집열판과 연결되어 있다. 이 때 뜨거운 물과 부동액의 혼합액은 탱크에서 물을 가열하는 코일로 운송되어 열을 전달한다. 저장소로부터의 열회수를 위하여 뜨거운 물은 냉각된 물보다 밀도가 낮으므로 탱크의 위로 올라가게 되어 순환하게 되고, 그 후 집의 난방기인 열교환기와 주거용 공간난방기를 위하여 열은 사용된다.

공기형태 집열기의 열축적용인 자갈은 일반적으로 태양열의 저장물질로 잘 사용되는 물질이다. 자갈의 비열은 약 0.20 BTU/lb°F 정도 되고 자갈의 cu.ft.당 무게는 약 140파운드이다. 그래서 자갈의 온도를 10℉ 상승시킨다는 것은 자갈의 1ft3가 280BTU를 저장할 수 있고 능력을 가지는 것과 같다.

<Figure 8-2> 태양열 난방시스템

이러한 자갈은 저장능력 상 3/4~3(5.72~7.62cm)인치 정도의 자갈을 사용할 때 가장 열저장능력이 뛰어나다. 이 경우에 자갈의 직경은 자갈과 자갈 사이에 빈 공간이 어느 정도 공기가 소통될 수 있는 공간을 가지도록 해 주는 역할을 한다.

이러한 자갈과 자갈 사이의 공간은 공기가 통과할 수 있고, 자갈의 열을 전달하는 표면적을 크게 가지면서 자갈 사이의 접촉이 쉬워 열전도가 용이해진다. 또한, 자갈들은 마찰을 감소시키기 위하여 표면이 매끄러울수록 좋다.

이러한 형태의 자갈 사이의 공간은 전체 용적의 1/3 정도 된다. 그래서 자갈 1ft3의 무게는 105파운드 정도 된다. 1,500갤론의 물탱크와 같은 열저장용량을 얻기 위하여 여러분은 625ft3의 자갈을 준비해야 한다. 연구결과 다른 열저장물질로 적벽돌이나 콘크리트 불록도 사용할 수 있다.

2) 융해열 저장방법

융해열의 저장방법은 물질의 녹는점과 어는점을 포함한다. 즉, 융해열의 저장방법이 바로 상변화에 의한 열저장방법인 것이다.

염은 온도변화에 따라서 90에서 118BTU/lb까지 열을 가진다. 예를 들어 Glaubers salt (Na2SO4 10 H20)는 91℉에서 1파운드에108BTU를 가진다. 염이 고체화했을 때 염은 열을 내놓고 액체화될 때 열을 빼앗는다. 이러한 물질의 높은 열흡수능력은 기본적으로 태양열저장소의 부피를 크게 줄일 수 있게 해준다. 비록 약간의 문제가 있다고 할지라도 같은 열량의 열을 저장한다면 이러한 Glaubers salt는 물 저장량의 1/4 정도의 용적이면 되고 자갈저장량의 1/12정도의 저장부피를 가질 뿐이다.

그러나 염은 우선은 비싼 물질이다. 그리고 시간이 지남에 따라서 열저장능력이 떨어져 교체해야 하는 경향이 있다. <Figure 8-3>은 다른 저장방법과의 비교표이다.

<Figure 8-3> 물질의 열저장능력

4) 여러 가지 물질의 저장값

<Figure 8-3>의 표값은 뒤에 열저장방법을 다시 설명할 때, 저장용량의 계산에서 중요한 역할을 하므로 반드시 기억해둘 필요가 있다. 특히 열저장값은 모두 BTU로 계산하기 때문에 실제로 이의 값은 모든 열저장값에서 항상 튀어나오는 상수와 같다.

<다음 호에 계속>