신재생 에너지의 종류 및 특성

신재생 에너지의 정의를 이해할 수 있다.
신재생 에너지의 필요성을 설명할 수 잇다.
신재생 에너지의 종류와 특성에 대해 설명할 수 있다.

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(1) 태양 에너지

에너지관리공단 신재생에너지센터

태양열 에너지를 이용하여 집에서 물을 데워 온수, 음식, 난방에 활용
태양열 장치 : 태양 광선의 파동 성질을 이용하여 태양열을 흡수, 저장 및 열변환 등의 과정을 거쳐 건물의 냉난방 및 급탕, 태양열 발전 등에 활용하는 장치
태양열 에너지의 장단점

장점

무공해이며 무한정한 청정 에너지
기존이 화석 에너지에 비해 지역적 편중이 적다.
다양한 부분에 적용이 가능하고 이용하기가 쉽다.
유지 보수비가 저렴

단점

초기 설치 비용이 많이 필요
기후 및 계절에 따라 일사량의 변동이 심하다.
하루 중 이용 시간이 한정되어 있다.

태양열 장치의 구성

집열부 : 태양열 집열이 이루어지는 부분으로 집열 온도는 집열기의 열손실율과 집광장치의 유무에 따라 결정됨
축열부 : 열 시점과 집열량이 이용시점과 부하량에 일치하지 않기 때문에 필요한 일종의 버퍼 (btffer) 역할을 할 수 있는 열저장 탱크
이용부 : 태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원을 이용해 공급함
제어장치 : 태양열을 효과적으로 집열 및 축열하여 공급함. 태양열 시스템의 성능 및 신뢰성 등에 중요한 역할을 해 주는 장치

그림 Ⅲ-32 태양열 시스템의 구성

그림 Ⅲ-33 태양열 주택

발전기의 도움 없이 태양 전지를 이용하여 태양 빛츨 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 방식
태양 전지를 부착한 패널을 지표면에 설치하고 태양광 에너지를 이용하여 전기를 만드는 것
태양광 에너지의 장단점

장점

햇빗이 있는 곳이면 어느 곳에서나 간단히 설치할 수 있다.
설치 후 유지 비용이 적게 들며 관리가 용이하다.
기계적인 소음과 진동이 없고 환경 오염을 일으키지 않는다.
수명(20년 이상)이 길고 자동화하기가 쉽다.

단점

에너지 밀도가 낮아 넓은 설치 면적이 필요하다.
초기 투자비가 많이 들고 발전 단가가 높다.

일사량에 다른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 전력 설비 보완이 필요

태양광 에너지의 구성

태양 전지

태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것
금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음

PN접합에 의한 태양광 발전의 원리

대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어짐. 이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함
이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨
자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨 P형 반도체와 N형반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨

태양광 발전 시스템의 구성도

그림 Ⅲ-33 태양광 발전 시스템의 구성

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(2) 풍력 에너지

바람 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술
풍력 에너지의 장단점

장점

자원이 풍부하고 재생 가능한 청정 에너지
가장 비용이 적게 들고 건설 및 설치 기간이 짧다.
유지 보수가 용이하다.
단지 내 농사, 목축 등으로 토지의 효율적 이용 및 관광 자원화 가능

단점

바람이 불 때만 발전이 가능하므로 에너지 저장 시설이나 상호 보완적인 발전 시설이 필요
풍력 발전기의 규모가 거대하여 조망권에 지장을 줄 수 있다.
가까운 곳에 소음 공해를 일으킬 수 있다.

풍력 에너지의 구성

풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력 변환장치, 제어장치 등으로 구성
기계장치부

바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치로 구성

전기장치부

발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록하는 전력안정화 장치로 구성

제어장치부

풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케하는 Monitoring System으로 구성

Yaw Control : 바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절
풍력발전 출력제어방식

Pitch Control

날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어

Stall(失速) Control

한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어

풍력 발전 시스템 구성도

그림 Ⅲ-34 풍력 발전 시스템 구성도

(3) 바이오 에너지

바이오에너지 이용기술이란 바이오매스(Biomass, 유기성 생물체를 총칭)를 직접 또는 생·화학적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기·열에너지 형태로 이용하는 화학, 생물, 연소공학 등의 기술을 일컬음
Biomass란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체·균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체
바이오 에너지의 장단점

장점

저장하기 쉽다.
바이오매스는 재생되는 에너지원
물과 온도 조건만 갖추어지면 어느 곳에서나 얻을 수 있다.
최소의 자본으로 이용 기술의 개발이 가능

단점

바이오매스 생산에 넓은 면적의 토지가 필요하다.
토지 이용 면에서 농업과 경합한다.
자원량의 지역차 크다.
비료, 토양, 물 그리고 에너지의 투입이 필요하다.

바이오 에너지 변환 시스템

그림 Ⅲ-35 바이오 에너지 변환 시스템

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(4) 해양 에너지

해양에너지는 해양의 조수·파도·해류·온도차 등을 변환시켜 전기 또는 열을 생산하는 기술로써 전기를 생산하는 방식은 조력·파력·조류·온도차 발전 등이 있음
시스템 구성도

그림 Ⅲ-36 해양 에너지 에너지 시스템 구성도

입지 조건

구분	조력발전	파력발전	조류발전	온도차발전
입지조건	평균조차 : 3m이상 폐쇄된 만의 형태 해저의 지반이 강고 에너지 수요처와 근거리	자원량이 풍부한 연안 육지에서 거리 30㎞미만 수심 300m미만의 해상 항해, 항만 기능에 방해되지 않을것	조류의 흐름이 2m/s 이상인 곳 조류흐름의 특징이 분명한 곳	연중 표·심층수와 온도차가 17℃ 이상인 기간이 많을 것 어업 및 선박 항행에 방해되지 않을 것

조석간만의 차를 동력원으로 해수면의 상승하강운동을 이용하여 전기를 생산하는 기술
달이 지구에 가하는 압력에 의해서 일어나는 조수, 즉 달의 끌어 당기는 힘을 이용하는 것
장단점

장점

발전 지점의 조위 변화 예측이 가능
무한정의 청정 에너지원
에너지 공급량이 규칙적

단점

유효 낙차가 작고 발젼이 불연속적
간만의 차가 큰 지역에만 가능
댐을 설치해야 하고 시설 규모가 크므로 해안 생태계에 영향을 미칠 수 있다.

그림 Ⅲ-37 시화 조력 발전소

연안 또는 심해의 파랑 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 기술
장단점

장점

소규모 발전이 가능하고 방파제로 활용할 수 있어 실용성이 크다.
한번 설치해 놓으면 거의 영구적으로 사용할 수 있고, 공해를 유발하지 않는다.

단점

심한 출력 변동과 대규모 발전 시설을 해상에 계류시키는 데 기술적인 어려움이 있다.
건설비가 비싸고 유지 관리비가 많이 든다.

해수의 유동에 의한 운동에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전 기술
장단점

단점

에너지 밀도가 높다.
날씨나 계절에 상관없이 연중 안정적인 발전이 가능
생태계에 미치는 영향이 거의 없는 친환경적인 에너지

단점

발전기의 제작비가 비싸다.
강한 조류 흐름이 있는 곳에만 설치가 가능하다.

그림 Ⅲ-38 울돌목 조류 발전소

해양 표면층의 온수(예 : 25∼30℃)와 심해 500∼1000m정도의 냉수(예 : 5∼7℃)와의 온도차를 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 기술
장단점

장점

에너지 공급원이 무한
이산화탄소와 같은 유해 물질을 발생시키지 않는 청정 자연 에너지
주야간 구별 없이 전력 생산이 가능한 안정적 에너지원

단점

바닷물의 부식에 강한 재료로 발전 설비를 만들어야 한다.
생물 때문에 생기는 오염을 막기 위한 대책이 필요하다.

(5) 지열 에너지

지열 에너지는 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉ㆍ난방에 활용하는 기술
태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃∼20℃정도 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방시스템에 이용
우리나라 일부 지역의 심부(지중 1 ~ 2 km) 지중온도는 80 ℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능

그림 Ⅲ-39 시스템 구성도

장단점

단점

공해 물질 배출이 없다.
산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지
장비의 유지비 이외에 다른 비용은 들지 않아 구동 비용이 저렴
가동율이 높으며 잉여열을 지역 에너지로 이용이 가능
지구의 냉각속도는 매우 느려 (맨틀의 경우 30억년간 300 ~ 350℃) 낮아지는 정도이므로 반 영구적인 에너지

단점

다시 보충할 수 없어 재생 불가능한 에너지
땅의 침전이 있을 수 있으며 지중 상황 파악 곤란
지열 발전이 가능한 지역이 한정되어 우리나라는 적격지가 드믐

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(6) 폐기물 에너지

폐기물에너지는 폐기물을 변환시켜 연료 및 에너지를 생산하는 기술
사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화, 성형고체 연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수 기술 등의 가공ㆍ처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업 생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 재생에너지를 생산하는 기술