신▪재생 에너지 New & renewable

목 차 신재생에너지란? 태양광 태양열 풍력 연료전지란? 수소 태양채광

1. 신·재생 에너지란? 1. 신 · 재생 에너지의 정의 우리나라는 신재생에너지의 정의를 「신·재생에너지개발보급및이용보급촉진법」제2조에 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개분야 지정함  ★재생에너지란?  : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지(8개분야)   ★신에너지란?   : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지(3개분야)

2.신재생에너지의 특성 ■ 화석연료사용에 따른 CO2 발생이 없는 환경친화성 ■ 주로 재생 가능하며 비고갈성 ■ 연구개발에 의해 확보가 가능한 기술주도형 자원 ■ 장기적으로 선행투자와 정부지원이 필요한 공공성이 강한 미래에너지 ■ 대중화되지 못하고, 기술개발 초기 단계이므로 설비 설치시 경제성은 많지 않다.   

2. 태양광 태양광 이용기술 태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨

[독립형 시스템] 전력이 연결되지 않은 지역에서 이용되며 어디에서든 전력이 필요한 곳에 설치하여 별도의 전력회사로 부터 전력공급 없이 사용가능. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 방식 시스템 규모에 따라 축전기의 용량이 달라짐

[연계형 시스템] 태양광으로 발전한 전기와 전력회사에서 공급하는 전기를 같이 사용하는 방식 태양광으로 발전된 전력이 부족할 때는 전력회사로 부터 전력을 받고 태양광으로 발전된 전기를 사용 하고 남을경우 전력회사에 전기를 팔 수 있다.

■ 태양광발전 개요 ■ 태양광 발전의 원리 태양광발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식이다. 이러한 태양광발전의 핵심은 일반적으로 pn접합구조를 가진 태양전지(solar cell)로서 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되 면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성된다.

생성된 전자-정공 쌍은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다.  

■ 태양광 발전 원리도(실리콘 태양전지 기준)

태양광 발전의 장단점 장점 에너지원이 청정하고 무제한 필요한 장소에서 필요한 양만 발전 가능 유지보수가 용이하고 무인화 가능 20년 이상의 장수명 건설기간이 짧아 수요 증가에 신속히 대응 가능 단점 전력생산이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적이고 시스템 비용이 고가임 초기 투자비와 발전단가 높음 일사량 변동에 따른 출력이 불안정

■태양광 발전 시스템의 구성

태양전지에 의한 발전원리 태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery) 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것 금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음

태양광발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다. 아래 그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다. 이러한 태양전지는 필요에 따라 직병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.

■ 이용목적 및 구조에 따른 분류

■ 물성에 따른 분류

■ 박막 태양전지의 구조

■나노구조 태양전지개념

■ 염료 감응형 TiO2 태양전지

■ 모 듈 태양전지의 최소단위를 셀이라고 한다. 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 그 이유는 2가지로, 하나는 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작고, 실제 사용할 수는 수 V에서 수십 혹은 수백 V이상이 되고, 따라서 셀을 몇 개나 몇 십개 직렬로 연결하지 않으면 안된다. 또 하나의 이유는 야외에서 사용할 경우, 여러 가지 혹독한 환경에 처해지기 때문에, 접속된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호할 필요가 있다. 이와 같은 이유에서 복수의 셀을 패키지로 한 것을 모듈이라 말하고 있다. 또, 이 모듈을 복수개로 이어서 용도에 맞게 한 것을 어레이라 칭하고 있다.

▪일반적으로 셀이 벌크 형을 나타낼 경우에는 그것의 상하를 동 등한 방법으로 커버하여 보호하면서 모듈화 하지만, 박막의 경우에는 태양전지 셀이 무언가의 기판 위에 밀착하고 있기 때문에, 그 기판을 포함한 모듈이 형성된다. ▪ 모듈의 구성 부재는 일반적으로 셀, 표면재, 충진재, Back sheet, Seal재 프레임재의 6점으로 구성된다. ▪ 표면재는 대부분의 경우가 백판 강화유리가 이용되고 있으며, 일부 아크릴, 폴리카보네이트, 불소수지 등의 합성수지가 이용되고 있는 예가 있지만, 대부분은 우주용 혹은 민생용으로 한정되어 있다. 그것은 전력용에서는 수십년의 신뢰성을 요구하기 때문에 그것을 만족하는 것은 현재로는 유리로 압축되어 있기 때문일 것이다.

충진재로서는 실리콘 수지, PVB, EＶA가 이용되지만, 처음 태양전지를 제조하면서는 실리콘수지가 최초로 사용되었으나, 충진하는데 기포방지와 셀의 상하로 움직이는 균일성을 유지하는 데에 시간이 걸리기 때문에 PVB, EVA가 이용되게 되었다. 그러나 PVB도 재료적으로 흡습성이 있기 때문에 최근에는 EVA가 많이 이용되고 있다. 하지만, EVA도 자외선 열화가 있다는 것 때문에 재검토되고 있다. Back sheet의 재료는 PVF가 대부분이지만, 그밖에 폴리에스테르, 아크릴 등도 사용되고 있다. PVF의 내습성을 높이기 위해 PVF에 알루미늄호일을 씌우거나, 폴리에스테르를 씌우거나 한 샌드위치 구조를 취하고 있다. Back sheet 재료에 유리를 이용한 것으로 더블 그라스타입이다. 더블 그라스 타입은 다소 오래된 타입이라고 생각할 수 있지만, 현재에도 유럽을 위주로 일부 미국에서도 사용되고 있다.

Seal재는 리드의 출입부나 모듈의 단면부를 Seal로 하기 위해 이용된다

■ Module Fabrication

■ 결정질 실리콘 태양전지 모듈

■ 박막 태양전지 모듈

■ 박막 CIS 태양전지 모듈

■ PCS(전력변환장치) 태양광발전용 전력변환장치(이하에서는 PCS라고 칭한다)는 태양전지 어레이로부터 발생된 직류전력을 상용주파수,전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계함과 동시에 시스템의 직류, 교류측의 전기적인 감시?보호를 하며, 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 신뢰성 향상과 가격 저감에 중요한 부분이다. 태양광발전시스템에서는 인버터 부분에 절연트랜스를 사용하여 태양전지 측의 직류전력과 계통연계측의 교류전력과의 혼촉을 방지하는 구성이 사용되고 있다.  

절연트랜스의 목적은 태양광발전시스템으로부터 전력계통에 직류성분이 유출되는 것을 방지하는 것과 상용계통으로부터 태양광발전시스템에 이상전위가 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다. 태양광발전시스템의 전력계통과의 절연방식에는 상용주파수 절연방식과 고주파 절연방식의 2종류가 있다. 상용주파수 절연방식은 인버터의 교류출력부에 60Hz의 상용주파수 절연트랜스를 접속하는 것이며, 기술적으로 안정된 실적이 있는 회로로서 많은 인버터에 사용되고 있다.  

■ 국내 태양광 설치 예 기흥삼성SDI중앙연구소 / 1996년 / 100 kWp

제주도 한라산 / 1996년 / 10kWp

경기도 안산 육도 / 2001년 / 60 kWp

전남 하화도 / 1987-1995년 / 60 kWp

와도 / 10 kWp

PN접합에 의한 발전원리 태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발됨 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음 이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 됫면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리임

PN접합에의한 태양광발전의 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

태양전지의 역사 1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltai ceffect)를 발견 1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과연구이후 효율 1~2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용 1940년대∼1950년대초 초고순도 단결정실리콘을 제조할 수있는 Czochralski process가 개발됨 1954년 Bell Lab.에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발 1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후 모든 위성에 태양전지를 사용 1970년대 Oil shock이후 태양전지의 연구개발 및 상업화에 수십억 달러가 투자되면서 태양전지의 상업화가 급진전 현재 태양전지효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈가격 $6/W 내외, 발전단가 $0.25∼0.5/kWh

태양광의 특징 및 구성도 특 징 장 점 에너지원이 청정·무제한 필요한 장소에서 필요량 발전가능 유지보수가 용이, 무인화 가능 장수명(20년 이상) 단점 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 초기투자비와 발전단가 높음

태양광발전 시스템 구성도

사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전) 설치장소 및 내용 : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p

사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전) 설치장소 및 내용 : 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp

태양광 발전 기술의 분류 태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류

태양전지 실리콘계 태양전지 단결정질 실리콘계 태양전지(기판형)는 시스템화 연구를 통해 상품화단계 다결정질 실리콘 태양전지(기판형) 및 다결정질 실리콘 박막형태양전지는 기초연구단계로 요소기술을 확보하였으나 상품화를 위한 제조설비의 투자비 과다로 사업화가 중단된 상태임 화합물계 태양전지 결정화합물계 Ⅲ-Ⅵ족 (CdTe, CuInSe2 등) 태양전지는 효율이 높은 것이 장점이나 저가화, 대면적화가 문제로 이러한 부분을 해결하기 위한 기초 요소연구를 수행 미래 박막형 태양전지로서 실용화를 위한 시스템연구를 기반성으로 추진 화합물 반도체는 에기연 등에서 기반기술 확보 수준

태양전지 필요 기술

Si계 태양전지 Si 기판 제조 기술(Cast, 리본 기판) Si계 건식, 습식 PN 접합 기술 다중접합 형성 및 태양전지 적층 기술 투명 전극 및 배면 전극 형성 기술 화합물 태양전지 박막 성장 기술 밴드갭 제어 및 다중 접합 형성 기술 박막 장비 기술

주변장치 제조기술 축전지 제조 직교류 변환장치 개발 소형 인버터 장치 개발 시스템 이용기술 독립형 시스템 개발(주변장치 연계 기술) 계통연계형 시스템 개발(주변장치 연계 기술) 복합이용 시스템 개발(태양광-풍력 연계 기술) 시스템 성능평가 기술 인버터 및 축전지 평가기술 개발 시스템 효율개선에 필요한 시스템 평가기법 개발 시스템 설치대상의 목적·특성 등에 따른 최적시스템 설계기법의 확립 실증운전 계측 데이터베이스화에 의한 설계 변수의 도출

3. 태양열 ■ 태양열 이용기술 ■ 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술 ■ 태양열 이용시스템은 집열부, 축열부, 이용부로 구성

태양열의 시스템 구성도 및 원리 원리 ■집열부 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치로 가장 중요 한 부분 가장 간단한 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관으로 이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으킴 빛이 집열판속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워짐

이렇게 뜨거워진 내부에는 열을 흡수하였다가 전달하는 매체가 흐르는데 이 뜨거워진 매체는 물과 열교환하여 난방용 또는 온수용 물을 생산 ■축열부 : 열교환되어 이용처에 활용될 매체(난방용 온수등)를 저장 ※ 태양열에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심한 에너지이므로 집열과 축열기술이 가장 기본되는 기술임

태양열 이용 시스템 구성도

특징 ■ 장점 무공해, 무제한 청정에너지원 기존의 화석에너지에 비해 지역적 편중이 적음 다양한 적용 및 이용성 저가의 유지보수비 ■ 단점 밀도가 낮고, 간헐적임 유가의 변동에 따른 영향이 큼 초기 설치비용이 많음 봄, 여름은 일사량 조건이 좋으나 겨울철에는 조건이 불리함

<소규모 태양열 발전 시스템> 수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다. <중규모 태양열 발전 시스템> 수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다. <대규모 태양열 발전 시스템> 수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(solar electric generating system, Luz사에서 건설)을 들 수 있다.

설치기기명 : 태양열 설비형시스템 설치장소 : 안양 신성 중·고교

설치기기명 : 10MW급 태양열 발전 시스템 설치장소 : 미국 캘리포니아

4. 풍력 ■ 원리 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

■ 특징 및 시스템 구성 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행 ▪ 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 제어장치부문으로 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

풍력발전 시스템(Geared Type)

■ 풍력발전시스템 분류 ▪구조상 분류(회전축 방향) 수평축 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형 수직축 풍력시스템(VAWT) : 다리우스형,사보니우스형 ▪ 운전방식 정속운전(fixed roter speed type) : 통상 Geared형 가변속운전(variable roter speed type) : 통상 Gearless형 ▪ 출력제어방식 Pitch(날개각) controll Stall(失速) controll ▪ 전력사용방식 계통연계(유도발전기, 동기발전기) 독립전원(동기발전기, 직류발전기)

■ 회전축 방향에 따른 분류 수평축 발전기 수직축 발전기

풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있음 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음 준대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축도 사용됨

■ 운전방식에 따른 분류 Geared type Gearless type

덴마크 Middelgrunden 해양단지 덴마크 Tuno 해양단지 덴마크 Middelgrunden 해양단지

5. 연료전지 ■ 연료전지의 개념 ▪ 연료전지는 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 미래의 환경친화적 신에너지 ▪ 연료전지는 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 미래의 환경친화적 신에너지   ▪ 연료전지는 연료(LNG, LPG, 메타놀등) 및 공기의 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술(연료의 연소→증기발생→터빈구동→발전기구동)과는 달리 연소 과정이나 구동장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제(대기오염, 진동, 소음 등) 를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이라고 말을 할 수가 있다.

연료전지의 장점 - 높은 에너지 변환효율 (40-60%) - 환경 친화성 에너지원 - 차세대 대체에너지원

용량에따른 연료전지 사용

■ 연료전지의 원리 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치로서 공기극(cathode)에는 산소가, 연료극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생함   

물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하는데 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다. 연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 수소와 산소가 공급되는한 계속 전기를 생산할 수 있다. 즉, 공기만 있으면 무한히 사용할 수 있는 에너지이다.  

■ 연료전지의 원리 개념도

연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된다. ↓ 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다. 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다. 공기극에서 수소이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이된다.  

연료전지의 기본 단위인 단위전지에서 전기가 생성되는 과정

이것이 바로 연료전지에서 사용될 수소를 얻을 수 있는 방법이다. 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등과 같은 화석연료와 수증기가 만나게 되면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소가 생성된다. 이 중에서 수소만을 골라내어 연료전지의 연료극에 수소를 공급한다. 이렇게 만들어진 수소를 밑에 있는 단위전지의 연료극에 공급해 주는 것이다.

연료전지에서 전기를 일으키는 하나의 기본체인 셀(cell)의 모양이다. 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기(산소)가 공급되어 전해질과 반응하여 이온을 형성한다. 이렇게 생성된 이온이 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극에서 전자가 생성되어 공기극으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다.

한 개의 셀(cell)에서 전기가 발생하지만 이 전기의 양은 우리가 실생활에 사용하기에는 매우 적은 양이므로 셀(cell)들을 여러 개 포개서 많은 양의 전기에너지로 사용하게 된다. 여러 개의 셀(cell)들을 모아 놓은 것을 스택(Stack)이라고 한다.

■ 연료전지의 특성 (1) 고효율 : Carnot Cycle의 제한을 받지 않음 (효율 > 40%). (2) 무공해 : NOx와 SOx를 배출하지 않음. (3) 무소음 : Moving Parts가 없음. (4) 모듈화 : 건설과 증설이 용이하고 다양한 용량이 가능. (5) 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유의 사용이 가능. (6) 열병합(고온연료전지의 경우) : 폐열 활용이 가능.    

연료전지의 종류에 따른 효율

인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cells) 인산형의 경우 상업적으로  실용화가 가장많이 이루어진 연료전지의 형태이다. 200개 이상의 연료 전지 시스템은 전 세계에서 병원, 개인병원, 호텔, 사무빌딩, 학교, 발전소 공항 터미널, 심지어 쓰레기 매립지 에도 사용된다. 인산 연료 전지는 전기를 일으키는 효율이 40%이상으로 매우 높은 편이다.그리고 연료전기가 발생하는 85%의 열은 열 병합 발전으로 사용된다.  

50KW급 인산형 연료전지 스택

양자 교환 막형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) 이 전지는 100℃ 의 낮은 온도에서 운용되며, 높은 밀도를 가지고 있다. 따라서 자동차와 같은 동력의 필요에 따라 출력을 재빨리 바꾸는 데 적용된다. 미국 에너지성(DOE)에 따르면 이 전지는 차량용, 빌딩, 그리고 소형 충전 배터리 전지를 대체할 자원이라고 한다. 양자 교환 막은 수소 이온이 통과할 수 있는 얇은 플라스틱 판이다. 막은 양쪽면이 백금과 같은 촉매역할을 하는 금속 합금으로 코팅되어 있다. 수소는 연료전지 양단에 있는 촉매 활동에 의해 전자가 분해 되어 양자화 된다. 전자는 산소가 분해된 연료전지의 음극면으로 전류의 형태로써 이동하게 되면서 효율을 발생시킨다. 그와 동시에 수소이온이 재결합하고 산소와 반응하면서 물로 되는 양자는 음극의 막을 통과 한다. 이로써 모든 과정이 이루어 진다.

용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells) 융해 탄산염 연료 전지는 높은 전기 효과를 가지며 700℃ 의 높은 온도를 발생한다. 용융 탄산염 연료 전지는 산소, 용융 탄산염, 프로판, 매립가스, 디젤, 그리고 석탄의 가스를 연료로 하여 사용된다. 10kW에서 2mW 다양한 융해된 탄산염 연료 전지가 실험이 이루어 졌으며 탄산염 전지의 안정성은 일본과 이탈리아에 의하여 입증되었다.

고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells) 다른 어떤 것 보다 전지로 만들 수 있는 가능성이 높은 고체 산화 연료 전지는 산업에서의 높은 동력 전달과 대규모의 전기 저장 발전소에 사용된다. 고체 산화물 시스템은 전해질 용액 대신 보통 단단한 세라믹 금속을 사용함으로써 60% 효율을 나타낸다. SOFC의 한가지 형태는 긴 금속 튜브를 사용한다. 그리고 다른 것은 스프 깡통의 윗 부분 과 비슷한 압축된 평면판과 비슷한 형태를 지닌다. 관 모양의 SOFC기술은 220kW를 생산하는 것으로 알려져있다

알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cells) 나사의 우주 계획에 오랜 기간 사용된 이 전지는 최고 60%의 높은효율을 자랑한다. 이 전지는 전해질로써 알칼리성 칼륨 수산화물을 사용한다. 최근까지 이 전지는 상업화하기에는 너무 큰비용이 요구되었으나 최근 비용을 줄이고 사용이 쉽도록 개선하는 방법을 연구하고 있다.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells) :DMFC 이 전지는 전해질로써 고분자막을 사용한다는 점에서 PEM과 비슷하다. 그러나 연료로써 액체인 메탄올을 사용함으로써 연료의 이동이 용이하여 소형 이동형기기의 전원으로 각광받고 있다.

DMFC 개요 연료 : METHANAL 장점 : 낮은 작동온도, 값싼 연료사용, 초소형화 가능, 배터리에 비해 재충전 용이 응용분야 : 핸드폰 전원, COMPUTER, 메모리 전원, 군작전용 및 비상용전원

DMFC 구조 및 동작방법

연료전지 발전시스템 구성도

■ 연료전지의 기대효과 (1) 고분자전해질 연료전지 및 이를 이용한 무공해 연료전지 자종차 개발을 통해 원천기술을 확보하고 관련기술을 산업체에 이전함으로서 산업경쟁력 강화에 기여.   (2) 선진국에서 무공해 자동차의 사용이 곧 의무화될 것이 예상됨에 따라 기술자립을 통해 자동차 수출증대에 이바지. (3) 고효율, 무공해 연료전지 자동차의 개발로 환경오염 방지 및 수송용 에너지 절약에 기여. (4) 고분자전해질 연료전지는 자동차용 동력원외에 발전용 (분산용 발전, 가정용 전원) 이나 이동용 (정보통신 장비용), 군수용 (잠수함 동력원) 등으로 활용 가능  

6.수소 수소에너지의 특성 수소는 무한정인 물 또는 유기물질을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용후에 다시 물로 재순환 됨 → 자원 고갈 우려가 없으므로 화석연료 자원이 빈약한 국가에 적합한 에너지원 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지가 경제성이 너무 낮아 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구를 추진

水素에너지는 미래의 청정에너지源(원) 가운데 하나이다 水素에너지는 미래의 청정에너지源(원) 가운데 하나이다. 수소가 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지매체로 꼽히고 있는 것은 현재의 化石燃料(화석연료)나 원자력등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한 수소는 연소시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지등의 연료로 사용이 간편하다.

또 무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다 또 무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다. 게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있는 것이다.

수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이함 현재 수소는 기체로 저장하고 있으나 단위 부피당 수소저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 액체 및 고체저장법의 연구를 추진

수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성되지 않음 → 환경오염 우려 최소(단위에너지 제품기준으로 석탄의 이산화탄소 배출량을 100으로 할 때 석유와 천연가스는 각각 80 및 60의 이산화탄소를 배출하나 수소는 이산화탄소를 전혀 배출하지 않음)

수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용가능 수소는 물전해시 순수(純水)사용과 전기요금, 부생가스의 고순도 제조시 장치비 등으로 가격이 고가여서 특수분야인 고온 용접기, 반도체분야에 이용되나 화석연료에 비해 경제성이 확보되면 일반연료, 동력원 등으로 사용가능

수소에너지 시스템

국내.외 기술개발 현황 및 동향 해외현황 미국 : DOE의 Hydrogen energy program으로 HTAP를 통해 1996년부터 2001년까지 1.645억$ 연구투자 고성능 Ni-MH 2차전지 기술을 확보 200KW급 연료전지시스템를 개발하여 실용화하고 있음 수소액화시스템를 상용화 수소이용분야인 자동차용으로 연료전지 자동차 실용화연구 진행 중

일본 WE-NET project로 1993년부터 2020년까지 24억$ 연구투자 계획 NEDO와 RITE 주관 환경조화형 수소제조기술로 1단계 1991년부터 1999년까지 24억엔 투자 히타시, 도시바, 산요 등에서 금속수소저장합금을 시판 고성능 Ni-MH 2차전지 기술을 확보단계에 있음 수소자동차의 실증연구 수행 중

독일 German hydrogen energy project로 정부의 수소 및 연료전지 관련 기술개발에 1997년 25백만DM, 2000년 31백만DM으로 연구투자증가 SWB project로 1986년부터 1999년까지 145백만DM 투자 Hysolar project 및 뮌헨공항 수소화 프로젝트로 각각 84.8백만DM 및 30백만DM 투자 벤츠자동차에서 수소에너지 자동차 개발하여 시운전 태양에너지를 이용하여 수소제조공장 건설 수소엔진, 연료전지 시스템을 개발 중

국내현황 1980년대 후반까지 대체에너지로서의 수소에너지 기술 개발에 대한 인식 부족으로 인하여 전반적인 연구 수준은 기초 단계임 대학을 중심으로 1989년에 수소에너지 학회가 창립 산업자원부(대체에너지), 과학기술부(차세대 자동차), 환경부(자동차 배출가스 저감 기술, 저오염/무공해 공정 기술) 등에서 수소 에너지 관련 분야에 대한 연구를 주요 정책사업으로 선정하여 추진

국내의 수소에너지는 제조, 저장 및 이용 분야에 기초단계 수준을 확보하여 실용화을 연구할 수 있는 기반을 구축하였음 수소제조 : 태양광 및 촉매에 의한 물의 전해방법 등 기초연구를 수행하였으며, 고순도 수소제조를 위한 정제시스템 기술을 개발 중에 있음 수소저장 : 실험실 규모의 액체저장법(-253℃) 및 용기 개발하여 추가 연구 준비중에 있고, 고체저장법인 MH(수소저장합금)의 소재를 개발하여 고밀도의 저장방법을 추가 연구중에 있음 수소이용 : 자동차용 냉방기 기술과 자동차용 수소기관 연구를 수행하여 향후 기술개발된 액체수소저장과 냉방기를 이용하여 수소자동차의 실용화연구 가능성 확보

수소 경제와 연료전지 수소경제와 사회 에너지 경제 구도가 화석에너지로부터 수소 중심사회로 전환 - 자동차 연료로 수소를 사용하며, 수소와 연료전지를 이용하여 가정과 대 건물 및 산업현장에 필요한 전기를 공급   에너지 패러다임의 대변환 예상 수소 : 전기와 같이 다른 에너지원으로부터 얻어지는 2차 에너지원(즉 저장매체)이지만 지구상에 존재하는 풍부한  물로부터 제조될 수 있어 자원의 제약이 없고, 또한 연료전지 기술에 의하여 전기를 생산할 때 생성물이  물 밖에 없는 청정연료

수소에너지 시스템

- 수소생산, 수소저장, 수소운반, 연료전지 발전 기술의 산업화 - 대체에너지원과 연계된 물로부터 수소생산기술이 일부 실용화                                                                                  수소경제구현조건 - 수소생산, 수소저장, 수소운반, 연료전지 발전 기술의 산업화 - 대체에너지원과 연계된 물로부터 수소생산기술이 일부 실용화 

단기보급목표 수소 수소스테에션 50개소 보급(2012년)  - 수소에너지 제조/분리/정제 기술확립 - 수소저장 실용화 기술개발  연료전지 2012년까지 분산형 시스템 (250KW-MW)300기 보급  - 250kW급 상용 열병합 Proto-type 개발 및 양산시스템 구축    - 80kW급 자동차용 발전모듈 및 시스템 개발 - 산업화를 위한 양산 기반 구축(100,000대/년) 2012년까지 연료전지 3,000대 보급

바이오 1. 개요 태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체 (바이오매스)의 에너지를 바이오에너지라 함 바이오에너지 생산기술이란 동 생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등을 일컬음.

바이오매스(Bio-mass)란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체,균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 일컬음 따라서 바이오매스자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지님 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기등의 유기성폐기물도 포함

바이오매스의 연료화 바이오매스를 에너지원으로 이용하는 방법에도 여러 가지가 있다 바이오매스의 연료화 바이오매스를 에너지원으로 이용하는 방법에도 여러 가지가 있다. 바이오매스의 직접연소는 바이오매스의 용도중에서 가장 저위의 것이다. 그러나 오늘날세계 연간 에너지공급량의 1/6은 바이오매스로부터 이며 벌채된 수목의 약 절반이 요리용과 난방용으로 이용되고 있는 것도 사실이다.

열, 전기, 가스연료, 메타놀, 암모니아,기름, 가스, 목탄 생물자원의 연료화 방법과 생성물 자 원 방 법 생 산 물 건조 바이오매스 (목재, 폐재 등) 직접연소 가스화 열, 전기, 가스연료, 메타놀, 암모니아,기름, 가스, 목탄 함수 바이오매스 (분뇨, 폐액, 수초) 탄 수 화 물 혐기성 발효 발효, 화학적 분해 메탄, 에타놀 에 타 놀 (당분, 전분, 셀룰로스)   에너지 식물 바이오매스, 물 추출, 분해 광합성반응 탄화수소, 유지 수소

연료화의 대상이 되는 주요 바이오매스 자원 세계 각국에서 연료화의 대상이 되는 주요 바이오매스 자원을 들면 다음과 같다.   목질계(목재, 폐재) :특히 고성장 수종 (포플 러, 버드나무, 아카시아 등)   당질계 :사탕수수, 과실폐액 등   전분질계: 고구마, 강냉이 등   에너지식물   초본식물 (草本植物)   수생식 물(水生植物)   해조(海藻)   조류(藻類)   광합성 세균   유기계 폐기물, 농산폐기물, 임산폐기물, 축 산폐기물, 산업폐기물, 도시 쓰레기 등 이상과 같이 바이오매스와 유기계폐기물은 거의 모든 부분을 직접 또는 변환하여 연료화할 수가 있다.

2. 특징 및 변환시스템 단점 장점 자원의 산재 (수집, 수송불편) 다양한 자원에 따른 이용 기술의 다양성과 개발의 어려움 과도 이용시 환경파괴 가능성 단위 공정의 대규모 설비투자 풍부한 자원과 큰 파급효과 환경 친화적 생산시스템 환경오염의 저감 (온실가스 등) 생성에너지의 형태가 다양 (연료, 전력, 천연화학물

바이오에너지 변환시스템

개발 대상 Biorefienry의 원료 및 중점제품공정도(진하게 표시한 부분)

연료용 알콜 생산기술분야

메탄가스 전환기술

미래 바이오 에너지 대상기술

7.태양채광 물, 공기와 함께 햇빛은 인간생활에 꼭 필요한 자연자원입니다. 인구증가와 건설기술의 발달로 건축물의 규모는 점점 커지고 지하로는 점점 깊어지므로 주간에도 햇빛을 받지 못하는 공간이 점점 많아지고 있습니다. 지하실, 지하상가, 지하도, 건물 깊은 곳, 후미진 곳 등은 햇빛이 전혀 들지 않아 100% 전기조명에만 의존하는 실정입니다. 햇빛은 전구가 지닌 조명에너지절약기능 외에도 생육광(生育光)원으로서의 생명작용과 살균, 소독, 건조, 정화, 탈취 등 자정작용을 함께 합니다.

태양광발전은 태양전지를 이용하여 전기에너지로, 태양열기술은 집열기를 이용하여 태양복사에너지를 열에너지로 변환하여 이용하나, 채광은 에너지변환과정 없이 적외선, 가시광선, 자외선 모두를 이용할 수 있으므로 효율이 높고 용도가 다양합니다. 이 곳에서 소개하는 “채광”기술은 「건물내부 지하실 등 평소 햇빛을 받지 못하거나, 창문햇빛이 직접 도달하지 않는 임의장소에 햇빛을 모아 제공하는 것」을 공급하는 것」을 목적으로 하며 다음과 같은 효과가 있습니다

주간 전기조명 대신에 햇빛 채광을 하면 ; 1) 조명용 전기에너지 절약 2) 조명용 등기구 수명 연장 3) 등기구 교체비용 등 유지보수비 절약 4) 실내 생활환경(살균, 소독, 정화, 탈취, 건조 작용) 및 공기질 개선 5) 재실자(在室者) 질병예방 및 건강증진 6) 근무 분위기 향상 7) 생산성 향상(색상품질관리 등)

기존 전등조명과의 비교 장점 무비용 조명 광원 · 환경 친화적 자연조명 · 안전(스파크, 폭발, 화재염려 등이 없음) 조명 · 동식물 생육광(生育光)원으로 활용 · 사고 발생이 없음(누전, 누수 등) 단점 - 주간에만 가능 - 달빛 집광채광가능 실내 유도등 기능

햇빛을 이용하는 “채광”에는 세 가지 기본 원리가 있습니다. 굴절 볼록렌즈는 평행광선을 모아 한곳에 수렴시키므로, 수렴된 집광광을 광케이블로 받아 멀리까지 햇빛을 보내는 원리입니다. 지구의 움직임에 따라 정밀 추적하여야만 계속 햇빛을 모을 수 있고, 직사광선만 집광채광 이용합니다.

반사 거울(Mirror)은 햇빛을 반사시키는 기능을 하므로 원하는 방향으로 진로를 바꿀 수 있어 채광이 가능합니다. 굴절채광과 같이 추적 장치가 필요하고 직사광선만 이용됩니다. 자연수광(自然受光)만 하고 집광(集光)은 할 수 없는 단점이 있습니다.

투과 유리, 비닐, 투명박판재 등은 빛을 통과시키므로 창문, 천창 등은 실내·외 공간 구획을 하는 투과원리 이용 건축재입니다. 넓은 의미의 햇빛이용(채광) 기술로 원하는 임의 장소에 햇빛을 제공하지 못하므로 대체에너지기기에서 논하는 채광기술로 보기엔 타당성이 없습니다.

지표상에 도달하는 햇빛은 산란일사와 직달일사(직사광선)로 구분되며, 두가지 합친 것을 전(全)일사라고 합니다 지표상에 도달하는 햇빛은 산란일사와 직달일사(직사광선)로 구분되며, 두가지 합친 것을 전(全)일사라고 합니다. 볼록렌즈는 직달일사만 초점에 모을 수 있고, 거울은 직달일사만 반사합니다. 망원경이나 프리즘 등에 이용되는 볼록렌즈와 거울은 산란일사도 이용하지만, 햇빛을 멀리까지 보내야만 하는 채광장치에서는 볼록렌즈와 거울은 직달일사만 이용하는 것으로 간주합니다. 공해물질, 수증기, 대기 중의 먼지 등으로 인하여, 대도시나 산업단지에서는 산란일사 성분이 점점 증가하고 있으며, 맑은 날에도 공해가 심한 지역은 산란일사 성분이 월등히 많을 수도 있습니다. 효과적인 채광을 위하여 태양전일사 집광기술이 필요합니다.

종류 건물 및 구조물에 이용되는 채광기술은 역사적으로 오래고 매우 다양하여 모두 소개할 수 없습니다. 비닐하우스도 햇빛이용 설비라 볼 수 있기 때문입니다. 대체에너지 분야 채광기슬로 보급실적이 있는 국내?외 실용화된 기술만 소개합니다. 햇빛을 건물 실내에 작용시키는 “채광”방법은 자연의 햇빛을 모으는 여부에 따라 집광(集光)형과 자연(自然)형으로 구분하고, 자연형과 집광형은 지구운동에 쫓아 동작하는지 여부에 따라 추적형과 고정형으로 세분됩니다. 상품화 보급된 기술을 소개하면 다음과 같습니다