<사진. 미래 HCPVT의 가상적인 이미지
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

원격지에 제공되는 태양전기와 열

태양 전력 기술의 스위스 기반 공급자인 에어라이트 에너지는 2017년까지 알맞은 태양기술을 시장으로 이끌기 위해 IBM 연구실과 협력한다. 이 시스템은 몇몇 평균 가정들에 전력을 공급하기 충분한 맑은 날 20킬로와트의 열과 12킬로와트의 전력을 발생시키기 위해 태양광을 유용한 에너지로 80퍼센트 전환하고 2000 번의 태양 조사를 집중시킬 수 있다.

10 미터 높이 해바라기를 닮은 고집광 포토볼테익 열 (HCPVT) 시스템은 네 시간 이하로 거의 어떤 모양으로도 금형될 수 있고 비용의 1/5에서 알루미늄과 비슷한 기계적인 특성을 가지는 특허화된 섬유기반 콘크리트로 만들어진 40평방미터 포물선 모양의 접시를 이용한다.

포물선 접시의 내부는 이후 약간의 진공을 이용하여 곡선을 만든 초콜릿 바가 내부에 포장된 포장지보다 약간 두꺼운 은 코팅으로 0.2 밀리미터 두께 재생 가능 플라스틱 호일로 만들어진 36 개의 타원 거울들로 덮여있다. 반사 표면적은 각 1 x 1 cm2 칩이 일반적인 밝은 날 57 와트까지 전기 전력을 생산하는 다중 접합 광전지 칩들의 밀도 높은 배열을 가진 수 개의 마이크로 채널 유체 냉각 수신기들 상으로 태양광을 반사시켜 집중시킨다. 이 거울과 수신기는 비와 먼지로 부터 보호되기 위해 큰 평면 투명 플라스틱 커버로 덮여있다.

궤도를 도는 인공위성들에서 이용하는 것과 비슷한 광전지 칩들은 열을 흡수하기 위해 칩의 밀리미터의 부분 내로 수동 공기 냉각보다 10 배 더 효과적으로 냉각시키는 물이 흐르는 파이프인 마이크로 구조 층들 위에 설치된다. 85~90 도씨의 뜨거운 물은 105 도씨의 안전 작동 온도에서 칩을 유지한다. 하지만 냉각 되지 않으면 온도가 1500 도씨 이상 도달한다. 전체 시스템은 태양 광선들을 포획하기 위해 낮 동안 최고의 각에서 이 접시를 위치시키도록 첨단 태양 추적 시스템을 가지고 있다.

매우 작은 펌핑 전력으로 직접 뜨거운 물을 냉각시키는 디자인은 2012년 유럽 최고속 수퍼컴퓨터인 SuperMUc 등 고성능 컴퓨터 내에서 IBM에 의해 상업적으로 유용하게 이미 만들어졌다.

물로 광전지 칩을 냉각시키는데 이용된 매우 작은 펌핑 전력을 가진 직접 냉각 기술은 인체의 계층적으로 가진 친 혈액 공급 시스템에 의해 영감을 받은 것이라고 IBM 연구소 첨단 열 패키징 소장 브루노 미첼 박사가 전했다.

다중 칩 태양 수신기의 초기 시험제품은 IBM과 이집트 나노기술 연구 센터 사이의 이전 협력에서 개발되었다.

이런 고집중으로 가진 방사 디자인 기반으로 연구원들은 대량 생산에서 경쟁 시스템들에 비해 2에서 3 배 더 낮은 가격을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 에어라이트 에너지는 시장에 Dsolar (접시 솔라)라는 새로운 회사를 설립하고 전세계로 HCPVT 시스템을 라이선스로 팔고 있다. 디솔라는 뜨거운 물 칩 냉각의 영역에서 IBM에서 여러 특허들을 라이선스했다.

HCPVT로 차세대 태양에너지 기술을 안내하고 있다고 새로운 스핀오프를 설립하는데 책임을 지고 있는 에어라이트 에너지 연구소장 지안루카 암브로세티 박사가 전했다. 시스템에 적용하는 것과 함께 많은 재료들이 지역적으로 공급받기 때문에 설치되 곳에서 많은 일자리들을 창출할 것이다. 이들은 2017년까지 시장에 상용 버전을 공급하기 위해 전세계 회사들과 협력하고자 계획 중이다.

현재 디자인을 기반으로, 과학자들은 HCPVT 구조에 대한 작동 수명이 적절한 관리를 통해 60년 정도로 예측하고 있다. 보호 호일과 플라스틱 타원 거울은 주위 환경에 따라 매 10~15 년 교체될 필요가 있고 광전지들은 매 25년마다 교체되어야 한다. 이런 수명을 얻기 위해 이 시스템은 훨씬 더 큰 시스템 효율을 얻는 디자인과 제조 개선을 수행할 것이다.

HCPVT 시스템은 뜨거운 물에서 음료수와 공기 조화를 제공하기 위해 더 많은 장비로 자체 제작될 수 있다. 예를 들어, 소금물은 증발되고 담수되는 다공성 멤브레인 담수 시스템을 통해 지나갈 수 있다. 이런 시스템은 하루당 25 퍼센트 생산이나 2 킬로와트 시 이상으로 전기를 발전시키면서 하루 당 수신 평균의 평방 미터당 30~40 리터의 음료수를 제공할 수 있다. 이는 국제 연합에 따르면 하루당 평균 사람이 요구하는 물의 양의 절반에 못 미치는 것으로 대형 다중 접시 설치가 타운에 충분히 물을 공급할 수 있을 것이다.

열적으로 구동된 수착 냉각기의 방법에 의해 차가운 공기가 생산될 수 있다. 수착 냉각기는 액체나 고체 수착 물질에 적용된 열 주기를 통해 열을 차갑게 전환시키는 소자이다. 고체 실리카 젤 흡수제와 작동하는 유체로 물을 이용하는 흡착 냉각기는 오존층에 위험한 구동 유체들을 포함하고 뜨거운 기후에서 전기 그리드 상에 부하를 크게 주는 압축 냉각기를 대체할 수 있다. 흡착(유체 수착) 시스템은 이미 HCPVT 시스템과 결합시킬 수 있지만, IBM에서 개발 중인 흡착 (고체 수착) 시스템을 위해 저온 구동 열과 비교하는 더 낮은 냉각 출력을 제공한다.

초기 HCPVT 시스템들은 비최적화된 이전 담수와 수착 냉각 시스템들과 결합하도록 만들 것이다. 최근화된 담수와 수착 냉각 기술을 가진 시스템들은 추가 협력 회사들과 2내지 3년의 추가 개발을 요구하고 있다.

에어라이트 에너지와 IBM 협력 서비스사 (CSC)는 두 지역으로 고집중 포토볼테익 열 (HCPVT) 시스템을 공여하기 위해 협력하고 있다. 개발 수여 지역은 에어라이트 에너지에서 프로토타입 HCPVT 시스템을 받고 IBM 협력 서비스사에서 전문적인 관리와 이동 지원을 받을 수 있을 것이다. 지역들의 지원은 2015년 실시되고 수여자들은 2015년 11월에 공표되고 2016년 후반기 설치가 시작될 것이다.

에어라이트와 IBM 과학자들은 남부 유럽, 아프리카, 아랍 반도, 북미 남서부, 남미, 일본과 호주 등 전세계에 걸친 지역들로 지속가능한 에너지를 제공하는 HCPVT 시스템을 계획하고 있다. 또한, 부가 응용들은 병원, 의료 시설, 호텔, 리조트, 쇼핑 센터들을 포함하고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr