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 스페인(Spain), 안달루시아(Andalucia) 사막 지역에서 세비야(Seville) 밖으로 오아시스(oasis)와 같은 광경을 보여주고 있다: 외부로 잔물결을 일으키는 대형 거울의 열(줄)에 의해 둘러싸여져 있는 100미터 높이의 기둥. 600개 이상의 이러한 거울들은 낮 동안 태양을 추적하고 있다. 그로 인해, 중앙 타워(tower)에서 햇빛을 집광하게 되었다. 이 타워는 태양의 열이 전기로 변환되는 곳이다 - 6,000가구에 전력을 공급할 정도로 충분하다. 그리고 이 거울은 테니스 코트(tennis court) 반 정도의 크기이다.
PS10이라 불리우는 불규칙하게 뻗어있는 이 지역은 세계에 존재하는 조절이 가능한 집광형 태양열 발전소 중 하나이다. 비록 그 수치가 증가한다 하더라도 말이다. 집광형 태양열 발전기술 지지자들은 집광형 태양열 발전기술이 미국 전역에 청정하고 재생가능한 충분한 에너지를 발생할 수 있을 것이라고 말하고 있다. 집광형 태양열 발전기술은 충분한 공급량을 보유한 두 가지 요소를 받을 수 있다: 부지와 햇빛.
독일 아헨공대(RWTH Aachen University)의 협력 하에 MIT 연구진들은 집광형 태양광 발전소를 건설하는 데 필요한 부지의 면적을 줄이면서 거울의 집광량은 늘일 수 있는 설계를 진행하여왔다. 연구진들은 해바라기 표면 위 나선형과 비슷한 패턴으로 집광거울(태양열 추적장치)을 재배치함으로써 20% 정도 면적을 줄일 수 있었으며, 잠재적인 에너지 생산량을 증가시켰다. 해바라기 모양을 딴 설계(배열)는 더욱 조밀한 위치선정을 가능하게 해주었으며, 그늘의 영향과 이웃해있는 집광거울의 방해를 최소화해줄 수 있었다. 연구진들은 그들의 연구결과를 Solar Energy지에 게재하였으며, 최근에는 특허권까지 신청하였다.
그늘에서 벗어나기
PS10과 전세계 다른 집광형 태양열 발전소에 있는 집광거울들은 같은 중심축을 가진 원 안에 있는 중앙탑 주변에 배열되었다. 집광거울들 간 공간은 극장 내 좌석들과 비슷하다. 이는 모든 다른 열이 나열되게 하기 위해 비틀렸다. 하지만, 이러한 패턴(pattern)은 생각보다 더 많은 그늘과 집광거울 간 집광 방해를 낮 시간 동안 발생시키게 되었으며, 그로 인해 탑에 있는 집광거울로부터 빛의 반사를 줄이는 결과를 초래하였다.
MIT 연구팀은 발전소의 전체 효율성을 증가시키기 위해 이러한 패턴을 최적화하기 위해 노력하였다. 록웰 인터네셔널 기계공학부 조교수인 Alexander Mitsos 조교수가 MIT 교수들과 함께 연구를 수행하여온 곳인 아헨공대의 Manuel Torrilhon 연구원과 함께 협력하였던 Corey Noone 연구원이 이 연구에 참여하였다.
Mitsos 조교수의 실험실은 집광거울 배치의 효율성을 평가하기 위해 컴퓨터 모델을 개발하였다. 이 모델은 별개의 부분으로 된 공간에 각각의 집광거울을 배분하고 있으며, 주어진 시간 동안 각 부분에서 수집하는 빛의 양을 측정(계산)하고 있다. 그리고 나서 연구진들은 기존 상업용 규모의 집광형 태양열 발전소에 이 모델을 적용하여 검증하였다. Noone 연구원과 Mitsos 조교수는 이 모델을 적용한 PS10 발전소로부터 집광거울들의 크기를 계산하였다. 그 결과, 그들은 PS10 발전소의 전체 효율성을 예측할 수 있었다. 연구진들은 PS10 집광형 태양열 발전소가 휘청거리느 배열을 한 집광거울에도 불구하고 매일 엄청난 양의 그늘과 집광거울 간 방해에 직면하고 있음을 발견하였다.
나선형 모양
PS10 집광형 태양열 발전소의 이론적 효율성을 증가시키기 위해 Noone 연구원과 Motsos 조교수는 집광거울의 배열을 수정하였다. 그로 인해, 그들은 부채모양으로 펼쳐진 배열을 처음으로 가지고 오기 위해 수치상 최적화를 활용할 수 있었다. 이 배열은 좀 더 좁게 집광거울을 배치하는 것으로 빛을 수집하는 집광거울의 효율성에 어떠한 영향을 주는 것 없이 10% 정도 집광거울의 효율성을 상승시켜주면서 부지 사용량은 줄여줄 수 있었다. 이 배열은 자연에서 발생한 비치와 비슷한 나선형 모양을 한 요소들과 비슷하다.
Torrilhon 연구원과 함께 연구를 한 MIT 연구팀은 자연에서 영감을 얻었다 - 특히, 해바라기에서 그들은 많은 영감을 얻었다. 해바라기의 작은 꽃은 나선형 배열에 따라 배치되었다. 아는 많은 자연적인 대상물에서 볼 수 있으며, 오랜 기간 매혹된 수학자들을 보유하고 있다. 즉 이들은 이러한 배열에 상당한 관심을 가지고 있었다. 우리는 이러한 배열을 프랑스의 유명한 수학자인 페르마(Fermat)를 따라 페르마 나선형이라 말하였다. 수학자들은 각각의 해바라기 통꽃이 “황금의 각(최적의 각)”인 137도를 그리고 있다는 사실을 알았으며, 이는 이웃해있는 통꽃의 측면에서 바라본 것이다.
연구진들은 해바라기를 비슷한 모양을 만들기 위해 재배열된 집광거울을 나선형 모양을 궁리하였다. 이 모양은 이웃해있는 집광거울과 관련하여 약 137도의 각으로 구성되어있다. 이러한 수치적으로 최적화된 배열은 PS10 배열에 비해 20% 정도 공간을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 나선형 배열은 그늘과 집광거울 간 방해를 줄일 수 있으며 PS10 발전소의 방사 모양으로 뒤틀어진 형상 대비 전체 효율성을 증가시켰다.
Mitsos 조교수는 집광형 태양열 발전소를 이러한 나선형 배열로 재배치시키는 것이 부지사용량 뿐만 아니라 같은 양의 에너지를 생산하기 위해 필요한 집광거울 수 역시 줄여줄 수 있었다. 그로 인해 나선형 모양으로 배치된 집광형 태양열 발전기술은 많은 양의 비용을 절약할 수 있었다.
이와 관련하여 Mitsos 조교수는 다음과 같이 말하였다. “집광형 태양열 발전소는 넓은 부지를 필요로 한다. 만일 우리가 100% 또는 심지어 10% 재생에너지원으로 가는 것에 대해 이야기를 할 수 있다면, 우리는 넓은 부지를 필요하게 도리 것이다. 따라서 우리는 그것들을 좀 더 효율적으로 할 필요가 있다.”
국립재생에너지실험실에서 일을 하고 있는 공학자인 Frank Burkholder 연구원은 비용이 높은 집광거울 영역으로 인해 Mitsos 조교수의 모델은 “넓지 않은(더 좁은)” 부지 영역을 만듦으로써 같은 연간 에너지를 잠재적으로 생산할 수 있다.
끝으로 Burkholder 연구원은 다음과 같이 말하였다. 그는 이번 연구에 참여하지는 않았다. “이러한 집광거울은 대부분 집광형 태양열 발전소의 직접비용의 3분의 1정도 기여할 수 있다. 집광거울, 즉 태양열 추적장치는 비용이 높기 때문에 각각의 집광거울과 탑과 관련한 공간은 매우 중요하다. 만일 집광거울 및 탑의 위치를 고려하지 않는다면, 그것들은 서로를 방해하고 그늘의 방해도 받을 것이며 전달되는 에너지의 양도 줄여주게 될 것이다.”
출처 : http://www.physorg.com/news/2012-01-sunflower-inspired-pattern-solar-efficiency |