한국에너지기술연구원은 한화건설, 에이팩, 제인상사와 함께 자연순환에 적합한 집열기와 시스템 최적화 설계기법 및 시공기법을 적용한 ‘무동력 태양열시스템 기술’을 개발했다.

무동력 태양열시스템은 집열부와 축열조간 집열매체가 펌프에 의해 순환되는 것이 아니라 자연순환되는 방식으로 태양열시스템에서 여러 가지 고장 원인이 되는 펌프, 제어장치 및 관련센서, 체크밸브 등 일체의 구동장치와 제어장치 없이 작동되는 시스템이다.

집열매체가 자연순환에 의해 구동되는 방식이므로 항상 축열조가 집열부보다 상단부에 위치해야 하며 자연순환에 적합한 집열기 및 원활한 작동이 될 수 있는 시스템 설계기술이 핵심기술 중 하나다. 건물의 남측 벽면에 설치되는 것이 바람직하며 축열조가 집열부보다 상단부에 놓일 수 있는 곳이라면 지붕의 경사면에도 효과적으로 설치가 가능하다.

최적설계·시공기법 개발
무동력 태양열시스템에 적합하도록 개발된 집열기는 평판형과 단일진공관형 등 2가지로 모두 집열매체의 흐름저항(압력손실)이 적고 시공이 용이하다.

특히 건물의 외벽에 설치될 경우 건물의 의장성을 감안해 집열부의 모든 열매체 배관은 집열기 내부에 삽입되도록 했다. 무동력 진공관 집열기로 진공관 내부에 있는 히트파이프가 거의 수평에 가깝게 설치(헤더는 측면에 위치, 기존 집열기는 상단부에 위치)되기 때문에 집열기의 설치 경사각과 관계없이 내부의 흡수판 경사각을 원하는 각도로 만들어 줄 수가 있다.

평판형 집열기의 구조는 열매체 배관(공급 및 환수)이 전부 내부에 있는 것을 제외하고 길이가 필요에 따라 커지는 것 외에는 형상은 거의 유사하다. 이들 집열기는 건물의 외장재 역할도 하면서 의장적인 측면을 감안해 간단하게 설치가 가능토록 시공기법도 개발됐다.

무동력 태양열시스템은 에너지기술연구원의 성능시험동에 정남향의 수직벽면에 설치돼 실증도 마쳤다.

연구 총괄을 맡은 백남춘 에너지연 박사는 “기존 시스템은 최소한 2개(일반적으로는 4개)의 펌프와 제어장치 및 이와 연계된 센서들, 그리고 각종 안전장치로 구성된다”라며 “반면 무동력시스템은 축열조가 반드시 집열기보다 상단부에 위치해야 하는 제약조건이 있지만 집열기와 축열조만으로 구성된다”고 밝혔다.

백 박사는 이어 “태양열시스템이 자연순환에 의해서 작동되므로 기존의 태양열시스템에서 신뢰성 저하의 큰 원인이 됐던 펌프, 제어장치 및 각종 센서 등이 필요 없고 하절기 과열방지로 인한 신뢰성이 향상된다”라며 “시공비 감소, 에너지절감량 증가, 운전비 절감, 유지보수비 감소 등으로 시스템 경제성이 향상돼 무너진 태양열시스템의 신뢰를 세울 수 있다”고 강조했다.