충주폴리텍 전준옥교수의 태양광정책 강의 2012년

[일섭]

[신재생에너지저널기고]태양광산업 위기를 재도약의 기회로 ...(전준옥 교수)

태양광정책2012/01/12 14:31Posted by S.F. 단장 김혜진

대학생 태양에너지기자단 자문 교수님으로 활동 중이신 전준옥 교수님께서 쓰신 글이 2012년 1월 신재생에너지 저널에 기고되어 소개드립니다. 기고글은 현재 전 세계적으로 태양광 산업 침체 상황 이지만, 언젠간 다가 올 그린시대를 대비해 인력을 체계적으로 양성하고, 고학력 자들이 태양광 기술과 융합하여 다시 재 편성 된다면, 고학력 실업자의 사회적 문제해결과 새로 편성된 인력들이 태양광 발전의 중축이 될것으로 기대한다는 내용입니다. 

전준옥
(한국폴리텍대학 충주캠퍼스 태양광전기제어학과 교수)

태양광산업 위기를 재도약의 기회로 ...

지금까지 지하자원이 부족한 우리나라는 인력자원으로 경제성장을 이끌어 왔다. 국제 경쟁이 심화되고 있는 지금, 미래에도 우리에게 가장 경쟁력을 가지는 부분이 바로 인력자원이고, 인력양성이 우리나라의 발전에 가장 큰 뒷받침이 될 수 있다고 보고 있다. 우리민족은 어려울때 마다 위기를 헤쳐 나가는 저력을 그동안 잘 보여주었던 것이다.

올해 하반기에 들어와서 태양광산업계는 어두운 터널로 들어가고 말았다. 이것은 유럽 재정위기와 전세계적인 태양전지 모듈의 공급과잉이 아닌가 생각된다. 수요와 공급대비 불균형으로 올해 초 1WP당 1.75$선 이었던 것이 이번달 들어서 0.98$까지 떨어졌다는 소식을 접하였다. 그러나 언젠가는 석유시대가 끝나고 태양광, 풍력등 신재생에너지가 대세인 시대가 분명히 오지만 현재는 어려운 것이 현실이다. 신재생에너지는 그린산업의 핵심산업이며, 특히 태양광은 가장 빠르게 발전하는 산업이다. 2010년에 전세계적으로 태양광발전시스템은 18GW정도 설치되었는데 이것은 각국의 보조금 정책이 가장 큰 역할을 하였다. 그러나, 불황에 따른 보조금 삭감, 재정위기, 최대 수요처인 독일과 이태리의 시장 위축, 태양전지 모듈 가격하락으로 많은 글로벌 기업들이 파산위기에 몰리고, 우리나라의 경우에도 많은 기업들이 어려움에 처해 있다.

그러나, 태양광산업은 이산화탄소 배출 저감이라는 명분이 있고, 내년부터 시행되는 RPS(Renewable Portfolio Standard, 500MW이상 발전사업자에게 공급의무비율 규정 ‘12년: 2.0%, ’22년:10.0%)제도가 시행되기 때문에 지속 발전은 가능하리라 생각된다. 단기간에 수요가 급증하지 않더라도 이럴수록 멀리보고 대책을 세워야 한다. 풍력, 바이오에 비해서 경제성은 떨어지지만 태양광의 잠재력은 다른 신재생에너지에 비해서 매우 크다. 즉, 태양광은 무궁무진하다는 이야기다.

나아가 태양광 산업은 단순 제조업이 아니라, 모든 산업의 원동력인 에너지 산업이라고 할수 있다. 에너지 부존자원이 부족해서 해외에 종속 될 수밖에 없었던 과거의 사례를 보면 지금이야말로 에너지 산업에서 우리나라가 태양광 산업을 통해 홀로서기의 발판을 다져야 한다고 생각한다. 즉, 태양광 산업은 새로운 제조업으로 발전해 나갈 수 있는 사막의 오아시스와 같은 존재라고 감히 표현할 수가 있다.

태양광기술은 2세대, 3세대로 전환되며, 효율 상승, 모듈가격 하락, 전력요금 상승, 국제유가 상승까지 더해진다면 미래의 태양광산업은 지금보다도 엄청 커질 것으로 예측된다.

태양광산업은 자본집약적 산업이다. 덩치가 큰 기업이 유리하고, 수직계열화에 의한 경쟁력을 가져야 한다. 태양광의 강국 중국은 중앙정부의 지원이 큰 역할을 하였다. 법인세 감면, 금융지원등 정부와 민간이 발 빠르게 움직였다. 이것이 바로 정부의 역할이 매우 큰 사례라고 볼 수 있다. 실리콘 기반 태양전지의 효율상승은 20%를 넘어 갈 것이고, 모듈화, 시스템 전반에 걸친 효율의 상승의 기술개발을 기대하고 있다. 

위 그림과 같이 계속적으로 모듈가격이 떨어지고 2014년도에 1WP당 0.75$가 된다면 신재생에너지를 활용한 전기 생산단가와 화석연료를 사용하는 기존 화력발전 단가가 동일해지는 균형점인 그리드 패리티(grid parity)에 도달되고, 그때 태양광발전은 경제성을 갖게 되어 태양광산업은 크게 팽창할 것으로 본다. 이태리의 경우에도 이미 그리드 패리티에 도달되었다고 본다. 이태리는 지역 특성상 햇빛이 좋으며, 모듈가격 하락, 전력요금이 상승한 관계로 그리드 패리티에 도달되어 태양광산업의 크게 성장하고 있는 것이다.

우리나라가 태양광산업에 경쟁력을 가지려면 수직계열화, 대규모화 해야 한다. 우리나라 년간 총 모듈생산량은 1350MW정도로 중국의 1개 기업 JA솔라 1900MW보다 작다. 세계 TOP10 메이커들은 생산 캐파가 1GW에서 2GW이상 규모로 늘리고 있기 때문에 우리나라의 몇백 MW의 생산량으로는 경쟁이 어렵다.

우리나라는 내년부터 정부의 RPS지원으로 매년 200~300MW수요가 예상되고, 금년인 경우에도 150MW정도의 시장이니 너무 작다. 이런 상황 일수록 내수시장을 활성화 해야 하지 않을까? 정부가 획기적으로 기반을 만들어 줘야 한다.

태양전지 모듈 하락은 양날의 칼날과 같다. 사용자 측면에서는 좋지만, 산업체 측에서 볼때 큰 어려움이 예상된다. 언젠가는 그리드 패리티에 도달되어 태양광산업이 성장할 때 그 뒷받침은 바로 인력양성이라고 생각된다. 인력양성의 특성상 최소한 2년에서 4년의 시간이 소요되는 것을 생각한다면 지금부터라도 시작해야 한다.

고학력 청년실업자가 사회 문제화 되고 있다. 그러나, 중소 기업 쪽에서는 또한 인력난을 겪고 있다. 한때는 인력을 확보하지 못하여 조업을 단축하는 경우도 있었으니, 이것은 대학졸업자의 질에 대한 숙련 불일치라고 본다. 기업은 실무능력을 충분히 갖추어 배출되는 대학졸업생을 기대하고 있다. 그러나 기업에서는 과거와 달리 산업인력으로서 대학 졸업생에 대한 기초 훈련을 꺼리게 되고, 경력직을 선호하고 있는 것이다. 그러나, 대학은 산업현장에서 당장 필요로 하는 산업기술을 교육하기에는 구조적 어려움이 상존하고 있다. 교육을 하더라도 졸업생 배출까지는 2~4년이 소요되고, 그 이후에는 기술발전, 노동시장 변화등이 있을 수 있는 것이다. 대학은 기업에서 필요로 하는 요구를 보다 분명하게 파악해서 체계적인 교육과정을 구성, 제시하여야 한다. 기업은 인턴십 활성화를 통해 잠재적 인력에 대한 직무 체험 기회를 보다 적극적으로 제공해야 하며, 맞춤형 교육을 지향하는 방향으로 전환하여야 한다. 산업은 급속히 융합화, 복잡화 되어 가고 있으나 대학은 이러한 변화에 탄력적이지 못하고, 대학교수는 연구실적에 치중하는 결과로 지식과 숙련의 전달에 장애가 되고 있는 것이다.

고학력 청년들이 취업에 어려움에 따라 4년제 대학이나 전문대학을 졸업한 후 취업을 위해 폴리텍대학이나 전문대학을 다시 다니는 경우가 많은데 이것은 대학교육과 직업이 괴리되는 현실에서 나온 현상이다. 얼마나 많은 고등교육의 사회적 경제손실을 보고 있는지 알 수 있다.

한국폴리텍대학 충주캠퍼스 태양광전기제어학과는 우리나라 최초의 태양광산업인력을 양성하기 위하여 2009년에 학과개편을 하였는데, 매년 재학생의 80%가 전문대학 이상의 학력소지자이며, 그중에서 50%가 4년제 대학을 졸업자로 구성되어 있다. 그리고, 일부는 전문대학, 4년제 대학의 전기 및 전자 계열의 학과를 졸업하고 실질적인 교육을 받기 위해서 들어오고 있다. 그리고, 모두가 현장에서 열심히 생산활동 하는 것이 우리의 경쟁력을 키우는 것이다. 녹색산업 특히 태양광산업은 전기, 전자, 기계, 화학등 융합형 기술 성격을 가지고 있다. 많은 고학력 청년실업자들이 융합형 태양광산업인력으로 재 탄생될 때 고학력 실업자의 사회적 문제 해결, 앞으로 태양광산업 발전의 역군될 것이다.

앞으로 태양광 산업은 우리나라 제조업의 새로운 대표주자로 부상하리라 믿는다. 지금은 비록 어려운 시기이지만, 위기는 기회와 함께 온다고 한다. 위기가 곧 기회임을 알고 대처했던 사람들은 승자들의 대열에 합류 하는 것이 역사의 흐름이라고 한다. 이 흐름속에 우리는 위기의 또 다른 모습인 기회를 발견하고 그 속으로 매진해야 된다고 생각한다.

< 신 재생에너지 저널 2011. 1월호 Box & Needle >

[전준옥 교수의 태양에너지, 태양광발전 강좌](1회) 10억년 부터 최근 까지의 대기 성분 구성

태양광기술/태양광발전강의2011/02/27 14:29Posted by 전준옥 교수

수상생물들이 번성하기 이전에는 질소 80%, 이산화탄소의 비율 약 20%에 달하였고 산소는 매우 희박하였다. 6억 년 전, 이끼류와 같은 수상생물들이 번성하기 시작하면서 이산화탄소와 산소의 구성비가 서서히 바뀌기 시작하였다. 이는 이끼 식물들이 광합성을 시작하고 뒤이어 나타난 육지 식물들이 번성하면서 활발한 광합성을 하면서 이산화탄소를 흡수하고 산소를 토해 내었기 때문이다. 드디어 갬브리아 기 중간쯤에는 이산화탄소와 산소의 구성비가 완전히 역전되었다. 기온은 적당히 내려가고 이산화탄소는 2~3%대로 줄어들고 산소는 10%이상이 되었다. 이제 지구에는 동물들도 살아가기에 적합한 환경으로 서서히 변해가고 있는 것이다.

카본 기(期), 석탄이 만들어 졌던 시기를 카본기라 부른다. 
식물들이 가장 왕성하게 번성하였던 이 카본(carbon)기에 혼돈의 시기가 있었다. 커다란 지각변동, 즉 침강(沈降:땅이 꺼짐)과 융기(隆起:땅이 솟아오름)가 반복되는 뒤죽박죽의 시기에 땅위의 많은 동식물들이 한 순간에 매몰되는 변화가 일어났다.

땅속에 묻힌 나무들은 높은 압력과 뜨거운 지열에 의해 탄화과정을 거쳐 석탄, 석유 그리고 천연가스가 되었던 것이다. 
3억 년 전 그렇게 해서 공기 중의 이산화탄소가 나무들의 몸을 빌려 땅속에 저장되기 시작하였다. 지구위에 오래도록 살아가게 될 후손들을 위하여. 그 결과 수 1000ppM을 넘나들던 지구대기의 이산화탄소 농도는 100ppM이하로, 기온도 평균 13~15℃로 안정되기 시작하였다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 2회] 아름다운 지구

태양광기술/태양광발전강의2011/02/28 20:16Posted by 전준옥 교수

지구의 이런 모습은 우주의 어느 별보다도 가장 아름답다고 한다.
우리가 속해있는 이 은하계에는 1,000억 개의 별들이 존재한다.
생명이 살아가는 데 필요한 공기, 물 그리고 적당한 온도의 세가지 조건을 가진 운 좋은 별이 될 수 있는 확률은 2백만분의 1. 그러나 많은 노력에도 불구하고 아직은 지구와 같은 조건을 갖춘 별이나 고등동물이 살고 있는 별들을 발견하지 못했다.
평균온도 13℃, 풍부한 물, 생명의 원천이 되는 태양빛이 가까이 있는 지구.

산업혁명이 우리에게 남긴것....
19세기 이후에 급격하게 진행된 산업혁명은 인류에게 풍요로움과 편리함을 선사하였다. 그러나 그 편리한 문명생활을 지탱하기 위하여 다량의 에너지가 필요하게 되었고 그 에너지의 대부분은 화석연료가 차지하였다. 그 결과 수많은 부작용이 나타나고 있다.

- 미세먼지와 아산화 황 등에 의한 공기의 오염, 그로 인한 스모그 현상 발생
(1952년 12월 런던에서 발생한 스모그현상으로 약 12,000명이 사망하는 사고가 발생하였음)
- 공산품 제조시 발생하는 유독물질로 오존층의 파괴
- 이산화탄소에 의한 지구 온난화 현상이 심각하게 진행되고
- 기온상승에 의한 2차 피해가 지구 곳곳에 미치는 등 일직이 경험해 보지 못한 부작용들이 속속 나타나기 시작하였다. 

인류 발전의 상징인 첨단 수송기기 
집집마다 보급된 문명의 이기들이 사실은 화석연로로 얻어진 에너지를 소비하면서 
우리 모두가 이산화탄소 배출의 공범이 되고 있습니다.
“언 발에 오줌누기”
우선 문제를 해결할 수 있고, 또 편리 하니까...
그러나 이 조그만 자동차 하나가 설마 지구를 위험에 빠트릴 줄 누가 생각하겠는가?
그래서 오늘도, 내일도 편리함을 추구하는 우리 모두의 일상. 그로 인해 무너진 자연의 균형. 그 속에서 우리 아들, 우리의 자손들은 미래는 누가 책임져 줄 것인가?

북극 가까이 위치한 그린랜드(Greenland)의 만년설은 수십만 년 동안의 지구 기후변화의 기록을 고스란히 안고 있다. 수십만 년 동안 겹겹이 쌓인 눈. 다져지고 눌려져 얼음처럼 단단해진 그곳은 일종의 기록 보관소였다. 눈 기둥의 단층을 검사하면 기온의 변화, 강수량의 정도, 대기의 성분은 물론이고 화산활동까지 정확히 알아낼 수 있다는 것이다.
만년설 얼음기둥 속의 나이테를 분석한 결론은 ‘지구 기후와 CO2 농도는 밀접한 상관이 있다’는 것이다. 
-CO2 농도가 높을 때 기온이 높아졌고, 해수면은 상승하였으며, 
-CO2 농도가 낮았을 때는 그 반대현상이 나타났었다.
약 2만년 전의 마지막 빙하기가 도래하기 전 지구상의 이산화탄소 농도가 200ppM이하로 떨어졌음을 알 수 있다. 즉, 이산화탄소 농도가 기온을 변화시키고, 기온은 해수면 높이를 좌우한다는 것이 모든 연구소들의 공통적인 결론이었다.

세계 기상기구가 발표한 120년 동안의 지구평균기온의 변화 추이를 보면 1860년에서 1980년까지 겨우 0.6℃가 상승한 것으로 되어있다. 
그런데 이 평균기온 상승이 지역별로는 다른 결과를 보인다.
예를 들면 그 동안 북극지방의 평균기온은 전체평균치의 3배인 1.8℃가 상승하였고
적도 지방은 0.3℃ 상승에 그쳤다.

세계 에너지 기구의 연구 보고서 결과에서는
지난 150년간의 지구 기온과 해수면 높이에 관한 이 보고서에서도 지난 100년간 0.8℃ 이상 기온이 상승한 것으로 나타나 있고, 해수면은 약 150미터나 상승한 것을 볼 수가 있다. 
문제는 현재의 높이가 아니라 그 상승하는 추세이다. 1800년까지는 균형점 전후를 오르내리던 것이 이제는 가파르게 상승일변도로 변한 것이다. 마치 브레이크가 고장난 자동차처럼.

 

[전준옥 교수의 태양광발전 3회 강좌] 이산화탄소와 온실효과

태양광기술/태양광발전강의2011/03/05 17:00Posted by 전준옥 교수

화석연료에 의한 이산화탄소의 축적과 소비
3억년 동안 숨어있던 탄산가스, 300년 사이에 하늘로 날아가다.

▶3억 년 전 카본 기(期). 화석연료의 형태로 땅속에 숨어버린 이산화탄소. 그 덕분에 지구의 대기는 평화롭고 안정된 250ppM을 유지할 수 있었다.
▶그러다가 석탄과 석유가 우연히 인간에 의해 채굴되어 조금씩 쓰여 지다가 산업혁명을 맞으면서 대량소비가 이루어지기 시작하였다. 
▶전기의 사용량과 국력은 대체로 비례한다. 그리고 그 전기는 석탄과 석유를 연료로 해서 만들어진다. 그래서 에너지소비는 문명의 척도로 불리기도 한다. 
▶그래서 서구인들은 한때 석유의 발견을 신의 축복이라 하였으나 지금은 상황이 완전히 바뀌었다. 산유국에서 검은 황금이라 부르는 석유를 과학자들은 ‘판도라의 상자’속에서 흘러나온 저주의 눈물이라고 부르고 있다. 
▶환경오염의 주범이 화석연료임은 분명하지만 -북극이 서서히 녹아내리는 것을 보고있지만- 아무도 그 행위를 막을 수가 없기 때문이다. 첫째 이유는 아직 대체연료가 없기 때문이고, 둘째 이유는 당장은 우리 목을 죄지 않기 때문에
▶석유는 향후 4~50년이면 상업적 한계에 이른다고 하니까 줄잡아 300년 동안에 3억 년간 묻어둔 저금통장을 날려버리는 셈이라고 할까?
후손들에겐 회복하기 힘든 상처만 남겨두고서...

온실효과는 어떻게 일어나는가?

어째서 대기중의 이산화탄소가 지구의 기온을 상승시킬까? 
그 원리는 이렇다.
-태양의 빛은 파장이 짧다(0.3㎛에서 1.5㎛ 정도). 이런 단파장의 빛은 대기권을 통과할 때 별 저항 없이 지표에 도달한다. 
-지면에 부딪힌 빛은 대부분 복사열로 바뀌어 지면을 데우고
-이 열은 다시 하늘 쪽으로 방출된다. 이 방출되는 복사열파는 파장이 긴(약10㎛정도) 원적외선이다.
-정상적인 경우라면 이것으로 에너지의 평형은 이루어진다. 들어온 만큼 나가기 때문에.
-그런데 만약 공기 중의 이산화탄소가 너무 많다면 사정이 달라진다.
-방출되는 원적외선이 대기 중의 CO2 를 만나면 반사되어 지면 쪽으로 되돌아오게 되어 대기권 내부의 온도는 상승하게 된다. 
-식물원의 온실처럼 유리로 들어온 빛이 따스한 열로 바뀌고 유리보호막에 의해 온도를 유지하는 것과 같은 효과를 일으키는 것이다. 
- 그래서 이런 현상을 온실효과(Green House Effect), 온실효과 유발물질을 그린 하우스 가스(GHG:Green House Gases)라 한다.

온실효과를 일으키는 가스 성분(GHG)은 무엇인가?
▶지구 대기권에서 온실효과를 유발하는 제1의 물질은 이산화탄소로 그 비중은 50%에 달한다.
▶두 번째 온난화 유발 가스는 메탄가스(19%), 세 번째로는 프레온 가스(17%), 그리고 육불화황(8%)과 오존(6%) 등이 있다. 
▶메탄가스는 음식물의 소화과정이나 발효/부패 과정에서 발생한다.
▶메탄가스는 양을 적으나 그 효과는 몇 배나 강력하기 때문에 요주의 물질이다.
▶인류가 육식을 위해 축산업을 팽창시키면서 초지를 조성하는 과정에서 숲을 없애기 때문에 이산화탄소의 정화능력은 점점 약해진다. 소 한 마리를 키우기 위해 축구장 2배의 초지가 필요하다고 한다. 
▶프레온가스는 냉각장치의 냉매로 사용되고 이것이 폐기되면서 유출될 수 있기 때문에 온난화유발물질이 아닌 냉매를 사용하도록 권장하고 있다.

화석에너지 자원들은 얼마나 사용이 가능할까?
▶가장 널리 사용하는 석유의 경우 5~60년 정도 더 사용하면 바닥을 보게되고, 
▶이산화탄소가 없는 청정 연료라고 강변하는 원자력도 영원하지 못한 것이 분명하다. 우라늄 역시 4~50년 정도 사용하면 한계에 이를 것이다.
▶지금은 원자력발전의 경제성이 뛰어나지만 중국과 러시아 프랑스 한국 등에서 계속 원자력발전소를 건설한다면 수요 공급의 법칙에 따라 우라늄의 가격도 석유처럼 천정부지로 상승할 것이 분명하다.
▶석탄의 매장량은 아직 많기는 하나 땅속 깊이 묻혀 있어 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 가정용이나 수송용으로는 사용할 수 없는 단점이 있어 유용한 에너지원은 될 수가 없다.
▶우라늄을 제외한 3대 화석연료는 이산화탄소를 증가시켜 지구 온난화를 일으키는 주범이기 때문에 그 바닥에 이르기 전이라도 사용을 중지하는 것이 우리에게 주어진 과제이다.

다음 4회 강좌는 태양광 에너지 입니다.

[전준옥 교수의 태양광발전 4회 강좌] 태양광에너지

태양광기술/태양광발전강의2011/03/06 17:28Posted by 전준옥 교수

태양광의 복사에너지

태양은 약 50억년 전에 생성된 이래 계속해서 핵융합을 일으키면서 고열로 불타고 있다.
질량이 2×1027[Ton]인 이 발광행성은 매초 600[MTon]의 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 일으키면서 4.3[MTon]의 질량손실을 일으킨다. 그리고 이 손실 질량은 먼저 열에너지로 바뀌면서 내부온도를 10만℃까지 높인다. 그러나 대부분의 열 에너지는 빛의 형태로 외부에 방출되면서 표면온도는 약 6000℃정도로 낮아지게 된다.
아인슈타인의 에너지 전환방정식을 사용해서 소모질량을 단위시간 당의 에너지량(=에너지 강도)로 계산하면 다음과 같다.

위의 크기는 1초 동안의 발생에너지이므로 1년간 총 방출하는 에너지 량을 구해보면, 또 실용단위로 환산하면

가 된다. 지구는 태양으로부터 1억5천만 km 떨어져 있고, 지구의 반지름은 6,400km이다. 따라서 지구는 반지름 1억5천만 km 되는 공(球)의 표면에 위치한 아주 작은, 66억분의 1에 해당하는 일부이기 때문에 이것을 토대로 태양이 방출하는 에너지 중에서 지구표면에 도달되는 빛 에너지의 크기를 계산해 보면 다음과 같다.

그런데 이 태양에너지 공급량은 지구인 전체 에너지 수요량의 약 10,000배에 달한다. 
또한 이 태양광 에너지는 석탄이나 기름 또는 우라늄과 같이 공해를 유발하지도 않고 수명의 제한도 없다. 앞으로 50억년을 충분히 더 사용할 수 있는 무한 에너지원이기 때문에 ‘Renewable Energy’, 우리말로 ‘재생가능한 에너지’ 또는 줄여서 ‘재생 에너지’ 라고 부른다. 

지구에서 필요로 하는 모든 에너지의 공급원은 태양이다. 1억5천만 km를 달려와서 대기권을 뚫고 지구 내부로 향하는 빛 에너지의 총량을 100이라 하였을 때 대기권의 공기나 먼지 또는 구름에서 반사되어 외계로 되돌아 나가는 비율이 26%정도, 4%는 다시 지면에서 반사되며 최종적으로 도래광의 70%만이 진입에 성공하게 된다. 그리고 이 중 20%는 산란광이 되거나 원적외선으로 바뀌고 나머지 50%만이 지표면에서 복사열로 바뀌어 흡수된다. 

겨울에 느끼는 태양빛의 세기는 따스함 정도이다. 그러나 여름철 한낮에 태양의 직사광을 10분만 쪼인다면 화상을 입을 정도로 강력함을 느낀다. 그렇다면 단위 면적 당 태양빛의 세기는 어느 정도일까?
대기권에 도달한 태양광의 세기는 단위면적(1㎡)당 1,370[W/㎡]이나 대기권을 뚫고 오면서 감쇄되어 지표면에 도달하는 복사에너지 강도는 1,060[W/㎡]가 된다.
이 빛의 세기는 직사광과 반사광, 가시광과 자외선 그리고 적외선을 모두 망라한 빛이 세기이다. 태양광발전 공학에서 태양광의 에너지 강도 1,000[W/㎡]를 표준 에너지 강도라는 뜻으로 STC(Standard Test Condition)에서의 기준 일조강도로 삼고 있다. 

태양광 스펙트럼
빛은 우리가 흔히 알고 있는 가시광선 외에도 자외선(UV)과 적외선(IR)을 모두 포함하고 있다. 정확하게 말하면 0.01㎛에서 1mm사이의 전자기 파동으로서 물질이 높은 온도로 가열되었을 때 방출된다. 빛이 발열체에서 나왔듯이 빛이 사물에 흡수되면 열로 쉽게 변환된다. 또 어려운 과정을 거치기는 하지만 전기나 다른 화학적 에너지로 변환되기도 한다. 우리가 ‘광-전 변환’의 경우는 빛의 주파수 성분에 따라 변환효율이 크게 달라진다. 예를 들면 보통의 태양전지에서는 붉은 빛과 근 적외선 부근의 빛에서 광기전력 효과가 가장 크고 자외선이나 원적외선으로 멀어지면 기전력 발생이 거의 일어나지 않는다.

빛의 성분을 주파수에 따른 크기로 나타낸 도표를 태양광 스펙트럼이라고 하는데 태양광의 성분은 자외선이 약1%, 가시광선 약 40%, 적외선 영역 약59%로 구성되어있다. 우리가 사용하는 일반적인 태양전지는 가시광선 뿐만 아니라 적외선 영역에서도 광-전 변환을 할수 있기 때문에 구름이 낀 날씨에도 적외선의 입사량에 비례하여 전력생산을 할 수 있다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제5회] 태양전지의 표준시험조건

태양광기술/태양광발전강의2011/03/12 17:56Posted by 전준옥 교수

표준시험조건은 태양광발전 시스템의 성능을 시험할 때 기준이 되는 국제적인 기준을 말한다.
이 표준 시험 기준에는 다음과 같은 3가지기가 있다. 
1) 수광 조건은 대기 질량 정수(AM) 1.5의 지역을 기준으로 한다.
2) 빛의 일조 강도는 1,000[W/㎡]를 기준으로 한다.
3) 모든 시험의 기준 온도는 25℃로 한다.

1. 대기 질량 정수 (AM : Air Mass)

지면에 도달하는 태양광의 세기를 좌우하는 하나의 큰 변수는 공기층의 두께이다. 지구의 대기권은 약 1,000Km에 달하는데 이 공기층을 수직으로 통과하는 것이 가장 감쇄를 적게 당하는데 적도 부근의 나라들이 이에 해당하고, 빛이 수직선에 비해 40°정도로 비스듬하게 통과한다면 <그림>에서 보듯이 대기권 통과구간이 길어져서 그 만큼 감쇠량이 많아지는데 위도 40°지역의 나라들에게 해당하는 경우이다. 대기권 밖, 공기에 의한 빛의 감쇄가 없는 곳의 대기 질량정수(AM)를 0이라 하고, 빛이 수직으로 입사하는 적도지방의 지표면에서는 대기 질량정수를 1로 정의 한다. 그리고 유럽 국가들이 많이 모여 있는 위도 40°지역의 AM값은 1.5, 그리고 한국 중부지방의 AM값은 약 1.4가 된다.
일반적으로 솔라셀이나 각종 태양광 장치들의 성능 실험에서는 「AM=1.5」을 기준으로 하도록 정해 놓았다.

2. 일조 강도 1,000[W/㎡]
표준 시험조건에서 정하는 일조강도는 1,000[W/㎡]이다. 맑은 하늘 AM=1.5인 지역의 일조강도는 최대 1,060[W/㎡]가 된다. 지역이 달라지면, 예를 들어 히말리야 고산지방이나 사하라사막 같이 적도와 가깝거나 해발고도가 높으면 일조강도는 1,150[W/㎡]까지 높아질 수 있고, 그린랜드 지방이나 구름이 많은 지방은 일조강도가 낮아질 것이다.
가장 이상적인 경우는 실제로 AM=1.5이고, 빛의 강도가 1,000[W/㎡] 되는 지역에서 시험을 행하는 것이지만 현실적으로는 불가능하기 때문에 지상에 투사되는 태양광의 스펙트럼과 유사한 인공광원을 설치해 두고 시험을 한다.

3. 기준 온도 25℃
표준 시험조건에서 정하는 온도는 25℃이다. 솔라셀의 출력특성이 온도에 따라 민감하게 변하기 때문에 모든 태양광발전 시스템을 25℃조건 하에서 시험하고 그 결과를 비교 판단하려는 것이다. 
솔라셀은 태양광에 노출되는 순간부터 전기가 생산됨과 동시에 열도 발생된다. 솔라셀의 색상이 짙은 감청색이고 반사방지막 까지 코팅되어 있기 때문에 복사열로 전환되는 에너지가 전기로 변환되는 에너지보다 더 크다. 실제로 PV모듈을 직사광에 노출하고 5분이 지나면 20℃, 10분이면 35℃ 이상 온도가 상승하는 것을 볼수있다. 그래서 시험실에서는 기준온도를 유지하기 위하여 항온조나 강제 냉각장치를 설치한다.

■ 앙각과 방향각
앙각이란 PV모듈과 지표면이 이루는 각도를 말한다, 
적도부근에 위치하고 있는 나라에서는 태양이 하늘 정 중앙에서 비추이기 때문에 PV모듈을 지표면에 평평하게 뉘여 두면 가장 효율적으로 태양빛을 받을 수 있을 것이다.

그러나 위도가 35°인 지역에서는 태양이 하늘의 정 중앙보다 35°만큼 남쪽으로 기울어져 있기 때문에 PV모듈의 뒷면을 35°만큼 일으켜 세워야만 태양빛을 수직으로 받아들일 수 있다. 이와 같이 PV모듈 평면과 지표면이 이루는 각도를 앙각이라고 한다.
최적의 앙각은 PV모듈을 설치하려는 지역의 위도와 같은 값으로 하면 된다. 예를 들면 충주, 평택을 가로 지르는 중부지방은 37°, 남부해안지방은 35°이므로 이곳에 태양광발전소를 설치할 때 최적의 앙각은 각각 37°와 35°가 된다.
위도와 같은 앙각으로 PV모듈을 설치하였을 때 1년간의 평균출력은 가장 크지만 계절별로는 최대효율이 아닐 수 있다. 춘분과 추분 시기에는 최적 앙각일 때 최대출력이 나오지만 동지(冬至)에는 위도 값보다 높은 앙각에서 최대출력이 나오고, 하지(夏至)에는 위도 값보다 낮은 앙각에서 최대출력이 발생한다. 

-- 최대 수광효율을 얻기 위한 월별 앙각

- 방위
태양은 동쪽에서 떠올라 서쪽으로 진다. 아침저녁으로는 PV모듈이 비스듬히 햇빛을 받게 됨으로 발전효율이 크게 떨어진다. 효율만을 생각한다면 PV모듈이 태양을 추적하도록 자동제어 장치를 달수도 있다. 그러나 경제적인 면과 보수성 그리고 장치의 수명을 고려한다면 큰 이익이 없다. 그래서 PV모듈을 고정하여 설치하는 것이 일반적이고, 또 정 남쪽을 향하게 하는 것이 가장 효율적이다. 
그런데 남북을 알아내는 데는 몇 가지 방법이 있다. 지도상에서 가리키는 남북(경도선이라고 부름)과 나침반에서 가리키는 남북이 있는데 약간의 차이가 있다.

나침반이 지시하는 자북선(磁北線)과 정오(12:00) 태양 입사광선이 이루는 각도를 방향각이라 한다. PV모듈은 자북보다는 정오(12:00)에 태양의 입사방향을 보고 설치하는 것이 좋다. 그런데 우리나라의 표준시는 태양이 한반도 중앙을 지나지 않고 동해를 지나는 동경 135°를 기준하기 때문에 서울지방(동경127°)에 사는 사람은 12:32분에 해가 정남방 하늘에 떠 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 PV어레이의 설치방향은 12:32분 태양의 위치를 보고 결정하면 된다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제6회] 태양광 발전

태양광기술/태양광발전강의2011/03/13 21:19Posted by 전준옥 교수

태양광발전
태양광발전이란 태양광에너지를 이용하여 전기를 만들어 내는 것 또는 그런 소자 또는 시스템을 말한다. 여기서 가장 중요한 것이 솔라-셀(Solar cell)인데, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 하고, 그밖에 전력을 저장하거나 직류를 교류로 변환하는 장치와 시스템을 관리하는 장치 등이 포함된다.
지금까지의 발전소들은 전기를 만들기 위해서 운동에너지를 만들고, 이 운동에너지는 열에너지 또는 위치에너지에 의해서 만들어졌고, 열에너지는 화석연료의 연소나 원자의 반응열에 의해서 만들어졌다.
그러나 태양광 발전은 빛에서 전기로 바뀌는 비교적 단순한 원리로 되어있고 원료 에너지의 공급에 비용이 들지 않는 재생에너지(Renewable energy)이면서도 환경의 파괴가 없는 특징을 가지고 있다. 

태양전지 및 태양광발전의 역사
화석연료는 최장 50년, 우라늄 원료는 60년 이상을 사용할 수 없다. 자손 대대로 에너지를 공급할 수 있는 수단은 재생에너지밖에 대안이 없음이 분명하다. 그러나 우리에겐 공급이 중단될 염려가 없는 청정 에너지 태양광발전이 있다. 
태양광발전은 태양전지의 발명이 있음으로서 가능해 졌는데, 그 시작은 전자운동의 연구가 활발하던 19세기 중엽으로 거슬러 올라간다. 다음은 오늘날의 태양광 기술이 있기까지의 연구 개발 역사를 요약한 것이다.
- 1839년 프랑스의 베크렐(E. Becquerel) 최초로 광전효과 발견 
- 1873년 스미스(Smith) 셀렌(Se)의 광도전효과 발견
- 1883년 플리츠(Fritts) 최초의 셀렌 광전지(Se cell) 개발
- 1888년 홀왁스(Hallwachs) 외부 광전자효과 발견
- 1900년 플랑크(Plank) 광양자 확인
- 1905년 아인슈타인(Einstein) 광양자이론에 의한 외부광전 효과 설명
- 1914년 골드만과 브로드스키, 솔라셀 내부의 공핍층 존재 확인
- 1917년 초크랄스키, 고순도 실리콘결정 제조공법 개발
- 1920년 구든과 폴에 의해 광기전력효과의 이론적 바탕 확립
- 1927년 그론달과 가이거, Cu/Cu2O 베이스로 만든 솔라 셀 개발
- 1941년 효율 1%의 셀렌 광전지(Se cell)제품화 생산
- 1954년 쇼팽과 풀러 그리고 피어슨, 효율 5%의 실리콘 솔라 셀 제조 성공
- 1957년 솔라 셀 효율 8%, 제조원가 1W당 약 $1000 기록
- 1958년 미국의 뱅가드(Vanguard) 인공위성에 최초로 태양전지가 탑재된 이후부터 모든 인공위성에 태양전지를 사용하기에 이르렀고, 이어서
- 1970년대 오일 쇼크이후 독일 등 선진국에서 많은 돈을 들여 태양전지의 연구개발과 상업화에 노력을 기울였는데, 그 대표적인 기업이 지멘스(Siemens AG)이다. 이 회사는 최초로 36셀 PV모듈을 개발하였고 태양광 관련기술의 국제특허 중 약 1/2을 보유하고 있다.
- 현재까지 실용적인 태양전지로서 효율 7∼17%, 수명 20년 이상, PV모듈 가격이 1Watt당 3달러, 규모가 클 경우 태양광 발전단가는 1kWH당 0.25∼0.4달러까지 하락하기에 이르렀다. 
- 현재는 딱딱한 패널 모양의 웨이퍼형 태양전지가 주를 이루고 있지만, 건축자재의 일부로서 또는 다양한 형태로의 변형이 가능한 박막형(thin film type) 태양전지가 점차 비중을 늘여갈 것으로 전망된다.

태양광발전의 경제성
태양광 발전은 여러 가지 장점에도 불구하고 보급이 느리기만 하다. 그 이유는 경제성이 떨어지기 때문이다. 인공위성에서는 선택의 여지가 없이 태양전지를 사용할 수밖에 없지만 산업체나 일반 가정에서는 상대적으로 가격이 높으면 선택 받지 못하기 때문이다.
아래 <그림>은 태양전지의 공급가격 추이와 태양광 발전의 설치실적의 관계를 나타내는 그래프이다. ‘태양광 발전’의 실용화 초창기에는 태양전지 1[Watt]당 18달러 정도였던 가격이 최근에는 6달러 정도로 하락하였으며 앞으로도 대량생산에 따른 단가 하락요인과 새로운 기술 개발의 요인 등으로 지속적인 가격 하락이 기대된다. 이에 반해 보급실적은 기하급수적으로 증가하는 볼 수 있는데, 그 이유는 단순히 태양전지의 가격만이 아니고 오일 쇼크로 인한 국제 유가의 상승으로 상대적으로 태양광발전의 경잭력이 높아졌고 각국 정부의 재생에너지 지원정책이 더해진 결과이다.

태양광 발전소 보급 촉진을 위한 지원제도
독일의 아헨(Achen) 주(州)에서 처음 시행된 지원정책으로 실비 보상제도(Full Coast Rate Bill)가 있다. 지자체가 태양광 발전소의 설치비용을 은행을 통해 융자해 주고, 전력회사들은 태양광발전으로 생산된 전력을 매월 높은 보상가격으로 매입해주는 제도이다. 이렇게 하면 태양광 발전소 설치가구는 설치비의 부담 없이 약 10년 정도이면 전력 판매대금으로 설치비를 상환할 수 있다. 그리고 태양광 발전소를 설치하지 않은 일반 수용가는 전력요금을 0.005~0.015유로 정도 더 부담하는 방식인데 다른 주로 이 제도가 번져가면서 주마다 약간의 요율 차이는 있지만 전국적인 제도로 정착하였고 다른 나라에서도 이 제도를 도입하여 비슷한 지원정책을 시행하고 있다.

한국에서 태양광 발전의 보급을 위한 지원정책은 2003년 시행되었는데 독일과 비슷한 실비보상제도로 태양광 발전 전력을 1[KWH]당 761~670원에 한국전력이 매입해주는 제도와 개인 주택에 태양광 발전소를 설치할 때 총 비용의 70%를 정부 또는 지자체가 부담해 주는 제도 등 두 가지를 병행하고 있다.
<그림>은 국제 에너지기구(IEA)에 가입된 전체 회원국들의 연도별 태양전지 생산실적과 공장의 제조능력(시설용량)을 나타내는 그래프이다. 생산실적은 10년 전에 비해 약 25배 증가되었고 시설용량도 가파르게 상승하고 있으며, 시설용량이 확충되면 1~2년 후에는 생산실적이 뒤따라 증가하는 것도 확인할 수 있다. 

다음 7회 강좌는 태양전지입니다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제7회] 태양전지

태양광기술/태양광발전강의2011/03/20 13:34Posted by 전준옥 교수

‘태양전지’라 부르는 솔라 셀은 포토다이오드와 원리가 같다. 빛 에너지가 PN접합 반도체에 침투하여 전력으로 변환되도록 만든 것을 솔라 셀이라 한다. 이에 비해 포토다이오드에서 이용하는 광전효과는 같으나 수광 면적이 매우 작아 빛의 유무를 검출하는 센서로 사용하는 점이 다르다. 
위의 일반적으로 많이 사용하고 있는 웨이퍼형 태양전지(Solar cell)의 구조이다. 하얀색 빗살무늬는 셀 표면에서 생성되는 전자의 흐름을 전극 단자로 인도하는 도선이다. 밭고랑이 잘 패여 있다면 비가 올 때 배수가 잘되지만, 밭고랑을 너무 많이 만들면 식물을 재배할 면적이 적어지는 문제가 있기 때문에 적당한 간격과 굵기의 배수로를 만드는 것이 농사의 비결인 것처럼 태양전지 표면의 도선 간격과 굵기도 기술적인 노우-하우에 속한다 할 것이다.

광전변환효과

태양전지가 전기를 만들어 내는 원리는 광전 변환 효과로 설명할 수 있다.
위의 그림은 솔라-셀의 구성요소인 N형 반도체와 P형 반도체의 단면도이다. 빛을 받아들이는 N형 실리콘 반도체는 윗면에 위치하고 P형 실리콘 반도체는 아랫면에 위치한다. N형 실리콘 반도체에는 잉여전자(-)가 많이 분포하고, P형 실리콘 반도체 속에는 정공(+)이 많이 존재한다. 공장에서 이 두 반도체가 접합되는 순간 접합의 경계면 가까이에 있던 N형의 전자들이 경계면을 넘어 P형 영역으로 확산되어 들어가서 그곳에 있는 정공들과 결합한다. 

빛은 엷은 N형 반도체 층을 통과하여 PN접합의 경계면 부근까지 침투하게 된다. 경계 부근에 있는 정상적인 실리콘 원자가 빛 에너지의 충격을 받게 되면 외곽궤도를 돌고 있던 전자가 여기상태가 되고, 이 중 일부 전자가 궤도를 이탈하여 이온화되는 현상이 발생한다. 이온화되었다는 것은 같은 크기의 양전기와 전기를 가진 한 쌍의 대전체가 만들어 진다는 것이다.
공간전하가 있는 중간위치에서 빛을 받은 원자가 대전쌍으로 분리되면 양전하는 (-)전계 쪽으로, 음전하(전자)는 (+)전계 쪽으로 이끌려 이동한다. 빛은 계속해서 입사되고 대전쌍은 계속 생성되고 양전하와 음전하는 계속 밀려가기 때문에 양 단자간에는 최대 0.6V정도의 광기전력이 생기게 된다. 그리고 솔라 셀의 양단자간에 부하를 접속하면 전류가 흐르는데 정격전류가 흐를 경우에 광기전력은 0.5V정도로 낮아진다.  

 

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제8회] PV모듈

태양광기술/태양광발전강의2011/03/20 14:11Posted by 전준옥 교수

태양전지, 즉 하나의 솔라 셀로는 그 출력전압이 너무 작아서 수10개 또는 경우에 따라서는 수 백 개를 직렬로 접속하여 사용한다. 우리가 건전지 4개를 직렬로 연결하여 6V, 6개를 적층하여 9V 배터리팩으로 사용하는 것처럼, ‘다수의 솔라 셀을 하나의 패널에 조립한 것’을 솔라 모듈 또는 PV-모듈이라고 한다. 셀과 모듈을 간단하게 분류하면 한개는 셀(a solar-cell), 복수 개의 조합으로 만들어진 것을 모듈(a PV-module)이라고 한다. 따라서 PV모듈은 정해진 개수(전압)나 형태가 없고 사용자의 필요에 따라 적절한 개수의 셀을 하나의 패널위에 조립하여 사용하게 된다. 

전력생산용 PV 모듈
초기의 태양광 전원장치들은 축전지에 전력을 저장하였다가 사용하는 것이 일반적이었다. 따라서 연축전지에 저장하기에 적합한 ‘PV모듈의 조합’을 찾게 되었고 그 결과 36개의 솔라셀을 직렬로 연결한 PV모듈을 만들게 되었다. 기본형 PV모듈은 지금까지 변함없이 많이 사용되고 있다. 그리고 같은 36셀 PV모듈이라도 셀의 면적에 따라 전류출력이 달라질 수 있다. 
지멘스(Siemens)사가 초기에 대량생산하기 시작한 모듈들은 가로 세로 각각 10cm인 셀을 기본으로 하여 만들었는데 단면적 100㎠인 이 솔라 셀의 정격 전류는 약 3.1A, 정격 출력은 50W 정도였다. 오랫동안 이 규격의 PV모듈이 양산되었던 것은 원 재료가 되는 실리콘웨이퍼가 5인치 규격으로 생산되었기 때문이다. 그러나 반도체 제조공정의 발달로 현재는 8인치웨이퍼가 주를 이루기 때문에 솔라 셀도 커지고 PV모듈도 대형화되고 있는 추세이다. 예를 들면 요즘의 대형 PV모듈에 사용되는 기본 셀의 크기는 작은 것이 125×125, 큰 것이 156×156mm이며 직렬접속의 개수도 72개 또는 60개 사이에서 정해진다. 

단자처리
태양전지의 출력을 인출하기 위해서 모듈 후면에 단자함이 설치되어있다.
여기에는 (+)단자와 (-)단자가 있고 이들 사이에 바이패스 다이오드도 설치되어있다.
대규모의 태양광발전소에서 이 단자함을 열고 전선을 연결하는 것도 매우 번거로운 일이 될 수 있으므로 최근에는 단자함에 일정한 길이의 연결선(케이블)이 부착되어 출하되기도 한다. 그리고 이 케이블의 끝에는 암, 수 커넥터가 달려있다. 

소용량 전자기기용 PV 모듈
소규모 비상전원이나 휴대용기기의 전원 등으로 소형 PV모듈이 유용하게 사용될 수 있다.
전력생산용 36셀, 17.4V의 규격화된 모듈과 달리 소용량 전자회로를 작동시킬 수 있는 정도의 전압을 만들어 내는 PV모듈을 쉽게 볼 수 있다. 예를 들면 요즈음의 휴대용 계산기는 대부분 수은전지를 사용하지 않고 소형 PV모듈을 전원으로 사용하고 있다. 그 외에도 벽걸이 시계나 어린이 완구 등에 광범위하게 응용되고 있으며 이동전화(핸드폰) 충전기로도 제품화되어있다.

PV모듈을 전원으로 사용하려면 전압변동에 대한 관용성이 좋은 IC소자가 유리하다. 예를 들면 최근의 집적회로 중 CMOS등의 소자를 사용한 것은 2.5V~5.5V범위의 전원전압에서 원활한 작동을 하고 소비전력도 매우 적기 때문에 소형의 PV모듈로도 충분히 필요한 전류를 공급할 수 있다. 특히 솔라셀은 빛의 강약에 따라 전압이나 전류출력이 변동되기 쉬운 특성을 지녔기 때문에 이들의 결합은 안성맞춤인 셈이다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제9회 ] PV 어레이

태양광기술/태양광발전강의2011/03/27 20:14Posted by 전준옥 교수

태양광발전을 위해 다수(수십 내지 수백 개)의 PV모듈들을 집합하여 조립한 것을 태양전지 군(PV Array)이라 한다. 
태양전지 모듈(PV Module) 하나만으로는 아직 전압도 낮고 전력도 충분하지 않아서 이들 수십 개를 연결해야만 교류로 변환해서 사용할 수가 있기 때문에 태양광발전소를 건설한다면 PV모듈을 어레이형태로 조립하는 것이 필수적이다.
초기의 태양광주택은 3[KWp]용량으로 태양광발전소를 만들었다. 당시는 50W 급 PV모듈이 일반적이었기 때문에 총 60개의 모듈을 지붕이나 뒤뜰 공지에 설치하였는데 이것이 소규모 ‘PV어레이’인 것이다.

태양광 발전소에는 PV어레이의 설치가 필수적이고 발전소 설치면적의 90%이상, 건설비용의 ⅔를 차지하기 때문에 PV어레이와 태양광발전소를 동일한 의미로 사용한다. 
우리나라에서는 1990년대 초부터 태양광발전의 중요성을 인식하고 정부 주도의 보급사업을 전개해 왔는데 중규모의 태양광 발전소, 용량규모로는 10~100KWp 범위의 태양광발전소를 공공기관에 시범적으로 설치하거나 인구가 비교적 많으면서도 발전소의 공공전력망이 미치지 못하는 섬 지방에 집중적으로 설치하였다. 

고정식 PV 어레이
한국폴리텍대학 충주캠퍼스 태양광전기제어학과의 태양광발전소는 180W 모듈이 
9장이 직렬로 연결되어 있고, 이것이 다시 12병렬로 연결되었으며, 총108장 소요되어 발전용량은 19.44kw가 된다.

추적식 PV어레이

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제10회] 태양전지의 종류

태양광기술/태양광발전강의2011/04/03 18:22Posted by 전준옥 교수

태양전지는 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류할 수 있으며, 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비결정질 실리콘 태양전지 등이다. 태양전지의 에너지 변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 15～18[%], 다결정 실리콘 태양전지 13～16[%], 비정질 실리콘 태양전지 6～11[%]정도이다. 태양전지 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지 변환 효율 향상, 저가화에 주요 포인트를 두고 기술개발을 추진하고 있으며, 태양광 발전 시스템의 설치 비용중 태양전지가 약 40[%]이상을 차지하고 있어 태양전지의 저가화는 태양광 발전의 핵심기술이라고 할 수 있다. 

(1) 재료에 따른 분류 
○ 실리콘 태양전지 (silicon solar cell)
- 단결정 실리콘 태양전지 (single crystalline silicon solar cell)
- 다결정 실리콘 태양전지 (poly crystalline silicon solar cell)
- 비정질 실리콘 태양전지 (amorphous silicon solar cell)
○ 화합물 반도체 태양전지 (compound semiconductor solar cell)
- Ⅲ-Ⅴ족 화합물계 : GaAs, InP, GaAlAs, GalnAs등
- Ⅱ-Ⅵ족 화합물계 : CuInSe2, Cds, CdTe, Zns등
○ 적층형(tandem)태양전지
- 화합물/Ⅵ족 계열 : GaAs/Ge, GaAlAs/Si, InP/Si등
(2) 이용목적 및 구조에 따른 분류
○ 지상용 태양전지
- 결정형 : 단결정, 다결정 실리콘 태양전지, GaAs/Si등
- 박막형 : 비정질 실리콘, Cds, CdTe, CulnSe2 등
- 집광형 : GaAs계열, 적층형 등
○ 위성용 태양전지
- Ⅳ족 : 단결정 실리콘, Ge(저온용)
- GaAs 계열 : GaAs, InP등
- 적층형(Tandem) : GaAs/Ge, GaInP/GaAs, GaAlAs/GaAs

태양전지의 재료
태양전지에 가장 널리 사용되는 재료는 실리콘(Silicon), 즉 규소다. 실리콘은 원자번호 14번, 원소주기율표사의 4족으로 지구상에 산소 다음으로 지구 무게비로 약20[%]의 많은 원소로 순도 문제로 경제성이 떨어지기는 하나 해안가의 모래나 주위에 있는 자갈 대부분에 실리콘이 포함되어 있다. 실리콘은 현재 태양전지 외에 트랜지스터, IC등의 전자 소자에 많이 사용되고 있다. 실리카(silica)를 탄소(coal, coke 등)와 함께 전기로에 넣어서 용융 후에 화학 처리를 하면 금속급 실리콘 순도 98[%] 정도의 분말 형태의 실리콘이 얻어진다. 그러나 가공전의 실리콘은 철, 니켈, 코발트, 탄소, 산소 등의 여러 가지 불순물 등이 많이 섞여 있기 때문에 태양전지 제조에 적당하지 않다.

태양전지 제조에 사용될 실리콘을 얻기 위해서는 몇가지 공정을 거쳐야 한다. 불순물 함유 정도에 따라서 금속급, 태양전지급, 반도체급으로 구분하며, 실리콘 태양전지 제조의 첫 단계는 규소원소로부터 실리콘을 추출하는 일이다. 단순히 추출만 해서 되는 것이 아니고 극히 고순도로 만들어야 한다. 수 천만분의 일(PPB) 이하의 순도를 가지는 실리콘을 전자급 혹은 반도체급이라 부른다. 이러한 고순도의 실리콘을 추출하는 방법으로 수소 환원과 실리콘 함유 가스의 열분해 등이 있다. 분말 형태의 실리콘을 분쇄하고, 염산으로 처리하면 삼염화실란이 생성된다. 이 삼염화실란을 증류시켜 불순물을 제거하면 고순도의 다결정 실리콘을 만들 수 있다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제11회]단결정과 다결정 실리콘 태양전지 제조

태양광기술/태양광발전강의2011/04/23 21:50Posted by 전준옥 교수

단결정 실리콘 태양전지 다결정 실리콘 태양전지

- 단결정 실리콘 태양전지 제조방법
Czochralski공정(도가니 일발 공정)은 지상 적용을 위한 단결정 실리콘의 생산방법이다. 약1420℃의 석영도가니에서 다결정 출발재료(폴리실리콘)를 용융시킨다. 이 실리콘 용융액에 정해진 방향을 갖는 종자 결정을 담그고 용융액으로부터 위쪽으로 천천히 끌어올린다. 이 과정동안 결정은 직경 30cm와 수 m의 원통모양의 단결정으로 성장한다. 
이 원통모양 단결정을 준원형 또는 정사각형 막대 형태로 자른 다음 쇠줄톱으로 약 0.3nm 두께의 슬라이스(웨이퍼)로 자른다. 단결정을 절단하고 웨이퍼를 톱질할 때 실리콘의 상당 비율이 톱밥으로 손실되므로 봉의 원뿔형 끝부분처럼 재용융시켜야 한다. 웨이퍼들은 톱질 잔여물과 톱질 자국을 없애기 위해 부식과 헹굼 욕조에서 화학적으로 습식 세정해야 한다. 이 세정과정은 웨이퍼 양면의 약 0.01mm를 부식으로 없애버린다. 붕소로 이미 p-도핑된 원시웨이퍼로 시작할 때에는 인 확산을 통해 얇은 n-도핑층이 생성된다. 800～900℃확산로에서 인 가스를 확산시키면 웨이퍼의 상부 표면이 도핑된다. 여기서 태양전지의 핵심인 p-n결합이 생성된다. 반사방지막을 입힌 후 스크린 인쇄과정에서 현재의 집광라인이 전면에 인쇄되고, 접촉은 후면에 나타난다. 전극은 반사방지막을 통해 전면에 접촉하도록 구워져야 한다. 마지막으로 p층과 n층사이의 깨끗한 경계선을 만들고 측면에서의 단락을 막기 위해 태양전지의 가장자리를 부식시킨다.

- 다결정 실리콘 태양전지 제조 방법
다결정 실리콘은 단결정 실리콘의 입자(입자의 지름은 수μm～수mm)가 여러개 모인 것이다. 단결정 실리콘 태양전지의 단점은 웨이퍼 제조 과정이 복잡하고 제조 에너지가 크다는 것이다. 이러한 문제 때문에 다결정 실리콘 태양전지가 시장에서 가장 많은 생산을 기록하고 있다. 다음 그림은 다결정 태양전지 제조 과정을 나타낸 것이다. 

실리콘을 녹인 액체를 주형 속에서 서서히 식힌 다음 굳혀 다결정 실리콘 덩어리(ingot)를 만든다. 주형 속의 실리콘 용액은 그 윗부분에서 주형별로 냉각되어 주형과 동일한 형태의 다결정 실리콘 덩어리를 얻을 수 있다. 이러한 실리콘 덩어리를 단결정 실리콘과 동일한 절단 작업을 거쳐서 두께 약 200μm의 다결정 웨이퍼를 제조한다. 건식 및 습식 식각으로 표면처리를 하고 불순물을 확산하여 p-n접합을 형성한다. 반사율을 줄이기 위해서 SiN나 SiO2등의 물질로 반사 방지막을 입힌다. 실리콘 웨어퍼 뒷면에 P+층을 형성하기 위해서 알루미늄과 같은 물질로 후면 전계층을 형성한다. 전면에 은등의 물질을 일정한 모양으로 패턴된 마스크를 이용하여 스크린 인쇄법으로 전극을 형성한다.

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 12회] 태양전지 제조

태양광기술/태양광발전강의2011/06/19 21:36Posted by 전준옥 교수

태양전지 제조 공정 순서도

1. 표면 조직화
표면조직화(texture,텍스쳐)는 표면 반사 손실을 줄이거나 입사 경로를 증가하고 광 흡수율을 높여 단락전류를 높이기 위한 목적으로 태양전지의 표면을 피라미드 또는 요철 구조로 형성하는 방법이다. 태양전지의 표면을 조직화함으로써 표면적을 넓혀 빛의 흡수를 늘리고, 반사도를 줄여 태양전지의 전류를 증가시키고, 효율 향상을 목적으로 한다.
웨이퍼 장입과 세정 및 웨이퍼 표면 조직화는 100매 또는 200매 단위로 적체된 웨이퍼를 한 장씩 분리하여 표면처리를 위해 장입한다. 태양전지용 웨이퍼는 반도체 웨이퍼와 달리 웨이퍼 절단 후 간단한 세정만을 수행한 후에 셀 제조사에 공급한다. 따라서 웨이퍼 표면에는 절단과정의 불순물과 주괴에서 웨이퍼 절단 과정에서 형성되는 표면에 미세균열과 같은 표면에 손상된 부분을 식각한다. 이것이 손상제거 식각공정이다. 손상제거 공정은 웨이퍼 표면의 구조를 표면조직화 하는데 반복성을 가지기 위해서 중요한 공정이다. 표면 조직화는 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두어 광 흡수율을 높이기 위한 목적으로 태양전지의 표면에 피라미드 구조형상을 만들거나, 다공성 또는 요철을 두어 입사한 빛이 반사되어 손실이 되지 않도록 하는 구조를 만드는 공정이다. 

2. 확산
확산은 물질 또는 전하의 농도가 높은데서 낮은 쪽으로 이동하는 현상이다. 이러한 현상을 이용하여 태양전지는 pn접합을 기본으로 이용하기 때문에 p형 기판에 n형 불순물을 고온에서 표면의 농도가 높은 곳에서 낮은 쪽으로 확산한다.
p-n접합을 위한 n-형 에미터 형성은 접합을 형성하기 위하여 두께 200μm p-형 웨이퍼에 의도적으로 n-형 층을 만들기 위해서는 원소주기율표 Ⅴ족을 포함하는 물질로 POCl3, H3PO4등을 고온에서 확산시키는 공정이다. 형성되는 n-층의 두께는 500nm이하이고, 이층을 에미터 층이라고 한다. n형 확산 공정은 1단계에서 선증착과 2단계의 온도 850도 이상에서 불순물을 실리콘 속으로 밀어 넣어 확산시킨다. 확산 공정을 수행하는 설비가 확산로이다.
도핑의 목적은 p-형 웨이퍼에 불순물 인(p)을 도핑하여 n-형 층을 형성하여 pn접합이 되도록 하는 공정이다. 고온의 POCl3와 O2가 확산로 안에서 서로 반응하여 P2O5층을 형성하고 고온의 열처리를 하면 P2O5 층의 P가 Si속으로 확산되어 n층이 형성된다.

3. PSG제거
n형 도핑시 형성된 산화막(인화시리케이트유리:PSG)제거 공정은 n-형 확산의 선증착 공정이 마무리 되면 P2O3과 산소가 반응하여 인을 포함한 산화물(phosphorous silicate glass, PSG)이 형성된다. PSG층은 실리콘 내부에 존재하는 불순물을 석출하여 포함하고 있기 때문에 도핑공정 이후에 제거하여야 한다. 농도 5%로 희석된 불산에서 15초 내외로 처리하여 실리콘 표면에 손상없이 PSG층을 제거한다.

4. 반사방지막 코팅
태양전지 표면으로 입사하는 빛의 반사 손실을 줄이기 위해 형성시킨 막이다. 빛이 공기를 통과하다 물질을 만나면 굴절하는 정도인 굴절율과 두께를 조절하여 표면 반사를 최소화 한다.
반사방지막은 실리콘 웨이퍼의 표면에 특정 굴절율의 물질로 막을 형성시켜 물질등 간의 굴절률 차이를 이용하여 보다 많은 태양광이 입사할 수 있도록 한다. 태양전지의 반사도를 낮춰 효율을 올리기 위해 텍스쳐된 표면에 얇은 막(70nm～80nm)을 증착하는 공정이다. 반사 방지막의 굴절률과 두께에 따라서 빛의 반사도나 흡수도가 달라지므로 적절한 굴절률과 두께가 필요하다. 태양전지를 이용해 최종으로 모듈을 제작하기 때문에 모듈까지 감안하여 두과정에서 최적인 굴절률을 고려해야 한다.

5. 금속인쇄
금속전극 형성은 웨이퍼 양면에 전극을 형성하기 위해서 스크린 프린트 방식으로 금속 분말을 인쇄한 후 건조 및 소성 공정을 통해 전극을 형성하는 공정이 현재 저가 공정으로서 가장 많이 사용된다. 스크린 인쇄는 인쇄기, 스크린 제판, 금속 페이스트 3가지 부분으로 구성되어 개구부가 형성된 스크린 마스크 위에 도출된 페이스트를 스쿼즈로 문질러 기판 표면에 금속 패턴을 형성하는 방법이다.
금속전극은 광 생성된 전하를 수집하기 위한 금속전극 형성이 목적이다. 전극(Ag)에 의한 빛 흡수 손실과 면저항을 고려하여 스크린 설계가 필요하다. 면저항이 올라 갈수록 높은 저항 때문에 표면에서 전자가 전극으로 수집되기가 힘들기 때문에 finger과 finger사이의 공간을 줄여야 한다. 후면 버스바는 Ag가 납땜 특성에 적합하나, 후면 전계 형성에 부족하여 Ag:Al을 사용한다. 후면 Al금속의 두께가 개방전압 상승에 효과적인 후면전계 형성에 영향을 주고, 박형 기판에 휨 특성에도 가장 큰 영향을 주기 때문에 재료 선정과 두께 관리에 필요한 인쇄 압력과 다운스탑, 스탭오프 등의 변수관리와 모니터링이 필요하다.

6. 금속 건조와 소성
웨이퍼 표면에 인쇄된 금속은 시간 경과에 따라서 옆으로 선폭이 퍼지고 높이가 감소하므로 차광 손실을 주기 때문에 신속히 건조가 필요하고, 이 과정에서 유기물을 휘발하기 위해서는 200℃이상에서 건조가 필요하다. 고온 소성의 목적은 전극을 적절한 열처리를 통해 금속 전극과 실리콘을 화학적으로 결합시켜 저항을 줄여 전류가 잘 흐르도록 하는 공정이다. 

금속 전극 건조와 소성 공정은 스크린 인쇄된 금속 페이스트는 유기물 휘발을 위한 건조를 수행하고, 금속 자체의 비저항을 줄이면서도 실리콘과 화학적인 접촉을 만들기 위해서 고온의 벨트형 소성로에서 열처리를 수행하여 금속 인쇄를 마무리 한다. 고온의 벨트형 온도 프로파일은 빠른 온도 상승과 가파른 온도 하강이 핵심 기술이다. 온도 프로파일을 가파르게 해서 신속하게 금속과 실리콘이 접촉을 하고 더 이상의 금속성 물질이 확산되는 것을 방지해야 고효율 달성이 가능하다.

7. 측면 분리
도핑 공정을 통해 웨이퍼의 모든 표면이 n층으로 연결되어 있으므로 p-n접합을 이용하기 위하여 연결된 n층을 분리시키는 공정이다. 측면 분리가 잘 되지 않을 경우 pn접합으로 누설전류가 분리되지 않은 n층으로 직접 전류가 흐른다. 누설전류가 많아지면 병렬저항 성분이 작아진다. 
태양전지 제조 과정에서 pn접합을 수행하면 전면, 측면, 후면 모두 불순물이 확산하게 된다. 금속은 웨이퍼 측면으로부터 1.5mm를 띄워서 금속전극을 형성하므로 측면과 후면에 측면으로부터 1.5mm까지는 n형 접합이 존재하고 금속이 미도포된 부분에서 누설전류가 발생하기 때문에 pn접합의 분리가 필요하다.

8. 태양전지 평가와 분류
태양전지 평가는 온도 25℃ 태양광 스펙트럼은 AM1.5(AM1.5G)조건으로 조사강도 100mW/㎠이다. 분류 기준은 효율, 전류, 전압등의 태양전지 특성 변수와 반사방지막 코팅 가변에 따른 칼라와 웨이퍼의 기계적 결함을 분류 변수로 포함하여 분류가능하다. 분류기준이 중요한 이유는 태양전지가 모듈로 제품화되며, 특히 모듈화 과정에서 전류 성능이 떨어지는 전지가 한 개만 있어도 직렬연결 특성상 가장 낮은 태양전지의 전류 특성을 모듈이 가지게 되기 때문에 전압 0.5V에서 전류값이 따른 분류가 필요하다.

* 다음 강좌는 태양전지 모듈 제조입니다.
그동안 여러가지 사정으로 강좌가 많이 쉬었습니다.
  

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 13회] 태양전지 모듈 제조

태양광기술/태양광발전강의2011/06/26 23:43Posted by 전준옥 교수

PV모듈 제조 구성요소
태양전지 모듈 구성은 태양전지 제조와 검사가 끝나면 전력 용량에 따라서 모듈화 과정을 거친다. 태양전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 장기간의 자연환경 및 외부충격에 견딜 수 있는 구조로 밀봉하여 사용한다. 전면에는 투과율이 좋은 강화유리를 사용하고, 뒷면에는 고분자 화합물에 각종 배합제를 가하여 투명도가 우수하고, 액화 및 고상과정에서 공기방울 형성이 작고 자외선에 강하고 투명도가 우수하며 140도의 온도에서 빨리 녹아서 경화되도록 만든 열경화성 수지인 EVA(ethylene vinyl acetate, 에틸렌 비닐 아세이트)를 사용하여 라미네이터에 온도 가열을 위한 히터 위에 유리/EVA/구성된 태양전지 회로/EVA/테들라를 차례로 적층하는 레이업 공정 이후에 진공을 펌프로 뽑으면서 온도를 라미네이터 히터로 가열하여 밀봉 합착시키는 라미네이션을 공정을 수행하고 알루미늄 프레임과 전기에너지 출력용 단자함을 형성하여 모듈을 완성한다. 

태양전지 모듈은 태양전지를 4×9, 6×9, 6×12등의 행과 열로 구성된 사각형 메트릭스로 구성하고, 이들 태양전지 모두는 직렬로 연결된다. 따라서 모듈의 전류는 태양전지 한 개의 값과 같고, 개방전압은 0.615V×태양전지 수(36, 54, 71)=22V, 33V, 44V등의 개방전압 값을 가지고, 최대전력은 전압에 약 0.5V로 대신하여 계산하면 모듈의 예상 최대출력 전압과 전류를 얻을 수 있다. 필요한 전력에 맞추어 태양전지를 각각 전기적으로 연결하도록 배선재료인 탭을 달기와 탭공정 이후 각각의 전지를 9장 또는 12장씩 한줄로 연결하여 스트링(string)공정을 수행하여, 각 스트링을 모두 직렬로 연결하는 회로를 구성한다.

회로가 구성되면 외부의 빛은 잘 투과하면서 전기적으로 절연특성을 가지는 재료를 가지고 봉인한다. 이를 위해서 저철분 강화유리를 사용한다. 저철분 강화유리는 유리 자체의 광흡수 손실을 줄이고 투과도를 높이기 위해서 철 성분 함량이 낮은 것을 사용한다. 기계적강도 강화를 위해서 열처리를 수행한다. 대형화에 따른 평탄도, 강도, 투과성, 뒤틀림, 표면처리 및 부식성등을 감안하여 강설하중, 태풍하중 등을 견딜 수 있는 규격에 만족하도록 한다.

마지막으로 최종 성능검사와 외관 및 모듈 제품 검열 과정을 수행한다. 이전까지의 과정을 마친 접착 공정이나 모듈화 공정시에 생기는 손상등을 검사하는 최종검사가 끝나면 모든 제조과정을 마무리하여 포장 및 배송을 한다.

(a) Back Sheet 타입 

(b) Glass/Glass 타입

태양전지 모듈 제조 공정순서와 공정별 제조설비

[전준옥 교수의 태양광발전 강좌 제14회] 태양광발전 시스템

태양광기술/태양광발전강의2011/07/02 22:17Posted by 전준옥 교수

[ 그림 ]독립협 태양광발전 시스템

태양광발전시스템이란?
태양광 발전시스템이란 태양광 에너지를 전기에너지로 변환한 다음 실제로 활용할 수 있는 규격의 전기로 만들어 주는 일련의 장치와 방법들을 말한다.
태양전지가 전기를 생산하는 복수적 의미로 사용되는 경우 국제적인 용어로 Photovoltaic Generator, 줄여서 PV-Generator 또는 PVG라고 한다. 이 태양전지가 생산하는 전기는 직류이다. 그런데 태양광의 세기가 일기에 따라 수시로 변하듯이 생산되는 전기도 일정하지 않다. 그래서 이 불균일하게 생산된 직류전력을 안정된 직류 또는 교류 전압 원으로 만들어주는 것이 태양광발전시스템의 주요 기능인 셈이다.

태양광에너지는 수시로 변하기 때문에 PV모듈에서 얻어지는 전력을 그대로 사용하는 것은 힘들고 특히 야간에는 전혀 전력을 얻을 수가 없다. 그래서 최초로 만들어진 태양광 발전시스템은 축전지에 전력을 저장하고 필요할 때 사용하는 방법을 사용하였다. 축전지는 저수지 또는 댐(dam)과 같은 역할을 한다. 
규모가 작거나 크든지 간에 태양광 발전으로 얻은 직류전력을 다른 상업적인 전력망과의 관계없이 홀로 사용하는 방식을 『독립형 태양광발전 시스템』이라고 부른다. 

초기의 태양광발전은 모두 이 독립형이었는데, 야간이나 비 오는 날 전력생산이 되지 않을 때를 대비하여 전력을 저장하는 축전시설이 필수적이다. 안정된 전압을 가진 축전지 덕분에 직류부하를 사용할 수도 있고, 회전기기를 위해 교류로 변환하여 사용할 수도 있다. 
독립형 태양광 발전(Stand alone type)의 단점은 축전지가 환경파괴의 한 원인이 된다는 점과 충전과 방전을 행하는 과정에서 효율이 저하한다는 점이다. 태양전지의 수명은 25년인데 축전지의 수명은 3~4년 정도에 지나지 않는다. 따라서 독립형 태양광발전이 대량으로 보급되었을 때 폐기되는 축전지가 폐 자동차의 수십 배가 된다고 상상해 본다면 또 다른 환경재앙이 아닐 수 없을 것이다.
이런 이유로 인해 축전시설 없는 『계통 연계형 태양광발전시스템』을 개발하게 되었는데, 이 방식에서는 생산된 태양광전력은 그때그때 즉시 교류로 변환하여 상용전력망에 공급하고 필요할 경우 공공 전력망의 전력을 사용하는 방식을 취한다. 계통 연계형 방식은 독립형보다 시스템 구성이 훨씬 간단하다. 직류를 교류로 바꾸어주는 인버터와 태양전력생산자와 전력망 관리회사간의 요금 계산을 위한 전력량계가 주요 구성요소이다. 
태양광 발전소의 인버터에서 출력되는 교류는 접속되는 상용전력 선로의 전압 및 주파수와 정확하게 일치해야 하고 잡음이나 불필요한 고조파 등이 포함되지 않아야하는 등 까다로운 품질규격을 갖추어야하기 때문에 보급 초기에는 가격도 비쌌다. 
그럼에도 불구하고 이 방식이 활성화 된 이유에는 환경에 대한 인식 이외에도 전자제어 기술의 발달이 큰 도움이 되었다. 성능은 높아지고 중량은 작아지면서도 가격이 대폭 낮아졌기 때문이다. 

[그림 ] 계통연계형 태양광발전시스템

태양광발전의 상용화
초기의 태양광발전은 인공위성 등 아주 제한적인 용도에만 사용되었다. 그러나 탁월한 휴대성 과 자연친화적 특성 때문에 보완적인 대체에너지의 역할을 넓혀왔다. 그 후로도 오랫동안 발전 단가가 너무 높아서 가격이 문제되지 않는 특별한 목적에만 사용되었다.
그러다가 1990년대 지구 환경문제가 UN의 가장 큰 이슈가 되고 1997년 리우 환경정상회의에서 선진국부터 이산화탄소 배출을 감축하기로 결의하면서 태양광과 풍력 발전이 적극 장려되기 시작하였다. 1990년대 말 독일에서는 ‘태양광발전소를 설치하는 데 드는 실비를 보상해 주자’는 취지의 재생에너지 장려정책이 활발하게 논의되다가 드디어 2000년 초 EEG (Erneubare Energy Gesaetz=재생에너지법)라는 법률로 성립되었다. 이때부터 태양광발전소의 건설이 본격적으로 확대되기 시작하였고 전 세계로 전파되었다. 우리나라에서도 2005년부터 이와 유사한 실비보상제도가 시행되면서 개인 및 민간 기업에 의한 태양광발전사업이 급속히 확산되었는 데 이 제도에 따라 건설되는 태양광발전시설은 모두 계통연계형 방식이다.

태양광발전에서 독립형 시스템의 경우, 우기(雨期)가 길어지거나 일조시간이 아주 짧아지는 겨울철 사정까지 감안하여 축전지를 확보하려면 규모가 점점 커져만 가는데, 일조량이 풍부한 봄여름에는 시설의 낭비가 아닐 수 없다. 이럴 경우에는 적절한 규모의 저장시설은 구비하되 일광이 부족한 경우에는 디젤 발전기와 같은 보조 수단을 구비함으로서 전력공급을 원활하게 할 수 있도록 구성하는 시스템을 복합 태양광 발전시스템(Hybrid PVG System)이라 부른다.

환경적인 측면에서 본다면 축전지가 없고 효율적인 계통연계형이지만 섬지방의 경우는 어쩔 수 없이 독립형으로 운전할 수밖에 없었는데, 최근에는 풍력발전을 이 시스템에 포함하는 경우가 늘어가고 있다. 태양전지는 야간에 발전을 할 수 없지만 풍력터빈은 아침, 저녁, 야간을 가리지 않고 발전을 할 수 있기 때문에 축전지 의존율은 줄이고 상호 보완적인 효율적인 복합 발전시스템이 될 수가 있을 것이다.