책만들기 - 우리도 할까, 태양광 (제1장 태양광은 무엇인가?)

[달팽이산책]

(쓰고 있는 책 '우리도 할까, 태양광'의 제1장)

1. 태양광은 무엇인가?

흔히 태양광과 태양열은 구분 없이 쓰이지만 분명히 다른 것입니다.

태양광은 ‘전기’를 만드는 것이고 태양열은 ‘열’을 얻는 것이며, 따라서 태양을 뜻하는

Solar라는 단어는 태양열에 더 많이 쓰입니다. 태양열은 Solar Heat라고 말하며

태양광은 Solar라는 단어 대신 Photovoltaic(광전효과)이라는 단어를 씁니다. 가끔

Solar Power라고 부르기도 합니다.

Photo(빛)와 Voltage(전류)를 한 단어로 엮어서 Photovoltaic으로 태양광을

표현합니다. 즉 ‘빛에 의한 전류’라고 할 수 있으며 전문용어로 ‘광전효과 1 ’로

만들어지는 전류라고 합니다. 태양광은 태양빛에서 전류를 얻고 태양열은 태양빛에서

열을 얻는 것이어서 개념부터 다르고 당연히 장치도 달라 완전히 다른 것을 말합니다.

돗보기로 태양빛의 초점을 모으면 종이가 타는 것을 다 알 것입니다. 물이 들어있는

컵에 초점을 맞추면 물이 점점 가열이 됩니다. 자동차 본니트 위에서 달걀 후라이를

하는 것은 태양열을 이용하는 것입니다.

(그림 삽입 – 태양열 사진, 태양광 사진)

1) 태양전지는 어떻게 전기를 만드는가?

태양전지가 전기를 만드는 일을 이해하려면 우선 빛은 무엇인가 알아봐야 합니다.

17세기 천문학 혁명을 가져온 요하네스 캐플러는 빛이 담벼락을 통과하지 못하고

그림자가 생기는 것을 보면서 ‘빛은 입자’라고 했습니다. 그러나 뉴턴은 빛이 회절하고

간섭하는 것을 확인하고 ‘파동(전파)’라고 했으며 아인슈타인은 셀 수 있는

에너지(양광자)를 가진 입자가 빛 안에 있다며 ‘빛은 에너지’라고 했습니다.

현대물리학에서 빛은 입자이면서 파동의 이중성을 가진다고 하며 또 빛은 에너지라고

봅니다.

전기는 전압과 전류로 구성됩니다. 통상 전압은 강의 넓이로, 전류는 강물의 깊이로

설명됩니다. 전압이 크다는 말은 강의 넓이가 넓다는 의미이고 전류가 많다는 것은

강물의 깊이가 깊다는 것입니다. 비유를 해 보면 만일 강이 아무리 넓어도 물이 깊지

않으면 사람이 빠져 죽을 가능성은 낮죠. 그러나 강폭이 1미터라도 깊이가 2미터 넘게

깊으면 사람이 빠져 죽을 수 있습니다. 물론 전압보다 전류가 더 무섭고 중요하다는

의미는 아닙니다. 반대로 깊이가 겨우 무릎이라도 강의 매우 넓다면 어쩌면 건너는

도중 지쳐서 예기치 않은 사고가 날 수도 있습니다. 그러나 둘 중 어느 것이 더 중요한

것인지 선택한다면 결국 물의 깊이인 전류를 선택할 수 밖에 없습니다. 전기, 즉

전력은 전압 곱하기 전류가 되면 중학교에서 배운 W(전력) = A(전류) x V(전압)이라는

공식이 되는 것입니다.

1 광전효과란) 금속에 파장이 짧은 빛을 쏘이면 금속내부에서 전자가 튀어나오는 효과. 태양전지는

통상 금속 대신 폴리실리콘을 얇게 만들어 광전효과를 얻습니다. 태양전지의 종류는 뒤에서 자세하게

살펴봅니다.

전력 W(파워) = A(일정시간 흐르는 전류량) x V(전류가 흐르게 하는 통)

(그림 1. 태양전지 셀Cell과 모듈Module)

통상 태양전지는 폴리실리콘(Poly Silicon)을 아주 얇게 썰어서 사용하는데 이

과정에서 프라즈마 기법이 사용됩니다. 폴리실리콘 덩어리는 잉곳(Ingok)이라고

부르며 두께 0.5mm 정도로 얇게 썰어서 사용하게 됩니다. 실리콘의 원재료는 지각의

1/3정도를 구성하고 있는 모래, 암석, 광물 등이며 지구상에 서 매우 풍부한 자원으로

독성이 없는 물질이며 석영도가니에 붕소와 인 등의 불순물과 혼합하여 고온으로

융용시킨 후 자연건조하여 덩어리인 잉곳(Ingok)으로 만듭니다.

반도체는 전기가 통하지 않는 성질을 가진 물질입니다. 하지만 혼합물을 넣고 도핑을

하면 전자를 이동시킬 수 있게 됩니다. 도핑에 따라 P와 N형 두 개의 실리콘을

겹쳐놓고 빛을 쏘이면 전자가 이동할 수 있는 공간(정공 Hole)이 생기고 그 홀을

전자가 이동하게 되어 전기가 만들어 집니다. 그림1이 설명하고 있습니다.

태양광을 사용하기 위해 아주 어려운 과학적 지식까지 습득할 필요는 없습니다. 단지

저런 원리로 전기가 만들어지는구나 정도만 알고 있으면 됩니다. 예전에는 45개의

셀로 모듈을 구성했지만 최근에는 60개의 셀로 모듈을 구성합니다. 전류량을 늘리기

위함이며 전류가 늘면 전력량이 많아지죠. 태양전지판은 아직 새로운 혁명을 못하고

있습니다. 왜냐면 실리콘을 능가할 방법이 아직 상용화되지 못하고 있죠. 통상

태양전지의 효용기간을 앞으로 약 30년 정도 보는데 그 전까지는 실리콘계

태양전지를 능가하는 새로운 방법은 솔직히 어려울 듯싶습니다. 지구궤도에 떠도는

수 천 개의 인공위성의 전원으로 태양전지가 가장 우선 꼽히고 있으니 태양전지에

대한 신뢰는 합리적이라고 할 수 있습니다.

2) 태양전지의 효율과 수명은 얼마나 될까?

태양전지를 만드는 과정에서 석영도가니를 가열하는데 전력이 사용됨으로

태양전지는 비효율적이라고 비난 받고 있습니다. 하지만 20년에서 30년 넘게

태양전지는 지속적으로 전력을 생산함으로 제조과정에서 사용되는 전력은

상대적으로 미미합니다. 수명이 다한 전지의 폐기과정에서 오염이 발생한다지만 셀과

셀을 연결하여 전기를 통하게 하는 통로에 도포되는 납은 폐기과정에서 회수되고

있으며 실리콘이 독성이 없음으로 문제되지 않습니다. 독성이 있는 카드뮴은

박막전지에 사용하는 것으로 결정질실리콘(Poly Silicon)이 대세이고 박막은 전세계

시장에서 겨우 1% 남짓 사용함으로 이 역시 우려할 것이 못 됩니다. 나머지는

전지셀을 보호하기 위한 유리와 케이스로 사용하는 알루미늄 프레임이 전부 입니다.

효율은 얼마나 될까?

(그림 2. 태양전지의 에너지변환 효율)

간단히 말하여 현존하는 결정질실리콘의 효율은 거의 ‘신의 경지’에 들었다고 해도

과언이 아닙니다. 빛 안에 존재하는 에너지량 중에서 전기로 바꿀 수 있는 것은 약

30% 이고 나머지는 거의 열에너지입니다. 그 30%를 가지고 출력을 20%까지 만들어

내고 있으니 거의 70% 가까이 전기로 변환하고 있습니다. 단순하게 전지판을

태양빛에 쏘이기만 해서 전력을 얻는 방식이어서 이 효율을 능가하는 방법은 쉽지

않을 것이라 보여집니다.

우리가 힘(power)의 크기를 마력으로 기준하고 있습니다. 말 한 마리, 즉 1마력은

전기로 바꾸면 약 750W입니다. 통상 주택에서 사용하는 태양광전력시스템은

3kw입니다. 말 네 마리의 힘과 같으니 절대로 작은 것이 아닙니다. 3kw는 1시간에

3kw의 전력을 의미합니다.

태양전지의 수명은 얼마나 될까?

일반적으로 태양전지는 10년에 10%씩 효율이 낮아지는 것으로 알려져 있습니다.

원인은 태양빛에 의한 열화현상으로 실리콘이 파괴되기 때문인데요 이를 방지하기

위해 에너지관리공단의 표준시방에는 통기가 원활한 구조로 설치를 하게 되어있고

0.1%효율이라도 더 높여야 하는 상업용발전소에서는 뜨거운 여름에 태양전지의

온도를 낮추기 위해 스프링쿨러를 도입하는 경우도 있습니다.

태양빛이 전기로 바뀌는 것은 에너지변환입니다. 모든 에너지변환은 열을 발생시키게

되며 높은 열은 전기전자적 소자를 파괴하거나 성능을 떨어뜨릴 수 있습니다. 일상

생활에서도 냉장고의 뒷 면 공간을 확보하는 것이나 컴퓨터에 송풍용 팬이 있는 것은

전부 열을 낮추기 위한 냉각시스템입니다.

열화에 의한 실리콘의 파괴와 함께 전지셀을 보호하기 위해 셀을 덥고 있는 유리의

산화입니다. 유리는 필수적으로 칼슘과 철을 포함하게 되는데 이 두 성분이 만나

백화현상을 일으켜서 유리의 투명도를 낮추게 됩니다. 이 현상을 막기 위해 전지판에

사용하는 유리는 철분 함유량이 극도로 제한된 저철분 유리를 사용하게 되지만

유리의 품질에 의해 빛을 충분하게 투과시키지 못 해도 전지의 성능은 낮아지게

됩니다.

2011년까지 대부분의 전지판은 거의 수작업에 의해 진행되었습니다. 이후 자동화가

되어 현재에는 윤전기에서 인쇄물이 나오는 것처럼 자동생산 됩니다. 국내의

태양광보급이 2006년부터 본격적이었으니 당시의 제조사들은 첨단산업에 대한

자긍심과 최고의 제품을 만들겠다는 장인정신으로 제품의 질을 자랑하였습니다.

자동화란 보편화 되었다는 의미와 같습니다. 간혹 오래 된 태양광의 효율을

걱정하면서 전지판에 대해 의심하거나 걱정할 필요가 없습니다. 믿고 사용해도

됩니다.

3) 더 싸고 더 좋은 태양전지는 언제 나오나?

57년에 소련의 위성에 전력을 공급하기 위해 날개로 사용되면서 석유파동 이후에

태양광에 대한 관심이 커졌고 지금은 전세계가 신재생에너지에 대한 전략적 투자와

보급의 확대로 새로운 전지에 대한 기대가 매우 높아 있습니다.

우리 주변에서 보이는 대부분의 태양광전지는 앞에서 언급한 결정질형 실리콘으로

만든 것입니다. 국내의 한화큐셀은 세계최대 전지셀 제조회사인 큐셀을 인수하면서

최대 생산량을 자랑하게 되었습니다. 만일 지금의 결정질형 태양전지를 능가하는

새로운 전지제조방법이 가까운 시일 내에 가능했다면 한화는 그룹의 사활을

걸면서까지 독일의 큐셀을 인수하지 않았을 것입니다. 결론적으로 결정질형 실리콘을

재료로 하는 태양전지를 능가하는 새로운 전지는 매우 오랜 시간이 지나거나 어쩌면

이후에 다가오는 수소시대에 밀려서 개발이 포기될 수도 있습니다.

태양전지의 종류는 결정질형 실리콘계와 이와 유사하지만 저렴한 박막형

유기화합전지가 있습니다. 얇은 판에 유기화합물을 도포하는 것으로 휘어질 수도

있어 용도의 폭이 크지만 성능이 결정질형의 50% 이하여서 이미 시장에서 퇴출이 된

상태입니다.

2010년 초반부터 약 3년간 전라북도 전주에 주식회사 알티솔라라는 회사가

있었습니다. 박막형전지를 생산했던 곳으로 물량으로 세계최대였습니다. 지금은

폐업했습니다. 비슷한 시기에 한국철강도 GetWatt라는 제품명을 달고 증평에 공장을

세워 박막전지를 생산했지만 지금은 가동하지 않습니다. 박막전지는 2010년부터

13년 사이에 스페인, 중국 등에서 국가전략으로 대규모 태양광설비를 구축하는

과정에서 전지가격이 상승하자 상대적으로 저렴한 가격으로 시장을 공략했지만

이후에 세계경제가 저성장의 늪으로 빠지면서 태양광시장도 경쟁이 격화되고 자동화

등 생산기법을 첨단화하여 가격을 낮추었기 때문에 더 이상 효율이 낮은 박막전지를

구매하지 않게 된 것입니다. 현재 박막전지는 둘둘 말아 휴대가 용이한 캠핑용이나

전자계산기의 보조전원으로 사용되는 등 전세계 태양광시장에서 겨우 1% 정도만

점유하고 있는 실정입니다.

한 때 삼성화학의 주가를 높였던 것 중에 식물의 광합성과 같은 과정의 염료감응식

전지에 대한 기대가 있었습니다. 하지만 아직도 상용화에 대한 전망을 할 수 없는

상태이고 카이스트 등에서 초전도체(나노/이온) 방식의 전지에 대한 연구와 실험이

진행되고 있지만 원재료에 대한 문제나 독성에 대한 우려가 있어 실용화까지

이를지는 의문으로 남아 있습니다.

인류의 역사에서 에너지는 최초 나무에서 석탄, 석탄에서 석유로 이제는 수소를

이용하기 위해 노력하고 있습니다. 에너지패러다임의 전환이란 석유중심의 화석연료

사용을 탈피하고 오염이 없으며 영구히 사용 가능한 에너지원으로 바꾸려는

것입니다. 석유에너지에서 수소에너지로 가는 과도기에 태양광 등 신재생에너지가

존재한다는 점, 우리가 환경파괴와 기후변화를 늦추면서 지속가능한 생태계와 환경을

유지하는 가장 좋은 방법이 바로 태양광, 풍력, 지열, 수력 등 신재생에너지를

이용하는 것입니다. 미래는 수학적으로 계산하거나 구체적으로 예측할 수 없습니다.

가능성과 옳다고 믿는 방향만을 가지고 가는 것입니다. 수소에너지는 우리가 상상할

수 없는 엄청난 변화를 가져다 줍니다. 방사능이 없는 핵발전 역시 수소에너지며

꿈처럼 여기는 이온엔진 또한 수소시대에 나올 것들 입니다. 바퀴 없는 자동차 같은

공상과학을 현실로 만들기 위한 창의력과 아이디어로 열심히 연구하고 몰두하는 수

많은 우리시대의 영웅들에게 태양광을 사용함으로써 용기와 응원을 해야 합니다.

4) 태양전지는 관리를 어떻게 해야 하는가?

많은 사람들이 궁금해하고 질문하는 것입니다. 결론적으로 특별하게 손볼 일이

없다는 것입니다. 미세먼지가 극심하여 태양전지에 먼지가 쌓이면 애써 걸레질로

닦는 경우를 봅니다. 가정에서 사용하는 경우라면 전기요금을 절감하기 위한 목적을

크게 거스르지 않으니 비가 올 때까지 기다리는 것이 더 현명하다고 조언할 수

있습니다.

하지만 1와트라도 더 생산해서 수익을 높여야 하는 상업용설비는 좀 다릅니다.

어차피 열화로 인한 실리콘의 파괴를 막기 위해서라도 스프링 쿨러 등의 설비가

필요함으로 처음 구축할 때 세심하게 준비한다면 먼지 등 전지표면 오염에 대해 손

쉽게 대처할 수 있을 것입니다.

태양전지를 고정하는 구조물은 통상 아연융용도금을 해서 자재의 부식과 오염을

막습니다. 최초 도금이 약 15년까지는 유지가 된다고 봅니다. 이후에 녹이 나거나

오염이 되면 전문가나 설비관리자에게 의뢰하여 방청조치 등을 하면 됩니다. 비용은

크게 발생되지 않습니다.

낙뢰 등 외부의 영향에 대한 피해는 심각한 결과를 가져올 수 있습니다. 하지만

섣부른 피뢰설비는 벼락을 끌어 온다는 점도 고려해야 할 것입니다. 전기설비에서

가장 어려운 부분이 피뢰설비 입니다. 어지간한 피뢰설비는 안 하니만 못 하니

전문가와 상의하여 결정하는 것이 옳습니다.

(그림 3. 철재부식의 방청에 사용하는 스프레이식 아연도금제품들)

아연은 대기 중에서 철보다 먼저 음전자를 방출한며서 산화합니다. 따라서 철재에

아연을 덮어 놓으면 아연이 다 없어질 때까지 철은 음전자를 방출하지 않고 그대로

원형을 유지합니다. 가장 기초적인 방청방식 입니다. 녹이 나는 것은 음전자를 잃는

것입니다.

태양광구조물이 오래 되어 녹이 나기 시작하면 철 브러시로 녹을 털어내고 시중의

공구상이나 인터넷에서 쉽게 구입할 수 있는 아연도금스프레이를 이용하여 방청

작업을 할 수 있습니다. 단 아연도금 방청은 보기 좋은 모양이 목적이 아니기 때문에

듬뿍 듬뿍 뿌려서 아연도포막을 두껍게 만들어야 오래 간다는 점도 잊지 마세요.