태양광 발전 시스템

[가이아]

태양광발전시스템 

solar.hwp

우리 나라에는 섬이나 산이 깊은 곳이 많습니다. 그런 곳까지 전기선을 연결하는데는 비용이 많이 듭니다. 물론 디젤 발전기를 이용하여 전기를 만들 수 있지만, 이때에는 계속하여 경유를 공급해 주어야 하고, 전기를 만들때 태우는 경유가 이산화탄소나 유황을 만들어 대기 오염도 일으킵니다. 이런 외딴 섬이나 낙도의 등대등에는 환경 오염이 없으면서 원료를 계속 공급하지 않고도 전기를 얻을 수 있는 에너지원이 필요합니다.

또한 현대는 계산기나 손목시계 라디오등 간편하게 쓸수 있는 휴대용 전자제품이나, 연료비를 아낄수 있는 다양한 품목들이 인기를 얻고 있습니다. 휴대용 전자제품은 어떻게 하면 작고 가볍게 만드느냐가 제일 중요한 문제입니다.

위의 모든 문제의 해결책으로 현재 태양광 발전 기술을 많이 이용하고 있습니다.

지구의 못쓰는 땅인 사막에는 태양빛이 많이 비치기 때문에 태양광 발전에 아주 좋은 장소입니다. 중국의 고비 사막이나, 아프리카의 사하라 사막에 태양광 발전소를 세워놓고, 지구상의 필요한 전기를 공급해 사용할 수도 있습니다.

또, 지구의 밖으로 나가게 되면 어디에나 태양빛이 있고 태양빛의 세기가 4배로 높아집니다. 따라서 이러한 태양빛을 이용하면 우주에서 대규모로 전기를 만들어 사용할 수도 있습니다.

땅이 부족한 우리 나라는 바다위에 해상 도시를 건설할 수도 있습니다. 해상도시에서 사용할 에너지로 태양광 발전을 이용하는 것입니다. 이렇게 태양광발전의 응용범위는 아주 넓습니다. 태양광 발전을 더욱 발전시키려면 앞으로 값싸고 성능이 좋은 태양 전지를 만들어 내는 것이 연구 과제입니다.

◇ 태양광발전의 장/단점

태양광 발전의 장점	태양광 발전의 장점
▶햇빛이 있는 곳이면 어느 곳에서나 간단히 설치할 수 있습니다. ▶한번 설치해 놓으면 유지 비용이 거의 들지 않습니다. 그리고 태양전지 숫자 만큼 전기를 생산하므로 태양전지를 많이 설치 할수록 많은 량의 전기를 얻을 수 있습니다. ▶별도의 기계 가동 부분이 없으므로 소음과 진동등이 없어 환경 오염을 일으키지 않습니다. ▶수명은 20년 이상으로 비교적 오랫동안 이용할 수 있습니다.	▶에너지 밀도가 낮아, 많은 수의 태양 전지를 사용해야 합니다. 그래서 많은 공간이 필요합니다. ▶태양전지의 재료는 아직까지 값이 비싼 반도체 재료인 실리콘을 사용하고 있습니다. 때문에 태양광 발전 시스템을 처음에 설치하는 데는 많은 비용이 듭니다.

◇ 태양전지의 원리

태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치입니다.

<그림1>태양광 전지를 통해 빛 에너지가 전기 에너지로 바뀌는 과정

>> 빛에너지는 어떻게 전자의 흐름으로 바뀌게 될까요?

이 원리에 대한 설명으로 들어가기 전에 먼저 기억해야 할 것은 전기의 흐름, 즉 전류는 결국 전자의 흐름이라는 사실입니다. 따라서 전기에너지를 생산하는 것은 전자의 흐름을 유도시킨다는 의미가 되지요.

태양전지에 빛을 쪼였을 때 전기가 발생하는 반응은 두가지의 현상이 연속적으로 일어나는 것으로 설명 될 수 있습니다.

▶첫째는 전자 (자유전자) 가 발생되는 현상입니다.

▶둘째는 이렇게 생겨난 자유전자를 외부 회로로 내보내어 전기를 유도하는 과정입니다.

고체 내부에는 전자가 많이 존재합니다. 전자는 원자핵에 결합되어 있는 것("묶인전자")과 고체 내부를 자유롭게 돌아다닐 수 있는 것("자유전자")으로 구분됩니다. 이 중에서 자유전자가 전기의 흐름을 담당하게 됩니다.

반도체는 대체로 전기를 잘 통하지 않는 물질입니다. 즉 자유전자를 많이 갖고 있지 않다는 뜻이지요. 반도체에 빛을 비추면 "묶인전자"가 빛 에너지를 받아서 자유전자 상태로 됩니다. 빛 에너지는 원자핵에 "묶여" 있던 전자가 결합을 끊고 자유롭게 되도록 (=자유전자가 되도록) 힘을 보태주는 셈이 되지요. 그런데 이것 만으로는 전기를 얻을 수 없습니다.

>> 자유전자들은 반도체를 빠져나와 어떻게 외부회로에 도달하게 될까요?

자유전자가 외부회로에 도달하게 하기 위해서 필요한 것이 반도체 p-n접합입니다. 이것은 말 그대로 "p-형 반도체" 와 "n-형 반도체"를 붙여서 만듭니다. 이렇게 되면 접합 부분에 전기장이 생깁니다. 이것은 다른 말로 하면 접합 부분에 +극과 -극을 띤부분이 생긴다는 뜻이 됩니다. 이러한 극성 때문에 자유전자는 n-형 쪽으로 (그림의 왼쪽으로) 끌리게 됩니다. 일단 자유전자가 n-형 쪽으로 끌려 넘어가면 다시 p-형 쪽으로 넘어올 수 없습니다.(자유전자를 끌고 온 극성의 영향으로).

♧ 지금까지의 설명을 정리하면 이렇습니다.

빛을 반도체에 쪼이면 자유전자가 생겨나고 이 자유전자들은 n-형 쪽으로 끌려 넘어가게 됩니다. 이러면 n-형 쪽에 자유전자가 계속 쌓이게 되겠지요. 이 때 만약 반도체에 전기선이 연결되어 있다면 전자는 전기선을 통해 외부로 빠져나가려고 할 것입니다. 따라서 전기선을 따라 잔자가 흐르게 되고, 우리는 전기를 얻게 되는 것입니다.

<그림 2>자유 전자들이 반도체를 빠져나와 외부회로에 도달하는 과정

>> 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까요?

모든 에너지 변환 장치에 효율을 따지듯이 태양전지도 전기에너지를 얼마나 많이 생산하느냐를 나타내는 수치로서 효율을 표시합니다. 오른쪽에 표시된 수식을사용합니다.

효율 (%) = (생산된 전력양) / (태양 빛 에너지) x 100

당연히 효율이 높은 태양전지를 만드는 것이 좋겠지요. 그러나 과연 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까를 따지려면 아무래도 경제적인 측면, 그러니까 태양전지를 제작하는데 얼마가 들어가느냐 하는 점도 생각해야합니다. 아무리 효율이 높은 태양전지라도 제작비가 너무 높으면 실용성이 없는 것이고 반대로 효율이 비교적 낮더라도 제작비가 저렴하면 경제성이 있는 겁니다. 아직은 어느 한가지가 경제성 면에서 확실히 우월하다는 점이 입증되지 않았기 때문에 현재 여러 가지 물질과 형태의 태양전지가 연구되고 있습니다.

◇ 태양광발전 시스템 구성

<그림 3>태양광 발전 시스템의 구성도

태양전지에서 생산되는 전기는 직류(DC)전기입니다. 이러한 직류전기가 그대로 사용되는 경우도 있겠으나 우리가 보통 쓰는 전기는 교류(AC)이기 때문에 DC를 AC로 바꾸는 인버터가 필요합니다. 그리고 태양전지는 주로 낮에 전기를 만들어 내지만 사람들이 전기를 쓰는 시간이 이와 다를 수 있으므로 전기를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있도록 축전지(Battery)가 필요합니다. 또 장마철이나 태풍등의 영향으로 비교적 장기간 태양전지가 작동할 수 없는 경우를 대비하여 보조발전기(주로 화력발전기)도 있어야 합니다.

대표적인 전력계통도를 표시하면 아래의 그림과 같습니다. 그림에 표시된 전력조절장치는 태양전지가 주어진 조건에서 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치입니다.

종류

태양광 발전에는태양광 발전만으로 전기를 만들어 자급 자족하는 형태와 태양광 발전으로 만든 전기와 함께 다른 전기를 같이 사용하는 형태가 있습니다.

◇ 독립형 시스템

등대나 섬과 같이 전력 계통이 정비되지 않은 지역에서 이용되며 현재 가장 많이 쓰이고 있습니다. 태양광으로는 하루 평균 3시간 정도밖에는 발전할 수 없으므로 발전된 전기를 저장하는 기능이 필수적입니다. 큰 용량의 축전지를 사용하여야 겠지요.

◇ 계통 연계 시스템

태양광으로 발전된 전기와 함께 전력회사에서 공급하는 전기를 같이 사용하는 방식입니다. 태양광으로 발전되지 않는 시간에는 전력 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있습니다. 태양광으로 발전하여 전기를 사용하고도 남는 경우에는 전력 계통에 거꾸로 흘려보낼 수 있습니다.

응용사례

◇ 태양광 가로등

길이 난 곳에는 가로등이 있어야 밤에 차가 안전하게 달릴 수 있습니다. 그러나 깊은 산 속이라든지 인적이 드문 곳에서는 전기선을 끌어오는데 너무나 많은 비용이 듭니다.

이런 불편함을 덜 수 있는 방법이 바로 태양광을 이용하는 것입니다. 즉, 가로등의 윗 부분에 태양전지를 달아서 낮 동안에 전기를 만들어 축전지에 모아두었다가 밤에 꺼내쓰는 것입니다. 해가 비치는 곳이면 어디든지 전기를 만들어 가로등을 켤 수 있는 것이지요.

태양광 가로등(낮)

고속 도로의 주변에 있는 가로등을 보면 이러한 태양전지를 단 가로등이 많이 있는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 햇빛이 적은 경우를 대비하여 한국전력의 전기선이 같이 연결되어 있는 계통연계선 연계 방식도 쓰입니다.

태양광 가로등(밤)

◇ 태양광 분수대

태양 전지 로부터 얻은 전기를 가지고 할 수 있는 일은 많습니다. 그 중 하나의 예로 마당 한가운데에 분수대를 설치하는 것입니다. 분수대를 돌리기 위해 전기선을 마당까지 끌지 않아도 태양 전지를 이용하게 되면 전기를 만들어 낼 수 있습니다.

그런데 날이 흐리거나 해가 나지 않는 날에는 어떤 일이 일어날까요? 분수가 작동될까요? 여러분들이 직접 실험해 보세요.

태양광 분수대 (제주도 월령 신재생에너지 시범단지)

제2회 광주 비엔날레 중외 공원에 설치된 태양광 분수대 입니다.

낮에 태양빛을 받아 전기를 축전해 놓았다가 밤에 다양한 조명과 함께 분수대를 작동시킵니다.

여러색의 조명과 분수대의 물줄기가 어우러져 오색찬란한 빛을 분출하고 있습니다.

출처-> 광남일보 최권일 기자 <1997.9/광주 중외공원>

<태양광 분수대>

(광주 비엔날레 중외 공원)

◇ 호도

호도의 태양광 발전소의 전경

(현재는 활발히 사용하고 있지 않지만 호도에서 태양광

발전을 한 예가 있습니다.)

서해안 앞바다 호랑이 형상을 한 인구 500명의 섬, 호도는 육지로부터 너무 멀리 떨어져 있고 섬 주민이 많지 않아서 한국전력에서 전기선을 끌어다 사용할 수 없었습니다.

그래서 디젤 발전으로 전기를 만들어 썼습니다. 그런데 디젤 발전은 경유를 연료로 사용하기 때문에 정기적으로 디젤 기름을 육지로부터 실어와 사용해야 했습니다. 호도는 작은 섬이라 날씨가 나쁘면 배를 대기 어려운 때가 많습니다. 그것 뿐만 아니라 디젤 발전을 위해 한 두명의 기술자가 늘 섬에 상주해야 했습니다.

디젤 엔진이 돌아 가면서 깨끗한 공기를 오염시키고, 디젤 연료통과 같은 쓰레기도 아름다운 풍경과 어울리지 않았습니다. 디젤 발전의 요란한 소음도 귀에 거슬리는 일이었습니다. 그러나 섬 주민들은 냉장고도 돌려야 하고 TV도 보아야 하니 전기가 없으면 안되었습니다. 그런데 어느 날 이러한 불편을 감쪽같이 없앨 수 있는 방법이 생기지 않았겠습니까?

태양광으로 전기 발전을 할 수 있는 시설이 들어오기로 한 날 섬 주민들은 잔치를 벌였습니다. 태양전지판이 쭉 세워지고 여기에서 나오는 전기로 섬 주민 전체가 전기를 공급 받을 수 있게 되어 조용하고 아름다운 섬의 풍경을 계속 유지할 수 있게 되었습니다.

그러나 호도의 태양광 발전소는 현재(1998년 12월) 여러가지 이유로 극히 미미한 전력만을 생산하고 있습니다.

◇ 기타

한국 제주도 한라산 국립공원

(Korea stand-alone system for an administration substation of Mt. Halla National Park)

주차장의 지붕을 태양전지로 만들어 미관상 아름다울 뿐 만이 아니라 계통선이 들어 오지 않는 이 산속에서 전기를 만들어 쓸 수 있게 한 시설입 니다.

가까이에서 보는 태양전지는 깊은 푸른 색을 띠고 영롱한 여러가지 빛을 내어 매우 아름답습니다

1. 기술의 개요

가. 원리

▶ 햇빛을 받으면 전기를 발생하는 태양전지의 광전효과(Photovoltaic Effect)를 이용하는 발전방식

▶ 태양전지와 주변장치(축전지, 전력변환장치)로서 시스템 구성

나. 시스템 구성도

다. 시스템의 종류 및 용도

▶ 태양광 발전시스템은 태양전지 셀로 구성된 모듈, 축전지 및 전력변환장치로 구성되며, 전력계통과의 연계유무에 따라 독립형(Stand-alone System)과 계통연계형(Grid-connected System)등으로 대별

▶ 태양전지 : 결정질실리콘, 다결정실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체

▶ 시스템이용 : 독립형시스템, 계통연계형시스템, 복합발전시스템

라. 기술개발경위

▶ 인공위성 및 낙도오지용 전원으로 이용하다 오일쇼크이후 미래의 대체에너지원으로 본격 개발

마. 개발 후 기대효과

▶ 무한정의 태양에너지를 사용하므로 연료비 필요 없음

▶ 태양에너지를 연소없이 직접 전기에너지로 변환시킴으로서 대기오염이나 폐기물 발생이 적음

▶ 태양전지 수명이 최소 20년 이상의 장수명으로 설비교체 등의 유지비용 절감

2. 개발 목표

구 분	'97 ~ 2001	2002 ~ 2007
태양전지	ᄋ저가 고효율 Si 태양전지 실용화 ᄋ신형 태양전지 개발 및 효율향상	ᄋ저가 박막 태양전지 양산화 ᄋ신형 태양전지 고효율화
시스템이용	ᄋ주변장치 신뢰성 향상 및 표준화 ᄋ계통연계형 및 복합이용기술실용화	ᄋ주변장치 저가화 ᄋ계통연계형 이용기술 양산화

3. 이용현황

▶ 하화도(60㎾급), 와도(30㎾급), 유인등대 등에 독립형, 창원시청(30kW급), 삼성연구소(100kW)에 계통연계형이 설치 운영중

4. 국내외 기술개발 현황

기술명	국내	국외
태양전지	ᄋ변환효율 15% 단결정 Si 및 고효율 다결정 Si 태양전지 개발(실트론, '94) ᄋ변환효율 8.7% 비정질 Si 태양전지 개발 (SK, '96) ᄋ다결정 Si 태양전지 상용화 및 Solar-roof적용 개발중(삼성SDI, 98～) ᄋ저가, 고효율 다결정 박막 Si 태양전지 개발 (삼성SDI, 2000～)	ᄋ변환효율 18% 단결정 태양전지 상용화 (미국, 일본, 유럽) ᄋ변환효율 12～13% 다결정 태양전지 상용화(미국) ᄋ변환효율 10%내외 비정질 태양전지 상용화(미국,일본)
시스템이용	ᄋ주변장치 국산화 완료(LG산전, 셋방 전지 : '91) ᄋ6V 무보수 밀폐형 연축전지 개발 (세방하이테크, '99～)	ᄋ미국, 유럽에서 무보수 밀폐형 연축전지 개발, 보급 (6V, 12V 등 소형에서 대용 량까지 개발)

5. 국내외 주요 연구기관 및 제품생산(또는 개발) 기업

기술명	국내	국외
연구기관	ᄋ한국에너지기술연구원 ᄋKAIST ᄋ성균관대	ᄋ(미)NREL ᄋ(일)NEDO
기업	ᄋ세방하이테크 ᄋ삼성SDI ᄋLG산전 ᄋ네스코쏠라 ᄋ쏠라테크	ᄋ(미)SiemensSolar, Solarex사 ᄋ(일)Ktocera, Sanyo사 ᄋ(영)B.P Solar사

<태양광 발전 시설, 30kW 한국과학기술원>