* [추가설비] 보조발전기 : 장마철이나 태풍 등의 영향으로 비교적 장기간 태양전지가 작동할 수 없는 경우에 대비
1)태양광 발전은 태양의 빛에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전기술
2) 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식
3) 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨
태양광 발전은 태양전지를 통해 햇빛을 전기로 변환시킵니다. 태양전지는 특정 금속이 빛을 받게 되면 ‘광자’라 불리는 빛의 입자가 금속 내 전자를 때리며 전자를 방출하게 되는 원리(광전효과)를 이용합니다. 태양광 발전의 과정은 다음과 같습니다.
1) 태양전지는 전자를 끌어들이는 성질을 가진 P형 반도체와 전자를 밀어내는 성질을 가진 N형 반도체가 만난 형태입니다.
2) 두 반도체가 만나면 N형에 있던 전자가 P형으로 이동하면서 전자가 많아진 P형 반도체는 음극(-)을, N형 반도체는 양극(+)을 띄게 됩니다.
3) 이때 태양전지가 빛을 받게 되면 광전효과가 일어나며 P형으로 이동했던 전자들이 튀어나와 다시 N형으로 돌아옵니다.
4) 여기에 회로를 연결하게 되면 튀어나온 전자들이 N형 반도체를 떠나 P형으로 이동하며 전류, 즉 전기가 발생합니다.
태양광설비는 얇고 약한 태양전지의 특성 때문에 프레임, 밀봉재 등의 장치들로 보호하도록 구성됩니다.
태양광 발전의 특장점은?
태양광 발전은 전기생산과정에서 탄소를 배출하지 않습니다. 그리고 태양광 패널의 평균적인 수명은 20년으로 관리에 따라서는 30년 이상을 사용할 수도 있어 날씨가 좋다면 탄소배출 걱정 없이 전기를 생산할 수 있는 에너지원입니다. 태양광이 탄소중립 시대 필수에너지로 주목받는 이유입니다.
탄소감축 움직임과 함께 글로벌 태양광 시장 규모는 가파르게 상승하고 있습니다. 한국수출입은행 해외경제연구소 보고서에 따르면 2017년 100GW 규모였던 태양광 설비규모가 올해는 약 240GW을 기록했으며, 2023년에는 270GW, 2024년에는 300GW를 넘어설 것으로 전망됩니다. 우리나라도 역시 태양광 설비 확대가 이뤄지고 있습니다. 2030년까지 전체 태양광 설비의 용량을 36.5GW까지 확대하겠다는 정부의 재생에너지 3020 계획에 따라 2017년 1.3GW 수준이던 태양광 설비규모는 지난해 4.2GW를 기록했습니다.
태양광 발전에는 여러 한계가 있다는데?
태양광 발전 방법은 1800년대부터 개발되었지만, 날씨에 따라 전력 생산이 영향을 받는 간헐성 문제, 한정적인 설치 장소, 높은 초기 투자 비용, 각종 민원 등의 문제로 확대가 더딘 것도 사실입니다
하지만 기술발전과 함께 이 같은 한계들은 점차 극복되고 있습니다. 특히 가장 큰 한계로 꼽혔던 간헐성 문제의 경우 인공지능(AI)과 ESS가 결합한 에너지솔루션을 통해 간헐성을 방지하고 발전량 예측 정확도를 높일 수 있게 됐습니다.
한정적이던 태양광 설비 장소도 다양화되고 있습니다. 과거에는 육상 태양광 설비만 설치할 수 있었지만, 이제는 수상(호수), 해상(바다)까지 그 영역이 확대됐습니다. 이 밖에도 햇빛을 투과하는 구조의 태양광 발전설비를 설치해 농사와 병행할 수 있는 ‘영농형 태양광’, 태양광패널을 주차장의 그늘막처럼 사용하는 ‘주차장 태양광’과 건물 외벽을 태양광 패널로 대체하는 방식 등 좁은 우리나라 국토를 효율적으로 사용할 수 있는 다양한 기술들이 등장하고 있습니다.
태양광 발전 활성화의 걸림돌로 꼽히던 투자 비용도 감소세입니다. 국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면 태양광 균등화발전비용[2]은 2010년 0.417달러/㎾h에서 지난 2021년에는 9분의 1 수준으로 줄어든 0.048달러/㎾h를 기록했습니다.
[2] 태양광 발전 설비부터 폐기까지 발생한 모든 비용을 운영 기간 생산한 총발전량으로 나눈 값
2. 태양광 발전과 태양열발전 :
[태양열 발전은 태양광 발전과 다른가요?]
태양을 통한 발전 방법에는 태양열 발전도 있습니다. 태양열 발전은 전기 생산보다는 열 자체를 난방 및 온수에 활용하는 경우가 더 많습니다.
태양열 발전은 태양으로부터 오는 열을 모아 물을 끓인 뒤 여기서 나온 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 이는 태양에너지를 전기로 전환하기 위한 과정이 태양광에 비해 한단계 더 있기 때문에 효율이 상대적으로 낮습니다. 그렇기 때문에 태양광 기술을 통해서는 전기를 생산하고, 태양열 에너지를 통해서는 열을 저장해 두었다가 난방 및 온수에 활용하는 방식으로 이용하는 경우가 많습니다.
3. 태양광 발전시스템의 구성기기
태양전지 : 태양에너지가 입사되어 전류를 생성시키는 곳
접속함 : 모듈에서 발생된 직류(DC)전력을 모아 인버터로 전달하는 기기
인버터(inverter) : 태양전지에서 생산된 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 바꾸는 기기
축전지(battery) : 낮에 생산된 전기를 밤에 사용할 수 있도록 전기를 저장하는 기기
모니터링 시스템 : 시스템의 상태를 파악하고 고장 및 이상을 진단
4. 태양전지에 의한 발전원리
태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)
태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것
금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음
PN접합에 의한 발전원리
태양전지는 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발되었으며 대표적으로 실리콘 태양전지가 있음
태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 이들 반도체의 경계 부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음
이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 (+)와 (-)의 전기를 갖는 입자(정공(正孔:hole), 전자(電子:electron))가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도체 쪽으로, 정공(+)은 P형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 된다. 이 때문에 앞면과 뒷면을 붙여 만든 전극에 전구, 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리이다.
대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어짐 이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함
이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨
자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨 P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨
5. 태양전지의 역사
6. 태양광의 특징 및 시스템 구성도
태양광의 특징 및 시스템 구성도에 관련된 이미지로 단점과 장점으로 구성되어있다.단점장점
전력생산량이 지역별 일사량에 의존
에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요
설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가
초기투자비와 발전단가 높음
에너지원이 청정·무제한
필요한 장소에서 필요량 발전가능
유지보수가 용이, 무인화 가능
긴수명(20년 이상)
7. 태양광발전 시스템 구성도
8. 태양광발전 기술의 분류
태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류
시스템이용 : 독립형, 계통연계형, 복합발전형
9. 전력 거래 :
전력거래절차
현행 전력시장은 변동비반영시장으로 다음과 같은 순서로 거래가 이루어지고 있습니다.
전력수요예측
공급가능용량입찰
하루전발전계획 수립
시장가격결정
신뢰도발전계획* 수립
실시간 급전운영
계량 및 정산
대금결제
*하루전 발전계획 수립 후 예측수요 공급능력, 계통제약 등의 발전계획 수립 조건의 변경이 있을 경우 수립
전력거래절차
장가격결정
전력시장에서 결정되는 전기의 가격은 경쟁시장에서 일반상품의 가격이 수요와 공급의 균형점에서 결정되는 원리와 같습니다.
시장가격
우리나라 전력시장의 시장가격은 1시간 단위로 전력거래 당일 하루전에 결정되며, 하루전에 예측된 전력수요곡선과 공급입찰에 참여하는 발전기들로 형성되는 공급곡선이 계통제약을 만족하며 교차하는 점에서 시장가격이 매 시간 단위로 결정됩니다.
한계가격 결정방법
시장가격 결정을 위한 "발전계획 프로그램"은 공급입찰에 참여한 발전기의 비용 최소화 원칙에 따라 발전기 가동여부와 발전출력을 결정하게 되는데, 이 중 가장 높은 발전비용의 발전기를 한계가격 결정 발전기(MARGINAL PLANT)로 처리하고 이 한계가격(SMP : SYSTEM MARGINAL PRICE)을 그 시간대의 시장가격으로 결정합니다.
시장가격 결정절차
전력수요와 제약을 충족시키면서 발전비용이 최소가 되도록 발전기의 운전 조합과 출력을 결정하는 것을 발전계획이라고 합니다. 전력거래소는 거래일의 전력수요 예측자료, 회원사의 입찰자료, 실계통에서 발생되는 제약자료를 바탕으로 발전계획을 수립하고 시장가격을 결정합니다.