태양광발전 기초 이해 : 태양광발전의 원리와 강점

태양광발전 기초 이해 : 태양광발전의 원리와 강점

 

• 태양광 발전의 원리

광에너지가 전기력을 일으키는 현상을 광기전 효과라 한다. 광기전 효과는 액체와 고체 모두에서 발생하는데, 고체(특히 반도체 PN 접합소자)가 태양광 아래에서 더 높은 광전변환 효율을 갖는다. 태양광 발전에 사용되는 결정질 실리콘 태양 전지는, 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 광기전 효과의 원리를 이용하여 만들어진다. 태양광 발전의 에너지 변환 장치는 태양광발전 시스템의 기초이자 핵심 장치로 태양광 전지 또는 태양전지라 한다.

 

 

 

태양에너지가 전기에너지로 변환되는 과정은 주로 3단계로 구성된다.

 

(1) 태양전지가 특정 에너지의 광자를 흡수하면 반도체에 전자-정공 쌍이 생성된다. 이를 "광생성 캐리어"라고 하며, 이 둘의 극성은 반대이고 전자는 음전하를 띠고 정공은 양전하를 띤다.

 

(2) 극성이 반대인 광생성 캐리어는 반도체 PN접합에 의해 생성된 정전기장에 의해 분리된다.

 

(3) 광발생된 전류를 운반하는 전자와 정공은 태양전지의 양극과 음극에 각각 모여서 외부회로에 전류를 발생시켜 전기에너지를 얻는다.

 

이처럼 빛이 태양전지 표면에 닿으면 광자의 일부가 실리콘 물질에 흡수되고 광자의 에너지가 실리콘 원자로 전달되어 전자가 전이되어 양쪽에 축적된다. 그리고 PN 접합의 전위차를 형성하게 된다. 그리고 외부 회로가 연결되면 이 전압의 작용으로 전류가 외부 회로를 통해 흘러 특정 출력 전력을 생성한다. 이 과정의 본질은 광자에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다.

 

태양광발전 시스템에서 시스템의 전체 효율은, 태양전지 모듈의 광전변환 효율, 컨트롤러 효율, 배터리 효율, 인버터 효율 및 부하 효율에 의해 결정된다. 현재 태양전지의 광전변환 효율은 약 17% 정도라고 한다. 따라서 태양전지 모듈의 광전변환 효율을 높여 태양광발전 시스템의 단위 전력 비용을 줄이는 것이 태양광 발전 산업화의 초점이자 과제이다.

 

태양전지의 출현 이후 결정질 실리콘은 주재료로서의 위상을 유지해 왔다. 현재 실리콘 태양전지의 변환 효율에 대한 연구는 주로 에너지 흡수 표면(예: 반사를 줄이기 위해 양면 셀 사용)을 늘리거나, 게더링 기술과 패시베이션 기술 등을 사용하여 실리콘 태양전지의 변환 효율을 높이는 데 중점이 두어지고 있다. 또한 초박형 셀 개발에도 초점이 맞춰지고 있다.

 

 

• 태양광 발전의 강점

 

바이오메스 에너지, 수력 에너지, 풍력 에너지 및 태양 에너지와 같은 몇 가지 일반적인 새로운 에너지 원에 대한 비교 분석을 통해서 보자면, 태양광 발전은 다음과 같은 고유한 강점이 있다고 한다.

 

(1) 태양광 발전은 경제적인 이점이 있다

 

태양에너지 활용의 경제성은 두 가지 측면에서 볼 수 있다. 첫째로, 태양에너지는 고갈되지 않고 태양에너지를 얻을 때 "비용"이 부과되지 않으며 어디에서나 사용할 수 있다. 둘째, 현재 기술발전 수준에서 태양에너지 활용은 이미 그 경제성이 확보되었다. 과학기술의 발전과 인간의 태양에너지 이용 기술의 발전이 비약적으로 전개됨에 따라, 태양에너지 이용의 경제성은 더욱 분명해질 것이다. 20세기가 석유의 세기였다면, 21세기는 재생에너지의 세기(태양광의 세기)이다.

 

태양광 발전소 건설 비용의 관점에서, 태양광발전의 대규모 응용과 보급, 특히 상류의 결정질 실리콘 산업 및 태양광 발전 기술의 빠른 발전, 건물 옥상 및 외벽의 복합 개발에 따라 킬로와트당 태양광발전의 건설 비용은 갈수록 낮아지고 있다. 다른 재생에너지 원과 비교하여 동일한 경제적 이점을 가지는데다 국가 패리티 정책의 시행으로 그 보급이 더욱 확대될 것으로 기대된다.

 

(2) 태양에너지는 고갈되지 않고 재생이 가능한 에너지원이다

 

계산에 따르면 1년 동안 지표에 도달하는 태양에너지의 총량은 표준 석탄 약 1.892x10^24톤에 해당하며, 이는 세계 주요 에너지원의 확인 매장량의 10,000배에 달하는 것이다. 태양의 수명은 최소 40억년으로 인류의 역사와 비교할 때 태양에너지가 지구에 지속적으로 공급할 수 있는 시간은 무한하다고 할 수 있다. 따라서 태양에너지는 인류가 재래식 에너지의 부족과 고갈을 해결하는 효과적인 방법이 될 수 있다.

 

(3) 환경오염이 없다.

 

태양에너지는 풍력, 조력 및 기타 청정 에너지원과 마찬가지로 그 개발 및 활용 과정에서 오염을 거의 발생시키지 않으며 무한한 매장량으로 인류에게 이상적인 대체 에너지원이라 할 수 있다. 전통적인 화석연료(석탄, 석유, 천연가스)는 사용 과정에서 다량의 유독성 유해물질을 배출하기 때문에 물, 토양, 대기에 심각한 오염을 일으키고, 온실효과와 산성비를 형성하는 등, 생활환경을 심각하게 위협한다. 따라서 새롭고 비교적 청정한 대체 에너지원의 개발이 시급히 요구되고 있으며, 이상적인 청정 에너지원으로써 태양에너지가 세계 각국에서 주목을 받고 있다.

 

다양한 발전 방식의 현재 탄소배출량(g/kW·h)을 보면(상류링크는 제외), 석탄발전 275g/kW·h, 석유발전 204g/kw·h, 천연가스 181g/kWh, 풍력 발전은 20g/kWh인데 비해 태양광 발전은 탄소 배출이 제로에 가깝다. 또한 발전과정에서 폐잔류물, 폐기물, 폐수, 폐가스 등이 배출되지 않고, 소음도 없으며, 인체유해물질도 만들어내지 않는 등, 환경오염이 없다.

 

(4) 에너지 변환 링크가 가장 적다.

 

에너지 변환의 관점에서 태양광발전은 태양 복사 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다. 모든 재생에너지 가운데에서 태양광발전은 변환 링크가 가장 적고 직접 사용이 가장 많다. 일반적으로 전체 생태 환경의 에너지 흐름에서 변환 링크가 늘어나고 변환 체인이 확장됨에 따라 에너지 손실이 기하학적으로 증가하는 동시에 전체 시스템의 건설, 운영 비용 및 불안정성이 증가한다. 현재 결정질 실리콘 태양전지의 광전변환효율은 실용수준이 15~20%이고 실험실 최고수준은 35%에 달한다.

 

(5) 가장 경제적이고 가장 친환경적이다

 

자원 조건, 특히 토지 점유 측면에서 바이오메스 에너지와 풍력 에너지는 비교적 까다롭지만 태양에너지 활용은 매우 유연하다. 태양광발전에 필요한 토지의 면적이 1이라면 풍력은 태양광 발전의 8~10배, 바이오매스 에너지는 100배이다. 수력발전에 관한 한, 대형 댐 건설은 종종 수십 평방 킬로미터에서 수백 평방 킬로미터의 땅이 물에 잠기게 된다. 이에 비해 태양광 발전은 많은 토지가 필요치 않고 지붕과 벽을 태양광발전의 장소로 사용할 수 있다. 또한 광활한 사막도 태양광 발전 기지로 활용할 수 있으며, 그를 통해 사막화를 줄이는 데도 효과가 있다. 지표면의 직사광선을 직접 낮추어 그 표면 온도를 효과적으로 낮추고 증발량을 감소시켜 식물의 생존과 성장을 가능하게 하고 사구를 안정화하고 감소시키는 역할을 할 수 있다. 이처럼 태양에너지는 대자연에 요구되는 깨끗하고 재생 가능한 에너지원이다.

 

(6) 이용 비용이 무료이며 이송수단이 필요 없다.

 

인간은 특별한 기술과 장비를 통해 태양광 에너지를 열이나 전기로 변환할 수 있고, 인간의 이익을 위해 운송 없이 그 자리에서 사용할 수 있다. 그리고 무진장한 에너지원인 태양에너지의 사용은 그 비용도 무료이다. 위도와 기후 조건의 차이로 인해 일사량이 균일하지 않지만, 다른 에너지원에 비해 태양에너지는 지구 대부분의 지역에서 보편적인 이용이 가능하다. 특히 전통적 에너지가 부족한 국가나 지역에서 그 에너지원 문제를 해결하는데 밝은 전망을 제공해 준다.

 

*芝雲 씀(김포시에협)