태양광 발전

태양광 발전

태양광 발전(PV)은 태양광 에너지를 태양광 효과를 나타내는 반도체를 이용하여 직류 전력으로 변환하여 전력을 생산하는 방식입니다. 태양광 발전은 재생 가능하고 지속 가능한 에너지원입니다. 태양광 발전은 현재 전 세계적으로 설치된 용량 측면에서 수력 및 풍력 다음으로 세 번째로 중요한 재생 에너지원입니다. 과학자들에 의해 광전지라고도 불리는 태양 전지는 태양 에너지를 전기로 직접 변환합니다. PV는 빛(광자)을 전기(전압)로 변환하는 과정에서 이름을 얻었으며 이를 '태양광(PV) 효과'라고 합니다. PV 효과는 전자의 광자를 더 높은 에너지 상태로 여기시켜 전류의 전하 캐리어 역할을 할 수 있게 하는 광자를 말합니다. PV 효과는 1839년 Alexandre-Edmond Bequerel에 의해 처음 관찰되었습니다. 광전지라는 용어는 장치를 통과하는 전류가 전적으로 변환된 빛 에너지에 기인하는 광다이오드의 바이어스되지 않은 작동 모드를 나타냅니다. 거의 모든 광전지 장치는 일종의 광 다이오드입니다. 실리콘(모래에서 발견되는 원소)의 PV 효과는 1954년 Bell Telephone의 과학자들이 실리콘이 햇빛에 노출될 때 전하를 생성한다는 것을 발견했을 때 발견되었습니다.

태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원입니다. PV 전지에서 태양 에너지를 전력으로 직접 변환하는 것은 세 가지 태양열 능동 기술 중 하나입니다. 나머지 두 가지 기술은 '집중형 태양열 발전(CSP)'과 '냉난방용 태양열 집열기(HSC)'다. 오늘날 PV는 전 세계 총 에너지 생산의 0.1% 이상을 제공합니다. 장래가 촉망되는 곳이기도 합니다. 전 세계 PV 용량은 2000년 이후 연평균 40% 이상의 성장률로 증가하고 있으며 향후 몇 년 동안 장기적인 성장 잠재력이 상당합니다. 태양광 발전은 상업적으로 이용 가능한 안정적인 발전 기술입니다. 태양광 발전은 온실 가스 배출을 크게 줄이는 데 기여할 뿐만 아니라 에너지 공급의 안정성과 사회경제적 발전 측면에서 이점을 제공합니다. 재생 에너지 원에 대한 수요가 증가함에 따라 최근 몇 년 동안 태양 전지 및 태양광의 제조가 상당히 발전했습니다.

태양 전지는 장비에 전력을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있는 태양광에서 직류 전기를 생산합니다. 태양광 발전의 첫 번째 실제 적용은 궤도를 도는 위성 및 기타 우주선에 전력을 공급하는 것이었지만 오늘날 대부분의 태양광 모듈은 그리드 연결 발전에 사용됩니다. 이 경우 인버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 데 사용됩니다.

발전에 사용되는 태양 전지판은 일반적으로 약 40개의 전지를 수용하는 모듈로 결합된 태양 전지로 만들어집니다. 많은 태양 전지판을 결합하여 태양열 어레이라고 하는 시스템을 만듭니다. 구리 태양광 케이블은 모듈(모듈 케이블), 어레이(어레이 케이블), 하위 필드를 연결합니다. 일반적인 건물은 전력 수요를 충족하기 위해 약 10-20개의 태양 전지판을 사용합니다. 대규모 전기 유틸리티 또는 산업용 애플리케이션의 경우 수백 개의 태양열 어레이가 상호 연결되어 대규모 유틸리티 규모의 PV 시스템을 형성합니다.

최고의 성능을 위해 태양광 패널은 더 높은 발전을 위해 태양을 마주하는 시간을 최대화하는 것을 목표로 합니다. 태양 추적기는 태양을 따라 PV 패널을 이동하여 이를 달성합니다. 이렇게 하면 대부분의 햇빛을 캡처할 수 있습니다. 겨울에는 최대 20%, 여름에는 최대 50%까지 증가할 수 있습니다. 고정 장착 시스템은 태양 경로를 분석하여 최적화할 수 있습니다. 패널은 종종 위도와 동일한 각도인 위도 기울기로 설정되지만 여름 시즌과 겨울 시즌에 대한 각도를 조정하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 다른 반도체 장치와 마찬가지로 실온보다 높은 온도는 태양광 전지의 성능을 저하시킵니다.

태양 전지는 반도체 재료 층으로 구성됩니다. 빛이 세포에 비치면 층 전체에 전기장을 생성하여 전기가 흐릅니다. 빛의 강도가 클수록 전기의 흐름이 커집니다. 그러나 PV 시스템은 흐린 날에도 전기를 생산할 수 있습니다. 작동하기 위해 밝은 햇빛이 필요하지 않습니다. 태양 전지의 성능은 햇빛을 전기로 바꾸는 효율로 측정됩니다. 효율이 12.5%인 태양광 모듈은 모듈에 닿는 햇빛의 8분의 1을 전기로 변환한다는 의미입니다.

태양광 발전 용량은 'Wp'(와트 피크)의 표준화된 테스트 조건(STC)에서 최대 전력 출력으로 측정됩니다. 특정 시점의 실제 전력 출력은 지리적 위치, 시간, 기상 조건 및 기타 요인에 따라 이 표준화된 또는 '정격' 값보다 작거나 클 수 있습니다. 태양광 발전 어레이의 PLF(발전소 부하 계수)는 일반적으로 25% 미만으로, 이는 다른 많은 산업 전력 공급원보다 낮습니다.

태양광 PV 전지

전통적인 태양 전지는 실리콘으로 만들어집니다. 그들은 일반적으로 평판이며 일반적으로 가장 효율적입니다. 세포는 환경으로부터 보호되어야 하며 일반적으로 유리 시트 뒤에 단단히 포장됩니다. 태양광 기술은 다음과 같은 유형의 태양 전지를 사용합니다.

• 결정질 실리콘 태양 전지 – 가장 효율적인 태양 전지이며 '태양광 등급 실리콘'으로 만들어집니다. 이 기술은 가장 먼저 개발되었으며 오늘날 태양 전지판의 대부분의 응용 분야를 대표합니다. 셀은 실리콘 단결정(단결정 실리콘 c-Si) 또는 실리콘 결정 블록(폴리 또는 다결정 실리콘 폴리-Si 또는 mc-Si)에서 절단된 얇은 슬라이스(웨이퍼)로 만들어집니다. 단결정 웨이퍼 셀은 원통형 잉곳에서 절단되기 때문에 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 정제된 실리콘의 상당한 낭비 없이는 정사각형 태양 전지 모듈을 완전히 덮을 수 없습니다. 일반적으로 단결정으로 만들어진 세포의 네 모서리에는 덮이지 않은 틈이 있습니다. 폴리 또는 다결정 실리콘 셀은 주의 깊게 냉각되고 응고된 용융 실리콘의 큰 블록인 캐스트 정사각형 잉곳으로 만들어집니다. 폴리실리콘 전지는 단결정 실리콘 전지보다 생산 비용이 저렴하지만 효율성은 떨어집니다.
• 박막 태양 전지 – 이들은 2세대 태양 전지로 유리, 스테인리스 스틸 또는 플라스틱과 같은 저렴한 지지대에 감광성 물질을 극도로 얇게 증착하여 만듭니다. 사용된 감광성 재료는 비정질 실리콘 및 카드뮴 텔루라이드(Cd-Te), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드/황화물(CIGS)과 같은 비실리콘 재료입니다. 박막 태양 전지는 불과 몇 마이크로미터 두께의 반도체 재료 층을 사용합니다. 낮은 생산 비용은 이 기술의 낮은 효율성을 상쇄합니다. 그들은 유연성, 더 가벼운 무게, 통합의 용이함을 포함한 더 낮은 비용과 이점으로 인해 웨이퍼 실리콘에 비해 대중화되었습니다. 일반적인 박막 제조 공정은 (i) 투명 전도층으로 기판 코팅, (ii) 화학/물리 증착과 같은 다양한 기술에 의한 활성층 증착, (iii) 레이저를 사용한 후면 금속화(접촉)를 포함합니다. 스크라이빙 또는 전통적인 스크린 인쇄, 및 (iv) 유리 폴리머 케이스의 캡슐화. 롤투롤 기술은 생산 시간과 비용을 줄이기 위해 유연한 기판과 함께 사용되는 경우가 많습니다.

• 기타 전지 유형 – 여러 다른 유형의 PV 기술이 현재 개발 중이거나 상용화를 시작하고 있습니다. 이들은 기존의 인쇄기 기술을 사용하는 태양열 잉크, 태양열 염료 및 전도성 플라스틱을 비롯한 다양한 신소재로 만들어지는 3세대 태양 전지입니다. 일부 새로운 태양 전지는 플라스틱 렌즈 또는 거울을 사용하여 태양광을 고효율 PV 재료의 아주 작은 조각에 집중시킵니다. PV 재료는 더 비싸지 만 거의 필요하지 않기 때문에 이러한 시스템은 유틸리티 및 산업에서 사용하기에 비용 효율적입니다. 그러나 렌즈는 태양을 향해야 하므로 집광 장치의 사용은 가장 햇볕이 잘 드는 부분으로 제한됩니다.

다른 기술의 변환 효율은 표 1에 나와 있습니다. 태양광 PV 전지의 수명은 25년입니다. 그러나 효율성과 발전은 시간이 지남에 따라 저하됩니다. 악화는 처음 10년 동안 10%이고 다음 15년 동안 10%입니다.

태양광 발전의 응용

태양광 발전 시스템은 옥상에 설치하거나 지상에 설치할 수 있습니다. 이들은 계통 연결 발전소이거나 계통 외부 시스템일 수 있습니다. 그리드에 연결하면 생산된 잉여 전력을 그리드로 전송하고 태양이 없어 전력이 생산되지 않을 때 전력을 가져올 수 있습니다. 오프 그리드 시스템은 원격 지역에 전기를 공급합니다. 오프 그리드 시스템은 농촌 전화에도 사용할 수 있습니다. 태양광 PV는 소비재에도 사용할 수 있습니다. 태양광 PV 발전소의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 태양광 발전소 개략도

태양광 발전의 장점

• 지표면에 도달하는 햇빛은 풍부하며 세계 1차 에너지원이 될 가능성이 있습니다.
• 태양광 발전은 사용 중 무공해입니다.
• PV 설치는 유지 관리가 거의 필요하지 않고 수명이 깁니다.
• PV 설치의 운영 비용이 매우 낮습니다.
• 그리드 연결 태양열 전기는 지역에서 사용할 수 있으므로 송배전 손실을 줄일 수 있습니다.

태양광 발전의 단점

• 초기 투자가 많습니다.
• 큰 공간이 필요함
• 햇빛이 없으면 발전이 없습니다
• 그리드 연결 발전소의 최대 발전소 크기는 10MW로 제한됩니다.






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