태양광 발전: 지속 가능한 미래를 위한 청정하고 신뢰할 수 있는 에너지

태양광 발전

태양광(PV) 발전은 반도체의 광전 효과를 이용해 태양 복사 에너지를 직류 전력으로 변환하여 전기를 생성하는 방식입니다. 태양광 발전은 재생 가능하고 지속 가능한 에너지원입니다. 전 세계 설치 용량 기준으로 수력과 풍력에 이어 세 번째로 중요한 재생 에너지원입니다. 과학자들이 광전지(photovoltaic cells)라고 부르는 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기로 변환합니다. PV라는 이름은 빛(광자)을 전기(전압)로 변환하는 과정인 '광전 효과(photovoltaic effect)'에서 유래했습니다. 광전 효과는 빛의 광자가 전자를 더 높은 에너지 상태로 들뜨게 하여 전하 운반체로 작용하게 하여 전류를 흐르게 하는 현상을 말합니다. 광전 효과는 1839년 알렉상드르-에드몽 베크렐(Alexandre-Edmond Becquerel)에 의해 처음 관찰되었습니다. '광전지(photovoltaic)'라는 용어는 포토다이오드의 편향 없는 동작 모드를 나타내며, 이때 소자를 흐르는 전류는 전적으로 변환된 빛 에너지에 기인합니다. 거의 모든 광전 소자는 어떤 형태의 포토다이오드입니다. 모래에서 발견되는 원소인 실리콘의 광전 효과는 1954년 벨 전화 연구소 과학자들이 햇빛에 노출된 실리콘이 전하를 생성한다는 것을 발견하면서 밝혀졌습니다.

태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원입니다. 태양 에너지를 PV 셀에서 직접 전력으로 변환하는 것은 세 가지 태양 능동 기술 중 하나입니다. 나머지 두 기술은 '집광형 태양열 발전(CSP)'과 '난방 및 냉방용 태양열 집열기(HSC)'입니다. 오늘날 PV는 전 세계 총 에너지 생산의 0.1% 이상을 제공합니다. 또한 유망한 미래를 가지고 있습니다. 전 세계 PV 용량은 2000년 이후 연평균 40% 이상의 성장률로 증가하고 있으며, 향후 수년간 상당한 장기 성장 잠재력을 가지고 있습니다. 태양광 발전은 상용화된 신뢰할 수 있는 발전 기술입니다. 태양광 발전은 온실가스 배출을 크게 줄이는 데 기여할 뿐만 아니라, 에너지 공급 안보와 사회경제적 발전 측면에서도 이점을 제공합니다. 재생 에너지원에 대한 수요 증가로 인해 태양전지와 광전지 제조 기술이 최근 몇 년간 상당히 발전했습니다.

태양전지는 햇빛으로부터 직류 전기를 생산하여 장비에 전력을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있습니다. 광전지의 첫 실용적 응용은 궤도 위성과 우주선에 전력을 공급하는 것이었지만, 오늘날 대부분의 광전지 모듈은 계통 연계 발전에 사용됩니다. 이 경우 인버터를 사용해 직류(DC)를 교류(AC)로 변환합니다.

발전용 태양광 패널은 일반적으로 약 40개의 셀을 담는 모듈로 결합된 태양전지로 만들어집니다. 많은 태양광 패널을 결합해 시스템을 만들면 이를 태양광 어레이(solar array)라고 합니다. 구리 태양광 케이블이 모듈(모듈 케이블), 어레이(어레이 케이블), 서브 필드를 연결합니다. 일반적인 건물은 약 10~20개의 태양광 패널로 전력 수요를 충족합니다. 대형 전력회사나 산업용 응용 분야에서는 수백 개의 태양광 어레이를 상호 연결해 대규모 유틸리티 규모의 PV 시스템을 구성합니다.

최고의 성능을 위해 태양광 PV 패널은 태양을 향하는 시간을 최대화해 발전을 늘리는 것을 목표로 합니다. 태양 추적기(solar tracker)는 PV 패널을 움직여 해를 따라가게 함으로써 이를 달성합니다. 이를 통해 햇빛을 최대한 포착할 수 있습니다. 겨울에는 최대 20%, 여름에는 최대 50%까지 발전량이 증가할 수 있습니다. 고정식 시스템은 태양 경로 분석으로 최적화할 수 있습니다. 패널은 흔히 위도와 같은 각도인 위도 기울기(latitude tilt)로 설정하지만, 여름과 겨울 계절에 따라 각도를 조정하면 성능을 개선할 수 있습니다. 일반적으로 다른 반도체 소자와 마찬가지로, 실온 이상의 온도에서는 광전지의 성능이 저하됩니다.

태양전지는 반도체 물질의 층으로 구성됩니다. 빛이 셀에 비치면 층 사이에 전기장이 생성되어 전기가 흐르게 됩니다. 빛의 강도가 강할수록 전류 흐름이 커집니다. 그러나 PV 시스템은 흐린 날에도 전기를 생성할 수 있습니다. 밝은 햇빛이 필요하지 않습니다. 태양전지의 성능은 햇빛을 전기로 변환하는 효율로 측정됩니다. 효율 12.5%의 태양광 PV 모듈은 모듈에 입사하는 햇빛의 8분의 1을 전기로 변환한다는 뜻입니다.

광전 발전 용량은 표준 시험 조건(STC)에서의 최대 전력 출력으로 'Wp'(와트 피크) 단위로 측정됩니다. 특정 시점의 실제 출력은 지리적 위치, 시간, 기상 조건 등 여러 요인에 따라 이 표준화된 '정격' 값보다 적거나 클 수 있습니다. 태양광 어레이 플랜트의 부하율(PLF)은 일반적으로 25% 미만으로, 많은 다른 산업용 전원보다 낮습니다.

태양광 PV 셀

전통적인 태양전지는 실리콘으로 만들어집니다. 보통 평판형이며 일반적으로 가장 효율이 높습니다. 셀은 환경으로부터 보호받아야 하므로 보통 유리판 뒤에 단단히 포장됩니다. 광전 기술은 다음과 같은 종류의 태양전지를 사용합니다.

• 결정질 실리콘 태양전지 – 가장 효율이 높은 태양전지로 '태양광급 실리콘'으로 만듭니다. 이 기술이 가장 먼저 개발되어 오늘날 태양광 패널의 대부분을 차지합니다. 셀은 실리콘 단결정(단결정 실리콘 c-Si)에서 자른 얇은 조각(웨이퍼) 또는 실리콘 결정 블록(다결정 또는 멀티 실리콘 poly-Si 또는 mc-Si)에서 만듭니다. 단결정 웨이퍼 셀은 원통형 잉곳에서 잘라내므로 비쌉니다. 정사각형 태양전지 모듈을 완전히 덮지 못해 네 모서리에 미사용 간극이 생기고 정제된 실리콘이 상당히 낭비됩니다. 다결정 또는 멀티 실리콘 셀은 주조된 정사각형 잉곳, 즉 조심스럽게 냉각 고체화된 큰 용융 실리콘 블록에서 만듭니다. Poly-Si 셀은 단결정 실리콘 셀보다 생산 비용이 저렴하지만 효율은 낮습니다.
• 박막 태양전지 – 2세대 태양전지로, 유리, 스테인리스강, 플라스틱 같은 저가 기판에 광감성 물질을 극히 얇은 층으로 증착해 만듭니다. 사용되는 광감성 물질은 비정질 실리콘과 카드뮴 텔루라이드(Cd-Te), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드/설파이드(CIGS) 같은 비실리콘 물질입니다. 박막 태양전지는 몇 마이크로미터 두께의 반도체 물질 층만 사용합니다. 낮은 생산 비용이 이 기술의 낮은 효율을 상쇄합니다. 유연성, 경량, 쉬운 통합 등의 장점으로 웨이퍼 실리콘 대비 인기를 얻고 있습니다. 일반적인 박막 제조 공정은 (i) 투명 전도층으로 기판 코팅, (ii) 화학/물리 기상 증착 등 다양한 기술로 활성층 증착, (iii) 레이저 스크라이빙 또는 전통적 스크린 프린팅으로 백사이드 금속화(접점), (iv) 유리 폴리머 케이스로 캡슐화 단계를 포함합니다. 유연한 기판에는 롤투롤(roll-to-roll) 기법을 흔히 사용해 생산 시간과 비용을 줄입니다.

• 기타 셀 유형 – 오늘날 개발 중이거나 상용화되기 시작한 여러 다른 PV 기술이 있습니다. 이들은 3세대 태양전지로, 태양광 잉크(기존 인쇄 기술 활용), 태양광 염료, 전도성 플라스틱 등 다양한 신소재로 만들어집니다. 일부 신형 태양전지는 플라스틱 렌즈나 거울로 햇빛을 고효율 PV 물질의 아주 작은 조각에 집중시킵니다. PV 물질이 더 비싸지만 아주 적게 필요하므로, 이러한 시스템은 유틸리티와 산업용으로 비용 효과적이 되고 있습니다. 그러나 렌즈가 태양을 향해야 하므로 집광 집열기의 사용은 일조량이 가장 많은 지역으로 제한됩니다.

각 기술의 변환 효율은 표 1에 나와 있습니다. 태양광 PV 셀의 수명은 25년입니다. 그러나 효율과 발전량은 시간이 지남에 따라 저하됩니다. 최초 10년에 10%, 이후 15년에 추가 10% 저하됩니다.

태양광 발전의 응용

태양광 PV 시스템은 지붕에 설치하거나 지상 설치형으로 할 수 있습니다. 이들은 계통 연계 발전소이거나 오프그리드 시스템일 수 있습니다. 계통 연계를 통해 햇빛이 없을 때 전력을 수입하고, 과잉 생산 전력을 계통에 송전할 수 있습니다. 오프그리드 시스템은 외딴 지역에 전기를 공급합니다. 오프그리드 시스템은 농촌 전기화에도 사용됩니다. 태양광 PV는 가전제품에도 사용될 수 있습니다. 태양광 PV 플랜트 개요도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 태양광 PV 플랜트 개요도

태양광 PV 발전의 장점

• 지구 표면에 도달하는 햇빛은 풍부하며 세계 주력 에너지원이 될 잠재력이 있습니다.
• 사용 중 태양광 발전은 오염이 없습니다.
• PV 설비는 수명이 길고 유지보수가 거의 필요 없습니다.
• PV 설비의 운영 비용은 극히 낮습니다.
• 계통 연계 태양광 전기를 현지에서 사용하면 송배전 손실을 줄일 수 있습니다.

태양광 PV 발전의 단점

• 초기 투자 비용이 높습니다.
넓은 공간이 필요합니다.
• 햇빛이 없을 때는 발전을 할 수 없습니다.
• 계통 연계 발전소의 최대 플랜트 규모는 10 MW로 제한됩니다.