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태양광에너지
태양광에너지는 태양으로부터 얻은 빛을 에너지로 활용하는 방식이다. 태양의 빛에너지를 광전효과를 이용하여 전기에너지로 바꿔주는 태양전지를 이용한 에너지를 말한다. 태양에너지는 크게 태양광과 태양열로 구분되는데, 태양열을 난방에 직접 이용하는 태양열발전 기술에서 좀 더 발전된 방식이다. 장점으로는 환경친화적, 필요한 전기량의 생산 조절이 가능하다는 점 등이다. 단점은 초기투자비 및 발전단가가 높다는 것 등이다.
목차
태양광에너지 시스템
태양 빛을 전기 에너지로 바꿔 활용하는 태양광에너지 산업 시스템은 크게 태양전지(Sola cell), 모듈(module), 시스템(System)으로 구성되어 있다. 이 세 가지가 각자의 역할을 수행하여 태양에너지를 전기로 사용할 수 있게 된다.
태양전지
태양전지는 햇빛을 전기에너지로 변환 시켜주는 역할을 수행한다. 태양전지는 직접 태양 빛을 받아 전기 에너지로 변환하기 때문에 세 가지 시스템에서 가장 중요한 역할을 하고 있다.
태양전지는 만들어지는 재료에 따라 실리콘 반도체와 화합물 반도체로 나뉘게 된다. 현재 대부분 태양광 산업에서 이용하고 있는 것은 실리콘 계열의 반도체로 이루어진 태양전지이다. 실리콘 계열의 반도체로 만들어지는 태양전지는 전기적 성질이 다른 반도체를 접합시켜 만들기 때문에 태양광을 전기로 변환시키는데 매우 효율적이다.
이 중 최근 주목 받는 것이 에너지 변환 효율성이 가장 높은 '실리콘 태양전지'이다.
실리콘 태양전지
실리콘 태양전지는 실리콘 소재로 만든 반도체가 태양광을 에너지로 변환하는 구성품이다. 실리콘 태양 전지는 크게 'P형 반도체와 N형 반도체', '반사 방지막', '전극 으로 나뉜다. 먼저 N형 반도체와 P형 반도체는 태양에너지를 전기 에너지로 변환 시켜주는 역할을 하고 있다. 이러한 반도체들 모두 실리콘으로 만들어지고 있기 때문에, 실리콘 계열의 태양전지라는 명칭을 얻게 된 것이다.
반사 방지막은 태양광의 반사를 막아주는 역할을 한다. 예를 들면, 검은 색 천으로 감싸 놓은 얼음이 태양빛에 빨리 녹는 것과 같다. 반사 방지막은 태양전지가 흡수한 태양광이 반사되어 새어나가지 않도록 필요한 태양에너지를 흡수하고, 필요 없는 빛은 반사하는 역할을 한다.
마지막으로 '전극'은 P반도체와 N 반도체에서 만들어낸 전기에너지를 이동시켜 주는 역할을 한다. 반도체가 변환한 태양광에너지를 시스템으로 보내주는 전극이 없다면, 전기 에너지는 저장되지 않고 모두 열이 되어 날아가기 때문에 전극의 역할 또한 매우 중요하다고 할 수 있다.
이렇듯 작은 실리콘 태양전지를 구성하는 요소에도 다양한 역할과 원리가 들어 있다. 재미있는 것은 이러한 실리콘 태양전지에도 다양한 종류가 있다.
실리콘 계열의 태양 전지는 결정성에 따라 단결정 태양전지와 다결정 태양전지로 종류가 나누어진다. 여기에서 결정성은 '물질의 입자가 규칙을 갖고 배열하고 있는 형태를 나타내는 기준'이 된다. 우리 눈에 보이는 모든 고체는 결정을 갖고 있는데, 이는 보이지 않는 수많은 원자들이 모여 있는 형태이다. 이러한 결정의 방향이 고체 전체에 균일한 방향으로 배열 되어 있는 경우를 단결정이라 하고, 전체적으로 다양한 방향으로 배열되어 있는 것을 다결정이라 한다.
실리콘 태양전지에서 결정성의 차이는 태양에너지를 받아 전기 에너지로 변환 할 때 효율성을 결정 짓는다. 단결정의 경우 효율은 높지만, 가격이 높다는 특징이 있고, 다결정의 경우 효율은 떨어지지만 가격이 저렴한 특징을 가지게 된다. 같은 실리콘이어도 균일한 규칙과 방향의 단결정을 만들기 어렵기 때문에 이러한 특징이 생긴다고 한다.
모듈
모듈은 작은 크기의 태양전지를 직렬과 병렬로 연결하여 만들어진다. 태양전지는 매우 얇고, 강도가 약해 파손되기 쉬운 성질을 띄고 있는 이를 연결하여 견고한 프레임으로 보호하고, 회로를 연결시켜 '태양전지 판' 형태로 만든 것이 모듈이다.
모듈은 태양전지가 태양광을 전기 에너지로 바꿔주면, 이를 적절한 전압과 전류로 바꿔 한 곳에 모아주는 역할을 수행한다. 수많은 태양전지가 생성하는 전기 에너지를 회로에서 제어하여 시스템으로 보낼 수 있도록 만든다. 이러한 모듈은 가정이나, 공장 등 사용처에 따라 휘어지는 '플렉시블 모듈', '지붕형 모듈' 등 다양한 형태로 사용되고 있다.
시스템
시스템은 모듈을 통해 얻게 된 전기 에너지를 저장고에 보관하고, 사용할 수 있게 변환, 제어하여 보내주는 역할을 수행한다. 시스템의 저장고 중 가장 흔히 쓰이는 것은 축전지인데 이는 낮에 변환한 태양광에너지를 보관하여 태양광이 없는 저녁에도 사용할 수 있도록 저장하는 역할을 수행한다.
보통 태양광에너지를 통해 얻을 수 있는 에너지는 직류 형태의 전기에너지이다. 하지만, 우리 생활에서 사용하는 전기에너지는 교류 형태의 에너지인데 시스템은 이러한 직류 형태의 전기를 교류 형태로 변환하는 역할도 동시에 수행하고 있다. 이렇게 바뀐 에너지를 가전제품 등에서 사용할 수 있게 되는 것이다.
태양광에너지 작동원리
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태양광에너지는 태양전지를 이용해 태양빛을 에너지로 바꾼다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지이다. 반도체 pn 접합을 사용한 것으로 pn 접합은 전기적으로 성질이 다른 N형의 반도체와 P형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있고, 이 반도체의 경계 부분을 pn 접합이라고 부른다. 이러한 태양전지에 태양빛이 닿아 태양전지 속으로 빛이 흡수되면, 이 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체 안에서 (+)와 (-)의 전기를 갖는 입자와 전자가 발생한다. (-)는 N형 반도체 쪽으로 모이고, (+)는 P형 반도체 쪽으로 모이게 되는데, 이때 *전위가 발생한다. 이러한 이유로 인해 앞면과 뒷면을 붙여 만들어진 전극(전기가 드나드는 곳)에 전구와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 된다.
실리콘 태양전지의 내부 가운데에는 N형 반도체와 P형 반도체가 자리잡고 있다. 조금 더 살펴보면, N형 반도체에는 전자가 많은 것을 볼 수 있고, P형 반도체는 정공이 많다는 것을 알 수 있다. 반도체에서는 전자와 정공이 움직여야 에너지가 발생되지만 태양 빛이 비추기 전까지는 전자와 정공이 움직이지 않고, 전기 에너지 또한 발생하지 않는다.
오른쪽 그림은 태양 빛이 실리콘 태양전지를 비추게 되었을 때의 모습이다. 태양광으로부터 에너지가 들어오면, P층과 N층의 접합부분에서 생긴 전자와 정공이 움직일 수 있는 상태가 된다. 즉 전기 에너지가 생길 수 있는 조건이 되었다는 것이다. 하지만, P층과 N층에 있는 전자와 정공이 완벽히 분리되며 움직여야 전기 에너지가 생기게 된다. 때문에 P층과 N층을 +(플러스)와 –(마이너스)로 분류하는 과정이 필요하게 된다.
이제 태양전지의 전기 에너지 생성 원리의 마지막 단계이다. 전자와 정공이 움직일 수 있는 상태에서 완벽한 분리를 위해 P층과 N층을 붙이는 과정을 추가 하면 된다.
그림을 보면 보라색 부분이 N층이고, P층은 파란색을 나타낸다. P층과 N층을 붙이게 되면 접합 부분에서 N층에는 플러스, P층에서는 마이너스 성질이 생기게 된다. 이때 파란색에 있던 전자는 보라색으로 넘어가게 되고 보라색에 있던 정공은 파란색으로 규칙성 있게 넘어간다. 이러한 과정을 거쳐 N층에는 움직일 수 있는 전자만 모이고, P층에는 정공만 모이게 된다. 이를 회로에 연결하면 전기에너지로 바뀌는 것이다.
이렇듯 실리콘 태양전지에서 변환된 직류 전기 에너지는 전류의 양이 매우 적다. 때문에 모듈을 통해 규모를 늘리고, 시스템에 보낼 전기의 양을 조절해야 한다. 이를 시스템에서 교류 형태의 에너지로 바꿔 실생활에서 사용할 수 있는 전기 에너지가 되는 것이다.
태양광에너지 적용사례
태양광에너지가 실생활에 적용된 사례에는 태양광 벤치와 발전 가로등이 있다. 태양광 벤치는 일반 야외용 벤치에 태양광을 접목한 벤치로 자가발전을 이용해 LED 조명등과 스마트폰 충전기 등을 제공한다. 태양광 발전 가로등 또한 그늘과 벤치를 제공하고 핸드폰 충전이 가능하다. 이외에도 여수에서는 사물인터넷 기술과 태양광 기술을 합해 일정 온도와 시간, 풍속 등에 따라 자동으로 접히고 펴지는 스마트 그늘막이 설치되었다. 기존 수동식 그늘막과 달리 갑작스러운 기상 상황에도 신속한 대처가 가능하고 별도의 인력없이도 즉각적으로 피고, 접는 것이 가능하다는 장점이 있다.
국내 태양광에너지 발전현황
2019년 국내 신재생에너지 설비용량은 15,791MW (15.8GW)이다. 이는 재생에너지 3020 이행 계획이 발표된 2017년 대비 5GW 가까이 증가한 수치이다. 전체 신재생에너지 설비용량을 태양광, 풍력, 일반 수력, 바이오 등 에너지원별로 나누어 살펴봤을 때 태양광에너지는 67%로 가장 높은 수치를 나타냈다. 또한, 2020년 정부에서 녹색도시 전환, 제로에너지빌딩, 신재생에너지 보급 확대 드의 그린 뉴딜 정책을 발표하였는데, 이러한 정책에 태양광 산업이 많이 활용될 것으로 예상되어 태양광에너지가 더욱 주목받고 있다.
소형 한국형 FIT 제도
소형 한국형 FIT제도는 한국형 발전차액지원제도(FIT)로 소규모 태양광 발전사업자의 안정적인 수익 창출과 전기 판매절차의 편의성을 제고하기 위해 도입한 것이다. 전년도 고정가격계약 경쟁 입찰 평균가 중 가장 높은 가격으로 산정된 고정가격으로 6개의 공급의무자(한수원, 남동발전, 중부발전, 서부발전, 남부발전, 동서발전)와 20년간 거래할 수 있는 제도이다.
참여대상은 다음과 같다.
- 30kW 미만 소규모 발전사업자 = 누구나 참여 가능
- 30kW 이상 100kW 미만 = 농·축산·어업인, 협동조합
