태양광발전
太陽光 發電 (태양광 발전)은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다.
기본 원리는 半導體(반도체) pn 接合(접합)으로 구성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 照射(조사)되면
光(광)에너지에 의한 電子(전자)-陽孔(양공) 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러
전류가 흐르게 되는 光起電力 效果(광기전력 효과;photovoltaic effect)에 의해 起電力(기전력)이 발생하여
외부에 접속된 負荷(부하)에 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 直(직)·竝列(병렬) 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조의
만들어진 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화 된다.
그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니
라 日射量(일사량)의 강도에 따라 균일하지 않은 直流(직류)가 발생한다.
따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연
결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직·
교류 변환장치(inverter)등의 주변장치로 구성된다.
태양광발전의 일반적인 특성
- 무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며,
- 발전 부위가 반도체 素子(소자)이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며,
- 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 半(반)자동화 또는 자동화시키기에 용이하며,
운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화 할 수 있는 장점을 지니고 있다.
그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에
비하여 발전 단가가 높고, 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비
보완이 필요한 단점이 있다. 이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은
기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 가격은 태양광 발전의
보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.
미국 은 태양광 발전을 인공위성의 電源(전원)으로 1960년대부터 이용해 왔는데 지상용 태양광 발전시스템의
실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 수립하여 기술개발을 추진해오고
있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병해하여 태양전지의 저가
제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업
화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA
(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 태양광 발전기술을 건물에 적용하기 위한 PV:BONUS 계획
이 동시에 추진되고 있다. 또한 개발된 제조기술을 상업화하기 위하여 관련 제조업체들로 구성된
Photovoltaic Utility Group이 주관하는 TEAM-UP(Technical Experience to Accelerant Market) Project도 추
진되고 있다.
한편日本은 1974년에 태양광발전기술을 개발하기 위한 국가 주도의 Sunshine Project를 수립하여 추진하였
으며, 1980년에는 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization, 新(신) 에너지
기술종합개발기구)를 설립함으로써 본격적인 태양광 발전 기술의 개발에 착수하였다. 이와 함께 1987년에는
기업과 연구기관 등으로 태양광발전회(JPEA, Japan Photovoltaic Energy Association)를 구성하여 기술 및
시장에 관한 정보교환과 공동연구를 수행하고 있다.
1990년에는 24개 기업과 2개 단체로 태양광발전 기술연구조합(PVTEC, Photovoltaic Power Generation
Technology Research Association)이 결성됨에 따라 정부와 기업 및 연구소의 상호 협력뿐만 아니라, 대민
홍보와 연구개발의 기능을 수행하고 있다. 특히 1993년에는 경제성장, 에너지, 환경보전에 대한 균형있는 대
책과 종합적인 기술개발을 위하여 기존의 Sunshine Project, Moonlight Project 및 지구환경 기술개발 계획을
통합한 New Sunshine Program(에너지 환경 영역 종합 기술개발 추진계힉)을 수립하여 체계화하였다. 1999
년부터는 환경을 보호하고 대체에너지의 보급을 촉진한다는 뜻에서 이러한 시스템을 설치할 경우 반액을 국
가에서 지원하고 있다.
유럽공동체(EC)의 태양광 발전 기술개발은 비록 소규모이기는 하나 1975년 이후 꾸준히 계속되고 있다.
1989년부터는 1차 3년 3개월의 계획기간을 가진 Non-Nuclear Energy Program JOULE(Joint Opportunities
for Unconventional or Longterm Energy Supply)계획을 수립하여 태양광발전 기술의 연구개발을 계속 추진
하고 있다.
이 계획의 2000년까지의 모듈 가격 목표는 1 ECU/Wp이며, 1994년까지의 JOULEⅡ 계획은 상업화를 목적으
로 多結晶(다결정) 硅素(규소) 태양전지 제조기술개발과 태양광발전 시스템에 대한 연구에 중점을 두고 있다.
또한 低價(저가)의 薄膜(박막) 태양전지를 개발, 실용화하기 위한 목적으로 EUROCIS 컨소시움을 구성하여
독일을 中心으로 CuInSe2태양전지 연구에 주력하여 괄목할 만한 성과를 얻고 있다.
이와는 별도로 유럽 각국은 자체적인 장기계획에 의해 태양광발전 기술개발을 추진하고 있으며, 독일의 소규
모 태양광 발전 시스템의 실증 실험 및 개인 주택에의 실용화 보급을 위한 '2250 Roofs Project, 이탈리아의
100kW급 태양광 발전 시스템의 표준화 및 보급을 위한 PLUG Project, 스위스의 MW House Project 및 프랑
스의 PV 20 Project 가 진행되고 있다.
태양광 발전 기술의 실용화를 위해서는 상용 전력과 경쟁이 가능한 발전 단가 수준의 태양전지를 대량생산하
고, 동시에 신뢰성과 이용효율이 높은 시스템을 개발하여야 하므로 2000년대 초까지 1 $/Wp의 모듈 가격과
5-6 ￠/kWh의 발전단가 실현을 개발목표로 설정하고 있다. 그러나 현재의 태양전지 가격은$ 4.5-5.5 /Wp 수
준이므로 새로운 高效率(고효율) 박막 태양전지재료의 개발에 치중하고 있으며, 응용제품의 다양화뿐만 아니
라 응용분야를 확대하기 위한 이용기술, 시스템의 신뢰성 향상과 최적화를 위한 실증 실험, 그리고 측정 및 평
가기술 개발도 각국에서 활발히 진행되고 있다. 또한 미래의 태양광 발전은 우주공간에서의 태양광 발전과
microwave 送電(송전;SPS), 사막 지대의 대규모 태양광발전에 의한 超傳導(초전도) 송전 또는 水素(수소) 생
산 이용 등이 구상되고 있으며, Zero energy 개념의 지하공간, 또는 해상 구조물 전원으로서의 이용도 검토되
고 있다.
국내의 태양광발전 기술개발은 結晶質(결정질) 규소 태양전지와 주변장치의 국산화와 이용 기술의 개발을 실
현하고, 저렴한 가격의 고효율 박막 태양전지의 기초기술의 확보와 주변 장치의 저가화와 신뢰도를 확립함으
로써 실용화의 기반을 구축하였으며, 향후 박막 태양전지의 상용화와 응용기술의 저변 확대를 통한 태양전지
보급확대와 태양광발전 시스템의 실용화를 목표로 설정하고 있다. 한국에너지기술연구소는 그동안 代替(대
체) 에너지 기술개발사업에 주도적으로 참여하여 많은 성과를 거두고 있다.
태양열 발전 시스템
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태양은 지구의 1백9배크기로 이곳으로부터 1억5천만km떨어진곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기
체덩어리로서 초당 3.8 x 10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다. 지구는 태양으로부터 지
표면 1m2당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양자신
이 방사하는 에너지량의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2 x 1014kW)은 전 인류의 소비에너지량(1.2 x 1010kW)
의 약 1만배에 달하는 것이다.
아직까지 전세계적으로 태양 에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집
열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득
방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다. 그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10
MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000
년대에는 가장 강력한 태양 에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.
태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(central receiver solar thermal electric
power system)과 분산형 시스템(distributed solar thermal electric power system)과 독립형 시스템으로 구
분된다. 중앙 집중형 시스템은 태양 추적 장치(heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태
양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생
시켜 전기를 얻는 방식이다.
집광비는 1000 정도이며 증기 터어빈은 약 600 ℃로 운전된다. 분산형 시스템은 선초점형이나 접시형 등 집광
집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관내를 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를
이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다. 독립형 시스템(stand-alone system)은
앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25 kWp 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원
으로 이용되는 것을 말한다. 또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이도 구분하기도 한다.
<소규모 태양열 발전 시스템>
수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발
전 시스템보다 경제성이 없다.
<중규모 태양열 발전 시스템>
수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특
수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.
<대규모 태양열 발전 시스템>
수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십
MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상
태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(solar
electric generating system, Luz사에서 건설)을 들 수 있다.
태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며
2000년대 초에는 10 ￠/㎾h 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부
하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000 $/kWP 정도에
서 2000년경에는 1,000 $/kWP 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.
이발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채
택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다. 태양열 발전
시스템의 요체라고 할수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스
템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규
모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.
태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 'Solar Thermal
Electric Program'을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과
Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사
경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다. 이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에
는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40 $/㎡ 선에 이
르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.
우리나라에서는 이러한 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의
제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰
청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높
다.