태양광 발전의 효율, 그리고 온도와의 관계

태양광 발전의 효율, 그리고 온도와의 관계

 

 태양전지의 효율 계산

 태양광 발전은 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전이다. 그리고 이 발전은 태양전지를 사용한다. 빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지의 가장 핵심은 바로 효율이다. 우리는 서로 다른 태양전지를 비교할 때, 절대적인 기준으로 효율을 이야기한다. 그렇다면, 이 절대적인 기준인 효율은 어떻게 구하는 것일까?

 태양전지의 성능을 판단하는 효율은 태양의 빛에너지를 얼마나 전기에너지로 바꿀 수 있는지를 계산하여 구한다. 효율을 측정하기 위해서는 일정한 빛에너지의 공급과 전환된 전기에너지를 측정하는 장비인 Solar simulator를 사용한다. 이것은 태양빛과 가까운 조명을 제공하여 실내에서 쉽게 빛에너지를 만들어 낼 수 있는 장비이다.

분류	오차 범위
Class A	2%
Class B	5%
Class C	10%

[표 1. Solar simulator 등급 구분]

 오차 범위에 따라 등급이 나누어지며 태양전지 측정의 공인은 Class A등급만을 사용해야 한다. 또한 1sun이라는 태양빛이 1000으로 조사되는 조건과 태양빛과 지표면의 각도에 대한 조건인 대기 질량 정수(air mass 1.5), 그리고 25℃의 온도 조건이 작용된다. 태양빛과 지표면의 각도에 따라 대기를 통과하는 길이가 변화하기 때문이다. 대기를 통과하는 길이에 따라 파장이 변하고 에너지가 변하기 때문에 태양빛과 지표면의 각도는 중요한 요소이다. Solar simulator를 통해 최대한 태양빛과 비슷하게 태양전지에 조사하여 입사한 빛에너지의 양과 출력된 전기에너지 관계로 수치로 계산하여 사용한다. 이렇게 얻은 효율을 정확한 명칭으로는 태양전지의 변환효율이라 말한다.

[그림 1. 태양전지 효율 계산식]

 

 그럼 정량적인 효율 측정은 어떻게 할까?

 빛에너지를 받아 출력되는 전류에 전압을 변화하여 흘려주면서 전류의 양을 측정한다. 그러면 전류와 전압 사이의 관계를 그래프 그릴 수 있는데, 이 그래프를 I-V 곡선이라고 부른다. 또는 태양전지의 단위 면적에 대한 효율이므로, 전류 밀도와 전압 사이의 관계의 그래프가 그려질 수 있다. 이 그래프는 J-V 곡선이라고 부른다.(대부분 J-V 곡선이 그려진다.) 그리고 이 곡선을 통해 전력 (전류 X 전압=전력) 을 표현할 수 있다.

[그림 2. Solar simulator를 통해 얻은 J-V 곡선]

 계산식을 통해 최대 전력을 구하고, 구한 최대 전력을 다시 입사된 빛에너지로 나눈 것이 효율이다.

 태양전지의 성능을 비교하는 기준인 효율은 위와 같은 방법으로 계산이 되고 있다. 효율이 명시되어 있지 않은 태양전지라도 전기적 사양만 알면 쉽게 효율을 구하고 비교할 수 있다.

[그림 3. 태양전지의 전기적 사양]

출처 : 솔라센터

 

 태양전지 효율과 온도의 관계

 빛에너지를 이용하는 태양광 발전의 성질 때문에, 많은 사람들이 태양빛이 강한 여름에 태양광발전 효율이 가장 높다고 생각할 것이다. 하지만 이것은 잘못된 사실이다.

[그림 4. 영암군 태양광 발전소 발전량]

출처: '날씨맑음' 태양광 정보 사이트

 실제로 전남 영암군에 운영 중인 99kw 급 발전소의 발전량을 나타낸 자료이다. 그래프를 보면 여름인 6,7,8월보다 봄인 3,4,5월의 발전량이 평균적으로 높은 걸 볼 수 있다. 가장 해가 오래 떠있는 여름이 아닌 봄이 발전량이 가장 많은 이유는 바로 온도 때문이다.

[그림 5. 온도에 따른 태양광발전효율]

출처: '행복한 지구 사람[행복지구]' 티스토리 블로그

 태양광발전의 발전량은 전압과 전류를 통해 구할 수가 있다. 이때 태양광모듈의 전압에 영향을 주는 요소는 온도이며 전류에 영향을 주는 요소는 일사량이다. 모듈회사마다 다르겠지만 태양전지의 온도가 25℃가 넘어가는 순간부터 1℃ 당 0.5%의 효율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이렇듯 태양광발전은 일조량 및 주변 온도의 영향을 많이 받는다. 따라서 여름이 일조량을 많이 받기는 하지만 주변 온도의 영향으로 인해 발전량이 떨어지는 것이다.

 

 국내 태양전지 효율 향상을 위한 방안

 위 내용처럼 태양전지는 높은 온도에 취약한 문제를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 국내에서 어떤 방안을 시도하고 있는지 알아보겠다.

 

 1. 모듈 배치를 통한 모듈 온도 저감

[사진 1. 태양광 모듈간의 간격 조정]

출처 : (주) TDC전력기술

 모듈과 모듈 사이에 일정한 간격을 두어, 바람의 순환을 통해 모듈 온도를 낮추는 방법이 있다. 바람의 강도, 흐름에 따라 어느 수준까지의 냉각 기능은 가능하지만, 이는 본질적인 문제 해결 대책이라 보기 어렵다.

 

 2. 냉각수 분사에 의한 모듈 온도 저감

(주)한국동서발전 동해 화력 발전소에서는 태양전지 온도가 출력에 영향을 주는 특성을 확인하고 냉각수 분사에 의한 모듈 온도 저감장치를 개발, 에너지의 효율적인 이용은 물론 출력 향상으로 전력 거래 수익을 증대하고자 하는 시도를 하고 있다.

  

[사진 2. 냉각수 분사를 실시하는 태양광 발전]

출처: (주)한국동서발전 동해화력발전처

[그림 6. 냉각설비 운전 시 효율 변화율]

출처 : (주)한국동서발전 동해화력발전처

 냉각설비 운전 시 최저 5.6%, 최대 12% 평균 8.24%의 출력이 증가함을 확인할 수 있다.

 발전량 증가에 따른 이산화탄소 배출량 추가 감소 효과와 더불어 겨울철 적설, 봄철 황사, 먼지 및 이물질 등 오염원 세척을 통한 모듈 경제성 증가의 효과가 있다.

 

 3. 무전원 태양광 냉각장치 개발

 경동대학교 교내 창업 기업인 씨플랫츠가 개발한 무전원 태양광 냉각장치는 별도의 동력 없이 자연대류 현상을 이용해 스스로 작동하여, 태양광 모듈 온도를 20℃까지 낮추는 기술이다. 이 기술이 더욱 발전하여 보편화가 된다면, 고온에 의한 모듈 효율 저하 부분을 최소한의 인력으로 해결할 수 있다.

 이처럼 국내 태양광 산업에서 태양전지 효율 향상을 위한 기술이 다양하게 연구되고 있다.

 국외 태양전지 효율 향상을 위한 방안

 한편 국외에서도 태양전지의 온도를 낮추기 위한 여러 기술들이 활용되고 있다. 이번 기사에서는 그중에서 IBM의 냉각 칩 기술을 소개하고자 한다.

[사진 3. sunflower 태양광 발전기]

출처 : IBM

 IBM와 Airlight energy는 위 사진과 같이 오목렌즈 형태의 알루미늄 박막 거울에 의해 태양광을 한 곳으로 집중시켜 전기에너지를 얻는 방식인 “sunflower”을 고안하였다. 이처럼 한 곳으로 태양광을 집중시키면 태양에너지의 2000배를 밀집 시킬 수 있다. 하지만 주변부 온도는 1000℃ 이상으로 상승하는데, 이때 IBM는 슈퍼컴퓨터의 과열을 방지할 목적으로 고안된 칩 냉각 기술을 이용했다. 이 냉각 기술은 인간의 혈관 시스템에서 영감을 얻은 것으로 모세 튜브를 통해 물이 각 장치의 중심부에 도달하도록 배치하여 태양광 발전기의 온도를 90℃까지 떨어트렸다.

(sunflower는 약 30ft 높이, 약 10톤 무게의 발전 설비이며, 1X1cm2의 multi-junction photovoltaic chip이 밀집되어 맑은 날 기준 57W의 전기에너지를 발생한다. chip의 safe operating condition은 105℃이다.)

[그림 7. Micro fluidic cooling tech]

출처 : IBM

 Sunflower는 HCPVT(High Concentrated Photovoltaic & Thermal System)로 태양광과 태양열의 복합발전이기 때문에 에너지 변환 효율이 80%에 이른다. 상용화된 태양광 발전 효율이 20~30% 수준인 것에 비하면 sunflower는 매우 높은 에너지 효율에 도달한 것이다. 맑은 날 기준으로 sunflower는 12kW의 전기에너지와 20kW의 열을 생산할 수 있고, 뿐만 아니라 위생적인 음용수를 생산하는 시스템까지 갖추어 음용수의 자급자족이 힘든 지역에 도움이 될 수 있다.

[그림 8. Sunflower의 태양열&태양광 에너지 활용 시스템]

출처 : Airlight energy

 일반적인 냉각 기술은 냉각수를 이용하여 장치를 냉각시킨 이후 냉각수로 옮겨진 열을 대기로 방출하였다. 이 과정은 두 가지 단점을 가지는데, 첫 번째는 대기로 방출되는 열에는 한계가 있어 냉각의 효율이 떨어지는 것이고, 다른 것은 대기로 방출한 열을 에너지 손실이 된다는 것이다. Sunflower의 micro fluidic cooling 기술은 이러한 냉각 효율과 에너지 효율에서의 단점을 개선하였다.

 

 참고문헌

 1. 솔라센터 블로그 

 2. 네이버 블로그. Namo & Energy - 태양전지 효율측정 방법

 3. 위키피디아. Solar simulator

 4. The Guardian, 'Solar energy : a sunflower solution to electricity shortage'

 5. Energy digital, '5 Things you should know about the IBM and Airlight Energy Sunflower

 6. Arstechnica, 'The solar Sunflower : Harnessing the power of 5,000 suns'