태양광, 태양열! 그거 같은 거 아냐?

태양광, 태양열! 그거 같은 거 아냐?

15기 김성중

  최근 정부의 재생에너지 3020정책과 맞물려 신재생에너지가 각광받고 있다. 또한, 한국전력공사에서는 태양광발전 사업을 보조하는 ‘햇살행복’ 프로그램을 진행하고 있다. 그러나 대부분의 사람들은 이와 같은 사업에 큰 관심이 없으며 태양광발전과 태양열발전의 차이를 인지하지 못하고 있다. 사실 이 두 가지 방식은 태양을 에너지원으로 쓴다는 공통점이 있지만 근본적인 시스템은 완전히 다르다. 그래서 두 시스템의 차이를 알아보고자 이 기사를 기획했다.

태양광발전시스템의 원리

  먼저, 태양광발전의 핵심 원리는 ‘광전효과’인데 아인슈타인이 빛의 입자성을 입증한 현상으로 잘 알려져 있다. 광전효과란, 금속 표면이 충분히 짧은 파장 (또는 임계 주파수 이상)의 단색 전자기파에 노출되면 입사 방사선이 흡수되고 노출 된 표면이 전자를 방출하는 현상이다. 또한, 이 과정에서 방출되는 전자를 광전자라고 한다.

 광전 효과를 연구하는 실험 장치는 개략적으로 다음 그림과 같다. 타겟 물질은 양극으로 사용되며, 단색 방사선에 의해 조명 될 때 광전자의 방출이 일어난다. 이 전극을 광전극 이라한다. 광전자는 양극에 대해 더 낮은 전위로 유지되는 음극에서 수집되는데, 이로 인해 전류가 흐르게 되는 효과가 생긴다.

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[그림1. 광전효과 연구를 위한 실험장치]

출처 : Physics LibreTexts

 

  태양광발전은 위와 같은 광전효과를 통해 태양의 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 발전방식이다. 이것의 가장 일반적인  전지는 pn접합구조를 가진 실리콘 태양전지로, 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지 에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다. 

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[그림2. 태양전지의 전력 생산과정]

출처 : 한국에너지공단

태양전지의 특징과 현재

  태양전지는 분류 기준에 따라 다양하지만 일반적으로 실리콘 태양전지와 박막태양전지, 차세대 태양전지로 크게 나눌 수 있다.

  실리콘 태양전지에는 결정질 실리콘 태양전지와 비결정질 실리콘 태양전지가 포함되어 있는데, 비결정질의 경우 공정기술이 어렵고 장비의존도가 높으며 효율이 낮아 현재는 개발이 거의 진행되고 있지 않다. 반면 결정질의 경우 제조 단가가 높은 단점이 있으나 에너지 효율이 높아 널리 상용화 되고 있다. 과거에는 상대적으로 효율이 떨어지는 다결정 태양전지의 약점을 보완하기 위해서 단결정 기술개발을 시도하였으나 효율증가 수준이 원가증가 수준을 넘어서지 못해 상용화 되지 못했다. 그러나 단결정에 PREC기술이 적용되기 시작한 이후로는 단결정 태양전지가 주로 쓰이고 있다

  박막태양전지는 실리콘 기판 대신 유리, 스테인리스 스틸 등 저가의 기판 소재를 사용하여 그 위에 얇은 막 형태의 박막을 형성하는 구조로 기판 위에 형성되는 막의 원료에 따라 실리콘 박막 태양전지, CdTd 태양전지, CIGS 박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지로 구분된다. 박막태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 단가가 저렴하나 제조 공정이 복잡하고 에너지 효율이 낮다는 단점이 있다. 게다가 최근 폴리실리콘 가격의 하락으로 가격 경쟁력마저 잃어 상용화에는 어려움을 겪고 있다.

  마지막으로 차세대 태양전지의 경우 고효율, 저가, 친환경적인 미래 유망 아이템으로 세계적으로 활발한 연구 중에 있다. 특히, Fraunhofer(獨)에서는 InGaP/InGaAs/Ge 4 중 접합 고효율 화합물 반도체 태양전지 개발하여 세계 최고 효율인 46.0%을 달성하여 태양전지의 미래에 대한 전망을 밝히고 있다.

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[사진1. 경기 포천의 태양광 발전소]

출처 : Solar Energy

태양열발전시스템의 원리

[그림3. 태양열발전 과정]

출처 : 다음백과

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  태양열발전의 경우 기존의 화력발전, 원자력발전과 유사한 원리이다. 전통적인 화력 발전은 석탄과 천연가스를 태워서 끓인 물로 스팀터빈을 돌려 전기를 만든다. 즉, 열에너지 → 운동에너지 → 전기에너지로 순차적으로 변하게 되는 것이다. 태양열발전은 태양에너지를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 발전방식이다.

  그러나 태양의 일사강도는 매우 낮은 에너지 밀도를 갖고 있어 발전용으로 사용하기 위해서는 넓은 영역에 도달하는 태양의 일사성분 중 태양으로부터 직접 도달하는 직달일사성분을 반사 및 집광시켜 한 곳에 모인 열원을 통해 높은 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 열에너지를 이용하여 작동매체(물/증기, 합성오일, 공기 등의 매질)에 열을 전달하여 발전시스템을 구동시켜 전력을 생산한다. 그러나 태양에너지는 낮 동안만 사용할 수 있으며 항상 일정한 일사량을 보이지 않는다. 이러한 열원의 특성을 고려하여 낮 동안 일사량의 변화 및 야간에도 일정한 전력을 생산하기 위해서 태양에너지를 열로서 저장하여 발전에 활용하고 있다.

  하지만 태양열발전은 다른 에너지원과 비교하여 효율성이 매우 낮아 작동매체와 집광방법의 변화 등을 통한 효율증가가 연구 중이며, 다른 에너지원의 경제성을 위한 보조발전으로 주로 사용되고 있다.

 

태양열발전의 특징과 현재

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[그림4. 태양열 발전 유형]

출처 : 태양열 발전 기술동향 (김종규, 2008)

 태양열발전에는 대표적으로 3가지 발전 방식이 있다.

  구유형은 긴 포물선 형태의 반사면에 도달하는 태양광을 작동유체가 흐르는 관형태의 흡수기로 반사/집광시켜 열을 전달하는 형태로서 한 축으로 태양을 추적하게 된다. 이와 달리 타워형은 두 축으로 태양을 추적하는 여러 대의 반사체가 타워상부로 태양광을 반사/집광시켜 흡수기에서 열을 회수하는 방식이다. 일반적으로 이 두 가지의 방식은 흡수한 열을 이용하여 주로 증기터빈을 구동하여 전력을 생산하기 때문에 증기발생기, 탈기기, 냉각타워 등 기존 화력발전의 구성기기를 사용하게 되면 대용량 발전방식에 적합하다.

  그러나 접시형은 접시형태의 집열기에 도달하는 태양광이 반사되어 모이는 곳에 외연기관인 스털링엔진을 설치하여 전력을 발생시키는 방식으로 단위 시스템이 태양을 추적하는 접시형태의 구성기기로서 분산발전에 적합한 소형시스템이다.

  구유형의 경우 1987년부터 상업발전을 시작하여 전 세계의 상업용 태양발전의 대부분을 차지하였다. 하지만 이는 독립적인 발전방식이 아닌 기존의 가스터빈과 폐열회수 보일러를 이용하는 복합발전이었다. 그러나 태양열 발전은 에너지량이 많은 직접광이 경제성이 많은 영향을 미치게 된다. 일반적으로 일조강도가 2,000kWh/m2/year 이상인 경우에 경제성이 높다고 할 수 있다. 그러나 이러한 지역은 보통 뜨겁고 건조해서 확산광이 적은 스페인 서부 및 미국 캘리포니아/네바다, 아프리카 북부 모로코, 알제리, 호주, 인도 등 일부 지역만 해당한다. 또한, 수증기 생산을 위해서 물을 쉽게 구할 수 있는 입지여야 하므로, 뜨겁고 건조한데 물을 구하기도 쉬워야하기에 환경적인 제약이 매우 많다. 이 때문에 유가의 하락과 함께 경제성이 사라져 기술개발의 진전이 느렸다.

  그 결과 국내의 태양열 발전방식은 발전용도로 사용하기보다는 난방시스템과 함께 사용하여 효과를 극대화하는데 초점을 맞추고 있다. 태양열 온수기 및 온수급탕 방식은 세계의 난방시장 중 상당한 비율을 차지하고 있으며, 주택과 함께 설치가 용이하며 보조열원과의 효율적인 연계가 가능하여 난방비용을 상당 부분 절감할 수 있다는 장점이 있다.

[사진2. 가정용 태양열 온수기 설치 사례]

출처 : 자립에너지

 

[참고문헌]

[1인 1색 경제이야기] 글로벌 저탄소 경제 이야기 (8) 태양'광' 발전과 태양'열'발전은 다르다 / 태양광 발전 & 태양열 발전 비교|작성자 한화자산운용

http://blog.hanwhafund.com/221186727424

 

[Physics LibreTexts] Photoelectric Effect

https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_(OpenStax)/Map%3A_University_Physics_III_-_Optics_and_Modern_Physics_(OpenStax)/6%3A_Photons_and_Matter_Waves/6.2%3A_Photoelectric_Effect

[한국에너지 공단] 태양광 원리 및 개요/ 태양열 원리 및 개요

https://www.knrec.or.kr/energy/energy_intro.aspx

 

[코네틱 리포트] 태양광 분야의 최신 기술 동향 및 시장/정책 현황, 2017.02.21., 녹색기술센터, 박철호(공학박사)

 

[다음 백과사전] 태양열 발전과 태양광발전

http://100.daum.net/encyclopedia/view/24XXXXX45512

 

[지열에너지저널] 태양열발전 기술개발 동향, 2008.12, 김종규

 

[설비저널] 태양열 발전 기술 및 현황, 2011.5, 김종규