태양전지의 먼지를 잡아라!

태양전지의 먼지를 잡아라!

대학생신재생에너지기자단 24기 유현지

[태양전지 효율 감소의 주범, 먼지]

뜨거운 햇볕이 내리쬐는 광활한 사막, 수백만 개의 태양광 패널이 지평선을 향해 뻗어있다. 태양광이 만들어낼 엄청난 양의 전력 생산을 기대한다. 그러나 낙타의 콧바람도 들릴 것 같은 조용한 사막에 거대한 모래폭풍이 불어오기 시작한다. 우리가 기대했던 에너지 효율은 70%가량 감소하고 말았다.

[자료 1. 사막의 태양광 발전]

출처 : 한국경제

태양광 패널 표면을 덮고 있는 눈, 먼지, 흙, 기타 입자로 인해 발생하는 전력 손실을 소일링 효과(Soiling effect)라고 한다. 특히 산성의 먼지는 패널 표면 부식의 원인이 될 수 있어 주기적으로 관리하지 않으면 태양광 패널의 손상을 일으킨다. 따라서 효율적으로 전기에너지를 생산하기 위해서는 깨끗한 태양광 패널을 유지하는 것이 중요하다. 

[자료 2. 고압 워터젯]

출처 : UT Pumps

먼지를 제거하는 가장 흔한 방법은 고압 워터젯(High pressure water jet)을 분사하는 것이다. 하지만 이러한 방법은 인적 자원과 물이 부족한 사막이나 산과 같은 지역에서는 이용하기 어렵다. 또한 대규모의 태양광 발전소에서는 이용 비용도 만만치 않다. 로봇 청소와 같이 기계를 이용하는 방법도 제안되고 있지만 이는 패널 표면이 파손될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 효율적으로 태양광 패널의 먼지를 제거할 수 있는 새로운 안티소일링 기술(Anti-soiling technologies)이 개발되고 있다. 

 

[물과 사람이 필요 없는 안티소일링 기술, 전기역학 스크린]

특히 전기역학 스크린(Electrodynamic screens;  EDS) 기술은 전기영동(Electrophoretic) 및 유전영동(Dielectrophoretic) 힘을 이용하여 태양광 패널 표면의 먼지를 제거하는 방법으로, 안티소일링 기술 중 하나로 주목받고 있다. EDS는 유리 기판 위에 증착된 일련의 평행 전극으로 구성돼 있다. 이 전극에 저주파 고전압을 발생시키면 교류(Alternating current) 전압에 의해 전극이 활성화돼, 교류 전기장이 형성된다. 이렇게 전기장의 과도적인 변화에 의해 형성된 전기력으로 먼지 입자가 정전기적 힘에 의해 밀려나게 된다. 

[자료 3. EDS의 원리]

출처 : ACADEMIA

하지만 EDS를 작동하기 위해서는 외부 전원 공급원이나 태양광 패널로부터 교류(AC) 형태의 고전압 전기에너지가 필요하다. 따라서 EDS를 사용하면 태양광 발전 효율은 자연스럽게 감소하게 된다. 또한 태양광 패널에 필요한 전기에너지를 생성하기 위해 입력 전압을 더 높은 고전압으로 변환하는 스텝 업 변환기(Step up converter)를 필수적으로 사용해야 한다. 그러므로 태양에너지 수확을 극대화할 수 있는 지속 가능하고 효율적인 EDS 사용을 위해서는 EDS의 자체 전원 공급 모드를 개발하는 것이 중요하다. 

 

[마찰전기를 이용한 에너지하베스팅]

따라서 최근에는 소모되거나 버려지는 에너지를 재활용하는 '에너지 하베스팅(Energy harvesting)' 기술을 전기역학 스크린 기술에 적용하는 방안이 연구되고 있다. 특히 마찰전기 현상을 활용한 '마찰전기 에너지 하베스팅(Triboelectric energy harvesting)'이 주목받고 있다. 마찰전기 에너지 하베스팅은 우리가 주변에서 볼 수 있는 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼아 전기에너지를 수확하는 방법이다. 

이를 이용한 마찰전기 나노발전기(Triboelectric nanogenerator; TENG)는 높은 교류(AC) 전압 출력과 쉬운 제조 과정의 장점을 가지고 있다. 또한 인간의 움직임, 물, 초음파, 그리고 바람 에너지와 같은 다양한 에너지원으로부터 마찰 대전(Contact electrification)과 정전기 유도 효과(Electrostatic induction effect)에 기반해 전기에너지를 생산할 수 있다. 

[자료 4. TENG의 원리]

출처 : 화학공학소재연구정보센터

TENG의 주요한 작동 원리는 서로 다른 두 물질을 마찰함으로써 각각 양전하와 음전하로 대전 되는 마찰대전 현상과 두 물질의 상대적인 운동으로 발생하는 전기적 힘에 의한 정전기 유도 현상이다. TENG의 상대층(Counter layer)과 접촉층(Contact layer)을 접촉하면, 마찰대전 현상으로 인해 상대층과 접촉층에 각각 양전하와 음전하가 생성된다. 접촉 후 상대층을 접촉층으로부터 멀리하면, 두 층의 상대적인 움직임에 의해 두 층에 존재하는 양전하와 음전하 간의 전기적 중립이 깨진다. 두 층의 양전하와 음전하는 전기적 중립을 유지하기 위해 전극층(Electrode layer)으로부터 상대층으로 자유전자들이 이동하고, 그 결과 자유전자의 흐름과 반대 방향으로 전류가 흐른다. 다시 멀어진 상대층을 접촉층에 가까이하면 자유전자는 이전과 반대로 유도되고, 전류도 반대로 흐르게 된다. 이와 같은 사이클을 반복하여 교류전류를 얻는다. TENG에 의해 생성된 높은 교류(AC) 전압은 EDS에 직접 연결하여 사용할 수 있으므로 태양광 패널에서 생성된 에너지를 소비하지 않으며, 전기 회로 및 에너지 저장 과정에서 발생하는 에너지 손실을 극복할 수 있다. 따라서 TENG는 사막, 산, 우주 같은 환경에서 에너지 하베스팅의 원리를 이용해 자체 동력 EDS를 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.

 

[바람에너지를 전기에너지로]

지난 2023년 11월 디시스트 에너지공학과 이주혁 교수팀은 자연에 존재하는 바람에너지를 전기에너지로 변환해 태양전지 표면 오염을 방지, 제거하는 마찰대전 발전소자를 개발했다. 

[자료 5. RTENG와 EDS]

출처 : Nano Energy

연구팀이 개발한 시스템은 풍력 기반 RTENG(Rotational triboelectric nanogenerator)와 EDS 판으로 구성돼 있다. EDS판은 투명한 유리 기판과 전극 패턴으로 구성돼 있으며, 패턴들은 서로 균일한 간격을 유지한다. EDS판은 RTENG와 직접적으로 연결돼 태양광 패널 표면에 부착된다. RTENG에 의해 형성된 전기는 EDS판의 전극 사이에서 균일하지 않은 전기장을 생성하고 이러한 전기적 힘으로 인해 먼지가 태양광 패널 표면에서 밀려나 중력에 의해 떨어지게 된다. 대부분의 태양광 패널은 기울어져 설치되기 때문에, 전기장에 의해 흩어진 먼지는 자연스럽게 떨어져 제거된다. 

[자료 6. Wind-driven RTENG]

출처 : Nano Energy

바람에너지를 이용한 RTENG는 위의 사진과 같은 구조로 구동된다. 6개의 컵 모양으로 된 구조는 바람에 의해 회전하고, 풍력에너지는 RTENG-EDS를 통해 전기에너지로 변환된다. 연구 결과 높은 풍속으로 인한 빠른 회전을 통해 고전압(최대 2300V까지)이 생성됐으며, 자가발전형 전기역학 스크린을 제작해 패널 표면의 오염 제거를 실행하자 태양전지 출력이 90% 이상 회복됨을 확인했다. 

 

[우주에서 사용될 차세대 TENG 기술]

태양전지는 사막으로, 바다로, 산으로 그리고 우주로 나아가고 있다. 우리가 화성으로 보내는 탐사선의 상당수는 태양에너지로 전력을 얻는데, 화성에서의 모래 폭풍으로 인해 태양광 패널에 먼지가 쌓여 전력이 고갈되는 일들이 빈번하게 발생하고 있다. 따라서 태양광 패널의 에너지를 빼앗지 않으면서 스스로 오염물질을 제거하고 관리하는 기술이 필요하다. 버려지는 에너지를 수확해 마찰전기의 원리로 새롭게 전기에너지를 생산하는 TENG의 발전은 곧 태양광 패널 효율의 상승을 의미한다. 에너지 하베스팅 기술을 활용한 태양광 패널 오염물 제거 연구의 발전이 기대된다. 

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태양광 패널에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "에너지도 재활용이 가능하다고요? 버려지는 것에 생명을 불어넣는 '에너지 하베스팅' ", 22기 한예림, 23기 김용대, 김태현, 송태현 , https://renewableenergyfollowers.org/3970

에너지도 재활용이 가능하다고요? 버려지는 것에 생명을 불어넣는 ‘에너지 하베스팅’

2. "태양광 발전소 유지보수관리 이젠 "선택 아닌 필수"", 16기 유승현, https://renewableenergyfollowers.org/2898

태양광 발전소 유지보수관리 이젠 “선택 아닌 필수”

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참고문헌

[태양전지 효율 감소의 주범, 먼지]

1) Mohammad Reza Maghami, "Power loss due to soiling on solar panel: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews , 2014.12.07.

2) 화학공학연구정보센터, "나노발전기 및 마찰전기 나노발전기", https://www.cheric.org/

[물과 사람이 필요 없는 안티소일링 기술, 전기역학 스크린]

1) Arash Sayyah, "Electrostatic force distribution on an electrodynamic screen", Journal of Electrostatics, 2016.01.

2) Jennifer K.W. Chesnutt, "Simulation of microscale particle interactions for optimization of an electrodynamic dust shield to clean desert dust from solar panels", Solar Energy, 2016.10.17.

3) Sharamarke Hassan, "Review of Current State-of-the-Art Research on Photovoltaic Soiling, Anti-Reflective Coating, and Solar Roads Deployment Supported by a Pilot Experiment on a PV Road", energies, 2022.11.22.

[마찰전기를 이용한 에너지하베스팅]

1) 감동익, "마찰대전 나노발전기의 출력 및 안정성 향상을 위한 일렉트렛 개발", Korean Chem. Eng. Res., 2021.09.07.

2) 고영준, "마찰 대전 메커니즘의 이해", 물리학과 첨단기술, 2021.02.26, https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=16531

[바람에너지를 전기에너지로]

1) Minsu Heo, "Self-powered electrodynamic dust removal for sustainable solar panels using triboelectric nanogenerators", Nano Energy, 2024.01.02.