태양광발전시스템은 낙도의 등대에서 우주발전소까지 다양하게 응용되고 있다.
1970년대 유류파동 이후 석유등의 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 개발의 필요성이 심각하게 대두되었다. 그에 따라 태양전지(Solar cell)를 이용, 태양빛에서 직접 전기를 생산하는 태양광발전 기술(Photovoltaic Power Technology)에 많은 관심이 모아졌다.
최초의 태양전지는 1954년 미국의 RCA그룹에 의해 만들어졌다. 규소(Si) 태양전지가 개발된 것이다. 당시의 태양전지 가격은 피크와트당(Wp) 약 3백50달러로 엄청난 고가였다. 때문에 그 용도는 인공위성 등대 통신중계소 등 특수분야의 전원에 국한되었다.
그러나 태양광발전은 그후 용도가 날로 확대되었다. 다른 발전방식에 비해 유리한 점이 많았기 때문이다. 무엇보다 무한정의 태양에너지를 지구 어느 곳에서나 이용할 수 있다는 점이 강점이었다. 뿐만 아니라 열적공해와 환경오염이 없는 깨끗한 에너지로 인식되고 있다. 때문에 미국 독일 일본 등 선진국을 중심으로, 최근 공해와 안전성에 문제점이 노출된 원자력을 억제하고 태양전지의 실용화를 위한 연구개발이 국가적 차원에서 집중적으로 추진되고 있다.
그 결과 최근 태양전지 가격이 급격히 하락, Wp당 5~6달러까지 떨어졌다. 따라서 그 응용분야도 급속히 확산되었다. 이제는 도서용 전원, 가로등 및 주택전원, 전자계산기 및 시계 등의 전원으로 사용되고 있다. 뿐만 아니라 수메가와트급의 대규모 태양광발전소가 건립되었다.
광기전력 효과를 통해
자! 그러면 태양전지는 과연 무엇인가? 대표적인 규소태양전지의 기본 원리에 관해서 설명하고자 한다.
태양전지의 구조는 단결정 규소에 5가원소(인 비소 안티몬등)를 침투시켜 만든 n형 반도체와 3가원소(붕소등)를 침투시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 pn접합구조이다(이를 '다이오드구조'라고 한다).
이러한 pn접합에 태양광이 비추면 표면에서 빛의 반사를 억제하는 반사방지막을 통과하게 된다. 이때 n형과 p형반도체는 빗을 흡수, 전자(electron)와 정공(hole)을 발생시킨다. 이때 발생되는 광기전력효과(photovoltaic effect)에 의해 음의 성질을 띤 전자는 건형 반도체로, 양의 성질을 띤 정공은 p형반도체로 각각 분리, 이동하게 된다.
이러한 이동은 전류의 흐름이므로 외부에 연결된 전구등에 전기가 흐르게 된다. 따라서 우리는 전구를 눈으로 볼 수 있게 된다.
이때 규소태양전지가 발생시킬 수 있는 전압은 0.5~0.6V, 전류밀도는 20~40mA/㎡ 정도이다. 이러한 태양전지를 직·병렬로 연결하여 만든 것을 태양전지판(solar cell array)이라 한다.
태양광이 입사하여 발생된 전기는 제어장치(controller)를 거쳐 축전지(battery)에 저장된다. 또 직·교류변환기(inverter)에 의해 교류전원으로 바뀌어 사용되게 된다. 이러한 전체 시스템을 통틀어 태양광발전시스템(photovoltaic power system)이라 부른다.
범국가적 연구사업으로
태양전지의 개발역사를 살펴보자. 1839년에는 기본원리가 되는 광기전력효과가 발견되었다. 또 1985년에는 세렌(Se)태양전지가 발명되었다.
20세기에 들어서면서 태양전지는 매우 빠른 속도로 발전을 거듭했다. 1954년 규소 태양전지 개발에 이어 1958년에는 인공위성(뱅가드 1호)의 전원에 최초로 적용되었다. 그 뒤 오일쇼크가 휩쓸고 지나갔던 1972년에는 GaAs 태양전지가 개발되었고 1976년에는 아몰퍼스 규소태양전지가 탄생했다. 또 2년 뒤인 1978년에는 CuInSe₂태양전지가 개발됨으로써 절정을 이루었다.
이 발전사를 주도했던 미국은 에너지부(Department of Enregy)가 주축이 되어 '5개년 연구계획'을 수립, 값이 싼 규소 재료와 간편한 제조공정을 선보였다. 또 아몰퍼스 규소와 화합물반도체를 활용하는 고효율 태양전지도 내놓았다. 뿐만 아니라 6~12MWp급 대규모 태양광발전소의 건설단계까지 이르고 있다.
일본의 경우에는 통상산업성이 주축이 되어 '선샤인계획'(Sunshine Project)을 수립, 태양광발전 기술의 전분야에 걸쳐 괄목할만한 연구성과를 거두었다.
한편 유럽에서도 CEC(Commission of the European Communities)를 중심으로 4년단위의 연구개발 계획을 수립했다. 특히 서독 프랑스 영국 등은 자체 연구개발 계획을 수행, 도서지역 전원, 유·무인 등대, 해수 담수화 설비 및 관개용 펌프 전원 등에 태양광발전시스템을 응용하고 있다.
국내의 연구현황도 꽤 활발하다. 1970년부터 학계와 연구소가 중심으로 태양전지에 관한 연구가 본격적으로 행해지고 있는 것. 특히 아몰퍼스규소(amorphous silicon)와 화합물 반도체 태양전지는 크게 주목받고 있다. 한국과학기술원이 서울대와 협력, 고효율·저가격 태양전지를 개발하는 개가를 올린 것이다.
또한 한국동력자원연구소도 태양전지 뿐만 앙니라 태양광발전시스템의 설계 설치 운영을 통하여 국내 태양광발전 기술의 실용화를 위해 노력하고 있다.
이에 비해 국내의 연구개발 현황은 미흡한 실정이다. 특히 선진국에 비해 연구및 기술 수준이 다소 떨어지고 체계적인 연구결핍, 연구인력 부족 등 문제점을 안고 있다.
그러나 최근 대체에너지 개발의 중요성이 제기되고 선진국의 기술제공 회피에 따른 첨단기술 자체 개발의 필요성이 재인식됨에 따라 동력자원부에서는 대체에너지 개발촉진법(1987년 12월)과 그 시행령(1988년 5월)을 제정했다. 대체에너지 개발의 획기적인 계기가 마련된 것이다.
특히 태양광발전 기술은 정부의 정책지원에 힘입어 관련분야의 연구인력이 증가되고, 기술수준도 향상되었다. 그리고 기업의 적극적인 참여의사를 바탕으로 '범국가적 연구사업'을 위한 기본계획을 확정, 현재 1989년의 연구사업을 추진중에 있다.
문화생활로 이끌어
그러면 국내의 응용 및 보급현황에 대해 알아보자.
1972년 해운항만청에서 국내 최초로 무인등대 전원용 소형시스템을 설치한 이후 1988년말까지 국내에 설치된 태양광발전시스템은 1천2백65개소, 총 3백86KWp에 이른다.
태양광발전시스템의 장점을 열거하면, 첫째 무한정한 태양에너지의 이용, 둘째 깨끗하고 안전성이 뛰어난 에너지원, 세째 운전유지가 간편하고 자동화 무인화 가능, 네째 용량증설의 용이, 다섯째 태양전지판제조의 연속·자동화및 대량 생산가능 등이 있다.
그러나 단점도 있다. 태양전지가격이 아직은 비싸다는 점이다. 이러한 이유때문에 국내의 보급은 한전계통선이 닿지 않는 등대전원(전남 칠발도등), 통신전원(전남 수락도등), 낙도전원(전남 하화도), 한국동력자원 연구소 내에 설치된 실험용 등에 국한되고 있다.
하화도의 태양광발전소는 20KW규모로 가로 30cm, 세로 1백20cm크기의 태양전지 모듈(module) 5백개로 구성되어 있다. 변환효율은 약 10%정도. 태양광발전소가 설치되기 전 하화도에는 48가구 2백34명의 주민이 거주했는데 그들은 그동은 디젤발전에믄 의존, 한 가구당 밤에 3개의 형광등만을 켜도록 규정돼 있었다. 그러나 태양광발전소가 설치(한국동력자원연구소, 태양광연구실)된 후로는 하루 24시간 내내 형광등 뿐만 아니라 TV 냉장고 등 가전제품들을 사용하는 문화생활로 바뀌었다.
외국의 경우 태양전지 모듈의 생산량은 현저히 증가하는 추세이다. 1988년 한해만도 1987년에 비해 25% 증가한 35MW에 달하였다. 그 중에 약 40%인 13.8MW를 아몰퍼스규소 태양전지가 차지하고 있다. 특히 일본등이 주축이 되어 주로 시계 계산기 라디오 등 가전제품에 부착, 많은 사람들에게 태양전지를 소개했다.
차세대의 태양전지
이러한 아몰퍼스태양전지는 광흡수가 뛰어나다. 결정규소의 1/10정도의 두께로도 태양광을 흡수하는 것이다. 따라서 박막(thinfilm)화가 기능하게 돼 제조가격이 저렴하게 되었다. 단지 효율이 결정규소에 비해 떨어지는데, 열화(degradation)현상등 기술적인 문제점이 개선된다면 CuInSe₂CdTe 등과 함께 '차세대의 태양전지'로 가장 각광을 받을 전망이다. 또한 아몰퍼스규소는 태양전지뿐만 아니라 트랜지스터 집적회로, 전자복사기 드럼 등에도 응용이 되고 있다.
최근에는 태양광발전시스템이 등대 통신전원 뿐만 아니라 주택용 전원, 태양에너지로 주행하는 자동차 등으로 확산되고 있다. 최근 한 태양광전문지(Photovoltaic Insider's Report, 1988년 12월)에 따르면 1990년6월에 디즈니랜드에서 디트로이트까지 주행하는 태양자동차경주대회가 개최될 예정이라고 한다.
태양광 우주발전소도 계획중
대규모 태양광발전소는 현재 5~6MW급 규모까지 확대되었다. 이러한 대규모 발전소는 태양전지 가격을 하락시킬 수 있는 대량 생산체제를 가능케 하므로 각국에서 앞다투어 설립계획을 추진중에 있다. 이러한 대규모 시스템은 중앙제어반을 통해 운전·제어된다. 또 태양빛을 더 많이 흡수하기 위해 태양전지판이 태양을 추적하는 '추적식'(Tracking) 태양광발전시스템이 주종이다.
미국과 소련등은 우주공간에 거대한 우주발전위성을 쏘아 올려 우주에서 생산한 전기를 지상으로 보내는, 소위 '태양광우주발전소'건설도 계획중에 있다. 우주공간은 지상에 비해 태양광의 강도가 약 1.4배 더 높다는 게 강점. 발전된 전기를 마이크로파로 바꾸어 지상으로 보내는데 지상에서는 수신한 마이크로파를 다시 전기로 변환시켜 사용하게 된다.
이와같이 태양광발전시스템은 낙도의 등대에서 우주발전소까지 다양하게 응용이 되고 있다. 또 환경과 대기오염 등의 주범으로 우리의 건강에 위협을 주는 화석 및 원자력을 보완하는 대체에너지원으로 가장 각광을 받을 전망이다.
미국의 솔라렉스사(Solarex Corp.) 사장인 '존 코시'(John Corsi)는 "태양광발전산업은 매년 30% 이상의 신장을 거듭, 2000년대에는 1천2백MW까지 확대될 것이다. 결국에는 전미국의 에너지 사용량의 약 2%정도를 담당할 것"으로 예견하였다.
이러한 낙관론과는 달리 비관론도 제기되고 있다. 태양전지가 안고 있는 가장 큰 문제점, 즉 기존 전력에 비해 아직 경제성이 미약하다는 점이 지적되고 있는 것. 이를 해결하기 위해서는 가격이 저렴하고 효율이 높은 신소재 태양전지를 개발해야 한다. 이 작업에는 현재 선진국뿐만 아니라 국내의 연구진도 적극 참여하고 있다.
가격의 저렴화와 고효율화. 이 두가지 장벽만 극복한다면 1990년 중·후반에는 기존전력과 경제성을 놓고 겨룰 수 있다. 동시에 태양광발전시스템의 대체에너지원으로써 확고한 위상정립이 이루어질 것이다.
