1. 개요
▶ 태양광 이용기술이란?
- 태양광 발전은 태양 빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
- 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식
- 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨
2. 발전원리 및 용어 설명
: 태양전지에 의한 발전원리
◎ 태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)
태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것
금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음
[그림] cell (셀)
: 위에 8각형의 다각형물체가 셀(cell)이랍니다.
[그림] Module(모듈)
: 셀(cell)이 모여서 모듈(module)을 만듭니다.
[그림]어레이(Array)
: 모듈(module)이 모여서 나열된 것을 어레이(Array)라고 부릅니다~
<용어설명>
*태양전지(光電池: photocell,광전지) : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치
*광전효과 (光電效果: photoelectric effect) : 일반적으로 물질이 빛을 흡수하여 자유로이 움직일 수 있는 전자, 즉 광전자(光電子)를 방출하는 현상
*광기전력(光起電力: photoelectro-motive force) : 반도체에 빛을 조사했을 때 발생하는 전압
*반도체 半導體 (semiconductor) : 전기전도(電氣傳導)가 전자(電子:electron)와 정공(正孔:hole)에 의해 이루어지는 물질로서 그의 전기저항률 즉 비저항(比抵抗)이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취하는 것. 반도체의 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 황화카드뮴이 또는 이것들을 복합한 것이 있으나 보통 실리콘이 많이 사용됨
◎ PN접합에 의한 발전원리
- 태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발됨
- 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음
- 이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에
앞면과 됫면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리임
[PN접합에 의한 태양광 발전의 원리]
대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론
(boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여
그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어짐.
이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함 이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨
자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨.
P형 반도체와 N형반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부
회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨
3. 태양광 발전 시스템 구성도
4. 태양전지의 역사
-1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltai ceffect)를 발견
-1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과연구이후 효율 1~2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용
-1940년대∼1950년대초 초고순도 단결정실리콘을 제조할 수있는 Czochralski process가 개발됨
-1954년 Bell Lab.에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발
-1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후 모든 위성에 태양전지를 사용
- 1970년대 Oil shock이후 태양전지의 연구개발 및 상업화에 수십억 달러가 투자되면서 태양전지의 상업화가 급진전
- 현재 태양전지효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈가격 $6/W 내외, 발전단가 $0.25∼0.5/kWh
5. 태양광의 장점 & 단점
◎ 장 점
에너지원이 청정·무제한
필요한 장소에서 필요량 발전가능
유지보수가 용이, 무인화 가능
긴수명(20년 이상)
◎단 점
전력생산량이 지역별 일사량에 의존
에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요
설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가
초기투자비와 발전단가 높음
6. 설치사례
사업명 : 신재생에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)
설치장소 및 내용 : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p
사업명 : 신재생에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)
설치장소 및 내용 : 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp
광주 비엔날레 건물(1997년, 10kW)
대전 KIST (1998년 30kW)
태양광 가로등
: 낮에 태양빛으로 전기를 생성한뒤 축전지에 저장시켜놨다가, 깜깜한 밤에 불을 밝혀 줍니다~
★★ 보너스★★
태양광과 태양열을 헷갈리시는 분들이 많아서 개념정리 해보겠습니다.!
우선 !
★ 태양광은 태양빛으로 --> 전기를 생성
★ 태양열은 태양빛으로 --> 열을 생산 한답니다.
태양열에 대해 좀 더 빠른 이해를 돕기 위해 동네에서도 쉽게 볼 수 있는 태양열 온수기를 예로 들어 볼까요 ~
< 그림1> <그림2>
일단 태양열은 이용시스템은 집열부, 축열부로 구성되어 있답니다.
집열부 : 집열판으로 구성되어 있는데요, 태양열을 흡수하는 부분입니다.
축열부 : 열매체가 물열교환되어 이용처에 활용될 매체(난방용 온수등)를 저장합니다.
★위에 기다랗고 동그란 관이 여러개 서있는게 보이시죠?
저게 바로 평판 집열관이라는 건데요 집열관(유리관)은 이중으로되어 있답니다.
까만관속(빛을 흡수하는 검은 물질로 싸여 있음.. 꼭 유리관에 까만 잉크 칠해놓은듯함) 바깥에 유리관(빛을 투과하는 곳)이 이중으로 겹쳐있게 되지요.
그 사이에는 열매체(아래에서 설명할께요~)가 채워져 있구요.
① 뜨거운 햇빛이 집열판 속으로 들어오면 이 빛은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워지게 되서 온실효과가 일어나게 된답니다.
② 이렇게 뜨거워진 내부에는 열매체도 흐르는데 이 열매체라는게 열을 듬뿍 흡수했다가 위에 있는 축열조(물탱크 역할이라고 생각하시면 쉬워요)로 올라가게 됩니다.
③축열조로 올라간 뜨거운 열매체는 축열탱크의 외부( 전문용어로 ‘이중자켓’ 이라고 부릅니다)를 돌며 탱크 안에 있는 냉수에 열을 전달하게 되는데 (한마디로 물을 덥힌다~~ 이말이죠)
안쪽탱크의 표면전체에서 열교환이 이루어지므로 빠른 시간에 물을 덥히게 되어 온수를 생산할 수 있습니다.
<그림3>
※ 그림설명
- 빨간화살표 : 태양빛
- 누워있는 긴 상자: 위의 사진에서 보았던 길게 누워있는 진공관의 옆모습입니다
- 왼쪽 상단의 동그란 통 : 겉에 있는 열매체가 순환하면서 안에 있는 물을 덥혀 온수로 만들고 있는 모습입니다.
④ 이렇게 생산된 온수는 폴리우레탄으로 보온처리된 내부 탱크(축열조)내에 저장되므로 항상 고온의 온수를 사용할 수 있습니다.
(참! 열매체는 겨울에는 동파방지도 하고, 부식방지도 하는 역할을 해준답니다. )
★ <그림 2>의 사진 오른쪽에 수도꼭지 비슷한게 보이시죠?
거기에 배관을 연결시키면 바로 우리가 손쉽게 온수를 얻을 수 있게 된답니다.
또한, 방바닥에 배관시스템을 연결해서 따뜻한 물을 순환시키면 난방도 된다 이말이죠!