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[그린스피커] 신재생에너지 -태양광에너지

  • 2013.12.14.
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  • High-five팀 박영욱
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개인사진1

 

석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료 연소로 배출되는 온실가스와 지구온난화 등의 환경문제를 해결하며,

에너지 자원 고갈에 대한 대안으로 가능한 재생에너지에 관한 사회적인 관심이 점차적으로 증가하고 있다.

재생에너지는 기계, 항공, 화공, 토목, 전기, 전자, 컴퓨터, 환경, 재료, 물리, 지구과학, 해양, 자원, 정치,경제 등의

여러 분야에 연관된 학제간의 주제로, 통합적로 다루어야 하는 분야가 너무나 광대하다.

재생에너지원의 근원인 태양은 태양계에 거대한 양의 에너지를 약 50억 년동안 계속해서

방출하고 있는 무한 에너지원이다. 태양은 수소 핵융합반응으로 에너지를 생성하고, 그 에너지를

전자파인 복사에너지의 형태로 약 1억 5천만 km의 거리에 떨어져 있는 지구표면에 전달한다.

이 태양에너지를 이용하는 신재생에너지는 크게 두 가지가 있는데, 바로 태양광에너지와 태양열에너지이다.

이 두 신재생에너지는 흔히 혼동되어 사용되고 있다. 다음 그림을 통해 두 에너지의 차이를 보자.

개인미션2

흔히 알고 있는 에너지가 바로 태양열발전이다. 태양열을 이용하여 물을 끓이고 그 증기를 이용해서

터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 하지만 이 태양열발전은 효율이 떨어져 태양광발전에 비해서

빛을 못바래고 있다.

본격적으로 이번 기사에서 다루게 될 태양광발전에 대해서 알아보자

태양광발전

햇빛을 전기로 변환하는 ‘광전효과’는 햇빛이 태양전지를 통과하여 발생하는 물리적 과정으로 태양에너지의 입자들로 구성된다. 광자들은 태양 스펙트럼에 걸쳐서 분포하며, 다양한 에너지 수준을 갖는 파장으로 나타난다. 다음 그림은 태양전지의 작동원리를 도식적으로 나타내고 있다. 태양전지란 빛을 전기로 변환하는 장치이다.

개인미션3

태양전지는 반도체로 구성된다. 태양전지에 햇빛이 입사되면 반사, 흡수 또는 통과되며, 그 중 흡수된 광자는 반도체를 구성하는 물질들과 상호작용을 한다. 광자에너지는 반도체의 원자 주변 전자에 전달되고, 전기회로에서 전류의 일부가 되는 원자와 결합된 전자는 자기위치로부터 탈출이 가능하게 된다. 전자가 자기위치를 이탈함에 따라 ‘정공’이 형성되며, 이러한 태양전지의 특별한 전기물성은 외부부하에 전류를 흐를 수 있게 한다.

태양전지 내부의 전기장을 형성하기 위해서 2개의 분리된 반도체를 적층하여, 접촉면에서 P/N 접합을 만든다. P층과 N층이 있는데 2개의 층은 전기적으로 중성이다. N형 실리콘은 과도한 전자를, P형 실리콘은 과도한 정공을 갖기 때문에, 음극과 양극의 극성을 갖는다. P형과 N형 반도체가 포개어 적층될 때, N형 재료의 과도한 전자는 P형으로 흐르고, 이러한 과정동안 정공은 N형으로 흐른다. 전자과 정공의 흐름으로 2개의 반도체는 접촉면에서 만나 전기장을 형성하며, 이러한 전기장은 반도체로부터 표면으로 연결시켜 전기회로가 가능하도록 한다.

태양전지는 지구 상에서 산소 다음으로 보편화된 물질인 실리콘을 주재료로 만들어진다. 태양전지를 유용하게 사용할려면 고순도의 실리콘이 필요한데, 실리콘의 전체 구조에 따라서 태양 전지의  종류를 구별한다. 우선 그림을 통해 태양전지 종류별 효율과 그 특징을 살펴보자

개인미션4

여러 가지 종류가 존재하는데 그 중에 가장 큰 틀인 단결정 실리콘과 다결정 실리콘을 비교해보자

단결정 실리콘에서 전체구조는 동일한 결정 또는 단결정에서부터 성장하기 때문에 재료의 분자구조는 균일하며, 이러한 균일성은 물질을 통하여 효율적으로 전자를 전달하는데 이상적이다. 그러나 단결정 실리콘은 순도가 높고 결정의 결함 밀도가 낮은 재료를 사용하기 때문에 효율은 높지만 고가이다.

반면에 다결정 실리콘은 여러 개의 작은 결정 또는 경계를 제공하는 Grain으로 구성된다, 이러한 경계는 전자의 흐름을 방해하고 정공들의 재결합을 촉진시켜 전지의 출력을 감소시킨다. 하지만 다결정 실리콘은 단결정 실리콘보다 생산비가 적게 들기 때문에 Grain Boundary (Grain 경계면)의 효과를 최소화하는 방법에 관하여 연구 중이다.

지금까지 태양광발전의 이론과 태양전지에 관하여 알아보았다. 그럼 지금부터

태양광발전 기술 현황 및 전망에 대해서 알아보자

개인미션5

 

유럽 태양광발전 산업협회에 따르면 2012년 전세계 태양광 발전 설비 증설량은 31,3GW이며, 전년대비 30.4GW보다 증가하여 태양광발전 누적 도입량이 102GW에 달했다. 유럽의 태양광 발전 신규 도입량은 세계 태양광 발전 신규 도입량의 55%를 차지했으나, 시장 점유율은 감소하는 추세이다. 태양광 발전 최대 시장은 독일이며, 세계 신규 도입량의 약 25%를 차지하고 있다. 유럽 태양광발전 산업협회는 2017년에 2012년을 기준으로 2.7배에서 1.5배 정도로 증가할 것으로 예상하고 있다. 태양광발전은 지속적으로 대규모로 도입되고 있지만, 총 도입량으로 보았을 때 수력 발전소, 풍력 발전소에 이어 세 번째이다. 그러나 신규 도입량에서는 2년 연속 1위를 차지하고 있다.

지금까지 태양광발전의 전체적인 틀을 살펴보았다. 태양광발전이 다른 신재생에너지에 비해서

효율이 좋고, 발전단가가 싼 편이지만 아직까지 상용화 하기엔 다소 무리가 있다.

태양광에너지가 계속 발전해서 상용화 단계까지 가기 전까지는 다른 에너지원이 필수이다.

박영욱

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코멘트(1)

  • 곽소혜 1 년 전에

    태양열 발전 그림에 보면 N형 반도체에 +가 있고 P형 반도체에 -가 있는데 이 둘이 바뀐게 아닌가요?

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