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햇빛을 에너지로, 태양의 상상력!

  • 2017.03.23.
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저품길

신재생에너지 중에서도 태양광ㆍ태양열에너지는 1순위로 꼽힐 만큼 대표적인 에너지원이다. 그 시작과 미래에 대해 서울에너지드림센터 김영세 에너지 전문강사와 이야기를 나눴다.

태양광ㆍ태양열에너지의 시작이 궁금합니다. 햇빛으로 에너지를 만들자는 생각, 누가 먼저 했을까요?
1839년 프랑스 물리학자 에드몬 베크렐(Edmond Becquerel)이 전해액에 담근 은 전극에 빛을 비추니 적은 량의 전류가 흐르는 것을 처음으로 발견했습니다. 바로 광전효과인데요, 이어 1876년에는 독일 물리학자 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)가 셀레늄과 같은 금속에도 빛을 비추면 전류가 발생하는 현상을 관찰하여 이를 상세히 연구했습니다. 그리고 드디어 1905년, 아인슈타인이 과학적으로 광전효과이론을 증명했죠. 그가 증명한 것은 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상입니다.

우연한 발견으로 시작해서 이론으로 발전하고, 실질적인 이용까지 이루어진 것이군요. 처음 태양광ㆍ태양열에너지를 생산한 나라는 어디일까요?
광전효과 기술은 계속해서 연구ㆍ발전을 거듭해 1954년 미국의 벨(Bell) 연구소에서 태양전지로 처음 만들어졌습니다. 반도체 결정 실리콘의 PN 접합기술을 이용한 결정질 실리콘 태양전지였죠. 이 연구성과는 당시 NASA에서 개발 중이었던 인공위성의 전원으로 개발되는 전환점을 맞이했어요. 초기에는 태양광으로부터 전기에너지로 바뀌는 변환효율이 약 4% 정도로 낮았고 전기를 만드는 데 들어가는 비용이 무척 높아 우주선이나 인공위성과 같은 특수목적으로만 사용되었거든요. 이후 일반적 목적의 태양전지는 1973년 10월 중동전쟁에 기인한 오일쇼크 사태를 계기로 에너지의 중요성을 실감한 미국과 유럽, 그리고 일본에서 집중적으로 연구하기 시작했습니다.

우리나라도 그러한 세계적 시류에 빠지지 않았을 텐데요, 우리나라는 언제 이 에너지를 사용하기 시작했나요?
우리나라 최초의 태양광발전소는 아차도발전소입니다. 1980년 6월 4일 강화군 아차도의 아차분교 옥상에 태양광발전기를 설치했죠. 당시에는 태양광발전 가능성을 테스트하기 위한 소규모 프로젝트로서, 주민 60명이 전기와 온수를 마음껏 사용할 것이라는 기대와는 다르게 겨우 TV를 켤 수 있을 정도의 전기만 생산됐어요. 시간이 흐른 뒤 1986년에는 4kw 급의 전력을 일반주민들에게 공급할 수 있었지만 결국 실패로 끝나고 말았죠. 초창기의 시행착오였지만, 실패는 성공의 어머니란 말이 있듯이 이는 꼭 필요한 과정이기도 했습니다.

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햇빛의 열을 이용하여 음식을 요리하는 태양열 오븐

빛이나 열을 에너지로 전환한다는 것은 얼핏 쉬운 이론 같지만, 그 과학적인 원리까지는 알기 어렵습니다. 에너지로 변환되는 과정이 궁금해집니다.
먼저 짚고 넘어가야 할 것은 태양광에너지와 태양열에너지가 각각 다르다는 것이에요. 태양열에너지는 태양빛이 가진 열에너지를 이용해 물을 끓여 증기를 만든 다음 발전해 에너지를 만들고, 태양광에너지는 태양전지가 가진 광전효과를 이용해 빛에너지로 직접 전기를 만드는 것을 말하죠. 먼저 태양열발전의 경우 두 가지 방법으로 열을 모아(집열) 에너지를 발생시켜요. 첫 번째 방법은 ‘패러볼릭쓰루(Parabolic-Through)’로서, 파이프 단면의 1/4 가량을 포물선 모양으로 자른 다음 거울면을 오목하게 설치하고, 거울이 반사하는 빛을 파이프가 흡수할 수 있도록 초점에 파이프를 설치해 열을 모으는 것입니다. 약 400℃나 되는 뜨거운 열이 만들어지죠. 이 열을 시설의 중앙부에 있는 집열부로 이송해 물을 끓이고, 그 증기로 에너지를 만듭니다. 거대한 평판거울을 설치하고 반사된 빛을 높은 타워 꼭대기의 집광판에서 모아 열을 만들어 물을 끓이는 방식도 있지만, 첫 번째 방법이 전 세계의 90%가량이 이용하는 대표적인 방식입니다.

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수십 장의 태양전지를 직렬로 연결해 만든 태양전지모듈

태양전지를 이용하는 태양광발전은 좀 다르죠. 태양광 셀의 재료로 가장 많이 사용하는 것은 실리콘(Si)이라 이를 ‘결정질 실리콘 태양전지’라고 부르기도 합니다. 태양전지에는 실리콘 말고도 인(P)과 붕소(B)라는 불순물이 매우 소량 들어가죠. 바로 이 구성물질들이 빛을 에너지로 만드는 결정적인 역할을 합니다.
실리콘(Si)에는 독특한 특성이 있는데요, 빛을 쬐면 실리콘 안의 전자가 본래의 궤도를 이탈해 자유전자가 됩니다. 인(P)은 실리콘(Si)보다 전자가 하나 더 많고, 붕소(B)는 실리콘(Si)보다 전자가 하나 더 적죠. 이로 인해 태양전지 위층(N형 반도체)은 항상 자유전자가 넘치는 상태가 되고, 아래층(P형 반도체)은 항상 전자가 부족한 상태로서 홀(정공)이 많아지는 상태가 돼요. 그러다 보니 그 사이에는 하나의 경계면이 생기는데, 이를 접합면(PN접합)이라고 합니다. 이 접합면에 빛을 쬐어 주면 새로운 자유전자와 홀이 발생해 자유전자는 위층으로, 홀은 아래층으로 각각 이동합니다. 두 물질이 충분히 쌓이면 전위차(전압)가 높아지는데, 이때 외부로 연결된 회로로 자유전자가 흘러나가 회로를 돌아서 아래층 홀을 메워 전위차를 낮추면서 에너지를 발생시켜요. 이것이 태양광발전의 기본적인 원리입니다.

말씀하셨듯이 태양광과 태양열에너지를 혼동하시는 분들도 많습니다. 어떤 차이가 있는지 좀더 설명해주실 수 있나요?
태양열발전은 대규모 면적과 시설이 필요해요. 개인주택에는 설치할 수 없죠. 온수를 생산해 난방과 온수급탕용으로 사용할 수는 있지만 지붕에 설치할 때에도 무게가 상당해 크기 제한이 있고요. 반면 태양광발전은 태양광모듈에서 직접 전기를 만들어 사용하거나 생산된 전기를 한전에 판매할 수도 있습니다. 개인주택의 지붕이나 마당, 차고지붕 등에 설치 가능하고, 아파트 베란다에도 설치할 수 있으니 태양열집열판보다 이용률이 높죠. 태양열이나 태양광 둘 다 정부나 지자체에서 50%의 보조금을 지원하기도 하니 이용하는 사람도 점차 늘어나는 추세에 있습니다. 효용가치를 보자면 태양광발전이 더 우수한 편이에요.

교외의 주택 지붕에서 흔히 볼 수 있는 판넬 모양의 모듈은 태양열이 아닌 태양광발전용이었군요! 이런 주택들이 점점 늘어나고 있는 것 같아요.
맞습니다. 현재 정부 차원에서 신재생에너지 보급을 활성화하기 위해 ‘그린홈 100만 호 보급’ 프로젝트를 추진하고 있기도 하죠. 태양광ㆍ태양열ㆍ지열ㆍ소형풍력ㆍ연료전지 등 신재생에너지원을 주택에 설치할 경우 설치비의 일부를 정부가 보조 지원하는 사업입니다. 예를 들어 태양광발전기를 주택에 설치할 경우 일반적으로 3KW를 설치하는데요, 설치비용은 약 800만 원 정도 됩니다. 여기에 정부ㆍ지자체의 보조금 지원을 받으면 50% 이하 금액으로 설치할 수 있죠. 매달 전기료가 8만 원 이상 나오는 가정이라면 태양광발전기 설치 이후 1만2천 원 정도로 대폭 절감되는 효과를 보실 수 있습니다. 5만 원을 납부하는 가정은 1,750원 정도로 절감되니 대단히 큰 효과를 보는 셈이죠. 환경도 살리고 비용도 줄어드는 일석이조의 효과가 있네요.

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태양광발전기가 설치되어 있는 서울에너지드림센터를 재현한 모형

다른 신재생에너지에 비해 태양광ㆍ태양열에너지가 우수한 점이 있다면 무엇일까요?
가장 큰 장점은 친환경무공해에너지라는 점, 그리고 한정된 자원이 있는 것이 아니라 무한정으로 쓸 수 있는 영구적인 에너지라는 점이죠. 연료의 운송과 저장에 비용이 들지 않고, 설비 수명도 25~30년가량으로 깁니다. 설치 후에 수리할 일이 많지 않으니 유지보수에 큰 비용을 투자하지 않아도 되고, 자동으로 발전하니 편하죠. 하지만 낮 동안에만 에너지를 생산할 수 있고, 볕이 드는 방향에만 설치해야 한다는 점, 그리고 발전효율이 19% 정도인 관계로 설치면적이 커야 한다는 것은 단점으로 판단됩니다. 무엇보다 아직도 일반인에게는 설치비용이 부담되는데요, 점차 극복해나가야 할 문제라고 볼 수 있겠죠.

우리나라의 태양광ㆍ태양열에너지 발전은 현재 어디까지 와 있을까요?
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)의 보고서에 의하면 2014년 기준 세계 태양광ㆍ태양열에너지 생산량 Top 10대 국가 안에 우리나라가 랭크되어 있습니다. 좁은 면적의 국가에서 태양광ㆍ태양열에너지 발전이 활발하게 이루어진다는 점도 특기할 만해요. 육상을 넘어 수상에서도 태양에너지를 개발하려는 ‘수상태양광발전’ 또한 박차를 가하고 있고요.

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제로에너지빌딩인 서울에너지드림센터 옥상에 설치되어 있는 태양광발전기

무궁무진한 미래가 펼쳐지겠네요. 앞으로 태양광ㆍ태양열에너지는 어떻게 발전해나갈까요?
태양광ㆍ태양열에너지 이용률은 지속적으로 높아질 전망입니다. 개인으로서는 전기요금 경감이 가장 큰 목적이 되겠고, 정부 차원에서도 이를 지원하기 위한 여러 전략을 내놓고 있어요. 누구나 전기를 생산해 사고 팔 수 있는 시장인 ‘에너지프로슈머’ 추진, 2025년부터 신축 건물에 ‘제로에너지빌딩’ 의무화, 2030년까지 전기자동차 100만 대 보급 등은 모두 친환경에너지국가를 만들기 위한 노력이라고 할 수 있겠죠. 대다수의 국민들은 사실 아직 이러한 흐름을 실감하기 쉽지 않아요. 하지만 의식의 변화는 어느 날 갑자기 이뤄지는 것이 아닙니다. 신재생에너지의 필요성과 실증사례를 끊임없이 전파해야 한다고 봐요. 다른 국가, 다른 집의 일이 아닌 바로 우리나라, 우리 집에도 필요하다는 것을 실감할 수 있도록 노력해야 할 것입니다.

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