전북대학교 IT응용시스템공학과 신▪재생 에너지공학개론 소 병 문 전기응용연구실

목 차 신재생에너지란? 태양광 태양열 풍력 연료전지란? 수소 태양채광

1. 신·재생 에너지란? 1. 신 · 재생 에너지의 정의 우리나라는 신재생에너지의 정의를 「신·재생에너지개발보급및이용보급촉진법」제2조에 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개분야 지정함  ★재생에너지란?  : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지(8개분야)   ★신에너지란?   : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지(3개분야)

2.신재생에너지의 특성 ■ 화석연료사용에 따른 CO2 발생이 없는 환경친화성 ■ 주로 재생 가능하며 비고갈성 ■ 연구개발에 의해 확보가 가능한 기술주도형 자원 ■ 장기적으로 선행투자와 정부지원이 필요한 공공성이 강한 미래에너지 ■ 대중화되지 못하고, 기술개발 초기 단계이므로 설비 설치시 경제성은 많지 않다.   

2. 태양광 태양광 이용기술 태양광 발전은 태양광을 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

[독립형 시스템] 전력이 연결되지 않은 지역에서 이용되며 어디에서든 전력이 필요한 곳에 설치하여 별도의 전력회사로 부터 전력공급 없이 사용가능. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 방식 시스템 규모에 따라 축전기의 용량이 달라짐

[연계형 시스템] 태양광으로 발전한 전기와 전력회사에서 공급하는 전기를 같이 사용하는 방식 태양광으로 발전된 전력이 부족할 때는 전력회사로 부터 전력을 받고 태양광으로 발전된 전기를 사용 하고 남을경우 전력회사에 전기를 팔 수 있다.

■ 태양광발전 개요 ■ 태양광 발전의 원리 태양광발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식이다. 이러한 태양광발전의 핵심은 일반적으로 pn접합구조를 가진 태양전지(solar cell)로서 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되 면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성된다.

생성된 전자-정공 쌍은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다.  

■ 태양광 발전 원리도(실리콘 태양전지 기준)

태양광 발전의 장단점 장점 에너지원이 청정하고 무제한 필요한 장소에서 필요한 양만 발전 가능 유지보수가 용이하고 무인화 가능 20년 이상의 장수명 건설기간이 짧아 수요 증가에 신속히 대응 가능 단점 전력생산이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적이고 시스템 비용이 고가임 초기 투자비와 발전단가 높음 일사량 변동에 따른 출력이 불안정

■태양광 발전 시스템의 구성

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

태양광발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다. 아래 그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다. 이러한 태양전지는 필요에 따라 직병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.

■ 이용목적 및 구조에 따른 분류

■ 물성에 따른 분류

■ 박막 태양전지의 구조

■나노구조 태양전지개념

■ 모 듈 태양전지의 최소단위를 셀이라고 한다. 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 그 이유는 2가지로, 하나는 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작고, 실제 사용할 수는 수 V에서 수십 혹은 수백 V이상이 되고, 따라서 셀을 몇 개나 몇 십개 직렬로 연결하지 않으면 안된다. 또 하나의 이유는 야외에서 사용할 경우, 여러 가지 혹독한 환경에 처해지기 때문에, 접속된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호할 필요가 있다. 이와 같은 이유에서 복수의 셀을 패키지로 한 것을 모듈이라 말하고 있다. 또, 이 모듈을 복수개로 이어서 용도에 맞게 한 것을 어레이라 칭하고 있다.

▪일반적으로 셀이 벌크 형을 나타낼 경우에는 그것의 상하를 동 등한 방법으로 커버하여 보호하면서 모듈화 하지만, 박막의 경우에는 태양전지 셀이 무언가의 기판 위에 밀착하고 있기 때문에, 그 기판을 포함한 모듈이 형성된다. ▪ 모듈의 구성 부재는 일반적으로 셀, 표면재, 충진재, Back sheet, Seal재 프레임재의 6점으로 구성된다. ▪ 표면재는 대부분의 경우가 백판 강화유리가 이용되고 있으며, 일부 아크릴, 폴리카보네이트, 불소수지 등의 합성수지가 이용되고 있는 예가 있지만, 대부분은 우주용 혹은 민생용으로 한정되어 있다. 그것은 전력용에서는 수십년의 신뢰성을 요구하기 때문에 그것을 만족하는 것은 현재로는 유리로 압축되어 있기 때문일 것이다.

충진재로서는 실리콘 수지, PVB, EＶA가 이용되지만, 처음 태양전지를 제조하면서는 실리콘수지가 최초로 사용되었으나, 충진하는데 기포방지와 셀의 상하로 움직이는 균일성을 유지하는 데에 시간이 걸리기 때문에 PVB, EVA가 이용되게 되었다. 그러나 PVB도 재료적으로 흡습성이 있기 때문에 최근에는 EVA가 많이 이용되고 있다. 하지만, EVA도 자외선 열화가 있다는 것 때문에 재검토되고 있다. Back sheet의 재료는 PVF가 대부분이지만, 그밖에 폴리에스테르, 아크릴 등도 사용되고 있다. PVF의 내습성을 높이기 위해 PVF에 알루미늄호일을 씌우거나, 폴리에스테르를 씌우거나 한 샌드위치 구조를 취하고 있다. Back sheet 재료에 유리를 이용한 것으로 더블 그라스타입이다. 더블 그라스 타입은 다소 오래된 타입이라고 생각할 수 있지만, 현재에도 유럽을 위주로 일부 미국에서도 사용되고 있다.

Seal재는 리드의 출입부나 모듈의 단면부를 Seal로 하기 위해 이용된다

■ Module Fabrication

■ 결정질 실리콘 태양전지 모듈

■ 박막 태양전지 모듈

■ 박막 CIS 태양전지 모듈

■ PCS(전력변환장치) 태양광발전용 전력변환장치(이하에서는 PCS라고 칭한다)는 태양전지 어레이로부터 발생된 직류전력을 상용주파수,전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계함과 동시에 시스템의 직류, 교류측의 전기적인 감시?보호를 하며, 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 신뢰성 향상과 가격 저감에 중요한 부분이다. 태양광발전시스템에서는 인버터 부분에 절연트랜스를 사용하여 태양전지 측의 직류전력과 계통연계측의 교류전력과의 혼촉을 방지하는 구성이 사용되고 있다.  

절연트랜스의 목적은 태양광발전시스템으로부터 전력계통에 직류성분이 유출되는 것을 방지하는 것과 상용계통으로부터 태양광발전시스템에 이상전위가 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다. 태양광발전시스템의 전력계통과의 절연방식에는 상용주파수 절연방식과 고주파 절연방식의 2종류가 있다. 상용주파수 절연방식은 인버터의 교류출력부에 60Hz의 상용주파수 절연트랜스를 접속하는 것이며, 기술적으로 안정된 실적이 있는 회로로서 많은 인버터에 사용되고 있다.  

■ 국내 태양광 설치 예 기흥삼성SDI중앙연구소 / 1996년 / 100 kWp

제주도 한라산 / 1996년 / 10kWp

경기도 안산 육도 / 2001년 / 60 kWp

전남 하화도 / 1987-1995년 / 60 kWp

와도 / 10 kWp

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

PN접합에의한 태양광발전의 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

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

태양광의 특징 및 구성도 특 징 장 점 에너지원이 청정·무제한 필요한 장소에서 필요량 발전가능 유지보수가 용이, 무인화 가능 장수명(20년 이상) 단점 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 초기투자비와 발전단가 높음

태양광발전 시스템 구성도

사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전) 설치장소 및 내용 : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p

사업명 : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전) 설치장소 및 내용 : 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp

태양광 발전 기술의 분류 태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류

태양전지 실리콘계 태양전지 단결정질 실리콘계 태양전지(기판형)는 시스템화 연구를 통해 상품화단계 다결정질 실리콘 태양전지(기판형) 및 다결정질 실리콘 박막형태양전지는 기초연구단계로 요소기술을 확보하였으나 상품화를 위한 제조설비의 투자비 과다로 사업화가 중단된 상태임 화합물계 태양전지 결정화합물계 Ⅲ-Ⅵ족 (CdTe, CuInSe2 등) 태양전지는 효율이 높은 것이 장점이나 저가화, 대면적화가 문제로 이러한 부분을 해결하기 위한 기초 요소연구를 수행 미래 박막형 태양전지로서 실용화를 위한 시스템연구를 기반성으로 추진 화합물 반도체는 에기연 등에서 기반기술 확보 수준

태양전지 필요 기술

Si계 태양전지 Si 기판 제조 기술(Cast, 리본 기판) Si계 건식, 습식 PN 접합 기술 다중접합 형성 및 태양전지 적층 기술 투명 전극 및 배면 전극 형성 기술 화합물 태양전지 박막 성장 기술 밴드갭 제어 및 다중 접합 형성 기술 박막 장비 기술

주변장치 제조기술 축전지 제조 직교류 변환장치 개발 소형 인버터 장치 개발 시스템 이용기술 독립형 시스템 개발(주변장치 연계 기술) 계통연계형 시스템 개발(주변장치 연계 기술) 복합이용 시스템 개발(태양광-풍력 연계 기술) 시스템 성능평가 기술 인버터 및 축전지 평가기술 개발 시스템 효율개선에 필요한 시스템 평가기법 개발 시스템 설치대상의 목적·특성 등에 따른 최적시스템 설계기법의 확립 실증운전 계측 데이터베이스화에 의한 설계 변수의 도출

3. 태양열 ■ 태양열 이용기술 ■ 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술 ■ 태양열 이용시스템은 집열부, 축열부, 이용부로 구성

태양열의 시스템 구성도 및 원리 원리 ■집열부 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치로 가장 중요 한 부분 가장 간단한 형태는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관으로 이것은 빛을 투과하는 투명한 외부층(유리나 플라스틱)이 빛을 흡수하는 검은색의 내부구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으킴 빛이 집열판속으로 들어오면 이것은 검은색의 내부에 부딪쳐 적외선으로 바뀌는데 적외선은 투명층을 통과하지 못하므로 내부는 점점 더 뜨거워짐

이렇게 뜨거워진 내부에는 열을 흡수하였다가 전달하는 매체가 흐르는데 이 뜨거워진 매체는 물과 열교환하여 난방용 또는 온수용 물을 생산 ■축열부 : 열교환되어 이용처에 활용될 매체(난방용 온수등)를 저장 ※ 태양열에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심한 에너지이므로 집열과 축열기술이 가장 기본되는 기술임

태양열 이용 시스템 구성도

태양열 온수기의 시스템구조

특징 ■ 장점 무공해, 무제한 청정에너지원 기존의 화석에너지에 비해 지역적 편중이 적음 다양한 적용 및 이용성 저가의 유지보수비 ■ 단점 밀도가 낮고, 간헐적임 유가의 변동에 따른 영향이 큼 초기 설치비용이 많음 봄, 여름은 일사량 조건이 좋으나 겨울철에는 조건이 불리함

<소규모 태양열 발전 시스템> 수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다. <중규모 태양열 발전 시스템> 수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다. <대규모 태양열 발전 시스템> 수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(solar electric generating system, Luz사에서 건설)을 들 수 있다.

설치기기명 : 태양열 설비형시스템 설치장소 : 안양 신성 중·고교

설치기기명 : 10MW급 태양열 발전 시스템 설치장소 : 미국 캘리포니아

4. 풍력 ■ 원리 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

■ 특징 및 시스템 구성 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행 ▪ 기계장치부 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

▪ 전기장치부 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록하는 전력안정화 장치로 구성 ▪ 제어장치부 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케하는 Monitoring System으로 구성

풍력발전 시스템(Geared Type)

■ 풍력발전시스템 분류 ▪구조상 분류(회전축 방향) 수평축 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형 수직축 풍력시스템(VAWT) : 다리우스형,사보니우스형 ▪ 운전방식 정속운전(fixed roter speed type) : 통상 Geared형 가변속운전(variable roter speed type) : 통상 Gearless형 ▪ 출력제어방식 Pitch(날개각) controll Stall(失速) controll ▪ 전력사용방식 계통연계(유도발전기, 동기발전기) 독립전원(동기발전기, 직류발전기)

■ 회전축 방향에 따른 분류 수평축 발전기 수직축 발전기

풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있음 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음 준대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축도 사용됨

■ 운전방식에 따른 분류 Geared type Gearless type

덴마크 Middelgrunden 해양단지 덴마크 Tuno 해양단지 덴마크 Middelgrunden 해양단지