신재생 에너지 (Renewable Energy) 제2장 태양광에너지

제2장 태양광 에너지 태양외부온도: 6,000 ℃ 태양내부온도: 15,000,000 ℃ 흑점온도: 4,000 ℃ 그림 2-1 The Extreme Ultraviolet Imaging Telescope [Courtesy Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), NASA] 태양외부온도: 6,000 ℃ 태양내부온도: 15,000,000 ℃ 흑점온도: 4,000 ℃ 생명: 50억년 (무한 에너지원) 그림 2-2 태양이 방출하는 에너지가 지표면에 도달하는 양

태양(광)전지와 태양열판 비교 태양열전지, 태양열자동차  태양(광)전지, 태양전지 자동차 태양열주택 온수, 난방 전기발생과 무관 태양열전지, 태양열자동차  태양(광)전지, 태양전지 자동차

그림 2-3 태양광발전 그림 2-4 태양 스펙트럼

그림 2-5 그림 2-6 태양복사의 일부를 흡수, 반사, 산란시키는 지구의 대기와 구름 미국대륙 전역에 걸쳐 수평면에서 받는 6월의 평균 복사량(단위 : kWh/m2)

국내 태양자원 일사량이 높은 지역 : 춘천분지 일원과, 진주, 광주, 전주, 대전, 청주, 영주, 그림 2-7 전국 봄철 일평균 법선면 직달일사량 자원 분포도 (단위 : kWh/m2) 일사량이 높은 지역 : 춘천분지 일원과, 진주, 광주, 전주, 대전, 청주, 영주, 포항 지역 일원을 잇는 분지지대 일사량이 가장 낮은 지역 : 해안지역인 목포일원 그림 B.4-1 연평균 태양자원 최적설치 경사각

그림 B.4-2 연평균 태양자원 수평면 전일사량 그림 B.4-4 연평균 태양자원 대기 청명도 그림 B.4-3 연평균 태양자원 법선면 직달일사량

그림 2-8 1966년 TRW사가 개발한 일반적인 통신위성 태양전지 판넬 그림 2-9 태양전지 동력을 이용하는 국제우주정거장 (International Space Station; ISS) (Source : NASA Glenn Research Center)

그림 2-11 2가지 물질은 전기적으로 중성이지만, n형 실리콘은 과도한 전자를, p형 실리콘은 과도한 정공을 갖는다. 이들을 포개어 쌓는 것은 접촉면에서 p/n junction을 만들어 전기장을 형성한다. 그림 2-10 태양전지의 작동원리

그림 2-12 셀, 모듈, 배열

표 2-1 다양한 태양전지들의 효율 (실험실 규모와 대량생산 규모) 형태 실험실 규모 대량생산 면적 (cm2) 효율 (%) 실리콘 단결정 4 23.3 100 15~18 다결정 17.8 12~14 비정질 1 11.5 1,000 5~8 GaAs 0.25 25.7 17 CdTe 10.9 - CuInSe2 3.5 14.1 GaAs/GaSb 0.005 34 단결정실리콘 태양전지 다결정실리콘 태양전지 비정질실리콘 태양전지

비반사 코팅(antireflection coating) 투명접착제(transparent adhesives) 덮개유리(cover glass) 전면접촉(front contact) 후면접촉(back contact) n-type 반도체 p-type 반도체 기질(substrate) 그림 2-14 태양전지의 구조

태양빛의 광자가 태양전지에 입사하면 어떤 수준의 에너지를 갖는 광자는 Band gap 에너지 태양빛의 광자가 태양전지에 입사하면 어떤 수준의 에너지를 갖는 광자는 원자결합으로부터 전기를 만들 수 있도록 전자를 자유롭게 한다. 이러한 수준의 에너지는 공유결합으로부터 전자를 제거하고 전기회로의 부분이 되도록 허용하는데 필요한 에너지 양으로 정의된다. 그림 2-15 다양한 태양전지 재료는 다양한 특성에너지 band-gap을 갖는다. band-gap 보다 큰 광자에너지는 자유전자를 만들기 위하여 흡수될 수 있고, band-gap 에너지 보다 작은 광자에너지는 재료를 통과하거나 열을 만든다.

그림 2-16 (a) 단결정 실리콘은 구조적으로 균일하다 ; 원자의 질서 배열에서 교란이 없다. (b) 다결정 실리콘은 여러 개의 결정 또는 그레인으로 구성된다. 그레인 또는 경계의 접촉면에서 원자의 질서는 붕괴된다. 전자는 전기회로에 기여하는 것 보다 정공에서 재결합된다.

그림 2-18 비정질 실리콘의 불규칙한 구조 특성은 매달림 결함과 같은 편차를 일으킨다. 매달림 결합은 전자가 구멍과 재결합하도록 장소를 제공하지만 약간의 수소를 중화 시킬 수 있다. 그림 2-19 일반적인 비정질 실리콘 셀은 p-i-n 설계를 채택하여 내부 층이 p 층과 n 층 사이에 끼워져 있다.

그림 2-21 다결정 얇은 필름 셀은 이질접합(heterojuction) 구조를 갖는다. 상부 층은 하부 반도체 층과 다른 반도체 재료로 구성된다. 대개 n-type인 상부 층은 빛의 거의 모든 것을 흡수 층인 p-type으로 통과시키는 “window”이다. “ohmic contact” 는 기질에 좋은 전기 연결을 제공하는데 종종 사용된다.

그림 2-23 전형적인 카드뮴텔러라이드 셀에서 본질적인 접촉문제 해결은 n-type 황화카드뮴 (CdS)층과 p-type 아연텔러라이드(ZnTe) 층 사이에 카드뮴텔러라이드(CdTe)의 고유층을 삽입하는 n-i-p 구조를 사용하는 것이다. 그림 2-22 Solar Cells, Inc.은 카드뮴텔러라이드 태양전지 모듈을 생산하는 최초의 미국 회사 중의 하나이다. 제작과정은 미국 에너지성 (DOE)의 Photovoltaic Manufacturing Technology (PVMaT) 프로젝트와 협동으로 개발되었다.

그림 2-24 지구에서 사용하는 가격 경쟁력이 있는 갈륨아세나이드(GaAs) 고효율 셀은 Sandia National Laboratories의 사진과 같이 집중기 시스템에 더 적절하다.

표 2-2 태양전지의 종류 및 특성 요약 의 미 특징 성능 가격 물질 장점 단점 단결정 원자가 배열되어 있는 방향이 균일한 물질 순도 높음 결정 결함 낮음 고가 높은 효율 (24%) Si, GaAs 다결정 원자가 규칙적으로 배열되어 있으나 배열방향이 서로 다른 여러 부분으로 구성되어 있는 물질 비교적 순도가 낮음. 비용이 적게드는 생산방법 효율이 낮으며 불균일 중간 (19%) 중저가 CuInSe2, CdTe 비정질 분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 경우 대면적 전지를 균일하고 저렴하게 제작 가능. 유연성 있는 기판 위에 제작가능 효율이 낮고 시간에 따라 더욱 낮아지는 현상을 보임 낮은 (12%) 저가 Si

그림 2-25 다접합 장치는 개개의 단일접합 셀을 밴드 갭 (Eg)의 내림차순으로 쌓은 것이다. 상부의 셀은 고 에너지 광자를 획득하고 나머지 광자를 통과시켜 낮은 밴드 갭 셀에 의해 흡수시킨다. 그림 2-26 다접합 장치는 갈륨인듐인화물(GaInP2)의 상부 셀, 셀 사이의 전자 흐름을 돕기 위한 “tunnel junction”, 갈륨아세나이드(GaAs)의 하부 셀을 사용한다.

유기 태양전지 (organic solar cell) 그림 2-27 유기 태양전지의 설명 그림 2-28 책의 한 면 크기와 같이 작은 유연한 태양전지 모듈 (Credit: Copyright Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems )

염료감응형태양전지 (DSSC; dye-sensitized solar cell) 그림 2-29 염료감응형 태양전지의 작동원리 및 셀 구조 그림 2-30 ETRI가 개발한 염료감응형 태양전지

그림 2-32 실리콘 (a)에서 수평방향의 전자 이동은 그리드 접촉이 선호되는 금속 그리드의 쭉 벋은 부분에 도달할 수 있도록 충분하다. 비정질실리콘 (b)는 수평방향으로 전도성이 아주 나쁘기 때문에 전체표면에 걸쳐 투명전도산화물 층을 사용하여 잇점을 얻는다. 그림 2-31 일반적인 셀 상부 표면의 그리드 접촉은 얇고, 전도성이 있도록 길게 뻗어서 셀의 표면 모든 부분에 걸쳐 펴져 있다.

태양전지 성능(셀) 단락전류(short-circuit current; Isc) 개회로 전압(open-circuit voltage; Voc) 최대전력점(maximum power point; Pmax) 충전인자(fill factor) 변환효율(conversion efficiency) : 입사한 빛 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 비율 그림 2-33 태양전지의 전기적 특성을 나타내는 I-V 곡선

■ 변환효율에 영향을 미치는 인자들 빛의 파장 전자와 정공의 재조합 자연저항 온도 반사 전기저항 ■ 양자효율 (quantum efficiency) : 태양전지가 수집한 충전운반체 수와 태양전지에 입사하는 에너지인 광자 수의 비 외부양자효율 : 셀을 통과하거나 반사되는 빛과 같은 광학적 손실 영향 포함 내부양자효율 : 빛이 셀을 통하여 전파되지 않거나 셀로부터 반사되지 않은 효율에 근거

태양전지 성능(모듈) 성능등급 최고출력(peak watt; Wp) : 실험실 조건(상대적으로 높은 빛의 수준, 적당한 공기질량, 낮은 소자온도)하 에서 측정되는 태양전지 셀 모듈의 최대출력 등급으로 결정 셀의 표준작동온도(NOCT; normal operating cell temperature) 모듈을 특정한 주위 온도로 평형이 되게 한 후, 최대출력을 셀의 상시작동 온도 (nominal operating cell temperature)에서 측정 셀의 표준작동온도 등급 < 최고출력 등급 더 실제적인 값 AMPM 표준방법 : 실제 사용자의 필요에 맞추어 햇빛의 수준, 주위온도, 공기질량 => 표준태양 지구평균일(standard solar global-average day) 또는 실제 지구평균(practical global average)을 기본으로 함

배열의 성능을 결정할 때 고려되는 인자 태양전지 소자의 전기성능 특성 배열의 설계 조립과 연관된 저하인자 결정 태양전지 작동온도로 변환 배열의 전기출력 용량 계산 전기출력(W) : 전력조절기에서 유용한 출력으로, 최고출력 또는 하루 중 생산된 평균출력으로 정의 에너지출력(Wh): 특정시간 동안 생산된 에너지의 양 태양전지배열의 단면적 단위 당 출력 (Wh/m2) 배열의 질량 단위당 출력 (Wh/kg) 배열의 가격 단위당 출력 (Wh/$) 변환효율 : 배열의 에너지 출력을 햇빛의 에너지 입력으로 나눈 값의 백분율로 정의

평판시스템(flat-plate system) 설계와 제작이 간단 특별한 광학장치, 특별히 설계된 집전장치, 태양을 정확하게 추적할 장착 구조물 등이 필요하지 않음 일반적으로 강체, 평판 표면에 설치되어 있는 많은 수의 셀을 포함 직접광과 구름, 지표면, 물체로부터 반사되는 확산광 등의 모든 햇빛에 사용 가능 넓은 태양전지 재료 면적이 필요함 => 소규모 적용 시 경제적으로 어려움 그림 2-34 일반적인 평판 모듈 설계는 후면의 구조적인 지지가 가능한 금속기판, 유리, 또는 플라스틱의 기질; 셀 보호를 위하여 캡슐 안에 든 물질; 플라스틱 또는 유리의 투명한 덮개를 사용한다.

그림 2-35 브라질 호수에 전원을 공급하는 부교용 철주에 사용되는 2개의 평판집전장치

집중형 시스템(concentrator system) 햇빛을 렌즈로 모아 집중시키는 광학을 채택하여 태양전지 소자에 입사하는 햇빛의 강도 (intensity)를 증가 => 태양전지 배열의 성능 향상 그림 2-36 일반적인 기본 집중형 unit은 빛을 집중하는 렌즈, cell 부품, 하우징 단위, cell에 입사 중심을 비켜난 빛 광선을 반사시키는 2차 집중기 (concentrator), 집중된 햇빛에 의해 생성된 과도한 열을 소산시키는 메카니즘, 다양한 접촉과 접착제 등으로 구성된다. 묘사된 모듈은 2 x 6 matrix에 12개의 cell unit을 사용한다. 이러한 기본적인 unit은 원하는 모듈을 생산하기 위한 어떤 형상과도 결합될 수 있다.

집중형을 선택하는 주된 이유 : 태양전지 재료의 면적을 감소 집중기는 플라스틱 렌즈, 금속 하우징 등과 같은 상대적으로 비싸지 않은 재료를 사용하여 태양에너지를 넓은 면적에 걸쳐 획득한 후, 태양전지가 위치한 작은 면적에 집중 집중비(concentration ratio) : 태양전지가 획득하는 햇빛 양의 집중도로 정의 집중된 빛 하에서 셀의 효율을 증가시키는 부차적인 장점 단점 - 집중형 광학장치는 평판 모듈의 단순한 덮개보다 상당히 고가 - 고가의 추적 메카니즘과 고정용 구조물의 평판시스템 보다 더 엄밀한 제어장치가 필요함 - 과도한 복사가 집중되어 열을 발생시킬 때 셀의 작동온도는 증가 => 온도가 증가함에 따라 셀 효율 감소, 높은 온도는 태양전지 소자의 안정성을 위협 => 태양전지 소자는 온도가 낮게 유지 그림 2-37 태양전지 추적 집중형 배열은 California 주 북부지역의 Utility-Scale 적용 태양전지 시스템 프로젝트의 일부이다.

태양전지 시스템의 구조물과 부품들 태양전지 시스템은 3개의 subsystem으로 구성 태양전지 장치 (전지, 모듈, 배열 등) : 햇빛을 직류로 변환 부하가 있거나 광전을 사용하기 위한 적용 BOS (balance of system) : 광전을 부하에 적절히 적용할 수 있는 제3의 부 시스템 그림 2-38 태양전지 시스템에 의해 생성된 전기를 최종부하에 연결 단독형은 밧데리 저장장치를 이용하여 밤낮으로 직류를 공급 계통연계형은 기존의 전력선도 연결되어 있는 가정에 태양전지는 낮 동안 전기를 생산 (전력 컨디셔너를 통하여 교류로 변환). 이러한 형상은 낮 동안 잉여전기를 전력회사에 판매할 수 있으며 밤이나 기후가 악천후에 기존의 전력선을 통하여 전기를 공급 받을 수 있기 때문에 이상적이다.

그림 2-39 정지 장착 구조물의 선정 중에 랙(rack) 장착은 가장 다용도로, 상대적으로 단순한 구조물과 설비가 요구되며 지상 또는 경사진 지붕에 쉽게 설치 가능하다. 그림 2-40 집중형 시스템은 높은 집중 인자에 의해 태양을 추적하는 메카니즘이 요구되며 이러한 특별한 시스템은 기초로 강화 콘크리트 다리, 태양 센서 (시스템의 중간부에 위치), 낮 동안 동에서 서로, 계절을 통하여 북쪽과 남쪽을 추적할 수 있는 구동 메카니즘 등으로 구성된다.

전력조절기(power conditioner) : PV 시스템으로 생산한 전기를 특별한 부하 요구조건에 만족하도록 조절하는 장치 전기출력을 최대화하기 위하여 전류와 전압을 제한 조절장치 (regulator) : 출력을 최대화 하도록, 전류와 전압의 일정수준에서 출력 제어 수행 <= 직류적용 - 인버터(직류 => 교류)로 변환한 후, 변환된 교류전류를 기존 전력망에 송전 그림 2-42 인버터(좌측)와 충전 제어장치(우측) 그림 2-41 밧데리 저장소는 대형 태양전지 시스템의 직류전기를 저장한다. 단독형 태양전지 시스템의 300 kW 전력 인버터

태양전지의 장점 높은 신뢰도 적은 유지비용 그림 2-44 California Inyo National Forest의 원격지역에 설치된 통신기지국 그림 2-43 미국 Wyoming 주 Laramie 강의 태양전지 전원 수위 감시장치는 거의 보수없이 15년동안 신뢰적으로 작동.

환경친화적 적은 시공비용 모듈화 그림 2-46 브라질 Ceara 주의 Cacimbos 마을의 그림 2-45 주민들은 전력선으로부터 수 마일 떨어져 있으며, 각각의 집은 2개의 형광등에 충분한 전원을 공급하기 위한 50 W 태양전지 시스템을 갖고 있음. 그림 2-45 비상전원 시스템에 사용하는 태양전지로 모듈화의 장점을 나타냄. (Florida Solar Energy Center; FSEC가 1993년 허리케인 Andrew 후에 태양전지 모듈을 이동하는 모습)

단순 태양전지 시스템 사례연구 : 가축용 양수 그림 2-47 인도의 여성이 태양전지로 구동되는 펌프로부터 물을 받고 있다. 그림 2-48 20개의 태양전지 모듈은 1,600 W의 직류전기로 South Dakoda 목장의 원심펌프에 전력을 공급한다.

태양전지 시스템과 밧데리 저장장치 사례연구 : 주택용 전기 그림 2-50 태양전지를 가정에 융합하는 것은 복잡한 문제가 아니다. 미국 에너지성 (DOE)에 의해 부분적으로 지원 받으며 Fully Independent Residential Solar Technology (FIRST) 사에 의해 인도되는 프로젝트는 태양전지 생산품을 증가하는 일반적인 모듈과 주택 시공을 연계하는 것을 중점으로 다룬다. 그림 2-49 가장 단순한 가로등용 태양전지와 밧데리 시스템, 태양전지 판넬은 낮 동안 전기를 생산하고 밤에 사용할 목적으로 전기를 저장한다.

태양전지 발전기 사례연구 : 통신 기지국 그림 2-51 휴대용 태양전지/프로판 시스템은 남부 캘리포니아 주의 캘리포니아 주립대학교 사막 연구센터에 전기를 제공한다. 이 시설은 기존의 전력선으로부터 멀리 떨어져 있지만, 상용 주방, 기계 가공실, 강의실, 실험실, 75명이 잠잘 수 있는 기숙사를 포함한다. 그림 2-52 네바다주의 San Pass에 설치된 72개의 태양전지 모듈 (각각 60 W), 2개의 프로판 동력 전기발전기, 대형 밧데리 단 등이 전화 원격신호 증폭 기지국의 경제성과 신뢰도를 향상시키기 위하여 같이 작동하고 있음.

계통연계형 태양전지시스템 사례연구 :에너지 효율성이 높은 주택 그림 2-54 그림 2-53 메사츄세추 주의 전력선과 연결된 태양전지 전력 주택은 1980년 이래로 문제없이 작동하고 있다. 이 주택의 소유자는4.5 kW 태양전지를 이용하여 생산된 잉여전기를 여름에 판매하고, 겨울에는 사들인 예비 에너지로 거의 균형을 맞춘다. 그림 2-53 지붕이 전력선과 연결된 태양전지 배열에 의하여 재충전되는 플로리다주의 남부에 위치한 전기자동차 정거장. 전기자동차의 충전이 필요하지 않을 때, 모듈로부터의 전기는 전력선으로 전달된다.

그림 2-55 해돋이 마을의 태양광 및 태양열 주택

Public Utility 공급용 태양전지시스템 공공전기 : 태양전지의 틈새시장 사례연구 : 전력발전소의 전기 그림 2-56 Sacramento Municipal Utility District (SMUD)의 2 MW 발전소는 660 개의 Sacramento 지역 가정에 충분한 전력을 공급한다. 1600개의 모듈은 캘리포니아 주의 햇빛이 잘 드는 들판에 8,094 m2 면적에 걸쳐 펼쳐져 있다. 부수적으로 SMUD는 청정에너지 기술에 편들어 원자력발전소를 폐쇄시켰다. 그림 2-58 California의 PG&E사 Kerman 변전소는 햇볕 있는 하절기 오후의 첨두부하를 완화하기 위하여 500 kW 태양전지 시스템에 의해 생산된 전기를 사용한다. 연구자들은 전기시스템에 태양전지를 이용하려는 기대를 갖고 또 다른 실증을 위하여 시스템의 가치를 측정 중이다.

그림 2-57 공공전기를 생산하는 계통연계형 태양전지 발전 시스템

하이브리드 태양전지시스템 적용사례 : 원격지 마을의 동력 시스템용 전기 그림 2-60 멕시코의 Xcalak 마을의 태양전지는 미국대륙에서 가장 큰 하이브리드 발전시스템의 일부로, 여섯 개의 풍력터빈, 234개의 태양전지 모듈, 36개의 밧데리, 교류전류로 변환하는 40 kW 인버터, 디젤발전기, 복잡한 제어시스템 등을 포함한다. 전기의 필요가 증가함에 따라 시스템을 확장시킬 수 있다. 그림 2-59 태양전지 배열, 풍력터빈, 발전기를 포함하는 하이브리드 전력 시스템

수송용 태양전지시스템 화성 탐사차량 비행체 그림 2-62 그림 2-61 태양전지 셀로 동력을 얻는 화성탐사 장치인 Sojourner 차량 고효율 태양전지 셀은 Sojourner 차량의 상부에 위치하여 화성의 정오에 16 W를 발생하며 하루 임무를 수행하기에 충분하다. 그림 2-61 미우주항공국 (NASA)의 태양광 동력 무인항공기인 Helios는 로켓 추진기관을 사용하지 않으며 96,893 feet 까지 (18 마일 이상) 비행하는 세계신기록을 수립하였다. 하와이 섬 근처에서 태양 동력으로 최초의 비행 시험을 성공한 Helios의 prototype 사진. (Credit; NASA의 Dryden Flight Research Center)

연료전지 태양광자동차 그림 2-63 태양전지 동력으로 물을 전기 분해하여 수소를 생산하며 천연가스를 개질한다. (Credit; California Transit Agency, Sunline) 그림 2-64 GM의 태양전지 차인 SUNRAYCER 그림 2-65 Stewart 고속도로에서 주행하고 있는 Nuna4 태양광 자동차

표 2-3 Nuna4의 기술 사양 제원 4.72 m (L) X 1.68 m (W) X 1.10 m (H) 무게 (운전자 제외) 202 kg 바퀴 수 3 개 태양전지 개수 2,318 셀 (GaAs 3중 접합) 태양전지 표면적 6 m2 (2007년 새로운 규칙에 의한 최대면적) 태양전자 효율 26% 이상 최대속도 142 km/h 엔진 차륜 일체형 직접구동 전기엔진 (효율 97∼99%) 밧데리 30 kg 리튬-이온 폴리머 밧데리 차체 탄소섬유와 Twaron 합성섬유 / 통합된 복합재 운전자 보호 철제우리 (rollcage) 전륜 현가장치 알루미늄과 탄소섬유의 더블 위시본/ 탄소섬유 쇼바 후륜현가장치 탄소섬유의 수평 포크/알루미늄 연결점 타이어 Michelin Solar 래디얼 16“ (경주용 타이어) 구름저항 보통차의 10배 이하 공기저항 보통차의 6배 이하 번호판 ZZ-78-61

그림 2-66 NASC2008에 우승한 University of Michigan의 Continuum 태양광 자동차 선박용 그림 2-67 태양전지 선박 SUN21의 항해 모습, 개념도 및 항해여정

태양광발전 기술 현황 및 전망 그림 2-68 국가별 연간 태양전지 생산량및 연간 태양전지 발전 설치량

그림 2-70 제주도 남제주군 마라도의 7.6 kWp 유인등대용 태양광 시설 그림 2-69 전남 여수 화정 하화도의 60 kWp 태양광 시설

그림 2-71 충남 태안군 원북면 방갈리 일대의 14 MW급 태양광발전소 그림 2-72 세계 최대 추적식 태양광발전소인 전남 신안의 24 MW급 동양태양광발전소 (사진 : 헤럴드미디어)

그림 2-73 태양광으로 충전하는 휴대폰

대전 KAIST의 30 kWp 태양광 발전설비 강원도 삼척 동굴박람회장의 105.5 kWp의 태양광 설비