태양광발전 시스템

태양광발전은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 접합으로 구성된 태양 전지(solar cell)에 태양광이 조사되면 光에너지에 의한 전자-양공 쌍이 여기되고, 전子와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직뢸쌍  연결하여 내후성과 신뢰성을 가진 재료와 구조의 용기내에 봉입된 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화된다.

 그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 불균일한 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직뢸쌍し  연결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직로상  변환 장치(inverter)등의 주변장치로 구성된다.

             

 태양광발전의 일반적인 특성

무한정, 무공해의 태양에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고, 대기 오염이나 폐기물 발생이 없으며,  발전 부위가 반도체 소자이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며,  태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하며, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.

그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에 비하여 발전 단가가 높고, 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비 보완이 필요한 단점이 있다. 이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은 기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 單價는 태양광 발전의 보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.

1960년대부터 태양광 발전을 인공위성의 電源으로 이용해 온 미국은 지상용 태양광 발전시스템의 실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 樹立하여 技術 開發을 推進해오고 있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병해하여 태양전지의 저가 제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 2000년까지 1000 MW의 시스템을 설치 보급하기 위한 SOLAR2000 계획 및 태양광 발전기술을 건물에 적용하기 위한 PV:BONUS 계획이 동시에 추진되고 있다. 또한 개발된 제조기술을 상업화하기 위하여 관련 제조업체들로 구성된 Photovoltaic Utility Group이 주관하는 TEAM-UP(Technical Experience to Accelerant Market) Project도 추진되고 있다.

국내의 태양광발전 기술개발은 結晶質 硅素 태양전지와 주변장치의 국산화와 이용 기술의 개발을 실현하고, 低價 고효율 薄膜 태양전지의 기초기술의 확보와 주변 장치의 低價化와 신뢰도를 확립함으로써 실용화의 기반을 구축하였으며, 향후 薄膜 太陽 電池의 商用化와 응용기술의 저변 확대를 통한 태양전지 보급확대와 태양광발전 시스템의 실용화를 목표로 설정하고 있다. 한국에너지기술연구소는 그동안 代替 에너지 기술개발사업에 주도적으로 참여하여 많은 성과를 거두었다.

태양전지: 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaiceffect)를 나타내지만 태양전지의 다량생산으로 이어지는 반도체들은 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴 텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다.

이들은 박막형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두번째로 보편화된 화학물질 이고, 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수 있는 것은고순도의 실리콘을 회수하여야 한다.

실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류한다. 이들 중에서 가격은 단결정실리콘이 가장 비싸고, 다결정, 비정질순으로 가격이 저렴한데 현재 이들이 국내외의 태양전지 시장을 석권하고 있다.

현재 결정계 태양전지들의 두께는 0.3∼0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면 기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할 수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수 율이 더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정질계의 경우 장시간 사용 시에는 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있다.

일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는 실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬 등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 p-n 결합구조 이다. 이와 같이 p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반도체의 전도대(conduction band) 내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로서 내부 전위차가 발생하게 된다.

이때 금지대폭 이상의 광 에너지가 흡수되면 가전자대에 있는 전자가 여기되어 금지대폭을 건너뛰어 전도대로 이동하게 된다. 이와 같은 여기상황으로 인하여 가전자대에 있었던 전자의 자리가 비게 되어 양전하처럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로 cell은 태양광 방사에너지를 조사했을 때 전기를 발생하는 반도체 소자를 일컫고 module은 복수의 태양전지 셀을 전기적으로 접속하고 내구환경을 고려하여 제작된 최소단위의 발전유닛을 말한다.