태양광 전지 패널(Solar panel)이란.
태양광 전지 패널(Solar panel)은 태양광을 빛의 에너지로 포착해 직류 전기로 변환시키는 장치입니다. 이런 패널을 모아 포토볼틱 시스템을 만들어 전기 설비에 전력을 공급하거나 인버터 시스템을 통해 AC 전력 그리드에 전력을 공급할 수 있습니다. 간단하게 말하면, 태양의 빛을 전기로 바꾸는 도구이며, 여러 개를 모아 전기를 공급할 수 있는 시스템입니다.
역사
1839년 프랑스 물리학자 Edmond Becquerel이 일부 물질이 빛에 노출되면 전기 충전을 생성할 수 있는 능력을 처음 관찰했습니다. 이러한 태양광 패널은 초기에는 전기적 장치를 돌리기에 효율이 낮았지만, 빛을 측정하는 도구로 사용되었습니다. 1873년 영국의 전기 기술자 Willoughby Smith가 셀레늄에 빛이 닿으면 전하가 발생하는 것을 발견한 이후, 1876년 William Grylls Adams와 Richard Evans Day가 Smith의 결과를 재현한 실험을 설명하는 "The action of light on selenium"을 게시했습니다. 이후 1881년 미국 발명가인 Charles Fritts가 최초의 상업용 태양광 전지판을 만들었지만, 기존 화력발전소와 비교해 효율이 매우 낮았습니다.
1939년 Russell Ohl이 많은 현대적인 태양광 패널에서 사용되는 태양전지 설계를 만들었습니다. 그는 1941년 이 설계를 특허로 등록했습니다. 1954년에는 Bell Labs에서 이 설계를 사용하여 최초로 상용화 가능한 실리콘 태양전지를 만들었습니다.
2008년부터 2013년까지 태양광 패널 설치 업체는 큰 성장을 보였습니다. 이 성장으로 인해 설치업체들은 "이상적이지 않은" 태양광 지붕을 다루어야 했으며 그들은 그림자가 있는 지붕과 방향에 대한 어려움을 해결해야 했습니다. 이 문제는 초기에 마이크로 인버터의 재인기와 이후의 파워 옵티마이저 발명으로 해결되었습니다. 태양광 패널 제조업체는 마이크로 인버터 회사와 협력하여 AC 모듈을, 파워 옵티마이저 회사는 모듈 제조업체와 협력하여 스마트 모듈을 만들기 시작했습니다. 2013년에는 많은 태양광 패널 제조업체가 스마트 모듈 솔루션을 발표하고 출시하기 시작했습니다.
원리
태양광 모듈은 태양 전지 세포들의 집합체로, 태양으로부터 전자를 방출시키는 포토볼틱 효과를 이용하여 전기를 생산합니다. 대부분의 모듈은 웨이퍼 기반의 결정질 실리콘 세포나 박막 세포를 사용합니다. 모듈의 구조적 부재는 최상층이나 후면층이 될 수 있으며, 세포는 기계적 손상과 수분으로부터 보호되어야 합니다. 대부분의 모듈은 경직성을 가지지만, 박막 세포 기반의 반채연성 모듈도 있습니다. 세포들은 일련으로 전기적으로 연결되어 원하는 전압으로 연결되고, 그 후 병렬로 연결되어 전류를 증가시킵니다. 모듈의 전력(와트)은 전압(볼트)과 전류(암페어)의 수학적 곱으로 결정되며, 빛의 양과 모듈에 연결된 전기적 부하에 따라 달라집니다. 태양 전지 패널의 제조 규격은 보통 설치 현장에서의 실제 운영 조건과는 다릅니다.
태양광 모듈의 후면에는 PV 접합박스가 부착되어 출력 인터페이스로 작동합니다. 대부분의 모듈은 MC4 커넥터를 사용하여 기상에 강한 연결이 용이하게 구성됩니다. USB 전원 인터페이스도 사용될 수 있습니다. 태양광 패널은 랙 구성 요소, 지지대, 반사자 모양, 트로프 등의 금속 프레임을 사용하여 패널 구조를 보다 잘 지원합니다.
태양광 모듈에서는 여러 개의 태양전지들이 모듈을 형성하기 위해 연결되어야 합니다. 전면 전극은 태양전지의 전면 광학 표면 면적을 약간 차단하지만, 태양광 전지의 효율을 최대화하기 위해 제조업체는 다양한 후면 전극 태양전지 연결 기술을 사용합니다. 이러한 기술로는 PERC, TOPCon, IBC 등이 있습니다. PERC는 광을 포착하기 위해 폴리머 필름을 추가하는 것이고, TOPCon은 PERC 필름에 산화층을 추가하여 더 많은 광을 포착합니다. IBC는 후면 전극과 전기적으로 연결된 핀을 이용하여 태양광 전지의 후면을 전부 사용하도록 합니다.
한 개의 태양광 모듈은 일정량의 전기를 생산할 수밖에 없습니다. 따라서 대부분의 설치는 다수의 모듈을 사용하여 전압이나 전류를 더해 발전량을 높입니다. 일반적으로 태양광 발전 시스템은 태양광 모듈 어레이, 인버터, 에너지 저장용 배터리 팩, 충전 컨트롤러, 접속 배선, 차단기, 퓨즈, 분리 스위치, 전압계 및 선택적으로 태양추적 장치가 포함됩니다. 이러한 장비는 출력을 최적화하고, 에너지 저장을 위해 전력 손실을 줄이고, 직류를 교류로 변환합니다.
스마트 태양광 모듈은 전통적인 태양광 패널과는 달리, 모듈에 내장된 전력 전자기기가 패널 레벨 최대 전력점 추적, 모니터링 및 향상된 안전성과 같은 기능을 제공합니다. 태양광 모듈의 프레임에 부착되거나 커넥터를 통해 태양광 회로에 연결된 전력 전자기기는 스마트 모듈로 제대로 간주되지 않습니다. 몇몇 기업들은 각각의 태양광 모듈에 최대 전력점 추적(MPPT) 파워 옵티마이저 등 다양한 내장형 전력 전자기기를 통합하고 있습니다. 이 기술은 그림자 효과로 인해 모듈의 일부 섹션에 그림자가 생기면 셀 스트링의 전기 출력이 거의 0에 가까워지는 셰이딩 효과를 보상하여 태양광 광전지 시스템에서의 전력 수확을 극대화하기 위해 개발된 DC-DC 컨버터 기술입니다. 데이터 및 결함 검출을 위한 태양광 성능 모니터도 스마트 모듈에 내장될 수 있습니다.
현재 대부분의 태양광 모듈은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘으로 만들어진 결정성 실리콘(c-Si) 태양전지를 사용합니다. 2013년에는 결정성 실리콘이 전 세계 PV 생산의 90% 이상을 선점했으며, 나머지 시장은 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레늄(CIGS), 비정질 실리콘(a-Si) 등의 박막 기술로 이루어져 있습니다.
신생 제 3 세대 태양광 기술은 고급 박막 셀을 사용하며 상대적으로 더 낮은 비용으로 높은 효율 변환을 제공합니다. 또한, 비용이 높고 효율이 높으며 밀도가 높은 직사각형 멀티젠(JM) 셀은 우주선의 태양 전지 패널에 사용됩니다. MJ-셀은 갈륨비소(GaAs) 및 다른 반도체 물질로 만들어진 복합 반도체이며, 공간으로 올려 올릴 때 생산되는 킬로그램 당 전력 생산 비율이 가장 높기 때문입니다. 또한, MJ-셀을 사용한 집광 태양광(CPV)도 신생 PV 기술 중 하나입니다.
얇은 필름 모듈에서는, 셀과 모듈이 같은 생산 라인에서 제조됩니다. 셀은 유리 기판이나 슈퍼스트레이트 상에 만들어지고, 전기적 연결은 "단일 통합"이라고 불리는 현장에서 이루어집니다. 기판 또는 슈퍼스트레이트는 캡슐화제로 덮여 다른 유리 시트와 같이 앞 또는 뒷면에 부착됩니다. 비정질 실리콘의 태양광 변환 효율은 6-12%입니다. 유연한 얇은 필름 셀과 모듈은 유연한 기판 상에 광활성층과 필요한 다른 층들을 증착하여 동일한 생산 라인에서 만들어집니다. 만약 기판이 절연체(예: 폴리에스터 또는 폴리이미드 필름)이면 단일 통합이 사용될 수 있습니다. 그러나 전도체일 경우 전기 연결을 위해 다른 기술이 필요합니다. 셀들은 앞면에 투명한 색 없는 플루오로폴리머 (예: 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 플루오로에틸렌프로필렌(FEP))로 적층하여 모듈로 조립되며, 뒷면에는 최종 기판에 접착 가능한 고분자로 적층 됩니다.
태양광 인버터는 태양 전지에서 제공하는 DC 전력을 AC 전력으로 변환합니다. 태양 전지의 최대 출력 전력 지점(MPP)은 최대 출력 전압(Vmpp)과 최대 출력 전류(Impp)로 구성됩니다. 최대 출력 전력 추적(MPPT)을 수행하는 태양광 인버터는 태양 전지에서 출력되는 I-V 곡선을 샘플링하고 적절한 전기적 부하를 가하여 최대 출력을 얻습니다. 태양 전지는 병렬 또는 직렬(스트링)로 인버터에 연결됩니다. 스트링 연결에서는 모듈의 전압이 더해지지만, 전류는 가장 낮은 성능을 보이는 패널에 의해 결정됩니다. 이를 "크리스마스 조명 효과"라고 합니다. 병렬 연결에서는 전압이 같아지지만 전류는 더해집니다. 인버터의 전압 요구 사항을 충족하고 전류 한계를 크게 초과하지 않도록 배치합니다. 마이크로 인버터는 각 패널이 가능한 최대 출력을 기여할 수 있도록 독립적으로 작동하지만 더 비싸질 수 있습니다.
효율
태양광 모듈은 표준 테스트 조건(STC)에서 측정된 직류 출력 전력으로 등급이 매겨지며, 현장 출력 전력은 이와 다를 수 있습니다. 전력은 일반적으로 100W에서 365W까지 범위가 있으며, 효율성은 같은 등급의 모듈에서 면적을 결정합니다. 따라서 8% 효율성을 가진 230W 모듈은 16% 효율성을 가진 230W 모듈의 두 배의 면적을 가지게 됩니다. 현재 상용 제품의 태양광 모듈 효율성은 21.5% 정도이며, 대부분의 경우 독립된 셀의 효율성보다 낮습니다. 가장 효율적인 대량 생산 태양광 모듈은 175 W/m2까지의 전력 밀도 값을 가지고 있습니다.
모듈의 전류 대 전압 곡선은 모듈의 전기적 성능에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 제조 공정은 종종 같은 유형의 셀에서도 다른 모듈의 전기적 매개 변수에 차이를 일으킵니다. 따라서 I-V 곡선의 실험 측정만이 광전자 장치의 전기적 매개 변수를 정확하게 결정할 수 있습니다. 이 측정은 광전자 시스템의 설계, 설치 및 유지 관리에 매우 유용한 정보를 제공합니다. 일반적으로 광전자 모듈의 전기적 매개 변수는 실내 테스트에 의해 측정됩니다. 그러나 실외 실험은 비싼 인공 광원이 필요하지 않으며, 샘플 크기 제한이 없으며, 보다 균일한 샘플 조명이 가능하다는 중요한 장점이 있습니다.
Spectrolab은 Boeing의 자회사로, 다중접합체 태양전지의 효율성이 40% 이상이라는 새로운 세계 기록을 보고했습니다. 또한 Spectrolab의 과학자들은 미래에 집속 태양전지가 45% 이상 또는 50%까지 효율성을 달성할 수 있을 것으로 예측하고 있으며, 세 접합체 이상의 셀에서 이론적인 효율성은 약 58% 정도 된다고 합니다.
태양 전지 패널의 용량 요소는 지리적 위도에 따라 제한되며 구름, 먼지, 일조 시간 및 기타 요소에 따라 크게 달라집니다. 영국에서 계절별 용량 요소는 2% (12월)에서 20% (7월) 범위 내에 있으며, 연간 평균 용량 요소는 10-11%이며, 스페인에서는 18%까지 달할 수 있습니다. 전 세계적으로 유틸리티 규모의 태양광 발전소의 용량 요소는 2019년에 16.1%였습니다.
태양광 모듈의 효율은 태양광 복사량에 영향을 받습니다. 태양광 모듈은 일반적으로 모든 태양 복사 에너지를 활용하지 못하며 특히 자외선, 적외선, 낮은 밝기의 빛은 활용하지 못합니다. 이로 인해 많은 태양광 에너지가 낭비됩니다. 태양광 모듈의 효율을 높이기 위해 빛을 여러 색으로 분리하여 각각 다른 파장대의 태양전지에 투사하는 디자인 개념이 있습니다. 이러한 방법으로 태양광 모듈의 효율을 50% 이상 높일 수 있습니다.
유지 관리
태양광 패널의 전환 효율성은 보통 20% 정도이지만, 먼지, 오염물, 꽃가루 등 태양광 패널 위에 쌓이는 모든 입자들이 소일링이라고 불리며 전력 손실을 일으킵니다. 미국 휴스턴 대학 물리학 부교수이자 나노에너지 연구소 소장인 세이머스 커런은 "먼지와 꽃가루가 많은 사막 지역에서는 태양광 패널이 오염되면 전력 생산 능력이 최대 30%까지 감소할 수 있다"며 설명합니다. 솔라 패널 청소 방법은 수동, 기계 도구, 설치형 시스템 설치 로봇 시스템 및 전개형 로봇으로 나눌 수 있습니다. 수동 청소 도구가 가장 많이 사용되는 방법입니다. 설치 로봇 시스템, 설치 유압 시스템이 솔라 패널 청소에 가장 유망한 기술일 것입니다.
장점과 단점
태양광 발전은 대기오염 등으로 인한 전반적인 환경파괴가 거의 없어 친환경적입니다. 또한, 대형 발전기에 비해 부품별 모듈화가 되어있어 고장 시 수리가 용이하고, 유지보수 비용이 저렴합니다. 또한, 발전 과정에서 대형 사고가 발생할 위험이 거의 없으나 유지보수 과정에서 안전사고가 발생할 가능성은 있으므로 안전을 간과해서는 안 됩니다.
신재생 에너지 중 태양광 발전은 부지 제약이 다소 적고 일반인들이 쉽게 이용할 수 있습니다. 특히 시골에서 인프라 확충 없이 설치가 가능하여 주민들이 전기를 얻을 수 있고, 남은 전기를 팔아 수익을 내기도 합니다. 설치 비용도 저렴해졌으며 효율성도 높아졌습니다. 태양광 발전 비용이 저렴해지면서 전 세계적으로 확산되고 있습니다. 단점으로는 발전량이 최대가 되는 시간대가 있으나, 대한민국은 정오에 가까울수록 전력 수요가 증가하고 멀어질수록 전력 수요가 감소하는 특징이 있어 극복할 수 있습니다. 따라서 태양광은 주로 첨두부하를 담당하는 방식으로 사용됩니다.
마치며
태양광 발전은 친환경에너지의 선두 주자이며 높은 단위 면적당 에너지 생성량을 가진 기술은 맞습니다. 다만 우리나라의 지형과 기후가 태양광 에너지 효율을 뽑아내는데 적합하지 않고 날씨에 따른 출력 편차, 전기단가의 변동성, 온도에 따른 효율성 및 미관, 폐기물 관리등 풀어야 할 숙제가 더 많은 발전 에너지 방법인 것이 사실입니다.
어떤 획기적인 기술이 적용되어 더 발전해 나갈지 지켜봐야겠습니다.
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