신재생에너지의 원리3. 태양광 에너지의 사용원리(태양광 발전의 종류)

SKA'       들어가며

원본사진 : freefotouk

 화석연료의 사용으로 이루어낸 산업혁명은 지구의 환경파괴라는 결과를 낳았고, 정보화 사회가 일어나는데 큰 힘을 더했던 원자력 발전은 방사능이라는 전세계적인 위협으로 다시 우리에게 칼을 돌리고 있습니다. 일본 대지진 때 일어난 원전 사고는 원전을 반대하는 사람이든 찬성하는 사람이든 원자력은 위험한 에너지라는것에 찬성하게 만들었죠. 

 그러나 발전과 인구의 증가는 어쩔수 없이 전기의 사용증가와 이어지게 되었으며 에너지를 만들어내는 대책이 필요하게 되었습니다. 환경을 파괴하지않고, 인간을 더이상 위협하지 않는 새로운 에너지원의 개발이 시급하다고 할 수있겠네요.

 이미 정부와 학계에서는 신재생에너지의 개발에 박차를 가하고 있습니다. 사실 대기업은 아직 태양광발전 패널에만 진출해 있지요. 나머지 에너지원은 중소기업의 몫입니다. 왜일까요? 여기에 대한 답은 시리즈 포스팅의 마지막에 신재생에너지원에 대한 종합과 간단하게 각 에너지가 갖는 경제성 분석을 통해서 고찰해 보도록 합시다.

 현재 주류를 이루고 있는 신재생에너지 시스템에 대한 이해는 공학과 자연과학을 공부하는데 큰 자극이 될 것이며, 면접에서 혹시 나온다면 도움이 많이 되겠지요. 실제로 여러 기업에서는 채용한 인재들에게도 교육을 실시하고 있다고 합니다. 알아서 손해될게 없는 지식입니다.

본 포스팅은 시리즈물로 다음과 같은 순서로 발행할 계획입니다.

1. 신재생에너지 - 태양열 에너지의 사용 원리(급탕,난방)

2. 신재생에너지 - 태양열 에너지가 갖는 경제성 분석 해보기

3. 신재생에너지 - 태양광 에너지의 사용 원리(발전)

4. 신재생에너지 - 태양광 에너지가 갖는 경제성 분석 해보기

5. 신재생에너지 - 지열 에너지의 사용 원리

6. 신재생에너지 - 풍력 에너지의 사용 원리

7. 신재생에너지 - 연료전지의 사용 원리

8. 신재생에너지 - 지열, 풍력, 연료전지의 경제성 분석 해보기

9. 신재생에너지 - 가장 좋은 신재생에너지원은 무엇일까? (각 에너지원의 장단점 및 결론)

모든 자료는 에너지관리공단의 신재생에너지센터에서 공개한 자료를 토대로 작성할 예정입니다. 제가 몇년간 했던 일이 신재생에너지 설비 설계였으니 아마 인터넷을 돌아다니는 정보들보다는 현업과 현실성에 가장 맞지 않을까 조심스럽게 자신해봅니다.

SKA'       태양광 에너지의 사용원리

태양열 에너지가 태양의 복사에너지를 열로 전환하여 사용하는 방식이었다면, 태양광 발전은 말 그대로 태양의 빛에너지를 이용하여 전기로 전환하여 사용하는 방식입니다.

반도체에 태양빛을 쬐게되면 전류가 흐르는 원리를 이용한 것인데 PN반도체 접합방식이 가장 대표적입니다.

아주 간단하게 설명하면, PN접합에서 빛에너지가 가해지면 N쪽으로 전자가 이동하면서 전류가 흐르는 것입니다. 그리고 우리는 그 전기에너지를 사용하면 되는것이죠. 

시스템의 대략적인 구성은 다음과 같습니다.

태양광 모듈에서는 태양의 빛에너지를 전류로 바꾸어 전기를 생산합니다.

그 에너지의 사용방식에는 두가지가 있는데요, 독립형과 계통연계형입니다.

독립형은 태양광 발전을 해서 전기에너지를 사용하고, 남은 전기는 배터리에 저장하였다가 또 필요할 때 빼내어 쓰는 방식입니다. 전기 공급이 원활하지 않는 도서지역이나 산간지방, 도심에서 많이 떨어진 곳에서들 많이 사용하는데 요즘에 전기 안들어가는 곳이 어디있나요? 우리나라에서는 사실 거의 안쓰이더군요.

계통연계형은 요즘 많이들 설치하는 방식입니다. 전기에너지를 생산해서 사용하고 남은 전기에너지는 전봇대를 통해서 발전소로 되돌려 보내는 것입니다. "전기 계량기가 거꾸로 돌아간다 ." 라는 말은 이것을 두고 하는 말입니다.

그리고 발전이 여의치 않아 태양광 발전으로 용량이 부족할 경우 전주에서 전기를 받아서 사용합니다.

여기서 한가지 알아두셔야 하는것은 우리가 가정에서 사용하는 전기는 교류전기 (AC)라는 것입니다. 그런데 태양광 발전에서 생산되는 전기는 직류(DC)전기 이죠. 직류를 교류로 전환하여 주는 장치가 필요한데 이것을 인버터, 태양광발전에 사용되는 인버터를 태양광 인버터라고들 부릅니다. 그런데 계통연계형의 경우에 왜 전봇대에서 받는 전기가 인버터를 통과하지 않는지 아시겠나요?

그림에서는 빠졌지만, 전기에너지의 상황을 판단하여 배터리로 보낼지, 다시 빼내어 쓸지, 기존전원으로 전환작동을 할지를 결정하는 것이 태양광 컨트롤러입니다. 전원상황을 파악하여 적절한 장비로 전환작동하여 전기의 사용이 끊김이 없도록 조절하는 역활을 한다고 보면됩니다.

SKA'       종류별 분류

결정질이니 뭐 이런 복잡한 분류는 하지 않겠습니다. 잘쓰지도 않고 저도 사실 그쪽으로는 잘 몰라요.ㅋ

모듈의 종류에 따라 

반투명 모듈과 투명모듈을 사용하는 방식

태양 빛을 추적하는 것이 가능한지에 따라서 

고정식과 추적식

배터리와 한전연계여부에 따라서 

독립형과 계통연계형

으로 크게 분류되겠습니다.

SKA'       모듈의 설치방식에 따른 분류

일반적으로 많이 쓰는것은

태양광 모듈의 설치방식에 따라서 반투명한 모듈을 사용하여 지붕에 설치하는 방식과,

투명한 모듈을 사용해서 유리나 외장재를 대체해서 벽면이나 인테리어와 어울리도록 하는 방식이 있습니다.

우리나라같은 중위도에 위치하는 나라의 경우는 태양이 떠오르는 각도가 그리 높거나 낮지 않아서 수평이나 수직한 설치각도가 지붕에 경사지게 설치하는 방식보다 효율이 클지는 의심스럽군요.

효율면에서는 경사지게 지붕에 올리는 방법이 뛰어나고,

인테리어나 경관면에서는 벽면에 설치하는 투명모듈에 점수를 주고싶습니다.

   

왼쪽은 경사지게 설치된 반투명 태양광 모듈, 오른쪽은 일본 카나자와 역사의 유리투명모듈사진입니다.

SKA'       태양빛의 추적이 가능한지에 따른 분류

그다음 고정식과 추적식이 있습니다. 고정식은 위의 그림처럼 모듈을 남향으로 고정시켜놓는 것입니다. 추적식은 해바라기처럼 태양을 따라서 모듈이 따라 움직이도록 하는것입니다. 조금의 에너지라도 더 세이브 할 수 있도록 하는 것인데 모듈을 움직이는데에도 에너지가 사용되어야 하니까 얼마정도의 효율이 남는지를 계산하고 선택하는 것이 중요합니다.

10%의 효율을 올리기 위해서 9%의 에너지가 소비된다면 굳이 비싼돈을 주고 할 필요가 있을까요? 

선택하기전에 생각을 해보자는 것이지 에너지효율이 떨어진다는 것은 절대 아닙니다.

태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지니까 태양광모듈도 태양빛에 수직하도록 움직여주면 되겠습니다.

SKA'       남거나 모자라는 전기에너지 사용방식에 따른 분류

그리고 유휴전기에너지의 처리나 보조하는 방식에 따라서 독립형과 계통연계형으로 나눌 수 있습니다.

앞서 설명한 것처럼 독립형은 배터리에 여유전기에너지를 저장하고 필요할때 빼내어서 사용하는 방식,

계통연계형은 발전소와 연계되어 남는 에너지는 되돌려 보내고, 모자라는 에너지는 받아서 보충하는 방식입니다.

독립형 태양광 발전은 남는 전기에너지는 배터리에 저장하고 일조건이 안좋아서 태양광에너지가 부족할때는 배터리에서 꺼내 쓰는 방식입니다.

우리가 자주 보는 태양광 가로등 같은 경우 대부분 독립형 태양광 발전인 경우가 많습니다.

계통연계형 태양광 발전은 남는 전기에너지는 전봇대를 통해서 발전소로 되돌려 보내고, 태양광 전기가 부족할 때는 원래 쓰던대로 발전소에서 전기를 충당하는 방식입니다.

간단한 원리하고 종류를 알아보았습니다. 다음에는 태양광 발전을 해서 생상해 낼수있는 에너지 대비 설치비용을 대략적으로 비교해보겠습니다.

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