태양이 1년 동안 지구에 보내는 빛 에너지는 전 세계 인류가 10000년 이상 사용가능하다고 연구 결과가 나왔다. 또한 최근에는 화석연료의 고갈과 유가의 고공행진, 지구온난화현상 등 기후변화에 대응하기 위해 대체에너지 기술 개발과 사용은 전 세계 지구인들의 당면 과제이며 의무라 할 수 있다. 그만큼 신재생에너지를 이용하려는 노력이 세계적으로 급속히 확대되고 있다.
태양광 발전에 대해
내가 앞으로 논할 내용은 신재생에너지 중 하나인 태양광발전에 대해서이다. 태양광발전을 간단하게 말하자면 발전기의 도움 없이 태양전지를 이용하여 태양빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다. 그렇기 때문에 에너지가 고갈되지 않을 뿐더러 환경적인 면에서도 긍정적이다. 하지만 우리나라는 다른 선진국에 비해 재생가능에너지 보급이 미미하다.
그 이유를 살펴보자면 재생에너지의 증가율만큼 늘고 있는 총 에너지 소비 증가율 때문이다. 총 에너지 소비가 증가하는 것은 정부 기간이 에너지(전력, 석유, 가스, 석탄, 원자력 등)를 거의 독점적으로 공급하는 국가 시스템과 정책에서 그 원인을 찾을 수 있다(우리나라 전기의 95%는 국가 공기업에서 공급하고 있다). 그렇기 때문에 에너지 공급기업을 다방면으로 확대하여 여러 곳에서 에너지를 공급한다면 이 점을 해결할 수 있을 것이다. 본론으로 다시 돌아와서 이번 과학논문 주제인 ‘태양광 발전의 특성’을 원리, 종류, 장단점, 전망 순으로 논하겠다.
태양광 발전 원리
일단 태양광발전의 원리는 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식이다. 이러한 태양광발전의 핵심은 일반적으로 pn접합구조를 가진 태양전지로서 외부로부터 광자가 태양전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자와 정공의 쌍이 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 전하는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 되는 것이다.
이러한 원리를 갖고 있는 태양광 시스템은 크게 3가지가 있는데, 계통연계형, 독립형, 주택형이 있다.
먼저 계통연계형의 태양광 시스템은 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템을 말한다. 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나 태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통 전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전력이 발생할 경우 계통전원으로 역 전송하도록 하는 방식이다.
독립형의 태양광 시스템은 야간이나 태양광이 적을 때 전력을 공급하기 위한 축전 설비를 갖추고 있어, 태양광 발전이 가능한 기간 동안 축전지에 전력용 전력을 저장하였다가 사용하는 방식이다. 태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤 발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발전 시스템으로도 활용이 가능하다.
마지막으로 주택형의 태양광 시스템이 있는데 이것은 건물 외피에 전자판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전 시스템이다. BIPV는 창호나 벽면, 발코니 등 건물 외관에 태양광 모듈을 장착하여 자체적으로 전기를 생산하고, 건축물에 바로 활용하고 도와주는 기능을 한다.
태양광 발절 장점
이런 친환경적인 태양광 발전시스템의 장점은 크게 5가지로 나눌 수 있다.
먼저 태양에너지원은 청정하고 무제한이다. 당연히 태양에너지는 석유나 석탄 등 환경을 오염시키는 것들을 사용하지 않아 청정하다. 또한 태양의 수명은 약 100억년 정도이고 현재로서 남은 수명은 50억년 정도인데, 50억년동안은 무한정으로 사용할 수 있고, 만약 태양이 수명을 다한다면 초신성이라는 큰 폭발을 하게 되는데, 그러면 그에 속해있던 행성들은 멀쩡하지 못하고 태양과 같이 소멸 될 것이다. 우리가 살고 있는 지구도 마찬가지라는 것이다.
둘째, 필요한 장소에서 필요한 양만 발전 할 수 있다. 우리 해송고등학교에서도 볼 수 있듯이 태양전지가 옥상에 깔려있다. 그렇기에 이 태양전지를 사용자가 필요한 양만큼 깐다면 필요한 장소에서 필요한 양만큼 발전 할 수 있다는 의미이다.
셋째, 유지보수가 용이하고 무인화가 가능하다. 태양전지만 직사광선을 잘 받는 장소에 깔아 놓는다면, 일일이 확인해야 되는 파력발전등과는 달리 저절로 에너지가 공급될 뿐더러 고정되어 있어 무인화가 가능하다.
넷째, 태양광 발전을 한번 설치하면 20년 이상의 장수명을 가지고 있다. 내부에 설치해야 하는 것들은 많고 복잡하지만 한번 설치하고 20년에 1번씩 태양전지만 교체해준다면 엄청나게 효율적인 신재생에너지인 것이 분명하다. 마지막으로 건설기간이 짧아 수요 증가에 신속히 대응할 수 있다.
풍력발전이나 화력발전과 같은 신재생에너지는 설치하는 비용이 많이 들뿐더러 건설기간이 매우 길어 반대로 손해보는 경우도 많다. 하지만 태양광 발전시스템은 건설기간이 짧아 이익을 보는 기간이 훨씬 길기 때문에 수요 증가에 신속히 대응할 수 있다.
단점
하지만 이에 반해 태양광 발전시스템의 단점도 5가지가 있다. 그렇기에 어느 뉴스에서 보도된 바와 같이 태양광 발전이 비효율적이라는 의견도 종종 있다.
먼저 전력생산이 지역별 일사량에 의존한다는 것이다. 남부지방은 당연히 일사량이 높아 효율적일 수 있지만 북부지방은 일사량이 낮아 비효율적인 대체에너지 기술이다. 그렇기에 전력생산이 태양광 발전에만 의존한다면 남부지방은 엄청나게 발전하겠지만, 반대로 북부지방은 쇠태하게 될 것이다.
둘째, 에너지밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하다. 다른 에너지원에 비해 면적 대비 당 발생하는 에너지가 낮은 만큼 에너지원을 많이 설치해야 된다는 단점이 있다. 예를 들면 우리 학교 옥상을 보면 알 듯이 태양전지가 많이 펼쳐져 있는 것을 볼 수 있다. 그에 반에 풍력발전과 비교해 보았을 때 생산하는 에너지의 양은 매우 적다.
셋째, 설치장소가 한정적이고 시스템 비용이 고가이다. 태양광 발전 시스템을 구성하는 것은 태양으로부터의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지 모듈, 태양전지 모듈에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환시키는 인버터(전력변환장치), 적정한 전기적인 부회를 각각의 전기 소모품에 제공하는 분전반, 외부로부터 들어온 전력량 및 외부로 나간 전력량을 측정하는 전력량계과 직류 분전반 계통연계형 버터등 많은 것이 필요하고 이것의 비용 또한 고가이다. 그리고 태양이 잘 드는 곳에만 설치해야 이익을 보기에 설치장소가 매우 한정적이다.
넷째, 초기 투자비와 발전단가가 높다. 앞서 말했듯이 많은 양을 설치하는 것에 반해서 생산하는 에너지의 양은 매우 적기 때문에 많은 에너지를 생산하려면 발전단가가 높을 수밖에 없다. 또한 태양전지 모듈, 인버터, 분전반 등 많은 부품들을 사용해야 하기에 설치할 때 초기 투자비가 많이 든다.
마지막으로 일사량 변동에 따른 출력이 불안정하다. 날씨가 맑을 때면 용이하게 쓰이겠지만, 비가 오거나 날씨가 흐리거나 또는 해가 져 밤이 된다면 태양광을 쓸 수가 없기 때문에 결론치로 나오는 출력이 불안정하다.
하지만 나는 이러한 단점들이 있음에도 불구하고 태양광시장의 전망을 밝다고 믿는다. 그 이유는 작년 2015년에 태양광 발전 수요는 전년 대비 30% 늘어나는 반면 모듈 가격은 한 자릿수 하락에 그칠 것으로 전망되기 때문이다. 따라서 길고 길었던 불황의 터널을 뚫고 나올 수 있을 것으로 기대되는 상황이다. 중국과 일본, 미국이 전 세계 태양광 발전 수요를 견인하고 있을뿐더러 장기 전망도 좋다. 국제 에너지 기구는 재작년에 발간한 세계 에너지 전망 2014 보고서에서 2050년 태양광 발전이 전체 발전량에서 차지하는 비중은 26%가 될 것으로 전망했다. 이는 2010년 전망치(22%)대비 상향 조정된 것으로 최근 태양광 산업의 성장 기대감을 잘 나타낸다.
앞서 내가 조사한 내용들을 정리하자면 태양광 발전 시스템은 청정하고 무제한으로 쓸 수 있으며 유지보수가 용이하고 무인화가 가능하다는 등의 많은 장점들을 가지고 있지만 다른 면에서 보면 일사량 변동에 따른 출력이 불안정 하고 설치장소가 한정적이고 초기 투자비와 발전단가가 높은 단점을 가지고 있다.
하지만 이러한 많은 단점들로 인해 태양광발전이 비효율적인 것이 아니냐는 많은 주장들이 나오고 있지만, 현재 우리가 의존하는 석유나 석탄을 아껴 써도 50년 이내에는 없어질 것이라고 생각을 한다. 그래서 대체에너지는 무조건 필요한 아이템이라고 생각을 하고, 많은 신재생에너지가 있음에도 불구하고 굳이 태양광에너지를 고집하는 이유는 태양은 엄청난 에너지를 가지고 있을뿐더러 무의미하게 사라지는 에너지가 어마어마하다.
그렇기에 그러한 에너지를 방출되게 냅두지 말고 낭비되는 태양에너지를 잡게 된다면 많은 에너지들이 공급될 수 있기 때문이다. 또한 우리학교에서 태양전지를 사용하는 바와 같이 한번 설치를 해두면 향후 20년간은 계속 사용할 수 있기 때문에 어떠한 신재생에너지들 보다 용이하게 사용할 수 있다고 생각이 든다.
그래서 파력에너지, 조력에너지, 파랑에너지 등 많은 신재생 에너지의 비용을 절감하고 태양광 발전에 더욱 투자하여 발전시킨다면 오히려 지구의 기온은 떨어져 지구온난화의 예방까지 할 수 있다는 생각이 들었다. 또한 시중에서도 많은 태양전지를 팔고 이제는 건전지가 아닌 태양전지를 사용한다면 우리 미래는 밝을 것이라고 나는 확신한다.
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