[특별기고] 태양광발전 기술(1)-태양광 발전시스템(PV) 개요

(주)에스에너지 (02)801-7155 최근 고유가 지속과 지구온난화로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 정부의 적극적 육성정책에 발맞춰 많은 기업들이 투자확대 및 수출산업화에 나서고 있는 실정이다. 이에 본지는 급성장하고 있는 태양광 발전 기술분석 원고를 통해 독자들의 이해를 돕기로 한다. -편집자주 태양광발전 시스템의 구성 지구 표면에 도달하는 태양에너지의 양은 연간 전세계 에너지 소비의 약 1만 배에 이르고 있다. 이러한 무한한 태양에너지를 직접 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식이 태양광 발전이다. 태양광 시스템은 기본적으로 반도체의 성질을 이용하여 빛을 전기로 바꾸어 준다. 태양광 시스템은 빛을 받아서 전기로 전환시켜 주는 부분인 태양전지모듈과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 계통에 연결시켜 주는 부분인 PCS로 구성된다. 태양광 시스템의 구성 요소 중 핵심 부품인 태양전지는 기본적으로 반도체 소자 기술로서 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행하는데, 이는 전기를 빛으로 변환시키는 레이저나 발광 소자(LED) 등 정보 표시 소자와 작동 방향이 반대일 뿐 기본 구조나 재료특성이 동일하다. 태양전지의 종류는 일반적으로 결정질실리콘태양전지, 박막태양전지, 염료감응태양전지, 유기화합물 태양전지 등이 있다. 현재 시장의 90% 이상을 차지하는 결정질실리콘태양전지는 실리콘 소재로 제작되며 현재 상용화된 결정질 태양전지 제품의 효율은 15%~18% 정도이다. 이는 한낮에 태양빛의 세기가 1kW/㎡ 이니까 효율 15%인 태양전지를 사용하면 0.15 kW/㎡ 의 전력을 얻는다는 의미이다. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5V로 매우 작으므로 여러 개를 직렬, 병렬로 연결하여 수 V에서 수백 V이상의 전압을 얻도록 하고 패널 형태로 제작한 것을 모듈이라고 한다. 이 모듈을 여러 개로 이어서 용도에 맞게 설치한 것을 어레이라고 한다. 태양광발전용 전력변환장치는 크게 인버터와 전력제어장치로 구성되어 있으며 태양전지 어레이로부터 발생된 직류전력을 상용주파수·전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계하는 역할을 수행하며 동시에 시스템의 직류, 교류 측의 전기적인 감시·보호를 하는 등 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 요소이다. 태양광 시스템 설계 및 설치의 경우 태양광을 최대한 활용하기 위한 경사각 및 방위각을 위한 설계, 계통연계를 위한 설계, 사후관리를 위한 설계 등 시스템 효율의 최적화를 위한 사항들이 검토되어야 한다. 태양광발전시스템은 계통연계형(Grid-Connected System)과 독립형(Hybrid System, Stand-alone System)으로 대별할 수 있다. 가. 계통 연계형(Grid-Connected System) 주택용이나 상업용 태양광 발전의 가장 일반적 인 형태이며 지역 전력 계통과 연계되어 장비에서 생산된 전력 중 초과되는 부분을 지역 전력 사업자에 판매할 수 있도록 구성된다. 차액보전 제도가 있는 국가에서는 일반 전기료 보다 비교적 높은 가격으로 시스템에서 생산된 전기를 구입하여 준다. 독일 또는 스페인과 같은 나라가 차액보전 제도를 시행하는 대표적인 시행국가이며 현재 우리나라에서도 시행되고 있다. 나. 독립형(Hybrid Sytem, Stand-alone System) 지역 전력 계통과 완전히 분리된 발전방식으로 충전장치와 축전지에 연결시키거나 디젤발전 및 풍력 등과 연계되어 생산된 전력을 저장하고 사용하는 방식이다. 인버터를 통해 중앙전력장치 없이 생산된 전력을 직접 일반 전기제품에서 사용할 수 있도록 직류전압을 교류전압으로 바꾸어준다. 오지, 도서지역의 주택 전력공급용이나 통신, 양수펌프, 백신용의 약품냉동보관, 안전표지, 제어 및 항해 보조도구 등 소규모 전력공급용으로 사용된다.

태양광발전의 장점 ① 환경적합성 : 배가스, 폐열 등 환경오염과 소음이 없음(석탄화력발전 대비 약 240 g-carbon/kWh 절감) ② 연료, 냉각수 불필요 : 에너지-자원 보존, 입지상의 제약이 적음 ③ 모듈화 : 발전용량의 신축성, 발전시설의 유동성 ④ 단기건설기간 : 수요증가에 신속 대응 가능 ⑤ 부하 패턴 적합성 : 첨두부하 경감, 공급예비력 감소에 효과적 대응 ⑥ 무보수성, 고신뢰성 : 무인 자동화 운전 가능, 운전 비용 절감 태양광발전의 단점 ① 대면적 필요 : 일사량에 의존, 대규모 발전에 대면적이 필요 ② 낮은 이용률 : 야간, 우천시에 발전 불가능 ③ 일사량 의존성 : 일사량 변동에 따라 출력이 불안정 ④ 고출력 불가능 : 공급가능 출력에 한계, 급격한 전력수요 대응 불가 ⑤ 고가의 발전단가 : 태양광 시스템을 통한 전기 발전단가가 고가 신재생에너지의 발전단가는 현재의 화석연료의 발전단가보다 높은 실정이다. 이는 태양광발전의 경우도 마찬가지다. 이러한 이유로 인해 태양광발전을 포함하는 신재생에너지는 보급의 활성화를 위해 정부에서 일정한 혜택을 부여하고 있는 정부주도형 사업이다. 독일, 일본, 미국 등 선진국의 경우도 이러한 정부의 지원제도를 통하여 태양광 산업을 육성시키고 있다. 국내의 경우도 2003년 12월 '제2차 신·재생에너지 기술개발 및 이용·보급 기본계획'을 수립하여 2012년까지의 신재생에너지에 대한 지원 및 정부의 보급 목표를 설정하여 추진 중에 있다. 정부는 본 계획서 상에서 신·재생에너지 보급목표를 2010년 OECD 평균 전망치를 감안하여 2006년 1차 에너지 소비량의 3%, 2011년 5%로 설정하고 있다. 국내 태양광 분야에 대해 정부는 보급지원제도 및 기술개발지원, 기반조성사업 등 다양한 정책적인 지원을 하고 있다. 결정질태양전지모듈 2007년 현재 세계 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있는 결정질태양전지모듈의 생산을 위한 산업구조는 다음과 같이 크게 4대 분야로 구분할 수 있다. ① 소재분야 : 결정질태양전지 및 반도체의 원료가 되는 폴리실리콘을 생산하는 공정 ② 잉곳 및 웨이퍼분야 : 원료인 폴리실리콘을 이용하여 결정질태양전지 및 반도체의 기판인 웨이퍼를 생산하는 공정 ③ 태양전지 분야 : 웨이퍼를 이용하여 Etching, Doping, A/R Coating, Printing등의 공정을 통해 태양전지를 생산하는 공정 ④ 태양전지모듈 분야 : 일정출력을 발생시키기 위해 여러 개의 태양전지를 연결하여 Tabbing & String, Lamination, Curing, Assembly등의 공정을 통해 태양전지모듈을 제조하는 공정 결정질태양전지모듈은 일반적으로 유리(glass)/ 충진재(EVA)/ 태양전지소자(cell)/ 충진재(EVA)/ 표면재 (back 시트)의 형태로 구성되어 있으며, 표면재(back 시트) 대신에 유리나 알루미늄 판재 등을 사용하기도 한다.

태양전지모듈 태양전지모듈은 일반적으로 일반모듈과 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 구분할 수 있다. 일반모듈은 태양광주택 및 태양광발전소 등 일반적으로 널리 사용되고 있는 모듈이다. BIPV는 세계적으로 관심이 집중되고 있는 분야로 태양전지 모듈을 건축물에 직접 적용할 수 있도록 건축물 자재와 일체화시킨 모듈이다. BIPV모듈은 건축자재 기능과 전력생산기능이라는 두 가지 복합 기능을 포함하고 있으며, 지붕 마감재, 창호, 벽면마감재 등 다양한 형태의 제작이 가능하다.

BIPV 시스템은 설치형태에 따라 크게 지붕형, 벽면형으로 나눌 수 있으며, 자연채광이 가능하여 건물의 디자인적인 요소를 향상 시킬 수 있다. 현재의 고가의 신재생에너지 발전전원의 투자경제성 확보를 위하여 정부가 정한 기준가격과 계통한계가격( SMP : System Mariginal Price )과의 차액을 지원함으로 안정적인 발전소 운영이 가능토록 하여 신재생에너지 사용을 활성화하기 위해 발전차액 지원제도를 시행하고 있다. 독일 및 스페인, 미국 등 선진국도 이와 같은 발전차액지원제도(Feed in teriff)를 실행하여 보급 활성화를 추진하고 있다. - 기준가격 보장기간 (15년) - 감소율이란 사업개시시점에 따라 적용되는 것이며 기 가동중인 사업자에게는 적용되지 않음 - 매년 감소율 적용시점은 10월 11일임 - 전원별 발전차액 적용용량 한계 : 태양광(100MW) - 적용용량 한계 만료 후 에너지관리공단에 설치 확인 받은 발전소의 전력에 대하여는 SMP로 전량 구매(07년(상) SMP 평균(84원/kWh) 정부의 발전차액지원제도 실시 이후 국내의 태양광 발전소 건설은 급속도로 증가하여 2007년 10월 18일 현재 총 150개의 발전소가 운용되고 있으며 발전용량으로는 26,160 kW에 이르고 있다. 현재 잔여 지원 용량 73,840 kW에 대한 태양광 발전소 건립이 추진될 예정이어서 국내 태양광 시장은 지속적으로 성장할 전망이다.