[태양광에너지 보급 및 기술개발 동향 3]

집광형 태양광 발전의 특징과 설치 사례

번역·정리 김대근 기자

태양광 발전은 화석연료의 고갈에 대비한 유망 대체 에너지원으로서 또 지구환경 문제의 해결에 기여하는 청정 에너지원으로서도 주목을 받고 있는 분야이다. 대체 에너지원의 역할을 수행하기 위해서는 발전의 고효율화가 필수 불가결하다. 태양전지를 고효율화하는 방법으로서 ‘다접합화’라고 불리는 개념이 오래 전부터 제창되어 왔다.([그림 1] 참조) 이것은 높은 밴드갭(Band Gap) 재료로 높은 에너지의 광자를 이용하고, 이에 흡수되지 않는 저 에너지 광자를 낮은 밴드갭 재료를 사용하여 전력으로 변환하는 방법이다. 출력전류는 입사광자수에 비례하며, 여기에 전압도 상승하기 때문에 전력(전류×전압)은 집광배율 이상으로 증대된다. 즉, 효율도 증대된다. 미국 국립 재생가능에너지 연구소(NREL)가 정리한 각종 태양전지셀의 최고 효율 기록의 추이에 따르면, 기술의 진보와 더불어 효율이 해마다 상승하는 경향이 있지만, 대부분의 셀이 효율 20%를 넘어가는 즈음에서 주춤하는 경향을 보인다. 단, 집광형 태양광 발전에 이용되는 다중 접합형(Multijunction Cell)의 경우, 40%를 넘어도 효율이 떨어지는 경향은 보이지 않는다. 또 최근 44.4%의 고효율을 가지는 셀(발전소자)이 독립행정법인 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)가 주도하는 일본과 유럽의 국제 공동연구 성과로서 발표된 바 있다. 집광형 태양광 발전에 사용되는 다접합 화합물계 셀은 그 높은 신뢰성과 발전효율 때문에 인공위성용 태양전지로서 현재 널리 이용되고 있다. 또 집광형 셀을 이용한 실제 발전설비도 2008년 이후 국내외에서 조금씩 설치가 진행되고 있다. 그리하여 이 장에서는 집광형 태양광 발전이란 어떠한 것인가에 대해 구체적인 예를 들어 소개해보기로 한다.

 

 

집광형 태양광 발전 시스템의 개요

집광형 태양광 발전의 제1특징으로 [사진 1]에서 보이는 것처럼 기존형의 태양전지와는 외견에서부터 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 윗면이 남색 또는 검은색의 패널이 아닌, 투명렌즈로 덮여있다. 해외에서는 집광수단으로서 반사경(오목 거울)을 채용하는 예도 있지만, 주류는 [사진 1]에 나타난 플라스틱제의 프레넬 렌즈를 채용한 것이다. 제2의 특징으로는 태양광의 추적을 들 수 있다. 이것은 패널을 태양의 움직임에 맞춰 항상 태양을 향해 정면으로 마주보게 하는 것이다. 시간이나 계절에 따라 방향이 바뀌기 때문에 [사진 1]과 같이 기존형의 태양광 발전과는 전혀 다른 형태가 되었다. [그림 2]에일반적인 솔라 패널(태양전지판)에 상응하는 집광 모듈의 기본구조를 나타냈다. 윗면을 덮고 있는 것은 돔형의 프레넬 렌즈이며, 태양광을 집광하는 역할을 하고 있다. 집광된 빛은 호모지나이저(Homogenizer, 均質器)라고 하는 2차 광학계를 경유하여 셀이라고 불리는 발전소자에 균등하게 조사되어 전력으로 변환된다. [그림 3]에서와 같이 입사된 태양광은 먼저 돔형의 프레넬 렌즈로 집광된다. 통상, 이것은 PMMA 수지의 사출성형으로 만들어지며, 자동차의 테일램프의 커버와 만드는 방법이 똑같다. 또 프레넬 렌즈란 톱 모양의 단면 형태를 한 박형 렌즈이며, 시트 모양의 확대경이나 디지털 카메라의 렌즈 등에도 채용되고 있다. 프레넬 렌즈(1차 렌즈)로 집광된 빛은 호모지나이저를 경유해서 셀에 조사된다. 호모지나이저란 일종의 만화경으로, 그 주요 기능은 1차 렌즈에서 발생한 색수차에 따른 집광면의 스펙트럼 분포 차이를 색혼합하여 셀면에 균일한 스펙트럼 분포를 가지는 집광 빛을 조사하는 것이다. 셀면에서 만화경을 들여다본 경우, 수많은 태양이 겹쳐 보이는 것으로, 여러 가지 색이 서로 섞여 균질화되어 보이는 이미지를 상상하면 이해하기 쉽다. 그 밖의 기능으로는 ①둥근 집광 스폿을 셀 수광면(受光面)의 형상에 맞춰 네모지게 변환함으로써 셀면을 낭비없이 유효하게 활용한다.(빔 형성) ②입사면을 확대하여 얼라인먼트 정밀도를 완화한다. ③초점 위치를 비켜 놓아 추적이 어긋났을 시 셀 주변의 부재에 집광빔의 직격으로 인한 손상이나 열화를 방지한다. ④셀의 보호커버를 겸한다. ⑤집광강도를 균일화하여 셀 표면 전위를 균일하게 한다. ⑥셀 수광면에 집광빛을 가두어 배선부를 보호하는 등 다양한 부가기능을 가지고 있으며, 실용적인 발전 시스템을 구축하는 데 있어 중요한 요소기술이 되고 있다. 한편, 고밀도로 응축된 태양광을 셀에 조사하기 때문에 셀의 고온화에 대한 우려가 발생하는데 일반적으로 집광빛을 조사한 셀은 만일 열절연이 되어 있다고 한다면 열이 달아날 곳이 없기 때문에 온도상승에 따른 열복사(열방사, 熱放射)와 집광 에너지가 균형을 이룰 때까지 온도가 상승하게 된다. [그림 4]에 집광배율과 이론도달온도(열복사에 의해 균형을 이루는 온도)와의 관계를 나타냈다. 이론상은 820배 집광에서 1700℃ 정도까지 온도가 상승한다. 물론 이러한 고온에서는 발전소자 및 주변 부재 모두 녹아버린다. 따라서 일종의 방열 수단을 취해 열을 방출시킬 필요가 있다. 그러나 히트 싱크(Heat Sink, 방열판) 및 방열핀 등 일반적으로 사용되는 방열 부재는 발전소자보다 고가의 것이 많고, 또 이러한 부재에 문제가 생긴 경우, 방열이 정지해버리기 때문에 신뢰성도 저하된다. 그리하여 여기서는 집광 모듈에 도입한 ‘케이스 방열’이라는 개념을 소개한다. 이것은 집광한 후에 케이스에 확산되기만 하면 모듈 자체의 열부하는 전혀 변하지 않는다는 개념이다.([그림 5] 참조) 즉, 집광부와 케이스 사이에서 충분한 절연저항과 절연내압을 유지하면서 열저항을 최소한으로 억제한다는 개념이다. 이 설계에 의해 820배라고 하는 높은 집광배율에도 불구하고 셀의 온도상승폭을 케이스 온도 대비 +10~20℃, 외기온 대비 +20~55℃로 억제할 수 있다. 다음으로는 모듈을 탑재하는 추적가대에 대해 알아본다. 추적가대의 구동에는 모터를 사용한다. 연간 평균으로 보면, 선회방향에서 1일에 1회전, 경사방향으로 1일에 1/3 회전하는 움직임만으로 추적이 가능하며, 이에 소비되는 소비전력은 매우 작다. [사진 1]에 보이는 집광형 태양전지의 경우 패널 1㎡당의 모터 소비전력은 연간 평균으로 0.3W이며, 태양전지의 발전 정격과 비교하면 1kW당 1.7W에 불과하다. 또 추적에 의해 패널끼리 서로 부딪히지 않도록 간격을 두어 설치해야 하기 때문에 부지가 패널들로 가득 메워지게 되는, 경관에의 악영향도 적다. 태양전지 주변의 부지에도 태양광은 내리쬐기 때문에 잔디 등의 재배가 가능하며, [사진 2]에서 보이는 것처럼 녹지에도 설치가 가능하다.

 

집광형 태양전지의 발전 특성

이 장에서는 아이치(愛知) 임공 신에너지 실증연구 지역에 설치된 30kW 시스템을 예로 들어 집광형 태양전지의 발전특성에 대해 해설한다.([사진 1] 참조) 이 시스템은 5kW 모듈을 탑재한 추적가대 6기로 구성되어 각각 875개의 렌즈/셀로 이루어져 있다. 셀의 수광부는 7mm×7mm. 렌즈는 165mm×165mm이며, 그 비율(집광배율)은 550배이다. [그림 6]에 연속운전 개시 직후부터 2013년 3월까지의 발전량과 피크 발전효율(30kW 어레이 단위, 1분 평균, 온도 보정 없음)의 추이를 나타냈다. 흐린 날이나 우천 시에는 직사광선이 대부분 사라지기 때문에 발전량은「0」에 가까워진다. 한편, 맑은 날의 발전량은 10kWh/kWp일에 육박하기 때문에 연중 실적은 1072kWh-DC/kWp년이 된다. 또 발전효율도 주변온도에 거의 의존하지 않아 기온이 상승하는 여름에도 높은 효율을 유지할 수 있다. 이로 인해 시스템 전체의 출력계수가 0.85로 매우 높은 수치의 결과가 나왔다. 여기에서 주된 손실 요인은 인버터 손실(평균 인버터 효율 92.7%) 및 빛 손실(6.0%)이다. 발전전력은 주부국제공항(中部國際空港)과 토코나메시(常滑市)의 하수처리를 담당하는 토코나메 정화센터로 공급되어 맑은 날에는 해당 센터 소비전력의 약 10%를 차지하고 있다.

 

집광형 태양광 발전의 특장점을 활용한 설치 사례

전술한 바와 같이 집광형 태양광 발전 시스템은 태양을 추적하여 시시각각 변화하는 움직임 및 근미래적인 외관으로부터 차세대 에너지의 이미지를 강하게 어필할 수 있다. 따라서 설치 사례들도 이러한 특장점을 활용한 것이 많다. 그 예로서 [사진 3]에는 주차장에 설치한 시스템을 나타냈다. 이것은 추적가대 바로 아래의 공간을 주차장으로 활용한 사례이다. 그리하여 낮에는 발전뿐만이 아니라 차양 효과도 거두고 있다. 또 [그림 4]에서와 같이 패널 아래에 LED 조명을 설치함으로써 야간 조명을 겸하는 동시에 방범기능을 갖춰 경비의 절감을 도모한 시공 사례도 있다. 축전지를 이용하면 태양광으로 발전한 전기로 야간조명을 운영할 수 있다. 한편, 집광형 태양광 발전에서는 추적으로 패널이 움직이기 때문에 패널의 그림자가 한 곳에 머무르는 일이 없다. 이 때문에 패널 아래의 지면에도 골고루 빛이 들어 생태계에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 실제로 집광형 태양광 발전 아래에서 고랭지 야채를 재배하고 있는 사례나 잔디 및 정원 등의 녹지로 활용하고 있는 시공 사례도 있다.([사진 5] 참조) 또한, 2010년에 공장녹지법의 운용방법이 완화되면서 집광형 태양광 발전 패널의 아래도 녹지로 정비하면 녹지면적을 줄이는 일 없이 에너지 절약 설비로 인정받을 수 있게 되었다. 태양광 발전을 설치하고 싶지만 공장 지붕에 설치할 수 없거나 지상설비는 녹지 및 주차장을 줄여야만 한다는 문제 등에도 대응할 수 있게 되었다. 집광형 태양광 발전설비의 설치는 기초공사→기둥건설→패널설치의 순으로 진행된다. 즉, 기둥을 세우는 부분의 토지만 확보 가능하면 간단한 토목공사로 끝난다는 얘기이다. 중장비의 진입 경로가 확보되면 산간부에도 설치 가능하며, 산꼭대기나 경사지에 설치한 사례도 있다. 날씨에 의한 발전출력의 변동을 경감시키기 위해서는 축전지와의 조합이 유효하다. 또 축전지와의 조합을 통해 다양한 응용 및 부가가치가 생겨난다. 일본 국내의 설치 사례를 들어 말해본다면, 집광형 태양광 발전을 전원으로 한 방재센터, 식물공장 등이 있다. 이는 모두 날씨의 영향을 받기 쉬운 집광형 태양광 발전의 특징을 축전지로 보완하여 전원 시스템으로서의 가치를 높인 사례이다.([사진 6] 참조) 지금까지는 주로 집광형 태양광 발전의 특장점을 활용한 사례를 얘기했지만, 설치 장소의 환경 영향을 받기 어렵다는 점 또한 중요하다. 고위도 지방에서는 태양의 방위각 방향의 움직임이 커져 경사면이 받는 일사량이 줄어든다. 특히 여름철에 있어서는 경사면 일사량의 손실이 현저하게 나타나지만, 패널을 태양과 정면으로 마주보게 함으로써 악조건 속에서도 효율적으로 발전을 실시할 수 있다. 또 겨울철에는 패널 착설에 의한 발전 정지도 심각한 문제이다. 그러나 집광형 태양광 발전의 경우, 아침저녁은 추적에 의해 패널이 대부분 수직으로 서있기 때문에 거의 착설되지 않는다는 장점이 있다. 이와 같이 집광형 태양광 발전은 다방면에서 활용도가 우수하다.