 태양광 발전의 새 지평 ㈜삼도전기에너지 고주파 충전으로 버려지는 전기까지 잡는다
지난 7월 1일 국회의원회관 대회의실에서는 35회째를 맞는 ‘신지식인 인증식’이 열렸다. 정세균 국무총리를 비롯해 정관계 주요 인사들이 축전을 보낼 정도로 이 행사에 대한 각계의 관심이 높았다. 이날 행사에서는 중소기업, 특허, 농업 등 다양한 부문에서 48명이 신지식인으로 선정됐다. 이들 신지식인 가운데 ㈜삼도전기에너지의 김두일 대표도 있었다. ㈜삼도전기에너지는 태양광발전설비와 ESS 등을 주력으로 활동하고 있는 업체다. 김두일 대표는 태양광발전분야의 신기술을 인정받아 중소기어부문에서 신지식인으로 선정됐다.
글·사진 강창대 기자
㈜삼도전기에너지가 개발한 신기술은 태양광 발전기의 전기 전환 효율을 90% 수준으로 끌어올린 획기적인 기술이다. 현재 태양광 시장의 대부분을 차지하고 있는 태양광 셀의 주재료는 실리콘이다. 재료가 가진 특성상 실리콘 태양광 셀은 태양광 가운데 주로 장파장의 빛을 흡수해 전기로 전환한다. 실리콘 태양광 셀의 이론효율한계가 29% 수준이다. 말하자면, 실제 상용하는 태양광 셀의 효율은 이에 훨씬 못 미칠 수밖에 없다. 이같은 기술적 포화상태를 극복하기 위해 태양광셀을 구성하는 신소재를 개발하거나 찾는 노력이 이어지고 있다. 이런 상황에서 태양광 발전기의 전기 전환 효율을 90%까지 개선했다는 것은 매우 획기적인 기술이 아닐 수 없다.  자사가 개발한 태양광 발전 기술의 원리를 설명하는 김두일 대표
열로 소실되는 에너지를 잡아 전기로
비효율의 사례로 가장 비근하게 거론되는 것이 백열등이다. 백열등은 유입된 전기 가운데 15%만 빛으로 만들고 나머지 85%는 열로 소실돼 버린다. 김두일 대표는 태양광발전의 효율도 이와 비슷하다고 말한다. 그는 “태양광은 일사량의 15~20% 정도만 전기로 전환되고 나머지 80~85%는 열로 변하는 구조”라고 설명했다. 태양광에서 열로 변하는 85%를 전기로 변환한다면 좁은 면적만으로도 많은 전기를 생산할 수 있기 때문에 한국처럼 태양광 발전설비를 세울 만한 부지가 부족한 곳에 꼭 필요한 기술이다. 김 대표는 바로 이런 점에 착안해 일사량 대비 전기전환효율 최대 90% 가능한 태양광ESS 시스템을 개발하게 됐다고 한다.
㈜삼도전기에너지는 일사량 대비 발전효율을 높이기 위해 태양광 전기를 콘덴서에 임시로 충전하고 고주파 충전기로 배터리에 충전하는 방법을 적용했다. 즉, 60㎐인 전류 주파수를 400~800㎐ 수준의 고주파로 증폭해 전자의 이동 속도를 높인 것이다. 이렇게 해서 개발한 기술이 ‘스마트 발전기’또는 ‘태양광 ESS 시스템’이다. 이 시스템의 장점은 드라이버와 제어시스템을 도입해 모듈대비 발전량이 소형은 140%, 대형 300% 수준이다. 그리고 고주파 충전을 이용해 전기를 배터리로 끌어당겨 저장하기 때문에 열이 거의 발생하지 않는다. 게다가 전자파도 거의 없어 안전할 뿐만 아니라, 환경에 미치는 영향도 적다. 고주파 충전방법과 동시에 충전하고 방전하는 기법을 적용해 리튬 배터리의 수명도 최대 15년까지 늘릴 수 있다. 뿐만 아니라, ESS 내에 공조기가 없어도 열이 적어 화재 위험도 떨어진다. 이외에도 휴즈를 사용하지 않아 고장이 거의 없어 AS가 발생할 염려가 없다.
 ㈜삼도전기에너지가 개발한 인버터에 손을 넣어 열 발생의 정도를 살펴보는 모습. 사진의 뒤쪽에 놓여 있는 일반적인 제품에는 방열판을 갖추고 있지만 ㈜삼도전기에너지 제품에는 없다 ㈜삼도전기에너지 본사 정문에 설치돼 있는 태양광 전기자동차 무료 충전소
통신은 주파수 증폭되는데 전기는 왜?
지금은 ㈜삼도전기에너지가 태양광 발전 설비와 ESS를 주력으로 하고 있지만 1994년 설립 당시에는 무선 통신 회사로 출발했다. 이때 ㈜삼도전기에너지는 주로 무선송출 PCM 단국장치를 개발하고 설치했다. 설립 이듬해인 1995년에는 코드분할다중접속기(CDMA: Code Division Multiple ACCESS)와 항공장애등 및 자동점멸기 개발에 참여하기도 했다. 이후 국내 무선통신이 아날로그에서 디지털 방식으로 바뀔 무렵, ㈜삼도전기에너지의 업종은 태양광 에너지 분야로 전환됐고, 2007년 태양광 발전 인버터 컨트롤러를 개발하며 두각을 나타내기 시작했다. 그리고 설립 당시 사명이었던 삼도통신에서 삼도전자통신, ㈜SD전기에너지를 거쳐 2017년에는 지금의 ㈜삼도전기에너지가 되었다.
김두일 대표가 업종을 태양광 에너지로 전환하게 된 계기도 무선통신사업 당시의 경험에서 비롯됐다. 전선이 닿지 않는 도서 산간 지역에 기지국을 설치하러 다니면서 자체 발전이 가능한 태양광 발전기의 필요성을 절감했기 때문이다. 태양광 발전기에 고주파 증폭기를 적용한 기술도 무선통신사업 경험에서 착안한 아이디어라고 김 대표는 설명했다.
“통신은 주파수가 증폭되는데 왜 전기는 60 ㎐를 고집해야 하는지 의문이 들었습니다. 이런 고민을 하다 보니 고주파를 적용하면 가격은 높아지지만 효율이 향상된다는 것을 알게 됐고, 고주파를 태양광 충전기와 인버터에 적용하게 된 것입니다.”
㈜삼도전기에너지는 이 기술로 2006년에 독립형 태양광 ESS를 개발해 브라질 등 해외 수출도 하게 됐다. 그러나 태양광은 시간대와 기후 등의 변수에 따라 출력이 달라지는 자연변동에너지다. 자주 배터리가 방전돼 AS가 잦아지자 김 대표의 고민은 다시 시작됐다. 그리고 연구개발 끝에 태양광으로 생산한 전기를 콘덴서에 임시로 저장했다가 고주파 충전기로 배터리에 충전하는 방법을 적용하게 됐다. 이후 ㈜삼도전기에너지는 2013년에 99 ㎾급 태양광 ESS를 일본에 설치했고, 이 시스템이 안정적인 운영 성과를 내면서 필리핀과 캄보디아, 인도네시아 등 세계 8개국으로 태양광 ESS를 수출하게 됐다. 2018년 말부터는 국내 시장에도 ESS와 태양광 발전기를 공급해 오고 있다.
 ㈜삼도전기에너지가 개발한 태양광발전기 ESS. 인버터에 방열판이 없어 화재에 안전한 것이 특징이다. 전기가 부족한 지역에서는 독립형 태양광 발전 시스템이 분산전원으로 활용될 수 있다. 에디오피아로 보내기 앞서 시험중인 독립형 인버터
하루 발전시간만 10시간
태양광 발전은 환경적인 제약이 많다. 태양광의 발전량은 일사량에 비례하지만 대기온도가 높으면 전압이 높아 발전량이 감소한다. 일사량이 적은 적도 지역의 경우에도 대기온도가 높아 특수한 전지를 사용해야 한다. 또, 위도에 따라 일사량도 달라 발전시간이 차이가 있다. 몽골이나 필리핀 등의 하루 발전시간이 5.5 h/day.㎡라면 한국은 약 3.6h/day.㎡에 불과하다. 그런데 ㈜삼도전기에너지가 개발한 기술은 4 ㎾급 이상의 모델이면 하루 10시간 이상 늘릴 수 있다고 한다. 게다가 이 기술은 어떤 모듈과도 연계할 수 있을 만큼 유연성이 뛰어나다.
기존의 태양광 ESS 시스템은 인버터 후단에 PCS를 설치해 교류(AC) 전기를 배터리에 저장하고, 배터리 전기를 PCS를 통해 교류로 변환해 계통에 연계하는 방식을 사용한다. 직류(DC)를 직접 배터리에 충전해야 하는데 교류로 전환하고 다시 직류로 전환하는 2중 변환 방식은 효율을 떨어뜨릴 수밖에 없다. 동시에 충전 및 방전하는 기능이 없고 생산한 전기를 변환만 하는 수준이라 고주파 충전기술을 적용할 수 없는 구조다.
㈜삼도전기에너지는 콘덴서 충전, 고주파충전, 출력 드라이버 등의 기술을 적용했다. 콘덴서 충전 방식을 적용해 버려지는 전기가 거의 없도록 했고, 고주파 충전은 저항을 최소화해 급속 충전이 가능하게 해준다. 또, 충전 드라이버는 배터리의 전압을 유지시켜준다. 마지막으로 ㈜삼도전기에너지는 인버터의 플러스(+)와 마이너스(-) 원형 코일을 여덟 가닥으로 쪼개 감음으로써 열저항을 최소화했다. 열저항을 줄인 인버터에는 방열판과 휴즈가 필요 없고, ESS에 공조기 역시 필요 없게 된 것이다.  중소기업부문 신지식인에 선정된 김두일 ㈜삼도전기에너지 대표(사진: ㈜삼도전기에너지)
대량생산 체제 갖추고 단가 낮춘다
전력계통과 연계되지 않은 지역이라면 독립형 태양 ESS 시스템을 분산전원으로 활용할 수 있다. 뿐만 아니라, 통신중계소나 통신중계탑 등에도 전원공급에 태양 ESS 시스템은 유용하다. 이외에도 가로등이나 최대 피크를 저감하고자 하는 곳, EV 충전소 등에도 태양 ESS 시스템이 활용될 수 있다. ㈜삼도전기에너지는 이러한 니즈를 바탕으로 세계 시장을 개척해 나갈 계획이다. 김두일 대표는 고주파 증폭기 특허를 획득하면서 사업 확장에 더욱 박차를 가하고 있다고 했다. 용정산업단지에 로봇설비를 갖춘 3만 3,000 ㎡ 규모의 공장도 구축할 계획이다. 대량생산 체제를 갖추면 그 만큼 단가도 낮출 수 있기 때문이다.
㈜삼도전기에너지
<Energy News>
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