[기획] 태양광 발전의 원리

안녕하세요? 스티밋 뉴비 @kunastory입니다.
현 정권 들어 에너지 업계의 화두는 단연 신재생 에너지 확대를 필두로 한 "에너지 패러다임 전환"입니다. 파리 기후변화 협약과 미세먼지 저감정책이 뒷받침 되는 이유이기도 합니다. 물론 그 이면에는 선진국의 새로운 에너지 산업 확대에 따른 시장 선점이 있기도 합니다.

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이번에는 신재생에너지 중에서 가장 각광받고 있는 태양광 발전에 대해 알아보겠습니다.

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태양에너지는 무한하며 깨끗한 청정에너지라고 합니다. 이러한 태양에너지를 이용한 발전을 태양광 발전이라고 하고 최근 활발하게 추진되고 있습니다. 태양광발전은 스팀을 생산하여 발전기를 돌리는 전통적인 발전시스템과 확연히 다릅니다. 바로 반도체의 특성(광전효과)을 이용하고 있는데요.

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광전 효과(光電效果, 독일어: photoelektrischer Effekt, 영어: photoelectric effect)는 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진(따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을때 전자를 내보내는 현상이다. 이 때 방출되는 전자를 광전자라 하는데, 보통 전자와 성질이 다르지는 않지만 빛에 의해 방출되는 전자이기 때문에 붙여진 이름이다. - 출처 : 위키백과

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태양광 발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식입니다. 이러한 태양광발전의 핵심은 일반적으로 pn접합구조를 가진 태양전지(solar cell)에서 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)으로 분리되게 됩니다.

분리된 전자와 정공은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에 수집됩니다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 부하에 흐르는 전류로 에너지의 원천이 되는 것입니다.

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태양광발전은 장점은 많지만 아직 효율이 10%대에 그치고 있어 지속적인 기술개발이 필요하며, 부지이용율도 떨어져 대체로 부지면적이 많이 소요되는 단점이 있습니다.(100kW기준 약 400~500평 소요) 최근에는 태양광 발전 관련 민원이 많이 제기되고 있는 실정이어서 이 부분에 대한 극복도 필요합니다. 어제 신문을 보니 (한전)계통 연계에도 많은 시일이 소요된다는 기사를 보았는데 이 부분도 빨리 해결되어야 할 것 같습니다. 또, 태양에너지는 낮에만 유효합니다. 밤이나 기상 조건에 따라 발전량이 달라진다는 치명적인 단점이 있습니다. 이 부분도 ESS라든지 보완이 필요한 부분입니다.

태양광 발전의 보급 확대를 위해서는 무엇보다 경제성이 있어야 합니다. 현재 SMP + REC의 수익 구조를 가지고 있지만 설비투자 비용대비 꾸준한 수익을 낼 수 있는지 따져 봐야 할 것입니다. SMP(전력생산 원가)가 꾸준히 올라가는 추세지만 이 부분은 수익에서 차지하는 비중이 그리 크지 않습니다. REC는 발전회사에서 구매하는 가격인데 발전회사 입장에서는 이 부분(구매비용)을 계속 축소해 나갈려고 자체적으로 신재생에너지 비율을 높이고 있는 추세여서 언젠가는 REC는 없어지게 되는 구조입니다. 그렇다면 궁극적으로 태양광 발전 시스템을 갖추는 건설원가가 지금보다 대폭 싸져야 합니다.

또한 정책 당국에서는 일관성을 가지고 지원하고 장려해야합니다. 아직까지는 태양광 발전 생태계가 확고하지 않은 상태이기 때문에 보조금이나 우대 정책을 꾸준히 펼 필요성이 있는 것입니다. 정부가 목표로 하는 "신재생에너지 3020"을 위해서는 보다 강화된 지원정책이 필요하다고 개인적으로 생각합니다.

에너지 패러다임이 대용량, 집중화에서 소용량, 분산화로 바뀌고 있습니다. 기술 발전이 그것을 증명하고 있으며 에너지의 합리적인 생산과 소비가 요구 되고 있습니다. 특히 자연 친화적인 친환경 에너지로의 전환은 필연적입니다. 그 선두에 태양광이 있다고 생각합니다. 다만 생태계가 유지될 수 있도록 관련 정책과 시스템을 계속 업그레이드 해나가야 할 것입니다. 당장의 에너지 전환은 불가능하며 오랜 시간에 걸쳐 조금씩 변모해 나갈 것입니다. 일시에 현재의 전력 생태계를 바꿀 수는 없기 때문입니다.