[전기/태양광발전]태양광 발전의 원리 광전효과 및 우리나라에 적합한 발전인지 알아보자

안녕하세요

오늘은 태양광발전의 원리인 광전효과와 vi곡선 및 우리나라에 적합한 발전방식인가에 대해 간략하게 다루어 보려고 해요!

- 목차 -
1. 태양광발전의 원리 : 광전효과
2. 최대 효율을 보이는 지점 : VI특성
3. 우리나라에 적합한 방식인가?
4. 마무리

1. 태양광발전의 원리 : 광전효과

  - 금속 등에 일정 주파수이상의 빛을 비추었을 때 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다. 태양광 패널에 빛을 주게 되면 pn접합으로 되어있는 패널 내부에 정공(+)과 전자(-)가 생성되고 이들이 각각 정공은 p 쪽으로 전자는 n 쪽으로 이동하면서 전위차가 발생하게 되고 전류가 흐르게 되는 원리입니다.

태양광발전의 원리 설명

pn 접합 반도체 : p형반도체와 n형반도체를 접합하여 만든 것으로 불순물을 첨가해서 + 극성을 가지게 하면 p형 반도체이고 마찬가지로 불순물을 첨가하여 - 극성을 가지게 하면 n형 반도체가 됩니다.(불순물이 첨가되지 않은 순수한 반도체는 진성반도체라고 합니다)
이들을 붙여 놓은 것을 pn접합이라고 합니다.

2. 최대효율을 보이는 지점 : VI특성

 

VI특성곡선

- 위 그림에서 볼 수 있듯이 전압과 전류의 크기가 어떠한 특정한 값에 도달했을 때 최대출력을 보이는 것을 의미한다. 전압이 너무 커도 전류가 너무 커도 최대출력에 도달하지 못한다는 걸 의미합니다.
자연에너지인 태양광이 들어오는 양은 시간에 따라 계속해서 변화합니다. 그렇기 때문에 현재 상태에서 발전량을 최대로 할 수 있게끔 유도해 주는 장치가 필요하다고 합니다.
최대출력지점을 MPP(maximum power point)라고 하고 이를 추종하게끔 알고리즘을 설계한 것을 MPP에 T(tracking)을 붙여 MPPT라고 부릅니다. MPPT를 이용하여 최대전력지점을 추종하면서 최대전력이 나오게끔 전압과 전류를 조정해 주는 걸 의미합니다.
태양광 발전에는 여러 모듈이 있는데 이들을 직렬로 접속하게 되면 전압이 상승하고 병렬로 접속하게 되면 전류가 상승하게 됩니다. 이를 이용한 것이라고 생각하시면 됩니다.

3. 우리나라에 적합한 방식인가?

- 먼저 결론부터 말하자면 저는 아니라고 생각합니다. 그 근거로 우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 있고 한쪽은 북한으로 막혀있습니다. 사실상 섬이라고 봐도 무방하죠. 신재생에너지의 가장 큰 문제는 간혈성입니다. 발전량이 항상 일정한 것이 아닌 날씨, 온도, 습도 등에 따라 많은 영향을 받게 되고 그 발전량을 정확하게 예측하기 어렵습니다. 일반적인 원자력, 화력발전기의 경우 끄고 켜는 게 빠르지 못합니다. 이렇게 되면 간혈성 해결을 위해 가동이 비교적 빠른 LNG발전에 의존해야 한다는 건데 이건 매우 비효율적인 발전 방식이 될 것이고 지금보다 더 비싼 전기요금을 내야 될 것입니다.

신재생에너지로 탈원전을 한 국가 중 독일이 가장 유명하죠. 이들은 유럽끼리 연결된 전력망인 북유럽 슈퍼그리드가 있습니다. 이를 통해 국가 간 전력거래가 가능해서 신재생에너지의 간혈성을 어느 정도 해결할 수 있죠. 사실 이도 주변국가가 원자력, 화력발전을 꾸준히 하고 있기에 가능하다고 생각합니다. 그리고 작년 LNG가격이 올랐을 때 독일은 원전사용을 연장했고 탈원전을 선언하고 신재생발전을 늘려가던 프랑스, 일본 등은 다시 원전을 짓는다고 했습니다. 이런 결과를 보면 신재생발전으로만 전기를 얻는다는 건 꿈과도 같다고 생각됩니다. 우리나라, 일본, 중국, 러시아 등 국가들을 HVDC(초고압 직류송전)을 통해 연결해서 동북아 슈퍼그리드를 만든다는 말도 있었지만, 사실상 북한을 지나야 하고 해저케이블을 통한 연결을 해야 하고 주변국가들과의 정치적 차이 때문에 언제든지 에너지공급을 무기로 위협을 받을 수 있기에 좋지 못하다고 생각하고 에너지 자립은 반드시 유지되어야 한다고 생각합니다.

- 두 번째 이유로 태양광발전을 할 경우 발생하는 자연훼손입니다. 산을 깎아내고 나무를 잘라서 그곳에 설치하는 태양광발전이 친환경적인 에너지생산 방법인지 잘 모르겠습니다. 그리고 태양광 발전 후 패널의 처리에도 문제가 있다고 생각합니다. 사용한 패널을 재활용할 수 있는 방법이 아직까지는 크게 없는 것으로 알고 있고 친환경을 위해 만들었지만, 환경을 오염되게 하는 물질을 가지고 만든다는 점에서 태양광 발전이 정말 친환경 발전 방식인지 의문입니다.

- 마지막으로 우리나라의 4계절 및 황사, 미세먼지등의 환경적 요인입니다. 태양광 발전은 온도 등 주번환경에 영향을 많이 받아 효율이 변화하게 됩니다. 우리나라는 봄철에는 황사로 태양광에 먼지가 쌓이게 되고 여름철에는 장마, 태풍 등에 의해 빛이 들어오는 기간이 줄어들고 중국에서 오는 미세먼지에 의해 먼지가 쌓이고 겨울철에는 해가 짧고 눈이 태양광에 쌓여 발전효율이 줄어들게 됩니다.
발전에 좋지 못한 이런 환경 속에서 효율이 얼마나 나올까요. 발전설비 대비 발전량을 보면 10-20% 정도밖에 되지 않습니다. 이 수치도 날이 좋은 날에는 올라가고 좋지 못한 날에는 내려가서 평균적인 수치이며, 필요할 때 충분한 전력을 낼 수 있는 발전력이 아닌 발전량 예측이 어려운 발전원으로 사용되고 있습니다. 이러한 문제에 일환으로 호남지방, 제주도 등은 오히려 낮시간 때 발전량이 보낼 수 있는, 사용할 수 있는 양보다 많게 되어 발전을 하지 못하게 되는 경우가 생기게 됩니다. 이를 발전제약이라고 하고 종종 시행되고 있습니다. 송전선로를 늘리면 이런 문제는 해결되겠지만, 요즘 송전선로 건설을 할 수 있는 여건이 좋지 못하다는 건 모두 공감하실 겁니다.

이러한 문제점들이 먼저 해결되고 태양광발전의 양을 점진적으로 증가시켰어야 한다고 생각하는데 너무 과도하고 빠르게 태양광설비의 양이 늘어난 거 같다는 생각이 듭니다.

4. 마무리

- 오늘은 태양광 발전의 원리와 그에 따른 특성곡선에 대해 알아봤습니다. 저에 생각에 대해서도 써봤는데 참고만 해주시면 좋겠습니다.