따뜻한 ......
(참고자료) : 
태양광 산업 연구.pdf
■ 태양으로부터의 에너지
(위키백과)
들어오는 태양 에너지의 약 절반이 물과 땅으로 흡수된다. 그 나머지는 우주로 되돌아간다. 지구는 지구의 대기 위쪽에서 174 PW(페타는 10^15)의 태양 복사를 받는다. 약 30%가 우주로 다시 튕겨 나가지만 그 나머지는 대기, 바다, 육지로 스며든다. 대기를 거친 다음 일사 스펙트럼은 자외선 속에서 가시 범위와 적외선 범위 사이에서 거의 작은 부분으로 나뉘게 된다.
수증기의 대류, 증발, 응결에 의한 태양 에너지의 흡수는 물의 순환에 힘을 주고 바람을 일으킨다. 바다와 토양이 받아들인 햇빛은 14 °C의 평균 표면 온도를 유지한다. 광합성을 통해 일어나는 태양 에너지가 화학 에너지로 변환하는 것은 화석 원료가 있는 곳에서 음식, 나무, 바이오매스를 제공한다. 풍력, 파력, 수력 전기, 바이오매스와 같은 이차 태양 자원을 비롯한 태양 복사는 지구에서 99.9%의 재생가능 에너지를 차지한다.
환경 속에 일어나는 태양 에너지의 흐름과 저장은 현재 인간의 에너지 요구와 견주어 볼 때 광대하다. 해마다 지구의 대기, 바다, 토양이 받아들이는 모든 태양 에너지는 3,850ZJ(제타는 10^21) 정도 된다. 지구에서 부는 80m의 풍력 에너지는 한 해에 2.25 ZJ로 측정된다. 광합성은 바이오매스에서 한 해에 3 ZJ 정도 차지한다. 전 세계 전기 소비량은 2005년 기준으로 거의 0.0567 ZJ이다. 전 세계 일차 에너지 소비량은 2005년 기준으로 0.487 ZJ이다.
■ 태양광 발전
(위키백과)
태양 전지 (“태양광 발전 전지”라고도 부름)는 광전 효과를 사용하여 빛을 직류로 바꾸는 장치를 말한다. 최초의 태양 전지는 찰스 프리츠(Charles Fritts)가 1880년대에 조립하였다. 프로토토아비 셀렌 전지가 1%가 채 안 되는 입사광선을 전기로 변환했지만 에른스트 베르너 폰 지멘스(Ernst Werner von Siemens)와 제임스 클럭 맥스웰 두 사람 다 이 발견의 중요성을 인식하였다. 1940년대에 러쎌 올(Russell Ohl)의 근본적인 노고에 이어 제럴드 피어슨, 캘빈 퓰러, 데릴 채핀(Daryl Chapin)은 1954년에 규소 태양 전지를 개발하였다. 이러한 초기의 태양 전지는 1 와트 당 286 USD의 비용이 들었고 효율성은 4.5~6%에 다다랐다.
태양 에너지에서 맨 처음에 나온 중대한 응용은 예비 전원을 밴가드 1호 위성에 사용하는 것을 들 수 있다. 이로써 화학 전지가 떨어져도 위성이 지속적으로 한 해가 넘도록 전송을 지속할 수 있었다. 이렇게 태양 전지를 운용하는 데에 성공하자 수 많은 소비에트 연방, 미국 위성에 이와 같은 방법을 채용하게 되었고 1960년대 말 즈음에 태양광 발전이 위성의 주된 전력의 원천이 되었다. 태양광 발전은 텔스타와 같은 초기의 상업 위성의 성공에 중요한 역할을 하였으며 오늘날 전자통신 인프라에 필수적이라고 할 수 있다.
태양 에너지를 설치하는 데에는 비용이 많이 들어서 1960년대에는 지상에서 사용은 제한 받았다. 그러다가 1970년대 초에 태양광 발전이 파워 그리드를 접근하지 않고도 먼 거리에서 사용할 수 있을 만큼 가격이 떨어졌다. 지상에서 초기 이용은 전력전기통신국, 해저석유 굴착 장치, 부표 및 철길 건널목을 포함한다.
1973년 유류 파동은 1970년대와 1980년대 초 동안에 태양열 발전의 생산을 촉진하였다. 체계적인 성능에 개선을 가져다 주면서 생산성을 높이는 결과를 낳는 규모의 경제는 태양열 발전의 비용을 1971년에 와트당 100 달러(USD)에서 1985년에 와트당 7 달러로 낮추는 데 기여하였다. 1980년대 초에 기름값이 꾸준히 떨어지면서 태양광 발전 R&D에 투자가 줄고, 1978년 에너지 세금 법안과 더불어 세액공제도 중단하게 되었다. 이러한 요인들은 1984년에서 1996년에 걸쳐 한 해에 거의 15%씩 성장률을 떨어트렸다.
1990년대 중반 이후로 태양열 발전 분야의 선도적 위치가 미국에서 일본, 독일로 옮겨가게 되었다. 1992년에서 1994년까지 일본은 R&D 투자를 늘렸고 넷 미터링 가이드라인을 설립하였으며, 또 보조금 제공 프로그램을 도입하여 가정에 태양열 발전 시스템을 설치하는 것을 장려하였다. 그 결과, 이 나라에서 태양열 발전 설치는 1994년에 31.2 MW에서 1999년에 318 MW로 올라설 수 있었으며 세계적인 생산 성장률은 1990년대 말에 30%까지 성장하였다.
독일은 발전차액 지원제도(feed-in tariffs) 시스템을 재생 가능한 에너지 자원의 일부로 개정한 뒤로 세계적으로 앞서가는 태양열 발전 시장이 되었다. 설치된 태양열 용량은 2000년에 100 MW에서 2007년 말에 거의 4,150 MW로까지 늘었다.스페인은 2004년에 이와 비슷한 발전 차액 지원 제도를 도입한 뒤로 세 번째로 가장 큰 태양열 발전 시장이 되었으며 프랑스, 이탈리아, 대한민국, 미국 또한 최근의 다양한 인센티브 프로그램과 지역 시장 조건으로 말미암아 빠른 성장을 보이고 있다.
■ 기체의 적외선 흡수와 지구 온난화
식물생리생태학, Plant Physiological Ecology
□ 기체의 적외선 흡수
. CO
2
, 수증기, 메탄, 오존, 질소 산화물은 기후에 영향을 미침
. 이들은 지구 표면에 도달하는 단 파장을 방해없이 통과 시키긴 하지만,
지구로부터 적외선 복사 에너지는 방출량의 90%를 흡수함
이 흡수 된 에너지가 대기 온난화를 유발하게 됨
□ 지구의 CO
2
농도 증가
. 18세기 중반부터 서서히 증가, 20세기 중반부터는 급격히 증가 함
. 거대한 산림 지대의 경작지화(북미, 아마존강 유역 등), 공업화 시대로 변천
. 생물과 토양내 탄소 비축량이 급감하고, 그 탄소는 CO
2
로 대기에 방출 됨
. 기본적인 온실효과는 지구상 생물체에 필요한 온도를 제공함
. 지구 기후는 20세기 중반부터 0.7 K 증가했다고 하지만,
. 측정 오류 요인은 많음
. 방사에너지의 지역별 균형
. 공기 매질의 운동
. 해수의 흐름
□ CO
2
증가가 미치는 영향
. CO
2
는 식물성 자가 영양 생명체에 영양원이면서, CO
2
증가를 완화시키는 역할
. 적외선 흡수 기체인 CO
2
는 지구의 기온변화 초래
. 온도변화는 식물군도 변화 시켜, 지구의 탄소 균형이 바뀔 수도 있음
. 공기 중 CO
2
증가와, 식물의 CO
2
흡수 사이의 상호 작용
. 일반적으로 식물의 생체량은 기본적으로 공급되는 CO
2
에 의해 제한 됨
. 광합성은 현행 순화 수준의 3배의 CO
2
농도로도 증가 될 수 있음
. 지구 전체로 보면, 생물권과 대기권 사이의 탄소 회전율은
거대한 저장 능력을 가진 해양(수)권과 암석권 이 완충 역할을 하고 있음
□ 기온 상승이 주는 영향 (식물 생리생태학)
. 대기 중 적외선 흡수 기체들의 축적에서 오는 기후변화는
대사와 생장에 직접적 영향을 미치는 CO
2
보다 훨씬 더 심각하게 식물체에 영향을 줄 것임
. 기상학자, 해양학자, 빙하학자 등이 예측한 바로는
2050년에는 2.5 K 정도 지구 온도가 상승, 대기의 CO
2
농도는 두배가 될것으로 봄
. 높은 위도지역의 온난화 (스칸디나비아, 시베리아, 카나다)
. 열대 지방의 적은 열용량 변화
. 건조지역의 팽창을 예견하고 있음
. 기온 상승으로 CO
2
를 더 많이 방출하게 되는 요인
(온난화, 건조시기와 홍수에 대한 식물의 반응)
. 툰드라 북극지방의 산림지역 기온 상승은 초지가 확장되어 광합성 영역 증가
. 생 부식토와 토양 속에 축적된 유기물의 박테리아 분해가 촉진
. 온대 지방도 낙엽수의 푸른상태 지속으로 식물동화 시기가 길어짐
. 건조기에 들어선 지역에선 긴 가뭄과 뜨거운 열, 증가된 염분의 효과에 의해
식물이 받는 스트레스는 증대됨
. 해수 흐름이 바뀌고, 식물성 플랑크톤 구성도 변할 것임
. 식물의 다양한 종과 기능적 형태는
기후적 요구나, 스트레스 내성으로 인한 당면한 기후 변화에 순응할 것임
. 고도의 유전적 적응성(생태형 분화의 강향 경향)을 가진 식물은
오랜 기간동안 같은 서식처에 남아있을 것이며
. 스트레스는 그들의 진화적 성장을 촉진시킬 것임
. 그들의 새로운 환경적응 상태는 서식처 내의 변화 상황을 반영할 것임
. 식물의 이주는 보통 천천히 진행되기 때문에
. 빠른 기후 변화 속도에 순응 할지 여부는 생리생태학 분야에서 예측하기 쉽지 않음
자료 : From 송승달, 식물생리생태학, Plant Physiological Ecology
■ 태양광 에너지
최근 코엑스에서 개최한 신재생 에너지 관련 세미나 내용 중, 일반상식으로서 이해를 돕기 위해, "태양광 에너지의 시장 및 기술동향과 그 전망"을 요약 정리하여 본다.
. 세미나 일시 및 장소: 2009. 4. 22. (수), 코엑스 . “전력 IT 기술자료 (KDP)” 중에서 정리
□ 신재생 에너지
. 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛 물 지열 강수 생물 유기체 등을 이용하여 재생 가능한 에너지로 변환시켜 이용하는 에너지를 신재생 에너지라고 함 . 재생 에너지: 태양열, 태양광 발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물 에너지 (8개 부문) . 신에너지: 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 (3개 부문)
. 신재생 에너지 (태양, 풍력, 등 11개 부문) . 세계시장 전망 (PHOTON Consulting note, 2008.10.) . 년도별 2008년 2009년 2010년 2011년 2012년 . 생산량(GW) 7.1 14.7 28.8 40.9 52.3 (GW = 1,000 MW) . 금액 (억$) 207 960 1,705 2,283 2,744 (= 5.3$/w ?)
. 국내 2008년 2009년 2010년 2011년 2012년 . 정부보급계획(MW) 180 290 520 970 1,300
. 태양전지 종류 . 실리콘 태양전지: 기판형(단결정, 다결정, 박판), 박막형(비결정, 미정질, 다결정) . 화합물 반도체 태양전지: 1.3.4족 박막형, 2.4족 박막형, 3.5족 박막형 . 유기 태양전지: 염료 감응형, 유기분자형
. 실리콘 태양전지 발전 연혁 (연도별 효율개선 추이)
. Space cell 14~15% (1960) . BCSC 19.4% (1988)
. Violet cell 15.2% (1973) . PESC 20.8% (1988)
. Black cell 17.2% (1974) . PERC 22.3% (1992)
. MINP 18% (1983) . PERL 24.7% (1999)
. 국가별 태양광 발전량 (MW) 1995년 2004년 . 미국 9.0 90.0 . 독일 5.3 363.0 . 일본 12.2 272.4 . 한국 0.1 3.5
. 태양광 시스템 가격동향 (￥/W) 1995년 2004년 . 일본(주택용) 1,510 670
. 태양광 발전단가 (센트/kwh) 2002년 2030년(목표) . 미국 28~25 센트 7 센트
. 태양광 발전 연구개발 목표 (우리나라) 2003년 2006년 2012년 → 2016.1. 2016.12.(신문기사 중. 2016년 말 현황). 셀효율(%) 12 15 17. 시스템가격(백만원/kw) 15 12 8. 전기료 (원/kwh) 966 750 310. 모듈 단가 (원/W) 8,000 . 1,800 0.552$(=660) 0.369$ (=440)
□ 태양광 발전
. 발전 개요 . 태양광 발전은 태양광을 전기에너지로 변환시키는 기술로서 . 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식 . 태양전지로 구성된 모듈과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨
. 구성요소 . Soler sell: 광기전력 효과의 반도체 소자가 에너지 변환 (빛→전기로) 열, 습도, 먼지, 진동에 취약 (기전력 3~4V, 50%는 고장) . Soler cell module: 태양전지를 직.병렬로 연결하여 일정용량의 출력을 얻도록 한 것 직병렬 조합으로 인하여 1개 불량이 전체 불량으로 됨 . Soler cell array: 부하측 전원의 종류나 크기를 고려하여 태양전지 모듈을 직.병렬로 조합 . Inverter: 태양전지에서 발생된 DC를 AC로 변환하는 장치 . 통합감시 시스템: 발전 시스템 운전 특성분석, 정보 수집 및 감시, 통합시스템
. 태양광 모듈의 종류 (실리콘 태양전지)
변환 효율 현재점유율 특 성 . 단결정 모듈 16 ~17% 60% 일반용이며 고효율 . 다결정 모듈 15 ~16% 30% 양산성이며, 고성능 . 박막형 모듈 5 ~ 7% 현재 최대 효율은 12.7%
. Type별 시장 현황 및 전망 (단위: MW) 1995년 2010년 2015년 2020년 . 결정형 1,600 5,200 11,500 32.000 MW . 박막형 100 1,300 2.600 12.300 MW . 염료감응성 300 1,600 MW (삼성경제연구소 2008. 대체에너지 시장 환경)
. 염료 감응형 태양전지
. 금속산화물(TiO2) 표면에 염료(루테늄(Ru)를 담지 시켜 광전화학 반응에 의한 전기생산
Dye sensitized solar cell (DSSC)
. 셀의 변환효율: 10%, 모듈 변환효율: 7% . 특징: 저가 (실리콘 전지의 20% 수준) 제작이 용이하고, 성능은 향상 중임 (현재 10%선) 실내와 실외 어디서나 전기생산이 가능함 . 세계시장 전망 (염료 감응형 태양전지) 2010년 2011년 …… 2015년 . 태양광 전체시장 . 120,000억원(120조) . . . 염료감응형 1,760억원 . . 26,000억원 (염료감응형: 향후 태양광 총시장의 30% 전망, 삼성경제연구소는 3%로 전망)
. 태양광 국내 보급목표 (10개년 계획)
. 정부목표: 총 에너지 소비의 5%를 신재생 에너지로 대체 (OECD평균 전망치) . 태양광 보급 발전: 2012년까지 4GW 보급 (태양광주택 100만호 등) 2006년 2012년 . 주택용 3kW급, 1만호 100만호, 300만kW(=3GW) . 공공건물 10kW급, 0.5만건 4만건, 40만kW(=0.4GW) . 산업용 20kW급, 0.5만건 3만건, 60만kW(=0.6GW)
. 2010년 목표: 세계시장의 7% 점유율 태양전지 효율 18% 달성 세계 3~4위 태양광 발전국 진입
. 정부의 각종 지원제도: 태양광 설치금액의 60% 무상지원, 생산전력 15년간 구매 등
. 투자 회수기간 비교 . 태양광 발전 투자회수 기간 : 8.0년 . 750kw(700가구 용), 투자비 약98억 원 (13 백만원/kw) . 투자비 비율: Silicon (6%), Ingot/Wafer(9%), Cell(15%), Module(17%),
Inverter(6%), Other comp.(6%), Installation(21%), Other service(20%)
. 풍력 발전 투자회수 기간 : 3.5년 . 750kw(700가구 용), 투자비 약200억 원 (27 백만원/kw) . 풍력 발전 최적유효풍속 : 5~6 m/sec
. 설치운용 핵심 검토사항 . 발전 효율 향상 (현재 13%) . 설비 이용율 향상( 현재 50%) . 최저 관리비용
. 태양광의 효율성 . 태양에너지: 총발생량 1,200,000억(=120조)kw, 인류사용 100억kw(약 1만분의 1정도) . 실리콘 셀 변환효율 : 15~17% (인버터 -3%, → 태양광 종합효율 13.2%) . 기존 태양광 설비 이용율은 현재 30%~70% (약 50% 미만) 수준
. (10kw 예) 1일 발전량: 10 kw * 3.72 시간 = 37.2 kwh . 어레이간 이격거리 2m 경우 3.44m . 대지면과의 각도 33~24도 (33도가 최적)
■ 기타 관련자료
□ 기술 부문별 국내 주요 공급업체
. 시스템설치:
모듈:
에스에너지, 심포니에너지, 현대중공업, 경동솔라, LS산전, 폴리테크,
렉스파워시스템, 한양정공, 대한테크렌, 이건창호 등
. 전지: 약10개
현대중공업, 한국철강, LG전자, LG화학, KPE, 미레넷솔라
관련장비: 주성엔지니어링. 에스맨유, 미래컴퍼니, 신성FA, 제우스, KC코트렐,
NCB네트웍스, 코닉시스템, 아바코, 아이피스, 엘오티베쿰 등
. 잉고트/웨이퍼: 약6개
실트론(LG계열), 오성, 웅진, 솔익스 (하나마이크로, 스마트에이스, 퓨쳐비젼)
. 폴리실리콘: 약7개
DCC, 한국실리콘, 웅진폴리실리콘, KMA, KCC, (LG, 삼성정밀, 한화 등도 계획)
. 모노실란: 2~4개 소디프신소재
□ 기타 참고사항
. 태양전지 수급상황 (2008년): 수요량 274MW, 국내생산 60MW 수입 214MW
. 소요 부지면적 사례
서울마린 순천지역 700평 150kw (kw당 4.7평)
6000평 700kw (kw당 8.6평)
. 투자비 및 W당 투자 단가
. 전남 신안(2008.11. 완공목표), 시공 독일 선테크닉스)
. 발전능력 18 MW, 총투자비 1,576억 원
. W당 투자 단가: @8,755 원/W
□ 다결정 실리콘 태양전지 구조
. Kyocera 17.2%
. Uneven surface structure
. Front electrode
. Antireflection film
. N+ layer
. P type substrate
. N++ region
. P+ layer
. SiN film
. Back electrode
. UNSW 17.8%
. Double layer AR coating
. Tab contact (Ti/Pd/Ag)
. Surface (SiO2(…))
. N
. P type poly Si
. P+
. Rear contact
. Sharp 17.2%
. Front electrode ↑
. ARC (MgF2/TiO2) & SiO2
. N+ layer 300 μm
. P type substrate
. P+ layer
. Back electrode ↓
□ 기타 태양전지 기본구조
. 비정질 실리콘계
. Metal electrode
. Back reflector
. n-layer
. i-absorber
. Buffer layer
. p-window layer
. Transparent electrode
. Substrate
. 저분자계 유가박막 . Mg/Ag 전극 . BCP층(12 nm) . n층 C60(30 nm) . i층 ZnPc(5 nm) . PEDOT층 (30 nm) . ITO 기판
. 고분자계 유기박막 . AI 전극 . LiF 층 (5 nm) . PCBM-MDMO-PPV (수백 nm) . PEDOT 층 (100 nm) . ITO 기판
■ 일반가정의 태양광발전 사례
기사 중에서 (동아닷컴 2013.2.12.)
김균섭 한국수력원자력 사장(63)이 집 정문 왼편에 달린 회색 패널의 숫자판 두 개를 가리키며 말했다. 왼쪽 전력량계에는 누적 사용전력이 3755.7kWh, 오른쪽에는 발전량이 4696.4kWh라고 표시돼 있었다. 쓰는 것보다 더 많은 ‘작은 발전소’였다. 문을 열고 990m² 정도 넓이의 마당으로 들어가니 태양열 온수기도 보였다.
“5kW 용량 태양광전지예요. 하루 평균 3시간 반 정도, 비 오는 날 빼고 한 달에 25일쯤 가동하죠. 월 400kWh의 전력이 나온다는 건데 한 가정이 쓰기에 충분합니다.” 맑은 날이 많은 겨울에는 발전이 오히려 더 잘된다. 기온보다는 날이 흐린지, 맑은지가 더 중요하다. 태양광을 최대한 받기 위해 지붕 경사각은 32도에 맞췄다. 집은 정남향이다.
이 집의 한 달 평균 전력사용량은 아파트 한 채 수준인 300kWh이다. 김 사장과 부인 김종민 씨(60) 둘만 산다는 걸 감안해도 많지 않은 편이다. 냉난방을 태양열과 지열(地熱)로 해결하기 때문이다. 태양열온수기가 뜨거운 물 200L를 항상 저장해 놓는다. 전기온수기는 장마가 3일 이상 계속된다든가 자녀들이 와 머물 때 쓴다고 했다.
집 뒤편 기계실 아래로는 지하 150m 깊이까지 파이프가 두 개 뚫려 있다. 이 파이프는 항상 17도 정도로 일정한 지하의 온도를 이용해 냉난방을 한다. 지상과 지하의 온도 차만 이용할 뿐 땅 밑 공기가 올라오는 건 아니다. 그러니 에어컨은 필요 없고, 아주 추울 때 가끔 벽난로만 가동한다.
25cm 두께의 단열재와 3중 유리창이 여름에는 열이 들어오는 것을, 겨울에는 열이 새나가는 것을 막아준다. 김 사장이 “단열효과를 신경쓰다 보니 창문이 작다”고 하기 전까지는 창문이 작다는 생각은 못했다. 전망과 채광에 아무런 문제가 없었다.
이 집의 ‘투자수익률(ROI)’은 어떨까 궁금했다. 김 사장은 쓰고 싶은데 못 쓰는 가전기기는 없다고 했다. 냉장고 3대, TV 한 대, 1·2층을 합한 총면적은 198m² 정도다.
태양광전지의 설치비는 1000만 원, 태양열온수기는 300만 원, 지열 냉난방시스템은 2700만 원 정도였다. 지열시스템 설치에는 정부 보조금 1300만 원을 활용했지만 태양광전지는 “에너지관리공단 이사장까지 지냈는데 받기 미안하다”며 보조금을 신청하지 않았다. 지열 펌프나 태양열온수기, 태양광전지 모두 별다른 유지·보수비용이 들지 않는다.
300kWh를 쓰는 가정의 월 전기요금은 4만3000원 정도다. 전기로 냉난방을 해 전기 사용량이 추가되면 누진제 적용을 받는다. 그래서 투자원금을 뽑으려면 얼마나 걸린다는 얘긴지…. 김 사장은 “변수가 많아 정확히 계산할 순 없다”며 “앞으로 전기요금이 계속 오른다고 가정하면 25년 정도면 충분히 본전을 뽑으리라 생각한다”고 말했다.
■ 리튬이온전지 소재기술 동향
"리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망" (KDB 보고서(2012.04) 중에서 도표 부분 발췌)
↘ (도표를 클릭하면 확대됨)
