태양광 발전은 햇빛이라는 자연 에너지를 전기 에너지로 만들어지는 과정입니다. 태양광 패널은 햇빛을 흡수하여 전기를 만드는 역할을 하기 때문에 태양광 발전 원리를 이해하는 가장 중요한 부분입니다.
간략한 태양광 발전 원리
자세한 태양광 발전 원리
태양광 충전 효율 계산
태양광 발전 원리
간단하게 정리하면 태양광 발전은 아래와 같은 과정을 거치죠. 이러한 구성들이 서로 연결되어 하나의 시스템이 만들어지고 햇빛을 전기로 바꿔서 사용할 수 있습니다.
태양광 발전 원리
햇빛 흡수 -> 광전효과 -> 전류 생성 -> 직류 전기 생성 -> 인버터(우리가 사용하는 교류 전기 발생) -> 필요시 저장하거나 전력망 연결
- 1단계 : 태양광 패널을 이용하여 햇빛을 받아 전기를 생산
- 2단계 : 태양광 전지에서 만들어지는 직류 전기를 우리가 사용하는 교류 전기로 변환시킬 수 있는 인버터를 거칩니다.
- 3단계 : 계량기를 통해 만들어진 전기의 전력량을 측정하고 남은 전력은 전력망에 판매하거나 저장합니다. 이때 추가로 알아두어야 할 것은 전기를 배터리에 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 하는 시스템이 ESS(Energy Storage System)입니다. 최근 일론 머스크로 인해 많이 알려진 전기 시스템이기도 하죠.
이때 중요한 원리 중 하나가 태양전지이며 그 원리를 이해하면 많은 도움입니다.
태양 전지는 특수한 반도체 물질로 만들어져 빛을 받으면 전자와 정공이 생성됩니다. 이렇게 생성된 전자와 정공이 각각 다른 극으로 이동하면서 전류가 흐르게 되는 것이죠. 마치 배터리처럼 계속해서 전기를 사용할 수 있게 만들어줍니다.
태양광 발전, 자세한 원리
1단계 : 태양광 패널을 이용한 전기 생산
먼저 태양광 패널이 햇빛을 흡수합니다. 이후 광전효과라고 불리는 과정을 거치는데 햇빛이 태양전지 내부의 전자를 자극하여 전자와 정공을 생성하고, 이때 생성된 전자와 정공이 각각 다른 극으로 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 효과가 광전효과인데, 빛이 특정 물질에 충돌하면 그 물질 내부의 전자가 튀어나오는 현상입니다.
즉, 빛 입자인 광자가 태양전지의 반도체 물질을 때리면 그 충격으로 전자가 밖으로 튀어나오면서 전자와 정공이 만들어지면서 각각 다른 극으로 이동하면서 전류가 흐르게 되는 것입니다.
왜 전자와 정공이 생길까?
좀 더 쉽게 설명하면, 햇빛을 받으면 전지 안에 있는 전자와 정공이 튀어 오릅니다. 즉 빛의 파장이 얌전히 있던 전자를 때려 튀어 오르게 만들죠. 이때 전자가 튀면서 만들어진 자리를 정공이라고 합니다. 전자는 음전하, 정공은 양전하를 띠고 있어서 서로 반대 방향으로 이동하려는 성질이 있죠. 이 전자와 정공의 움직임들이 전류를 만드는 것입니다.
즉 바닷물이 햇빛을 받으면 따뜻해지면서 수증기가 되어 하늘로 올라가는 것과 비슷한 물리적 현상입니다. 햇빛이라는 에너지를 받은 전자가 에너지를 얻어 더 높은 에너지 상태로 이동하는 것이며, 이때 정공이라는 빈자리가 생기기 마련이죠.
따라서, 태양전지에서 사용하는 반도체는 실리콘과 같이 전자와 정공이 자유롭게 이동할 수 있도록 해주는 특별한 구조를 가지고 있습니다. 결국 이 특별한 구조로 인해 햇빛을 받으면 전자가 일정한 방향으로 이동하기 때문에 직류전기(DC)를 발생시키게 됩니다.
| 구분 | 일반 반도체 | 태양전지 |
| 에너지원 | 전압 | 빛 |
| 주된 현상 | 전압에 의한 전하 이동 | 빛에 의한 전자-정공 생성 |
| 목적 | 전류제어 | 전기생산 |
2단계 : 태양광 인버터 사용(직류를 교류로 만들어주는 장치)
인버터는 직류 전기를 교류 전기로 만들어주는 장치입니다. 태양광 패널에서 만들어진 전기는 직류(DC)입니다. 하지만 우리가 가정에서 사용하는 전기는 교류(AC)죠. 이 두 가지를 연결해 주는 장치가 인버터입니다.
인버터의 역할은 크게 네 가지로 구분할 수 있습니다.
1. 전압 변환 : 태양광 패널에서 생성된 낮은 전압의 직류를 가정에서 사용하는 높은 전압의 교류로 변환합니다.
2. 전력 조절 : 태양광 발전량은 햇빛의 강도에 따라 변하기 때문에, 이러한 변동을 감지하여 안정적인 전력을 공급할 수 있도록 인버터가 필요합니다.
3. 그리드 연계 : 태양광 발전 시스템을 전력망에 연결하여 남는 전력을 전력망에 판매하거나, 부족한 전력을 전력망에서 구매할 수 있도록 해줍니다.
4. 직류는 일정한 방향으로 흐르는 전류지만, 교류는 주기적으로 방향이 바뀌는 전류입니다. 따라서 인버터는 이러한 주파수를 변환하여 가정용 전원과 호환되도록 만들어 줍니다.
교류로 바꿔줘야 하는 이유는 첫 번째로 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 거의 모든 제품은 AC(교류)로 설계되어 있습니다. 두 번째로 교류는 변압기를 통해 전압을 높이거나 낮출 수 있기 때문에 안정적으로 멀리 보낼 수 있으며, 가정이나 건물에서 사용하기 적절한 전압으로 만들어서 사용할 수 있기 때문입니다.
- 직류 : 전압이 일정하게 유지되고 방향이 일정하여 전자 회로에서 특정한 부분에서만 사용됩니다. 다만 장거리를 보내기에는 효율이 낮습니다.
- 교류 : 방향이 특정 주기를 가지면서 바뀌고 변압기를 이용해서 전압을 쉽게 변환할 수 있죠. 따라서 장거리 송전에 유리합니다.
이러한 특징을 갖는 인버터를 고를 때에는 시스템 용량에 맞는 적절한 용량의 인버터를 선택해야 하며, 효율이 높을수록 전력 손실이 적기 때문에 효율을 따져봐야 합니다. 또한 시스템을 보호할 수 있는 안전 기능(과전류, 과열 등)이 있는지 확인해야 합니다.
결국, 태양광 발전에서 인버터는 매우 중요한 역할을 하는 셈입니다. 직류 전기를 교류 전기로 바꿔줘서 우리가 일상생활에서 사용하는 전기와 호환되도록 만들어 주기 때문에 아무 때나 사용할 수 있게 됩니다.
3단계 : 전기를 모아 판매하거나 필요할 때 사용
태양광 발전 시스템은 반드시 계량기를 설치하게 되며, 이 계량기는 생산된 전력량을 kWh 단위로 측정하여 기록하게 됩니다. 대부분의 계량기는 실시간으로 전력량을 수집하고 이 전력량은 스마트폰이나 웹사이트를 통해 확인할 수 있죠.
시간대별, 계절별로 계약방식에 따라 남는 전력은 전력망에 판매해서 수익을 얻을 수 있으며, 대용량 배터리 시스템을 활용하여 더 많은 양의 전력을 저장하고 전력망 안정화에 도움을 줄 수 있죠. 이 저장방식이 잘 알려져 있는 ESS(에너지 저장 시스템)입니다.
이렇게 만들어진 전기는 대표적으로 3가지 형태로 활용할 수 있게 됩니다.
- 즉시 사용 : 변환된 교류전기는 가정이나 건물에서 바로 사용할 수 있으며, 조명, 냉난방, 가전제품 등에 공급할 수 있습니다.
- 전력망 판매 : 남는 전력은 전력망에 판매하여 수익을 얻을 수 있으며, 이렇게 판매된 전기는 다른 가정이나 기업에서 사용되죠.
- 에너지 저장 : 전력 사용량이 적은 시간대에 생산된 전기를 배터리에 저장하여 전력 사용이 많은 시간대나 날씨가 좋지 않을 때 사용할 수 있습니다.
이외에 스마트 그리드와 연계하여 전력 생산, 소비, 저장을 효율적으로 관리할 수 있는 지능형 전력망을 통해 전력량 관리가 가능할 수 있습니다.
태양광 충전 효율 계산
태양광 발전 시스템의 효율을 계산하는 방법은 복잡하지만, 간단하게 말하면 태양광 패널에서 얻은 전력량 대비 실제 사용 가능한 전력량의 비율로 계산할 수 있습니다. 태양광 시스템의 효율이 중요한데 효율이 높다는 뜻은 햇빛을 100% 흡수하여 100% 전기로 변환하면 완벽한 시스템이죠. 하지만 태양광 패널에서 일부 Loss가 발생하고 전체 시스템에서 전기가 손실됩니다. 따라서 이러한 과정을 감안해서 효율이 높은 패널을 선정하는 것이 매우 중요합니다.
- 충전 효율 : (실제 사용 가능한 전력량 / 태양광 패널에서 얻은 전력량) x 100(%)
- 실제 사용 가능한 전력량 : 배터리에 충전되어 실제로 사용할 수 있는 전력량입니다.
- 태양광 패널에서 얻은 전력량 : 태양광 패널이 생산한 총 전력량 입니다.
간단하게 예를 들면, 시간단 10 kWh를 생산하는 태양광 패널이 하루 10시간 동안 햇빛을 받으면 10 kWh x 10시간 – 100 kWh입니다. 하지만 발전 효율, 컨트롤러, 충전 효율 등을 합쳐보면 1이 아닌 대략 0.7로 보는데, 100 kWh x 0.7 = 70 kWh로 복합효율로 볼 수 있습니다. 즉 실제로 배터리에 충전되어 사용할 수 있는 전력량은 70 kWh인 셈입니다.
결국 일반적으로 0.3은 손실로 보는 것입니다.
이때 충전 효율에 미치는 영향들은 다양하지만 대표적으로 몇 가지가 있습니다.
- 태양광 패널의 효율 : 패널 자체가 햇빛을 전기로 변환하는 효율
- 인버터 효율 : 직류(DC) 전기를 교류(AC) 전기로 변환하는 인버터 효율
- 배터리 효율 : 충전 및 방전 과정에서 발생하는 에너지 손실여부
- 온도와 패널의 설치 방향 : 온도가 높을수록 전자의 움직임이 쉬워지기 때문에 온도 및 설치 위치에 따라 태양광 패널 효율이 달라집니다.
- 시스템 설계 : 시스템 구성 요소 간의 연결 방식과 제어 방식에 따라 효율이 달라질 수 있습니다.
더 높은 효율은 곧 수익이기 때문에 태양광 충전 효율을 높이는데 노력해야 합니다. 그 방법으로는 고효율 태양광 패널을 선정하고 가장 알맞은 방향, 각도, 온도, 위치, 청소 가능 등을 고려하면서 그늘은 최소화해야 합니다. 또한 고효율 인버터와 에너지 밀도가 높은 배터리, 효율적인 충전을 위해 최적 알고리즘이 있는 배터리 시스템을 선정해야 합니다. 최신 기술로는 태양의 움직임에 따라 방향이 자동조절되는 추적형 태양광 시스템도 등장했습니다.
결국 고효율 장비를 사용해서 최적화된 시스템 설계가 필요하며 이렇게 설치된 태양광 시스템은 충전 에너지 효율이라는 성능 지표를 갖게 됩니다.
이러한 태양광 발전이라도 장점과 단점이 있습니다.
햇빛은 지구에 무한하게 공급되는 에너지원이며, 화석연료를 사용하지 않아 탈탄소 에너지의 대표주자입니다. 또한 햇빛을 이용하기 때문에 스스로 전기를 생산하여 에너지 자립을 실현할 수 있습니다.
반면에 날씨로 인해 햇빛의 양이 그날그날 다르기 때문에 지역별 편차가 있습니다. 크게 보면 대륙간의 차이가 발생하죠. 또한 초기 투자 비용이 높기 때문에 태양으로부터 얻을 수 있는 에너지 효율을 확인하는 것이 필수적이며, 이때 태양광 패널을 설치할 땅도 충분해야 합니다.
정리를 해보면, 태양광 발전 시스템은 햇빛을 에너지원으로 활용하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 다양한 방법으로 활용할 수 있습니다. 즉시 사용하거나, 전력망에 판매하거나, 배터리에 저장하여 필요할 때 사용하는 것이 가능하죠. 이러한 과정이 크게 볼 수 있는 태양광 발전의 원리입니다.