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햇빛이 전기를 만들어내는 태양광 에너지의 원리는?

뜨겁고 강렬한 여름의 태양. 날씨가 추워지니 햇빛의 소중함도 더해가고 있는데요, 이러한 햇빛이 에너지도 만든다는 사실, 다들 들어보셨죠? 오늘은 신재생에너지 중에서도 가장 각광을 받고 있는 태양광 에너지의 발전 원리를 소개해드리려고 합니다.

이번 시간에도 본론에 들어가기에 앞서! 제가 소개해드렸던 신재생에너지 분야의 기사도 함께 읽어보세요~

신재생에너지
 
조력발전 : 세계 최대규모의 신재생에너지 발전소가 한국에? (http://nstckorea.tistory.com/512)
풍력발전 : 풍력발전, 바람이 전기를 만든다! (http://nstckorea.tistory.com/545)
가스 하이드레이트 : 차세대 자원 가스 하이드레이트! 왜 주목받는가?(http://nstckorea.tistory.com/580)

태양광 에너지는 이미 선진국들이 상용화에 거쳐 가정 및 상업용으로 많이 사용하고 있는데요, 우리나라도 태양광 에너지에 대한 투자와 발전이 많이 이루어지고 있습니다.

@USFWS Pacific Southwest Region / http://www.flickr.com/photos/usfws_pacificsw/5476868977/


어떻게 햇빛을 에너지로 사용할 수 있을까요? 햇빛을 전기에너지로 변환하는 것이 태양광 발전의 시작입니다. 우선, 햇빛을 받으면 ‘광전효과’에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용합니다. 여기서 광전효과(Photovoltaic Effect)란, 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다.


태양전지의 경우, 공유결합 상태에서 외부에서 열이나 빛을 받으면 원자들을 결합시키고 있던 전자들이 에너지를 받아 공유결합을 깨고 자유롭게 이동하게 되는데 이렇게 전도에 기여할 수 있는 전자를 전도전자라고 합니다. 이렇게 태양전지에서 만들어진 전자가 빠져나온 자리를 정공이라고 부르는데요, 이때 전자는 음전하(-)를, 정공은 양전하(+)를 운반하게 됩니다. 덧붙여, 전하는 입자가 가지고 있는 전기량을 말합니다.
다시말해 태양전지는 태양광을 이용해서 전자와 정공을 만들어 전류를 흐르게 한 것입니다.

그림과 같이 태양전지가 태양광(햇빛)을 흡수하면 전공(+)과 전자(-)가 생성됩니다. 정공과 전자가 자유롭게 움직이다가 N형 반도체와 P형 반도체가 전하를 분리합니다. 그리고 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 모여 전극을 형성하여 전자를 외부회로로 흐르게 하면 전류가 발생하게 되는 것입니다.

그렇다면 태양광 발전 공정은 어떨까요?

태양광 발전 공정
폴리실리콘 → 잉곳/웨이퍼 → 셀 → 모듈 (→인버터) → 태양광발전시스템

먼저, 폴리실리콘이라는 원료가 필요합니다. 폴리실리콘은 규소에서 화학적 반응을 통해 뽑아낸 작은 실리콘 결정체들로 이루어진 물질입니다. 일반 실리콘에 비해 전기적 안정성, 발수성, 내화성 그리고 빛에 잘 반응하는 등의 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 이것이 태양광 에너지를 전기에너지로 전환하는 핵심 소재입니다.
 
이 폴리실리콘을 가공하여 중간소재인 잉곳[ingot]을 만듭니다. 잉곳[ingot]은 폴리실리콘을 녹여 기둥 모양으로 만든 것입니다. 잉곳을 얇게 잘라 셀을 만드는 웨이퍼를 만듭니다. 웨이퍼는 주로 반도체의 재료가 되는 얇은 원판입니다.


이 웨이퍼로 태양광 전지의 핵심 부품인 을 만듭니다. 태양광을 전기에너지로 바꿔주는 반도체입니다. 효율이 높고, 가격이 비싼 단결정과 가격이 저렴한 다결정 등 다양한 종류가 있습니다.
 
이 부품들을 하나의 판으로 조립한 것이 모듈입니다. 크기는 가정용에서 상업용으로 다양합니다. 여기서 태양전지 모듈은 직류의 전기를 생산합니다. 우리가 쓰는 전기는 교류 전기이기 때문에 직류전기를 교류전기로 바꾸는 인버터도 필요합니다.
 
이렇게 태양광발전시스템이 완성이 되는데, 시스템에도 독립형과 계통연계형으로 나뉩니다. 독립형은 전력을 저장하였다가 필요할 때 사용하는 방식으로 산간벽지 등에서 사용하고, 계통연계형은 전력계통(발전소, 변전소, 송전선을 포함한 넓은 지역)에 연계가 가능한 지역에서 사용합니다.

@hoyasmeg / http://www.flickr.com/photos/emeryjl/3536179709/


태양광과 태양열을 많이 헷갈려하시는 분들이 많습니다. 태양열은 태양광과 다르게 태양열을 모으는 집열장치와 이를 생산하는 발전장치, 열에너지를 축적하는 축열장치로 구성되어 있습니다. 집열장치는 반원형 접시형으로 생겨 빛을 집중적으로 모울 수 있는 모형입니다. 모은 열을 물을 끓여 증기를 발생시켜 그 힘으로 터빈을 돌리는 것이 발전장치입니다. 여기서 축열장치는 모은 열을 활용해 저장하기도 하는데 이 역할을 합니다. 비슷하면서도 조금은 다른 태양광과 태양열의 발전을 이해하셨나요?

태양광발전과 태양열발전의 차이
태양광발전
: 태양빛 → 전기
태양열발전 : 태양열 → 기계에너지 → 전기

신재생에너지 중에서 태양광이 주목받고 있는 이유에너지원이 무한하고 청정하며, 햇빛이 내려쬐는 곳에서 필요한 만큼 발전이 가능하며 사람이 없이 발전이 가능하며 수명이 길다는 장점 때문입니다. 그러나 지역마다 일사량이 다르고 크기가 클수록 좋아 면적을 많이 차지하며 비용과 단가가 아직 비싸다는 단점이 있습니다. 우리나라에는 태양광 발전이 일조시수가 긴 전남이나 경상도 많이 위치해있습니다.

여름엔 단지 뜨겁고 따가운 햇볕, 겨울엔 따뜻했던 햇볕이 전기를 만들어낸다니 신기하지 않나요?
우리나라도 집집마다 태양광 발전을 설치해 전기를 쓰는 날이 오길 기대해봅니다.

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굿가이(Goodguy)

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