태양전지(solar cell) 소자를 이용, 햇빛을 전기에너지로 변환시키는 태양광 발전은 연료비가 들지 않고 대기오염이나 폐기물 발생은 물론 기계적 진동과 소음이 없는 무한대의 에너지라는 점에서 신재생 에너지 중에서도 가장 큰 각광을 받고 있다.
환경오염 없는 무한 에너지
태양은 매 시간마다 전 세계 인구가 1년 동안 사용할 수 있는 양의 태양광 에너지를 지구 표면에 쏟아낸다.
태양광 발전은 반도체 소자(실리콘)가 빛을 흡수하면 전기가 발생하는 원리(광전효과, photovoltaic effect)를 이용하는데, 태양전지 소자를 이용하면 가정집 뜰에서도 전기를 만들어 쓸 수 있다. 태양광 발전은 깨끗하고 무한한 태양광을 에너지원으로 하기 때문에 석유 또는 석탄 등의 화석연료처럼 고갈의 염려가 없으며, 지구온난화의 주범인 이산화탄소나 오염물질도 배출하지 않는다.
일반적으로 태양광 발전은 계통연계형 시스템과 독립형 시스템으로 분류된다. 계통연계형 시스템은 태양광 발전 전력을 사용하면서도 일사량에 따른 편차가 발생할 경우 부족한 전력을 상용전력계통으로부터 공급받는 방식이다.
반면 독립형 시스템은 상용전력계통과 연결되지 않고 태양광 발전만으로 전력을 공급하는 방식인데, 불안정한 발전 전력을 축전지 등으로 보완한다. 독립형 시스템의 일종인 하이브리드(Hybrid) 시스템은 풍력 발전·디젤 발전 등 다른 에너지원에 의한 발전 방식과 결합된 것으로 인공위성이 대표적이다.
현재 태양광 발전은 기존의 상용전력계통과 연결돼 설치되는 계통연계형 시스템이 85% 이상 차지하고 있다. 태양광 발전은 햇빛이 비치는 곳이라면 어디에서나 전기에너지로의 변환이 가능하고 다양한 규모의 발전이 가능하다. 산꼭대기의 무선중계국이나 등대처럼 사람이 쉽게 갈 수 없는 장소에서의 각종 전기설비용 독립전원은 물론 전자계산기, 라디오, 손목시계 등 전자제품과 주택 전력용으로 활용되고 있다.
앞으로는 태양열 집적용 페인트로 자동차 표면을 도색, 하이브리드 자동차의 동력을 높이는 것은 물론 국토를 횡단하는 태양열 동력 비행기까지도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
갈수록 확대되는 태양광 발전
지난 1980년대 중반 미국에서 10MW급의 태양광 발전 실용화가 이루어진 이후 세계 각국은 태양광 발전을 위한 기술 개발에 주력하고 있다.
유럽과 아시아, 북아메리카에 집중적으로 보급되고 있는 태양광 발전 시스템은 전 세계적으로 약 3,000만㎡의 집열기가 설치돼 연간 1만6,700GW의 에너지를 공급하고 있다. 태양광 발전 시장규모는 세계 각국의 신재생 에너지 공급비중 확대정책으로 오는 2010년에는 360억 달러에 이를 것으로 전망되고 있다.
미국의 경우는 태양광 발전에 대한 접근방식이 조금 다른 편이다. 에너지 절감 차원이라는 목적도 있지만 주로 환경문제를 해결하려는 목적이 더 크다. 현재 미국에는 120만 가구와 20만여개에 이르는 상업용 시설에 태양광 집열기가 설치돼 있는 상태다. 미국 정부는 오는 2010년까지 100만개 이상의 주택과 공공기관의 수영장을 태양광 발전 시스템을 이용해 전력을 공급, 건물의 냉·난방을 해결한다는 계획이다.
유럽의 경우 지난 10년간 매년 평균 25%의 태양광 집열기 설치가 이루어졌으며, 오는 2010년까지 약 500만㎡의 태양광 집열기가 더 설치될 것으로 예상되고 있다. 특히 유럽은 태양열 난방 및 온수기, 대규모 태양열 시스템, 자연형 태양열 건물 등을 개발하고 있으며 수출에도 적극 나서고 있다.
달에서 지구로 에너지 전송
최근에는 우주에서 수집한 태양 에너지를 지구에 마이크로파로 전송, 미래 에너지 고갈 위기에 대비하는 방안이 강구되고 있다.
미국은 태양광 발전의 한계점으로 꼽히는 날씨와 시간 등을 극복하기 위해 달에서 얻은 태양광 에너지를 전기로 변환해 지구로 전송하는 시스템을 연구 중이다. 달에 비추어진 강한 태양빛을 모아 에너지로 쓴다면 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있다고 여기기 때문이다.
미 휴스턴 대학교 우주시스템연구소의 데이비드 크리스웰 박사는 달의 동쪽과 서쪽 표면 20∼40곳에 태양광 발전소를 건설, 에너지를 모은 뒤 지구로 전송하는 연구를 진행하고 있다. 지구와 달 사이의 거리는 자그마치 38만4,400km. 그렇다면 달에서 생산한 전기를 어떻게 가져올까.
달에서 생산한 전기를 마이크로파로 전환해 지구 송신용 안테나로 쏘아 올리게 되면 지구는 다시 이를 받아 전기로 재생하게 되는 것이다. 마이크로파는 구름이 끼거나 비가와도 크게 영향을 받지 않는다는 게 장점이며, 이때 사용되는 마이크로파의 강도는 전자레인지에 사용되는 1∼10GHz 정도.
달에서 생산된 전기는 중간에 유실되기는 하지만 절반가량은 다시 재생이 가능하다는 것이 전문가들의 견해다. 문제는 수신 안테나의 크기. 유용한 마이크로파를 받기 위해서는 직경이 수십 내지 수백km에 이르는 거대한 안테나가 필요하기 때문이다. 대략 1만 가구가 사용할 수 있는 25㎿를 달에서 송신 받아 전기로 사용하기 위해서는 직경이 4,000m가 돼야 한다.
구본혁기자 nbgkoo@sed.co.kr
태양광 발전의 장점 및 단점
장 점
■ 석유, 석탄 등 화석연료와 달리 반영구적이며 연료비가 들지 않는다.
■ 환경을 오염시키는 배기가스와 유해물질이 발생하지 않고 소음도 없다.
■ 전자계산기의 전원과 같이 작은 것에서부터 100㎿에 이르기까지 다양한 규모의 발전에 응용이 가능하다.
■ 이전의 발전 시스템과 달리 햇빛이 비치는 곳이라면 어디에서나 설치가 가능하다.
단 점
■ 태양광 에너지는 무한하지만 에너지 밀도가 작기 때문에 큰 전력을 얻기 위해서는 큰 면적이 필요하다.
■ 발전소가 대규모이기 때문에 초기 투자비용이 많이 요구된다.
■ 기상 조건에 따라 태양전지의 출력이 유동적이다.
■ 밤이나 비가 오는 날에 전기를 사용하려면 대용량 축전지와 조합하는 기술이 필요하다.
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