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 2장 태양전지의 전압과 전류 / 3장 태양전지의 발전효율 / 4장 셀, 모듈, 어레이 시스템 / 신재생에너지란 무엇인가.

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태양광발전기초지식 - 1장 태양전지의 이해와 원리

솔라센타 2011-02-17 12:42:19 주소복사
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. 태양전지(Solar cell, Photovoltaic cell)란?

    태양전지란 햇빛을 받을 때 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자를 말하지만 일반적인

    표현으로 솔라, 솔라셀, 솔라모듈, 태양전지모듈 등을 총칭하여 표현하기도 하고 최근에는

    태양광발전전지(Photovoltaic cell)라는 용어를 더 많이 사용하기도합니다.


   



 


2. 나날이 발전하는 태양광산업


   차세대 에너지중 가장 각광을 받는 에너지산업은 분명 신재생에너지 관련 산업입니다.

   신재생에너지 중에서도 가장 경제성이 있고 하루하루가 다르게 발전하고 있는 산업이 바로 무한하고  

   깨끗하고 쉽게 전기를 얻을 수 있는 태양광발전시스템입니다.

   메가와트급의 발전량을 가진 대규모 태양광발전소를 비롯하여 각 가정에서 태양광으로 전기를

   생산하고 낮에는 남는 전기를 전기회사 계통으로 연결하여 전기를 전기회사로 팔고 밤에는 전기를

   사용하는 계통연결시스템, 전기가 들어오지 않는 지역에서 태양광으로 발전하여 축전지에 전기를

   보관했다 사용하는 독립형시스템, 그리고 가로등, 통신시설, 태양광을 이용 한 소형 전기제품,

   태양광 충전기, 경관조명제품 등 현대생활에서 솔라시스템이 적용되지 않는 분야가 없을정도로

   급속히 발전하고 있는 유망한 산업입니다.


 


3. 태양전지의 원리와 특성


    태양에너지는 크게 빛에너지와 열에너지로 나뉘는데 그중 태양의 빛에너지를 이용해서 전기를 생산하는것이

   바로 태양전지입니다. 태양전지의 전원인 빛에너지는 무공해이며 고갈될 염려가 전혀 없으므로 매우 훌륭한

   에너지원입니다. 태양전지의 발전원리는 아래 그림과 같이 반도체에 빛을 쏘이면 전자와 정공이 발생하여 

   + 전극과 - 전극이 형성되고 그 전극이 외부회로와 접속되어 있으면 전류가 흐르게 됩니다.

    이것이 태양전지가 직접 빛을 전기로 변환시키는 기본원리 입니다. 이 원리를 반도체의 광전효과라고 부릅니다.


 



 


    그리고 여러장의 태양전지를 직렬로 연결시키면 전압이 증가하고 병렬로 연결시키면 전류가 증가합니다.

    이렇게 만들어진 전기로 다양한 전기기구를 작동시킬 수 있으며 전등도 밝힐 수 있습니다.


   


    또 하나 꼭 참고해야할 사항은 태양전지는 전지라고 이름을 붙여도 축전지(Battery)처럼 전기를 저장하지

    못한다는 것입니다. 우리가 일반적으로 알고 있는 건전지나 납축전지와는 그 구조나 특성이 전혀 다른

    제품인것입니다.
   
건전지나 납축전지는 생산된 전기를 저장하는 기구인데 비하여 태양전지에는 전기를 저장하는 능력이 없고

   빛이 있을때만 전기를 생산만 합니다. 이것이 태양전지의 가장 큰 특징입니다.

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1. 솔라셀의 전압과 전류


 


  태양전지의 가장 기본단위는 셀(Cell)입니다.

  결정질실리콘 태양전지 셀은 단결정과 다결정셀로 나누고 또 크기에 따라 5인치셀과 6인치셀로 나눌 수 있습니다.

  아래 도표는 A셀 제조회사의 5인치 단결정질 셀과 6인치 다결정질 셀의 사양서 입니다.

 


 



그럼 위의 사양서를 참고하여 셀 1개에서 생산할 수 있는 최대전압과 최대전류를 알아보겠습니다.

사양서 제일 왼쪽의 등급은 품질의 등급을 가르키며 효율이 높을수록 좋은 품질의 셀입니다.

최대전압(Vmp)은 단결정질 셀이나 다결정셀 모두 0.49V~0.53V 입니다.

최대전류(Imp)는 5인치셀이 1장당 4.5A~4.59A 정도 나오고, 6인치셀은 1장당 6.9A~7.9A 정도 나옵니다.

출력으로 계산하면 5인치 셀은 2.5W 정도 6인치셀이 4W 정도 나옵니다.

물론 효율이 아주 우수한 셀은 더 높게 나오겠지만, 여기서는 현재 일반적으로 생산되고 있는 효율 16%~17%의 A사 셀을 기준으로 하였습니다.


 실험은 국제표준시험조건 (STC)로 실시한 결과 입니다.


국제표준시험조건(STC : Standard Test Condition)이란 :


입사조도(Incidence Irradiance) : 1000W/m


태양전지 온도                         :  25˚c


대기질량(AM)                         : 1.5의 상태를 규정지어 세계적으로 태양전지 시험표준조건으로 채택하고 있습니다.


 


2. 솔라모듈의 전압과 전류


 셀을 여러장 직렬연결시키면 전압이 셀 숫자의 배수로 증가되며 또 병렬연결시키면 전류가 배가 됩니다.

이런 원리를 이용하여 필요한 전압과 전류를 가진 모듈을 만들 수 있습니다.

예를들어 80W (18V x 4.5A) 모듈을 만들려면 5인치 단결정 셀 (V=0.5V ,I=4.5A)을 36장 직렬 연결시키면 됩니다.(0.5V x 36셀 = 18V 4.5A)

 태양전지 모듈의 성능은 전압과 전류 그리고 변환효율로 전기적 성능을 평가 할 수 있습니다.


 


  가. 전압 - 전류 측정방법


 

전압 - 전류의 간이 측정방법은 아래 그림과 같이 태양전지의 표면 전극과 반대편 이면 전극에 부하(전압원)

회로를 연결시키고, 이 회로에 전압계와 전류계를 설치하고, 태양전지 표면에 유사 태양광을 비추어서 전압과

전류를 측정하면 됩니다.

유사태양광으로는 일반적으로 크세논(Xenon)램프가 사용되며 통상 0.1W/Cm(1000W/m)의 조건으로 실험하면 됩니다. 온도조건은 25˚C로 맞추어 주십시오.


 



 



 


 


  나. 전압-전류 특성 그래프(I - V 곡선표)보는법


 


  태양전지의 전압-전류 특성 그래프의 모양은 일반적으로 아래 그림과 같이 통상 사각형의 모양입니다.


 


 



전압이 제로(0)일때의 전류를 단락전류(Short-Circuit Current : Isc)라 부르고 태양전지에 전류가 흐르지 않을때의 전압을 개방전압(Open-Circuit Volt : Voc)라고 합니다.

태양전지에서 나오는 전력은 전류와 전압을 곱하여 얻을 수 있으며 그림과 같이 최대전류(Max. Power Currnt : Imp)와 최대전압(Max. Power Volt : Vmp)이 만나는 최적의 동작점에서 발생한 전력이 태양전지의 최대출력(Max. power)값이 됩니다.

 

이모듈의 최대출력값은 최대전압 x 최대전류 이므로 17.6V x 4.55 = 80.08W 인것입니다.


 



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태양광발전기초지식 - 3장 태양전지의 발전효율

 

우리가 태양전지의 성능을 비교할때 "이 모듈의 효율은 몇%이다" 라는 말을 많이 듣게 됩니다. 예를들면 최근 언론보도에서 "한국의 S사에서 다결정 태양전지 변화효율 17.2%달성" 또는 "일본 샤프사는 화합물 접합형 태양전지에서 세계 최고변환효율 35.8% 달성"같은 내용의 기사가 자주나옵니다.


태양전지의 변환효율이 무엇을 뜻하는지 쉽고 간략하게 알아보기로 하겠습니다.


1. 태양전지 셀의 변환효율


예를들어 "2장 태양전지의 전압과 전류"에서 예를 들었던 "A"셀 제조사의 6인치 다결정셀 1등급셀을 가지고 변환효율을 한번 계산해보겠습니다


 



 


이 셀의 사양은 최대전류 7.744A, 최대전압 0.519V, 출력 4.015W 이고, 면적은 0.156m x 0.156m = 0.024336㎟ 입니다.


그럼 이 셀의 변환효율을 알아보겠습니다.


 


                        가. 먼저 표준조건에서 단위면적(1㎡)당 입사되는 에너지량을 계산합니다.


     1㎡ 에 입사된 에너지량(W) = 0.024336㎡ x 1000W/㎡ = 24.336W


 


나. 태양전지 셀 출력 = 4.015


 


다. 셀 변환효율(%) = 태양전지출력 ÷ 1㎡ 에 입사된 에너지량 x 100(%)


                           = 4.015W ÷ 24.336W x 100 = 16.498% = 16.5%


그러므로 이 태양전지 셀의 변환효율은 16.5% 입니다.


위의 도표에도 효율이 16.5%라고 나와 있으니 계산이 맞은 것입니다.


 


현재 일반적으로 가장 많이 사용화 되고 있는 실리콘계열의 태양전지셀의 변환효율은 단결정셀이 16%~18% 정도이며 회사별 등급별로 차이가 조금씩 있습니다.

이런 실리콘 결정질셀의 최대 이론효율은 약 29% 정도라고 하며 앞으로 계속 발전할 것 입니다.

또 요즘 많이 사용하는 비정질박막형 태양전지의 효율은 10%전후입니다.

차세대 유망 태양전지로 부각되는 CIGS(구리, 인디늄, 갈륨, 셀레늄) 박막태양전지도 4%~8%의 낮은 효율로 인하여 사용이 적었으나 최근 일본 산업기술종합 연구소에서 변환효율을 15.9%의 CIGS를 개발하였습니다.

이렇게 태양전지의 효율은 해마다 빠르게 발전하고 있는 추세입니다.

참고로 지금까지 나와 있는 태양전지중 가장 효율이 높은 태양전지는 GaAs(갈륨-비소)를 기판으로 한 태양전지로 2009년 독일의 Fraunhofer 연구소에서 세계최고의 변환효율 41.1%달성에 성공했습니다.


2. 태양전지 모듈의 변환효율


태양전지셀의 변환효율과 태양전지 모듈의 변환효율은 조금 차이가 납니다.

예를들면 17.7%의 효율을 가진 셀을 사용하여 모듈을 만들었다면 그 모듈의 효율은 접합부와 연결부에서의 전력 손실로 인하여 셀 효율보다 1~2% 떨어지고 또 모듈 가장자리 빈공간에서는 발전이 되지 않기 때문에 최종적으로 이 태양전지의 효율은
13%~14% 가 될 것 입니다

위와 마찬가지로 B사의 80W 태양전지모듈의 변환효율을 계산해 보겠습니다.


 


 


 


이 모듈의 사양은 최대전류 4.55A, 최대전압 17.6V, 출력이 80W 이고, 면적은 가로 0.52m x 1.19m = 0.6188㎡ 입니다.


 


그럼 위 모듈의 변환효율을 알아보겠습니다.


 


가. 먼저 표준조건에서 단위면적(1㎡)당 입사되는 에너지량을 계산합니다.


     1㎡에 입사된 에너지량(W/㎡) = 0.6188㎡ x 1000W/㎡ = 618.8W


나. 태양전지모듈 출력 = 80W


다. 모듈 변환효율(%) = 태양전지출력 ÷ 1㎡에 입사된 에너지량 x 100(%)


                              = 80W ÷ 618.8W x 100 = 12.92%


그러므로 이 태양전지모듈의 변환효율은 12.92% 입니다.


태양전지모듈에서 효율이 높다, 낮다 하는 것은 그 모듈이 똑같은 면적을 가졌을때의 출력 비교입니다.


중요한것은 출력이 100W 태양전지모듈은 모두 출력(성능)이 표준조건에서 100W가 나옵니다.


출력이 똑같습니다.


다만, 효율이 높은 제품은 그효율의 비율만큼 제품의 크기가 작아진다는 것 입니다.


 



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태양광발전기초지식 - 4장 셀, 모듈, 어레이 시스템

 

 

1. 셀 (Solar Cell, Photovoltaic Cell)


 


가) 결정질 솔라셀(CRYSTALLINE SOLAR CELL)


셀은 태양전지의 가장 기본 소자를 말하며 보통 실리콘 계열의 태양전지 셀 1개에서 약 0.5V~0.6V의 전압과 4A~8A의 전류를 생산합니다. 결정질실리콘셀은 실리콘의 원료와 제조방법에 따라 단결정질 셀(MONOCRYSTALLINE CELL)과 다결정질 셀(MULTI CRYSTALLINE CELL)로 구분됩니다.

단결정질 셀은 실리콘원자가 규칙적으로 방형이 균일하게 배열된 상태의 재료를 사용하여 순도가 높은 제품이며 다결정질 셀은 비교적 순도가 낮고 생산방법도 차이가 납니다.

참고로 "A"사 5인치 단결정질 솔라셀과 6인치 다결정질 솔라셀의 전기적 사양을 비교해 보겠습니다.


나) 5인치 단결정질 솔라셀의 사양

 


다) 6인치 다결정질 솔라셀의 사양

 


라) 솔라셀의 직병렬 연결


셀을 직렬로 연결시키면 전압이 올라가고 병렬로 연결시키면 전류치가 증가하게 됩니다.

이렇게 직병렬 조합을 하여 우리가 필요한 전압, 전류치를 가진 태양전지 모듈을 만들게 됩니다.


 



 


마) 칼라 솔라셀


최근 칼라풀한 솔라셀이 개발되어 다양한 디자인으로 솔라시스템에 적용되고 있습니다.



 


2. 태양전지 모듈(PV Module)


태양전지모듈은 셀을 직병렬로 연결하여 태양광 아래서 일정한 전압과 전류를 발생시키는 장치로 그 용도에 따라서 여러가지 형태로 제작되어 있으나 여기서는 일반적으로 가장 많이 사용되는 결정질실리콘 태양전지모듈에 대하여 알아보겠습니다.

결정질실리콘 태양전지모듈은 여러개의 셀을 원상태 또는 잘라서 서로 직병렬로 연결시키고, 셀 자체가 너무 얇아 파손되기 쉬우므로 외부충격이나 악천후로 부터 보호하기 위하여 견고한 알루미늄 프레임안에 표면유리 / 충진재 / 태양전지셀 / 충진재 / 후면시트 등의 순서로 제작한 제품에 케이블과 배전반을 붙여 하나의 태양전지 판 형태로 만든 제품을 태양전지 모듈이라 부릅니다.

표면유리는 유리자체의 반사 손실을 최대한 줄이기 위해 표면 반사율이 낮은 저철분강화유리를 사용하며 충진제는 보통EVA를 사용하는데 EVA는 깨지기 쉬운 셀을 보호하는 역활을 합니다.

모듈의 종류는 그모양과 셀의 종류, 그리고 용도에 따라 일반 결정질실리콘모듈, 비정질박막형모듈, 휘어지는 플렉시블모듈, 지붕기와형모듈, 원형모듈, 삼각형모듈, 유리창으로 쓸 수 있는 건축자재일체형모듈(BIPV), 등 아주 다양한 형태로 개발되어 있습니다. 우리가 사용하는 계산기에 붙어있는 조그만 태양전지도 하나의 모듈인것입니다.

더상세한 것은 후반부 "모듈 설치 매뉴얼" 및 "일상 생활에 이용되는 태양전지모듈" 편에서 상세히 설명드리겠습니다.



 

3. 태양전지 어레이 (PV Array)


태양전지 어레이란 필요한만큼의 전력을 얻기 위하여 1장 또는 여러 장의 태양전지모듈을 최상의 조건(경사각, 방위각)을 고려하여 거치대를 설치하여 사용여건에 맞게 연결시켜놓은 장치를 말합니다.



 

4. 태양광발전시스템 (Solar Power System)


태양광발전시스템은 보통 계통연계형(Grid) 발전시스템과 독립형(Off Grid) 발전시스템으로 구분하는데 계통연결형은 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환시켜 전력계통으로 접속시켜 전기회사로 전기를 판매하는 것을 이야기하며 독립형발전시스템은 발전된 직류전력을 배터리에 저장하였다가 필요할 때 직류전력이나 교류전력으로 가정이나 설비에 사용하는 시스템을 말합니다. 이 내용은 다음 “여러가지 태양광발전시스템”과 “태양광발전자재” 편에서 계속하겠습니다.


 


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신재생에너지란 무엇인가.

 

“신. 재생에너지”란 무엇인가?

 

우리 인류가 지금까지 사용한 에너지, 즉 석유나 석탄 같은 화석 연료는 지구의 온난화와 대기 공해의 주범이며  그  매장량 역시 유한합니다.

그러므로 우리 인간은 지속적인 발전을 위하여 공해가 없고 무한한 신. 재생 에너지를 계속 연구 개발하여야 합니다. 

신. 재생에너지란 “기존의 화석 연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포

함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지“라고 정의하며, 재생에너지와 신에너지로 나누어 11개 분야로 구분합니다.


재생에너지 : 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열(8개 분야)


신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지(3개 분야)


각 에너지의 대략적인 특징을 살펴봅시다.

 

 


1.태양광 에너지

 

태양광 에너지는 태양광발전 시스템을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것 입니다.


태양광발전 시스템의 분류


1)계통연계형(Grid System)

발전한 전기를 전력회사의 계통에 연결시켜 송전하는 방식


2)독립형(Off Grid System)

등대, 인공위성, 전기가 들어오지 않는 도서 벽지에서의 발전 등 독립적인 발전 방식


3)하이브리드(Hybrid System)

태양광발전과 풍력발전, 또는 태양광발전과 디젤발전 등 태양광발전과 다른 발전방식을 결합한 방식

 

2. 태양열 에너지


태양열 에너지는 집열판 등을 이용하여 태양에서 나오는 열에너지를 흡수, 저장, 열교환 등을 통하여 물을 데워 온수를 이용하고 건물의 냉난방에 활용하는 기술입니다.

태양광발전과는  개념이 전혀 다르니 유의하십시오.


태양열 시스템


태양열 시스템은 집열부, 축열부, 그리고 이용부로 구성되어 있으며 설치가 간단하고 저렴하여 가정용 온수공급 및 난방용으로 많이 보급되어 있습니다.

 

3. 풍력 에너지


풍력발전은 바람이 가진 운동 에너지를 전기에너지로 바꾸는 시스템입니다.

바람이 풍차의 날개를 돌려 여기에 연결된 발전기를 돌려주어 전기를 생산합니다.

이렇게 발전된 전기를 자체적으로 사용하거나 전력회사로 역송전 시켜 전기를 판매할 수도 있습니다.

우리나라는 해안선이 길어서 풍력발전 하기에 유리한 조건을 가지고 있습니다.


풍력발전 시스템

바람의 운동에너지  ---풍력 터빈의 기계에너지  ----발전기의 전기에너지


풍력발전 시스템은 아래와 같은 구성 장치로 이루어져 있습니다.


풍차날개(Blade) : 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환시키는 역할


동력전달장치(Gear Box) : 회전력을 최상의 조건으로 증폭시키는 장치


발전기(Generator) : 기계적 회전력을 전기에너지로 변환시키는 장치


전력변환장치(Inverter) : 발전기에서 생산된 직류전기를 가정에서 사용할 수 있는 교류전기로
                                 변환시키는 장치

 

4.수소연료전지


수소연료전지는 수소연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 바꾸는 시스템으로 연속적인 연료 공급으로 재충전 없이 계속하여 전기를 생산할 수 있고, 반응 중에 발생된 열은 오수를 생산하여 급탕 및 난방으로 이용이 가능합니다.


연료전지발전 시스템


개질기(Reformer) : 화석연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소연료로 변환시키는 장치.


발전부 : 수소로부터 전기를 생산하는 발전 장치.


전력변환장치(Inverter)


폐열회수장치 : 발생한 폐열을 회수하여 급탕, 또는 온수로 공급하는 장치.

 

 


5.바이오 에너지


바이오 에너지는 살아있는 생물체로부터 얻어지는 에너지원을 이용하는 것으로 농작물에서
액체연료를 얻는 것,

동물의 배설물이나 쓰레기매립지에서 가스 연료를 얻어 발전설비를 가도하고 전기를 생산하는
방식입니다.


바이오에너지발전 시스템


유기성폐기물 -- 메탄가스발생 -- 터빈가동 --발전기의 전기에너지

 

6. 폐기물  에너지

 

폐기물에너지 시스템


소각로 : 산업폐기물 소각처리


보일러 : 소각로 열을 이용하여 스팀 발생


배관 : 스팀의 공급(열원온도 100-120)


공해방지시설 : 소각 시 발생하는 공해물질 제거

 

7. 지열 에너지


지열이란 땅의 표면부터 깊은 곳까지의 땅이 가지고 있는 열에너지를 말하며 이를 꺼내어 건물의
냉난방 시스템에 이용합니다. 여름에는 땅속의 시원한 온도를 가져오고 겨울에는 따뜻한 온도를
가져옵니다.


지열에너지 시스템


지중열교환기 : 땅속에 100미터 이상 구멍을 뚫어 유체가 든 파이프를 삽입하고 유체순환 펌프로 
                     순환시켜 땅속의 열과 열교환을 합니다.


유체순환펌프 : 유체순환장치


히트펌프 : 지중의 열을 실내로 흡수하거나 실내의 열을 지중으로 방출하여 냉난방에 이용하는
               지열시스템의 핵심장치


냉온수 순환펌프, 배관 : 히트펌프에서 냉온수를 공급

 

8.수력 에너지


수력발전은 물의 낙차를 이용하여 발전기에 연결되어 있는 날개를 돌려 전기를 생산하는
시스템입니다.

단위시설 당 발전량이 10,000Kw이하의 수력발전을 소수력발전이라 하고 전력생산 이외에 농업용 저수시설, 정수장, 하수처리장 등에도 적용할 수 있습니다.


수력발전 시스템


취수구수로 : 물이 유입되는 곳


수차날개 : 수력에 의해 회전하여 수력에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 장치


동력전달장치 : 수차날개에서 발생한 회전력을 최상의 조건으로 높여서 발전기를 회전시킴니다.


발전기 : 수차날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치

 


9.해양 에너지


해양에너지는 파도에서 얻는 파력에너지, 밀물, 썰물의 수위 차이에서 얻는 조력에너지,

바다 속과 표면의 온도차를 이용한 해수온도차에너지 등이 있습니다.


키포인트 


*신. 재생에너지-태양광, 태양열, 풍력, 연료전자, 수소에너지, 바이오에너지, 폐기물에너지,

             석탄가스화.액화에너지, 지열, 소수력, 해양에너지 이상 11개 분야로 구분                 

  (에너지  및 재생에너지 개발. 이용. 보급 촉진법 제2조)

*신. 재생에너지는 화석에너지의 고갈문제와 지구환경문제에 대한 핵심 해결방안.

 

 

 


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출처 : youngblue
글쓴이 : youngblue 원글보기
메모 : 태양광발전
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