태양광에너지에 대해 심도있게 살펴봅니다.

오늘은 태양광에너지에 대해 심도 있게 살펴봅니다.

태양광에너지를 이용한 활용도와 특성, 장단점은 어떻게 되는지

평소에 궁금했던 부분을 중심으로 알아보겠습니다.

 

태양광 에너지는요?

 

1. 태양광이란?

태양광은 태양에서 발생하는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 과정을 말하는데,

태양광 에너지를 생산하는 과정에서 태양광 전지를 사용합니다. 태양광 전지는 태양의

빛을 전기로 변환하는 장치입니다. 태양광 전지는 일반적으로 실리콘 등의 반도체 소재로

만들어지며, 반도체 소재는 빛이 충돌할 때 전자를 확산시키기도 합니다.

태양광은 태양광 발전소, 태양열 발전소, 태양열 수집기 등을 통해 이루어지고, 전력

그리드에 연결되어 가정이나 기업 등에서 전기가 공급할 수 있으며, 이러한 기능은

에너지를 지속 가능하게 공급하게 하고, 에너지 소비의 지속 가능성을 높이기도 합니다.

 

2. 태양광에너지에 대하여

태양광 에너지는 태양에서 발생하는 열과 빛을 이용해 전기와 열을 생산하는 에너지의

형태로, 이는 지속 가능하며, 친환경적인 에너지원으로 간주합니다.

1) 태양광 전지(PV)

- 태양광 전지는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환하는 기술입니다.

- 보통은 실리콘과 같은 반도체 소재로 만들어진 태양 전지 패널을 사용합니다.

- 태양광 전지 패널은 태양광선에 노출되면 빛의 에너지를 이용해 전기를 만듭니다.

2) 태양광 발전

- 태양열 발전은 태양광선을 직접 열로 변환하여 전기를 생산하는 방법입니다.

- 일반적으로 태양열 증발기, 태양열 반사기, 태양열 발전기로 구성됩니다.

- 태양열 발전은 대규모 전력 생산을 위해 사용되며, 열 기반의 발전소에서 발전량을

   증가시키기 위해 다양한 기술이 적용됩니다.

3) 태양열 수집

- 태양열 수집은 태양열을 흡수해 직접 열에너지를 생성하는 기술입니다.

- 이는 일상적으로 뜨거운 물을 공급하기 위한 태양열 수집기와 같은 작은 것부터

   산업적인 프로세스와 전력 발전에 사용되는 대규모 시스템까지 다양하게 활용됩니다.

4) 태양광 시스템의 종류

- 그리드 연결형 태양광 시스템

   전력 그리드에 연결되어 발전된 전기를 그리드에 공급하며, 공급된 전기 중 일부는

   태양광 패널로 생산되어 외부 전력망에 판매되거나 저장이 가능합니다.

- 독립형 태양광 시스템

   전력 그리드와 연결돼 있지 않으며, 발전된 전기는 보통 배터리에 저장되어 필요할 때

   사용되며, 주로 원격으로 이뤄지는 지역이나 전력이 부족한 지역에서 사용됩니다.

- 하이브리드 태양광 시스템

   그리드 연결형과 독립형 시스템의 특징을 결합한 시스템으로 전기를 그리드에 공급

   하면서 동시에 배터리에도 저장 가능합니다.

 

3. 태양광 원리

태양광 발전의 원리는 태양의 열과 빛을 이용해 전기 에너지를 생성하는 과정이라고

여러 번 설명했는데, 태양광 발전의 기본 원리에 대해서도 자세히 살펴보겠습니다.

1) 태양광선의 흡수

태양이 빛을 방출할 때 이 빛은 다양한 파장의 광선으로 나뉩니다. 이 광선은 지구에

도달하게 되면 태양광 전지 패널에 부딪힙니다.

태양광 전지의 표면에 있는 반도체 소재는 빛의 에너지를 흡수하여 전자를 확산시킵니다.

2) 광전자 효과

광전자 효과는 반도체 소재에서 빛의 에너지로 전자를 확산시키는데, 태양광 전지의

반도체 소재는 일정한 에너지 이상의 광선에 민감하게 반응하며, 빛의 파장에 따라

활성화되는 전자의 양도 달라지는 현상입니다.

3) 전하 분리

광전자 효과로 확산한 전자는 반도체 구조 내에서 자유 전자로 이동하게 되고, 동시에

결합한 원자에서 양전자(홀) 역시 이동합니다. 이렇게 전자와 양전하가 생성되면

태양광 전지의 내부 전기장이 이들을 분리하고 전류를 발생시킵니다.

4) 전류 생성

전자와 양전하가 전자 수집기와 양전하 수집기에 도달하면 외부 회로를 통해 전기

에너지를 생성하게 되고, 이 전기 에너지는 직류 전기로 변환되어 전력 그리드에 연결

되거나 축전기에 저장되어 나중에 사용될 수 있습니다.

5) 전력 공급과 저장

발전된 전기는 전력 그리드에 공급되어 가정, 기업, 공장 등에서 사용됩니다.

독립된 태양광 시스템의 경우엔 발전된 전기는 배터리에 저장되어 필요시 사용됩니다.

 

4. 태양광에너지의 활용

태양광 에너지는 다양한 분야에 사용되는데 그 활용 범위는 계속 확대되고 있습니다.

1) 전력 생산(전기 생산)

가장 중요한 활용은 전력 생산일 것입니다. 태양광 전지를 사용하여 태양광 에너지를 전기로

변환하여 그것을 전력 그리드에 연결하여 가정과 기업, 공장 등에 전기를 공급합니다.

2) 물 공급과 온수 생산

태양열 수집 시에 시스템은 태양열을 이용하여 물을 가열하거나 온수를 제공합니다.

일반적인 응용으로 태양열 수영장 난방 시스템과 태양열 온수 시스템이 있습니다.

3) 농어촌 지역에서 사용

태양광 펌프 시에 시스템은 농업에서 물을 효율적으로 공급하고 작물을 성장에 사용됩니다.

태양광 에너지는 농촌 지역에서 전력 공급에 관한 어려움을 해결하고, 농가에서 전기 충전,

조명, 소형 가전제품 등에 전력을 공급하는 등에 활용됩니다.

4) 태양광 건물 및 인프라 구축

건물의 지붕이나 외벽에 태양광 패널을 설치하여 건물의 일부나 전체의 에너지 수요를

충족시키는 태양광 건물이 증가하는 추세이고, 태양광 도로나 태양광 보도 등 인프라

구축에도 태양광은 중요한 에너지 공급원입니다.

5) 태양광 충전

태양광 충전 장치는 휴대전화, 노트북, 전기 자전거, 전기 자동차 등 제품을 충전하는데

사용되며, 이는 이동성이 높은 장치들을 태양광 에너지로 충전하여 환경에 미치는 영향을

최소화하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

 

5. 태양광에너지 장단점 비교

1) 태양광에너지의 여러 장점

- 재생이 가능한 에너지원

   태양광 에너지는 지속 가능하고 재생 가능한 자원으로 태양에서 생성되는 열과 빛을

   이용하며, 이는 에너지 고갈 문제의 원칙적인 해결책이 되기도 합니다.

- 친환경

   태양광 발전은 에너지 생산 과정에서 대기 오염 물질을 생성하지 않으며, 온실가스의 

   배출을 감소시키기에 기후 변화와 환경 보전에 보다 긍정적인 영향을 미칩니다.

- 낮은 유지 비용

   일단 태양광 시스템이 설치되면 유지 보수 비용이 낮습니다. 대부분의 시스템은 

   장기적으로 안정적으로 작동하기에 이에 따른 비용이 상대적으로 적습니다.

- 분산형 발전

   태양광 시스템은 전력 그리드에 연결되지 않은 독립형 시스템으로 설치할 수 있어서

   전력이 있어야 하는 지역에 쉽게 구축이 가능하고 이는 전력 손실을 최소화할 수 있다는

   것이기에 전력을 원하는 지역에는 바로 제공할 수 있습니다.

- 에너지 독립성 증대

   태양광 시스템은 전기 그리도와 독립적으로 동작할 수 있습니다. 전력 공급의 불안정성에

   대한 의존성을 감소시키고 에너지의 독립성을 증대시킬 수 있습니다.

2) 태양광에너지 사용 단점

- 불규칙한 생산

   태양광은 날씨 및 자연조건에 영향을 받기에 일정한 발전량을 보장하기 어렵습니다.

   흐린 날이나 밤에는 발전량이 감소하거나 중단되는 경우도 생깁니다.

- 초기 고비용 투자

   태양광 시스템의 초기 설치 비용은 아직 여전히 많이 듭니다. 기술력의 진보와 보조금이나

   장기적인 투자 수익 등을 고려하면 이러한 비용은 점점 감소하는 추세입니다.

- 대량 생산의 환경적 제재

   태양전지 패널의 대량 생산은 일부 화학 물질과 금속의 채굴 및 처리로 인한 환경적인

   영향을 초래할 수 있습니다.

- 저장 기술의 한계

   지금까지는 에너지 저장 기술의 한계가 있어 발전된 에너지를 효과적으로 저장하고,

   나중에 사용하기가 어렵다고 하겠습니다.

- 공간 요구

   대규모 태양광 발전소는 상당히 큰 면적이 필요합니다. 때론 일부 지역에서 토지

   사용권이나 이용권에 대한 논란이 발생하고 있습니다.

 

5. 태양광 전지의 활용

태양전지로도 불리는 태양광 전지는 태양광 에너지를 전기로 변환하는 장치로 이 장치는

광전자 효과를 기반으로 태양광선에서 나오는 빛의 에너지를 전기 에너지로 변환하는데,

여기에 주로 사용하는 실리콘 기반의 태양광 전지에 대해 살펴보면,

1) 태양광 전지의 구조

- 기본 소재

   대부분의 상용 태양광 전지는 실리콘이 주요 소재로 실리콘은 반도체 소재입니다.

   광전자 효과를 발생시키기에 적합한 특성을 가지고 있다고 봅니다.

- P-N 적합

   태양광 전지는 P-N 적합이라 불리는 두 종류의 실리콘층으로 구성됩니다. P층은 양전하를

   N층은 음전하를 가지고 있습니다. 이 두 층이 만나는 부분에서 광전자가 발생합니다.

- 광전자 효과

   태양광 전지는 태양광선이 층에 충돌할 때 빛의 에너지로 전자를 확산시키는 광전자 효과를

   이용하고, 이러한 효과로 인해 전자-홀 쌍이 생성되어 전기적인 전류가 생깁니다.

- 전기 회로 연결

   생성된 전자-홀 쌍은 전기 회로를 통해 이동합니다. 이때 전류의 흐름이 발생하는데

   이는 전기 에너지로 변환합니다.

2) 태양광 전지의 종류

- 결정질 태양전지

   단결정과 다결정 실리콘으로 만들어진 결정질 태양전지는 높은 효율을 가지고 있습니다.

   그러나 고생산 비용으로 제작 과정에서 에너지 소비가 많이 되는 단점이 있습니다.

- 비결정질 태양전지(신경전지)

   실리콘 외의 소재로 만들어진 비결정질 태양전지는 생산 비용이 적고 유연성이 있습니다.

   주로 태양전지 타일이나 태양전지 필름에 사용되며, 낮은 효율성이 한계이긴 합니다.

- 다결정 태양전지

   다결정 태양전지는 결정질과 비결정질 태양전지의 중간 지점에 위치하며, 효율과 생산

   비용 면에서 타협한 해결책으로 사용되고 있습니다.

 

 

6. 태양광에너지의 예측과 방향성 제고

전반적으로 태양광 에너지는 지속 가능하며, 친환경적인 에너지원으로 인정받고는 있지만

여전히 기술 발전과 에너지 저장 기술 발전이 필요하며, 초기 투자 비용과 일정한 생산

보장 등에 관한 과제 또한 존재하고 있습니다. 대규모 태양광 발전소의 건설이 늘어나면서

전력 그리드에 연결된 태양광 시스템은 더욱 보편화될 것으로 예상됩니다. 이에 따른 지역

사화와의 소통 및 협력이 보다 강화되어야 할 것이고, 정부는 지속 가능한 에너지 전환을

지원하기 위해 정책 및 규제를 강화하는 동시에 재생 에너지에 대한 보조금 및 혜택을 제공

하여 태양광 에너지 산업을 보다 활성화해야 할 것입니다.

대중에게는 태양광 에너지의 중요성과 인식에 대해 수준을 높이는 것도 필요합니다.