지구상의 자원은 이용할 수 있는 양에 한도가 있다. 그러나 태양 에너지는 반영구적으로 존재한다. 새삼 이야기할 것 없이 우리가 사는 지구의 중심은 태양이다. 태양이 있기 때문에 지구가 있고 우리 인류가 존재한다. 태양이 지구를 향해 방사한 광에너지는 대기권 외에서 173X1012 [kW]에 이른다고 한다. 1평방미터당 1.38[kW]라는 팽대한 양이다. 이 대양광은 지표에 도달하기 전에 대기권 외에서 30[%]가 반사되고 나머지 70[%]가 대기권 내로 들어온다. 이것이 대기, 해수, 지표를 데워서 대부분이 열에너지로 된다.

변환된 에너지 중 30[%]는 물을 증발하는 데 쓰여서 구름이나 비로 되고 다시 풍력, 파력, 조력과 같은 역학적이 에너지로 되고 있다. 또한, 지표에 도달한 태양광 중 약 0.2[%]가 해중?지상의 식물에 흡수되어 탄산동화 작용에 사용되어서 화학에너지로서 식물에 축적된다. 이처럼 지구에 내리쬐는 태양광 에너지의 1시간 분은 전 세계의 1년간의 에너지 소비량과 맞먹는 것으로 생산되고 있다. 따라서 지구에 내리쬐는 태양광 에너지의 0.01[%]만 유효하게 이용할 수 있다면 에너지 문제는 해결된다는 계산이 된다.

태양발전은 바로 이러한 태양 에너지를 이용해서 우리가 편리하게 사용할 수 있는 전기 에너지를 얻고자 하는 것으로 이에는 태양의 열 및 빛을 이용하는 태양열 발전과 태양광 발전의 두 가지가 있다.

이 발전방식은 태양이라는 무한의 에너지를 이용할 수 있는 이점이 있으나 한편 이것은 자연현상에 의존하기 때문에 날씨에 띠라 큰 영항을 받는다는 단점도 있다.

태양 에너지는 지상에서는 에너지 밀도가 1[m2]당 1[kW] 정도로 매우 낮아서 자연 조건에 좌우된다는 문제를 안고 있지만, 에너지 그 자체는 깨끗하고 고갈의 우려가 없고, 또 지구상에 내리쬐는 1시간 분은 인류의 연간 에너지 사용량과 맞먹는 정도로 팽대한 것이기 때문에 신에너지 개발 중에서는 가장 기대되는 에너지이다.

이용형태로서는 태양열을 이용하는 태양열 발전으로 이용할 것인가 또는 태양광을 이용하는 태양광 발전으로 할 것인가에 따라 설비구성에 큰 차이가 있다.





태양광은 6,000[K]의 흑체반사와 거의 같은 에너지 스펙틀을 가지고 있으며, 그 스펙틀 분포를 모든 파장에 대해서 적분한 값을 태양정수라고 부르고 있는데, 그 크기는 1.353[kW/m 2 ]이다. 이 값이 즉, 지구 근방의 우주공간에서의 태양광 에너지 밀도인 것이다.

아래의 그림에서와 같이 지상에서의 태양광 에너지는 대기를 통과할 때에 수증기, CO 2 , 오존, 먼지, 물방울 등에 의해 흡수ㆍ산란되어서 감쇠되기 때문에, 태양이 수직 정점에 와 있을 때에도 약 1[kW/m 2 ]정도 밖에 안 되며, 또한 계절이나 시간에 따라 지상에서의 태양광 에너지 밀도는 변화하고 있다. 태양광 발전이란 태양으로부터 지상으로 내리쬐는 태양 에너지를 태양 전지로 직접전기로 변환하는 발전방식이다.




태양전지는 실리콘과 같은 반도체로 만들어져서 아래 그림과 같은 구조로 되어 있다.
그림에서 N형 반도체는 전자라고 불리는 마이너스의 전기를 끌어당기는 성질을 가진 반도체이고, P형 반도체는 정공(Hole)이라 불리는 플러스의 전기를 끌어당기는 성질을 가진 반도체이다. 이 태양전지에 빛(태양광)을 쪼이면 빛은 태양 전지의 내부에 들어가서 반도체를 구성하는 원자에 부딪친다. 그러면 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 원자로부터 전기인 전자가 뛰쳐나와서 남은 원자는 전기인 정공으로 된다. 즉, 정(+)의 전기가 발생하고, 부의 전기는 N형 실리콘으로, 정의 전기는 P형 실리콘으로 분리되어 전극에 전압이 발생하고, 이것에 외부 부하, 가령 전구를 접속하면 전류가 흘러서 전구가 켜지게 된다.



▷ 이 태양광 발전이 갖는 특징 내지 장점은 다음과 같다.

1) 규모에 관계없이 발전효율이 일정하다.
2) 태양이 쪼이는 곳이라면 어디에서나 설치할 수 있고 보수가 용이하다.
3) 자원이 반영구적이다.
4) 확산광(산란광)도 이용할 수 있다.

▷ 이들 특징으로 이것은 주택이나 빌딩 등 수용가측에서 원하는 장소에 무리 없이 설치, 운전할 수 있는 분산형 시스템으로서의 보급이 기대되고 있다. 그러나 한편으로는 태양광의 에너지 밀도가 낮고 비가 오거나 흐린 날씨에는 발전능력이 저하한다는 결점이 있다. 따라서 이것을 실용화함에 있어서는 상술한 결점을 커버하고 장점을 충분히 살리기 위해서 해결하지 않으면 안 될 과제로서는

1) 태양전지로부터의 효율적인 집전기술의 개발
2) 축전지 장치 등을 적절히 운용함으로써 비나 흐린 날씨에도 안정하게 전기를 공급 할 수 있는 시스템의 개발
3) 태양광 발전소의 전기를 전력회사의 배전선과 연계시키면서 운용하는 기술의 개발
4) 발전소 건설의 비용절감등을 들 수 있다. 이 발전 시스템은 태양전지의 중심에 일사 변동을 고려한 축전지라든지 직류출력을 교류로 변환하는 변환장치, 그밖에 송.배전 계통에 접속하는 연계장치로 구성된다.


현재 대표적인 전지로서 사용되고 있는 것은 실리콘 태양전지인데 워낙 실리콘이 고가이기 때문에 앞으로 어떻게 하면 보다 값싼 태양전지를 만들 수 있을 것인가 하는 것이 큰 과제이다.



화합물 반도체의 III-V족의 대표적인 GaAs는 실리콘계 태양전지에 비해 효율이 높고 방사선에 의한 열화가 적을 뿐 아니라 온도상승에 의한 특성저하가 작기 때문에 신뢰성이 높다는 좋은 점이 있지만, 한편으로는 자원이 적어서 재료가 비싸기 때문에 코스트가 높아진다는 문제점을 안고 있다.

이들 각 태양전지의 특징에 대해서 변환효율, 신뢰성 및 코스트라는 3가지 항목에서 분류, 평가한 것을 아래의 표에 보인다.

분류 특징
변환효율 신뢰성 코스트
실리콘
아몰퍼스
화합물반도체 II-VI
화합물반도체 III-V X

여기서 변환효율이란 입사한 빛의 에너지를 얼마만큼의 비율로 전기 에너지로 변환할 수 있는가를 나타낸 양이다. 신뢰성에는 태양전지 노후와 열화 등의 문제가 포함된다.코스트는 태양전지의 종류에 의한 재료나 제조 공정 등의 차이에 따라 차가 나게 되어 있다.

실리콘의 결정계는 변환효율ㆍ신뢰성ㆍ코스트 공희 비교적 안정되어 있다. 아몰퍼스계는 초기의 단계에서 변환효율이 10[%] 정도 열화한다는 문제가 있지만, 적은 연료로 제조할수 있고 결정계에 비해 저코스트라는 점에서 기대되고 있다.


다음 태양광 발전 시스템의 기본 시스템은 아래와 같이 분류되고 있다.



먼저 독립형 시스템의 기본구성은 아래의 그림처럼 표현된다. 그림에서 보인 것처럼 이 시스템은 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양전지 어레이(배열판), 태양전지의 출력인 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터, 부하에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 축전지, 그리고 전체를 제어하기 위한 제어장치 등으로 구성되고 있다. 이 기본 시스템은 시스템 스스로가 필요한 전력을 공급할 수 있다는 시스템으로서 독립 시스템이라고 부르기도 한다.


시스템에 따라서는 인버터를 사용하지 않고 태양전지의 출력을 직접부하에 공급하는 독립 시스템도 있으나, 일반적으로는 야간이나 흐린 날(우천 포함)에 미리 직류 전력을 축전지에 저장해 두었다가 이용하도록 하고 있다. 이와 같은 시스템의 실례로서 등대, 무선 중계소 등의 조명, 동력용 전원, 가로등의 전원을 들 수 있다.

다음 하이브리브형 시스템은 태양광 발전 시스템과 풍력발전, 연료전지, 디젤발전과 조합시켜서 각 시스템의 결점을 서로 보완하게 한 시스템이다. 가령 태양광 발전 시스템만으로는 우천이나 흐린 날 또는 야간에는 이용할 수 없지만 풍력발전기 또는 디젤 발전기와 조합시킴으로써 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.

마지막으로 이미 있는 상용전원에 태양광 발전 시스템을 연결해서 사용하는 시스템을 계통 연계형 시스템이라고 한다. 이 시스템에는 태양광 발전 시스템의 출력(전력)이 부하전력보다 부족될 때 상용전원으로부터 지원받지만, 반대일 경우에는 남은 전력을 축전지에 저장하는 백업(back up)형 시스템과 남은 전력을 상용 전원측에 공급하도록 하는 완전 연계형 시스템의 두 가지가 있다. 그림 (C)는 완전 연계형의 구성도를 나타낸 것이다.

태양광 발전은 현재 발전소자의 신뢰도가 많이 높아졌고, 정부에서 적극적으로 공급 확대 정책에 힘입어 일반 주택, 대규모 건물, 공공시설의 조명용 등으로 확대되어 나가고 있다.