야간에 사용가능한 태양에너지 발전 시스템
한 대학생이 야간에도 사용할 수 있는 태양에너지 저장장치를 선보였다.
23세 포츠머스 대학교 학생인 Claus Volkening씨는 Holy Grail of solar technology라 불리는 직립 타워형 물탱크 모델로서 야간에 사용될 수 없었던 태양광 발전의 어려움을 해결했다.
기존의 직립 타워형의 경우 태양으로부터 열에너지를 공급받아 공기를 데워 내부 터빈을 이용해 전력을 생산했다. Volkening의 모델의 경우 버려지는 에너지를 모아 다시 물을 가열하는 방식으로, 해가 진 후 전력을 생산할 수 있는 에너지를 저장한다.
“태양 에너지를 이용한 발전을 해가 진 이후에도 계속 할 수 있지 않을까 고민했다. 그러던 도중 물탱크를 이용해 낮 동안의 태양 에너지를 저장함으로써 야간에도 발전할 수 있는 에너지를 얻을 수 있겠다는 아이디어를 얻었다”고 Volkening씨는 말했다.
그는 또한 “비록 앞으로 검증되어야 할 부분이 많이 남아 있지만, 자신의 모델은 이러한 아이디어가 실제로 작동된다는 것을 보여준 케이스라 할 수 있다. 향후 상업화를 위한 청사진으로서 이 모델에 대해서는 에너지 저장용기가 물이 아닌 다른 더 좋은 물질을 찾는 것이 최우선 과제 중 하나”라고 말했다.
모형은 유리나 플라스틱으로 둘러싸인 표면적 16km2의 물탱크에 높이 1km의 구조로서, 온실효과 방법을 이용한 에너지 저장시스템을 이용한다.
포츠머스 대학의 Volkening 지도교수 James Buick 박사는 “직립 타워형 태양광 발전의 배경 기술은 아주 간단하다. 달리 말하면, 재료만 갖추어 진다면 세계 어느 나라, 즉 재생에너지에 대한 어떠한 배경 기술이 없는 국가라 할지라도 만들 수 있다는 것이 큰 장점”이라고 말했다. GTB

발전 잠재력이 제일 큰 中國의
박막 태양 전지 산업
‘세계 환경의 날’인 지난 6월 5일, ‘제2회 중국 클린 기술 산업 투자, 융자 포럼(CCIS)’이 중국 베이징(北京)에서 개최되었다. 이번 포럼에서 ‘박막 태양 전지(Film solar cell)’가 향후 중국에서 발전 잠재력이 제일 큰 신 에너지에 속한다는 일치된 결론이 도출되어 주목을 받고 있다.
‘더퉁(德同) 자본 중국 기금 파트너’인 조우쥔(趙軍)의 설명에 따르면, 최근 10년간 중국에서 태양 에너지 산업은 신속히 발전하였으며 특히, 중국 태양 에너지 핵심 업체인 ‘우시(無錫) 상더(尙德) 회사’는 지난 2005년도에 주식을 상장하였으며 지난 2007년도에 전세계 태양 에너지를 이용한 발전(發電)량은 400만kW 규모에 도달하였으며 연 간 41% 수준으로 성장하였다고 한다.
중국은 현재 이미 일본을 넘어 세계 최대 태양 에너지를 이용한 發電 대국으로 부상하였으며 태양 에너지 관련 산업에서 주식을 상장한 업체는 이미 6개에 달한다고 한다. 중국의 태양 에너지를 이용한 발전량은 전체 신에너지 생산량의 27%를 차지하고 있는 상황이라고 한다.
박막 태양 전지는 두 가지로 분류되는데, 한 가지는 실리콘(Si)을 소재로 한 박막 태양 전지이고, 다른 한 가지는 비(非) 실리콘 소재의 박막 태양 전지이다. 비 실리콘 소재의 박막 태양 전지 기술은 실리콘 대신 유리와 같은 값싼 기판 위에 박막 형태의 태양 전지를 증착시킴으로써 전기를 생산하는 기술에 속한다. 태양 전지 시장은 실리콘을 소재로 하는 기술이 주도를 하고 있는데 최근에는 LCD 박막 기술이 발달함에 따라 박막 태양 전지 개발이 신속히 발전하고 있는 상황이다. 박막 태양 전지는 고가의 실리콘 대신 유리 기판을 소재로 활용하고 있어 실리콘 태양 전지에 비해 단가는 낮지만 에너지 효율이 떨어지는 단점도 존재하고 있는 상황이다.
태양 전지의 산업 체인을 보면, 주로 여섯 개 부분으로 분류되는데 실리콘 원자재, 실리콘 조각(片), 전기 자장 조각, PV 부품, 집적, 응용이 포함된다. 산업 체인 분야에서 실리콘 원자재, 실리콘 조각 부분의 수익률이 매우 높으며 기술 장벽도 매우 높은 부분에 속한다. 때문에 중국은 반드시 순수 실리콘 재료를 추출하는 새로운 기술과 혁신적인 공법을 개발하는데 중점을 두어야 할 것이라고 중국 내 관련 전문가들은 강조하고 있다. 실리콘 조각을 개발하는데 필요한 장비는 현재 모두 외국 수입에 의존하고 있는데 향후 반드시 국산화를 실현해야 한다고 중국 내 관련 전문가들은 주장하고 있다.
이번 ‘제2회 중국 클린 기술 산업 투자, 융자 포럼’에 참석한 중국 내 관련 전문가들은 박막 태양 전지는 향후 중국의 태양 에너지를 이용하는 신 에너지 분야에서 핵심 부분으로 부상하게 될 것이며 발전 잠재력이 제일 큰 신 에너지 산업으로 부상하게 될 것이라고 만장일치로 주장하였다. GTB

태양광 발전과 지능형 전력망
연계 프로젝트를 진행하는 미국
213개의 태양 발전 패널들이 새로운 스마트 그리드 기술과 연계되어 가정에 전기를 공급하게 될 것이다. 이 프로젝트는 미국의 듀크 에너지(Duke Energy)에 의해 진행되고 있다. 지하철에 설치된 새로운 태양 발전 패널들은 대략 50킬로와트의 전기를 생산할 것이다. 패널들이 정상 작동할 때 생산되는 50킬로와트는 5가구가 충분히 사용할 수 있는 전기량이다. 태양광 패널들에 의해 생산된 전기는 멕알파인 크릭(McAlpine Creek) 시험 지역의 전기 분산망에 직접 보내지거나 지하철에 설치될 예정인 500킬로와트의 저장 배터리의 충전에 사용될 것이다. 태양 패널들과 배터리는 지역 에너지 관리 시스템들에 연계되어 듀크 에너지사가 재생에너지 자원들, 저장 기술, 에너지 효율 등을 결합시킨 ‘가상 발전 플랜트(Virtual power plant)’를 어떻게 만드는가를 결정하는 데 이용될 것이다.
적어도 1년 이상 멕알파인 지역에서 듀크 에너지사는 8,100 가구에 새로운 지능형 측정기들을 설치해왔으며 유틸리티 거점들과 전력선들에 새로운 디지털 통신 기술을 적용해 왔다. 프로젝트가 완료되면 새로운 기술은 신뢰성을 향상시키고 정전 기간을 단축시키며 소비자들이 자신들의 에너지 사용을 최적화하도록 사용 자료와 기능을 제공해 줄 것이다. 듀크 에너지사의 최고 기술 책임자인 데이비드 몰러(David Mohler)는 미국에서 이용되는 현재의 전력 시스템은 지난 100년 동안 거의 변하지 않았으며 지능형 전력망은 회사와 소비자들 간에 양방향 통신을 가능케 하는 21세기형 전력망을 제공해줄 것이라고 말했다.
대략 100개의 가정들이 에너지 관리 시스템 파일럿 프로젝트에 참여하고 있다. 이 파일럿 시험은 떠오르는 에너지 관리 시스템들의 기술적, 운영적, 소비자 만족도를 측정하는데 있다. 예를 들어 소비자는 전기 제품들, 냉난방 시설들, 드라이어 등과 같은 설비들을 모니터하고 제어하기 위한 ‘에너지 프로파일(Energy profile)’을 개발하기 위하여 듀크 에너지사와 협력할 수 있다. 이는 소비자들이 에너지 효율을 향상시키고 에너지 절약을 할 수 있음을 의미한다.
몰러는 덧붙여서 멕알파인은 지능형 전력망 기술을 실생활에 적용할 수 있는가를 연구하는 핵심 실험소가 되었으며 향후 듀크 에너지사는 비슷한 시스템을 보급할 것이라고 말했다. 멕알파인 지능형 에너지 파일럿 프로젝트에 대한 사진 및 비디오가 포함된 자세한 사항은 http://smartenergynews
room.com/에서 찾아 볼 수 있다. GTB

태양광 발전과 부동산 솔루션
포트폴리오의 결합
환경 친화적 부동산 솔루션 보급 분야에서 선도자의 위치를 구축하고 있는 Lend Lease사는 세계적으로 태양광 기술 제공분야에서 리딩 업체인 First Solar사와 공급에 관한 협약을 체결하였음을 오늘 발표했다.
Lend Lease의 프로젝트 관리 및 건설 사업부문 자회사인 Bovis Lend Lease는 First Solar와 10메가와트(MW)의 태양광 패널 공급건에 대해 계약을 체결하였다. Lend Lease는 이러한 관계 구축을 위한 협약을 통해 기존의 개발 포트폴리오뿐 아니라 오스트레일리아의 건설 산업 전반에 있어서의 레버리지 효과를 기대하고 있다.
Bovis Lend Lease의 오스트레일리아 지사 CEO인 Tony Costantino는 이러한 관계 구축은 Lend Lease뿐 아니라 오스트레일리아에 있어서도 태양광 기술에 대한 중요한 진일보라고 말했다.
“우리는 선도적 태양광 기업 중 하나인 First Solar와 함께 일하게 된 것과 태양광 조달 시장에 진입하게 된 것에 대해 매우 기쁘게 생각한다. 이러한 관계 구축을 통해 우리는 고객을 위해 재생 에너지에 대해 증가하고 있는 수요를 충족시켜 줄 수 있을 것이며, 태양광 에너지가 모든 프로젝트에 있어 고려사항이 될 것을 보장해줄 것이다. 우리는 앞으로도 기회가 있다면 함께 일하길 기대하고 있다”고 그는 밝혔다.
태양광 에너지는 오스트레일리아에서 가장 쉽게 사용 가능한 형태의 재생 에너지이며, First Solar의 혁신적인 기술은 오늘날 시장에서 사용할 수 있는 가장 비용 효율적인 형식의 태양광 기술을 통해 이런 풍부한 자원에의 접근을 제공한다.
“First Solar의 패널은 다른 태양광 기술보다 고온에서 잘 작동함으로 인해 오스트레일리아의 기후와 완벽하게 맞아 떨어진다”고 Costantino는 말했다.
“First Solar는 환경 친화적 솔루션 전문인 Lend Lease와 함께 일하게 되어 기쁘다”고 First Solar사의 마케팅 사업부 부사장인 John Carrington이 말했다. “우리는 Lend Lease사가 프로젝트에 대해 우리의 기술을 선택한 것에 대해 기쁘다. 우리는 함께 오스트레일리아의 녹색 에너지 미래에 투자하고 있다”고 그는 덧붙였다. First Solar는 즉각적으로 태양광 패널 공급을 시작할 것이다. 한 번 설치되면 태양광 패널은 매년 대기 중으로 배출되는 이산화탄소 중 천 5백만 톤에 상응한 절감을 이루게 될 것이며, 이는 매년 3천 5백여 대의 차를 도로에서 없애는 것과 맞먹는 것이다. GTB

염료감응 태양전지(DSCs)의 성능을 향상시킨 새로운 전략
유기 태양전지에서 염료를 고정시키는데 새로운 방법을 사용하여 그 성능을 향상시켰다고 국제적인 과학자들로 이루어진 연구진이 말했다.
염료감응태양전지(Dye-sensitized solar cells, DSCs)는 태양빛에 의해 흥분되면 전자를 방출하는 유기 염료를 포함한다. 그 전자들은 반도체(semiconductor)로 이동하여 전류를 발생시킨다. 그 염료는 간격을 띄우는 그룹에 의해 분리된 공여체 단위와 수용체 단위로 이루어진다. 대부분의 DSCs는 수용체 단위에 연결된 시아노아클릴산(cyanoacrylic acid)을 사용하여 그 염료를 반도체에 고정시킨다. 그러나 이것은 전지의 성능을 향상시키기 위해 염료의 구조를 변형하는 것을 어렵게 한다.
중국의 달리안공과대학교(Dalian University of Technology)에 있는 Xichuan Yang와 동료들은 고정하는 그룹을 프로파노익산(propanoic acid)으로 바꾸고 그것을 수용체 단위에 측면 고리(lateral chain)로서 부착했다. 고정하는 부분을 수용체와 분리함으로써 그 연구진은 쉽게 수용체와 공여체 단위의 구조를 변형하여 염료의 흡수 스펙트럼(absorption spectra)을 조정할 수 있었다. 그들의 새로운 염료는 이전에 보고된 이런 종류의 염료들보다 근적외선(near infrared light)을 더 잘 흡수해서 태양빛을 전기로 변환하는데 보다 효율적이었다.
이러한 전략적인 변화가 흡수 스펙트럼이 넓고 몰흡광계수(molar extinction coefficient)가 높은 새로운 세대의 유기 염료의 고안과 합성을 위한 가능성을 열었다고 Yang은 평가했다. 다음 과제는 전자 이동의 작용기전을 조사하는 것이라고 Yang은 덧붙였다. 이들 염료에서 흥분된 전자는 측면의 고정하는 그룹보다는 공여체 부분을 통하여 반도체로 진입하는 것으로 여겨지는데, 표면에서 이들 염료들의 거동과 전자 진입 경로에 대한 보다 많은 실험적 연구가 행해질 필요가 있다고 그는 말했다. GTB

도쿄가스, 태양광 발전의 잠재 능력을
최대한 발휘하는 시스템 개발
2010년 내에 시스템 실용화 /
태양광 발전량 유지하여 전압 제어 - 
도쿄가스(Tokyo Gas)가 태양광 발전의 잠재 능력을 최대한 발휘하는 시스템 개발에 나섰다. 향후 태양광 발전 보급은 잉여 전력의 매입 제도 도입에 의해 대량의 전기를 전력 계통에 흘려 배전선의 전압 상승을 초래할 우려가 있다. 출력을 억제하면 장해 발생은 막을 수 있지만 발전량 그 자체가 줄어든다. 도쿄가스가 개발하는 시스템은 연료전지용 인버터를 사용하여 발전량을 유지한 상태로 전압을 제어할 수 있다.
일본 정부는 2010년도까지 잉여 전력을 전력회사에 기존의 약 2배 가격으로 매입하게 하는 제도를 도입한다. 또한 도입 보조금도 부활하여 향후 태양광 발전 시스템의 급속한 보급이 예상되고 있다. 그러나 태양광 발전은 기후의 영향을 받기 쉽고 발전량은 항상 변동한다. 이로 인해 공급량이 수요를 웃돌아 대량의 잉여 전력이 전력 계통에 흘러들면 배전선 전압이 급상승하여 매입을 정지하지 않을 수 없는 상황에 빠져 버린다.
태양광 발전 시스템에는 자동적으로 발전량을 억제하여 전력 계통에 흘러들어가는 전기량을 억제하는 기능도 구비하고 있다. 단지 이러한 경우 보급 대수가 증가하는 만큼 발전량을 억제하지 않으면 안 되게 된다. 결과적으로 보급을 위한 지원책인 매입량이 줄어들면 태양광 발전 도입 의욕의 감퇴로 연결되어 에너지 절약이나 이산화탄소(CO2)의 삭감에도 연결되지 않게 된다.
도쿄가스의 가정용 연료전지의 인버터를 사용한 시스템은 이러한 문제를 해결하는 개발로 인버터는 수소와 산소의 화학반응으로 발생된 직류 전기를 교류로 변환하여 가정에서 사용할 수 있도록 하는 변환 기기이지만 이것을 전압 제어에 응용한다.
도쿄가스 기반기술부 에너지 그룹은 인버터를 잘 제어하면 태양광 발전으로 만들어지는 전기 전압을 내릴 수 있어 출력 억제에 의한 발전량 감소를 회피할 수 있다고 설명하고 있다. 기존 인버터에 제어 회로를 조립하면 새로운 기기의 도입이 불필요하고 도입비용도 낮게 된다고 한다.
도쿄가스는 태양광 발전이 대량 도입되는 지역에서는 태양광 발전과 연료전지의 상승효과가 크게 기대할 수 있다고 하여 관계 업계와 함께 시스템 개발에 참여하여 5~10년 내의 실용화를 목표로 한다.
일본 정부는 2030년까지 태양광 발전 도입량을 2005년의 약 40배인 5,300만 킬로와트로 올리려는 목표를 밝히고 있다. 하지만 해결해야만 되는 문제점은 많다. 특히 대량 도입에 의한 전압이나 주파수에서의 영향은 기존 전력도 포함한 전력 계통 전체에 관련되는 문제로 기술적인 해결이 필요하다.
도쿄가스의 시스템은 태양광 발전과 전력 계통 `협조`를 실현하는 주요 기술이 될 것으로 기대하고 있다. 그러나 실용화에 대한 문제점은 많고 태양광 발전의 잉여 전력 우대 매입 제도를 두고 가정용 연료전지와 태양광 발전을 병용하는 `더블 발전`의 취급을 둘러싸고 전력 업계와 가스 업계의 대립이 계속되고 있다. 태양광 발전과 연료전지의 병용이 인정되면 전력회사가 매입하여야 하는 잉여 전력이 증가하기 때문이다. 기존 약 2배의 가격으로 매입되는 만큼 전력 업계는 한 걸음도 양보하지 않을 자세다.
도쿄가스를 비롯하여 가스 업계는 태양광과의 병용으로 매전하는 전기량을 증가시켜 가정용 연료전지 보급의 순풍으로 활용할 예정이라고 한다. GTB

나노 기둥 구조를 이용한 저렴한
태양전지 개발 기술
University of California, Berkeley의 연구원들이 알루미늄 포일에 수직 나노스케일의 기둥의 배열을 키움으로써 새로운 종류의 태양 전지를 만들었다. 그들은 투명하고 탄력성 있는 폴리머 속에 전체 셀을 캡슐화 함으로써 구부릴 수 있는 태양 전지들을 만든다. 이러한 설계는 일반적인 실리콘 광전소자보다 저렴한 태양 전지들을 만들 수 있다고 연구원들은 제안한다. 나노 기둥들은 연구원들이 일반적인 실리콘과 박막 기술들에서 사용되는 것보다 더 값싸고 낮은 품질의 물질을 사용할 수 있게 해준다. 더욱이, 태양 전지 셀을 만들기 위해 사용된 기술은 얇은 알루미늄 포일 상에 유연한 패널의 롤을 만들도록 적용될 수 있고, 생산 단가를 낮출 수 있다고 이 연구를 주도한 전기 컴퓨터 공학 교수인 Ali Javey는 말한다. 연구는 초기단계에 있고, 그리고 “roll-to-roll 공정(인쇄 공정과 비슷하게 롤 모양의 필름 보드에 유기반도체 물질을 결합해 다양한 장치를 제조하는 공정)을 이용하여 작업할 때까지 비용을 알 수는 없다. 그러나 그러한 공정이 가능하게 된다면 비용은 결정체 실리콘 패널을 만드는데 소요되는 비용의 1/10보다 작을 수 있다”고 그는 말한다.
태양전지들은 텔루화 카드뮴의 박막에 포함된 균일한 500나노미터 높이의 황화 카드뮴 기둥으로 만들어진다. 두 가지 물질 모두 박막 태양전지들에 사용되는 반도체들이다. 양쪽 자재는 박막 태양 전지들에 사용된 반도체이다. 온라인 Nature Materials 논문에서, Javey와 그의 동료들은 셀들이 약 6%의 효율로 햇빛을 전기로 바꾸는 것을 보여주었다. 다른 사람들도 기둥 설계방식으로 셀을 만들었지만 기둥을 만들기 위해 비싼 방법을 사용했고 효율도 2% 이상을 얻을 수 없었다고 그는 말한다.
일반적인 셀들에서, 실리콘은 빛을 흡수하고 자유 전자를 만들어내고, 이러한 자유전자들은 물질 내의 결함들 또는 불순물들에서 사로잡히기 전에 전기 회로에 도달할 필요가 있다. 가장 효율적인 광전 소자를 만들기 위해 매우 순수하고 비싼 결정체의 실리콘이 필요하다. 나노기둥 설계는 실리콘의 역할을 나눈다. 기둥들을 둘러싸는 물질은 빛을 흡수하고 전자들을 만들고, 기둥들은 그 전자들은 전기 회로로 전송한다. 이러한 방식은 2가지 방법으로 효율을 증가시킨다. 가깝게 채워진 기둥들은 그들 간에 빛을 붙잡아서, 주변 물질들이 더 많이 흡수하는 것을 돕는다. 또한 전자들은 기둥들을 통하여 매우 짧은 거리를 이동하기 때문에, 결점에 잡힐 가능성이 더 적다. 이는 보다 낮은 품질, 저가의 물질을 사용할 수 있다는 것을 의미한다고 Javey는 말한다.
다른 사람은 다른 나노 구조물을 가진 태양 전지들을 만들고 있다. 하버드 대학 화학 교수 Charles Lieber는 실리콘 코어와 다른 중심이 같은 실리콘 계층들로 구성된 나노 와이어들을 만들었다. UC Berkeley의 화학교수 Peidong Yang은 산화 아연 나노 와이어들을 이용한 염료 감응 태양 전지들을 만들었다. 이러한 나노 와이어 태양 전지들은 4%의 효율을 이룩했다.
Javey와 그의 동료들은 처음으로 양극 처리 알루미늄 호일에 의해 나노필라 셀을 만든다. 이것은 200나노미터 넓이로 주기적인 작은 구멍을 만드는데, 그것이 황화 카드뮴 크리스털들이 똑바로 자라기 위한 형판 역할을 한다. 그 다음 텔루화 카드뮴 코팅, 꼭대기 전극, 구리 및 금 박막이 위치한다. 이들은 셀들을 유리판에 부탁하거나 그위에 고분자 용액을 부어서 유연하게 만든다.
“이것은 유연하고 접을 수 있는 고효율 태양전지 가공을 위해 다양한 연질 기반을 이용한 가공된 나노물질들을 통합하는데 있어 흥미로운 진보”라고 Georgia Tech의 재료공학 교수인 Zhong Lin Wang은 말한다. 그러나 이러한 셀은 실리콘, 텔루화 카드뮴, 그리고 다른 물질들로 만들어진 박막 연질 셀들과 경쟁해야 할 것이라고 Golden의 National Renewable Energy Laboratory에서 나노 태양 전지를 연구하는 물리화학자인 Authur Nozik은 말한다. 새로운 셀의 유연성보다는, 그는 “강조점이 저비용일지도 모른다”고 말한다.
당분간 연구원들은 셀 효율을 향상시킬 수 있는 물질들을 연구하고 있다. 가령, 꼭대기 구리-금 층은 단지 50% 투명하다. 그 위에 떨어지는 모든 빛이 통과한다면, 셀의 효율은 두 배가 될 수 있다고 Javey는 말한다. 연구원들은 인듐 산화물과 같이 투명 전도 물질들로 셀을 만들 계획이다. “단순히 꼭대기 접점 물질을 개량하거나 교체함으로써, 최소 2배 향상시킬 수 있는 중요한 여지가 있다”고 그는 말한다. GTB