공동주택의 태양에너지축전시스템으로 가로등 조명에
이차활용하는 CO2 배출 제로화 기술
일본 이토오츄주식회사는 도쿄도 세타가야구의 분양 맨션에 태양광 패널, 축전 시스템, LED조명을 도입하여, 맨션 공용부의 조명 소비 전력의 거의 전량을 태양광 발전으로 조달해, 클린 에너지를 효율적으로 구축하였다.
대상이 되는 맨션은 도쿄도 세타가야구 총 51호, 5층 건물의 분양 맨션에으로 2011년 3월부터 입주가 예정되어 있다. 이번, 업계 최초의 시도로서 축전 시스템을 도입하여, 태양광 발전으로 맨션 공용부의 주간 시간대 소비 전력으로 공급될 뿐만 아니라, 그 나머지 잉여 전력을 저장해, 공용부의 야간 소비 전력으로도 할당하는 것이 가능해졌다.
또한, 전등 자체에도 전력 소비가 낮은 LED조명을 채용하여 맨션 공용부의 연간 조명 소비 전력을 약 36,900kWh에서 약 10,000kwh로 절약해, 거의 전량을 클린 에너지로 조달할 수 있게 되었다. 이를 CO2 배출량으로 환산하면, 연간 약 20.5톤의 CO2배출량을 줄이게 되며, 또한 맨션 거주민에게는 공용부의 전력 소비의 저감으로 1가구당 매달 약 1,200 엔의 관리비 부담을 절약하는 장점도 있다. 앞으로는 전기 자동차의 카 쉐어도 도입할 계획이다.
이번에 도입한 태양광 패널과 축전지의 복합 시스템은 2009년 11월 27일에 이토오츄 상사에서 발표했던 클린 에너지를 활용한 저탄소 교통 사회시스템의 공동 실증 프로젝트에서 개발을 진행시키고 있는 태양광 패널과 미국 EnerDel사의 축전지를 토대로 한 시스템을 활용해, 축전지의 리모트 상태 감시를 실시한다.
이 프로젝트와 같이 태양광 패널로부터 축전지의 충전량, 축전지로부터 맨션 공용부에의 소비량, 전지의 열화 정보를 리얼타임에 감시하는 것 등 한층 더 시스템을 향상할 수 있었다. 차재용 리튬 이온 배터리 시스템의 이차 활용에 있어서 비즈니스 모델의 구축을 현재 진행하고 있다. 이차적 활용에 대해 가장 중요한 것은 전지 시스템의 사용 상황에 대한 이력·진료기록카드를 작성해 전지의 신뢰성을 보증한다. 츠쿠바의 실증 프로젝트를 통해 시스템 개발 및 운용, 데이터 취득을 실시해, 이차적 활용 모델을 구체화하였고, 이차 활용처로 시장 전체의 20% 신축에 도입을 목표로 한다. GTB

중국, ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 제정 추진
최근 중국 ‘국가 공업 및 정보화(信息化)부’는 부처 홈페이지를 통해 “중국 정부는 현재 중국 국가 ‘폴리실리콘 산업 준입(準入) 표준’ 제정을 추진하고 있으며 빠른 시일 내에 최종 확정되어 공식 발표 및 실행단계에 들어가게 될 것”이라고 발표하였다. ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 제정 및 실행은 중국 전체 폴리실리콘 산업 발전에 중대한 영향을 끼치게 될 것으로 전망된다. 이번 ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 제정 배경 및 제정 이유에 대해 ‘중국 전자 재료 산업 협회’ 산하 ‘반도체 재료 분회’ 비서장인 주리후이(朱黎輝) 교수는 다음과 같은 세 가지 내용으로 설명하고 있다.
첫째, 세계적인 에너지 부족으로 인해 태양전지 산업이 신속히 발전하고 있으며 중국 정부도 미국 등 선진국과 같이 태양광 발전 산업을 국가 경제 진흥의 한 개 중요한 수단으로 확정하였다고 한다.
둘째, 태양전지 수요량의 증가는 폴리실리콘에 대한 수요를 대폭 증가시키게 되었다고 한다. 지난 2007년도에 태양전지 생산에 원료로 투입된 폴리실리콘 가격은 20~30배 정도 뛰어 올랐으며 kg당 몇 십 달러 가격에서 400~500달러 가격으로 폭등하였다고 한다. 지난 2008년도에 폴리실리콘의 생산 원가는 kg당 300위안 인민폐(약 44달러)에서 3,200위안 인민폐(약 471달러) 수준에 도달하였다고 한다. 가격의 폭등은 폭리를 얻을 수 있게끔 하였으며 많은 업체들이 폴리실리콘 생산에 투입되었다고 한다. 지난 2008년도에 중국은 세계 최대 규모의 실리콘 태양전지 생산 대국으로 부상하였다고 한다.
셋째, 중국 내 각 지방 정부에서 폴리실리콘 산업을 지방 경제 발전의 중점 육성 산업으로 선정하고 폴리실리콘 산업과 동시에 태양전지 산업 육성을 지방 경제 발전을 추진하는 중요한 수단으로 선정하였다고 한다. 중국 내 많은 지방에서 폴리실리콘 산업 및 태양전지 산업을 대량 육성하게 되어 현재 중국에서는 폴리실리콘 생산 과잉 상황이 발생하게 되었다고 한다.
폴리실리콘 산업 및 태양전지 산업의 안정적인 발전을 추진하기 위해 중국 정부는 ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 제정을 추진하였으며 동 ‘표준’ 제정, 실행을 통해 폴리실리콘 산업을 규범화 하고 폴리실리콘 산업 및 태양전지 산업의 건전한 발전을 실현하려 하고 있다고 주리후이 교수는 강조하고 있다.
중국 ‘국가 공업 및 정보화부’ 산하 ‘전자 정보사(電子信息司)’ 스징(石京) 부사장(副司長)의 설명에 따르면, 현재 ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 초안은 완성되어 의견 수렴 및 수정 단계에 들어갔으며 수정, 보완 단계를 거친후 최종 확정되어 빠른 시일 내에 공식 발표 및 실행 단계에 들어가게 될 것이라고 한다.
중국 ‘국가 공업 및 정보화부’ 산하 ‘전자 정보사’는 ‘에너지 절약 및 종합 이용사(節能與綜合利用司)’와 공동으로 전국 범위 내 중점 태양전지 제조 업체 담당자들과 ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’ 내용에 대한 검토를 진행하고 수정 의견을 받아들이기 위한 간담회를 개최하고 있다고 한다. 기업체들에서 제안한 수정 의견에 근거하여 ‘폴리실리콘 산업 준입 표준’에 대한 수정, 보완 작업을 거친후 최종 확정을 통해 공식 발표 및 실행 단계에 들어가게 될 것이라고 주리후이 교수는 설명하고 있다. GTB

연료전지·태양전지·축전지를 조합시킨 스마트 하우스의
실증 실험 개시
오사카 가스와 세키스이 하우스는 저탄소 사회 실현을 위하여 가정용 연료전지와 태양전지를 조합한 Ｗ발전에 축전지를 조합하고 에너지절약성을 높인 스마트 하우스의 실증 실험을 개시했다.
스마트 하우스란 정보 기술을 이용하여 에너지 이용을 최적화한 주택이다. 에너지 소비 기기(가스 기기나 가전 기기)나 태양전지 등의 에너지절약성은 매년 향상되고 있지만 기기를 그룹으로 묶은 성능 향상에는 한도가 있다. 스마트 하우스는 이것들을 정보 네트워크로 연결하고 에너지의 수요와 공급 정보를 활용하여 주택 전체의 에너지 매니지먼트의 최적화한 것이다.
오사카 가스 및 세키스이 하우스에서는 가정 부문의 CO2 배출량 삭감을 위해 천연가스를 이용한 발전과 발생한 열도 효율적으로 이용할 수 있는 가정용 코제네레션 시스템과 재생 가능한 에너지인 태양전지를 조합한 환경 친화적인 Ｗ발전의 보급에 몰두해 왔다. 이번의 실증 실험에서는 Ｗ발전에 전력의 충전/방전을 할 수 있는 축전지와 가정내의 네트워크 제어 기술을 융합하여 사용자의 편리성을 높이고 에너지절약을 실현할 수 있는 시스템의 구축을 목표로 한다. 또한 장래의 저탄소 사회의 에너지 시스템으로서 주목받고 있는 스마트 그리드와 스마트 에너지 네트워크에 대응한 실증 실험에도 이용하고 있다.
실증 실험의 구체적인 내용은 다음과 같다.
(1) 주택내의 기기를 일원 관리할 수 있는 시스템의 구축
주택내의 기기를 일원 관리한 기능을 갖는 플랫폼 서버와 메이커가 다른 다양한 에너지 소비 기기나 에너지 계측 기기(가스·전기 미터 등), 연료전지, 태양전지, 축전지를 통신 방식으로 표준화한 정보 네트워크로 연결하여 기기의 운전 상태를 감시·제어할 수 있는 시스템을 구축한다. 이것에 의해 기기 그룹이 아니라 주택 전체를 일원화한 에너지절약 제어를 플랫폼 서버로 하는 것이 가능하다．
(2) 연료전지·태양전지·축전지가 최적 활용에 의한 CO2 배출량의 최소화와 에너지의 효율적 이용
환경 친화적인 연료전지와 태양전지의 Ｗ발전에 축전지를 추가한 플랫폼 서버에 의하여 연료전지의 발전량의 증감 제어와 축전지의 충방전 제어를 하는 것으로 CO2 배출량의 최소화를 실현한다. 구체적으로는 전력소비량이 적은 시간대에 남는 전력을 축전지에 충전한다. 충전된 전력에 관해서는 전력소비량이 많은 저녁 시간에 주택내에서 사용한다．
(3) 저탄소 사회에 있어서 새로운 에너지절약 서비스의 가능성 검증
저탄소 사회에 있어서 에너지절약 서비스로서 HEMS(Home Energy Management System)가 주목받고 있지만 에너지 사용량을 가시화하는 것만으로는 사용자가 언제 어떤 행동을 취할 것인지 알기 어렵다. 이번의 실증 실험에서는 주택내의 에너지 사용 상황을 평상시 감시하고 에너지 사용량이 많으면 알람으로 경고하는 등 사용자에게 시기적절하게 에너지절약 행동을 환기한 새로운 서비스의 가능성을 검증한다．
(4) 스마트 그리드/스마트 에너지 네트워크를 가정한 기술 실증
날씨에 의하여 출력이 불안정한 태양전지가 일반 주택에 도입시에 우려되는 전력의 수급 밸런스의 무너짐을 방지하기 위해 태양전지의 발전량이 감소한 경우에는 연료전지의 발전량을 늘리고 축전지로부터 방전하는 등의 제어를 하고 전력량의 안정화를 도모한다. 그 때에 연료전지로부터 발생한 열도 낭비하지 않고 주택내에서 효율적으로 활용한다. 또, 일반 주택에서 연료전지의 발전량의 증감 제어나 축전지의 충전/방전 제어에 의한 지역 전체의 영향 완화를 위한 실증실험도 한다. GTB

일반 건물을 태양에너지 발전소로 변화시키는 기술
태양 에너지 혁신주자인 Konarka 사는 지속적으로 에너지를 생산, 사용하는 것을 증명하고 있다. 미국 메사추세츠에 소재하는 이 회사는 그들의 독특한 플라스틱 태양 판넬을 건물 외벽에 적용하는 일명 커튼벽(curtain wall)기술을 시도하는 파일롯 프로젝트를 시작하였다. 이 새로운 설계는 태양에너지 기술을 별개가 아닌 건물 구성의 일부로서 조합시키는 것이다.
태양에너지 커튼벽 프로젝트는 플로리다주, Tamarac에 위치한 Arch Aluminum & Glass 사 소유의 사무용 건물에 건설될 것이다. Arch사와 Konarka 사는 태양 유리벽을 건물 구조에 적용하여 건물 내부 에너지 사용을 위한 지속가능한 에너지 생산을 가능하도록 하기 위한 실증을 위해 협력을 하여 왔다. 이번 협력관계는 상업화에 초점을 두고 있으나, 만일 커튼벽이 경제성을 갖는다면, 이 기술을 거주 및 공공구조물로 확대 적용하는 것까지 고려하고 있다.
커튼벽과 태양에너지
커튼벽 기술은 비록 건물 외벽에 적용될 지라도 구조물을 지탱할 만큼 강도를 필요로 하지 않기 때문에 커튼이라는 이름을 얻었다. 이 기술의 적용은 내부 지지대에 판넬을 지탱시킬 수 있는 현대 건축 및 설계법이 존재하기에 가능하다. 커튼벽은 현대의 유리 건물과 유사한 형태에 기원한다고 볼 수 있은, 현재까지 유리는 건물에서 에너지 손실의 주요 원인이 되어 왔다. 이제 Konarka사와 Arch Aluminum사는 Konarka 사의 플라스틱 태양 판넬 기술을 이용하여 에너지 손실원인 유리벽을 에너지 생산을 위한 벽으로 바꾸고 있는 것이다.
Konarka사와 Arch 사의 파일롯 프로젝트는 판넬 당 40와트의 최대 출력에 근거하여 빌딩에 1.5킬로와트의 전력을 생산할 것으로 기대하고 있다. 더욱 중요한 것은 이 프로젝트를 통해 여러 다른 조건 하에 다양한 태양 판넬을 테스트할 수 있는 살아있는 연구소를 구현할 수 있다는 것이다. 즉, 빌딩에 집적된 광발전 시스템을 개발하는 것이다. 커튼벽에 적합한 투명 태양 판넬은 햇빛의 건물 내 투과는 물론 태양에너지 생산을 가능하게 한다.
건물 집적 기술로서 태양 판넬의 개발 현황
Konarka 파일롯 프로젝트는 건물에 있어 태양에너지 응용의 새로운 개념을 제공한다고 할 수 있다. 이제 고부가를 창출하는 태양벽, 창문 및 다른 구조물은 건물의 표준이 되는 것이다. Konarka 사 이외에 Rainbow Solar 사 또한, 건물에 집적된 태양 판넬을 테스트하고 있다. 또한, New Energy 사는 내부 형광등 빛을 이용하여 에너지를 생산하는 투명 태양 창문을 개발하고 있다. Dow사 또한, 기존 아스팔트 지붕을 대체할 태양 지붕의 상업화에 근접하고 있다. GTB

결정 실리콘으로 만들어진 초소형 태양전지
샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories) 연구진은 태양 에너지를 수집하고 사용하는데 혁신적인 매우 작은 글리터(glitter) 크기의 광기전력 전지를 개발했다. 이와 같은 매우 작은 전지를 옷 같은 특이한 모양에 장착하면 휴대용 태양 전지 충전기로 사용될 수 있을 것이다. 결정 실리콘으로 만들어진 태양 입자는 일련의 새로운 적용에 사용될 수 있다. 이것을 6제곱인치 크기의 태양전지 웨이퍼로 만들어진 현재의 광기전성 집전기보다 훨씬 더 효율적이고 저렴한 태양전지를 만들 수 있을 것이다. 태양전지는 오늘날 전자 산업에서 일반적으로 사용되는 MEMS(microelec
tronic and microelectromechanical systems) 기술을 사용해서 제조되었다. 연구진은 마이크로광전지(microphotovoltaic cell)에 결정 실리콘을 적용해서 향상된 성능, 감소된 제조비용 그리고 더 높은 효율이라는 장점을 얻을 수 있었다고 이 연구의 책임자인 그렉 닐슨(Greg Nielson)이 말했다. 이 장치는 대량 생산될 수 있고 빌딩과 결합된 태양전지, 텐트 및 옷 같은 특이한 모양에 적용할 수 있었다. 따라서 이것은 휴대폰, 카메라, 다른 전자장치를 걷거나 휴식하면서 충전할 수 있어서 사냥꾼, 도보 여행자 또는 군인에게 적용 가능하다. 14㎛에서 20㎛까지의 두께를 가진 이 패널은 기존의 6×6 인치 벽돌 크기의 전지보다 10배 더 얇지만 동일한 효율을 가진다. 그래서 동일한 양의 전지를 발생하는데 100배 더 적은 실리콘을 사용한다. 또는 이 전지는 훨씬 더 작고 기존의 전지보다 주어진 환경에서 훨씬 더 적은 결함을 가지기 때문에, 장기간 사용 시에 더 큰 신뢰성을 가진다.
또 다른 제조상의 편이성을 살펴보면, 이 전지는 지름이 단지 수백 ㎛이기 때문에 300밀리미터(12인치) 지름의 웨이퍼와 차세대 450 밀리미터 (18인치) 웨이퍼를 포함하는 기존의 모든 웨이퍼에서 제조될 수 있다. 마이크로크기 광전지의 상업적 생산은 6×6 인치 웨이퍼 어레이를 구성하는 기존의 실리콘 광전지 모듈에 극적인 변화를 불러올 것이다. 그러나 MEMS, 전자장치 그리고 LED(light-emitting diode)에서 일반적으로 구현되는 기술을 이용하기 때문에, 소형 전지로의 변화는 상대적으로 간단하게 될 것이라고 연구진은 말했다. 각 전지는 실리콘 웨이퍼 위에서 형성, 에칭되고, 집적 회로 및 MEMS 기술을 사용해서 각 조각 위에 미리 제조된 전기 접촉점을 가진 육각형 모양으로 저렴하게 만들어졌다.
결정 실리콘으로 만들어진 기존의 큰 웨이퍼를 이용해서, 이번 연구진이 개발한 전지는 14.9% 효율을 달성할 수 있었다. 기존의 상업적 모듈은 13%에서 20%의 효율을 가진다.
태양열 집전장치(저가의, 미리 제조된, 광학적 효율성을 가진 마이크로렌즈 어레이)는 광기전성 효과를 전자로 변환시키고 도달하는 광자의 수를 증가하기 위해서 각 글리터 크기의 전지 위에 직접 위치될 수 있다. 작은 전지 크기는 더 저렴하고 더 효율적인 단초점 마이크로렌즈 어레이를 이 목적을 위해서 제조할 수 있다는 것을 의미한다. 고전압 출력은 수많은 전지 어레이 때문에 가능하다. 이것은 고전압에서 감소된 저항 손실을 불어오기 때문에 배선과 관련 비용을 감소할 수 있다. 이 기술의 다른 적용으로 인공위성과 원격 감지를 들 수 있다. GTB

초박막 태양전지에 포획된 뜨거운 전자
보스턴 대학의 과학자들은 처음으로 태양 전지에서 “뜨거운 전자” 효과를 관측하였으며 초박막 태양전지를 이용하여 회피 전자들을 성공적으로 포획하여 향상된 효율의 태양 전력을 개발할 수 있는 길을 열었다고 Applied Physics Letters 저널에 보고하였다.
빛이 태양전지에 포획되면 빛은 일련의 에너지 상태를 가진 자유 전자들을 발생시킨다. 그러나 이런 전하들을 낚아채기 위해서는, 전자들이 전도띠의 하부에 도달하여야만 한다. 그러나 매우 활성화된 “뜨거운” 전자들은 에너지의 많은 부분을 열로 손실시킨다는 문제점이 있다. 보스톤 대학 연구진은 30 나노미터 보다 작은 초박막 태양 전지를 이용함으로써, 연구진은 냉각되기 전에 뜨거운 전자들을 추출해 낼 수 있는 메커니즘을 개발할 수 있었다. 연구진은 그들의 성공은 전자들이 탈출할 수 있는 환경을 최소화한 것에 기반하고 있다고 말하였다. 연구진은 이 연구의 어려움을 한 병의 끓는 물로 수영장을 덥히려 하는 것에 비유할 수 있다고 하였다. 한 병의 뜨거운 물을 수영장 중앙에 떨어뜨리면 수영장 가장 자리에서는 열이 발산하기 때문에 온도의 변화를 기대할 수 없지만, 수영장보다 크기가 훨씬 작은 차가운 물이 찬 세면대에 뜨거운 물을 부으면 온도 증가를 기대할 수 있다. 연구진은 이런 특성에 기반하여 작은 두께의 태양 전지를 만들었다고 말하였다. 이렇게 함으로써, 연구진은 뜨거운 전자들을 표면 가까이로 더 가져올 수 있게 되었으며, 그 결과 더 효율적으로 뜨거운 전자들을 수확할 수 있게 된 것이다. 이런 전자들은 피코초 이하에서 포획되어야만 한다.
기존 전지 두께의 1/50인 흡수체를 사용한 초박막 전지는 약 3%의 전력 변환 효율을 보여주었다. 연구진은 이런 이득을 뜨거운 전자의 포획과 전압-열손실 감소에 의한 것이라고 말하였다. 연구진은 박막의 효율은 초박막 접합의 미소한 빛 포획에 의해서 제한된다고 덧붙였다. 그러나 박막을 나노 와이어 구조와 같은 더 좋은 빛 포획 기술과 결합하면 초박막 뜨거운 전자 태양 전지 기술의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것이라고 연구진은 덧붙였다. GTB