홋카이도에 30MW의 메가솔라 건설
유러스에너지는 홋카이도 동쪽 시라누카(白糠)정에 교류출력 30MW의 태양광발전소를 완성시켰다. 홋카이도에서 가장 일조조건이 좋아 높은 효율로 발전할 수 있다. 2012년 9월에 착공하여 완성까지 1년 5개월이 걸렸다. 쿠시로시라누카공업단지(釧路白
糠工業團地) 부지 약 62ha를 이용하여 쿄세라의 다결정 실리콘 태양전지 모듈을 13만 4,400장 설치하였다. 직류출력은 32.52MW이다.
기상청에 따르면 시라누카정 주변의 연간 일조시간은 2,000시간을 넘으며, 홋카이도 내에서 가장 길다. 연간 최고적설량은 50cm를 하회하고 있어 홋카이도에서는 가장 적다. 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 전국 일사량 지도에 따르면 구시로(釧路) 및 오비히로를 중심으로 한 지역은 1일당 평균 일사강도가 4.2kWh/m2로, 홋카이도에서 가장 조건이 좋다.
때문에 시라누카 태양광발전소의 예상 연간발전량은 일반가정 약 9,600세대분에 해당한다. 이것은 시라누카정 세대수의 2배 이상이다. 발전한 전력은 고정가격매입제도(FIT)에 의해 전량 홋카이도 전력에 판매된다.
이 회사는 메가솔라 사업의 규모를 확대하고 있으며, 2013년 9월에 완성한 “미사키(岬) 태양광발전소(교류출력 10MW)” 다음으로 시라투카 태양광발전소가 두 번째 메가솔라가 되었다. 시라누카 태양광발전소의 설계, 조달, 건설(EPC), 관리 및 운영(O&M)도 자사 그룹 내에서 완결시켰다. 현재 일본 내 5개소에 합계 교류출력 19.25MW의 태양광발전소가 건설 중이다.
건설 예정지인 시라누카정은 태평양 연안에 있는 마을이다. 이곳에 오지(王子)매터리얼이 소유하고 있는 유휴지를 이용하여 태양광발전시스템을 설치한다. 부지면적은 5만m2로 그 중 80% 정도의 토지를 태양광발전시스템이 차지하고 있다. 최대 출력은 1.3MW이다. 연간 발전량은 1,400MWh로 예상되고 있다. 전량 홋카이도전력에 판매된다.
오지그린리소스에 의하면, 시라누카정은 홋카이도 중에서 적설량이 적어 눈의 영향을 별로 받지 않는다. 그리고 일사량도 기대할 수 있다. 메가솔라 건설을 결정하기 전에 NEDO가 공개하고 있는 일사량 데이터를 확인하고, 인근에 건설하고 있는 구시로(釧路)공장에서 실제 데이터를 계측한 결과 일사시간과 일사량은 전국 평균치보다 다소 좋은 값을 기대할 수 있다는 것을 알았다.
시원한 기후도 좋은 방향으로 작용한다. 태양전지는 일광을 받아 온도가 올라가면 발전효율이 저하되는 성질을 가지고 있다. 시원한 장소에서는 태양전지가 일광을 받더라도 온도가 잘 올라가지 않기 때문에 발전효율이 저하되지 않는다. 홋카이도는 적설 및 일사량의 문제로 태양광발전시스템이 적합하지 않은 토지라고 생각하는 사람이 많지만, 넓은 토지를 비교적 간단하게 사용할 수 있고 기후가 시원하여 태양전지의 표면온도를 낮게 유지하기 때문에 메가솔라의 건설이 적합한 장소도 많다.
단, 설치 시 홋카이도라는 지리적 조건을 고려해야 한다. 우선 태양광발전 패널에 30도의 각도를 주어 설치한다. 홋카이도는 위도가 높기 때문에 태양이 비추는 각도가 본섬과 다르다. 태양광을 가능한 한 많이 모으기 위해 태양광발전 패널에 각도를 준다. 태양광반전 패널에 각도를 주면 패널의 그림자가 후방으로 생긴다. 그래서 태양광패널의 전후 간격이 넓어진다.
태양광발전 패널에 30도의 각도가 있기 때문에 패널에 내린 눈은 그대로 아래로 떨어지지만, 떨어진 눈이 태양광발전 패널 바로 밑에 쌓이게 되어 패널이 눈에 파묻히는 경우가 있다. 이러한 사태를 피하기 위해 받침대를 높게 한다. GTB

그림 1. 시라누카 태양광발전소의 외관

그림 2. 위도가 높은 곳에 태양광발전 패널을 설치할 때는 약간 급한 각도를 주어 설치한다.

새로운 형태의 태양전지 메커니즘 발견
스위스 과학자들은 표면을 따라 전자를 이동시키는 납 아이오다이드 페로브스카이트 광 흡수 반도체 기반의 새롭고 혁신적인 태양전지의 메커니즘을 발견했다. 이 발견은 향상된 효율을 가진 광전 전환기의 디자인을 가능케 하며 새로운 형태의 태양 전지를 구성할 것으로 보인다.
광전 에너지 전환은 전 세계에서 재생가능 에너지의 미래에 대한 최고의 방법들 중 하나를 제공하고 있다. 태양전지의 효율은 사용하는 광흡수 물질들에 따라 좌우된다. 납 할로겐화합물 페로브스카이트 기반 광전 시스템은 현재 16%가 넘는 효율을 가진 새롭고 혁신적인 형태의 소자이다. 그러나 어떻게 이 태양전지가 광을 전류로 변환시키는지에 대한 자세한 사실은 여전히 의문으로 남아있다. 네이처 포토닉스에 게재한 EPFL의 과학자들은 어떻게 발생된 전하가 다른 구조로 만들어진 태양전지의 페로브스카이트 표면으로 이동하는지 조사했다.
납 할로겐 화합물 페로브스카이트(CH3NH3PbI3)는 반도체 기반 태양전지의 매우 높은 전환효율과 1V 이상의 탁월한 전지 전압을 가져 최근 엄청나게 흥미를 끌고 있다. 그러나 어떻게 이 반도체가 작동하는지에 대해서는 아직 알려지지 않고 있다. 이 반도체를 작동하는 메커니즘에 대한 바른 이해는 향후 이 반도체를 향상시키고 증가된 효율을 가진 새로운 기술들을 개발하게 할 것이다.
연구 그룹은 페로브스카이트 표면에 어떻게 전하들이 이동하는지를 알기 위해 시간 분해 분광기 기술을 이용했다. 연구원들은 반도체 타이타늄 이산화물이나 절연체 알루미늄 삼산화물 박막 중 하나를 이용하여 다양한 전지 구조를 연구했다. 두 다공성 박막들은 납 아오다이드 페로브스카이트와 광흡수 후 양전하들을 추출하는데 도움을 주는 유기 홀 이동 물질을 이용하여 침윤시켰다. 시간 분해 기술들에는 초고속 레이저 분광기와 마이크로파 광전도도가 포함되었다.
결과는 두 가지 주된 운동학을 보였다. 첫째, 태양광이 페로브스카이트 광흡수 물질에 도달한 후, 전하의 흐름인 전하 분리가 피코초 이하의 시간에서 타이타늄 이산화물과 홀 이동 물질을 가진 두 접합에서 전자 이동을 통해 발생했다. 둘째, 연구원들은 전하 재결합이 알루미늄 삼산화물에서보다 티타늄 이산화물에서 매우 느리게 나타났다. 전하 재결합은 전환된 에너지가 열로 낭비되는 좋지 않은 과정이어서 태양 전지의 전체 효율을 감소시킨다.
저자들은 납 할로겐화합물 페로브스카이트가 동시에 두 접합에서 전자와 양 전하들을 매우 빠르게 이동시키고, 매우 효율적으로 두 종류 모두의 전하들을 이동시켜 태양 전지 내에서 특이한 반도체 물질이 된다고 설명하고 있다. 또한, 그들의 발견들은 티타늄 이산화물과 홀 이동 물질 기반 구조의 확실한 장점을 보이고 있다. GTB

沖繩에서 직류전력 융통
참가 20채, 일본 최대
소니는 직류방식으로 복수 주택 사이에 전력을 상호 융통하는 실증실험을 2014년도에 沖繩에서 시작한다. 태양광 패널로 발전한 전력을 각각의 축전지에 모아 잔량이 적은 주택에 자동제어로 융통한다. 안전성과 내구성을 검증하여 운용기술의 확립을 추진한다. 참가할 주택은 20채로 같은 종류의 실증실험으로서는 일본 최대급이다. 자연 에너지를 활용할 때의 과제 가운데 하나가 직류방식에 의한 전력 융통이다. 소니는 실험을 통해서 전력계통에 의존하지 않는 차세대 에너지 시스템의 사용화 가능성도 검토한다.
실증실험은 소니컴퓨터사이언스硏究所(東京都 品川區)가 주도하고, 沖繩科學技術大學院大學(OIST, 沖縣繩 恩納村), 沖創工(那覇市)등과 협력하여 실시한다. 沖繩縣의 「아열대ㆍ도서형 에너지 기반기술연구사업」에 채택되어 진행하고 있는 실험의 일환이다. 2014년도는 약 2억 엔의 보조금을 받을 전망이다.
올해부터의 실증실험에서는 OIST의 교원주택 20가구에 태양광 패널과 축전지를 설치하고, 각각을 직류로 연결한다. 각 주택의 축전지 데이터를 자동 제어로 감시하고 잔량에 여유가 있는 주택에서 여유가 없는 주택으로 융통한다. 이미 3채를 연결했는데, 현재로는 기기를 사람이 조작하여 융통하고 있다.
전력 계통에 의존하지 않는 분산형 소규모 에너지망(마이크로그리드)의 구축에는 태양광 발전이 유력한 수단의 하나이다. 단, 태양광 발전은 기후에 좌우되기 쉬워 공급이 불안정하다는 과제가 있다. 복수 주택 사이에서 전력을 융통할 수 있게 되면 공급부족을 줄이는 이외에 태양광 패널이나 축전지 등의 설비를 소규모로 할 수 있다는 이점도 있다.
실증실험에서는 우선 재해 시 등에 대비하여 계통전력도 활용한다. 다음 단계에서는 바이오메스 발전기 등을 도입하여 자연 에너지만으로 운영하는 시스템 구축을 목표로 한다.
현행의 전력 인프라는 교류방식을 전제로 구축되어 있다. 태양광 패널에서 발전한 직류전력을 융통할 경우, 직류ㆍ교류 간의 교환이 필요하여 약 10%의 전력 로스가 생긴다고 알려져 있다. 직류 그대로 융통하는 쪽이 효율적인데 지식, 노하우가 적고 기술도 확립되어 있지 않다. 혼다와 NTT파시리티즈도 전력융통에 대한 실증실험을 계획하고 있다. 일간공업

그림 1. OIST의 교원 주택 20채에 태양광 패널과 축전지를 설치, 각각을 직류로 연결하는 실증을 한다.

그림 2. 소니의 직류 전력 융통 실험의 이미지

태양광 발전의 고비용 문제를 해결할 태양전지 페인트
태양광발전 시스템의 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 연구결과가 발표되었다. 이번 결과는 기존의 태양 페인트의 낮은 효율을 개선할 수 있다는 점에서 그 활용성이 주목된다. 사우디아라비아 킹압둘라대학(KAUST)과 캐나다 토론대학 연구진은 최근 기존의 태양패널전지를 대체할 수 있는 새로운 형태의 태양광발전 시스템을 만들 수 있는 연구결과를 발표했다. 연구진은 태양 페인트라는 소재를 이용하여 다양한 표면에 페인트처럼 바르는 것만으로도 태양전지 시스템을 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 향후 태양광 발전 시스템의 비용을 줄이는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
페인트 칠을 한 표면이 태양광을 에너지로 변환시키는 집광장치가 된다면 어떻게 될까? 차세대 태양전지는 지붕 위에 설치된 큰 규모의 태양전지 패널 장치와는 전혀 닮지 않은 새로운 모양을 하게 될 것으로 기대된다. ‘전자 잉크’와 흡사한 페이스트 상태로 합성된 반도체 나노입자들을 이용한 태양전지 페인트는 어떠한 구조에도 적용이 가능하다는 놀라운 장점을 가지고 있어서 기존의 태양광 집광 패널 장치의 설치비용을 크게 줄이는데 도움이 될 수 있다. 반도체 양자점을 페이스트 상태로 만들어 표면에 바른 패널의 두께는 기존의 두꺼운 태양전지와는 비교가 되지 않을 정도로 얇은 크기로 만들 수 있으며, 또한 굴곡진 표면을 비롯한 다양한 소재에도 그대로 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 초박막의 반도체 물질이 표면에 형성된 소자는 전체 파장 영역의 태양광을 흡수하는 것이 가능하게 되었다. 이러한 이종접합 반도체 태양전지는 태양전지의 비용을 획기적으로 줄이는 새로운 기회를 제공한다.
KAUST와 토론토대학 연구진은 공동으로 황화납(PbS) 양자점 콜로이달을 만들었다. 이를 태양광의 전체 스펙트럼을 흡수할 수 있는 집광 장치에 적용하는데 성공했다. 연구진은 특별히 입자의 크기를 조절하여 넓은 영역의 태양 스펙트럼을 흡수할 수 있게 되었다. 연구진은 2013년에 이미 7% 수준의 효율성을 보이는 태양 전지 페인트 개발에 관한 연구 결과를 발표했었다. 이번 연구 통해서 기존의 여러 단계를 걸치는 공정에서 단일 공정으로 가능해졌으며, 이는 태양전지 페인트의 상업적인 활용에 더욱 유리한 점이 될 수 있다.
최근 미국 노트르담 대학 연구진은 이산화티타늄이 코팅된 황화카드뮴 나노입자 페이스트를 만들어 이를 대면적의 태양전지 표면에 적용하는 기술을 발표하는 등 태양전지 페인트 개발에 대한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 이러한 태양전지 페인트의 최대 단점은 바로 낮은 효율에 있다. 현재 개발된 태양전지 페인트의 최고 효율은 1% 수순에 머물고 있다. 이러한 효율은 현재 상업적으로 사용되고 있는 태양전지 효율인 10~15%에 비해 그 수준이 크게 밑돌고 있다. 이번 연구진은 이러한 효율을 7% 이상 높이는 동시에 공정도 단일 단계로 줄여 그 상업적인 활용 가능성을 크게 높일 수 있게 되었다. GTB

그림. 킹알둘라대학과 토론토대학 연구진은 태양전지 페인트의 효율성을 7% 수준까지
끌어올렸으며, 적용 공정도 단일 단계로 줄이는 데 성공했다.

저렴하면서 효율적인 태양발전을 위한 연구
신시내티 대학(University of Cincinnati) 연구진은 기존 태양전지 대비 경제적이면서 효율성과 유연성을 갖는 태양광발전용 전지판을 제조하는 것과 관련하여 1차 연구결과를 보고하였다. 이들이 개발 중인 태양전지는 조명이나 계산기, 지붕 채광창 등에 활용 가능할 것으로 보인다.
신시내티 대학 재료공학과에서 박사과정을 수행 중인 Fei Yu는 지난 3월 3일 덴버에서 개최된 미 물리학 협회 미팅(American Physical Society Meeting)에서 고분자 태양전지(Polymer Solar Cells)의 전력변환효율을 개선하는 새로운 연구결과에 대해 발표하였다. Yu는 태양전지의 성능을 개선하고 비용을 낮추기 위해 고분자가 혼합된 벌크 이종접합(Bulk-heterojunction) 태양전지에 소량의 그래핀 나노플레이크(Graphene Nanoflakes)를 추가하였다.
Yu는 “보다 효율적인 태양전지를 제조하기 위해 많은 연구들이 진행되어 있으며, 실리콘 태양전지(Silicon Solar Cells)를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 이들은 지금보다 더 얇고, 가벼우며, 유연성을 가진 전지판이다. 그러나 현재 새로운 태양전지의 효율은 실리콘 태양전지보다 낮기 때문에 어떻게 효율을 개선시킬 수 있는가에 집중하고 있다”고 설명하였다. 예를 들어, 정원의 조명을 위해 실리콘 태양전지를 적용했을 때 외부로부터 충격이 가해지면 쉽게 손상될 수 있다. 그러나 탄소기반의 물질로 태양전지를 제작하게 되면 실리콘 태양전지보다 훨씬 유연하다는 장점이 있다. 이러한 장점에도 불구하고 고분자 태양전지의 전하수송(Charge Transport)은 성능을 제한하는 요소로 작용되어 왔다.
최근 새롭게 발견된 탄소의 천연적인 형태인 그래핀은 나노미터보다 작은 두께를 갖고 있다. Yu는 “그래핀은 순수 탄소이기 때문에 전하 전도도는 매우 높다. 우리는 태양전지가 흡수하는 에너지양을 극대화하기 위해 매우 적은 양의 그래핀을 사용하여 도너(Donor)와 엑셉터(acceptor)의 비율을 증가시키려 한다”고 설명하였다. Yu는 그래핀을 첨가하여 효율을 3배 개선할 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 그래핀이 빠르게 전하를 이송하는 것을 도와주기 때문이다. Yu는 “이러한 결과는 비록 유기(Organic) 태양전지의 최대 효율보다는 낮지만 성능 면에서는 크게 개선한다는 의미가 있다”고 말한다.
Yu의 지도교수인 Vikram K.는 그래핀 사용을 포함한 다양한 고분자 혼합 태양전지 개발에 대한 연구를 수행 중이다. 이들은 향후 장치물리학(Device Physics), 막 형태학(Film Morphology)과 불규칙적으로 분산되어 있는 그래핀 나노프레이크의 조절 및 최적화를 통해 보다 우수한 성능을 구현하는데 집중할 계획이다. GTB