급속히 성장하는 고효율 집광태양전지 모듈

2000년 이후 태양광 산업은 매년 40% 이상 급성장하였고 태양전지 가격을 낮춰 패리드 그리드에 근접하기 위해 다양한 아이디어로 태양전지의 효율을 높이는 노력을 하고 있다. 여기서는 일본에서 연간 80MW를 수주한 에너지 효율이 가장 높은 집광태양전지를 개발한 우경이엔지의 LCPV(Low Concentrator Photovoltaic) 모듈 기술을 소개한다.

김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)


2000년 이후 태양광 산업은 매년 40% 이상 급성장하였고 태양전지 가격을 낮춰 패리드 그리드에 근접하기 위해 다양한 아이디어로 태양전지의 효율을 높이기 위해 많은 연구자들이 연구 개발에 전념하고 있다.
전체 시장의 80%를 차지하는 (비)결정질 태양전지, 고집광 장치를 적용한 3-5족 화합물 태양전지, 최근 개발되어 생산을 시도하고 있는 염료감응 태양전지, 굴곡면 또는 유연성을 유지한 박막태양전지 등 제조단가가 저렴하고 많은 전력을 생산하는 제품들이 등장하고 있다. 각각의 고유 특성을 가지고 있어 태양전지 기술마다 장단점이 있다. 그림 1은 우경이엔지(주)에서 LCPV 패널을 독자 개발 완료해서 영남대학교 대경RRC 태양전지센터에서 실증 테스트를 하고 있다. 이 신제품이 개발되자마자 최근 일본에서 연간 80MW를 수주한 에너지 효율이 가장 높은 집광태양전지를 개발한 우경이엔지(주)의 LCPV(Low Concentrator Photo voltaic) 모듈 기술에 관해 설명하고자 한다.



이 기술은 2011년 지식경제부의 지원으로 우경이엔지(주)가 1년간 단독으로 개발 완료하여 국내 특허 1건과 일본 특허 1건을 등록한 객관적으로 우수한 기술이다. 당초 우경이엔지(주)는 연구개발 인력을 박사 2명, 석사 1명, 학사 2명으로 팀을 구성하여 강도 높게 연구개발, 디자인, 성능까지 개발을 완료했다.
그 결과 국내외의 좋은 반응이 나타나기 시작했다. 국내의 경우 모 건설회사가 신축하는 건물의 지붕에 LCPV 모듈을 설치하는 협약을 체결하였다. 그리고 ‘95% 고반사율 반사경을 이용한 집광태양전지의 최대 전력 향상’ 기술을 2012년 신기술 인증 신청하여 기술의 객관적 신뢰성을 높였다.
해외의 경우 KOTRA와 자체 인맥을 통해 홍보를 진행하고 있는데, 현재 진행 상황은 인도와 5건의 프로젝트에 380MW 설치를 위한 준비를 하고 있고, 콜롬비아는 2011년부터 정부가 태양전지에 보조금을 지원해 태양전지 설치를 유도하고 있어 관련 업체들이 우리와 기술 협력을 도모하기 위해 1개 업체와 협상을 진행 중에 있다.
그리고 가장 적극적인 일본의 경우 가시적 성과가 도출되고 있다. 우리 기술이 일본 시장에서 진출 가능한 기술인지 알아보기 위해 일본 전문가들을 모시고 일본 동경에서 기술설명회를 가졌다. 여기에 참석한 전문가들은 OSAKA대학교 교수, SHARP 솔라 개발본부장, 서진산업 사장 등이 참석해서 많은 토론을 벌였다.
결론적 총평은 디자인이 우수하고 성능이 훌륭하다, 그리고 객관적 기술력을 확보해 고객의 대응이 신속하다, 그리고 일본 시장 진출에 충분한 경쟁력을 갖추었다는 평가다. 그리고 나고야에 있는 KEC(주)는 우리 제품의 공식적인 일본 대리점 계약을 체결하고 1차로 30MW를 발주한 상태다. 추가로 모 업체와는 우리 기술에 투자를 위한 협상에 돌입했다. 이렇게 반응이 좋은 기술적 이유를 설명한다.

본론

집광태양전지(CPV ; Concentrator Photovoltaic)는 선진국에서 시작된 기술이므로 기술의 표준이나 기슬 수준이 월등히 앞서 있다. 집광태양전지는 셀의 표면에 빛을 모으는 배율에 따라 크게 3가지로 나눌 수 있다.
학자들마다 배율의 기준은 조금씩 다를 수 있으나 통산적으로 100X 이상은 고 집광태양전지(HCPV ; High Concentrator Photovoltaic)라 하고 10X-100X를 중 집광태양전지(MCPV ; Middle Concentrator Photovoltaic)라 하고 10X 이하를 저 집광태양전지(LCPV ; Low Concentrator Photovoltaic)라고 한다.
집광태양전지 기술은 셀의 표면에 빛을 최대한 많이 집광시키기 위해 집광 장치인 프레넬 렌즈(Fresnel lens)와 반사경의 모양을 최적의 조건으로 배치하여 최대 전력(Pmax.)을 높이는 기술이다. 이 기술에도 장단점이 있다.
장점은 그림 2에 나타난 바와 같이 모듈의 에너지 변환효율이 40%까지 도달해 그 어떤 기술보다 높다. 단점은 모듈에 열이 발생해 온도가 높아져 방열 대책이 반드시 필요하고, 태양 추적 장치인 2축 정밀 트레커가 있어야 하고, 모듈의 수명이 다른 기술에 비해 짧고, 모듈의 사용처가 국한되어 주위환경에 제약을 받는다. 그래서 이런 장단점들을 적절히 보완하기 위해 LCPV가 등장해 현재 많은 곳에 다양하게 적용되고 있다.



이 개발된 LCPV 모듈은 태양빛이 반사경을 통해 셀 표면에 도달하는 빛과 직접 셀 표면에 도달하는 태양 빛이 모여 셀에 집광효율을 높여준다. 에너지 변환효율이 18%까지 도달하고, 혁신적으로 설계된 디자인으로 일반 태양전지 모듈이 적용되고 있는 솔라 전력 플랜트, BIPV, 로컬 계통 연계형, 독립형, LCPV e-power Vehicle system 등의 영역에도 적용될 수 있고, 또한 무게와 크기도 일반 태양전지 모듈보다 7% 정도 크지만 외관상 거의 비슷한 수준이다. 그리고 중요한 것은 트레커가 전혀 필요 없어 고장의 개소가 줄어들고 시스템 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
LCPV는 집광 배율이 10X 이하인 태양전지 모듈이기 때문에 실리콘 셀에 반사경을 통한 입사한 빛과 태양에서 직접 입사된 빛을 효율적으로 모으기 위해 양 측면에 그림 3과 같이 반사판을 적절히 설치해서 태양전지의 Pmax.와 효율을 높이는 것이다. 여기서 셀의 크기와 반사판의 크기는 그림 3과 같이 나타낼 수 있다.



여기서
ε : 셀 대비 반사경의 크기 비율
L1 : 셀의 크기
L2 : 반사경의 크기
θ : 반사경의 각도
vM : 빛의 입사각의 변화

위의 식은 기하학적 구조에서 빛의 입사각이 변화에 따라 반사경의 길이와 셀의 길이는 다르다는 것을 나타내고 있다. LCPV 모듈을 설계하는 과정에 셀의 크기, 반사경의 크기, 반사경의 각도의 비를 적절히 찾아가는 과정이 반드시 필요하다. 셀에 대한 반사경의 크기 비율이 최적의 조건이 되면 셀 표면에 3X의 빛이 조사되게 된다.
이때가 최적의 구조가 되지만 반사경의 비율이 지나치게 커지면 모듈의 크기가 커져 무게가 증가되어 다양한 용도로 사용할 수 없고 제조비용이 증가하는 요인이 될 수 있다. 디자인을 고려한 패널의 두께가 결정되어야 하고, 설계자들이 쉽게 간과하는 요소 중의 하나인 무게를 고려한 구조물의 재질 역시 신중하게 검토해야 한다.
위의 그림 4는 최대 전력을 비교하기 위해 셀의 재질과 셀의 양을 동일한 조건으로 최적화로 설계된 LCPV 모듈과 일반 태양전지 모듈 파일럿을 제작해서 Pmax를 측정했다.



그림 5(a)는 시뮬레이터로 측정한 그래프인데 LCPV는 Pmax가 1.778W이고 일반 태양전지는 Pamx.가 1.306W이다. 여기서 알 수 있듯이 LCPV의 Pmax가 일반 태양전지보다 30% 높게 나타난 것을 알 수 있다.
(b)는 겨울 옥외에서 오전부터 오후까지 측정한 결과 31% 이상 높게 나타났다. 즉, LCPV 모듈은 일반 태양전지 모듈보다 Pmax.가 시뮬레이터에서 측정하나 옥외에서 측정을 해도 30% 이상 높다는 것이다.
태양전지 모듈의 셀에는 자체 발열과 복사 에너지의 열등 복합적인 열이 발생해 Pmax.를 낮추는 요인이 된다. 셀의 표면이 2535℃일 때 전력이 최고점을 기록하고 50℃ 이상 되면 급격하게 전력 발생이 떨어졌다. 태양광 발전소의 경우 방열 대책의 일환으로 낮에는 패널의 셀 표면 온도를 낮추기 위해 물로 모듈을 식히는 작업을 정기적으로 한다.



그림 6과 같이 LCPV 모듈도 한낮에 온도가 57℃까지 올라가 Pmax를 낮추고 있다. 방열 대책으로 공기 자연대류 통로를 설치했는데 공기대류 통로가 있을 때와 없을 때의 Pmax.는 40% 이상 차이를 보였다. 공기대류 통로를 만들므로 패널의 무게를 낮추고 표면 온도도 낮춰 Pmax를 높이는 효과를 얻었다.



결론

본론과 같이 본 LCPV 패널이 태양빛을 효율적으로 제어해서 일반 태양전지 패널보다 Pmax가 30% 이상 높았고 크기는 7% 정도 커졌으나 전체 크기는 비슷했다. 무게도 자연대류 통로를 설치하면서 무게도 자연히 가벼워졌다. 그리고 가장 중요한 혁신적인 디자인으로 설계되어 국내외 고객들의 반응이 좋은 것으로 나타났다. 가시적 성과를 내고 있는 일본, 인도, 한국 등 괄목할 만한 반응을 나타내고 있다. 일본의 경우 나고야의 모 업체는 LCPV 기술에 투자를 위한 협상을 현재 진행 중에 있다.
국내의 경우 스프렁 코리아 건설회사와 신축 건물의 지붕에 LCPV 패널을 설치하기 위해 LCPV 설치 협약을 체결했다. 국내에 건설될 스프렁 건축물은 기본적으로 지붕의 경사 각도가 적당하고 지붕의 설치 면적이 넓고 지붕면이 간결해서 패널 설치가 용이하다. 우경이엔지(주)는 국내외적으로 판매 및 홍보 활동이 적극적이어서 향후 LCPV 패널 설치가 폭발적으로 확대될 것으로 전망된다.