▶ 19세기 광전효과 발견이 단초
▶ 태양광 비행기 3월 세계일주 도전
한국내에서 가장 큰 규모의 지붕형 태양광 발전소를 운영중인 현대자동차 아산 공장.
오는 3월 태양에만 의지해 세계 최초로 세계 일주에 나서는 태양광 비행기 ‘솔라임펄스2’가 시험 비행을 하고 있다. <솔베이 제공>
# 19세기 광전효과 발견이 단초
햇빛 받으면 전류 발생하는 현상
아인슈타인이 설명해 노벨상 수상
1954년 실리콘 전지 개발이 전기
# 태양광 비행기 3월 세계일주 도전
날개에 1만7,000개 태양광 셀
탄소섬유 재질로 무게 미니밴 수준
첨단 LED 사용해 전력 소모 최소화
■ 세계일주 도전 태양광 비행기
전 세계는 3월 아랍에미리트연합(UAE) 수도 아부다비 외곽의 친환경도시 ‘마스다르시티’를떠나 세계 최초로 태양에만 의지한 채 세계 일주에 나서는 태양광 비행기 ‘솔라임펄스2’를 주목하고 있다.
스위스의 솔라 임펄스사가 개발한 이 비행기는 길이 72㎙의 날개에 달린 태양전지로부터 동력을 얻는다. 보잉747보다 길지만 가벼운 탄소섬유로 만들어져 무게는 미니밴 차량 1대와 비슷한 2.3톤에 불과하다. 날개 윗부분에 1만7,248개 태양광 셀이 달려있고, 이 판들이 햇빛을 모아 만든 에너지로 4개의 모터를 돌리며, 최고 속도는 시속 140km다. 낮 동안에 고도 1만2,000km를 날며 태양전지판으로 에너지를 모아 450kg무게의 리튬배터리에 충전해 해가 진 뒤에도 비행기의 프로펠러가 멈추지 않게 한다.
솔라임펄스2의 조종간을 잡을 스위스 정신과 의사이자 탐험가인 베르트랑 피카르와 안드레 브스버그는 지난해 여름 시험 비행을 마쳤고, 2013년 솔라임펄스2보다 좀 더 작은 ‘솔라임펄스1’을 타고 미 대륙을 횡단했다.
세계 첫 태양광 비행기의 세계 일주 프로젝트에는 벨기에 화학기업 솔베이를 비롯해, 엘리베이터로 유명한 스위스 쉰들러, 시계 회사 스와치ㆍ오메가 등이 참여해 수 많은 첨단 기술과 소재들을 접목했다. 먼 거리를 이동하면서 바람 비 등 자연의 변화에 대응할 수 있게 내구성을 높이는 설계를 했다. 또 고효율 태양전지판은 130마이크론(㎛ㆍ밀리미터의 1000분의 1)의 두께로 얇게 만들 수 있게 단결정 실리콘소재를 이용했다.
또 비행기 바깥 온도가 영하 60도에서 영상 80도까지 왔다 갔다 해도 태양전지판이 영향을 받지 않게 초박막 플라스틱 막으로 싸는 기술도 적용했다. 유기발광다이오드(LED) 기술을 통해 전력 소모를 최소화하면서도 위치 식별과 이착륙을 돕기 위한 보조 조명도 제공한다.
파일럿에게 제공되는 계기판의 정보도 에너지를 최소로 쓸 수 있게 진동 기능을 활용하도록 했다. 솔베이 관계자는 “지구 미래의 문제를 고민하는 친환경 기업이라는 이미지를 얻을 수 있다”며 “연구개발(R&D)을 통해 솔케인365, 솔레프 PVDF 등 특수 소재 및 제품을 만들어 새시장을 창출할 수 있는 기회도 얻을 수 있다”고 참여 이유를 설명했다.
■ 실리콘 태양전지 개발로 전기 맞아
태양광을 에너지원으로 활용하는 방법에 대한 연구의 시작은 19세기 초반으로 거슬러 올라간다. 1839년 프랑스 물리학자 알렉상드르 에드몽 베트렐은 특정 물질이 태양빛을 흡수해 자유롭게 움직이는 전자(광전자)를 방출해낼 수 있는 ‘광전효과’를 처음 찾았다. 1876년독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 금속이 빛을 받자 전류가 발생하는 현상을 발견한다. 이어 영국의 물리학자 조셉 존 톰슨이 헤르츠 박사가 관찰한 광전효과는 금속 표면에 자외선을 쪼여주면 전자가 튀어 나오기 때문이라는 사실을 찾아낸다.
알버트 아인슈타인은 빛을 단순한 파장이 아니라 에너지를 갖는 ‘양자’로 설정해 금속에 전류가 흐르는 광전효과의 특성을 설명해 노벨상을 받았다. 1954년 미국 벨 연구소가 반도체결정 실리콘 접합 기술을 이용해 세계에서 처음 실리콘 태양전지를 만들었다. 태양전지의 등장으로 태양광 발전은 새로운 전기를 맞는다. 1958년 위성에 태양전지를 달기 시작했고, 이후 모든 위성이 태양전지를 동력원으로 삼고 있다.
태양광 발전은 ‘폴리실리콘 → 잉곳ㆍ웨이퍼 → 태양전지(셀) → 모듈 → 발전시스템’ 등 다섯단계를 거쳐 이뤄진다. 폴리실리콘은 ‘태양광의 쌀’이라 불리는데, 모래 등에 있는 규소에서 실리콘을 뽑아 만든다. 순도 높은 폴리실리콘을 만들기 위해서는 많은 자본과 고도의 기술이 필요하기 때문에 태양광 산업은 진입 장벽이 높다.
독일 바커, 미국 헴록, 한국 OCI, 중국 GCL 솔라등이 치열한 주도권 다툼을 하고 있다.
잉곳은 원기둥 모양으로 폴리실리콘을 도가니에 넣고 붕소, 인을 첨가해 높은 온도에서 녹여서 만든다. 이 잉곳을 가래떡을 얇게 썰듯 썰어서 만든 것이 웨이퍼다. 그리고 웨이퍼로 태양전지를 만든다. 이 전지는 빛 에너지를 전기 에너지를 바꾸는 기초적인 반도체 소자다.
웨이퍼에 붕소 가스를 입히면 p형 반도체가 되고, 이 위에 인을 뿌리면 n형 반도체가 된다. 전기적 성질이 다른 pn형 반도체의 접합면에 햇빛이 닿으면 전지 속으로 빛이 들어간다. 이 빛에너지가 반도체 안에 있는 플러스(+)와 마이너스(-) 전기를 갖는 전하를 발생시킨다. 전하가 움직이면서 전류가 발생한다.
태양전지는 결정형과 박막형 두 가지 종류가 있다. 결정형은 폴리실리콘 덩어리로 만드는데 태양광이 전기 에너지로 바뀌는 비율인 광전변환효율이 높다. 박막형은 유리 금속 플라스틱 판 위에 실리콘을 얇게 바르는 방식이다. 제조 원가가 싸고 건물 외벽이나 곡면 등에 쉽게쓸 수 있는 장점이 있지만 광전변환효율이 낮다. 이 효율은 결정형 전지가 15~19%, 박막형은10% 안팎이다.
모듈은 태양전지를 직ㆍ병렬로 잇고 하나의 판으로 만드는 것. 이는 다른 단계와 비교해 장치 투자에 대한 부담이 작고 진입 장벽이 낮다.
모듈을 여러 장 연결해 거치대에 세우면 태양광 산업의 최종 단계인 태양광 발전 시스템이된다.
■ 각국 정부 태양광 발전 경쟁 치열
최근 전 세계적으로 태양광 발전이 활발히 진행되고 있다. 유럽을 중심으로 한 선진국들은 화석 연료 고갈 이후를 대비해 정책적으로 각종 지원금을 주거나 기업들이 쓰는 에너지의 일부를 태양광을 포함한 신재생에너지로 의무적으로 쓰도록 하는 ‘당근과 채찍’을 통해 관련 산업을 키우고 있다. 특히 2011년 일본 도호쿠 지방에서 일어난 원자력발전소 폭발 사건이후 이런 분위기가 강해지고 있다.
한국내에서도 여러 기업이 공장 지붕부터 건물 옥상, 버려진 도로나 염전, 고속도로 인근, 하수처리장 등 전국에 크고 작은 태양광 발전소를 짓고 있는데, 정부가 2012년부터 시행하고있는 신재생에너지의 무공급제도(RPS)의 영향이 크다.
이 제도에 따르면 국내 발전회사들은 전체전력 생산량 중 일정 비율을 태양광, 풍력, 조력등 11개 종류의 신재생에너지원을 반드시 활용해야 한다. 이를 지키지 못하면 과징금을 내야 하는데, 여러 신재생에너지 중 태양광이 가장 짓기 쉽다. 입지가 까다로운 풍력 조력과 달리, 태양광은 햇볕이 드는 곳이면 어디나 패널을 세울 수 있기 때문. 2012년 이후 지금까지 600메가와트(㎿)의 태양광 발전소가 새로 설치됐는데, 이는 국내 전체 설치량(1,300㎿)의 45%에 해당한다. 만약 발전회사들은 의무량을 채우지 못할 경우 현물시장에서 신재생에너지 공급인증서(REC)를 사서 부족한 부분을 채워야하는데 정부가 지붕, 옥상(1.5배)이나 염전, 버려진 도로(1배) 등을 활용한 태양광 발전 생산량에 대해 가중치를 주면서 이들 공간의 몸값이 뛰고 있다.
충남 아산 현대자동차 공장의 지붕에는 국내에서 단일 공장으로는 가장 큰 10㎿ 규모(시간당 만 킬로와트(㎾)의 전기를 생산할 수 있는 양)의 지붕형 태양광 발전소가 설치돼 2013년 12월부터 가동 중이다.
무엇보다 햇빛을 많이 받는 것이 관건이기 때문에 햇빛을 끌어오는 태양전지의 방향과 각도를 정하는 것이 중요하다. 아산공장의 태양전지들은 바닥으로부터 30도 각도로 정남 방향을 향하고 있다.
업계 관계자는 “대기업들은 땅, 지붕을 빌려주고 1년에 평균 3,000만원 안팎의 임대 수익을 받는다”며 “친환경 기업이라는 이미지도 얻고, 15~20년 뒤 발전소 운영권 자체를 넘겨받는 내용의 계약을 하기 때문에 여러 가지로 남는 장사”라고 설명했다. 안형근 건국대 교수(전기공학과)는 “4년 전 1㎿에 75억원이던 태양광발전 단가가 4분의 1정도로 저렴해지면서 태양광 발전 자체의 수익성이 좋아졌다”며 “태양광발전소 건설은 꾸준히 늘어 갈 것”이라고 내다봤다.
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