[광학] 빛의 에너지 변환과 태양광 발전

 

 빛 에너지는 그 자체로도 의미가 있지만, 오늘날 그 에너지를 다양한 형태로 변환하여 사용하기도 한다. 그중에서도 태양 에너지를 전기 에너지로 변환 혹은 전환하는 태양광 발전은 가장 많이 사용되고, 알려진 신재생 에너지원 중 하나이다. 기본적인 광학적 원리를 기반으로 하여 활용한 태양광 발전은 오늘날 지구의 에너지 문제를 해결하기 위한 중요한 해법으로 자리 잡고 있기도 한데, 이는 태양광이 친환경적이고 무한히 지속 가능한 에너지 공급원이라는 사실 때문이다. 이러한 태양광 발전의 기초는 바로 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정, 광전효과(photovoltaic effect)로부터 시작한다.

광전효과는 특정 물질에 빛이 접촉하게 되면 해당 물질이 전자를 방출하는 현상을 말하는데, 알베르트 아인슈타인이 처음으로 이 현상을 발견 및 연구하여 1905년에 노벨 물리학상을 받기도 했다. 또한 그의 수상과 동시에 본격적으로 해당 이론에 대한 과학적 관심을 받는 계기가 되었다. 따라서 태양광 발전 시스템은 이 광전효과의 원리를 적용하여 태양광이 반도체 물질에 닿게 되면 전자가 방출되고, 이 방출된 전자가 흐름을 이루면서 전기가 생성되는 것이다. 태양광 발전 시스템은 태양광 모듈과 인버터, 그리고 배터리 저장 장치 등으로 구성된다. 먼저 태양광 모듈은 태양광 패널(panel)로 구성되어 있는데, 태양광 셀(cell)이라고 불리는 작은 단위의 셀들이 연결되어 있는 구조이다. 일반적으로 태양광 셀은 실리콘(Si)이라는 반도체 물질로 이루어져 있는데, 빛이 이러한 셀에 닿으면 광전효과로 인해서 많은 전자가 방출되고 동시에 전류가 발생한다. 이러한 셀을 여러 개로 모은 뒤 모듈(module)을 구성하여 더 많은 전력을 생산할 수 있게 된다. 그다음은 배터리 저장 장치이다. 태양광 발전은 태양의 위치 및 날씨에 따라서 생성할 수 있는 전기의 양이 달라지는데, 필요에 따라서 전기를 저장한 후 필요에 따라 사용할 수 있는 배터리 저장 장치가 필수이다. 이에 따라 전력이 필요한 시간에 맞추어 전력을 공급하거나 차단할 수 있게 된다. 마지막은 인버터인데, 태양광 패널에서 생성되는 전기는 직류(DC) 전기이며, 직류 전기는 가정 혹은 산업용 전기로 바로 적용하기가 어렵다. 따라서 이러한 전기를 사용할 수 있는 전기 형태로 변환하는 과정이 필요한데, 이 과정에 사용되는 것이 바로 인버터이다. 인버터는 직류 전기를 교류(AC) 전기로 변환하여 일반 가전제품이나 전기 설비에 사용할 수 있도록 한다.

 태양광 발전 기술은 지난 수십 년 동안 꾸준하게 발전해 왔으며, 이는 특히 효율성과 경제적인 측면에서 크게 개선되었고, 현재도 개선되어 가는 중이다. 일반적으로 사용되는 태양광 셀은 위에서 잠시 언급한 것처럼 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 셀이다. 단결정 실리콘 셀은 효율이 높고 공간적으로 효율이 높다는 것이 특징이지만, 제작에 드는 비용이 많이 드는 반면, 다결정 실리콘 셀은 상대적으로 제작 비용이 저렴하지만, 효율이 낮다는 단점이 있다. 최근에는 페로브스카이트(perovskite)나 탄화규소(SiC) 등의 새로운 소자가 개발되어 더욱 높은 효율의 셀을 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

또한 듀얼-페이셜 모듈(dual-facial module)의 경우 태양광 패널의 양면이 모두 빛을 흡수할 수 있는 형태인데, 직사광선만 아니라 지면에서 반사되어 오는 빛까지 모두 전력으로 전환할 수 있다는 장점이 있다. 또한 태양의 위치에 따라서 패널의 각도를 자동으로 조절할 수 있는 태양 추적 시스템(Tracking System)을 도입하여 하루 중에 최적의 위치에서 태양광을 최대한으로 흡수할 수 있기 때문에 발전 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한 거울을 사용해서 태양 빛을 한 곳에 집중시킨 뒤 높은 열을 얻어내는 방식인 집광 시스템도 존재하는데, 이를 집광형 태양열 발전(Concentrated Solar Power, CSP)이라고 한다. 해당 시스템은 태양 빛을 모아 수증기를 생성하고, 생성된 수증기로 터빈을 돌려서 전기를 생산해 낸다. 이 방법은 주로 사막과같이 높은 열을 집광시킬 수 있는 곳에서 사용되며, 대규모의 전력 생산에 적합한 시스템으로 연구되고 있다.

 이러한 태양광 발전은 친환경 에너지를 생산할 수 있다는 점에서 큰 이점이 있다. 기존의 화석 연료를 대체하여 탄소 배출을 크게 줄일 수 있고, 기후 변화에 대응할 수 있기 때문이다. 또한 외부 전력망이 존재하지 않고, 태양광 발전이 설치된 지역에서 자체적으로 에너지를 생산하고 사용할 수 있다는 점에서도 매리트가 존재한다. 이는 에너지 자급자족이 가능하다는 것을 의미하며, 특히 에너지 접근성이 낮은 지역에서 전력을 제공할 수 있다는 중요한 수단이 되기도 한다. 태양광 발전은 초기의 설치 비용이 비교적 높다는 단점이 존재하기도 한다. 그러나 발전 비용이 화석 연료보다 낮아짐에 따라 장기적으로 경제적인 이익을 제공한다는 장점이 더 크게 작용한다. 태양광 발전의 에너지 전환 효율이 향상하고, 패널의 가격이 점차 하락하면서 오늘날 태양광 발전의 비용 경쟁력이 높아지고 있다. 또한 이는 전기 요금을 줄일 수 있는 방법으로도 주목받고 있다. 이러한 태양광 발전 기술은 미래에 더욱 다양한 장소와 환경에서 활용될 것이라고 예측된다. 예를 들어 건물의 외벽에 설치하는 빌딩 통합형 태양광 발전이나 바다와 같은 수면 위에 설치하는 부유식 태양광 발전 그리고 위성에 태양광 패널을 설치하여 우주에서 에너지를 생산할 수 있는 우주 태양광 발전 등이 그 예이다. 이러한 새로운 연구들은 기존 태양광 발전이 가지고 있던 한계를 극복하고, 지구 전체에 지속 가능한 에너지를 공급하는 데 크게 기여할 것이다.

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