유권종 박사(한국에너지기술연구원 태양광발전연구팀)

일본 태양광 상용화 3만호 보급 국내는 1만호 보급 계획

태양광발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-양공 쌍이 여기되고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직·병렬 연결하여 내후성과 신뢰성을 가진 재료와 구조의 용기내에 봉입된 태양전지 모듈(solar cell module)로 상품화된다.
그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 불균일한 직류가 발생한다.
일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력조정기(power controller) 및 직·교류변환장치(inverter) 등의 주변장치로 구성되어 있으며, 시스템의 저가화를 위하여 상용전력계통과 연계하여 전력저장용 축전지 대신에 상용계통을 사용하는 주택 및 건축물 적용의 계통연계형 시스템에 대한 연구가 활발히 추진되고 있다.
1960년대부터 태양광 발전을 인공위성의 전원으로 이용해 온 미국은 지상용 태양광 발전시스템의 실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 수립하여 기술 개발을 추진해오고 있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병해하여 태양전지의 저가 제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 1997년부터 2010년까지 건물에 적용하기 위한 보급 프로그램으로서 "100만호 Solar Roofs Initiative 사업"을 추진하고 있다.
한편 일본은 1974년에 태양광발전기술을 개발하기 위한 국가 주도의 Sunshine Project를 수립하여 추진하였으며, 1980년에는 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization, 신에너지산업기술총합개발기구)를 설립함으로써 본격적인 태양광 발전 기술의 개발에 착수하였다. 이와 함께 1987년에는 기업과 연구기관 등으로 태양광발전간화회(JPEA, Japan Photovoltaic Energy Association)를 구성하여 기술 및 시장에 관한 정보교환과 공동연구를 수행하고 있다. 1990년에는 24개 기업과 2개 단체로 태양광발전기술연구조합 (PVTEC, Photovoltaic Power Generation Technology Research Association)이 결성됨에 따라 정부와 기업 및 연구소의 상호 협력뿐만 아니라, 대민 홍보와 연구개발의 기능을 수행하고 있다. 특히 1993년에는 경제성장, 에너지, 환경보전에 대한 균형있는 대책과 종합적인 기술개발을 위하여 기존의 Sunshine Project, Moonlight Project 및 지구 환경 기술개발 계획을 통합한 New Sunshine Program(에너지 환경 영역 총합 기술 개발 추진 계획)을 수립하여 체계화하였다.
또한, 1993년부터 1996년까지 주택용 태양광발전시스템 모니터사업을 추진하여 단독주택 3,444호에 12,932kW를 보급하였으며, 1997년부터 현재까지 자립적인 보급확대를 촉진하기 위하여 "주택용 태양광발전시스템 도입기반 정비사업"으로 확대 실시하여 3kW 태양광발전시스템을 약 3만호에 보급하였다.
유럽공동체(EC)의 태양광 발전 기술개발은 비록 소규모이기는 하나 1975년 이후 꾸준히 계속되고 있다. 1989년부터는 1차 3년 3개월의 계획기간을 가진 Non-Nuclear Energy Program JOULE(Joint Opportunities for Unconventional or Longterm Energy Supply)계획을 수립하여 태양광발전 기술의 연구개발을 계속 추진하고 있다. 이 계획의 2000년까지의 모듈 가격 목표는 1 ECU/Wp이며, 1994년까지의 JOULEⅡ 계획은 상업화를 목적으로 다결정 규소 태양전지 제조기술개발과 태양광발전 시스템에 대한 연구에 중점을 두고 있다.
태양광발전 기술의 실용화를 위해서는 상용 전력과 경쟁이 가능한 발전 단가 수준의 태양전지를 대량생산하고, 동시에 신뢰성과 이용효율이 높은 시스템을 개발하여야 하므로 2000년대 초까지 1 $/Wp의 모듈 가격과 5-6 ￠/kWh의 발전단가 실현을 개발목표로 설정하고 있다. 그러나 현재의 태양전지 가격은$ 4.5-5.5 /Wp 수준이므로 새로운 고효율 박막 태양전지재료의 개발에 치중하고 있으며, 응용제품의 다양화뿐만 아니라 응용분야를 확대하기 위한 이용기술, 시스템의 신뢰성 향상과 최적화를 위한 실증 실험, 그리고 측정 및 평가기술 개발도 각국에서 활발히 진행되고 있다. 또한 미래의 태양광 발전은 우주 공간에서의 태양광 발전과 microwave 송전(SPS), 사막 지대의 대규모 태양광발전에 의한 초전도 송전 또는 수소 생산 이용 등이 구상되고 있다.
국내의 태양광발전 기술개발은 결정질 규소 태양전지와 주변장치의 국산화와 이용 기술의 개발을 실현하고, 저가 고효율 박막 태양전지의 기초기술의 확보와 주변 장치의 저가화와 신뢰도를 확립함으로써 실용화의 기반을 구축하였으며, 향후 박막 태양전지의 상용화와 응용기술의 저변 확대를 통한 태양전지 보급확대와 태양광발전 시스템의 실용화를 목표로 설정하고 산업자원부주도로 "1만호보급 사업 계획" 등 다양한 연구개발 및 보급프로그램이 적극적으로 추진되고 있다. 한국에너지기술연구원은 그 동안 대체 에너지 기술개발사업에 주도적으로 참여하여 많은 성과를 거두었다.