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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <50>태양광에너지의 다양한 활용·보급 실태와 향후과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-07-02 10:32:01
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태양은 은하계의 항성으로 지구를 포함한 태양계의 물리적 중심이다. 태양의 나이는 약 46억 년으로 중심부에 존재하는 수소의 50% 정도를 열핵융합에 사용하고 있다. 1938년에 핵융합반응이 발견된 이래 핵융합이 태양활동의 에너지원으로 생각하게 됐다.

태양에서 방출된 에너지 가운데 지구에 조사되는 빛에너지는 와트(W)로 치면 약 174PW(페타와트=1000조 W)이다. 대기권에 도달한 태양에너지는 대기와 물을 순환시키며 식물의 광합성 등을 통해 많은 생명활동의 근원이 되며, 여러 가지 형태로 직접 이용할 수도 있고 풍력이나 바이오매스 등의 재생가능에너지원이 된다.

예로부터 인류는 태양에너지를 다양한 형태로 이용해왔다.

첫째, 조명이나 농업·원예에 이용하고 있다. 예로부터 건물의 조명 용도로 이용해왔고, 최근에는 광섬유 등을 이용한 도광판 설비를 이용하는 예도 있다. 식물광합성을 통해 농업과 원예가 인류의 문명과 함께 발전해왔다.

둘째, 난방과 발전이다. 태양열 이용은 가장 오래된 태양에너지의 이용 형태이다. 태양열온수기가 대표적이다. 솔라하우스 또는 패시브하우스는 건물 외벽에 집열기를 설치해, 난방 및 환기 등에 이용한다. 오늘날 대표적인 태양에너지의 이용 형태는 태양광발전과 태양열발전이다.

셋째, 복합적인 이용방법이다. 태양광 펌핑레이저로 열이나 화학에너지를 얻는 방법이 연구되고 있는데 레이저에 의한 고열로 마그네슘을 환원하여 일반 에너지원으로 이용하는 것 외에 잉여열온수를 생산하는 방법도 연구되고 있다.

   
태양에너지의 대표적인 이용 형태인 태양광발전은 태양전지를 이용해 발전하는 방식이다. 유지·보수가 거의 필요하지 않으며, 사용형태와 규모를 가리지 않는 장점이 있다. 한편 태양이 없으면 발전할 수 없기에 야간의 전력을 충당할 경우 축전장치를 필요로 한다. 개발초기는 매우 고가이며 주로 인공위성 및 등대 등에서 이용됐지만 최근 보급이 확대되면서 가격이 크게 감소하고 소비자의 자체 전력생산으로 태양광발전의 보급이 늘어나고 있다. 위성궤도상에서 마이크로파와 레이저빛의 형태로 지상에 에너지를 보내 발전하는 우주태양광발전도 연구되고 있다.

태양에너지를 실제 에너지원으로 사용할 수 있는 양은 약 1PW(연간 8670PWh 또는 1000TW)라고 한다. 이는 2008년 현재 세계 전체의 1차 에너지공급량(TPES)(약 131PWh 또는 약 15TW)의 약 67배나 된다고 한다.

태양광발전은 이제 장소의 한계를 뛰어넘고 있다. 육상의 발전소가 아니라 태양광자동차는 물론, 태양광선박과 태양광비행기까지 개발돼 있다. 태양광만으로 움직이는 자동차도 곧 상용화가 될 것으로 기대되고 있는데 이러한 태양광자동차경주대회인 ‘월드 솔라 챌린지(World Solar Challenge)’가 1987년 이래 매년 열리고 있다. 2015년 챌린지 클래스 부문에는 국민대 태양광자동차팀인 ‘KUST(Kookmim University Solar Car Team)’가 참여해 20위권에 들기도 했다고 한다(http://www.hanwha-advanced.com/103).
호주 아들레이드시는 2007년에 세계 최소 태양광버스 ‘틴도’를 개발해 운영하고 있다. 50㎾ 규모의 태양광발전시스템에서 7시간 충전하면 하루종일 운행이 가능하다고 한다. 북한 남포시도 2015년 태양광버스를 개발 운행하고 있는데 이 버스는 100W 태양전지판 32개와 대동강연산축전기 50개, 95㎾짜리 직류전동기를 설치했다고 한다. 70~140명의 손님을 태우고 시속 40㎞로 달릴 수 있다고 한다(연합뉴스, 2015.112).

   
또한 2010년 12월 제16차 기후변화당사국총회가 열리던 멕시코 칸쿤에서 입항해 세계적인 관심을 끌었던 세계 최대 태양광선박 투라노호도 있다. 길이 31m, 너비 9m, 높이 8m인 투라노호는 200인승으로 48.6㎡에 5780장의 태양광패널을 설치해 시간당 평균 8노트, 최고속도 15노트로 소리가 없고 무공해라고 한다. 2012년에 세계를 일주하는 최초의 태양광선박으로 기록되기도 했다(The Korea Times, 2010.12.13).

태양광비행기로는 ‘솔라임펄스(Solar Impulse)’가 유명하다. 솔라임펄스는 스위스 엔지니어이자 사업가인 앙드레 보르슈베르가 개발해 2009년 12월 첫비행에 성공했다. 솔라임펄스의 탑승인원은 조종사 1명이며, 동체의 길이는 21.85m, 날개폭 63.4m, 높이 6.4m에 중량은 1600㎏이다. 1만1628개의 태양광 패널(최대 45㎾, 200㎡)을 깔았으며, 이륙속도는 시속 35㎞이다. 개발비용은 1억7000만 유로가 들었다. ‘솔라임펄스2’는 마찬가지로 탑승인원은 1명이지만 날개폭을 71.9m로 늘렸고, 이륙속도는 같지만 최고속도가 시속 140㎞, 순항속도가 시속 90㎞이다. 솔라임펄스2호는 2015년 3월 아랍에미리트 아부다비에서 비행을 시작해 2016년 7월 아부다비로 돌아오면서 세계일주를 끝마쳤다.

이렇듯 태양광의 응용사례가 폭넓은 가운데 우리나라의 태양광발전도 급속히 늘어나고 있다. 2017년 한해 국내 태양광발전 설치량이 1GW(1000㎿)를 넘어 사상 최대치를 기록할 정도이다. 한국에너지공단 신재생에너지센터에 따르면 2017년 상반기 RPS(공급의무화제도) 사업자 및 공단 보급사업(자가용) 기준 태양광발전 신규 설치량이 536㎿로 집계됐는데 이는 2016년 같은 기간보다 40%(360㎿)가량 증가한 수치라는 것이다. 2017년 들어 태양광발전설비 신규 설치가 다시 증가세를 보인 이유는 발전사업자가 장기적으로 안정적인 수익을 낼 수 있는 장기고정가격제도가 마련됐기 때문으로 분석되고 있다. 정부는 2017년 초 ‘전력도매가격(SMP)+REC’ 20년 장기고정가격계약 의무화 제도를 도입했는데 수익의 장기적 안정성을 확보하기 위해 계약기간은 20년으로 정했다. 태양광발전 설치사업에 수익성과 안정성이 확보되면서 설치비 마련과 조달이 쉬워졌다는 것이다(건설경제, 2017.7.19).

   
국내에서는 농사를 지으며 전기를 생산하는 ‘영농형 태양광발전’이 눈길을 끌고 있다. 한국남동발전이 2017년 6월 경남 고성군 하이면 덕호리 일대 약6600㎡ 농지에 100㎾급 태양광 발전설비를 설치했다. 기존 농지 위에 태양광 발전설비를 설치한 영농형 태양광발전으로, 농사를 지으면서 태양광 전기를 생산하는 형태다. 생육에 필요한 일조량을 투과할 수 있는 구조로 설치해 벼농사를 그대로 지으면서 전기를 생산할 수 있다는 것이다. 이번에 영농형 태양광 발전에 성공함으로써 좁은 국토를 효과적으로 활용한 새로운 형태의 신재생에너지 사업 개발과 농민들의 소득 개선을 기대할 수 있게 됐다. 기존 논 위에 영농형 태양광 발전소를 설치하면 농지면적 1만6859㎡(5100평) 기준으로 농가당 760만 원에서 2400만 원까지 소득이 늘어날 것으로 남동발전은 기대하고 있다(에너지경제, 2017.6.20)

태양에너지를 이용하는 또하나의 방법이 태양열발전이다. 태양열발전은 집열기를 이용해 태양광을 열로 변환함으로써 가열된 공기나 증기를 이용해 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 직사광선이 많이 내려쪼이는 지역일수록 효율성이 높기에 일사량이 많고 넓은 설치면적이 있는 지역에 많이 설치한다. 거울을 이용해 집광해 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 여물식이나 타워형 태양열 발전이 실용화되고 있다. 또한 공기를 대량으로 가열하여 굴뚝 모양의 구조로 유도하고 상승 흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 태양전지 업드래프트타워도 개발이 진행되고 있다.

태양열발전이 태양광발전과 다른 점은 태양광발전의 경우 광전효과를 이용해 직접적으로 전기를 태양광에서 전기에너지를 생산하는 시스템이라면, 태양열발전은 태양열을 물을 끓여 증기를 발생시키고 이를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 시스템으로 태양열에너지를 기계에너지로 전환해 최종적으로 전기를 생산하는 시스템이라는 점이다.

   
이처럼 태양광발전은 장점이 많다. 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지·보수가 용이하다. 소규모 주택용부터 대규모 발전용까지 다양하게 적용이 가능하며, 규격화된 시스템으로 언제든지 용량 확장이 용이하다. 그리고 연료비가 필요 없고, 대기오염이나 폐기물이 발생하지 않는다는 것이다. 또한 발전 부위가 반도체 소자이고 제어부가 전자부품이어서 기계적인 진동이나 소음도 없다. 그리고 태양전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길며, 자동화운전으로 관리비용을 최소화할 수 있다는 것이다.

그러나 태양에너지는 다음과 같은 단점도 있다. 그것은 태양에너지자원은 에너지밀도가 아주 낮아 이용하는데 아직까지는 상대적으로 타 에너지에 비해 비용이 높다는 것이다. 그러나 근년에 태양광패널 가격이 매우 낮아지고 있어 충분히 극복할 수 있을 것으로 보고 있다. 태양에너지는 자연조건 등에 따라 출력이 변동하는 결점이 있다. 따라서 다른 에너지원과 병행하는 에너지믹스를 통해 이러한 문제를 해결해나갈 필요가 있다. 태양에너지 자체는 무공해이나 태양전지를 만들 때 필요한 반도체의 경우 오염물질이 발생한다는 것이다. 또한 태양광발전 패널을 대규모로 설치할 경우 주변 경관을 다소 해칠 우려가 있다.

중요한 것은 지역의 특성을 제대로 파악해 지역에 맞는 분산형 에너지원으로서 태양에너지를 이용하도록 노력해야 한다는 것이다. 태양은 청구서를 보내지 않는다. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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