태양광발전: 전기생산 시스템

태양전지를 여러개 붙이고 유리 등의 보호장치를 붙인 것을 태양전지 모듈이라 한다. 태양전지 하나의 발전량은 1.5와트 정도밖에 되지 않기 때문에, 이것이 전기용품에 이용되기에는 충분하지 않다. 따라서 태양전기를 생산하는 데에는 일반적으로 태양전지를 여러개 연결해서 만든 태양전지 모듈을 사용한다. 모듈로 연결되면 태양전지의 효율은 약간 떨어져서 단결정 전지의 경우 15% 정도가 된다. 태양광 발전기는 이러한 모듈이 여러개 합쳐져서 이루어진다. 태양전지 모듈은 태양전지의 위아래를 투명한 합성수지로 싸고, 위에 유리판을 덮은 형태로 되어 있다. 유리나 합성수지는 태양전지를 보호하는 작용을 한다. 이러한 모듈의 보호장치 없이는 태양전지는 외부의 습기나 오염물질 등의 영향을 받아 얼마 지나지 않아서 못쓰게 된다. 태양광 모듈은 보통 20년 동안 고장없이 사용할 수 있다. 시중에서 판매되는 제품의 보증기간도 20년으로 되어 있다. 물론 이 기간이 지나도 전기는 생산되지만, 효율은 처음보다 20% 가량 떨어진다.

(31. 태양전지판 모듈)

여러개의 모듈을 연결해서 태양광 발전기를 만들 때, 모듈을 연결하는 방식은 여러개의 건전지를 연결할 때와 마찬가지로 직렬과 병렬이 있다. 직렬로 연결하면 전압이 늘어나고, 병렬로 연결하면 전압은 늘어나지 않지만 전류의 세기가 늘어난다. 보통 직렬과 병렬을 섞어서 연결하는데, 이를 통해서 원하는 전압을 얻게 된다.

태양전지를 이용한 태양광 발전기는 대체로 독립형과 계통 연계형으로 나뉜다. 독립형은 생산된 전기를 전선망에 연결하지 않고 생산된 장소에서 사용하는 것을 가리키고, 계통연계형은 전선을 통해 전기를 받아들이거나 전기를 내보낼 수 있는 형태를 가리킨다. 독립형은 자가발전 시스템과 같은 것으로, 전기를 만들어내는 장치, 전기를 저장하는 장치, 충전 상태를 조정하는 장치, 배전 장치 및 전기 소비장치로 구성되어 있다. 여기서 전기 생산장치는 당연히 태양전지가 되고, 저장장치로는 일반적으로 축전지가 사용된다. 축전지는 햇빛이 비칠 때 태양전지에서 생산된 전기를 저장했다가 햇빛이 비치지 않을 때 내놓는 일을 반복하는 역할을 하는데, 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소 축전지, 니켈-나트륨 축전지, 납축전지 등 다양한 종류가 있다. 조정장치는 축전지와 태양전지 사이에 설치되는 것으로, 축전지가 가득 충전되었을 때 태양전지로부터 전기가 축전지로 더 이상 오지 들어오지 못하도록 막거나 축전지로부터 모듈 쪽으로 전기가 방전되는 것을 방지하는 작용을 한다. 이로써 축전지의 수명을 가능한 한 오래 유지시키는 역할을 한다.

독립형 시스템에서는 축전지가 전체 설비 비용 중에서 차지하는 비율이 20-30%에 달하기 때문에 적절한 조정장치를 설치하여 축전지의 수명을 늘리는 것이 매우 중요하다. 독립형 태양광발전기에서 가장 취약한 부분이 전기를 저장하는 축전지이다. 축전지는 비쌀 뿐만 아니라 자리도 아주 많이 차지한다. 게다가 축전지의 수명이 길지 않다는 점도 문제다. 일반적으로 사용되는 납축전지는 아무리 조심스럽게 사용해도 5년을 쓰기가 어렵다. 다른 축전지는 수명이 더 길지만 가격이 훨씬 비싸기 때문에, 이것을 사용하면 설치비가 크게 높아진다.

배전장치는 생산된 전기를 축전지로부터 또는 축전지를 거치지 않고 태양전지로부터 직접 전기 사용장치로 전달해주는 장치이다. 태양전지에서는 항상 직류전기가 생산되고, 축전지에도 직류전기가 저장된다. 그러나 가정에서 사용하는 조명기구나 가전제품은 일반적으로 교류전기에 맞도록 제작되었기 때문에 태양전기를 이들 기구에 사용하기 위해서는 직류를 교류로 바꾸어주어야 한다. 이 장치를 변환기(inverter)라 부르는데, 독립형의 경우도 대부분 이 장치를 설치한다. 변환기는 태양광발전 시스템의 심장이라고 불릴 정도로 중요한 장치이다. 이 장치에서 태양전지의 전기를 받아서 전달해주는 일을 제대로 해주지 못하면 전기가 아무리 많이 생산되어도 소용이 없기 때문이다.

계통연계형 태양광 발전기는 모듈에서 생산된 전기를 전선망을 통해서 전력공급회사로 보낼 수 있게 설계된 것을 말한다. 이 경우 태양전기 생산자는 보통 자신이 쓰고 남은 전기를 전선망으로 보내고, 태양전기로 자기에게 필요한 전기를 충당하지 못할 때는 전선망으로부터 전기를 공급받게 된다. 이 시스템에서는 전기가 남을 때는 내보내고 모자랄 때는 전기를 받을 수 있기 때문에, 독립형과 달리 전기 저장장치가 필요없게 되고, 이에 따라 비용도 적게 든다. 주요 구성장치는 태양광 발전기와 생산된 전기를 전선망으로 보내는 역송전장치(인버터)이다. 발전기에서 생산된 직류의 태양전기는 우선 계통연계형 인버터로 들어가고 그곳에서 전선망에 맞는 교류로 변환된다. 그후 이 전기는 가정에서 전기를 쓸 경우에는 가정에 설비되어 있는 전선을 통해 일부 또는 전부가 자체 소비되고, 그렇지 않은 경우에는 전선망으로 보내진다. 이때 역송전된 전기와 전기회사로부터 공급받은 전기를 계산하기 위해 두 개의 계량기가 설치된다. 계통연계형 시스템은 독립형에 비해 여러가지 설비가 필요없게 되고 따라서 유지비가 적게 들어가기 때문에 경제적으로 크게 유리하다. 계통연계형 인버터는 독립형 인버터와 약간 다른 부품으로 구성되어 있다. 여기에는 정전되어 전선망에 전기가 흐르지 않을 때 자동적으로 인버터가 정지되도록 하는 장치가 들어 있다. 그 이유는 정전이 일어났을 때 전선망으로 전기가 흘러나가면 감전사고나 고장을 일으킬 위험이 있기 때문이다.

태양전지를 이용한 발전은 전기 동력장치나 조명장치, 가전제품 등 전기가 필요한 곳에는 모두 적용될 수 있다. 가장 흔하게 퍼진 태양광 발전시설은 주택 지붕에 올려진 것이지만, 주택이나 아파트 바깥 벽의 소재 또는 유리창 대신 설치될 용도로 개발된 것도 나와 있다. 자동차나 요트 또는 하늘을 나는 소형 비행기에 부착되어서 필요한 모든 동력을 제공해주는 것도 있다.