국내의 신재생에너지는 「신에너지 및 재생에너지 이용·개발·보급 촉진법」 제2조에 의해 “기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체등을 포함하는 재생 가능한 에너지”로 정의되었다.태양열,태양광,바이오매스,풍력,소수력,지열,해양에너지,폐기물에너지 등의 8개 분야의 재생에너지와 연료전지,석탄액화가스화,수소에너지 등의 3개 분야의 신에너지로 총 11개 분야를 신재생에너지로 지정하고 있다.
신재생에너지는 청정에너지로 다양한 자연에너지 특성 및 이용기술을 활용하기 때문에 화석연료를 대체할 수 있고,기존 에너지 생산시스템보다 CO₂방출이 적어 기후변화에 대응하기 위한 방안으로써 많이 적용되고 있다.
본 장에서는 다양한 신재생에너지 중에서 건축물에 가장 많이 적용되고 있고,연구에서 실제로 복합 적용을 실시한 태양광발전시스템의 개요와 에너지 성능평가를 중심으로 다루고자 한다.
태양광발전시스템 정의
가) 개념
태양광 발전시스템(PhotovoltaicSystem)은 태양의 빛에너지를 전력에너지로 변환하여 공급하는 시스템이다.태양광 발전시스템은 에너지 변환 과정에 기계적,화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 타 시스템에 비해 유지보수 및 점검에 용이성을 갖으며 손쉽게 설치가 가능하다.시스템의 수명 또한 20~30년 정도로 길고 안전하며 친환경적 발전시스템이다.그러나 태양전지의 가격이 고가이고,기상 조건에 따른 시스템의 발전성능의 차이가 크다는 단점이 있다.
나) 원리
태양광 발전기술은 태양이 가지고 있는 광전자에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 말하며,태양전지를 이용해 설명할 수 있다.태양전지는 p형과 n형 반도체를 접합시키고(p-n접합)앞뒤 표면에 금속전극을 붙여 제작된다.그림 2.1는 태양전지의 전력 생산과정을 도시한 것이다.
일반적으로 태양전지는 매우 넓은 면적의 p-n접합 다이오드이다.n형 반도체는 높은 전자 밀도와 낮은 정공 밀도를 갖고,이로인해 (-)전하를 띠는 전자는 재료 안에서 순조롭게 흐를 수 있지만 (+)전하를 띠는 정공의 흐름은 매우 어렵게 된다.p형 반도체에서는 n형 반도체와 정반대의 상황이 나타난다.재료가 빛을 받게 되면 재료 전체에서 과잉된 전자-정공 쌍이 빛에 의해서 생성되고,전자와 정공은 p-n접합부에 존재하는 전기장의 영향으로,전자는 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르고,정공은 n형 반도체에서 p형 반도체로 흐르게 된다.이로 인해 도선으로 연결된 외부 회로에 전기가 발생하고,전력에너지를 생산하게 된다.
다) 시스템 구성
태양광 발전시스템은 건축물의 지붕 등에 설치하여 빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지 모듈과 생산된 전기를 저장하는 배터리,전기를 직류에서 교류로 변환하고 이를 전력계통에 연결시키는 기능을 담장하는 인버터 PCS(Power Condition System),이들을 접속하는 배건 및 접속함,그리고 기상조건에 따라 변화하는 발전량을 제어하기 위한 제어장치들로 구성된다.
태양광 발전시스템은 태양전지 셀이 기본이 되어,빛에너지를 전기에너지로 변환하는 기능을 가진 태양전지를 구성한다.수집 장의 태양전지 셀을 일전한 프레임에 고정하여 구성하는 것을 태양전지 모듈,이를 조합하여 지붕이나 지상에 설치한 태양전지 전체를 어레이라고 한다.
태양광 어레이의 구성은 그림 2.2와 같다.
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| 그림 2.2 태양광 어레이의 구성 |
인버터는 크게 직류를 교류로 변환하는 인버터와 사고 발생 시에 계통을 보호하는 계통연계 보호장치 등으로 구성된다.인버터는 태양전지 어레이에서 발전한 직류전력을 전력회사에서 공급받는 전력과 동일한 전압과 주파수의 교류전력으로 변환하는 역할을 한다.
