태양광발전사업(RPS 본사업)에 대한 관심을 통하여 여러가지의 알고 싶은 내용 중에서 특히 가장 핵심이면서 또한 태양광발전소 시공비용의 절반 이상을 차지하는 모듈(태양전지)의 종류와 특성, 구성, 연결을 할 적에 셀(태양전지)과 모듈(구조화)의 변환 효율을~
아래와 같이 하나씩 알아 보도록 하겠습니다.
1. 태양전지의 종류 그리고 사용 용도
1) 1세대 : 실리콘계(단결정 Single, 다결정 Poly)
가) 단결정 : 실리콘 원자배열이 균질하고 일정하여 전자이동에 걸림돌이 없어서 변환효율이 높다(다결정보다). 모양새는 잉곳이 정사각형이 아니고 원주형으로 네 귀퉁이가 원형 형태로 되어서 셀 모양도 이와 같다. 제조비용이 높다.
나) 단결정 : 공정이 간단하여서 제조비용이 낮다. 변환효율이 단결정에 비하여 조금 낮다. 사각형 틀에 넣어서 잉곳을 만든다 셀 모양새는 사각형이다.
★ 결정질(단결정, 다결정) 태양전지 제조 과정 : ①광석(규석, 모래) ☞ ②폴리실리콘 ☞ ③잉곳(원통형 긴 덩어리) ☞ ④웨이퍼(원판형 얇은 판) ☞ ⑤셀(웨이퍼를 가공한 상태 모양) ☞ ⑥모듈(셀 즉 태양전지를 여러개를 배열하여서 결합한 상태의 구조물)
2) 2세대 : 박막형계[비정질(아몰포스) 실리콘, CdTe / CIGS 화합물, 적층형(Tandem) ]
가) 아몰포스(비결정성, 비정질)는 실리콘을 사용하여 만들 때 사용하는 양을 약 1/100까지 줄일 수가 있어서 제조비용이 결정질 보다 많이 낮아서 좋으나 한편으로는 결정질 보다는 배열이 비규칙으로 흩어져 있어서 변환효율이 현재 6~8% 수준이나 더 기술력의 발달로 10%대에 진입을 하고 있음.
나) CdTe( Cadmium Telluride) Cd(Ⅱ족), Te(Ⅵ족)이 결합된 직접천이형 화합물 반도체로 높은 광흡수와 낮은 제조단가로 상용화에 유리하며 차세대 태양전지로 각광을 받을 예정이다(환경영향에 대한 안 좋은 의견이 있음) .
3) 3세대 : 염료감응형, 유기물, 나노구조
가) 염료감응형 : 날씨가 흐려도 발전이 가능하며 빛의 투사 각도가 0도에 가까워도 전기가 생산이 되며 투명과 반투명으로 만들 수가 있고 유기염료의 종류에 따라서 노랑색, 빨간색, 하늘색, 파란색 등 다양한 색상과 원하는 그림을 넣을 수가 있어서 특히 건물 인테리어와 잘 어울리게 된다.
※박막(Thin Film), 아몰포스(비정질, Amorphous), CIGS(Cu,In,Gs,Se),염료감응(Dye-Sensitized)
유기물(Organic)
※ 제2세대와 3세대 박막형은 얇은 프라스틱 처럼 휠 수가 있는 플레시블 형태가 되어서 벽이나 기둥 창문 지붕 등에 다용도로 사용을 할 수가 있고 실리콘 결정질 보다 가벼워서 건축물 지붕 등에 활용도가 더 높다고 볼 수가 있다.
『위와 같이 태양광발전은 원재료를 얻는 데 전혀 애로사항이 없는 태양이고 태양빛 뿐만 아니라 제2차 조명이 있는 곳에서도 발전이 가능하고 고갈되어 가는 화석연료(석유, 석탄)를 사용하지 아니하므로
이산화탄소 배출이 전혀 없어서 무공해이며 지구 온난화도 방지하고
유지관리비도 적게 들어 가고 한 번 설치하면 25년 정도 장기적인 발전소 운영이 가능하여 안정적이고 확실한 수익성이 보장이 됩니다.』
2. 셀과 모듈의 변환효율에 대한 것이므로 셀과 모듈 그리고 어레이에 대한 태양광발전소
의 설명은 생략하고 변환효율에 대하여 알려 드리겠습니다.
A. 셀(Cell, 태양전지의 기본단위) : 위에서 언급한 것처럼 실리콘 계열에는 단결정과 다결정의 셀로 구부이 되며 5″(인치)로 규격은 ㎜ 단위로 125㎜ × 125㎜와
6″(인치)로 규격은 ㎜ 단위로 156㎜ × 156㎜의 모양이 있습니다. 통상적으로 현재는 6인치 셀을 많이 사용합니다
1) 6인치 다결정 셀의 전기적 사양(셀의 등급을 최고로 하며, 1~2등급 이내로)
| 등 급 | 효율(%) | 최대출력(Pmax) | 최대전압(Vmp) | 최대전류(Imp) | 개방전압(Voc) | 단락전류(Isc) |
| 1~2등급 이내 | 16.50 | 4.015 | 0.519 | 7.744 | 0.620 | 8.069 |
2) 태양전지 셀의 변환효율(Conversion Efficiency)
가) 태양전지의 변환효율이란? : 셀에 태양이 조도가 되었을 시에 태양광에너지가 전기에너지를 얼마 만큼 발생을 시키는가를 나타내는 양, 즉 퍼센트(%)를 말합니다. 하여간 같은 조건하에서 많은 전기를 생산을 한다면 역시 높은 좋은 셀이라고 할 수가 있습니다.
★ 국제표준시험조건[ NOCT, Typical date at Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) conditins ]에 의하여 아래와 같이 변환효율 구합니다.
- 입사 조도의 여건과 조건 : 1000W/㎡, 온도 25℃, 풍속 1m/s, 스펙트럼 AM(대기질량) 1.5.
나) 셀의 변환효율 계산
㉠ 6인치 셀의 단위 면적당 에너지량 산출 1㎡ 당 : 0.024336㎡(6인치 면적)×1000W= 24.336W
㉡ 셀 변환효율(%) : 태양전지 셀 최대출력 4.015W ÷ 24.336 W× 100 = 16.498% ≒ 16.5% 입니다.
B. 태양전지 모듈의 변환효율
1) 임의로 선택한 제조사의 모듈의 사양입니다.
최대출력전압 29.27V, 최대 출력전류 7.86A, 모듈 출력 230W, 모듈의 크기 면적 1,650㎜×990㎜=1,633,500㎟(1.633㎡)
2) 태양전지 모듈 변환효율 계산
㉠ 230W의 모듈, 단위 면적당 에너지량 산출 1㎡ 당 : 1.633㎡×1000㎡= 1,633W
㉡ 셀 변환효율(%) : 태양전지 모듈 출력 230W ÷ 1,633W × 100 = 14.084% ≒ 14.08% 입니다.
C. 태양전지 셀과 모듈의 효율이 다른 이유
셀의 효율이 위에서 약 16.5% 였습니다. 이 셀 6인치를 모듈 크기 면적 1.633㎡에 붙였을 때에 셀과 셀의 빈 공간이 발생하고 셀과 셀을 부착하여 선으로 연결을 할 시에 또한 전력손실이 발생합니다.
그리하여서 통상 셀 효율 16.5% 보다 통상적으로 모듈의 효율이 14.08%로서 셀의 효율 보다 약 2~3%의 효율이 떨어지게 됩니다.
※ 각 모듈의 제조사에서 제품의 공정을 주도면밀하게 세우고 특히 셀의 효율을 최대한 끌어 올리기 위한 연구개발이 끊임없이 이루어 지므로 더 나은 모듈의 효율을 기대합니다
질의하여 주셔서 감사합니다. 더 다른 내용이 있으면 아래의 이메일로 질의 하여 주시길 바랍니다.
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