본문내용
1. 서론
1.1. 탐구 동기
작년 동아리 활동 도중 생긴 궁금증으로 간단히 설계만 해본 실험에 대하여 실제로 이론적인 내용을 공부하여 증명해보고 실험을 자체적으로 진행해 결과를 도출해 주제에 대한 해답을 알아내고자 하는 것이 탐구의 동기이다. 태양광 패널을 구부려서 놓으면 효율이 더 높아질까에 대한 의문에서 시작했는데, 요즘 환경오염이 주요 문제로 대두되는 시점에서 태양광 에너지 등의 친환경 에너지가 주목받고 있어 이 의문점에 대해 더욱 탐구해 보고자 하였다. 이러한 관심과 궁금증을 해결하기 위해 관심이 있는 친구들과 힘을 합쳐 실험을 설계하고 진행하기로 결심했다.
1.2. 탐구 목적
친환경 에너지로 주목받고 있는 태양광 에너지에 관해 탐구하기 위해 평면, 사분원, 반원의 모양으로 태양광 패널을 손수 제작하여 실험을 자체적으로 진행해 결과를 도출해 주제에 대한 해답을 알아내는 것이 이번 탐구의 목적이다."
2. 이론적 배경
2.1. 태양열발전
2.1.1. 개요
태양열발전은 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 방식이다. 태양 에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 태양광 전자모듈, 즉 태양 전지를 사용한다. 이는 태양열발전과 구별되는데, 태양열발전은 주로 터빈을 매개로 하는 반면 태양광발전은 태양전지를 이용한다는 차이가 있다.
태양광발전은 계통 연계형과 독립형으로 나뉜다. 계통 연계형은 전력 공급처(한국의 경우 한전)와 연계되어 발전량만큼 전기요금이 감면되고 남은 전력은 이월할 수 있다. 독립형은 전력 공급처와 독립되어 전력을 축전지에 저장하여 사용하는 방식으로, 전신주가 없는 산간지역이나 섬, 푸드 트럭 등에 주로 이용된다.
최근에는 우주에 태양광 발전소를 설치하려는 구상도 있다. 우주에서는 기상 현상이나 밤낮의 변화로 인한 효율성 저하가 적기 때문이다. 하지만 막대한 건설비용과 우주 쓰레기 문제, 전력 전송 문제 등이 해결되어야 할 과제로 남아있다.
2.1.2. 원리
태양열발전의 원리는 태양에서 발생한 열을 이용하여 전기를 생산하는 것이다. 태양광발전과는 달리 태양열발전은 태양에서 방출되는 열에너지를 직접 이용한다.
태양열발전 시스템은 크게 집열기, 열교환기, 터빈/발전기, 열저장설비 등으로 구성된다. 집열기는 태양 복사열을 흡수하여 열을 발생시키며, 열교환기에서 흡수된 열을 다른 매체로 전달한다. 이 열에너지는 터빈을 가동시켜 발전기로 전기를 생산한다. 열저장설비를 통해 남는 열을 저장하여 야간이나 흐린 날씨에도 발전할 수 있게 한다.
태양열발전의 대표적인 기술로는 파라볼릭 트러프(parabolic trough) 방식, 태양열 중앙 수용기(central receiver) 방식, 태양열 접시식 방식 등이 있다. 파라볼릭 트러프 방식은 곡선형 거울을 사용하여 태양열을 한 점에 집중시키며, 중앙 수용기 방식은 타워 형태의 수용기를 사용하고, 접시식 방식은 접시 모양의 집열기를 이용한다.
이처럼 태양열발전은 태양 복사열을 직접적으로 이용하여 전기를 생산하는 기술로, 태양광발전에 비해 상대적으로 높은 효율을 가지지만 전체 설비 비용이 높은 편이다. 또한 기상 조건에 민감하여 날씨에 따른 발전량 변동이 심한 단점이 있다.
2.1.3. 산업 현황
태양광 발전 산업은 최근 유가 상승과 기후 변화 등 환경 문제에 대한 관심이 증가하면서 주목받고 있다. 미래 산업으로 주목받았으나 최근에는 중국산 저가 공세로 기업들이 패널 개발에서 손을 떼는 경우도 나오고 있다.
테슬라는 태양광 발전과 에너지 저장 수단을 패키지로 제공하는 솔루션을 개발하고 있다. 2016년에 솔라시티를 인수해 2021년에 출시된 가정용 태양광 패널을 공개했고, 타우섬 전체에 태양광 발전으로 전력을 공급하는 프로젝트를 진행 중이다.
국내에서도 정부 주도로 태양광 발전 보급이 진행 중이다. 성남시 등 여러 지자체에서 태양광 패널 설치를 지원하고 있다. 신축 아파트의 경우 건물 꼭대기에 태양광 발전설비를 설치하여 공용 전기를 충당하기도 한다.
그러나 태양광 발전의 한계점도 존재한다. 발전량이 날씨와 시간에 크게 좌우되어 안정적인 전력 공급이 어렵고, 발전 단가도 여전히 높아 경제성이 낮은 편이다. 전반적으로 태양광 발전은 보조전원 역할에 그치고 있으며 주력발전원이 되기는 어려운 실정이다.
2.2. 자가사용과 발전용
2.2.1. 자가사용
자가사용은 주로 가정 전기요금 감면을 위해 설치되는 것으로, 국가 장려 사업으로 지자체를 통해 지원될 때가 많다. 성남시 등 여러 곳에서 태양광 자가사용 지원 사업을 진행하고 있다. 설치가 부담될 때는 업체를 통해 대여할 수도 있다. 이때 태양광 설비로 창출되는 이윤의 일부를 대여료로 지급하고 약정된 년수가 지나면 설비를 양도받는 형식도 있다. 태양광 모듈에는 25년~30년 효율보증이 있어 발전기 성능열화를 걱정할 필요는 없다. 다만 인버터는 제조사에 따라 고장이 날 수 있는데, 이 경우 가격이 40만원 남짓의 인버터를 교체해야 한다. 400만 원 가량의 (3kW) 태양광 발전설비는 전기요금이 7만원 이상 나오는 주택/빌딩에서 고려해 볼 만 하다. 예를 들어 기존에 한 달 10만 원 정도의 전기료를 납부하던 주택에 3kW의 태양광 설비를 설치하면 전기료가 만 오천 원 대로 줄어들 수 있다. 아파트 등 공동주택의 경우 베란다(발코니) 난간에 설치 가능한 미니 태양광 발전설비를 사용할 수 있다. 발전 용량은 주로 200 ~ 500W이다. 다만 베란다가 남향이 아니거나 나무, 건물 등 장애물로 인해 발전 효율이 저하될 수 있다. 일부 아파트에서는 안전/미관 등의 이유로 태양광 설치를 금지하기도 하므로 주의가 필요하다. 서울시에서는 원전 하나 줄이기 프로젝트의 일환으로 태양광 자가사용을 적극 추진 중이며, 다른 지역에서...
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