[인더스트리뉴스 정한교 기자] 친환경에너지로의 전환을 위해서는 도심지 곳곳에 태양광발전 적용이 필수적이다. 그동안 국내에서는 영호남 지역의 넓은 부지에서 관련 설비가 급격히 증가해 왔지만, 지역에서 생산한 태양광 전기를 수도권 등 수요가 많은 지역으로 보내는 신재생에너지 전용 송전망은 상대적으로 부족해 에너지의 공유성 및 활용성 측면에서는 한계를 보이고 있다.

(사진 왼쪽부터) KERI 전기변환소재연구센터 차승일·윤민주 연구팀이 화재에 강한 ‘도심형 고효율 유연 태양광 모듈’을 개발했다. [사진=한국전기연구원]

이에 도시 내부에서 태양광 발전으로 전기를 생산 및 활용하려는 시도가 이어지고 있다. 그러나 도시는 태양광 인프라를 설치하기 위한 공간(구조물)의 형태가 워낙 복잡하고 다양하다.

한 예로, 주위의 각종 건물이나 나무 등으로 인해 태양광 모듈의 일부에 그늘(부분 음영, partial shading)이 생기는 현상이 반복되면 발전 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 전류가 내부적으로 막혀(핫스팟) 발화점의 원인이 되기도 한다.

또한, 일상생활 공간과 밀접한 지역에 태양광발전이 설치되면, 전기를 생산하는 시스템의 특성상 화재의 위험성도 존재하기 때문에 도시용 태양광 모듈은 더 진보된 기술력이 필요하다.

이를 해결할 기술이 국내 연구팀에 의해 개발됐다. 한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 차승일 박사팀이 도시에서의 전기 자급자족을 실현할 수 있는 ‘신개념 태양광 모듈 기술’을 개발했다고 10일 밝혔다.

KERI의 성과는 유연성·안전성·효율성을 모두 확보해 도시 환경에 최적화된 신개념 태양광 모듈을 개발한 것이다. 연구팀은 지난 40년 이상 이어져 온 태양광 모듈의 소재부터 구조까지 모든 것을 바꿨다.

유리 없이 실리콘으로 태양전지를 하나하나 밀봉한 뒤, 이들을 서로 연결해 직렬과 병렬이 혼합된 하이브리드 방식으로 개발된 태양광 모듈 [사진=한국전기연구원]

직렬과 병렬 혼합된 ‘하이브리드 태양광 모듈’

기존 태양광 모듈은 태양전지를 보호하기 위해 비싼 강화 유리와 플라스틱으로 감싸는 적층 구조 형태였다. 하지만 차승일 박사팀은 유리 없이 실리콘으로 태양전지를 하나하나 밀봉한 뒤, 이들을 서로 연결해 유연한 구조물이 되게 만들었다.

모듈의 전기적 연결 형태도 기존 직렬 연결이 아닌, 설치 환경에 따라 직렬과 병렬(몇 갈래의 길로 나누는 구조)이 혼합된 하이브리드 방식이 가능하도록 했다.

이는 수십 년간 고집됐던 태양광 모듈 제조의 패러다임 자체를 바꾸는 생각이었고, KERI가 수년간의 연구 끝에 얻어낸 세계 최초의 결과다. 이러한 신개념 태양광 모듈의 가장 큰 장점은 안정적인 출력 유지 및 안전성, 유연성이다.

KERI 모듈은 기존 가연성의 플라스틱을 난연 소재로 대체해 전기 절연성과 내구성이 높다. 또한, 직·병렬 혼합 구조는 태양광 모듈에 그늘(부분 음영) 문제가 생기더라도 높은 출력을 유지해주고, 핫스팟 생성도 막아준다.

유연함은 종이접기처럼 가능한 수준으로 도심 건물은 물론, 벤치와 차광막 등 다양한 곳에 부착해 태양광발전을 할 수 있다. 뿐만 아니라 연구팀은 디자인적으로도 거리의 보도블록이나 욕실의 타일 구조와 유사한 테셀레이션(모자이크) 구조를 적용해 도시 환경에서의 활용성과 적용성도 높였다.

개발된 모듈은 형상기억합금을 부착해 태양 위치를 스스로 따라가며, 모양을 최적으로 바꾸면서 전기를 생산한다. [사진=한국전기연구원]

해바라기형 모듈로 전력 생산량 60% 이상 향상

KERI가 도시 환경에 최적화된 태양광 모듈의 신기술은 이뿐만이 아니다. 일명 ‘해바라기형’ 신기술을 도입해 효율성도 높였다. 태양전지에 형상기억합금을 부착한 것이다.

모듈이 태양 위치를 스스로 따라가며, 모양을 최적으로 바꾸면서 전기를 생산한다(Self-tracking). 이를 통해 기존 편평한 태양광 모듈 대비 하루 전력 생산량을 60% 이상 높일 수 있었다. 태양광 모듈에 별도의 시스템을 추가하지 않고, 일체형으로 태양 추적 방식을 구현한 건 전세계에서 유일하다.

연구를 주도한 KERI 전기변환소재연구센터 차승일 박사는 “우리의 기술로 도심 곳곳에서도 무한한 친환경 자원인 태양 에너지를 통해 직접 전기를 자급자족하는 일상이 펼쳐질 것”이라며, “국가적 이슈인 탄소중립 실현과 에너지 안보 강화에 크게 기여할 성과가 될 것”이라고 전했다.

KERI의 연구 결과는 우수성을 인정받아 영국 왕립화학회(RSC)가 발간하는 에너지 분야 과학저널인 ‘지속가능 에너지와 연료(Sustainable Energy & Fuels)’ 표지논문을 비롯한 총 5개 논문에 게재됐다.

한편, 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관인 KERI는 도심형 태양광 이외에도 미래 모빌리티인 무인 수송기(드론)에 가볍고 효율적인 태양광 모듈을 적용하는 등 지속적인 연구를 통해 태양광발전의 활용 범위를 넓혀간다는 목표다.

[정한교 기자 (st@infothe.com)]

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