태양광 충북의 미래를보다 - 태양광 응용분야를 개척하자

태양전지 전문기업 신성홀딩스가 자사의 태양광 모듈을 무동력 로잉보트에 부착, 한반도 해양 대탐험 성공 모습.

신재생에너지 가운데 태양광 발전은 크게 두 분야로 나뉘어 있다.

하나는 태양광 발전소를 말하고, 또 다른 하나는 응용분야이다. 신재생에너지는 연구하는 사람에게는 의미가 있지만, 먹고사는 문제에 부딪쳐 있는 일상의 대중에게는 피부에 와 닿지 않는 얘기일 뿐이다.

태양광을 이용해 전기를 발생하는 장치인 솔라(Solar), 셀(Cell), 모듈(Module)에 대해 일반인에게 얘기한다면 골치 아프고, 머리 아파할 것이다. 쉽게 얘기하면 고효율의 전기를 발생시켜 주는 장치로 설명하면 빠를 것으로 보인다.

태양광 발전소는 소규모 1KW, 3KW에서 2조MW까지 그 규모는 다양하고 또한 엄청나다.

태양광 발전소는 적절한 절차에 의해 지방자치단체나 정부의 허가를 받고 전기를 생산해 한국전력에 팔거나, 자가 이용하는 것으로 쉽게 보면 된다.

아직까지 투자대비 수익성이 있다고는 볼 수 없지만, 중·장기적으로 개선에 개선을 거듭하는 현 시장을 고려하면, 필요성을 놓고 보면 다른 시각으로 꼼꼼히 챙겨야 할 부분이기도 하다.

태양광 응용분야는 전기 설치가 용이하지 않거나, 설치비나 인건비등을 고려·검토해서 BEP(손익 분기점)시점이 짧아지는 분야로의 응용을 다양하게 살펴볼 필요가 있다.

다시 말하면, 주·간선 도로가로등, 정원등, 공원등, 녹지분야, 통신장비분야, 전기 설치가 힘들거나 불가한 지역(산간지방 및 바다등 등) 다양화 돼가고 있는 추세이다.

응용분야는 틈새시장이기도 하다. 태양광 응용분야의 중요요소는 5∼6가지로 구성된다.

태양광으로부터(가시광선) 광을 받아 전기를 발생시키는 솔라, 셀, 모듈이 그 첫 번째이다.

발생된 전기를 컨트롤 하는 컨트롤러가 두 번째이며, 컨트롤러에 의해 발생된 전기를 저장하는 축전지가 세 번째이다.

이를 D/C 12볼트로 사용하는 LED등과 같은 발원체가 네 번째이고, A/C로 이 전기를 이용하고자 할 경우 사용하는 인버터(Inverter)가 그 다섯 번째이다.

또 A/C와 D/C를 원하는 경우 겸용으로 사용 하도록 하는 것이 여섯 번째이다.

태양광 응용분야는 다양하고 광활하다. 앞서 열거한 여섯 가지를 모두 제어하는 기업이나 사람이 모두를 가지게 될 것이다.

하지만, 결코 호락호락 한 분야가 아니다.

태양광 솔라, 셀, 모듈을 생산하기 위해서는 엄청난 초기 투자비가 든다. 또 셀(cell)의 엄청난 변화가 실시간으로 이루어진다 해도 지나친 말이 아닐 정도로 급속히 발전하고 있다.

초기의 고가격은 이제는 많이 무너져 내렸다. 이를 주도하고 있는 나라가 중국이다. 싼 가격의 셀을 전 세계에 풀어내면서 시장 자체를 공급 포화상태로 만들어 버리고 있다.

컨트롤러 기술은 이제 거의 일반화되어 있지만, 아직도 특화된 상품을 개발하는 훌륭한 아이템들이 쏟아져 나오고 있고, 기술의 개발은 끊임없이 향상 될 것으로 전망된다.

축전지 분야는 수은축전지가 나와 60년의 충·방전을 할 것이라는 기대 속에 많은 친환경 장수명 제품들이 개발 중에 있다.

그리고 발광체의 기본인 LED 발원체가 있고, 1920년대 연구를 시작 1960년대 최초 출시, 1997년 일반에 첫 소개된 후 10여년이 안 돼 100Lumen의 LED가 개발됐다. 이제 2020년이 되면 10만 Lumen의 LED가 출시된다고 하니 곧 전 세계인의 램프로 다가 올 것이다.

(*루멘(Lumen)=광속의 단위. SI 단위계(系)로 기호는 lm(루멘)으로 나타낸다. 1lm은 모든 방향으로 동일하게 1cd(칸델라)의 광도를 가진 점광원에서, 입체각 1sr의 원뿔모양 안으로 방출하는 광속의 크기이다. 파장 555nm, 방사속 1/683W의 단색방사 광속도 1lm이다.)

태양광 분야는 알려진 것보다 기존의 제품들을 대체하는데 훨씬 효율적이지만, 미적거리는 이유는 아직 그 시기가 되지 않은 면도 있다.

앞서 한 단계 즉, A/C용 전력절약 아이템인 LED를 거쳐갈 것으로 예상한다.

또 에너지절약 사업의 한분야인 LED사업도 태양광 LED와 밀접하다.

LED는 A/C용 LED대비 D/C로 사용하는 LED가 lm과 lx, 그리고 cd에서 훨씬 효과적이기에 전력변환장치인 SMPS를 통한 D/C용 LED 사용의 연구가 활발하다.

몇몇 업체에서 고효율 SMPS를 이미 개발·완료했다.

LED는 열을 제어하는 것이 즉 방열장치가 가장 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 방열을 잡은 사람이 반 이상 성공한 상태로 볼 정도로 그 시장은 확대 추세로 접어들고 있다. KS규격의 제정으로 이제 앞선 이들의 초기 선점 투쟁의 시장이 됐다.

물고 물리는 시장이 곧 도래 한다는 것이다. 가격은 자연스레 급격히 떨어질 것이고, 그만큼 더 잘 보는 사람이 성공하는 시장이 된다는 것이다.

◇태양광 발전효율, 응용기술이 '효자'

태양광발전시장에서 기업 간, 국가 간 가격경쟁이 극심해지면서 효율 상승이 주요 화두로 떠오르고 있다. 그러나 기술적 한계로 효율상승의 혁신적인 성과는 더딘 상황. 이런 가운데 최근 효율을 높이기 위한 다양한 응용기술이 나와 눈길을 끌고 있다.

효율을 높일 수 있는 가장 기본적인 방법은 발전시간을 늘리는 것이다. 태양광 발전 시스템은 태양광을 이용해 전기를 생산하는데 국내의 하루 평균 발전시간은 3.5시간으로 산정하는 것이 일반적이다.

하지만 추적식 트래커를 사용하면 발전시간을 늘려 20~30% 정도 발전량을 확대할 수 있다.

특히, 이 트래커 방식에서도 수직과 수평 모두 전환이 가능한 2축 추적식 트래커가 발전시간 확대에 용이하다. 이 방식은 수평이나 수직 가운데 한 쪽으로만 전환 가능한 1축 방식에 비해 공정코스트가 높은 것이 단점이었다. 최근 KD파워가 한 개의 모터를 통해 양축 추적기술이 가능한 GPS 로봇형 트래커를 출시하며 기대감을 높여주고 있다.

태양광 어레이의 성능 부정합을 해결해주는 솔루션 역시 효과적이다. 일반적으로 태양광 시스템은 태양광 모듈을 직렬로 연결한다. 때문에 일부 전지가 고장나거나 음영으로 인해 태양빛을 받지 못할 경우 전체 효율이 떨어진다. 심한 경우에는 전지가 파손돼 발전이 불가능해지는 경우도 발생한다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 우회용 다이오드로 발전 성능이 떨어진 부분을 우회하거나 외부에서 역전류가 흐르지 못하도록 역전류 차단용 다이오드를 사용하기도 한다. 보통 태양광 패널 뒷면에 정션 박스 형태로 부착한다.

타이고에너지의 모듈 멕시마이저는 개별 모듈이 최대 출력점(MPP)을 찾을 수 있도록 임피던스 정합기술을 이용하고 있다. 임피던스 정합 기술은 태양광 어레이 상에서 모듈마다 출력의 차이가 발생할 경우를 대비해 모듈마다 각자의 회로를 연결, 독립적으로 모듈 주변의 전류를 흐르게 하도록 하는 프로그램이다. 따라서 동일 스트링상 다른 모듈들의 출력값에 영향을 미치지 않으면서 최대 에너지를 얻는다.

이밖에 유리나 태양광 필름 분야에서도 소재 개발을 통한 출력향상 기술이 연구되고 있다. 태양전지를 감싸는 유리는 눈, 비, 바람, 우박 등에 견딜 수 있도록 내구성이 중요하다. 수분의 침투를 막기 위한 필름 역시 마찬가지다.

최근에 내구성을 유지하면서도 이 구성요소들이 반사시키는 빛을 최소화해 효율을 보존하기 위한 소재개발 연구들도 빠르게 진행되고 있다.

◇충북 태양광산업특구의 비전과 전략

충북 태양광산업특구의 핵심 개념은 태양광산업 지식창출을 통한 경제성장 및 산업고도화의 '전략적 핵심지역'으로 육성하는 것이다.

특히, 초일류 태양광기업들의 유치 및 집적을 통한 '태양광 클러스터' 및 국내·외 '태양광 네트워크 허브' 기능을 수행해야 한다. 또 생산, RD&B, 인력양성, 보급사업 중심의 '태양광 산업의 세계적 복합 거점'으로 조성돼야 한다.

충북 태양광산업특구의 단계별 비전은 초기에는 생산교역 복합형으로, 장기적으로는 지식창조형을 지향해야 한다.

초기에는 생산교역형을 지향해 아시아솔라 밸리 특구로 정착해야 한다. 태양광 부품소재 산업에 특화해 세계적인 솔라 밸리인 독일과 프랑스와의 차별화를 추구하고 이들과 협업 또는 공동생산의 전략을 추구해야 한다.

이와 함께 공항, 철도망, 도로 등의 인프라 용량을 확장하고 복합시스템을 구축해 동북아 및 아시아의 태양광 산업의 물류거점으로 도약해야 한다.

장기적으로는 지식창출 클러스터로 발전할 수 있도록 소프트 인프라를 강화해야 한다.

양호한 R&D기반과 생활여건을 제공해 유수 기업들의 R&D센터, 우수대학 등을 유치해 특구내의 정보 및 기술 네트워크를 완비해야 할 것으로 보인다.

충북도 관계자는 태양광산업특구의 미래상에 대해, "태양광특구의 최종 진화된 형태는 독일의 솔라 밸리로 지식의 창출활동이 활발해 신기술이 지속적으로 발현되는 특징이 있다"며 "독일과 프랑스와 연계한 제3의 태양광 클러스터 창출과 세계 최고의 IT기술을 활용한 태양광 산업 정보기술 네트워크 허브가 구축될 것"이라고 밝혔다.

/태양광특별취재팀(팀장 장인수 팀원 엄재천·이정규·김태훈기자)