태양광 발전량의 정확한 예측을 위해, NASA 위성까지 출동한다
May, 2020




태양광 시장의 확대와 함께 태양광의 발전 효율도 빠르게 향상되고 있다. 관련 연구와 개발도 활발히 진행 중이다. 
그중에서도 눈에 띄는 카를로스 코임브라 교수의 '구름의 분포를 이용한 태양광 발전량 예측'과 버려진 빛도 다시 활용하는 한화큐셀의 고효율 '퀀텀 셀'을 소개한다. 



NASA 위성으로 구름이 흡수하는 태양 빛 계산 


태양은 약 1,360W/㎡의 빛을 지구로 쏟아낸다. 하지만 태양이 쏟아내는 빛이 모두 지상에 도달하진 않는다. 지구 대기를 거치며 산란하거나 다시 우주로 반사되고, 일부만 대기에 흡수된다. 맑은 하늘일 때는 평균 1,025W/㎡, 구름이 끼었을 땐 평균 550W/㎡의 태양 빛이 지상에 도달한다. 

태양광 발전은 구름의 영향을 많이 받는다. 구름이 끼는 정도, 미세먼지 등에 따라 전력 생산량이 들쭉날쭉한다. 구름은 반지름이 약 0.02~0.05mm인 수십억 개의 작은 물방울과 얼음 알갱이들의 모임이다. 즉, 같은 크기의 구름이라도 내부의 구성 입자에 따라 태양 빛을 반사하는 정도가 다르다. 그래서 과학자들은 태양광 발전량을 정확히 예측하는 방법을 개발하고 있다. 전력 생산량 예측이 가능하면 얼마큼의 전력을 다른 에너지원에서 끌어와야 하는지, 반대로 얼마큼의 전력을 저장할지 계산할 수 있다.  




▲ 구름이 태양을 가리면 지표면에 도달하는 태양에너지가 감소한다.  |  출처:Pixabay




최근 미국 캘리포니아대 산디에고 캠퍼스(UC 산디에고)의 카를로스 코임브라 교수가 이끄는 연구팀은 나사(NASA)가 2016년 쏘아 올린 정지궤도 위성 GOES-R을 활용해 구름이 흡수하는 태양 빛을 정확히 계산하는 방법을 개발했다. GOES-R은 기상을 관측하는 위성으로 가시광선부터 적외선까지 16개 영역의 주파수를 관측할 수 있는 관측 센서 ABI(Adavanved Baseline Imager)가 탑재돼 있다. 근적외선 파장은 수증기에 의해 잘 흡수되기 때문에 대기의 수증기 분포량을 확인할 수 있고, 적외선 파장은 야간에도 활용할 수 있다. 이처럼 16개의 파장 영역이 같은 대기에서 각자 다른 정보를 수집한다. 

카를로스 코임브라 교수 연구팀은 이번에 개발된 추정 기술을 ‘SCOPE(Spectral Cloud Optical Property Estimation)'라 명명했다. 





▲정지궤도 위성 GOES-R의 상상도. 맨 아래쪽이 이번 연구에서 사용한 관측 센서 ABI(Adabanced Baseline Imager)다.   |  출처: NASA



정지궤도 위성은 적도 기준으로 상공 3만6,000km에서 지구의 자전과 같은 속도로 지구 주위를 공전하며 기상을 관측한다. 지구에서 위성을 볼 때 항상 같은 지점에 있어 ‘정지’라는 단어가 붙는다. 연구팀은 GOES-R 위성이 수집한 자료를 토대로 구름의 고도와 두께, 그리고 광학 두께를 계산했다. 광학 두께는 태양 빛이 구름을 지나는 동안 산란 또는 흡수에 의해 제거되는 빛의 양을 나타낸다. 그리고 이 세 가지 특성을 토대로 지상에서 태양 빛을 이용한 전력 생산량을 추정하는 모델을 만든 후 7개 지역의 실제 발전량과 비교했다. GOES-R 위성은 대기를 5분 간격으로 촬영하기 때문에 연구팀은 5분 단위로 발전량을 예측할 수 있었다. 

그 결과, 4개 지역에서는 10W/㎡의 오차 범위 내에서 발전량을 예측했고, 나머지 3곳은 실제 생산량과 예측량의 차이가 각각 11.2, 17.7, 20.2W/㎡였다. 카를로스 코임브라 교수는 “발전소의 전체 전기 생산량을 고려하면 높은 정확도를 보였습니다. 태양광 셀의 특성이나 주변 환경을 분석 대상에 추가하면 정확도를 더 높일 수 있을 것입니다”라고 설명했다. 아울러 “태양광 발전량에 영향을 미치는 구름의 광학적 특성을 이토록 자세히 분석한 연구는 처음입니다. SCOPE를 개선해 잘 활용하면 태양광 발전량을 예보하는 시대가 열릴 것입니다”라고 덧붙였다.





▲ABI의 16개 파장 영역으로 촬영한 대기의 이미지. 2017년 1월 15일 미국 상공의 모습이다. |  출처: NASA



버려진 빛도 다시 활용하는 한화큐셀 


구름의 분포를 이용해 태양광 발전량을 예측하면 발전 효율을 높일 수 있다. 그렇다고 지상에 도달하는 태양 빛의 양을 늘릴 수 있는 것은 아니기 때문에, 예측만으로 생산량을 늘릴 순 없다. 그래서 한화큐셀은 빛을 전기로 전환할 때 생기는 손실을 최소화해 생산량을 최대로 끌어올리는 '퀀텀 셀(Q.ANTUM)'을 개발했다. 퀀텀 셀은 태양전지 후면에 퍼크(PERC, Passive Emitter Rear Contact) 기술이 쓰이고 있다. 


퍼크 기술은 태양전지 후면에 거울을 둔 구조로, 태양광 발전에 쓰이지 않고 그냥 지나간 빛이 거울에 반사되고, 반사된 빛이 다시 태양전지로 흡수돼 전기 생산에 사용되는 원리이다. 일반적인 태양전지는 처음에 흡수하지 못한 빛은 버려지지만, 퀀텀 셀은 버려지는 빛까지 활용해 발전 효율을 최대로 끌어올린 것이다. 또한, 태양 전지의 출력 저하 현상을 일으키는 요인을 차단하는 Anti-PID, Anti-LID, Anti-LeTID 기능을 탑재한 고효율 태양전지를 구현해 2017년, 업계 최초로 10억 장 생산을 달성하기도 했다. 퀀텀 셀 10억 장은 부산과 대구 시민 600만 명이 1년 동안 가정에서 사용하는 전기를 생산할 수 있는 규모다.


지금도 한화큐셀은 태양전지의 효율을 높이기 위해 지속적인 연구 개발과 효율 개선을 하고 있다.  버려지는 태양 빛도 다시 보는 한화큐셀, 앞으로 얼마나 태양전지의 발전 효율을 끌어올릴지 기대된다. 



출처  |  한화 공식 블로그(과학칼럼니스트 박영경 기고)


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