[기고] 태양광발전 시스템은 태양에너지를 이용한다는 측면에서 일조량이 많은 저위도의 사막 지대에 설치하는 것이 가장 효율적이다.

태양광발전 설비 전경 [사진=dreamstime]

실제로 중동 등에서 MW 단위나 GW 단위의 대규모 발전 플랜트가 건설되고 있지만, 이들 지대에서는 모래먼지가 패널에 퇴적되는 문제가 많이 발생한다. 특히 이런 지역에서는 비가 거의 오지 않기에 퇴적된 모래먼지가 제거되지 않아 차광이 되는 문제가 자주 발생한다. 

중동 카타르에서는 5개월간 클리닝을 하지 않으면 태양전지의 출력이 40%까지 떨어진다는 보고가 있으며, 이 때문에 저임금 외국인 노동자가 수작업을 통해 정기적으로 클리닝을 하는 방법이 계획되고 있다. 그러나 뜨거운 땡볕 아래에서 비인간적인 작업에 대한 비판의 목소리가 높으며, 물이 귀하다는 사막 사정으로 인해 활용빈도가 높은 계획은 아니다. 

달 표면 탐사용 태양전지 패널의 정전 클리닝
클리닝 장치에 대해 설명하기 전 우선 개발된 달 표면 탐사용 태양전지 패널의 정전 클리닝 장치에 대해 먼저 설명한다. 과거 아폴로 계획에서 밝혀진 것처럼 달 표면은 모래먼지로 뒤덮여 있다. 

달 표면 착륙 시 역 분사나 착륙 후 기기 및 우주 비행사의 활동에 의해 달 표면에 퇴적되어 있는 모래먼지가 날리게 되고, 이들 모래먼지가 태양전지에 퇴적돼 출력 저하를 초래하거나 렌즈에 퇴적돼 기능 장애를 일으킬 가능성이 높다. 실제 NASA의 화성 탐사 로봇의 태양전지에 분진이 퇴적되어 로봇이 작동하지 않는 문제가 발생하기도 했다. 이러한 이유를 바탕으로 진행파 전계를 이용한 분진 클리닝 시스템이 개발됐다. 

이 시스템은 유리 기판 위에 투명한 ITO(Indium Tin Oxide)의 줄무늬 모양 전극을 인쇄하고, 여기에 4상의 고전압을 인가함으로써 패널 위에 진행파 전계를 형성한다. 이 진행파의 이동에 따라 분진을 정전, 이동시키는 시스템이다. 지금까지 NASA와 공동으로 달 탐사용 태양전지나 카메라 렌즈를 대상으로 한 소규모 시스템을 개발해 실제로 아폴로 11호가 가지고 돌아온 달의 모래를 사용한 실증시험에도 성공했다.

하지만 이 우주용 시스템은 소규모이고 경제성을 무시한 것이라 지상의 민간용으로 적합하지 않다는 판단과 함께 완전히 새로운 방식의 대규모 태양광발전에 적합한 시스템을 개발하게 됐다. 

진행파 전계를 이용한 먼지의 정전 클리닝 시스템(왼쪽)과 태양전지 패널용 정전 클리닝 시스템의 구성도(오른쪽)

태양전지 패널용 정전 클리닝 시스템의 구성
지상의 태양전지 패널용 정전 클리닝 시스템도 정전력을 이용하는 점에서는 우주용 시스템과 같은 원리지만, 대규모이고 저비용의 에너지 시스템에 적용하기 위해서는 완전히 새로운 발상에 의한 것이어야 한다. 따라서 클리너를 구성하는 패널과 전원으로 새로운 기술을 개발했다.

클리너 패널은 고가이며, 대형화에 적합하지 않은 투명 전극이 아니라 태양전지 패널의 표면 커버 유리에 얇은 금속전극을 메워 넣는 방식으로 구성돼 있다. 금속 전극은 빛을 차단하기 때문에 그만큼 태양전지의 출력이 저하되지만 0.3㎜의 가는 와이어를 전극으로 해서 전극간 피치를 우주용의 0.6㎜에서 7㎜로 넓힘으로써 차광을 최소화할 수 있도록 구성했다. 이러한 구성으로 원하는 성능을 얻을 수 있다면, 높은 빛 투과성은 유지하면서 거의 비용 상승 없이 큰 면적의 패널을 실현할 수 있다. 

진행파 전계에 의해 분진을 한 방향으로 이동시키기 위해서 전원은 3상 이상의 다층 교류여야 하지만, 태양전지 패널은 기울어져 있어 중력을 이용하면 2상 교류에서도 이동시킬 수 있기 때문에 이번 시스템 개발에도 그러한 방식에 대해 검토했다. 

정상파 전계에 의해 먼지는 패널 위를 날아오르지만, 아래쪽에 중력이 작용하므로 먼지는 전체적으로 아래로 배출된다고 추측할 수 있다. 이러한 클리닝이 가능해지면 전원을 간략화 할 수 있을 뿐만 아니라 클리너 패널 끝부분의 전극 취출부를 3차원에서 2차원 구조로 할 수 있고 여기에 급전 케이블도 2개면 충분하다.

이러한 2상 교류를 전원으로 사용해 양극과 음극의 고압 전원을 스위칭하는 간편한 방식을 개발했으며, 이 경우 출력되는 전압 파형은 구형파(矩形波)이지만, 정현파보다 클리닝 성능이 좋아 오히려 더 효율이 좋다.

정전 클리너의 성능
패널 기울기에 대한 클리닝률(먼지의 초기 퇴적량에 대한 클리닝 후의 잔류 먼지량 비율)을 측정한 결과를 보면 20도 이상 기울어져 있으면 2상의 정상파도 4상의 진행파와 거의 비슷할 정도로 높은 성능을 나타낸다는 것을 확인했다.

중동이나 북미 남서부의 태양전지 패널이 20~30도 정도 기울기로 설치되고 있다는 것을 감안하면 간편한 2상 방식으로도 충분한 성능을 나타낼 수 있을 것으로 전망된다. 

인가 전압을 전극간 갭으로 나눈 인가 전계와 주파수의 영향을 나타낸 자료에 따르면 인가 전압이 높을수록 높은 클리닝 효율을 얻을 수 있다. 하지만 개발 과정의 시제품 패널에서는 1.1kVp-p/mm 범위에서 절연 파괴가 일어났기 때문에 인가 전압의 상한이 억제됐다.

따라서, 현재 패널에서의 인가 전계는 1kVp-p/mm 이하인데, 이 경우에도 80% 이상의 클리닝 효율이 실현됐다. 인가 전압을 올릴 수 있으면 더욱 높은 성능을 얻을 수 있으므로 절연 내력이 높은 패널의 개발은 앞으로의 과제다. 

또, 주파수는 20Hz 이하라면 거의 클리닝 효율에 변함이 없었으며 시뮬레이션에서도 앞서 언급한 기술적 특성이 잘 재현되고 있음을 확인할 수 있었다. 

클리닝 성능의 인가 전압과 주파수 특성

먼지 초기 퇴적량의 영향
패널 표면에 100g/㎡ 정도의 밀도로 모래가 퇴적되었을 경우에 대한 실험뿐만 아니라 더욱 적은 퇴적량의 경우나 더욱 대량으로 퇴적되었을 경우에 어떻게 되는지에 대해서도 조사했다. 실험결과를 살펴보면 초기 퇴적량이 많을 경우에는 성능이 나빠지는 것을 알 수 있다.

그 원인은 퇴적된 모래가 전극 사이에 브리지 형태로 응축되기 때문이라고 추측되고 있다. 그래서 패널 위쪽부터 패널의 기울기 방향으로 강제 대류를 가하니 풍속 2∼3m/s 정도의 미풍으로도 성능이 대폭 향상되었다. 실제 필드에서는 더욱 큰 자연풍을 기대할 수 있으므로, 모래 퇴적 시기나 풍속이 높을 때에 맞추어 운전하는 등 운전조건을 적정하게 설정하면 보다 높은 성능을 기대할 수 있다. 

마지막으로 이 시스템의 운영에 필요한 전력에 대해 설명한다. 앞서 언급했듯이 7kVp-p(1kV/mm), 1Hz 정도가 운전조건으로 적정하므로, 필요 전력은 0.2W/m2 정도가 되고, 태양전지의 표준적인 출력 150W/m2에 비해서 충분히 작은 것을 알 수 있다.

실제로 이번 시스템은 상시 운전이 아니라 하루에 몇 번 또는 각각 몇 분 정도만 운전하면 되기 때문에 이 시스템에서 필요로 하는 소비 전력은 문제가 되지 않는다. 태양전지 패널 위에 퇴적되는 모래의 정전 클리닝을 위해 2상의 교류 전압을 줄무늬 상태의 병행 전극에 인가하는 정전 클리닝 시스템을 고안해 그 유효성을 확인했다. 일본 국내에서는 강우로 인해 수시로 태양광 패널에 대해 자동 클리닝이 되므로 그 필요성이 낮았고 기술에 대한 주목도 역시 미흡했다.

그러나 사막지대에서는 높은 수요가 있었다. 기가 솔라 건설이 계획되고 있는 카타르에서 공동연구 제안이 있었고, 현재 Qatar National Research Fund의 지원으로 Texas A&M University at Qatar가 필드 시험을 하고 있다. 그러나 신뢰성이 높은 패널의 제작 등 과제가 남아있어 실용화까지는 연구개발이 더 필요한 상황이다. 

-본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ－ンエネルギ－와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

[가와모토 히로유키 (st@infothe.com)]

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