이치가와 와타루 (주)KIS 대표이사·사장

히나타 마사히로 (주)KIS 생산기술 부장

우메즈 켄지 (주)GF기연 대표이사·사장

쿠와하라 나가하루 (주)GF기연 상품개발 책임자

일본의 GF기연과 KIS는 지난 3월 동경에서 열린 태양전지 전시회에서 ‘태양전지와 태양광 전열 패널’이라는 두 종류의 태양에너지 변환 패널을 전시했다. 태양광 전열 패널에는 ‘변환 효율 세계 최고 53%’라고 적힌 설명 패널을 게재했으며, 이를 기억하는 사람들이 있을 것이라 생각한다. GF기연, KIS가 이 패널을 전시한 이유는 앞으로 태양광의 이용을 신장시킨다는 시점에서 태양전지와 태양광 전열 패널을 최상의 조건으로 결합해 보급하는 것이 필요하다고 강하게 인식하고 있기 때문이다.

태양광은 자연 에너지로서 가장 유력한 아이템의 하나이다. 그러나 화력, 원자력, 가스라는 기간에너지와 필적할 정도의 제4의 기간에너지가 될지 여부가 아직까지 불투명하다. 다만 한편으로 지구 환경 및 에너지 고갈 문제를 가깝게 보았을 때 그 기대는 매우 크다.

그러나 유감스럽게도 현재는 태양전지와 태양열 온수 패널만을 활용, 개선 노력을 계속해도 그것은 물리적·경제적으로 어렵고 비효율적이라 하지 않을 수 없다. 그러나 GF기연과 KIS는 완전히 새로운 생각과 대처를 할 수 있으면 그 과제는 해소할 수 있다고 생각하고 있다.

개발의 배경

이번 연구개발을 통해 바라는 부분은 사람들의 생활공간에서 태양광에서 전력과 온열의 쌍방을 매우 높은 효율로 취출해 유효하게 이용하려는 생각이다. 그러기 위해 GF기연과 KIS는 전력과 온열을 높은 변환효율로 취출하는 하이브리드 태양광 패널, 온열의 수급 시간차를 보충하는 고성능 축열조, 급탕·난방·냉방을 모두 온열로 공급하기 위한 열원 구동형 냉난방기 등, 새로운 방식의 컴포넌트(Component)를 개발해 왔다. 다음으로 이들을 종합한 태양광 풀이용 시스템의 개발을 진행하고 있다. 그것은 태양광을 충분히 활용한 안전하고 쾌적한 생활을 일본 내로 그리고 해외로 확산시키려 하고 있다.

개발을 진행하면서 GF기연과 KIS는 ‘태양광에너지를 기간에너지로서 보급시키기 위한 주요한 요인은 무엇인가’라는 원점으로 되돌아와 생각했다. 그 결과 핵심은 태양광 모듈의 가격 절감의 달성이 아니라, 오히려 태양광을 집광하는 면적당 출력 에너지를 어떻게 증가시키느냐에 달려있다는 결론에 이르렀다.

주택의 경우를 생각해 보자. 태양열 온수 패널은 에너지 변환 효율도 50~60%로 높고 그 때문에 4~6㎡ 정도의 작은 면적의 패널이 적용된 시스템이 많으며, 그 패널은 물리적으로는 일본 전체의 80% 정도의 주택에 설치가 가능하다고 추정된다. 그러나 온열은 전력과 비교해 출력 시 그 이용 유효성이 낮다. 현상에서는 급탕이 주된 것으로 한랭지는 차치하고 온난지에서는 다른 냉방 장치가 난방 기능도 가지기 때문에 태양열을 난방으로 사용되는 사례는 비교적 적은 것 같다.

한편 태양전지는 그 출력의 이용 유효성은 높지만(전력·급탕·냉난방 모두에 이용 가능) 변환 효율이 약 13~16%로 낮기 때문에 24~50㎡로 큰 면적인 것이 사용된다. 때문에 설치에도 한계성이 드러난다. 예를 들면 30㎡인 경우 일본의 주택 사정으로는 남향의 지붕 면적은 작은 경우가 많고 맨션 등에서는 거의 설치가 불가능하기 때문에 물리적으로는 전 가정의 20% 정도밖에 설치할 수 없을 것으로 추정된다. 즉, 현재의 변환 효율의 태양전지는 경제성으로는 좋을지 몰라도 물리적으로 설치할 수 있는 면적을 확보할 수 없다는 사실이 주목되어야 한다고 생각된다.

이 현실의 과제를 해결하기 위해 GF기연과 KIS는 새로운 태양광 이용 패널(SSP로 통칭)을 개발했다. 이 패널의 출력인 전력과 온열의 경제 가치의 합은 자체 산식으로 태양전지의 2.0~2.5배에 달한다. GF기연, KIS는 이 패널을 활용해 새로운 민생용 에너지 공급 시스템의 상품화를 진행해 왔다. ‘태양광 풀(Full) 이용 시스템’이라고 칭한 이 시스템은 SSP의 출력인 전력과 온열의 쌍방을 동시에 이용해 전력, 급탕, 냉난방, 의류 건조 등에 도움이 될 수 있는 고효율·다기능 시스템이다.

이번 기사는 지난해에 리포트한 ‘태양광 발전/온열 열병합 발전 패널과 이용 시스템’의 속편이지만, 올해 3월 11일 이후, 태양광을 비롯한 자연 에너지에의 기대가 높아지는 가운데 새로운 기간에너지 탄생의 기대에 부응할 수 있는 최유력 후보 기술이 되는 것을 제안하고, 그 실현 가능성을 정리했다.

높은 공간 효율과 불량률의 대폭적인 절감

태양광을 제4의 기간에너지로 육성하기 위한 필수 조건 및 개발해야 할 방향을 표 1에 나타냈다. 표 안에서도 가장 중시해야 할 것은 1항과 4항이다. 다음에 상세내용을 설명하려고 한다.

예를 들면 태양광 모듈의 일반적인 변환 효율이 기존의 15% 내외에서 30%로 향상할 수 있다고 가정을 해 보자. 그 경우 모듈의 필요 면적은 3kW 등급에서 24㎡에서 12㎡ 정도로 반감한다. 이때 설치 가능 면적의 지붕을 소유하는 세대율은 20%에서 50%로 증가해 기간에너지를 위한 보급에 크게 전진할 수 있게 된다. 아울러 패널 총 면적이 8㎡까지 소형이 되면 설치 가능 세대율은 70% 정도까지 개선할 수 있을 것이다.

이 경우 패널 설치비용은 면적에 따라 저감이 가능해 장치 총 비용의 반감화 실현 또한 가능하게 된다. 태양광발전 준공 전 비용 중에서 트랙커와 설치비용이 큰 부분을 차지하고 있는 현재, 이 비용의 반감화는 큰 의미를 가진다.

이상의 의미에서 현재 주력하고 있는 저가격 셀의 개발 경쟁은 특수 용도용으로서는 중요하지만, 주력용으로서는 개발을 늦출 필요가 있다. 차세대의 주력 셀은 가령 비용이 내려가지 않아도 변환 효율 향상 기술로 특화하는 기술 전략이 바람직하다고 생각한다.

운전 중에서의 불량 절감도 중요 요소이다. 특히 높은 온도의 외부 환경에서 회로의 그을림 불량, 지붕에 빗물이 새는 불량 등의 시장 불량이 산발되는 상품에서는 기간에너지 시스템의 자격을 만족시키지 못한다. 혹독한 환경 조건에 노출되는 상품으로 지진 등의 광역 전력이 다운되었을 때에야말로 그 기능을 충분히 발휘할 필요가 있다.

이상의 두 가지가 기간에너지로서 태양광 이용 장치가 갖추어야 할 가장 기초적인 필수 조건으로 인식하고 있다. GF기연과 KIS는 이 조건을 구체적으로 만족시킬 수 있는 기술과 상품의 실현에 주력해 왔다. 그 결과 태양광 풀 이용 시스템을 개발하게 됐다.

태양광 풀 이용 시스템이란

GF기연과 KIS는 지향하는 기간에너지 실현에 공헌할 태양광 풀 이용 시스템은 다음의 특징을 갖고 있다.

• 높은 변환 효율(CR=50% 이상) - 개발한 하이브리드 패널 CR≒53%
• 출력의 100%를 낭비 없이 이용 가능
  - 출력 온열의 지역 이용 : 급탕·냉난방·건조
  - 출력 온열의 여름 이용 : 온열을 이용한 냉방 실현
• 사회적 전개성, 사회적 저부담
  - 중규모 메가형에 의한 지역 광역 전개에 최적
  - 분산형 축전 축열이 용이하고 계통 축전량 반감 가능
• 계통 전력 또는 가스와의 공존과 안전
  - 각 에너지와의 복합 이용 시스템 실현
• 다른 태양광 패널과의 상호 보완
  - 태양전지, 온수 패널로의 구분 사용이 뛰어나다(설치 가능 면적, 고객 솔루션).
• 높은 시장 신뢰성
  - 셀 및 전력 회로의 온도 제어ㆍ높은 신뢰성
• 시장 전개의 확대
  - 점포·호텔·식물 공장, 전 분야로 전개 가능
• 해외 시장 전개
  - 일본발 거대 비즈니스 창출, 세계에 제공 가능

이상의 조건에 비추어 보면, 현재의 태양광 방식에서는 효율이 13~16%로 낮고 큰 설치 면적이 필요하며 설치비용이 크다는 점, 전력 계통의 안정성 확보의 부담이 크다는 점(거대 축전지, 전력 품질에의 사회 투자 크기에 비해 효력이 작음), 전력 의존에 집중적 손실이 있다는 점 등 기본적인 과제를 안고 있다. 한편, 태양열 온수기 방식에서는 변환 효율은 외관상으로는 높은 수치지만 전력과 비교해 그 경제 효과 및 사용 편리성은 1/3 정도로 평가할 수 있기 때문에 실질 변환 효율은 17~20% 정도로 작다고 할 수 있다. 또한 열에너지의 수요가 한정되어 모두 사용할 수 없다는 과제가 있어 보급은 한정되어 왔다. 따라서 GF기연과 KIS는 태양광 풀 이용 시스템으로서 첫 개발에 대응할 모델로 패널의 총 면적 8㎡ 정도의 매우 소형의 가정용, 점포용 시스템에 초점을 좁혔다.

하이브리드 패널의 효율과 총 면적의 상관관계

태양전지가 앞으로 크게 진전할 수 있을지의 여부는 그 장치의 경제성 및 그것을 보조하는 공적인 지원(금)이라는 논조가 많은 현재, 최근 몇 년을 생각하고 소비자가 구입할지의 여부를 생각하면 그 요인은 가장 중요하다고 생각한다. 장치의 경제성은 시장 경쟁력에서 가장 중요하다는 것에는 틀림이 없지만, 중장기적으로 기간에너지의 자격이라는 시점에서 보면 좀 더 다른 요소가 보인다. 이 시점이야 말로 우리들이 패널 총 면적 8㎡이라는 소형의 가정용, 점포용 시스템을 최우선으로 상품화하려고 하는 이유이다.

전술한 바와 같이 집광패널의 출력 공간은 효율이라는 시점에서, 현재의 주력 태양전지 3kW 시스템의 패널의 총 면적은 24~50㎡이다. 그러나 30㎡ 면적의 패널을 설치할 수 있는 주택의 비율은 전술한 바와 같이 일본 전체 평균으로는 20% 정도, 도쿄 내에는 10% 이하로 추정된다. 따라서 80~90%의 주택은 지붕 면적, 지붕의 방향, 그늘의 상태, 아파트 맨션 등의 이유에 의해 설치가 불가능한 것이다.

한편, 3kW의 태양전지는 주택의 전 에너지의 20% 정도를 공급할 수 있을 것으로 추정되기 때문에 모든 가능한 지붕에 설치해도 일본에서의 주택 전체의 총계 에너지 충족율은 5%에 불과하다. 예를 들어 10년 걸려 전 가능 세대에 설치를 완료해도 주택의 전 에너지 소비량의 5%밖에 공급할 수 없는 것이다.

반면, 8㎡의 하이브리드 패널의 설치 가능율은 도내에서 50%가 못되고, 전국에서는 70%를 조금 넘을 것으로 추측된다. 8㎡이고 4.2kW인 시스템에서는 주택의 에너지 수요의 약 30%를 공급할 수 있다. 즉, 전 주택의 에너지 커버율은 주택용 전 에너지의 약 21%를 공급할 가능성을 가지고 있다. 물론 16㎡와 24㎡의 중규모의 패널 면적 시스템과 태양전지와 태양열 온수기를 최적의 혼합으로 갖추어 개개의 주택에 최적의 시스템을 선정해 설치가 되었다고 가정하면 일본 전 주택의 총 에너지의 30%에 가까운 수치까지 태양광으로 공급하는 사회 시스템의 실현이 가능하다고 계산된다. 이 값을 가능하게 하는 드라이버는 태양광 하이브리드 패널의 변환 효율이 53%(전력 13%, 온열 40%)로 매우 높은 수치라는 것에 있다. 이 경우 온열 출력은 일단 축열되어 필요할 때에 급탕이나 의류 건조와 난방, 더 나아가서는 냉방에 이용되는 것이 전제이다. 현재 상품화에 매진하고 있는 태양광 풀이용 시스템은 매우 작은 패널 면적의 모델이며 그 사양을 표 2에 나타낸다.

태양광 풀 이용 시스템의 구성

시스템은 총 면적 8㎡의 하이브리드 패널, 250L의 물 용적의 축열조, 리모콘 제어 장치, 보조 온열원으로써의 소형 가스 급탕기, 전력 출력 처리 장치로써의 파워 컨디셔너 또는 축전 전력 제어 시스템 등으로 구성되어 있다. 전열 하이브리드 패널은 단결정 실리콘 셀을 냉각하는 히트 싱크 평판 위에 형성되어 전력과 온열의 쌍방을 출력시킨다. 축열조는 최대 용량의 온수 축열을 가능하게 하는 각형 축열조를 개발했다. 온수를 각형 캐비넷 자체의 내용적에 저장시키는 새로운 구조의 고성능 축열조이다.

이 시스템의 구성을 그림 1에 나타낸다. 최초의 모델은 소형 가스 급탕기와의 하이브리드이다. 물론 이것은 전력을 사용한 히트 펌프, 또는 연료 전지를 사용해도 괜찮다. 현재, 그림 2와 같이 프로토타입(Proto-type) 장치에 의해 특성 시험 평가와 작동 확인을 하고 있다. 이 모델은 맨션 등의 중층 건물에도 설치할 수 있다. 한 채의 주택 면적 60㎡의 맨션이라면 8㎡ 패널에서는 6층분의 시스템 설치가 가능하며, 고층 맨션이라면 상층계(6~8층분)용으로 이용하면 된다.

8㎡ 태양광 풀이용 시스템의 특징

개발 중인 소형 8㎡(4.2kW) 태양광 풀이용 시스템의 특징은 다음과 같다.

첫째, 패널의 면적이 작다는 것이다. 일반 태양전지의 1/3 이하의 면적에 불과하다. 이는 맨션을 포함해 국내 70%의 주택의 지붕에 설치할 수 있으며, 태양전지 30㎡의 20%보다 보급성이 높다. 좁은 옥상의 소점포 등에서도 설치가 가능하다.

둘째, 패널은 전력·온열 하이브리드를 출력한다. 전력 1kW, 온열 출력 3.2kW를 출력해 변환효율도 50% 이상의 높은 수치를 실현한다. 그리고 이만큼의 전력은 일반 주택에 소비되는 에너지의 평균 30%를 공급할 수 있다.

셋째, 출력은 전력과 온수로 동시에 이루어져, 계통 제휴 또는 독립 축전이 가능하고, 동시에 55℃, 축열조 250L에 축열·급탕 및 경우에 따라 일실 난방, 욕실 건조 등에 유용하게 이용할 수 있다.

넷째, 현재 사용 중인 가스, 석유 급탕기를 그대로 사용할 수 있으며, 시스템은 후에 부착할 수 있어 설치가 용이하다.

이와 같은 특징을 갖추고 있어 태양전지로는 커버할 수 없는 일반 소주택의 대부분에 설치가 가능함과 동시에 태양열 온수 장치에서는 달성할 수 없는 전력을 출력할 수 있다는 매력을 갖추고 있다.

따라서 태양전지, 태양열 전열 패널, 태양열 온수 장치를 고객 수요에 맞추어 선택하고 넓게 고객의 요청에 부응할 수 있게 한다. 그 결과, 태양광 패널의 설치 보급에 큰 공헌을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

마지막으로, 높은 신뢰성을 실현할 수 있다는 특징이 있다. 전술한 것처럼 태양전지는 핫 스폿(Hot Spot) 등으로 표현되는 회로의 소손 불량, 넓은 면적 설치로 인해 발생하기 쉬운 공사 불량을 위한 지붕 누수 등 아직도 개선해야 할 상태에 있는 것은 분명하다. GF기연과 KIS가 개발해 상품화한 태양광 전열 패널은 강고한 히트 싱크에 지지된 발전 셀, 총계 패널 면적의 대폭적인 축소에 의한 공사 품질의 철저·용이화로 인해 제품 신뢰성의 획기적인 향상을 기대할 수 있을 것으로 생각하고 있다.

새로운 기술의 전개

기존의 태양전지 패널에 태양광 전열 패널, 더 나아가서는 태양광 풀 이용 시스템을 제품군에 첨가시킴으로써 한층 더 새로운 분야로의 사업 확대, 전개를 도모할 수 있을 것으로 생각한다.

그 중 메가 발전소에의 전개가 기대된다. 메가 발전소는 현재 두 가지의 흐름이 있다. 하나는 태양전지를 늘어놓은 것, 또 하나는 반사 집광 고온 온열 이용 터빈 발전기이다. 전자의 방법으로는 패널을 전열 하이브리드 패널로 바꾸어 그 신뢰성을 높이고 근린의 소비지에 온열을 도입할 수 있는 규모와 배치로 일관하는 것이야 말로 기간에너지에 참가하는 길이라고 확신하고 있다.

반면 후자의 방법은 태양광 집광 총 면적당 발전량이 많고 변환 효율은 30%를 초과한다. 이 경우, 중규모 메가 발전으로 발상을 전환해 배열을 근처의 급탕 냉난방으로 이용하는 시스템이야말로 궁극적인 방식이라고 생각된다. 이 분야에서 일본이 선행할 수 있으면 21세기의 에너지 비즈니스의 선두의 일각을 차지할 수 있을 것으로 생각할 수 있지만, 아직까지 비전문가의 발상 영역을 벗어나지 못하는 필자 혼자만의 생각일지도 모른다.

태양광 풀이용 시스템을 완성시키는 최후의 마무리 기술은 태양열 이용 냉방기의 실현과 시스템에의 편입이다. GF기연과 KIS는 다른 기업과도 제휴해 전력식 에어컨으로 바꾸고 온열을 동력원으로 한 냉난방기의 개발에 매진하고 있다. 태양광 풀 이용 시스템을 온난지와 열대지에 보급시키는 속도를 향상시키기 위해서도 결정적인 기술이라고 인식하여 개발을 가속하고 있다.

태양광 풀 이용 시스템은 물론 해외 전개가 가능하며, 지구 환경, 자원 고갈의 시점에서 봐도 전개를 가속해야 함과 동시에 21세기를 리드하는 새로운 비즈니스를 일본이 리드하는 기회이기도 하다고 인식하고 있다. 태양광의 전력과 온열의 하이브리드 이용은 국내의 개발 상황과 같거나 또는 그 이상의 속도로 구미 기업이 진전시키고 있어 경합 내지는 협력을 하고 싶다.

현재 펼치고 있는 스마트 그리드 시스템의 진전에 있어서 본 기사의 태양광 풀 이용 시스템의 정합성은 매우 높다. 예를 들어 발전 전력의 축전 용량을 반감하고 각 가정에 축열 장치를 설치하는 사회 시스템 쪽이 한발 전진한 시스템이라 생각되며 계통 전력계 축전지의 거대화를 방지하는 등의 실용적 효과를 창출한다고 생각되기 때문이다.

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