태양광 발전 시스템, 쉽고 광범위한 설치 가능한 재생가능 에너지
표면 먼지 쌓이는 오염 문제 해결할 다양한 기술 개발
정전기 이용한 먼지 반발 원리...알루미늄 산화아연 전도체의 표면 청소하는 로봇 팔
한국기계연구원, 2020년 국내 연구팀이 자기세정 유리 개발
2021년, 오염에도 강한 고부가가치 컬러 유리 제작 기술 개발
지구상에 있는 거의 모든 에너지의 원천 태양에너지. 햇빛 에너지를 모아 전기로 바꾸는 태양광 발전 시스템은 공해도 소음도 없고, 쉽게 설치해서 오랜 시간 사용도 가능하기 때문에 재생 가능 에너지로 분류된다.
태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성된다. 사막과 같이 인구가 적고 건조한 지역에서 쉽고 광범위하게 확장해 설치할 수 있기 때문에 아주 매력적인 재생 가능 기술로 꼽히지만, 많은 먼지로 인해 태양 전지 표면은 시간이 갈수록 가려져 재기능을 할 수 없게 만드는 요인이 된다.
이러한 문제는 물을 이용해 정기적으로 고압 세척해 표면의 먼지를 제거할 수 있지만 이러한 태양전지 세척방식은 특히 물이 적은 사막같은 지역에서는 물 공급도 쉽지 않고 비용도 상당하기 때문에 태양광 패널 오염 문제를 해결하기 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.
일부 태양열 발전소는 건식 스크러빙(마른 먼지를 밀어내는) 방식으로 청소하기도 하는데 덜 효율적이며 마모로 인해 투명도가 점차 감소해 결국 태양 전지의 효율성까지 감소시키는 단점을 가졌다.
이러한 시스템은 균일하지 않은 장에서 표면 전하 유도에 의해 작동하기 때문에 셀 표면 또는 내부에 미세 가공된 전극 배열이 필요하고 규모에 맞게 전개하기 어렵다.
지난 11일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개된 미국 매사추세츠공대(MIT) 기계공학과 연구팀은 태양전지를 투명 전극으로 덮고 입자를 전위(전기적 위치 에너지)에 의해 대전시키는 더 간단한 해결책을 시연했다.
사막 먼지는 전극과의 접촉으로 인해 충전되지 않아야 하는 절연체인 실리카로 주로 구성되어 있지만 연구원들은 대부분의 사막에서도 밤에 도달하는 30% 안팎의 습도에서 입자가 절연 테프론 입자가 아닌 강철 입자와 같은 테스트에서 작동한다는 것을 보여주었다.
연구팀은 추가 테스트 후에 실리카가 극도로 친수성이기 때문에 전도성 물 분자 껍질로 둘러싸여 있다는 결론을 내렸다. 이들은 먼지로 덮인 투명한 알루미늄 산화아연 전도체의 표면을 청소하는 로봇 팔로 구성된 세척 시스템을 갖춘 프로토타입 태양 전지를 설계했다.
이들은 둘 사이에 12kV의 전압을 가했을 때 최대 95%의 출력 전력 회복을 관찰했으며, 이 시스템이 기존 실리콘 태양 전지에 개조될 수 있고 제조 과정에서 미래의 박막태양 전지 생산에 통합될 수 있을 것으로 보았다. 이 기술은 청소 비용의 80~90%를 절약할 수 있을 것으로 추정되고 있다.
케미스트리월드에서 미국 보스턴 대학의 멜레이 머줌더(Malay Mazumder) 교수는 이 기술이 입자를 정전기적으로 제거하는 혁신적인 방법이며 잠재적인 응용 가능성이 있다"라면서도 "알루미늄 아연 산화물의 비용이 기본 태양 전지의 비용보다 높을 수 있어 각 모듈에 적용하려면 상당한 추가 장비가 필요할 수 있다"고 지적했다.
한편, 2020년에 국내 연구팀이 자기세정 유리를 개발했다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(이하 기계연)은 나노유리 표면에 파라핀을 코팅해 오염물질을 튕겨내고 빛 반사를 줄여 열 전달을 더디게 하는 태양전지 커버용 유리를 개발했다고 밝힌 바 있다.(임현의 나노융합장비연구부 박사 연구팀과 이진기 성균관대 교수 연구팀, ACS Nano 온라인 발표)
연구팀은 미끄러운 표면을 이용하는 벌레잡이 통풀의 표면이 다공성 구조에 기름이 칠해져 있어 벌레가 들어가면 빠져나오지 못하는 데서 아이디어를 얻었는데 유체윤활제 대신 고체윤활제인 파라핀을 이용해 유리 표면을 코팅해 자기회복 가능한 기능을 높였다.
지난해 말에는 기계연이 아름다운 색감까지 가지면서 오염에도 강한 고부가가치 컬러 유리를 만들 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 유리 표면에 친환경 소재의 발수 실리카입자를 나노구조로 코팅해 오염물을 튕겨내는 자기 세정 기능도 갖추면서도 금속나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용하여 기존 색 유리 보다 내구성이 강한 8가지 색상의 컬러 유리를 만들었다. 이 유리는 나노입자의 농도와 코팅 두께에 따라 투과율도 조절할 수 있다고 한다.
이러한 컬러 유리 제조 기술은 발수 실리카 나노입자의 합성에 관한 원천 기술을 확보한 것으로, 컬러 유리 제조부터 자기 세정 컬러 필름, 초발수 페인트 제조 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 임현의 부장은 “친환경 나노기술을 활용한 태양전지가 건축 유리나 외장재에 활용되어 우리의 생활을 지속가능한 방향으로 만들어가는 데 도움이 되길 바란다”고 말했다.
저탄소사회 실현을 위해 태양광 발전 시스템 등의 재생에너지 활용은 더욱 가속화될 것이고, 환경보전과 지속가능한 개발을 위한 더 많은 연구와 지원이 필요하다.
포인트경제 이민준 기자