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에너지/환경 태양광발전 / 우주 태양광의 주요국별 연구개발 동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-06-21 14:00:00
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▣ 태양광발전

 

2019년의 전 세계 PV 도입량은 111GW이며, 누적으로는 623GW였다. 세계의 PV 대규모 발전소의 가중 평균 발전 비용은 0.068USD/kWh(2019년)이므로, 일조 조건이 좋은 지역에서는 다른 전원보다 발전 비용이 저렴한 편이다. 셀ㆍ모듈의 비용이 저하되고 도입이 확대되는 상황 속에서, 시스템의 비용 절감 및 운용ㆍ보수(O&M) 비율의 절감도 이루어졌다.

 

자료 : IEA, TRENDS IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS 2020

 

주요국의 목표치를 살펴보면, 미국은 3-5센트/kWh(2030년, DOE SunShot 계획), 독일은 4.5~7.2유로센트/kWh(2030년, 연방 경제 에너지부 BMWi에 의한 전망), 일본은 7엔/kWh(2030년, NEDO PV Challenge) 이다.

 

이러한 상황 속에서, 시스템 기술로서는 장기 신뢰성 향상, 설치 장소 및 애플리케이션의 다용도화, 전력 계통에 대한 인테그레이션, 운용 소프트웨어 비용 절감에 관한 연구개발이 이루어지고 있다.

 

장기 신뢰성이 향상하고 시스템의 수명이 길어지면 비용이 절감된다. 가장 많이 보급된 결정 Si계 모듈의 장기 운용 시 습열 열화되는 것과 관련하여, 봉지재로 사용되는 EVA에서 발생하는 초산에 의한 전극의 부식과 강력한 저항이라는 열화 메커니즘 때문이라는 사실이 일본에서 밝혀져, 대책을 진행 중이다.

 

메가솔라 등의 고전압 시스템에서의 전위 유기 열화(PID)를, 유리에서 유래한 Na 이온이 태양전지셀에 침입하여 유발한다는 메커니즘이 밝혀져, Na의 이동을 제한하는 재료 및 누전을 절감하는 재료 등 내성 재료의 개발 및 내성이 높은 모듈 구조의 연구가 진행되고 있다.

 

또한 실내 신뢰성 시험 방법(CIGS계 모듈을 포함한다), 가속 시험 방법이 개발되고 있다. 고효율 PERC형 결정 Si 셀을 사용하는 모듈에서 만들어지는 광ㆍ온도 유기 열화(LeTID) 등 새로운 열화 현상도 발견되어, 그 발현 메커니즘도 연구하고 있다. 광ㆍ온도 유기 열화는 초기 열화 이후 회복 단계를 거쳐 장기 안정 상태에서의 평온한 열화 모드로 이동하는 것, 빛과 온도 스트레스가 강해지면 이 과정이 빠르게 일어난다는 것, 실외 환경에서도 여러 해에 걸쳐 실험실과 같은 수준의 빛ㆍ온도 스트레스가 가해지게 되면 똑같은 열화가 일어난다는 것이, 다양한 연구기관을 통해 보고되고 있다.

 

NREL Reliability Workshop, EU Sophia, Sayuri PV, IEA PVPS Task 13 등 국제 조직의 활동에서, PVQAT(The International Photovoltaic Quality Assurance Task Force)와 IEC의 연계에 의한 표준화도 검토되고 있다. 이 분야에는 유럽, 미국의 연구자가 많다. 오염 영향의 추정 등 발전 전력량의 불확실성을 낮추는 모델링에 대해서도, 해외에서 활발히 연구되고 있다. 리스크ㆍ안전성 분석과 대책 역시 요구되고 있으며, 실례로서 EU Bankability 프로젝트에서의 파이낸스 시 리스크 분석 및 Sunspace Alliance에 의한 베스트 프랙티스의 정비 등을 들 수 있다. 이것은 특히 개발도상국 및 사막 지역 등 오염의 영향이 큰 지역에서의 발전소를 계획할 때 평가하는 데 유용하다.

 

화재와 감전(특히 소방대원)과 관련해서는, 미국 전기 공사의 규정에 의한 의무화 등 해외에서의 정비가 이루어져, 표준화도 검토되고 있다.

 

일본에서는 주택용 PV의 화재가 발생하여 메커니즘의 규명과 대책이 이루어지고 있으며, 이에 관해 모듈의 안전변이라 할 수 있는 바이패스 회로의 고장 사례 확인 및 현지 점검 기술의 개발이 이루어지고 있다. 실제로는 태양 전지 모듈에서의 발화 재현 실험을 하기 어렵기 때문에, 태양 전지 모듈에서 기인한 것인지, 직류 케이블의 삽입 등 시공에서 기인한 것인지를 판단하기 어렵다는 과제가 있긴 하지만, 리스크를 절감하는 일은 서둘러야 한다. 앞으로는 옥상 설치 시에는 강판 등을 설치하고, 만에 하나 발열 및 아크가 발생하더라도 지붕에 불이 번지지 않을 수 있는 구조ㆍ시공을 실천할 예정이다.

 

스마트한 보수로서, 상시 감시 시스템의 고도화를 검토하고 있다. 또한 보수 인력을 절감하고자 드론과 화상 기술을 이용하는 연구가 이루어지고 있다. 효율적인 감시ㆍ점검 기술이 실용화되고 있는데, 기술적 뒷받침 및 문제 발생 장소의 구체적인 발견 방법 등은 여전히 연구되어야 한다. 모듈 및 증가될 것으로 예상되는 중고품을 포함하는 시스템 성능 평가의 저비용화ㆍ신속화에 대한 니즈로 인해, 실외에서 취득한 전류-전압 특성의 보정 방법 및 일사계 대신 모듈을 사용하는 방법 등이 검토되고 있다.

 

도입의 다양화와 관련해서는, 수상 설치(Floating PV)가 세계적으로도 증가하고 있다. 특히 중국에서 증가하고 있는데, 호수/늪지대에서의 설치를 비롯하여 안후이성, 산둥성에서는 탄광 지반 침하 지대를 활용하고자 설치하고 있다. 싱가포르에서는 수상 설치 시스템을 비교 실험하여 O&M 방법 등을 검증하고 있다.

 

일본에서도 풍하중 등의 풍동 실험이 일부 실시되고 있는데, 신뢰성을 확보하기에 앞서 도입이 먼저 이루어지고 있다. 2019년 9월에 치바현의 수상 설치 메가솔라 발전소에서 태풍에 의한 어레이의 파괴와 화재 사고가 발생하여, 그 후 사고 조사 등을 통해 수상 설치의 기술 기준을 재검토하게 되었다. 수상 설치와 관련해서는, 송전 설비를 공동으로 이용할 수 있고, 우기ㆍ건기마다 발전소가 상호보완적으로 가동되는 장점을 갖고 있기 때문에, 수력발전 댐에 설치하거나 수력발전과 하이브리드화된 형태도 검토되고 있다.

 

농업에서의 이용과 관련해서도, 중국에서 도입이 확대되고 있다. 일본에서도 영농형(또는 솔라 쉐어링)이라 불리며 도입이 조금씩 이루어지고 있지만, 구조 설계 등에 과제를 안고 있어 설계 지침의 정비가 요구된다.

 

건물 일체형은 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)라고도 불리며, 일본, 유럽에서 프로젝트가 진행 중이다. 일본에서는 ZEH(net Zero Energy House), ZEB(net Zero Energy Building)과의 연계를 통한 도입 확대가 기대되며, ZEB는 설치 면적이 작기 때문에 벽면에 고효율 태양 전지를 설치할 수 있을 것으로 기대된다. 패널 착색 기술(독일 Fraunhofer) 등 건물의 설계ㆍ독창성을 생각한 고부가가치 기술이 연구되고 있다. 건축 자재로서의 성능 평가를 포함하여 IEA PVPS 15에 의한 국제적인 정보 교환 및 IEC에 의한 표준화가 검토되고 있다.

 

PV 탑재 자동차와 관련해서는, 일본을 중심으로 콘셉트가 제안되어, NEDO에서의 FS 및 IEA PVPS TASK 17의 설립 등으로 진전되고 있다. 실증 연구로서, 도요타 자동차와 닛산 자동차가 샤프에서 만든 고효율 태양 전지를 탑재한 실증용 차를 제작하고 있다. 운수 부문과 관련하여, 해외에서는 도로 일체형 PV도 개발하고 있다.

 

전력 계통과의 고도의 협조 기술로서, 자율 조정 기술(전압 안정화, 주파수 안정화, 역률 조정, 출력 제어, 소프트 스타트 등)과 전력 회사ㆍ애그리게이터와의 쌍방향 통신 기능을 갖춘 스마트 인버터가 개발되어 표준화되고 있는데, 구체적인 이용 방법에 관해서는 검토ㆍ검증이 이루어져야 한다. PV의 대량 도입 시 우려되는 관성력의 저하에 대한 대책 및 배전 계통에서의 전압ㆍ조류의 최적의 제어 방식, 전력 품질을 떨어뜨리지 않는 고압 연계의 전력 변환 장치 개발을 위한 프로젝트도 시작되었다.

 

발전량 예측과 관련해서는, 각국에서 프로젝트가 설립되었다. IEA PVPS TASK 16에서도 국제적인 정보 교환의 장을 만들고 있다. 일사량 모델의 개량, 위성 관측 데이터 및 전천카메라 화상에 의한 정보량의 증가 및 심층학습, 앙상블 학습 등의 예측 방법이 연구되고 있다.

 

출력 제어와 관련해서는, 여러 국가에서도 적용되고 있지만, 특히 일본에서는 더욱 고도의 실시간 제어, 일사의 단시간 예측을 이용한 제어 계획 수정 등의 연구가 이루어지고 있다. 축전지도 도입되고 있지만, 비용은 절감되어야 한다. 또한 전력 시장에서 매일의 수급 균형을 유지하려면, 이틀 전 및 하루 전 시점의 기상 예측 정밀도를 향상하는 것이 중요하며, 그 대책을 위한 기술개발의 방향성으로는 ①오차의 확대를 사전에 파악하는 방법으로서 앙상블 예보를 활용하는 것, ②기상 모델의 불완전성을 보완하는 방법으로서 다양한 기상 모델을 활용하는 것, ③이와 더불어 기상 모델 자체의 정밀도 향상이 요구된다.

 

융자, 고객 획득, 허가, 설치, 노동, 검사 등의 소프트 비용은 하드 비용에 비해 저하되지 않고 있어, 주택용 및 상용 시스템의 총 비용의 절반 이상을 차지한다(미국 DOE). 미국에서는 수속 비용을 절감하기 위해 FS 등이 시행되고 있다.

 

▣ 우주 태양광

 

우주 태양광발전은 1970년대의 우주개발 경쟁 흐름을 이어받아, 당시 연구가 시작된 마이크로파 송전 기술을 채용하여 다음 우주개발의 수단으로서 연구되기 시작하였다. 그 후 1990년대에 들어서면서 우주 태양광발전이 심각해지고 있는 지구온난화에 대한 대책 중 하나로서 주목받게 되었다. 지상 태양광발전, 풍력발전이 보급 단계에 들어선 현재는 태양광발전의 고도 이용이라는 관점과 더불어, 다시금 인류의 우주 진출의 초석으로서 주목받고 있다. 1990년대까지는 국가 수준의 연구개발이 주류를 이루었다. 아시아 지역은 지금도 변함없이 국가에서 주도하지만, 유럽과 미국에서는 다른 우주 기술과 마찬가지로 민간기업이 연구개발을 시작하였다.

 

기술적으로는 우주 태양광발전이 제창되기 시작한 때부터 무선 전력 전송이 핵심 기술이 될 것으로 생각되었고, 지금에 이르기까지 다양한 요소 연구 및 실증 실험이 이루어지고 있다. 무선 전력 전송은 2010년대에 들어서 다양한 방식의 실용화가 검토되었고, 일부는 상품화ㆍ표준화되었다. 또한 우주용 고효율ㆍ경량ㆍ우주선에서의 내성이 높은 태양 전지 및 대형 우주 구조물의 전개ㆍ제조ㆍ보수, 우주 공간에서의 고압 전력 취급, 그리고 저렴한 우주 수송(지상에서의 발사 및 궤도 간 수송 등) 등의 연구와 실증의 필요성이 생겨났다. 하지만 세계적으로 우주개발의 규모가 축소되면서 이러한 우주 관련 기술의 실증 연구 사례를 많이 볼 수 없게 됐다.

 

마이크로파 송전의 미국/일본에서의 실용화와 더불어, 우주 태양광발전과 관련된 연구개발 트렌드는 태양광발전-마이크로파 송전 시스템 모듈의 개발 및 우주 실증실험으로 옮겨가고 있다. 또한 미국에서는 레이저 송전의 실증 연구도 성과를 거두고 있다. 유럽에서는 오랜만에 유럽 우주 기구(European Space Agency)가 우주 태양광발전의 아이디어/콘셉트를 모집하는 온라인 이벤트를 2020년 여름부터 시작하였다. 중국과 국내에서는 무선 전력 전송 연구를 늦게 시작한 것을 만회하듯 빔형 무선 전력 전송의 실증실험을 계획하거나 실시하고 있다. 빔 제어는 안테나 크기의 이론적인 한계 및 빔 제어의 정밀도 등의 문제도 있어, 지상 실증 수준 및 우주에서의 실증 수준까지는 아직 이르지 못하고 있다.

 

무선 전력 전송과 관련해서는, 신 반도체 개발 및 대형 빔 제어 안테나 개발, 실용화로 인한 다양한 회로 기술 및 시스템 기술이 급속도로 발전하고 있다. 우주 태양광발전에 사용되는 빔형 무선 전력 전송 방식과는 달리, 민간 응용을 위한 유비쿼터스형 및 전자 유도 방식은 기술적으로 해결해야 하는 문제가 줄어들었지만, 전파법에 의해 주파수가 할당되지 않는다는 점이 가장 큰 과제이다.

 

미국에서 생겨난 다양한 벤처기업이 마이크로파 송전 시스템에 대해 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission)의 허가를 받아 미국 월마트 및 중국 갤런츠와 함께 제품화를 가속하고 있다.

 

일본에서도 마이크로파 송전을 추진하는 기업 연합인 컨소시엄의 활동으로 인해 총무성 정보 통신 심의회 공간 전송형 무선 전력 전송 시스템 작업반이 실시한 2018년 12월부터 약 두 달간의 심의를 거쳐 3가지 주파수대의 마이크로파 송전 시스템의 성령이 개정되려 하고 있다. 빔형의 상용화 및 우주 태양광발전에 대한 응용은 아직 갈 길이 멀지만, 기술적으로는 마이크로파를 이용하는 무선 전력 전송용 GaN 반도체 증폭기의 효율이 80% 정도(5.8GHz대)이므로, 요소 기술로서는 효율을 더 높이고 양산화가 이루어져야 한다.

 

 

[그린 뉴딜의 핵심, 국내외 태양광 발전산업 기술 동향과 시장 전망] 보고서 상세보기

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