태양광 발전
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1. 개요
太陽光發電
햇빛을 이용한 발전방법. 태양 에너지를 전기에너지로 변환한다. 아인슈타인에게 노벨상을 안겨다 준 광전효과를 기반으로 한다. 자세한 것은 아래에 기술되어있는데, 광전효과에 따르면 빛은 에너지를 가지고 있고, 광자가 특정 물질에 닿으면 전기에너지로 변환될 수 있다. 따라서 태양광발전에서는 태양광에 반응하는 전지모듈, 즉 '''햇빛전지'''를 사용한다. 따라서 저장된 물을 태양열로 끓여 이것으로 터빈을 돌리거나 열에너지를 그대로 사용하는 '''태양열 발전과는 다르다.'''
계통연계형과 독립형으로 나뉜다. 계통연계형은 주전력공급처(한국에서는 한전)와 설비와 가정이 연계되어 발전량 만큼 전기사용량을 감면 받고 추가 발전량을 이월할 수 있다. 만약 가정용 전기소비량이 누진제 구간 근처에 있다면, 전기사용량을 떨어뜨릴 수 있으니 누진제 산정에서 유리하다. 독립형은 말 그대로 주전력공급처와 독립되어 전기를 축전지에 저장하고 이를 사용하는 방식이다. 주로 전신주가 없는 산간지방이나 작은 섬, 푸드트럭 등에 이용하며, 계산기, 가로등, 보조배터리 등에 들어간 패널도 이에 해당한다.
쉽게 설명하자면, 자기 집에 계통연계형 태양광 발전기가 설치되어 있다면 정전이 됐을 때 전기가 들어오지 않는다.[1] 계통연계형은 발전한 전기를 자기 집이 아니라 한전 전력망으로 보내기 때문이다. 반면 독립형은 발전한 전기가 자기 집의 축전기와 배터리로 보내지므로 정전이 되어도 전기가 들어온다.
2. 원리
광기전효과[2]라는 미시 단계의 물리적 변환을 이용하여 전기를 생산한다. 2015년 말 현재 가장 고효율이 약 50~52%에 달한다. 참고이 정도면 다른 발전방식에 비견할 만하나 고효율 방식은 제조비가 비싸다. 상용 셀이나 모듈은 15~22% 정도이며##, 저가양산품은 그보다 떨어진다. 바로 사용하는 가정용, 주택용은 무시해도 되지만 만약 도심에서 멀리 떨어진 곳에서 생산해서 송전하게 된다면 저장이나 송전 등에서 5~10% 정도의 추가 효율 감소가 있을 수 있다. 다만, 태양광 에너지 자체는 완전 무상이기 때문에 땅 값이나 면적 문제만 아니라면 어느 정도 무시된다.
탠덤 구조처럼 여러 셀을 적층하면 고효율은 달성할 수 있다. 그러나 비싼 제작비 탓에 고효율 패널은 가격보다는 효율이 중요한 특수목적용이 많다. 실리콘같이 흔한 재료가 아닌 특수 재료로 만들어진다. 순수하게 '최종 효율 50%의 대규모 태양광 발전' 같은 형태는 현재는 상용화하기 어렵다. 적층구조 등이 아닌 단일 흡수층으로 이루어진 전지의 효율은 약 35% 정도 내외이며, 이 한계치는 이론상 잘 알려져 있다.[3] 특수한 경우가 아닌 이상 경제적 혹은 기술적 문제로 적층구조를 이용하지 않기 때문.
3. 정책현황
3.1. 국제현황
2015년 파리기후협약에 따라 세계 각국은 탄소배출량을 대폭 감축하여야하는 상황이다. 미국은 도널드 트럼프 대통령의 일방적인 결정으로 기후협약에서 탈퇴하였지만 중국을 포함한 나머지 국가들은 미국 없이도 협약 준수할 것을 선언하였다. 거기에 2020년 미국 대통령 선거에서 당선된 조 바이든은 취임하는 즉시 기후협약에 재가입하겠다는 입장을 밝혔다.
중국의 경우엔 주요 사막지대인 신장과 내몽골에 태양광 발전시설을 세우면서 국가주도로 사업체를 성장시켰다. 이 후 일대일로 사업으로 태양광과 관련된 사안에 이 업체들을 몰아넣으면서 크게 성장시켜나갔고, 결국 2020년엔 태양광 발전에 필요한 핵심 부품을 두고 벌어진 치킨게임에 승리하게 되었다.
태양광 발전은 대표적인 재생에너지이며, 풍력발전에 비해 설치 요건이 널널하기 때문에 주목받고 있다.
3.2. 국내현황
한국은 2015년 열린 국무회의에서 2030년 탄소배출 전망치 대비 37%를 추가로 감축하기로 확정하였고 외교부에서도 공표하였다. 때문에 화석연료 발전 비중을 극단적으로 줄여야하는 상황이지만, 탈원전 정책으로 인해 원자력 발전소 증설은 요원해졌다. 원전을 제외한 남은 선택지 중에서 그나마 현실적인게 태양광 발전이고, 정부에서도 적극적으로 밀어주고 있는 상황이다.
첫째로 정부는 발전사업자에게 태양광발전을 포함한 재생에너지를 일정량 법으로 강제하고 있다.
연도별 의무공급량 비율(신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급·촉진법 시행령 별표3)
이에 따라 발전사업자는 태양광발전을 설치하여 운용하거나, 태양광발전사업자에게 돈을 주고 REC(Renewable Energy Certificate)라는 발전 인증서를 구입해야한다. 보통 REC를 구입하여 의무사용량을 채우기 때문에 이 정책은 태양광발전사업자에게 가는 보조금의 일환이라고 볼 수 있다.
둘째로 소규모 발전사업은 설치 시 보조금을 지급하고 있다. 이런 보조금 지급은 설치 부담을 줄여 투자회수기간을 줄여 보급을 확대하며, 이에 따라 시장규모 확대, 기술투자, 판매단가 하락, 보조금 축소 지급 등의 선순환을 기대하고 정책으로 필요한 사업의 초기 단계에 전폭적인 지원을 하는 것이다. 다른 석탄발전이나 원자력 발전, 수력 발전도 이미 60~90년대 발전을 거치면서 많은 정책적 지원을 받았었고 그랬기 때문에 지금은 굉장히 성숙하여 매우 효율적인 단계에 진입하였다. 다만, 태양광은 이제 시작이기 때문에 현 시점에서는 더 많은 보조금이 필요할 뿐이다. 그럼에도 서울시 보조금 정책만 보더라도 최근 몇년 새 판매단가가 줄어들어 보조금도 줄어들고 있는데도 판매단가-보조금=실 구입단가 인 실 구입단가도 줄어들고 있다.
셋째로 발전차액지원제도라고 하여 발전사업자들에게 예상되는 발전단가에서 차액 만큼을 보조금으로 지급하는 경우가 있었는데, 사실 현행 전기료를 받고 한전에 전기를 팔고 대금을 받아도 부족한 부분을 지원하는 것이다. 이 제도는 첫째로 소개한 REC에 비해 초기 단계에 매우 안정적으로 발전량을 확대시킬 수 있는 좋은 제도이다. 왜냐하면 발전사업자들에게 고정적인 수익을 일정기간동안 보장해주기 때문이다. 이에비해 REC는 REC 시장에서 수많은 소규모 발전사업자들이 발전사업자에게 REC를 파는 주식시장과 같은 방식으로 거래를 하기 때문에 REC 가격 예측이 불가능하며, 소수의 발전사업자에 비해 파워가 부족하기 마련이다. 한국에서는 현재 이를 폐지하고 이런 RPS로 넘어갔다.
3.3. 유럽 현황
유럽에서는 태양광발전이 대체에너지로 활발하게 도입되었다.[4] 특히 독일은 2020년엔 전체 전력생산의 50%를 신재생에너지로, 2050년엔 전체 전력생산을 신재생에너지로 하겠다는 국가사업을 하고 있다. 그 중에서 태양광발전을 공격적으로 투자하고 있다. 그 결과 2014년 6월 설비 용량기준으로는 거의 절반에 다가가고 있다.
2014년에 독일은 에너지를 수출하고 있다. 통계에 따르면 독일은 전기 수출량이 프랑스보다 많은 국가이며 외부 링크 독일은 전체 수출량이 2015년 기준 88.2TWh로서 프랑스의 72.9TWh보다 많아 유럽 1위라는 것. 덕분에 독일은 2012년부터 매년 약 12억 유로에 달하는 수익을 벌고 있다. ( 독일 전력 수출입 액수 통계.PDF의 12페이지 참고) 물론 이것은 태양광 발전이 시작되는 시간대에 외국으로 판매하는 것으로 태양광 발전이 중단되는 밤-새벽 시간대에는 반대로 외국에서 수입하는 경우도 있다. 시간별 전력 수출입 현황은 문서 하단의 표를 참조. 물론 대규모 배터리/열에너지 저장 시설을 건설하여 낮시간에 과잉생산된 전력을 저장하였다가 밤시간에 공급하고 있기도 하다. 또한 유럽의 여름은 해가 9시에서 10시가 되어야 진다는 점도 간과해서는 안된다. 그러므로 독일의 상태를 한국에 섣불리 대입하는 건 문제가 많다. [5]
단점을 적자면 태양광은 가동률 기복이 아주 심하다. 즉, 태양광 설비용량 만큼 발전이 안 된다는 뜻이다. 최대치 기준 설비용량으로 일단 가동하면 꾸준한 출력을 내는 화석연료발전과는 비교할 수 없다. 아직은 화석연료 발전이 과반이며 그 중에서도 연기를 뿜뿜 뿜어내는 갈탄과 무연탄이 전체 발전량의 절반이다. 2016년 기준으로 독일이 태양광으로 실제 발전한 양은 전체 발전량의 6.9%에 불과하며 이는 풍력의 절반에도 못 미친다. 설비의 90%가 가정집 지붕에 설치되었다. 원자력 발전소를 폐쇄한 독일은 모순적이게도 일부 전기를 원자력 발전을 하는 프랑스를 비롯한 이웃나라에서 수입하거나 천연가스 발전 시설을 크게 늘렸다. 특히 2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고 직후 원자력 발전소들을 정지시키면서 전력 수입 현상이 심했다. 물론 태양광 및 풍력 발전을 단계적으로 높여가는 과정에서 도입한 임시 시설/정책이라는 취지이긴 하다.
하지만 프랑스조차도 원전비중을 점진적으로 줄여나가겠다는 의지를 보이고 있다. 사실 프랑스의 원전 발전 비중이 높은 것은 유럽에서 기저전력을 담당하겠다는 의도가 아니라 프랑스의 문화적 역사적 배경에서 기인한 것이다. 프랑스의 자존심은 그 무엇보다 강하며, 핵무기에 대한 미국의 간섭, 2차대전후 미국의 국제무대에서의 위압, 오일쇼크로 인한 외부 충격 등이 겹쳐, 에너지자립도에 대해서 강박적인 자세를 취하게 된 것이다. 그에 따라 프랑스는 어떤 상황에서도 에너지 안보를 지킬 수 있도록 원자력 에너지 비중을 높였으며, 지금도 우라늄 원석을 얻을 수 있는 아프리카 등지에는 외인부대 투입도 주저하지 않으며 영향력을 행사하고 있다. 그런 프랑스도 앞으로는 기후변화 대응이라는 시대적 과제 하에 재생에너지를 차차 늘려나갈 방침이다. 재생에너지의 확대 보급은 프랑스의 에너지 자립도에 악영향을 끼치지 않으므로.
다른 나라들을 보자면 노르웨이를 비롯한 북유럽에서는 재생에너지 비율이 매우 높다. 국가에 넘쳐나는 삼림자원으로 목재 펠릿을 만들어 태우거나 수력발전을 통해 충당하기 때문. 이러한 국가별 지역별 특징을 토대로 유럽 연합이라는 거대한 틀 내에서 에너지 그리드를 활성화하여 재생에너지의 단점인 변동성을 충당하고 있다. 태양광 발전과 수력발전 풍력발전 모두 예측도 어렵고 변동성도 크지만, 수많은 발전소들이 결합되어 움직이니 서로의 변동성을 상쇄하게 되는 것이다. 거기에 수요관리까지 포함한 스마트 그리드를 적용하니 안정성은 더욱 커지는 셈. 아직까지 100% 에너지는 아니지만 많은 국가들, 지자체들이 2050년까지 재생에너지 100%라는 계획을 향해 계속해서 나아가고 있는 추세이다.
4. 산업 현황
전 세계적으로 미래 산업으로 각광 받고 있다. 기후변화협약을 통해 어떻게든 화석연료를 줄이기로 한 만큼 시장수요는 커질 수밖에 없으며 지금까지도 초기 산업 성장곡선대로 기하급수적으로 불어나고 있다. 국내에서도 문재인 정부가 밀어붙이고 있는 정책중 하나. 다만, 근래에 태양광패널의 중국산 저가공세로 패널 개발에 손 뗀 기업·국가들이 속속 나오고 있다. 국내에서는 대기업 중에서는 한화그룹이 차세대 주력산업으로 밀면서 김승연 회장의 장남이 직접 한화솔라원을 맡아 계열사 한화솔라원(현재는 한화큐셀과 합병)에 몰빵하고 있다. 한화는 이미 독일 기업 큐셀을 합병했는데, 큐셀이 이미 전세계적인 기업이라 한화는 세계 상위권에 속하는 태양광 생산기업이다. 다만, 국내시장이 아직 발전단계라 주 무대는 해외이다. 이외에도 태양광 발전을 위해선 웨이퍼, 모듈, 셀, 시공, 실리콘 등 다양한 제품 생산라인이 있으며 국내 중소기업들이 각 분야에서 맹활약하고 있다. 중국에서 최근 자국 기업 보호를 위해 일부러 국내기업들에게 보조금 지급을 중단하고 있고, 또한 실리콘 과잉생산으로 가격이 떨어져 업황이 좋지 않다. 하지만 이는 산업성장에 따른 주기적인 불황으로, 이를 견뎌낸다면 기업들이 앞으로 성장할 여력은 충분하다는 것이 주된 견해이다.
테슬라는 태양광 발전 + 에너지 저장수단의 패키지 솔루션을 개발한다. 이미 타사 제품보다 저렴한 가정용 기업용 배터리팩을 판매한다. 2016년에 태양광 패널 제조업체인 솔라시티를 인수해 2017년에 출시될 미려한 디자인의 가정용 태양광 패널을 공개했다. 이 패키지를 이용해 미국령 타우섬 전체에 태양광으로 전력을 공급하는 프로젝트도 진행 중이다.기사
한국에서 취득할 수 있는 연관 자격증은 신재생에너지발전설비기능사(태양광)ㆍ신재생에너지발전설비기사(태양광)가 있다.
5. 발전유형
5.1. 자가용
가정 전기요금 감면을 위해 주로 설치된다. 국가 장려 사업으로 지자체를 통해 지원될 때가 많으며, 서울시, 광주시, 대구시, 경기도, 성남시, 및 서울시 각 자치구 등 여러 곳에서 진행한다. 설치가 부담될 때는 업체를 통해 대여할 수도 있다. 혹은 태양광 설비로 창출되는 이윤의 일부를 대여료로 지급하고 (그래도 월 1~2만 원 정도 이득본다.) 약정 연수가 지나면 설비를 양도받는 형식도 있다. 태양광 모듈에는 25년~30년 효율 보증이 있어 발전기 성능 열화를 걱정할 필요는 없다. 20년이 지나도 성능은 초기의 85 %를 유지한다. 다만 인버터는 제조사에 따라 고장이 날 수 있는데, 가격이 40만 원 남짓의 인버터를 갈아야 한다.[6]
자가용은 먼저 발전 사업을 하거나 전기료를 0원으로 만들기 충분한 '''주택용'''(3 kW)과 아파트·빌라 등 공동주택에서 베란다에 설치가 용이한 '''베란다용'''(200~1 kW)이 있다.
350만 원 가량[7]의 '''주택용'''(3 kW) 태양광 발전설비는 전기요금이 7만 원 이상 나오는 주택·빌딩에서 고려해 볼 만하다. 예를 들어 기존에 한 달 10만 원 정도의 전기료를 납부하던 주택에 3 kW의 태양광 설비를 설치하면 전기료가 3만 원 대로 줄어들 수 있다. 2016년 누진제 조정 이후에도 이 정도 절감율이다. '''보조금 없이''' 5~6년 남짓으로 본전을 뽑을 수 있다. 만약, 원래 가정용 전기 소비량이 월 260 kWh 근처였다면, 월 전기료가 0원이 나온다. 이는 3 kW 급에서 한 달 평균 260 kW 정도 생산할 수 있기 때문. 이 설비가 주택용인 이유는 3 kW급을 설치하려면 최소 30제곱미터 이상의 면적이 필요하기 때문이다. 옥상 여유에 따라 3 kW 또는 그 이상을 설치한다면, 전기 사용량 이상을 발전하는 셈이므로 한전에 전기를 팔아서 소소한 수익을 얻을 수 있다. 자세한 것은 서울에 거주한다면 서울시 햇빛지도 홈페이지에서 자기 집의 예상 가능 발전량을 계산해볼 수 있다.
아파트나 빌라 등 공동주택은 베란다(발코니) 난간에 설치 가능한 미니 태양광 발전 설비[8]를 사용 가능하다. 발전 용량은 주로 200~500 W이며, 250 W 기준으로 냉장고 1대 분량의 전력을 생산할 수 있다. 공간이 충분히 확보된다면 합계 용량 1 kW이상의 태양 전지도 설치 가능하다. 주택용과 마찬가지로 이름이 베란다형인 이유는 200~500 W급은 베란다에 설치하기 적합한 규모이기 때문이다. 베란다형의 장점은 소액으로도 설치가 가능하고, 보조금을 받은 지역을 5년간 벗어나지 않는 조건 하에서 탈부착이 가능하다는 점이다. 즉, 서울시에 거주하는 전세나 월세 세입자도, 5년간 서울에서 벗어나지만 않으면 서울 타지역으로 이사를 가도 들고가서 설치해서 계속 사용이 가능하다. 미니 태양광 발전기는 배터리에 축전하지 않고 인버터를 통해 콘센트로 전력을 보내는 방식[9]의 발전기로 발전 전력이 한전 전력보다 먼저 소비되도록 되어 있어 절전 효과를 가진다. 발전 전력이 소비전력보다 클 시에는 계량기가 거꾸로 돌 수 있으나, 아날로그 계량기에만 해당한다. 자가발전기와 호환되지 않는 대다수의 디지털 계량기[10]는 거꾸로 도는 대신 오류 메시지를 출력한다. 미니 태양광 발전에 사용되는 태양전지는 크게 세 종류로 작은 50 W 패널 4~12개를 연결하는 방식[11]과 100 W 패널 3~4개를 연결하는 방식, 250~300 W 패널 1~4개를 연결하는 방식이 있다. 이외에도 배터리에 연결하거나 수십 와트 수준의 소규모 발전을 위해 지자체의 지원을 받지 않고 자가설치하는 경우도 간혹 있다.
단, 베란다가 남향이 아니거나(특히 북향) 주변에 나무, 건물 등 햇빛을 가리는 장애물이 있으면 발전 효율이 저하되며,[12] 일부 아파트에서는 안전·미관등의 이유로 에어컨 실외기를 포함한 베란다 밖 돌출물의 설치를 금하는 경우도 있어[13] 설치 시 관리사무소 등에 허락을 받아야 할 수 있으므로 유의할 것. 또한 2000년대 이후 새로 지어지는 아파트 가운데는 아예 베란다 난간 자체가 없는 경우도 있기 때문에 설치 자체가 불가능할 수 있다.[14]
서울시에선 시 보조금과 구 보조금을 모두 받으면 업체에 따라 300W급을 20만 원에 설치할 수 있다. 이렇게 되면 투자금 회수는 1년 4개월만에 가능할 정도이다. 서울시 햇빛지도 사이트에 가서 맘에 드는 업체에 전화하면 신청이 가능하다. 모든 서류는 업체가 대신 작성해 서울시와 자치구에 보조금을 신청하므로, 구매자는 업체에 전화해 보조금이 적용된 할인 가격에 구입하기만 하면 된다. 인기가 높아 보통 9~10월이면 보조금 지급이 완료된다.
서울시에서 원전 하나 줄이기 프로젝트의 일환으로 적극 추진중이며, 타 지역에서도 추진중이다. 근래 신축되는 아파트나 원전 하나 줄이기의 에너지자립 마을을 신청해서 건물 꼭대기에 발전 설비를 설치하여 엘리베이터, 복도·주차장 조명 등 공동 사용 전기를 충당하기도 한다. 이런 경우 아파트 거주 세대 전체의 관리비가 줄어드는 효과를 볼 수 있다.
주택용과 베란다용 모두 전력을 배터리에 저장하는 대신 계통 연계형 인버터를 사용하여 한전 전기와 동기화된 전력을 출력하는 형태를 가진다. 이러한 시스템은 정전시에는 안전을 위해 인버터가 작동을 중단하기 때문에[15] 태양광 발전 전기를 사용할 수 없다. 그러나 일본 등 재해가 잦은 국가에서는 정전이 발생하면 메인 차단기가 내려간 뒤 태양광 인버터가 단독 운전을 하도록 설계하여 정전시에도 태양광 발전 전력을 사용 가능하도록 하는 경우도 있다.
5.2. 발전소용
발전소용은 만들어진 전기를 오롯이 주전력생산자(한전)과 신재생에너지의무공급자(대규모 발전소)에 팔아 수익을 창출하는 형태로, 재테크의 일종이다. 주택용도 주택에 조금 더 설치하면 소소한 수익이 돌아오긴 하지만, 발전소용은 아예 본격적인 투자라고 볼 수 있다. 100KW급 설비는 2016년 말 기준 초기 자본이 1억 3000만원, 지대가 3천만 원 정도다.
잘못 투자하면 투자금액을 야금야금 까먹고 심하면 도산할 수도 있다. 까다로운 관공서 인허가, 정부 정책, 기상 상황, 기타 규제로 인해 예상치 못한 문제가 생기면서 변동성이 커서 투자금을 날려 먹을 수 있다. 도산한 후기.
주된 어려움은 다음과 같다.
- 태양광의 특성상 겨울이나 궂은 날씨에는 발전량이 충분하지 않다. 반대로 돈을 빌려서 투자할 때 이자 지급에는 날씨의 영향이 없이 꼬박꼬박 내야 한다. 따라서 돈을 빌려 투자를 시도하기에는 태양광은 위험하며, 겨울철에 여유자금이 모자라면 담보로 다 빼앗길 수도 있다.
- 주변 민가, 주변 축산업자들에게 보상금을 주지 않으면 전자파를 배출한다며 민원이 들어온다. CCTV가 없으면 몰래 흙을 뿌리는 등 해코지를 하기도 한다.
- 지자체의 인허가를 얻는 데 발목잡힐 수 있다. #심지어 관련공무원과 업체가 뒷거래를 하기도 한다.#
태양광으로 재테크시, 발전으로 이익을 보는 것 외에 부수입이 있을 수 있다. 태양광발전소를 만들면 해당 땅의 지목이 잡종지로 바뀌는데, 논,밭,임야에 비해 개발허가가 좀더 쉽게 나서 땅 값이 오른다고 한다. 따라서 지가 상승에 따른 이익도 기대해 볼 수 있다. 다만 이것은 주의할것이, 현재 내륙지역에 지어지는 태양광 발전소의 대부분은 민원때문에 깊은 산골로 들어가는 것이 현실이다. 이런곳은 잡종지가 되든 말든 거래의 성사 자체가 어려운 곳이 많다. 대신 이 잡종지 전환을 통한 지가 상승을 노리고 제주도에서의 분양을 시행하는 곳이 있는데, 이에 대한 투자는 투자자 본인이 판단해야할 것이다. 거듭 강조하지만 투자는 신중해야 한다. 태양광 발전은 근미래까지는 자체적인 경쟁력이 없다. 오로지 정부 정책과 주변 상황에 의존하여 수익을 창출하고 있는 것이다. 이말인즉 장려 정책이 줄어들면 적자가 된다는 의미다.
5.3. 수상 태양광
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'''▲경북 상주시 오태저수지 3MW 수상 태양광 발전소'''
기존 태양광 발전은 사막이나 황무지 등 유휴지를 주로 활용하는 형태다. 그러나 유휴지가 적은 지역에서는 다른 방식의 태양광 발전을 찾아야 했다. 땅 대신 파도가 없고 수면이 대체로 안정적인 저수지를 활용해 보자는 발상이 수상 태양광 발전이다.[16] 중국에서는 2017년 안후이성 화이난(淮南)에서 40㎿의 시설을 가동했다.
대한민국은 집약된 인구 구성상 저수지가 많으며 5퍼센트만 활용해도 4,170MW(메가와트) 규모로 약 560만명이 사용할 전력 공급이 가능하다고 하며, 활발하게 연구개발되고 있다. 2008년부터 개발을 시작하여 2009년 한국수자원공사의 주암댐 2.4kW급 실증 플랜트가 설치됐으며, 합천댐에 40MW 규모, 새만금에 300MW 규모의 수상 태양광 발전단지가 설치될 예정이다.
수상 태양광 발전의 장점은 이렇다.
- 안정적인 일조량 - 유휴 평지가 적고 저수지가 많은 대한민국에 적합하다. 음영 간섭도 적다.
- 높은 효율 - 수면은 온도가 낮아서 셀의 최대 효율 온도로 유지하기 쉽다. 수면에 반사되는 잔광도 있어 지상과 비교하여 10% 이상의 높은 효율을 보인다고 한다. 열에 의한 셀의 화학적 특성 변화도 적어져 수명도 늘어난다.
- 녹조, 적조 방지 - 녹조와 적조는 주로 햇빛으로 발생한다. 투과 태양광을 줄여 녹조와 적조를 줄일 수 있다.
- 환경 악영향 - 수중에 투과되는 태양광을 줄이면 수중 생태계 교란이 우려된다. 현재는 어류 휴식처를 제공하는 등 영향이 적다는 연구 보고가 보이지만, 대규모로 설치되었을 때는 어떨지 미지수. 이는 발전단지의 디자인과 설계에 따라 환경 영향이 크게 유동적일 수 있다는 뜻이기도 하다.
- 상대적으로 높은 비용 - 지상보다는 많은 시설이 필요하며 유지보수도 상대적으로 까다롭다. 그러나 유휴 평지가 적은 대한민국에서는 선택의 여지가 적다. 상대적으로 높은 효율로 유지보수비를 보상하는 발상이다.
5.4. 연구중인 유형
- 해상 태양광 발전
수상 태양광 발전의 해상 버전으로, 파도 및 해풍 대비, 염분에 의한 장비 부식 등 걸림돌이 있어 아직 실용화되지 못하였다. 국내의 경우 2021년까지 시화호 등에 실증용 해상 태양광 발전소를 건설할 계획이며, 태양광 발전 시설을 건설할 토지가 절대적으로 부족한 홍콩에서는 이미 실증 연구 시설을 건설하였다.
- 우주 태양광 발전
태양광 발전소를 인공위성 궤도에 설치하는 방식으로, 우주에선 기상 현상이나 밤낮의 변화 등으로 인한 효율성 저하가 거의 없으며 24시간 발전할 수 있기 때문에 기저 전력으로 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 막대한 건설 비용과 우주 쓰레기 문제, 무엇보다 전력을 지표면에 전송하는 문제가 해결되지 않아 구상 단계다. 2020년 현재 상용화 시점은 2050년으로 예측되고 있다.
한국전기연구원 정순신 박사의 의견 형태를 빌려 2004년 과학동아에 기재된 내용상으로는, 전기 에너지를 마이크로 전자기파로 변환하여 지상으로 송전한다는 구상이 있긴 하였다. 지상의 대기상태에 큰 상관없이 태양에너지를 그대로 송전할 수 있다는 장점이 있다고 한다. # 하지만 이는 어디까지나 구상으로, 상당히 과장된 부분이 있다. 태양에너지를 전자기파 형태로 보낸다고 해도 전자기파는 거리의 제곱에 반비례하여 줄어든다. 따라서 우주에서 지구로 보낸다면 엄청난 손실이 발생할 것이고, 마이크로파가 전자기기에 주는 유도장해 또한 문제가 될 것이다. 다른 조치를 취하지 않는다면 델린저 현상처럼 대부분의 무선 통신이 마비될 것이다. 전자파 문제도 언론을 통해 논란이 될 것이다. 레이저로 전력을 전송하는 방법 또한 구상되었으나 구름이나 안개 등 기상 현상에 의해 광선의 에너지가 손실되는 문제점이 있다.
한국전기연구원 정순신 박사의 의견 형태를 빌려 2004년 과학동아에 기재된 내용상으로는, 전기 에너지를 마이크로 전자기파로 변환하여 지상으로 송전한다는 구상이 있긴 하였다. 지상의 대기상태에 큰 상관없이 태양에너지를 그대로 송전할 수 있다는 장점이 있다고 한다. # 하지만 이는 어디까지나 구상으로, 상당히 과장된 부분이 있다. 태양에너지를 전자기파 형태로 보낸다고 해도 전자기파는 거리의 제곱에 반비례하여 줄어든다. 따라서 우주에서 지구로 보낸다면 엄청난 손실이 발생할 것이고, 마이크로파가 전자기기에 주는 유도장해 또한 문제가 될 것이다. 다른 조치를 취하지 않는다면 델린저 현상처럼 대부분의 무선 통신이 마비될 것이다. 전자파 문제도 언론을 통해 논란이 될 것이다. 레이저로 전력을 전송하는 방법 또한 구상되었으나 구름이나 안개 등 기상 현상에 의해 광선의 에너지가 손실되는 문제점이 있다.
6. 장점
일단 화력 발전보다는 여러모로 친환경적이다. 태양광도 제작 또는 처분 과정 때문에 환경파괴 논란에서 완전히 자유롭지는 않으나, 발전하는 도중에는 대기오염 등으로 인한 전반적인 환경파괴가 거의 없다.
정비요소가 적어 유지비가 저렴하다. 대형 발전기에 비하면 부품별 모듈화가 되어있어 고장나도 쉽게 고칠 수 있고 무엇보다 움직이는 기계 장치가 아예없으므로 마모현상으로 인한 유지보수가 없다. 터빈을 포함한 모터가 얼마나 복잡하고 비싼 기계부속품인지 생각하면 패널 교체만 하는 태양광 발전은 정비요소가 적은 것임을 알 수 있다.
또한 사고 위험이 0에 수렴한다. 물론 전기 장치니만큼 전기 사고는 어쩔 수 없지만, 화력이나 원자력 같이 폭발 위험이 있거나, 수력발전처럼 댐이 터진다거나, 풍력처럼 십수미터 짜리 풍차, 터빈이 수십 미터 상공에서 떨어지는 불상사가 없다. 기껏해야 유지보수 중 감전 사고나 과부화로 인한 화재 정도 인데 재난에 가까운 상황과는 거리가 멀다. 일반인도 할 수 있는 결정적인 이유가 바로 안전함도 한몫한다고 볼 수 있다. 다만 사고 위험이 없다고 아예 안전 문제를 간과하고 발전 시설을 만든다면 산사태가 발생하거나, 지붕에 설치하는 경우 추락 사고가 발생할 수 있으므로 안전을 아예 등한시하면 안 되긴 하다.
다른 발전에 비해서 부지 제약이 적다. 신재생에너지 발전 중에서는 일반인들이 가장 쉽게 접근할 수 있다. 전력공급이 어려운 낙도에 비교적 빠르게 확산되었고 일반 가정에서도 보조금을 지원받아서 확산되는 추세. 모듈화가 잘 되어있어 규모도 비교적 쉽게 축소/확장할 수 있고, 여러 상황이나 장소에서 사용이 가능하다는 것은 분명히 장점이다.
패널뿐만 아니라, DC-AC 인버터, 기타 설비, 설치까지 동시에 비용이 낮아졌다. 효율성 역시 올라가고 있다. 미 에너지부 홈페이지 참조. 2010년도 이후 높아진 태양전지에 대한 관심도 근본적으로 낮아진 발전비용의 예측에서 시작되었다. 일례로 2014년 도이치뱅크는 이미 19개국에서 태양광발전이 기존 발전비용과 같거나 싸지는 상황에 이르렀다고 보고했다.
정오를 기준으로 발전량이 최대가 되는 단점은 지역에 따라서는 극복할 수 있다. 가령 대한민국은 정오에 가까울수록 전력 수요가 증가하고, 멀어질수록 전력 수요가 감소하는 특징이 있다. 특히 수요 전력량이 연중 최대인 여름에는 광발전의 최대 생산 시점과 최대 전력 수요 시점이 거의 일치한다. 이러한 특성은 정오 시간대에 작업 시간과 냉방 수요가 몰리는 타국에서도 보여지는 일반 현상이며, 때문에 태양광은 주로 첨두 부하를 담당하는 방식으로 형성된다. 물론 ESS나 다양한 보조 수단을 통한 정교한 전력 수급 계획이 없으면 한계가 있다.
6.1. 범용성
여러 논란에도 불구하고 태양광 발전이 가지는 압도적인 장점은 항성 주변이라면 어디에서나 사용 가능한 범용성이다. 특정 행성에서만 얻을 수 있는 화석 연료나 핵 연료가 필요한 화력 발전, 원자력 발전과 달리 항성의 빛을 받는 곳이라면 어디에서나 사용 가능하다. 달이나 화성을 개척할 때 지구에서부터 화석 연료나 핵 연료를 운송해서 사용하는 것은 매우 비효율적이며 강도 대기도 없는 곳에서는 수력, 풍력[17] 발전도 사용할 수 없으니 결국 정답은 태양광 발전 뿐이다. 또한 태양광 발전으로 얻은 에너지를 이용해 달과 화성에 흔한 규소를 녹여 태양광 패널을 추가로 제작하는 무인 공장을 건설하면 빠르게 인프라를 구축할 수 있을 것이다.
다만 화성에서 사용할 경우 문제점이 있는데, 태양에서부터의 거리가 멀어 발전 효율이 지구에서보다 40%밖에 되지 않는다는 것과 먼지폭풍이 빛을 가리기도 하고 패널 위에 먼지가 쌓여서 정기적으로 청소가 필요하다는 것. 때문에 화성 탐사선에 태양광 패널이 아닌 원자력 전지를 탑재하기도 한다. 하지만 일회성 탐사가 아닌 정착과 개척을 목적으로 한다면 결국 태양광 패널이 답이다. 또한 화성보다 더 먼 외행성에서 사용하기에는 태양광의 효율이 너무 낮아진다는 문제가 있다. 예를 들어 목성 탐사선 주노의 태양광 발전량은 지구에 있었을 때와 비교하면 4%에 불과하다.
6.2. 높은 단위 면적당 에너지 생산량
재생 에너지로선 최상위이다. 10W /m2를 생산 가능한 태양광 발전소는 단위 면적당 에너지생산 효율이 풍력발전의 4배, 바이오매스의 20배이다.
현재 지구에 와닿는 태양 에너지는 미터당 100~250W인데, 현재 태양광발전이 10~20%의 효율이고, 향후에는 효율이 더욱 오를 수 있을 것을 감안하면 다른 어떤 재생에너지와 비교해도 넘사벽이다.
단위 면적당 에너지 생산량은 특히 한국에서는 제일 중요한 요소다.
[image]
위에 보다시피 한국은
1. 세계최고수준 인구밀도
2. 선진국으로서 높은 1인당 에너지 소비량
...을 둘 다 충족시킨다. 10만 km2 남짓한 적은 땅에 5000만명의 인구가 선진국수준의 삶의 질을 누리려면? 홍콩 싱가포르같은 도시국가들 제외하면 한국이 필요한 면적당 에너지 생산량은 세계 최고이며, 풍력발전소의 평방미터당 2.5W로도 충족시키지 못한다.
에너지 소비량은 높지만 인구밀도가 낮은 미국이나 인구밀도는 높지만 에너지 소비량은 낮은 방글레데시같은 나라들은 다양한 종류의 신재생 에너지로 발전을 할 수 있지만. '''한국은 신재생에너지로 모든 에너지 수요를 충족시키려면 유일한 해결책이 좋든 싫든 태양광밖에 없다는 것.''' 정확히 말하면 현재까지 발전된 신재생에너지 수준의 선상에서는 태양광이라는 의미이지, 이러한 발전수준이 어떻게 어떠한 방향과 어떠한 형태로 나아갈지 알수 없기에 태양광이 절대적인 해결책이라는 의미는 다소 어폐가 있다.
6.3. 한국에서의 태양광 에너지 밀도
흔히 태양광 발전 선진국 하면 독일을 떠올릴 것이다. 그런데 독일은 북유럽 국가로 대중적인 인식이 매우 우울하고 흐린 날이 많으며 따라서 철학자들이 많이 탄생한 곳으로 여겨진다. 그것은 실제 마찬가지여서 독일의 태양광 에너지 밀도, 즉 독일 영토 지표면에 도달하는 태양광 복사에너지는 낮은 편이다. 사실, 날씨를 모두 고려한다고 해도 한국의 단위 면적당 지표면에 도달하는 태양광 복사에너지가 독일보다 월등히 높다. 자료를 보면 독일에서 가장 단위면적당 에너지가 높은 곳보다 한국에서 가장 에너지가 낮은 곳이 더 에너지 밀도가 높다.
이런 이유는 한국의 위도가 독일보다 낮기 때문이다. 지구는 둥글기 때문에 위도가 낮을수록 더 조밀한 태양광에너지를 받게 된다. 따라서 한국이 독일과 비슷한 구조의 태양광 기술과 시장을 가지고 있다면 독일과 같은 설비로 더 많은 전기를 생산할 수 있다. 다만, 한국은 독일에 비해 태양광 투자가 늦었고, 태양광 기술의 발전이 이제 막 시작하고 있는 단계기 때문에, 태양광 발전의 설치비용 단가 자체는 한국이 더 높은 편이다. 따라서 편익-비용 = 투자회수로 계산하는 현 단계에선 비용이 높기 때문에 독일보다 불리한 것처럼 보이는 것.
7. 단점
최근 정부의 정책과 관련해서 이 문단에 대해 상반되는 주장들이 서술되고 있다. 어떤 입장을 지지하건 비판적으로 읽는 것이 좋다. '''어떤 발전방식도 만능은 아니며 언제나 이득과 손해의 총량을 따져봐야 한다.''' 현재 진행되는 신재생에너지 확대와 원전비중 축소, 석탄발전의 미세먼지와 전기료 상승압박 등과 관련해 태양광 발전에 대해 무조건 적인 찬성과 무조건 적인 비판 모두 이익집단의 이해가 반영되어 있을 가능성이 높기 때문이다.
7.1. 한국에서의 비용효율 타당성
사실 한반도의 지형과 기후 자체가 대체에너지와는 '''매우 상극'''이다. 하우기후(Cwa, Dwa)에 자잘한 산지가 많아서 태양광이든, 수력이든, 풍력이든 그 어떤 '친환경'에너지의 효율도 최대로 뽑아먹을 수 없다.
2014년 당시 보조금 없이 신재생에너지 발전과 기존 화력발전의 비용이 같아지는 시점을 의미하는 '그리드 패리티'를 달성한 곳은 하와이, 독일, 호주, 일본, 이탈리아, 스페인, 그리스, 태국, 남아공, 터키, 이스라엘이고,[18] 한국이 그리드 패리티를 달성하는 시기는 2019년으로 추정되었다. 그때까지는 태양광 설치하고 보조할 돈으로 그냥 일반 발전 설비를 사들이고 천연가스 발전이 더 이익이었다는 이야기. 정부 보조금을 포함하는 것은 '그리드 패리티'가 아니다. 또한 명목상의 그리드 패리티 도달이 실질적인 그리드 패리티 도달을 의미하는 것도 아니다. 2010년대 태양광 패널 비용에서 높은 비중을 차지하고 있는 폴리실리콘 생산에는 매우 많은 전력이 필요한데, 이 전력에 대한 요금이 현재 매우 낮게 책정되어 있기 때문이다. 이 때문에 kWh당 낮으면 3센트의 요금으로 공장을 돌려서 패널을 만들고 패널에서 생산된 전력은 kWh당 30센트로 파는 상황에서 명목상 그리드 패리티를 달성하는 게 어떤 의미가 있을까? 공장 전기료가 현실적이지 않다면 결국 보조금 지급과 다를 바 없다.
보조금의 영향으로 한국에서도 사람들이 미래 연금이라고 생각하고 수억 대출받아서 "자비로" 태양광 설비를 짓는 사례가 2010년대부터 조금씩 생겨나가고 있다. 또, 발전의 가격이 급격하게 싸지고 있기 때문에 수년 안에 달성할 수도 있다. 2016년 기준 한국에서 태양광 발전의 발전 단가가 200.83원/1kWh 내외로 형성되는데 지원금인 RPS를 제외한 단가는 76.81원/1kWh로 형성되고 있다. 즉 RPS 지원금이 약 124원 가량 된다는 소리. ( 전력통계정보시스템 신재생 에너지 통계.PDF) RPS 제외한 단가가 원자력이 67.91원/1kWh, 석탄이 73.93원/1kWh, LNG가 99.39원/1kWh ( 전력통계정보시스템 연간 전력 시장 통계.PDF)임을 감안하면 장차 태양광 패널 가격의 하락으로 태양광 사업자들이 많아져 태양광 발전에 대한 RPS가 줄어들면 한국의 태양광 발전도 경제성을 가질 수 있을 것이다. 다만 어디까지나 이건 현재를 기준으로 한 예측으로서, 태양광이나 풍력같은 발전이 다수를 차지하지 않을 때의 이야기다. 태양광 판넬로 시골을 뒤덮는 경우 시골 땅 값이 태양광 발전부지 매입에 대응하여 오를 수도 있다. 어디까지나 적당한 선에서 깔면 땅 값도 안 오르니 현재와 비슷할 것이다.
태양광 발전단가가 증가하고 있다고 한다. 수력에너지를 제외한 재생에너지 구입단가가 2016년 1분기 대비 56% 상승 했다. 이와 관련해 정용훈 카이스트 원자력 및 양자공학과 교수는 "태양광 발전에 적합한 지역 중 땅값이 낮은 곳은 이미 패널이 가득, 향후에 들어설 설비들은 상대적으로 높은 지가를 부담해야 한다."고 설명했다. 반면에 원전의 경우 같은 기간동안 11.6%하락 했다고한다. #
7.2. 날씨에 따른 출력 편차
그리고 태양광 발전은 날씨에 따른 출력 편차가 크다. 태양광의 방향이 계속 바뀌고, 흐린 날, 비오는 날 등 날씨에 따라서 가동이 불가능 할 수 있다. 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 전류가 발생한다. 새벽이나 저녁 시간대에도 빛이 들어오기는 하지만 전력 발전량이 많지 않다. 따라서 태양광 발전은 전력생산이 하루 중 일조시간에만 높아 안정적인 전력 공급은 어렵다. 이러한 수동적이고 불규칙적인 전력생산은 공급이 요구될 때 그에 맞춰 공급하기 어렵다는 단점을 내포하고 있다.
따라서 이를 해결하기 위해 전력 믹스라는 개념을 도입하고 있다. 전력 믹스란 다양한 특성을 가진 발전 방식을 적절히 혼합하여 전력 공급을 해서 최적의 효율을 만든다는 개념이다. 태양광 발전처럼 원하는 시간대에 원하는 양만 적절히 생산하는 것이 불가능한 발전 방식은 많은데, 우선 태양광 발전과 태양열 발전, 풍력 발전, 그리고 원자력 발전이 있다. 원자로도 반응성이 나빠 한번 켜고 끄는 데 들어가는 시간이 오래 걸리는 편이다. 그렇기 때문에 원자력 발전소는 한번 가동하면 주야간 계속 동일한 발전량으로 가동된다. 그렇기에 원자력을 일정량 발전해서 기저부하를 담당하고 낮 시간대에 발전량이 높은 태양광을 첨두 부하를 담당하도록 하며 나머지 예측불가능한 수요를 탄력적으로 가스/석유 방식으로 충당시키고, 보다 급격한 수준의 전력 부하의 변화는 가동 즉시 전기를 위치에너지로 저장하는 양수발전소 등으로 처리하는 식으로 구성하게 된다. 석탄발전은 즉시성이 높으나 연료비가 비싼 LNG 발전과 즉시성이 낮으나 연료비가 싼 원자력 발전의 중간단계에 있다. 석탄 발전은 주입원료가 고체이고 또 바로 켜고 끌 수 있는 물건이 아니므로 켜고 끌때마다 비용이 상당해 주기적 정비가 아니면 웬만하면 가동을 멈추지 않는다.
국가적으로 다양한 전력원을 조합하여 전력공급을 구성하는 방식에 대한 연구가 없이는 날씨에 따른 출력 편차는 태양광 발전의 단점이 될 수 밖에 없다.
2020년 여름철 피크타임에 태양광 발전이 대한민국의 전체 발전에서 차지한 비중이 7월 0.8%, 8월 0.9%에 불과한 것으로 확인되었다. 폭우로 인해 발전량이 거의 없었던 것. 이와 대조적으로 원자력 발전은 7월 19%, 8월 17%였다. #
7.3. 변동성
2017년 7월 31일부터 8월 7일까지의 발전원별 통계
독일에서 태양광의 대규모 도입이 어느 정도 성공적인 이유는 다른 나라와 육로로 연결되어 있어 전기를 사올 수 있기 때문이다. 독일은 많은 원전으로 인해 전력 공급이 안정적인 이웃나라, 프랑스에서 전력을 비싼 값에 수입해왔었다. 하지만 2015년에는 도리어 독일이 유럽에서 가장 많은 전력을 수출하는 전력 수출국이 되었다. 이는 날씨와 일조량에 따라 수요를 초과하여 강제로 생산되는 전기를 수출하는 것이다. 이로 인해 2012년부터 2016년까지 매년 12억 유로 이상의 수익을 내고 있다. 외부 링크 태양광 발전과 풍력 발전을 꾸준히 늘려서 2011년 프랑스로부터 독일로 수입되는 전력량이 20TWh 정도였던 데 비하여 2015년까지 꾸준히 줄어들어 12TWh까지 감소하였다. 단지 이러한 것은 당장 전력 수출로 수익을 거두고 있기도 하고 독일 정부가 딱히 문제라고 여기지 않기 때문에 해결되지 않는 것으로 야간 전력 부족이 심각한 수준이라고 여겨진다면 야간용 화력 발전을 늘리면 되는 일이기 때문이다.
독일의 2017년 7월 31일부터 8월 7일까지의 시간별 전력 수출입 현황. 상단이 수입, 하단이 수출량을 보여준다.
보는 바와 같이 낮 시간대에는 많은 전기를 수출하나 새벽 시간대에는 도리어 전기 수입이 더 많아진다. 이웃 국가와 연결된 송전로가 없는 한국은 독일과 같이 태양광 발전이 중단되는 시기에 부족한 전력분을 충당할 방법이 마땅히 없으므로 태양광은 원전을 대체할 수가 없는 것이고, 실제로 그러하다.
이런 저런 문제 때문에 독일에서도 태양광 발전은 아직 주력이 아니다. 2016년 독일의 방식별 발전은 다음과 같다.
바로 위의 표와 상단의 독일에서 낮 시간대에 생산되는 발전원별 발전량을 참고하면 결국 독일도 낮 시간대의 첨두 부하를 태양광으로 담당하고 나머지는 풍력+화력(석탄)으로 해결하며, 부족분에 한하여 프랑스와 같은 해외로부터 수입하여 충당하는 구조인 것이다. 즉, 독일도 태양광은 주력이 되지 못한다. 당장 풍력은 물론이고 바이오매스 발전 방식보다도 적다.
한국에선 태양광 발전은 피크 타임인 오전 시간대에 첨두 부하에 도움을 주는 방식으로 운영되길 희망하고 있으며, 실제로 첨부 부하의 10% 가량을 담당해 주면 전체 전력 설비 측면에서 도움이 될 수 있다. 즉, 태양광은 어디까지나 보조적인 발전 방식이지 전력 믹스에서 주요 역할을 담당하기는 힘들다. 날씨와 기상에 따라 극심하게 변하는 전력 생산은 전력 수급 계획을 까다롭게 하는데, 태양광이야말로 이런 형태의 전력 생산 방식이므로 주력 발전방식이 되기 힘든 것. 친환경 발전의 확대를 위해서는 태양광 뿐 아니라 ESS와 복합발전(태양광+풍력의 조합 등) 형태까지 고려한 정책이 뒷받침되어야하는 이유다.
7.4. 온도에 따른 효율
온도에 따른 효율성 문제도 있다. 2017년 현 태양광 패널은 25도가 효율성이 가장 좋고 그 이상에선 효율성이 감소한다, 태양광에 대한 큰 오해 중 하나가 날씨가 더운 여름에 태양광 발전이 잘된다는 것인데 실제로는 그렇지 않다. 보통 3~6월, 9~11월이 태양광 발전 효율이 가장 높은 시기인데, 이유는 인버터가 효율적으로 작동하는 온도인 25도 근처의 기온을 보이기 때문이다. 30도를 넘는 한여름에는 아무리 일조시간이 길어도 인버터 효율이 떨어지기 때문에 발전량은 더 적다. 게다가 기후 특성상 한국의 여름은 우천이나 태풍이 잦아 태양광의 효율은 꽝일 수밖에 없다. [19] 인버터를 사용하지 않는 단독형 시스템이라 하더라도 영향이 없지는 않은데, 온도가 너무 높으면 실리콘 셀 자체의 에너지 변환효율이 감소하기 때문이다. 비정질 실리콘 태양전지는 온도에 의한 에너지 변환 효율의 감소가 낮은 편이다.
일사량은 많지만 기온이 섭씨 50~60도를 넘나드는 사막 지역에서는 모래먼지 등에 의한 오염과 합쳐서서 효율성이 떨어진다.[20] 그래서 사막이나 고온 지역에서는 태양열 발전이 주류다. 사우디는 국토 거의 대부분인 사막인데, 태양광 발전 패널을 들어왔다가 효율 저하는 고사하고 관리부실인지 이 지역의 높은 열을 견디지 못하고 공항에서 녹아버린 황당한 사례도 있었다. 그래서 태양광 발전이 효율적인 나라들은 역설적으로 '''멕시코 만류의 영향을 받는''' 유럽 국가들이다.
7.5. 중금속 및 산림파괴 문제
태양광은 친환경 발전이 아니라는 반론도 있다. 링크 제조과정에서 유독물질이 나온다고 한다. [21] First solar 같은 기업은 태양광 붐이 이전 20여 년 전부터 태양전지 사업을 했다. 이들은 CdTe 태양전지를 제조하는데 문제는 바로 Cd. 이따이이따이 병으로 유명한 그 카드뮴이다. 이 외에도 각종 태양전지 제작에 들어가는 공정마다 유해물질이 배출되기도 한다. 다만 어떤 전력 생산 수단이든 환경에 끼치는 영향이 제로인 방식은 없다. 이 문제는 이득과 불이득을 세심하게 따져야한다. 관점에 따라서는 아연의 생산 과정에서 부산물로 발생하면서도 리튬이온과 니켈수소 전지에 의해 대체되어 더 이상 배터리 생산에 쓰이지 않는 카드뮴을 태양전지라는 비교적 안전한 제품에 포집하는 것으로 간주할 수도 있기 때문이다.[22] CdTe기반의 태양전지는 Si에 비해 광전변환률이 높아서 사용되는 소자인데 주로 집광형 발전시스템에 사용되는 것으로 전체 태양광발전 시스템에서 차지하는 비중은 거의 0이며 이마저도 점점 줄어들고 있다. 이유는 Si 기반 태양전지 가격이 2008년 이후 급속히 떨어지며 집광형이나 기타 발전효율을 올리는 노력의 경제성이 많이 퇴색되었고, 반대로 CdTe기반 전지는 핵심 재료인 텔루륨이 희소한 탓에 가격 경쟁력을 확보하는 데 한계가 있기 때문이다. 현재 주로 사용되고 있는 실리콘 기반 전지는 셀 재료로 중금속이 사용되지는 않으나 단자나 전선을 연결하는 땜납이 문제이다. 만약 중금속이나 독성물질을 안 쓰겠다면 효율이 비교적 낮은 실리콘 기반 태양전지만 붙잡고 있거나 연구실에서나 연구중인 종류밖에 없는데 이 경우에는 낮은 내구도나 심각한 양산 난이도 등 걸림돌이 있어서 상용화까지는 갈 길이 멀며, 연구실에서나 조금씩 사용하는 수준이다. 또한 앞으로 상용화가 기대되는 페로브스카이트 태양전지도 납 성분을 함유한다.
태양광 시설은 반드시 수명이 다한 태양광 패널의 교체비용이 발생할 수밖에 없는데 위에서 언급한 것처럼 패널은 카드뮴, 납 등의 중금속들이 포함되어 있어 처리비용이 높아질 수밖에 없다. [23] 특히 중국에선 대규모의 태양광 패널이 생산 및 사용되지만 재처리하는 기술 및 비용부담이 커 환경오염 우려가 점점 커지는 중이다.
다행인 것은 한국에 들어오는 태양광 패널은 중금속이 적은 편이라는 것. 한국에 들어오는 태양광 패널에는 크롬과 카드뮴이 포함되어 있지 않고(법적으로 금지), 납 농도는 0.064~0.541mg/L로 폐기물 관리법에서 정한 3mg/L보다 훨씬 낮은 수준이다. 한국에너지기술연구원에 따르면 유리(76%), 알루미늄(8%), 실리콘(5%), 구리(1%) 등이 구성 성분이다. 그나마 구성 성분은 재활용할 수 있는 자원이기 때문에 사용 후 회수된다. 실제 독일에서는 20~30년간 태양광 발전기를 사용하고 나서, 태양광 발전기에 발전을 담당하는 핵심부품 묘듈을 싼 값에 저개발 국가에 판매하기도 한다. 그리고 어차피 중금속은 전자제품이 보급되면서 엄격하게 관리되어 왔기 때문에 발생되더라도 큰 문제를 일으키지는 않을 것이라는 입장도 있다. 그러나 최근의 전자 기기들은 RoHS[24] 등 각종 환경 규제로 인하여 중금속 사용량을 줄이는 추세이며 태양광 패널도 예외가 아니다. 태양광 패널 제작에 쓰이는 땜납을 납 성분이 없는 무연 땜납으로 대체하면 환경 부담을 줄일 수 있다.
산림파괴에 대한 비판도 있다.링크 친환경 발전이란 이름 앞에 보조금을 쏟아내 발전소용 태양광 시설들을 국토 곳곳에 깔고 있는데, 원자력 발전이나 화력 발전소와 달리 산지에도 설치하기 때문이다. 구체적으로 2016~2018년 동안 축구장 6000개 규모의 산림이 훼손되었다. 땅에 태양광 패널을 "고정" 시켜놓으려면 산을 깊게 판뒤 어마어마하게 콘크리트를 들이부어야 한다. 또한 태양광 패널 설치로 인해 민둥산으로 전락해버린 산지는 산사태 속출의 원인이 되고 있다.링크 친환경으로 포장된 태양광 발전이 환경파괴를 일으키고 있음에도 불구하고, 태양광 발전을 주장하는 환경단체들은 이를 침묵하고 있는 상황이다.
산림청에서도 "보전 국유림에 태양광 시설 등을 설치하는 과정에서 벌목과 같은 산림 훼손이 발생한다"면서 산지 태양광 개발에 난색을 표한 적 있으며, 실제로 2018년 12월부터 산지 태양광 설치에 대해 규제를 하기 시작했다. 실제로 산지 태양광 허가 건수는 2017년 1435㏊(헥타르), 2018년 2443㏊, 2019년 1024㏊, 올해 5월까지 112ha로 급감하는 추세이다. #
7.6. 미관상의 문제
농촌 등에서 싼값에 토지를 사들여 태양광 발전을 하는 사람들이 증가함에 따라 일부 주민들은 미관상 좋지 않다며 반대하는 목소리를 내기도 한다. 이로 인해 주민들끼리의 분쟁도 일어나고 있다. 이에 대한 해결방안으로는 고속도로나 일반도로, 공원, 관공서 등의 넓은 곳이나 공공시설 등에 설치하는 것이 있고 이는 미관상의 문제를 해결하고 발전 효율이 올라갈 수 있다고 한다.[25]
사람이 아닌 동물의 입장에서도 미관상의 문제가 발생한다. 새들이 하늘에서 봤을 때, 태양광 판넬을 햇빛을 난반사하는 호수 표면으로 착각할 수 있다. 물인 줄 알고 착지하는 과정에서 태양광 시설이나 땅에 부딪혀 부상을 입을 수 있을 뿐만 아니라, 착지는 안전하게 하더라도 판넬 밖으로 탈출할 수 없어서 그대로 조난당하는 경우가 발생하곤 한다. 일반적인 새라면 곧바로 다시 날아갈 수 있겠지만, 두루미나 고니 같은 대형 물새류는 비행기처럼 서서히 고도를 올려야 하는데, 판넬이 밀집된 공간에서는 날개를 펼치기도 여의치 않을 수 있다. 그리고 아비나 논병아리 같은 잠수성 조류는 땅바닥에 잘못 착지하는 순간, 다시 날아오를 수 없어서 조난 확정이다.
8. 태양광 패널 유형 전망
실리콘 태양전지는 만들 때 다량을 전기를 소모하기 때문에 원가 비중 중 전기료가 높다.
염료형 태양전지는 프린팅 방식으로 제조되기 때문에 그 문제가 없다. 다만 내구성(수명) 문제가 있어서 실용화는 거의 포기단계다.
차세대 인쇄방식의 태양전지로는 유기페로브스카이트 기반의 태양전지가 꾸준히 연구되고 있다. 이제 막 상용화에 근접한 효율이 보고 되고 있으나, 제조시 중금속이 포함된 요오드화납이 필요한 경우가 많고 수명이 짧아 아직 상용화 단계는 아니다.
태양전지에서의 가성비는 아직도 실리콘 전지를 넘어서는 물질이 별로 없다.
9. 기타
태양광 발전이 등장하는 게임에서는 주간에만 발전이 되는 한계 묘사가 자주 등장한다. 팩토리오, 림월드, OFFWORLD - Trading Company등에서 재현되었다. 밤에는 태양광 발전소가 무용지물이 되어 축전지나 기존의 발전소가 필요하다. 다만, 심시티 3000과 심시티 4에서는 태양광 발전소만 세워도 낮밤의 영향을 받지 않으며,[26] 시티즈: 스카이라인에선 밤에 발전 효율이 줄어드는 것으로 묘사된다.
발전시설 노후화의 발전소의 부족으로 북한에서 전력부족 문제가 심각한데 2010년대에는 북한 국가차원에서 부족한 에너지를 태양광으로 채우고 있으며 주민들 사이에서도 전기 공급이 별로 안되니 태양광으로 전기를 얻는 가정이 많기 때문에 태양광의 보급률이 높다. 태양광으로 움직이는 자동차도 있을 정도이다. 가정에서 대충 쓸만한 전기를 얻을 수 있는 수준이지만 근본적으로 가정용이나 기업소에서 얻는 전기를 얻는 수준이지 대량의 전기가 필요한 철도 같은 것을 정상화하기에는 턱 없이 모자란 수준이다. 즉, 전체적으로 볼 때 모자라는 전력을 땜빵하는 수준이지 전력난을 해결하기에는 턱 없이 모자란 수준이라는 것이다.
2018년 상반기에 한국에 설치된 태양광 발전 모듈의 38%가 중국산이며 그 비중이 계속 증가하고 있다고 한다.[27] # 태양광 발전에는 1조 원이 넘는 보조금이 투입되고 있다. #
남반구나 적도 지역에서 태양광 발전을 할 경우 태양광 패널을 남향으로 설치하면 효율이 떨어진다. 태양이 뜨는 각도가 북반구와 다르기 때문. 남반구에서는 북향으로, 적도에서는 지면에 수평으로 놓아야 최대의 효율을 얻을 수 있다.
태양광 발전의 최종 진화형으로 다이슨 스피어가 있다.
[1] 2019년 캘리포니아 대정전 사태에서 실제로 벌어진 일이다. 발전 사업자인 PG&E가 대규모 산불을 막기 위해 캘리포니아의 많은 가구에 전력 공급을 중단했는데, 캘리포니아주에서 자가 태양광 발전을 하는 가구들은 모두 계통연계형 태양광 발전이기 때문에 이들도 정전이 되었다. 문제는 "우리 집은 태양광 발전이니까 정전 되어도 문제 없어"라고 착각하고 아무 대비도 하지 않은 가구가 많았다는 것이다.[2] Photovoltaic effect. 넓은 의미에서 광전효과(photoelectric effect)의 하위 분류이나, 흔히 말하는 광전효과와는 차이가 있다. 광전효과는 주로 빛에 의해 전자가 자유전자로 튀어나오는 경우를 가리키고, 광기전효과는 물질 내부에서 캐리어(전자나 양공)가 들뜬 상태가 되어 전압 또는 전류를 생성하는 경우를 이른다.[3] shockley-queisser limit.[4] 유럽은 태양광 뿐 아니라 재생에너지 자체를 하기 매우 좋은 지역인데, '''이것도 바로 멕시코 만류에 힘입은 것이다.'''[5] 당장 한국은 발전량이 넘치면 그 전력을 소비해줄 해외 소비처가 없다. 그러면 반응성이 좋은 발전소의 터빈을 멈추거나 혹은 양수를 해서 에너지를 저장해야 하는데 그 효율이 좋지 못하다. 반대로 전력이 부족한 순간에는 해외에서 전력을 수입할 수도 없다.[6] 제조사 따라 다르긴 하지만 대체로 5년 남짓 무상 A/S가 되긴 한다. 물론 사용자 과실로 인한 고장은 제외지만 일단 설치하고 나면 건드릴 필요가 없는 이상 사용자 과실로 인한 고장은 없다고 보면 된다. 오히려 고장을 즉각 알아채는 경우는 드물고, 두세달 있다가 고장 사실을 알게 될 정도로 관심이 없어진다. 그것도 한전에서 연락이 와서 알게 된다.[7] 보조금 제외 가격. 순수 설치비는 5~600만 원 사이. 여기서 30~50%정도를 국가보조금(설치기업에 직접 지급, 전체 사업 고정액.)을 받고, 여기서 1~200만원정도를 시/군, 도 보조금(설치자에게 지급, 시군별로 천차만별.)을 받는다.[8] 베란다 난간이 아닌 건물 외벽이나 옥상에 설치 가능한 형태도 있다. 또한 꼭 베란다가 아니더라도 난간이 있는 장소라면 미니 태양광 발전 설비를 설치할 수 있다.[9] 따라서 별도의 전기 공사는 필요하지 않으나 베란다에 콘센트가 없거나 에어컨 실외기 연결용 구멍이 없다면 별도의 구멍을 뚫고 연결해야 한다.[10] 아예 태양광 발전 사업을 신청하여 옥상 등에 발전시설을 설치한 경우에는 한전에서 자가발전기와 호환되어 거꾸로 돌 수 있는 디지털 계량기를 달아주는 것으로 보인다.[11] 50 W 패널은 세로로 길쭉하기 때문에 미관상의 문제가 적은 편이다.[12] 관련 업체에서도 이런 조건의 베란다·난간에는 설치를 권장하지 않는다.[13] 특히 베란다 난간이 약한 오래된 아파트에서는 금지할 가능성이 더 높다.[14] 이러한 경우에도 플라스틱 재질의 가벼운 태양광 패널을 창문에 흡착시키는 방식으로 설치할 수 있다. 그러나 미니 태양광 업체중에는 이러한 패널을 취급하는 경우가 없으므로 자가설치를 해야 한다.[15] 만일 정전시에도 인버터가 동작한다면 발전 전기가 집 밖으로 흘러나가 전력 시설을 수리하는 인부가 위험해진다. 심지어 인버터 자체는 220V만 출력하더라도 변압기를 거치면 22900V 등 높은 전압으로 올라갈 수 있다. 이는 다른 종류의 자가 발전기에도 해당하므로 정전시에도 절대 가정 내 콘센트에 자가 발전기를 연결하지 말도록 하자. [16] 수상 부유식 태양광 발전, 혹은 부유식 태양광 발전이라고도 한다.[17] 다만 화성에서의 풍력 발전 가능성도 논의된 적 있다. 바로 화성의 위성인 포보스에 풍력 발전기를 거꾸로 매달아 7시간 39분만에 화성을 공전하는 막대한 운동에너지를 전기 에너지로 바꾸자는 것이다. 화성의 대기가 너무 희박하지만 포보스의 속도가 충분히 빠르니 어마어마한 장력을 견딜 연결선만 만들 수 있으면 가능성은 있다.[18] 공통적으로 하와이와 태국을 제외하면 모두 여름 날씨가 맑은 지중해성 기후나 해양성 기후를 띄고 있으며, 개활지가 많다.[19] 해당 발상이 완전히 엉터리인 것은 아니다. 에어컨의 작동 원리는 그냥 찬바람이 나오는게 아니라, 내부 열을 외부로 이동, 배출하기 때문이다. 일반적인 가정용 에어컨은 통상적으로 전력 1W당 3W의 열을 외부로 배출하기 때문에, 인버터가 열을 받아 떨어진 효율이 크다면 생각해봄직 하다. 냉장고 문을 열어두는 것은 일단 냉각부와 배출부가 같은 공간에 있어서 발생하는 문제이기 때문에 조금 차이가 있다.[20] 이로 인해 사막이나 황무지에 위치한 태양광 발전소는 자동 로봇 청소기를 도입하여 효율이 감소할때마다 먼지를 치우기도 한다.[21] 또한 다른 발전방식에도 제조 및 건설에 대량의 에너지가 투입되는 것은 마찬가지지만, 태양전지를 만드는 데 소비되는 에너지 자체도 태양전지가 10년간 생산하는 에너지와 맞먹는 양이라고 한다. 즉 태양광 발전의 친환경 요소는 기존 발전 방식에 의한 연료 소모 감소 등에 있는 것이지 태양광 발전 그 자체가 친환경이라고 말할 수 있는 것은 10년 이상 사용할 때의 이야기라는 것.[22] Fthenakis, V. M., Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production, Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (2004) 303–334[23] 물론 재처리 기술이 발전하면 비용이 줄어들긴 하는데 문제는 그때문에 업계에서 카드뮴 재처리 방법이라고 생각해낸 게 바로 CdTe 태양광전지라는 것이다. [24] Restriction of Hazardous Substances, 유해물질 제한이라는 뜻이다. 중금속 중에는 납, 카드뮴, 6가 크로뮴, 수은 등이 RoHS 규제 대상이다.[25] 특히 주차장 같은 곳이 좋은 지역 중 하나로 꼽히는데, 넓은 자리가 차량을 대놓는 것 하나 때문에 낭비되거니와, 운전자 입장에서도 여름에 차가 달궈지는 것을 피하기 위해 그늘에 주로 대놓는다. 즉 이걸 주차장에 설치하면 태양광 발전도 뽑아먹으면서 고객 및 직원 자동차가 달궈지지 않는 환경까지도 제공된다. 혹시나 비가 내리기라도 하면 어느 정도 비를 막아주는 지붕이 되기까지 하고.[26] 심시티 3000은 밤 자체가 없으며, 심시티 4에서는 사용자가 낮/밤 설정을 할 수 있지만, 밤으로 설정하거나 해가 져도 전기를 생산한다. [27] 세계적으로도 태양광 패널 시장 자체를 중국이 가격경쟁력으로 거의 접수한 상태이다.