태양광발전에서빛의파장에 따른발전량측정실험 김기철, 서형우, 최윤재 - 1 -
목차 I. 서론 1. 실험배경 II. 이론적배경 1. 전류, 전압, 온도의관계 2. PV패널의효율 3. 빛의스펙트럼 III. 실험 1. 빛의색에따른발전량측정 2. 온도에따른발전비율측정 IV. 결론 참고문헌 - 2 -
Ⅰ. 서론 1. 실험배경 에너지자원의고갈이당면함에따라자원의재처리및신 재생에너지가그대체재로주목받고있다. 지난 4월, 대구엑스코에서열린그린에너지박람회의부스비율이보여주듯신 재생에너지중태양열과태양광방식이점유율의대부분을차지하고, 이를제외한대부분의방식들은금전적 / 환경적비용으로인해실용화에는아직까지문제가많다. 더군다나태양광발전기의초기설치비용이높았던과거에비해현재의설치비용은어마어마한속도로줄어들고있으며 2014년기준, 19개국에서태양광발전비용이기존의화력발전이나원자력발전의비용과같아졌다는보고서를제출한바있다.[1,2] 그래서우리는더이상차세대발전이아닌현세대발전이된이태양광발전에영향을끼치는요인들을몇가지가정하고그요인들이끼치는영향들과정도를실험을통해알아보았다. - 3 -
II. 이론적배경 1. 전류, 전압, 온도의관계 [ 그래프 1] 전력-온도 [ 그래프 2] 전류-전압태양전지는일반적으로 [ 그래프 1] 과같이작동온도가높아지면효율이낮아지는특성을보인다. 하지만전력이낮아지는것일뿐최대전류와최대전압은 [ 그래프 2] 와같이온도가변화함에따라정반대의양상을보인다. 정확히말하면태양광패널을이용한발전에서전류량은광전효과에따라빛의일사량에따라바뀌고, 전압은발전패널의온도에따라서바뀐다. 하지만통상의경우일사량이많으면 PV패널의온도도같이올라가기때문에이두변화는동시에나타난다. 모듈마다의차이는있겠지만, 전력의경우 25 에서최댓값을갖고전압의경우보통 1 상승할때마다약 3% 에서 3.5% 가량상승한다. [3] 2. PV 패널의효율 위에서보았듯이 PV패널을이용한발전은패널의온도가올라갈수록발전량은저하한다. 심지어최대효율은 50% 선까지라고알려져있으나그에훨씬미치지못한다. 이는실험실에서철저한통제하에이루어진발전인데다상용제품의효율이아니다. 통상의패널은효율이 20% 조차도나오지못한다. 따라서발전시패널의온도를냉각시키면패널의발전량을더욱향상시킬수있을 - 4 -
뿐아니라이열을재처리할수도있다. 이를이용한태양광선의빛으로는전 기를생산하고열로는열수를생산해내는태양열 + 태양광발전기가존재한다. 이방식의경우효율이 34% 까지상승했다. [4] - 5 -
III. 실험 1. 빛의색에따른발전량실험 실험에앞서, 기존물리수업에서배운광전효과와사전조사를통해태양광발전에영향을끼치는요인들을몇가지생각해보았다. 가장중요한것들은일사량과온도가있었으나빛의파장에대한정보는찾아볼수가없었기에어떤결과가나올지직접실험해보았다. [ 사진 1] 청색광에대한발전량실험 1 처음실험은위사진과같이직접전구소켓을손으로들고측정을하던도중발전량에영향을미치는요인을찾아냈다. 사전조사를할때대부분의연구나보고서에서고려되지않았던부분이있었다. 보통의태양광으로발전을할시태양과의거리는전혀고려되지않는다. 대부분의건물에서발전기는옥상이나지붕에부착되어있지만이는주위건물들로인해생기는그림자를피하기위한것일뿐태양과의거리를신경써서지은것은아니었다. 당연한결과겠지만, 우리는손으로들고실험을하다손이위아래로움직임에따라발전량이변화했다. 그래서우리는즉석에서실험기구를고안했다. - 6 -
[ 사진 2] 간이실험기구그래서고안한실험기구는위와같이만들어졌다. 기숙사의옷장봉에옷걸이를끼우고걸이부분에소켓연결부를걸어최대한움직이지않을수있도록하고, 멀티탭을끌어와전력을공급했다. 그후 PV패널의전극단자에전선을늘려바깥전력측정기까지닿도록만들어냈다. - 7 -
[ 사진 3] 빛의색깔별발전량실험 - 8 -
이실험에서우리는다음과같은결과를얻었다. 색깔 발전량 전압 (V) 전류 (ma) 전력 (mw) 백색 12.38 (78) 3.46 42.8348 빨간색 9.34 (86) 1.52 14.1968 노란색 11.27 (83) 2.29 25.8083 초록색 8.48 (92) 0.76 6.448 파란색 9.31 (90) 1.05 9.7755 [ 표 1] 빛의색깔별로발전된전압, 전류, 전력 필름의두께나투과율을고려할수없었기에표의 3칸에서알수있듯이 필름을떼고실험을발전을했을때와필름을붙이고했을때와필름의종류 별발전량이크게달랐다. 우리는이표에서전압과전류의합에대한전류와 전압각각의비율에주목했다. 괄호안의숫자가그백분율이다. 위백분율을 [ 그림 2] 와대조해서살펴보면전체적으로파장이길어질수록생산되는전압이 높아짐을보였지만, 백색광에서가장낮은전압비율을보였다. - 9 -
2. 온도에따른발전비율측정 [ 사진 4] 아크릴통을이용해패널주변공기순환을차단한모습태양광발전에있어가장중요한요소는앞에서도밝혔다싶이일사량과온도이다. 태양광발전이이루어지는양상을밤낮단위로생각해보면, 해가뜨고남중하기를전후로태양광패널의온도는계속해서높아진다. 이에따른발전양상을실험해보기로했다. 실험은 [ 사진 4] 와같이실험기구에아크릴통을추가하여문을닫은채계속해서전구를켜두고일정한시간간격으로전력생산을측정해보았다. 그결과는아래 [ 표 2] 와같이나왔다. [ 그래프 3] 표 2 의그래프 - 10 -
시간 발전량 전압 (V) 전류 (ma) 전력 (mw) 10분 18.16 52.80 958.84 20분 17.83 54.00 962.82 30분 17.60 52.90 931.04 40분 17.49 53.70 939.21 50분 17.39 54.02 939.40 60분 17.33 54.15 938.41 70분 17.24 53.73 926.30 80분 17.19 53.45 918.80 90분 17.13 53.40 914.74 100분 17.09 53.7 917.73 110분 17.09 54.6 933.11 120분 17.06 54.30 926.35 130분 17.04 55.20 940.60 140분 17.00 55.00 935.00 150분 16.99 55.11 936.31 160분 16.94 54.95 930.85 170분 16.92 54.90 928.90 180분 16.95 55.3 937.33 190분 16.90 53.7 907.53 200분 16.92 54.0 913.68 [ 표 2 ] 단위시간당전류, 전압, 전력발전량표 - 11 -
IV. 결론 [ 실험 1] 의결론 시험 1의결과에서우리는파장이짧을수록생산전력에서전압의비율이높아짐을확인했다. 이를통하여유추해볼때, 첫번째로우리는새로운형태의변압과정을생각해볼수있다. 현재우리가사용하는전기는모든나라에서 110V 혹은 220V의교류전류를사용하고있다. 에디슨이제너럴일렉트릭사를운영할당시사용하던전기는직류였다. 이때테슬라의등장과교류가도입되기시작하며현재우리는수송의편이함때문에교류를사용하고있다. 이수송의편이함은바로전압을높이기쉽다는점에있는데, 직류전류의경우에도승압은가능하다. 다만열손실이엄청나대량의전력을높이는데는사용할수가없었다. 하지만이실험결과를이용하면큰에너지를가진빛을이용해광전효과를일으키면생산전압이높은직류를생산해낼수있다. 극단적인발상으로, 원자력발전소의가열로의벽면에발전판을두른다면, 엄청난전압의직류를생산해낼수도있을것이다. 이론적배경에서도말했다시피현재의 PV패널효율은 20% 를벗어나지못하고있어서당장에실용은불가능할것이다. 하지만언젠가효율이훨씬향상되면실험해볼수있을것이다. [ 실험 2] 의결론 그래프 3을보면결국시간이지날수록발전량은줄어듦을찾을수있었다. 시간이지남에따라라고는했으나결국단순히전등을오래켜놓고있었기때문에증가하다가일정한특정온도에수렴하는형태의온도변화에따른태양광발전량이줄어들었다고하는편이옳을것이다. 하여간그러한온도변화에있어서, 전체적으로발전량은줄어드는형태를보이고있었다. 선행연구에서단순히온도와효율이반비례한다는것을보였다면, 이실험으로는일정하게지속되는온도상에서도효율이저하될수있다는것을보였다. - 12 -
Ⅴ. 연구한계 가장큰한계는하려는실험의목표치를달성해내기에시간과예산이너무나도부족했고, 환경역시열악했다는점이다. 처음계획에는실제태양빛을이용해대기의상태에대한조사도시행해볼계획이었으나해가뜨고지는사이동안대부분을학교수업을들어야해실험을이행할수조차없었다. 그럼에도당초계획을수행하려면우리가사용한간이기구보다훨씬더정밀한새로이실험기구를제작할필요가있었으나, 제작할시간이나비용이부족해이역시할수없었다. [ 실험 1] 의경우엔직접파장을조절해서좀더연속적인결과를얻어내좀더객관적인근거를확보할필요가있었으나앞서말한이유로불가능했고, 결론을가설로삼아순환오류의느낌이약간있었다. [ 실험 2] 의경우광선의입사각조차실제상황에맞출수없었다. 온도는말할것도없다. 실제발전의경우패널의온도는 70 이상까지올라가지만우리가사용한램프는그를재현하기엔소모전력이터무니없이낮아 50 조차도정도까지밖에실험하지못했다. 후일이와비슷한실험을할학생들이나타난다면우리와같이시간적, 재정적비용한계에다다를것이다. 이를피하기위해서는몇대에걸쳐우리가썼던자재를십분활용해야가능할것이다. 전자기기라는특성상각물품의비용이너무나비쌌다. 당장우리만하더라도작년선배들이남기고간전류측정기가없었더라면측정자체를할수없었을것이다. - 13 -
참고문헌 [1]http://energy.gov/maps/falling-price-utility-scale-solar-photovoltai c-pv-projects [2]https://www.deutschebank.nl/nl/docs/Solar_-_2014_Outlook_Let_th e_second_gold_rush_begin.pdf [3]http://happy8earth.tistory.com/44 [4]http://www.kaia.re.kr/mobile/reports/view.do?searchCnd=&search Wrd=&menuNo=200430&sdate=&edate=&sTyp=&pageUnit=6&viewType=& searchstyle=&cate1=&cate2=&cate3=&sclass=&country=&countryeu=&eu More=&gubn=&rgubnCheck=all&ygubnCheck=all&cgubnCheck=all&pageI ndex=349&seqno=1422-14 -