태양광발전시스템 일시 : 2012. 6. 19 장소 : 한밭대학교 발표자 : 양용석박사 YOUR LOGO
목 차 I. 개요 : 신재생에너지 II. 태양전지의종류및특징 III. 태양광발전시스템의분류 IV. 차세대태양광기술 - 염료감응형태양전지 - 유기태양전지 V. 결론 2
I. 개요 - 새로운에너지에대한개발필요성 화석연료고갈 석유 : 40 년 (11,886 억 Bbl) 석탄 : 164 년 (9,090 억 ton) 천연가스 : 67 년 (179 조 m3) 출처 : BP Statistical Review of world energy 2005 지구온난화로인한위험 사막화, 해수면상승 생태계파괴 곡물생산및어획량감소 신재생에너지의필요성증가 에너지시장불안정 에너지해외의존 97% 중동유가불안정 BRICs 국가에너지소모급증 온실가스감축의무화 EU 배출권거래제시행 (2005년) 온실가스배출량 10위 우리나라는 2차기간중 (2013년) 감축의무부담예상 3
개요 - 지속가능한에너지공급체계를위한미래에너지원 4
개요 - 새로운에너지의정의와종류 신재생에너지는 신에너지및재생에너지이용. 개발. 보급촉진법제2조 에의해기존의화석연료를변환시켜이용하거나햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체등을포함하는재생가능한에너지를변환시켜이용하는에너지로 11개분야지정. 재생가능에너지 태양열발전 신에너지 연료전지 바이오에너지 가스하이드레이트 풍력발전소수력발전 수소에너지 Etc. 5
개요 - 새로운에너지의발전예상 출처 : European Renewable Energy Concil 2007 6
개요 : 태양의복사에너지 7
개요 - 태양전지의구조및동작원리 8
개요 - 태양전지의구조및동작원리 9
개요 - 태양광시스템의원리와특징 태양광시스템의원리 태양광발전이란? Ø 태양광발전은태양전지 ( 태양모듈 ) 의광전효과를이용하여태양빛을직접전기에너지로변화시키는발전방식을말한다. 태양광발전의특징 1) 무공해청정에너지로무제한의대체에너지 2) 전력수요가있는장소어디든설치가능 3) 높은신뢰성으로반영구적인사용이가능 (20년이상 ) 4) 설치가간단하며유지보수가용이함 ( 무인화운전 ) 10
II. 태양전지의종류및특징 11
태양전지의종류 12
태양전지의종류 13
태양전지어레이의구성 14
태양전지의전압전류특성 15
온도및일사량변화에따른전기적특성 16
실제태양전지모듈특성 17
전류 - 전압특성 단락전류 (short-circuit current, I sc ): 전압이 0 일때 개방전압 (open-circuit voltage, V oc ): 태양전지에전류가흐르지않을때 최대출력 = 최대전압 X 최대전류 18
태양전지를이용한운송기기들 19
III. 태양광발전시스템의분류 20
태양광발전시스템의분류 21
태양광발전시스템의분류 22
태양광발전시스템의분류 23
태양광발전시스템의분류 24
태양광발전시스템의분류 25
태양광발전시스템의분류 26
태양광추적시스템 27
건물적용태양광시스템분류 28
건물적용태양광시스템의예 Griffith University plans to build Australia's first zero-emission and self-powering teaching and research building driven by solar-powered hydrogen energy. 29
건물적용태양광시스템의예 해외우수사례 프라이부르크 ( 독일 ) 보봉 (Vauban) 지구 프라이부르크의지속가능한도시계획을실현한대표적인지역으로꼽히고있습니다. 이지역은과거에군사기지였던. 이지역은효율적에너지주택과더불어생태적측면이강조된곳으로프라이부르크를생태도시로부를수있는가장큰역할을한지역이라고볼수있습니다. 이지역에서는건물과건물사이에서의녹지의구축에관한사항, 놀이터를어느곳에신설할것인지등에관한사항, 각종친환경적인구조물들의설치에관한사항등이시민들의논의끝에이루어지게됩니다. 30
해외우수사례 프라이부르크 ( 독일 ) 31
네델란드 Zero-Energy House 보급형제로에너지솔라하우스 (ZeSH) 개발 자연채광기술 - 복합창을이용한자연채광시스템개발 - 가동형차폐장치의동합제어시스템개발 - 주광제어시스템개발 - 자연채광설계지침서개발 - 투명단열집열시스템 - 부착온실시스템 자연형태양열시스템응용기술 - 모듈형축열벽시스템 - 쿨튜브시스템 공기식태양열집열기술 설비형태양열응용기술 시스템통합화및설계시공기술 대규모단지화기술 - 자연형시스템통합제어장치개발 - 아파트발코니태양온실화활용기술개발 - 주택외피이용예열환기회수시스템개발 - 모듈식패키지형공기식태양열집열시스템 - 지붕일체형태양열콤비시스템개발 - 건물통합형태양광발전시스템 (BIPV) - 태양에너지백업시스템개발 - ZeSH 통합설계및성능평가기술 - ZeSH 모니터링및피드백기술 - ZeSH 설계및성능평가지침서개발 - 대규모태양에너지냉난방및급탕시스템개발 - 태양열, 태양광, 풍력복합이용시스템개발 32
국내우수사례 김해시명동정수장태양광발전소 국내최초지방자치단체와의유휴부지활용사례 사업주 : 코리아솔라홀딩컴퍼니 ( 주 ) 사업목적 : 청정에너지생산 사업부지 : 경상남도김해시명동정수장내 태양전지 : Schott 175Wp * 8788pcs 인버터 : SMA 250 * 6 대 시설규모 : 1.54MWp 준공일자 : 2008 년 06 월 연간전력생산량 :2,079,000 kwh 연간 CO2 저감량 : 1,355 Ton 특징 - 국내최초의지자체및민간기업 Partnership 에의한태양광발전소건설프로젝트 - Solar park 개념의환경친화적발전소설계 33
태양광발전시스템의효율 34
태양전지용량산출법 35
태양전지용량산출법 36
축전지용량산출법 37
태양광발전시스템설계및계획 38
시스템효율의극대화를구현한예 - A revolutionary concept for solar and thermal energy: giant floats to produce renewable energy at low cost. The collectors turn to follow the sun. Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) Ocean thermal energy conversion 39
IV. 차세대태양광기술 염료감응형태양전지 (Dye Sensitized Solar Cell, DSSC) DSSC 란? - TiO 2 를주성분으로하는반도체나노입자, 태양광흡수용염료고분자, 전해질, 투명전극등으로구성되어있는식물의광합성원리를응용한전지 Flexible DSSC (ETRI 2005.7.20) 40
역 사 1839 : Finding of Photovoltaic effect with liquid (Edmond becquerel) 1876 : Photovoltaic effect in a solid (Heinrich Hertz) 1883 : Se solar cell (C. Fritts) 1930 : Research of Cu 2 O/Cu solar cell 1941 : Patent of Si solar cell (R. Ohl) 1954 : Crystalline Si solar cell (Bell Lab.) ; 4 % efficiency 1958 : Using as assistant power in the spaceship (Vanguard I ) ; 5 mw 1973 : oil crisis 1980 : solar cell using CdTe, CuInSe 2,TiO 2 etc. 1991 : Dye Sensitized Solar Cell (M. Grätzel et al, NATURE) 41
Michael Grätzel Professor at the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne, Switzerland. Michael Grätzel directs there the laboratory of photonics and interfaces. His laboratory initiated studies in the domain of nanocrystalline semiconductor particles and mesoporous oxide semiconductor films. These systems are applied in a variety of fields, e.g. biosensors,electrochromic displays and secondary lithium batteries. He discovered a new type of solar cell based on dyesensitized nanocrystalline films and is the inventor of the tandem cell for water cleavage by visible light. Prof. Grätzel, who is the author of 500 publications, two books and over 20 patents has been a visiting professor at several foreign universities, i.e. the University of California at Berkeley, the University of Tokyo, the Ecole National Superieur de Cachan in Paris, the Delft University of Technology. He has been a frequent guest scientist at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado. He has received numerous awards and honorary lectureships, including the millenium 2000 European price of innovation, the 2001 Faraday medal of the British Royal Society, the 2001 Dutch Havinga award and the 2002 IBC award in Supramolecular Science and Technology. In 1996 the University of Uppsala, Sweden, conferred to him a honorary doctors degree in recognition of his scientific achievements. 42
원리모식도 (1) 43
원리모식도 (2) e - (S + /S Ü ) cb vb e - (S + /S) Adsorbed dye ITO TiO 2 Pt - S (adsorbed) + hn Ž S Û (adsorbed) V - OC e (A/A - ) electrolyte e - - S Û (adsorbed) Ž S + (adsorbed) + e - (injected) - S + (adsorbed) + A - Ž S (adsorbed) + A - A (cathode) + e - Ž A - (cathode) e - 44
연구개발동향 DSSC 의성능을좌우하는요인 45
DSSC 구조및요소기술 1. 나노결정소재및전극구조 염료를흡착할수있는전극소재는띠간격에너지가큰반도체나노결정 ( 직경 15~20nm) 산화물을사용. [ 나노크기의물질을사용하는이유는입자크기감소에의한비표면적증가로보다많은양의광감응염료분자를흡착시킬수있기때문. 입자의크기가수나노미터이하로지나치게작게되면염료흡착량은증가하지만, 반면에표면상태수가증가하여재결합자리를제공하게되는단점도가지고있음 ] DSSC용나노반도체산화물을선택할때전도띠에너지값을가장먼저고려 [ 반도체의전도띠에너지는염료의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 보다낮아야함. 현재가장많이사용되는산화물은 TiO2로서루테늄계염료 ( 상업적인이름으로 N3, N719 가가장많이사용됨 ) 의 LUMO 에너지보다약 0.2eV 낮은곳에 TiO2 전도띠에너지가위치하고있음 ] 46
Band positions of several semiconductors in contact with aqueous electrolyte at ph 1. 47
2. 염료 염료감응태양전지에사용되는염료는루테늄계유기금속화합물, 유기화합물그리고 InP, CdSe 등의양자점무기화합물이알려져있음. [ 지금까지알려진염료중에는루테늄계유기금속화합물이가장우수한것으로보고되고있으며루테늄계염료중에서대표적인것으로붉은색을띠는 N3 (N3 염료는수소가 4개있으며, 이중 2개가 terabutyl ammonium 이온으로치환된것을 N719 로명명함 ) 와검은색의 N749 염료가있음 ] Historic development of sensitizers for solar cells. 48
3. 전해질및홀전도체 액체형의경우산화-환원이온종이매질내에서신속하게움직여염료의재생을원활하게도와주기때문에높은에너지변환효율이가능하지만, 전극간의접합이완벽하지못할경우누액의문제를가지고있음 [ 염료감응태양전지용전해질은 I-/I3-와같이산화-환원종으로구성되어있으며, I- 이온의 source로는 LiI, NaI, 알칼암모니움요오드또는이미다졸리움요오드등이사용되며, I3- 이온은 I2를용매에녹여생성 ] 고분자를매질로채택할경우에는누액의염려는없지만산화 - 환원종의움직임이둔화되어에너지변환효율에나쁜영향을줄수있으므로고분자전해질을사용할경우에는산화 - 환원이온종이매질내에서신속하게전달될수있도록설계하는것이필요. [ 고분자전해질용소재로는 polyacrylonitrile(pan) 계, poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(pvdf) 계, 아크릴 - 이온성액체조합, pyridine 계, polyethyleneoxide(peo) 계등이연구 ] 4. 전도성기판 투명전도성기판으로사용되는물질은 Sn-doped In2O3 (ITO), F-doped SnO2 (FTO), ZnO 등다양 [ 염료감응태양전지에서수십마이크로미터두께의나노입자산화물전극을투명전도성기판에만들기위해서는고분자를포함하는슬러리코팅을 500oC 정도에서열처리하여야하므로염료감응태양전지용투명전도성기판은온도안정성을고려하여선택해야함. 염료감응태양전지에범용적으로사용되는투명전도성물질은 F-doped SnO2] 49
DSSC 광전변환효율의결과 50
DSSC 개발업체현황 염료감응태양전지의상용화추진은유럽은 INAP, Solaronix, ECN 등에서, 호주는 STI (Sustainable Technologies International) 가주도하고있으며, 미국은 Konarka, Dupont, GE 등에서진행중이다. 이중 STI 는연간 0.5 MW 규모의라인을갖추고호주정부지원아래시범설치단지를조성하고있으며, 미국의 Konarka는플라스틱모듈을검토하고있다. 일본에서는색소증감형태양전지라는명칭으로염료감응형태양전지의상용화기술개발이 활발하게추진되고있으며, 2010년이내에염료감응태양전지의실용화가이루어질전망이다. 염료감응태양전지개발에참여하고있는주요기업으로는샤프, 도시바, 도요타, 후지쿠라등이있다. 일본의경우, 2004년 2월현재염료감응태양전지연구개발에관련된대학은 50개이상이며, 대기업을포함하여약 50개이상의기업에서도개발사업을추진중에있다. 국내의경우아직상품화를목표로개발하는기업은없으나, 대기업에서연구개발에높은관심을보이고있으며, 일부기업에서는탐색연구를수행중이다. 국가출연연구기관의경우 ETRI( 한국전자통신연구원 ) 에서염료감응태양전지연구를선도하고있으며, KIST( 한국과학기술연구원 ), KRICT( 한국화학연구원 ), KERI ( 한국전기연구원 ) 등에서도활발한연구개발을수행하고있다. 51
유기태양전지 유기태양전지의구조 52
유기태양전지의원리 광여기전하이동 (PICT) 1. Exiton Generation 2. Exiton Diffusion 3. Exiton Dissociation 4. Charge transport 53
유기재료의선택 Donor 물질의선택 Acceptor 물질의선택 - 광범위한범위의파장흡수 에너지갭이작은소재의선택 - 높은전압차 ( 기전력 ) 발생 에너지갭이큰소재의선택 - 가시광범위에서의 파장흡수최소화 - 강한전자친화도요망 Exiton 의 Recombination( 재결합 ) 방지및 Dissociation 54
대표적인재료 Donor 물질 PPV, PT 계열 Acceptor 물질 fullerene 유도체 Blending 55
Annealing 실험데이터 4 current density (ma/cm 2 ) 2 0-2 -4-6 -8-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 voltage (V) pristine annealing (120 o C, 30 min) 56
미래의다양한응용제품 민생용 전기기구용 - 시계, 교재, 완구 -휴대품충전기 일반전력용 통신용 - 주택용 BIPV - 개인주택발전용 - 중계국, 긴급전화용 특수전력용 - 병원, 도로표시 - 항만, 공원시설분수, 계측용 수소연료전지 전력용품 조명표시기구 -가로등, 정원등옥외시계, 항로표시 -환기구, 차내환기 미래의태양전지 미래의 flexible 태양전지 PC 용의류일체형 PV - 충전용헤드세트 - 충전용모자세트 차세대용태양전지 연료전지 극소기기응용 자동차용 57
V. 결론 미래의우주산업과태양전지의관계 PV was developed for the space program in the 1960 s
SSPS (Space Solar Power System) SSPS (Space Solar Power System) is technology to generate solar power in the geostationary orbit and transmit it to Earth. JAXA is engaging in research on this system. 59
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보조자료 ( 설명 ) 1. A revolutionary concept for solar and thermal energy: giant floats to produce renewable energy at low cost. The collectors turn to follow the sun. 2. A team of Swiss adventurers took their solar-powered plane on its first international flight, a 370-mile leap from a small airfield in Switzerland to Brussels airport in Belgium. It is expected to reach Brussels by nightfall. 3. The Turanor PlanetSolar will become the first solar-powered boat to circumnavigate the world when it returns to Monaco today. 4. Griffith University plans to build Australia's first zero-emission and selfpowering teaching and research building driven by solar-powered hydrogen energy. 5. SSPS (Space Solar Power System) is technology to generate solar power in the geostationary orbit and transmit it to Earth. JAXA is engaging in research on this system.