본문내용
1. 태양광 패널의 곡률에 따른 효율과 정사영과 적분을 통한 증명
1.1. 서론
1.1.1. 탐구 동기
작업에 사용할 전체 목차 중 '1.1.1. 탐구 동기'에 해당하는 내용은 다음과 같습니다.
작년 동아리 활동 도중 생긴 궁금증으로 간단히 설계만 해본 실험에 대하여 실제로 이론적인 내용을 공부하여 증명해보고 실험으로 이어간 활동이었다. 좋은 아이디어를 단순히 떠올리기는 쉽지만 실제로 구현해 내기는 힘들다는 것을 느끼게 되었다. 그래서 이번에는 '태양광 패널을 구부려서 놓으면 효율이 더 높아질까?'라는 의문에 대해 탐구해보고자 하였다. 이러한 궁금증은 작년 동아리 활동 중 생겼으며, 요즘 환경오염이 주요 문제로 대두되는 시점에서 태양광 에너지 등의 친환경 에너지가 주목받고 있어 이 주제에 대한 관심이 더욱 커졌기 때문이다. 따라서 관심이 있는 친구들과 힘을 합쳐 실험을 설계하고 진행하기로 결심하였다.
1.1.2. 탐구 목적
본 탐구의 목적은 다음과 같다.
첫째, 주목받는 에너지인 태양광 발전에 대해 이해하는 계기를 만드는 것이다. 태양광 에너지는 친환경 에너지로 각광받고 있으며, 이에 대한 심도 있는 탐구를 통해 이 분야에 대한 이해를 높이고자 한다.
둘째, 교과 시간에 배운 내용들과 태양광 발전을 접목해봄으로써 교과적인 수준의 지식을 넓히고, 새로운 지식을 영위하는 것을 추구한다. 특히 수학적 개념들을 활용하여 태양광 패널의 곡률에 따른 효율을 증명하고자 한다.
셋째, 과제별 연구 활동을 통해 심화한 탐구를 할 수 있는 기회로 삼는 것이다. 실험 설계부터 실험 수행, 결과 분석 등의 전 과정을 통해 심층적인 탐구를 진행하고자 한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 태양열발전
태양열발전은 햇빛을 이용한 발전 방법으로, 태양 에너지를 전기에너지로 변환한다. 태양광에 반응하는 전자모듈, 즉 햇빛 전지를 사용하며, 주로 터빈을 매개하는 태양열발전과는 다르다. 태양열발전은 계통 연계형과 독립형으로 나뉜다. 계통 연계형은 주전력 공급처와 연계되어 발전량만큼 전기세를 감면받고 추가 발전량을 이월할 수 있어 누진세 등에서 유리하다. 독립형은 주전력 공급처와 독립되어 전기를 축전지에 저장하고 이를 사용하는 방식이다. 주로 전신주가 없는 산간지방이나 작은 섬, 푸드 트럭 등에 이용한다.
태양광 발전의 원리는 '광기전 효과'라는 미시 단계의 물리적 변환을 이용하여 전기를 생산하는 것이다. 2022년 말 현재 최고 효율은 약 50~52%에 달하지만, 상용 셀이나 모듈은 15~22% 정도이며 저가 양산품은 훨씬 떨어진다. 25% 정도 효율이라도 모듈 단위의 규모화가 되면, 저장이나 송전 등에서 5~10% 정도의 추가 효율 감소가 나타난다. 탠덤 구조처럼 여러 셀을 적층하면 고효율은 달성할 수 있지만, 비싼 제작비 탓에 인공위성처럼 가격보다는 효율이 중요한 특수목적용이 많다.
한국에서 태양광 발전이 이루어지는 것은 정부에서 발전사업자에게 태양광 발전을 법으로 강제하기 때문이다. 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급·촉진법 시행령 별표3에 따르면 연도별 의무 공급량 비율이 지정되어 있다.
미래 산업으로 주목받았던 태양광 패널 시장은 최근 중국산 저가공세로 인해 일부 기업과 국가들이 손을 뗐다. 그러나 테슬라는 태양광 발전과 에너지 저장 수단의 패키지 솔루션을 개발하여 판매하고 있다. 또한 미국령 타우섬 전체에 태양광으로 전력을 공급하는 프로젝트를 진행 중이다.태양광 발전은 날씨와 기상 상황에 따라 극심한 출력 변화가 나타나 전력 수급 계획을 어렵게 한다. 기온이 높은 한여름에는 인버터 효율 저하로 오히려 발전량이 줄어드는 역설적인 상황이 나타나기도 한다. 또한 태양광 패널 제조 과정에서 유해물질 배출 등의 환경문제도 제기되고 있다.
이에 따라 국내외에서는 태양광 발전을 다른 발전원과 조화롭게 운영하는 방안을 모색하고 있다. 독일의 경우 화력발전소와 원전을 함께 운영하면서 부족한 전력은 이웃 국가인 프랑스로부터 수입하는 등 다각도로 대응하고 있다. 또한 태양광 패널의 내구성 및 재활용 기술 향상을 통해 환경성을 높이는 연구도 진행 중이다.
종합적으로 볼 때 태양열발전은 친환경적이고 무한한 에너지원을 활용한다는 장점이 있지만, 발전량 변동성과 설비 제조 과정의 환경문제 등 개선해야 할 과제도 남아있다. 따라서 이를 보완하고 다른 발전원과의 적절한 조화를 이뤄내는 것이 중요할 것으로 보인다.
1.2.2. 자가사용
자가사용은 주로 전기요금 감면을 위해 주택 및 건물에 태양광 발전설비를 설치하는 방식이다. 국가 지원 사업을 통해 태양광 설비 설치를 장려하고 있으며, 지자체를 통해서도 관련 정책이 진행되고 있다. 비용 부담이 있을 경우에는 업체를 통해 설비를 대여하거나, 설비로 인한 이윤의 일부를 대여료로 지불하고 일정 기간 이후 설비를 양도받는 방식으로 진행할 수 있다.
태양광 모듈의 경우 25년에서 30년의 효율 보증이 있어 장기적으로 활용이 가능하지만, 인버터는 제조사에 따라 고장날 수 있어 교체가 필요할 수 있다. 3kW 규모의 태양광 발전설비의 경우 전기요금이 7만 원 이상 나오는 주택이나 건물에 적합할 수 있으며, 국가 보조금을 활용하면 4-5년 안에 본전을 회수할 수 있다.
공동주택의 경우 베란다 난간에 설치할 수 있는 200-500W 규모의 미니 태양광 발전설비를 활용할 수 있지만, 남향이 아니거나 다른 장애물이 있는 경우에는 발전 효율이 저하될 수 있다. 서울시를 비롯한 일부 지자체에서는 원전 하나 줄이기 프로젝트의 일환으로 공동주택 태양광 설비 설치를 적극 추진 중이다.
1.2.3. 발전소용
발전소용 태양광 발전은 만들어진 전기를 오롯이 주 전력생산자(한전)과 신재생에너지의무공급자(대규모 발전소)에 팔아 수익을 창출하는 형태로, 재테크의 일종이다. 수익을 창출할 정도 용량인 100KW급 설비는 2022년 말 기준 초기 자본이 1억 3천만원, 지대가 3천만 원 정도다. 그러나 이는 위험성이 매우 높은 투자라 할 수 있다.
까다로운 관공서 인허가, 정부 정책, 기상 상황, 기타 규제로 인해 예상치 못한 문제가 생기면서 변동성이 커서 투자금을 잃을 수도 있다. 주된 어려움은 다음과 같다. 태양광의 특성상 겨울이나 궂은 날씨에는 발전량이 충분하지 않다. 반대로 돈을 빌려서 투자할 때 이자 지급에는 날씨의 영향이 없이 주기적으로 내야 한다. 따라서 돈을 빌려 투자를 시도하기엔 태양광은 위험하며, 겨울철에 여유자금이 모자라면 담보로 다 빼앗길 수도 있다.
또한 주변 민가, 주변 축산업자들에게 보상금을 주지 않으면 전자파를 배출한다며 민원이 들어오고, CCTV가 없으면 몰래 흙을 뿌리는 등 해코지를 하기도 한다. 지자체의 인허가를 얻는데 발목 잡힐 수 있으며, 관련공무원과 업체가 뒷거래를 하기도 한다. 발전 설비 투자 초기비용이 높고 위험성이 크다는 점에서 주의가 필요하다.
전력 판매 대금은 SMP + REC 가격으로 이루어지는데, SMP(System Maginal Price, 계통한계가격)는 일반적인 전기 도매가격이고, REC(Renewable Energy Certificates, 인증서) 가격은 정부에서 의무 부과한 재생에너지를 채워주는 댓가이다. 부수입으로는 태양광발전소 부지의 지목이 잡종지로 바뀌면서 지가 상승에 따른 이익도 기대해 볼 수 있다.
하지만 현재 내륙지역에 지어지는 태양광 발전소 대부분은 민원 때문에 깊은 산골로 들어가는 실정이라, 이런 곳은 잡종지가 되든 말든 거래의 성사 자체가 어려운 곳이 많다. 거듭 강조하지만, 태양광 발전은 가까운 미래까지는 자체적인 경쟁력이 없다. 오로지 정부 정책과 주변 상황에 의존하여 수익을 창출하고 있는 것이다. 이는 장려 정책이 줄어들면 적자가 된다는 의미이기도 하다.
1.2.4. 독일의 재생에너지 국가사업
독일은 2020년에 전체 전력생산의 50%를 신재생에너지로, 2050년에는 전체 전력생산을 신재생에너지로 하겠다는 국가사업을 하고 있다. 그 중에서도 태양광발전을 공격적으로 투자하고 있다. 그 결과 2014년 6월 설비 용량기준으로는 거의 절반에 다가가고 있다. 하지만 태양광은 가동률 기복이 아주 심하다. 즉, 태양광 설비용량만큼 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 대신 상당량의 전기를 원자력 발전을 하는 프랑스를 비롯한 이웃나라에서 수입한다. 특히 2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고 직후 원자력 발전소들을 정지시키면서 전력 수입 현상이 심했다. 하지만 2014년 독일은 오히려 에너지를 수출하고 있다는 반론도 있다. 통계에 따르면 독일은 전기 수출량이 프랑스보다 많은 국가이며 독일은 전체 수출량이 2015년 기준 88.2TWh로서 프랑스의 72.9TWh보다 많아 유럽 1위이다. 덕분에 독일은 2012년부터 매년 약 12억 유로에 달하는 수익을 벌고 있다.
1.2.5. 수상 태양광 발전
수상 태양광 발전은 기존 태양광 발전이 사막이나 황무지 등 유휴지를 주로 활용하는 형태에서 벗어나, 물 위에 태양광 발전 시설을 설치하는 새로운 방식이다. 기존 태양광 발전이 부족한 유휴지를 활용하는 것과 달리, 수상 태양광 발전은 수면이 대체로 안정적인 저수지를 활용하여 발전을 한다.
중국에서는 2021년 안후이성 화이난에 40MW 규모의 수상 태양광 발전소를 가동하고 있다. 대한민국의 경우에도 집약된 인구 구성으로 인해 저수지가 많고, 이 중 5%만 활용해도 4,170MW 규모의 전력을 공급할 수...
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