서 론
전 세계는 지구 온난화, 이상기후 현상 등으로 인해 계 획적인 식량 생산 및 보급이 불가능하고, 중국, 인도, 브 라질 등의 개발도상국을 중심으로 인구가 급속하게 증가 함에 따라 식량자원 문제가 매우 중요한 과제로 대두되 었다. 이러한 식량자원 문제를 해결하기 위해서는 한정된 토지의 이용효율을 증대시켜야하며, 시설재배를 통한 재 배효율을 높일 필요가 있다. 또한 최근 소득수준이 높아 지고 삶의 질이 향상됨에 따라, 안전하고 신선한 식용작 물에 대한 수요는 어느 특정 계절에만 국한되는 것이 아 니라, 1년 내내 지속되기 때문에 계절에 구애받지 않고, 원예작물을 생산할 수 있는 시설원예가 꾸준히 발전하고 있는 실정이다(Lee 등, 2006).
현재 전체 원예시설 면적 중 가온면적은 약 31%인 16,263ha 정도로서 2009년 및 2010년도에 각각 26% 및 30% 정도로 미미하지만 증가하는 추세에 있다(MIFAFF, 2012a, b). 이들 가온 온실의 경우, 난방용 에너지로 91% 이상을 유류(경유 비중 81%)에 의존하고 있는 실정이다 (Choi 등, 2013).
이러한 시설재배의 경우, 난방에너지 사용에 따른 화석 연료의 고갈, 환경문제 등의 현실적인 문제를 해결하기 위한 노력이 필요하다. 이를 위해, 온실의 보온성 개선을 위한 시설구조 및 자재의 개발과 난방시스템 효율 개선 뿐만 아니라, 대체 에너지에 의한 난방에너지 저감기술에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다(Suh 등, 2011). 또한 시설재배에서 재배기간을 연장하고 온실의 난방에 너지를 절감하는 방법 중에 하나로 최근에 태양광을 이 용하여 소요 에너지를 보완하는 연구도 지속적으로 이루 어지고 있다(Kwon 등, 2012).
실리콘 태양전지는 크게 단결정 형태와 다결정 형태의 재료로 나누어지는데, 단결정은 순도가 높고 결정결함밀 도가 낮은 고품위의 재료로서 높은 효율을 달성 할 수 있으나, 고가이고 다결정 재료는 상대적으로 저급한 재 료를 저렴한 공정으로 처리하여 상용화가 가능한 정도의 효율의 전지를 낮은 비용으로 생산하려는 의도로 사용된 다. 단결정 실리콘을 사용한 전지는 집광장치를 사용하 지 않은 경우 24.7%의 최고 효율을 달성하였다(Nam, 2010). 염료감응형 태양전지는 제조단가가 저렴하고, 투 명성과 다양한 색상 구현이 가능하다는 장점이 있지만, 효율은 약 11%로 실리콘 태양전지에 비해 낮은 편이다. 염료감응형 태양전지의 상용화를 위해서는 에너지 변환 효율이 향상되어야 하며, 이러한 염료감응형 태양전지의 효율 제고를 위한 연구는 다양한 분야에서 이루어지고 있다(Kim 등, 2006; Jang 등, 2013). 또한 염료감응형 태양전지는 반도체 물질 대신 유기염료를 사용하기 때문 에 가격이 저렴하고, 특히 성형재료를 플라스틱으로 쓰기 때문에 가볍고 투명하며, 변형이 쉽다는 장점이 있다. 따 라서 이러한 염료감응형 태양전지를 온실에 적용하면 온 실 구조에 따라 태양전지를 설치할 수 있을 뿐만 아니 라, 태양광을 통해 발전된 전력을 온실에 이용 가능하고, 또한 기존 실리콘 태양전지와 달리 염료감응형 태양전지 를 설치 시 온실 내 작물 생육에 필요한 태양광을 그대 로 이용할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 연구에서는 TiO2염료감응형 태양전지의 발 전효율을 검정하고, 발전된 전력의 온실 이용을 위한 적 용기술을 확립하고자, 염료감응형 태양전지를 경상대학 교 내 1-2W형 온실 옆(위도 35° 9' 9.20" N, 경도 128° 5' 44.90" E, 고도 52m)에 설치, 시간에 따른 일사량, 그 에 따른 전력량의 분석을 통해 계절적 변화에 따른 온 실 적용 염료감응형 태양전지의 효율에 관한 기초 자료 를 수집, 분석하고자 한다.
재료 및 방법
본 실험에 이용한 TiO2염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)의 특성은 Table 1과 같다. 모듈 하나당 9개 의 셀로 이루어져 있고, 모듈의 크기는 900 × 940 × 12.8mm (0.846m2) 이며, 총 2개의 모듈을 실험에 이용하였다. 수평 면 일사량 약 1000W/m2 기준으로 셀 하나당 최대전력은 25.8W, 정격전압 35.0V, 정격전류 740.0mA, 활성면적 및 유리면적의 효율은 각각 4.67%, 3.05%와 같다.
Table 1.
Specifications of the dye-sensitized solar cell.
염료감응형 태양전지 발전시스템은 Fig. 1과 같이 구 성하였다. 염료감응형 태양전지는 두 개의 모듈을 수평, 수직으로 비교, 분석하기 위함과 구조상 균형을 위해 대 각선 방향으로 두 채널(CH 1, 2) 설치하였고, 나머지 부 분은 저철분 강화 유리를 사용하여 어레이를 구성하였다 (Fig. 2). 태양전지 어레이는 태양의 남중고도에 따라 설 치 각도를 10° 단위로 조절할 수 있도록 구성하였다(Fig. 1-c). 일사량은 일사센서(SP-110, Apogee Instrument, USA)를 프레임 상단(Fig. 1-A)에 지면과 수평으로 설치 하여 수평면 일사량을 계측하였고, 태양전지 어레이에도 Fig. 1-B와 같이 일사센서를 설치하여 각도 변화에 따라 일사량을 계측할 수 있도록 구성하였다(Fig. 3). 또한 온 도 센서(MCP9700, MICROCHIP, USA)를 이용하여 외 기 온도 및 태양전지 모듈의 온도를 측정하였다. 염료감 응형 태양전지 발전시스템에서 발생되는 전류, 전압, 전 력 등의 데이터는 Fig. 1-D에 설치된 컨트롤러에 의해 측정 및 계산되었다. 태양전지 어레이의 각도는 남향기 준 시스템의 연평균 태양에너지 최적 경사각 자원지도의 진주지역 경사각을 참고하여 정남향, 약 30°로 고정하여 실험하였다(KIER, 2013).
Fig. 4와 같이 제작된 염료감응형 태양전지 발전시스템 을 2012년 5월 11일 경상대학교 내 1-2W형 온실(길이 20m, 폭 11m) 측면에서 태양에너지를 가장 잘 받을 수 있는 곳(위도 35° 9' 9.20" N, 경도 128° 5' 44.90" E, 고도 52m)에 설치하여 데이터를 측정, 발전 성능을 분석하였다.
염료감응형 태양전지의 발전 성능을 분석하기 위한 시 스템의 구성 및 데이터 처리 흐름도는 Fig. 5과 같다. 설치된 염료감응형 태양전지 발전시스템으로 부터 발생 된 데이터는 각 채널별(CH 1, 2)로 컨트롤박스에 의해 측정되고, 측정값은 실험실 내 설치된 무선 전송 장치 (Fig 5-C) 및 노트북 내 분석 프로그램(SEWON DSSC Outdoor Test System, Ver 1.21)에 의해 무선으로 전송 된다. 전송된 데이터는 노트북 내 Excel 파일로 저장되 며, 저장된 데이터를 분석하여 염료감응형 태양전지 모 듈의 특성을 검정하였다.
염료감응형 태양전지 발전시스템으로부터 측정된 데이 터의 종류는 Table 2와 같고, 이를 이용하여 태양전지의 최대출력전류(Pmax), 효율(η), 곡선인자(FF) 등을 계산하 였다. 태양전지의 효율(η)은 입사된 빛에너지에 대해 발 생된 전기에너지의 비로서, Eq.1과 같이 나타내어 효율 을 산출하였다.
Table 2.
Items of measurement from the dye-sensitized solar cell for the analysis.
곡선인자(FF)란, Eq.2와 같이 이론 출력전력대비 실제 출력전력의 비를 퍼센트(%)로 나타낸 값이며, 이론 출력 전력은 Cell의 Diode 구조특성(P-N접합)에 의해 누설전 류가 나타나지 않는 Isc(Short-Circuit Current)와 Cell에 서의 출력으로 흐르는 전류가 ‘0’인 상태에서 다이오드 의 Shunt저항에 의해 형성된 최대 전압 Voc(Open- Circuit Voltage)의 곱으로 나타낸다. 반면, 실제 출력전 력은 Max Point 점에서의 Imax와 Vmax의 곱으로 표현 할 수 있다. 따라서, Fig. 6과 같은 이론값 대비 실제 값 의 비인 FF의 분석은 전기적 누설 전류에 의한 효율 저 하를 분석할 수 있어, 태양전지의 성능을 평가하는 중요 한 지표로 사용되고 있다(Kang 등, 2012). DSSC의 내부 저항 성분이 크면 FF 값이 줄어들고 반대로 내부 저항 성분이 작으면 FF 값이 증가하는 반비례 관계가 있다. 직렬저항의 감소와 개방전압의 상승으로 FF를 향상시키 면 태양전지의 효율 향상에 도움이 된다(Lee 등, 2012).
실험은 외기온도 및 일사량에 따른 염료감응형 태양전 지의 발전량, 효율 등의 계절적 변화를 측정하기 위해, 2012년 8월, 10월, 11월, 2013년 2월, 4달 동안 수행되 었다. 데이터는 실험기간 동안 연속적으로 측정하였으나, 컨트롤 박스 등의 오작동으로 인하여 일부 기간 동안은 측정이 되지 않은 경우도 포함되었다. 실험기간 동안의 일별 데이터는 일사량을 고려하여, 08시부터 18시 까지 를 기준으로 태양전지 성능 분석에 사용하였다.
결과 및 고찰
1 일사량에 따른 전력량
Fig. 7은 2012년 8월 1일부터 8월 31일까지 두 채널 (CH 1, 2)에서 측정된 수평면일사량(MJ/m²)과 태양전지 패널 면적(1.692m2)에 따른 일사량(MJ), 그리고 이에 따 라 염료감응형 태양전지에서 발생한 전력량(kWh)을 일 별로 나타낸 것이다. 수평면일사량의 경우, 두 채널의 평균값을 나타내었고 발생 전력량은 두 채널을 합한 값 을 나타내었다. 설치된 태양전지 발전 시스템에서의 수 평면일사량 및 전력량은 각각 W/m2과 W 단위로 계측 되나, 이를 MJ/m2과 kWh 단위로 환산하여 분석하였다. 2012년 8월, 한 달간 두 채널에서의 평균 수평면일사량 은 약 472.41MJ/m2, 태양전지 패널 면적에 따른 일사량 은 약 799.32MJ, 발생된 전력량은 약 4.56kWh로 측정 되었다. 기상청 자료에 따른 진주지역의 2012년 8월, 한 달간 측정된 수평면일사량은 약 459.08MJ/m2으로 태양 전지 시스템의 일사센서를 통해 측정한 수평면일사량 472.41MJ/m2과 비슷한 것으로 나타났다(KMA, 2012). 일 별 최대 수평면일사량은 약 24.98MJ/m2로 측정되었고, 일별 최대 발생전력량은 같은 날 약 0.24kWh로 측정되었 다. 일사량이 3~4MJ/m2로 낮게 측정된 날들을 날씨가 흐 리거나 비 등 외부 기상환경의 영향인 것으로 판단된다.
2012년 10월, 11월, 2013년 2월, 세 달 동안 각각 측 정된 평균 수평면일사량(MJ/m2), 태양전지 패널 면적이 받는 일사량(MJ), 그에 따라 발생된 전력량(kWh)은 Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10과 같다. 2012년 10월 1일부터 10월 31 일까지 측정된 두 채널에서의 평균 수평면일사량은 약 598.76MJ/m2, 태양전지 패널 면적에 따른 일사량은 약 1,013.03MJ, 발생된 전력량은 약 4.87kWh로 측정되었다. 2012년 11월의 경우, 평균 수평면 일사량은 약 446.37MJ/m2, 태양전지 패널 면적에 따른 일사량은 약 755.25MJ, 발 생 전력량은 약 3.34kWh로 측정되었다. 2013년 2월의 평 균 수평면 일사량은 461.03MJ/m2, 태양전지 패널 면적에 따른 일사량은 약 780.06 MJ, 발생 전력량은 약 3.40kWh 로 측정되었다. 기상청 자료에 따른 진주지역 일사량은 2012년 10월 약 422.87MJ/m2, 11월 약 312.57MJ/m2, 2013 년 2월 약 341.53MJ/m2으로 본 실험을 통해 측정된 일 사량과는 다소 차이가 있는 것으로 나타났는데, 이는 일 사센서, 시스템 내 컨트롤박스 등의 문제인 것으로 판단 된다. Table. 3
Table 3.
The measured solar radiation and the generated electric power(Ch. 1, 2).
2 Fill factor 및 효율
염료감응형 태양전지의 경우, 현재 1.0cm2 미만인 작 은 DSC 단위 셀에서의 효율은 약 12%까지 발표되고 있으나, 5 × 5cm2 모듈의 경우에는 6% 미만의 낮은 효 율을 나타내고 있다(Lee 등, 2013). 실험을 수행한 기간 인 2012년 8월, 10월, 11월, 2013년 2월, 네 달간의 태 양전지 효율은 Fig. 11과 같이 측정되었다. 2012년 8월 한 달간, 염료감응형 태양전지의 평균 효율은 약 3.12% 로 측정되었고, 2012년 10월 2.60%, 11월 2.39%, 2013 년 2월 2.23%로 각각 측정되었다. 태양전지 모듈은 비, 바람, 눈 등 다양한 기후의 외부환경에 노출되어 태양에 너지를 전기에너지로 변환 및 생산하는데, 태양전지 모 듈의 수명에 영향을 미치는 주된 요인은 열화(Hot spot) 현상, 즉 태양 에너지에 의한 모듈 내부의 온도상승에 의한 것으로 보고되고 있다. 이는 모듈 내부에서 발생하 는 열적 현상으로서, 구조적으로 균열이 발생하거나 계 속적인 스트레스에 의한 파괴로 접촉저항이 증가하게 되 며, 시간이 지날수록 심화되어 모듈의 수명을 단축시키 는 결과를 초래한다(Kim 등, 2008). 실험기간 동안 태양 전지 패널의 표면온도를 측정하였으나, 계측기의 오작동 으로 인해 측정하지 못한 2012년 8월의 경우를 제외하 고 2012년 10월, 11월, 2013년 2월의 표면온도는 대기 온도와 비슷한 것으로 측정되었다. 2012년 8월부터 10 월 사이 효율은 급격히 떨어졌고, 점차 시간이 지날수록 태양전지 모듈의 효율 및 fill factor가 낮아지는 경향을 보였는데 이는 여름철 태양전지 모듈 내부의 급격한 온 도상승과 외부환경 영향, 모듈 내부의 균열 발생, 전해 질 누설 등의 영향 인 것으로 판단된다.
3 온실 내 적용 방안
Suh 등(2009) 및 Choi 등(2013)은 주간동안 온실 내 에서 발생되는 잉여 태양에너지를 분석하고, 축열 시스 템 설계에 필요한 기초자료를 제공할 목적으로 각각 1- 2W형 온실과 벤로형 온실을 대상으로 잉여 태양에너지 를 분석하였고, Yoon et al. (2009)는 온실 운영에 필요 한 전력량 확보함으로서 온실경영비 절감을 목적으로 태 양광발전시스템을 온실에 적용, 기상상태에 따른 발전량 을 검토하였다.
본 실험에 사용한 TiO2염료감응형 태양전지의 효율은 실험 결과, 평균 약 2.6%이었고, 이에 따른 전력량은 하 루 평균 약 0.14kWh, 한달 평균 약 4.05kWh이 발생되었 다. 이는 Yoon 등(2013)의 태양광발전시스템을 온실에 인 접한 건물의 옥상에 설치하여 일사량에 따른 발전량을 검 토한 연구에서 실험기간 동안 측정된 일일 발생 전력량의 최대, 평균, 최소값이 각각 5.2kWh, 2.5kWh, 0.0kWh로 측정된 것에 비해 매우 낮은 발전량이다. 농가에 보급되 고 있는 개폐기의 소비전력은 주로 대당 50W 정도이고, 1-2W형 온실 2연동의 경우, 온실 한 동에 일반적으로 10개 정도의 개폐기가 필요하고 일일 개폐시간을 중부지 방을 기준으로 1시간 정도로 산정하면 개폐기 작동에 필 요한 전체 전력량은 약 1.0kWh 이다(Yoon 등, 2013). 따 라서 염료감응형 태양전지 발전시스템(총 면적 1.692m2) 에 따른 발생 전력량을 온실 내 적용하기에는 매우 부족 한 것으로 판단된다. 온실 내 난방기 혹은 개폐기 사용을 위한 최소 전력량은 0.5~1.0kWh 이므로, 이를 충족하기 위해 염료감응형 태양전지는 하나의 모듈 당 면적 0.846m2, 유효 발전면적 0.55m2으로 계산해볼 때, 태양전 지 면적은 최소 약 13m2가 필요할 것으로 판단된다.
