Solarsysteme Sachsen GmbH의

태양광 에너지, 작동 원리부터 가격까지 한눈에 살펴보기 7

Boram Yang Boram Yang
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세계 최초로 태양광만으로 가동하는 공항이 인도에서 2015년 8월부터 운영되고 있다. 남부에 위치한 코친 국제공항이다. 46,000장에 달하는 태양 전지 패널을 사용하여 12MW의 발전이 가능하다. 태양열 시스템 구축을 위해 사용된 950만 달러는 앞으로 3년 안에 회수할 전망이라고 한다. 태양광 기술의 발전을 실감할 수 있다. 친환경, 저에너지 주택, 패시브 주택에 대한 수요가 꾸준하게 늘어나면서 태양열 발전 시스템에 대한 관심도 유지되고 있다. 

태양광은 국내외에 많은 사례가 있지만 그 비용이나 효율성, 관리에 대한 우려로 쉽사리 시도하지 못하는 경우도 있다. 또한, 우리나라에서 가장 흔한 아파트에서도 태양열 시스템을 설치할 수 있는지, 얼마나 오래 사용할 수 있는지 등 궁금한 부분도 있을 것이다. 그래서 오늘의 기사를 준비했다. 지금부터 태양 전지를 설치한 다양한 주택 사례와 함께 태양광 발전 시스템에 대한 전반적인 정보를 소개한다. 

어떤 원리로 작동하는가?

태양광 발전은 태양 빛을 바로 전기로 전환하는 태양 전지 등을 이용해 태양의 빛 에너지에서 전기를 얻는 시스템이다. 빛도 낮은 준위의 전자기파이다. 빛 에너지가 전자를 생성하고, 전자의 이동으로 전류가 발생하는 광전효과(Photovoltaic effect)의 발견이 태양광 발전의 출발점이 되었다. 태양 전지에는 반도체 PN 접합을 사용한다. 태양 빛이 이 태양전지에 닿으면 P형 반도체 내부에 전자(-)와 정공(+) 쌍이 생성된다. 전자와 정공이 전기장에 의해 전자 N층으로, 정공은 P층으로 이동하면서 전위차가 발생한다. 그래서 전극에 모터와 같은 부하를 연결하면 전류가 발생한다. 태양전지는 이렇게 전류를 흐르도록 하지만, 전기를 저장하는 기능은 없다. 그래서 반드시 전기를 저장하는 축전지가 필요하다. 태양전지(solar cell)를 여러 개 연결해서 만든 태양전지판 모듈을 다시 여러 개 연결하면 가정에서 사용가능할 만큼 충분한 양의 전기가 생산된다. 이 전기는 직류이므로 교류로 전환해주는 인버터를 통과하게 하면 가전기기용 전기를 얻을 수 있다. 

설치 비용

FASA AG의  주택

태양광 수요 전망은 밝지만, 가격 경쟁으로 가격은 계속 내려가고 있다. 하지만 여전히 다른 에너지원과 비교하면 발전 단가가 높은 편이다. 설치 비용은 가정용 3kW를 기준으로 약 550~650만 원 정도가 소요된다. 서울시를 비롯한 각 지차체에서 보조금을 지원하고 있지만, 액수가 설치비의 절반에도 못 미치는 수준이다. 7년간 고장없이 사용한다 해도 1년에 90만 원 가량의 금액을 부담해야 한다. 이에 대한 대안으로 한국 에너지 공단에서는 태양광 대여사업을 시작했다. 가정에 태양광 걸비를 설치, 대여해주고 이후 절감되는 전기요금 일부를 대여료로 납부하는 제도이다. 

정육면체를 비스듬히 꽂아놓은 듯한 형상의 사진 속 주택은 독일의 시공업체 FASA AG의 프로젝트이다. 목재 파사드와 개비온 월로 조성한 테라스 등 주변 환경과 조화되도록 자연과 가깝게 디자인된 외관이 인상적이다. 남쪽의 지붕에 약 50m²에 달하는 넓이의 태양전지가 설치되어 있다. 태양전지를 지붕에 낸 천창과 같은 크기, 비율의 정방형으로 제작하여 하나의 패턴처럼 정교하게 면적을 채웠다. 겨울 기준으로, 난방과 온수에 필요한 에너지를 85%가량을 태양전지에서 발생된 전기로 충당하고, 나머지는 장작 벽난로나 다른 계절에 저장되었던 축전지의 전기를 사용한다. 이 프로젝트에 대해 자세히 알아보고 싶다면 이곳을 클릭하자.

전기 요금 절감

London Swimming Pool Company의  수영장
London Swimming Pool Company

Double Award Winner – Engineering First Creates Super Energy Efficient Pool

London Swimming Pool Company

태양광 발전 시스템은 초기 비용이 많이 드는 대신, 설치 이후에는 큰 경제적 효과를 얻을 수 있다. 보통 매달 기존 전기 요금의 80% 정도가 절감된다. 예를 들어 전기 사용량이 매월 400kWh인 가정의 경우, 태양광 전지의 한 달 평균 전기 생산량이 324kW으로, 76kW에 해당하는 전기 요금만 납부하면 된다. 400kW을 사용하는 가정의 전기료는 78,850원이고, 76kW의 전기료는 5,700원으로 한 달에 73,150원을 절감할 수 있다. 600kW를 사용하는 가정은 기존의 전기료 217,350원에서 276kW의 전기료인 39,260원으로 무려 178,090원을 절감할 수 있다. 전기 사용량이 많은 가정일수록 경제적 이익이 크고, 기존에 4~6만 원 정도에 전기세를 냈던 가정이라면 큰 도움이 되지 않으니 태양전지 설치 전 이 부분을 반드시 고려해 보아야 한다. 전기 사용량에 따라 다르지만, 설치 비용을 회수하는 손익분기점은 대체로 4~5년 정도가 걸린다. 에너지 비용은 오르는 경우는 있어도 떨어지지 않으므로 시간이 갈수록 이 기간은 줄어들게 된다. 

사진은 영국의 수영장 전문 업체 LONDON SWIMMING POOL COMPANY의 프로젝트로, 태양광 전지를 이용해 항상 28도의 물 온도를 유지하도록 설계하였다. 지붕에 80개의 태양전지가 설치되어 있고, 여기서 발생하는 전기가 수영장 환경 유지에 필요한 모든 열을 제공하는 지상의 열펌프를 작동하게 한다. 에너지 효율을 높이기 위해 배관설비에 박막 코팅된 유리섬유를 단열재로 사용했다.

얼마나 유지되는가?

현재 기술로 태양광 발전 시스템의 수명은 25년 정도로 보고 있다. 그 이후로는 전기 생산량이 감소하기 시작한다. 인버터는 20년 정도의 수명을 가진다. 태양광 패널은 물리적인 충격을 가하지 않는 이상 잔고장이 거의 없는 반면 인버터는 고장 날 가능성이 있는데 인버터의 보증 기간이 대부분 5년 정도이다. 몇십만 원 대부터 몇백만 원 대까지 가격대가 다양하게 분포되어 있는 만큼 처음부터 신중하게 선택하는 것이 좋다. 패널 뿐 아니라 축전지의 성능도 중요한데, 납 축전지는 2~3년, 젤타입 축전지는 6~7년 정도의 수명으로 주기적으로 교체해야 한다.

사진은 독일의 시공업체 MASSA HAUS GMBH의 프로젝트로, 에너지 효율성을 높인 조립식 건물이다. 독일의 지속가능한 건축물 인증제도인 DGNB의 기준을 충족하여 친환경 건축물로 인증된 주택이다. 모던한 외관에 출입구까지 이어지는 차고의 지붕이 포인트가 된다. 박공지붕위로 태양전지가 설치되어 있다.  

어디에 설치하는가?

Ecosa Institute의  주택
Ecosa Institute

Container home front street view

Ecosa Institute

태양광 발전 시스템의 효율을 극대화하기 위해서 대부분 남향에 설치한다. 남향으로 난 공간이 있더라도 다른 건물이나 나무처럼 태양을 가리는 요소가 없어야 하니 설치에 앞서 주변 환경을 잘 파악해야 한다. 대지의 조건이나 건물 구조에 따라 정남향으로 난 공간이 없을 수도 있는데, 남동향, 남서향의 경우에도 설치가 권장된다. 동향, 서향, 북향의 경우에는 상대적으로 효율이 낮지만, 서향으로 배치하면 전력 수요와 전기료가 최고치에 도달하는 늦은 오후에도 전력 생산이 가능하다는 장점이 있으니 참고하자.

지붕이 편평한 컨테이너 하우스에도 태양 전지를 설치할 수 있다. 외벽의 민트색이 화사한 느낌을 주는 사진의 컨테이너 하우스는 미국의 친환경 디자이너 ECOSA INSTITUTE의 프로젝트. 6개의 화물용 컨테이너 박스를 재활용하여 제작된 이 집 지붕에는 태양 빛을 가장 잘 받을 수 있는 각도로 비스듬히 태양전지가 설치되어 있다. 또한, 빗물과 눈이 녹은 물을 저장하는 시스템을 갖추고, 재활용 데님을 단열재에 사용하는 등 여러 가지 측면에서 친환경적인 건물이다.

아파트에서도 사용할 수 있는가?

우리나라의 가장 보편적인 주거 형태가 아파트인 만큼, 태양광 발전 시스템을 아파트에서도 사용할 수 있는가가 중요할 것이다. 아파트 옥상에 태양광 패널을 설치하여 공용부 전력에 활용하는 경우는 있지만, 개인적인 사용 목적으로 옥상 공간을 사용할 수는 없다. 이에 대한 대안으로 베란다에 미니 태양 전지를 설치하는 사례가 늘고 있다. 실내에는 유리창에서 상당한 양의 태양광이 반사되며, 또 패널을 비스듬히 설치해야 하므로 생각보다 공간을 많이 차지하여 적당하지 않다. 보통은 난간에 거치대를 부착하여 설치한다. 설치 비용은 모듈의 발전량에 따라 차이가 있지만 보통 60만 원대가 들고, 서울시에서 절반의 해당하는 금액을 지원받을 수 있다. 하지만 실질적으로 한 달에 5,000~6,000원 정도에 해당하는 전기가 발전되므로, 비용적인 부분에만 초점을 맞춘다면 그리 효율적인 선택은 아닐 수 있다. 

사진의 건물은 일본의 건축가 Tabatasekkei의 프로젝트. 2층집의 꼭대기에서 1층의 문 위치까지 길게 내려오는 지붕 형태로 태양 전지를 설치하기 적격인 구조이다.   

지속가능성

Pracownia Projektowa ARCHIPELAG의  주택
Pracownia Projektowa ARCHIPELAG

Projekt domu Kornel VI (z wiatą) ENERGO

Pracownia Projektowa ARCHIPELAG

한 개인의 입장에서 비용, 효율성, 주거방식 등 여러 측면에서 따져보았을 때, 아직 태양광 발전 시스템은 선뜻 선택하기 어려운 옵션일 수 있다. 하지만 환경적 측면에서 보면 현재의 에너지 소비 형태를 점점 신재생 에너지로 대체하는 방향으로 가야 한다는 것은 틀림없는 사실이다. 세계적으로 태양광 시스템 가격의 하락률이 가속되며 2020년까지 석탄, 가스 발전 단가와 대등한 수준이 될 것이라는 전망이 있다. 향후 친환경적인 에너지일 뿐 아니라 저렴한 에너지로 자리 잡을 가능성을 기대해본다.

< Photographer : Pracownia Projektowa ARCHIPELAG >

친환경, 저에너지 등의 키워드에 관심이 많다면 이곳을 클릭하자. 패시브 하우스에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다.

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Casas inHAUS의  주택

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