제1장 서론
인류의 에너지 사용량과 산업의 발전은 비례하여 증가하였고, 그러한 에너지의 사용은 산업 혁명을 기점으로 훨씬 빠른 속도로 증가하고 있다. 산업혁명 이후 과학 기술의 발전을 기반으로 대량 생산에 대한 개념이 도입되었고, 따라서 에너지의 사용도 급속도로 증가할 수밖에 없었다.
우리나라의 에너지 사용은 지난 40여 년간의 경제개발 개혁과 맞물려 급속도로 증가하게 되었고, 고도의 성장을 이룬 현재 세계적으로 에너지 과소비 국가의 반열에 오르는 불명예를 얻게 되었다. 우리나라의 에너지소비량은 세계 10위이며, 특히 석유 소비량은 7위이다.
또한 OECD 국가 중 에너지 소비증가율은 1위로 에너지소비를 줄이고 에너지원을 다변화할 필요성이 증가하고 있다.
최근 국제 유가는 1배럴에 90달러를 넘어 100달러에 육박하고 있으며, 석유에 대한 의존도가 높고, 자체 에너지 보유가 빈약한 우리나
라에서는 새로운 에너지를 확보하는 것이 시급한 문제라 할 수 있겠다.
또한 화석에너지로부터 발생되는 온실가스(Green House Gas)가 지구 온난화의 한 요소로 지목되면서 1992년 브라질 리오에서 개최된 유엔환경개발회의에서 지구 온난화 대비하기 위해 전 세계적인 기구를 조직하기로 한 국제기후변화협약이 채택되었다. 국제기후변화협약에 가입된 선진국들은 1990년 대비 5.2%의 감축에 합의하고, 구체적인 시행을 논의하여 현재 여러 가지 프로그램을 통해 이산화탄소 배출 억제에 참여하고 있다. 우리나라는 아직 이산화탄소 배출 감축에 대한 의무는 없지만, 향후 논의되는 협약에서 선진국들의 요구사항을 외면하기 어려울 것으로 판단된다. 따라서 온실가스 배출저감을 위한 노력을 스스로 하여, 해결책을 찾고 적극적으로 화석에너지 사용을 줄일 수 있는 여러 가지 대안을 강구해야 할 것이다.
최근 우리사회는 에너지 절약 시책의 지속적인 추진으로 에너지 저소비형으로 전환되고 있으나, 에너지 소비 증가율의 서구 선진국의 0.2～0.4%인 반면에 약 10배에 해당하는 수준인 3.3%(2000년～2005년)으로 개선의 여지가 많은 실정이다. 또한 우리나라의 산업구조가 에너지 다소비형 산업구조로, 에너지 소비량에 비해 부가가치 창출력이 미흡하여, 국가 전반적으로 에너지 절약에 대한 인식이 부족한 실정으로 에너지 원단위도 OECD평균 0.199TOE/US천$(2004년도)보다 훨씬 높은 0.348 TOE/US천$(2004년도)로 에너지를 효율적으로 사용하지 못하고 있음을 나타내고 있다.
국제 유가의 폭등과 온실가스 배출에 대한 국제적인 규제 움직임 속에서, 우리가 필요로 하는 에너지를 확보하기 위해서는 화석에너지 의존도를 줄이고, 새로운 대체에너지의 개발이 절실한 상황이다.
제2장 기술동향
1. 대체에너지 기술 개요
화석에너지를 대신할 에너지라는 의미에서 시작된 대체에너지는 원자력, 천연가스의 사용이 증가하고, 에너지의 사용에 따른 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 청정에너지의 개념으로 사용되게 되었다.
우리나라는 에너지관리공단 산하 신재생에너지 센터를 설립하여 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 11개 분야의 에너지를 신에너지 및 재생에너지 이용, 개발, 보급 촉진법 제2조로 지정하여 지원하고 있다. 신재생에너지는 화석연료를 변환시켜 사용하거나, 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변화시켜 사용하는 에너지로 규정하고, 지원되는 분야의 에너지를 분류하면 재생에너지 8개 분야와 신에너지 3개 분야로 구분되며, 재생에너지 분야에는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지가 있으며, 신에너지 분야에는 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지가 있다.
이와 같은 에너지는 화석에너지를 대체한다는 의미에서 대체에너지 또는 신재생에너지라 말하고 있다. 여기서 연료전지와 지열의 경우에는 약간의 논란의 여지가 있지만 석유와 석탄에 대한 의존도를 줄이고 다양한 에너지원을 확보한다는 의미에서 포함하여 분류한다.
신재생에너지는 화석에너지와는 다르게 이산화탄소를 배출하지 않는 특징이 있다. 이산화탄소는 지구온난화의 주요 원인으로 지목되어 있으며, 전세계적으로 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 기후협약을 만들어 감축 의무를 부과하고 있다.
우리나라는 아직 감축의무 대상국에는 포함되어 있지 않지만, 향후 논의되는 기후협약에서 감축의무 대상국에 포함될 것이 확실시되기 때문에 이에 대한 대책이 시급하다.
신재생에너지는 한번 쓰고 없어지는 것이 아니라, 영원히 존재하는 에너지이다. 태양광이나, 풍력, 조력, 수력 등의 에너지는 아무리 사용해도 다시 사용이 가능한 에너지로 고갈되지 않는 특징이 있다.
신재생에너지는 과다한 초기투자의 장애 요인에도 불구하고 화석에너지 고갈 문제와 최근 이슈화되고 있는 온실가스 저감대책의 해결방안이라는 점에서 선진각국에서는 신재생에너지 분야에 과감한 투자와 연구개발을 수행하며, 신재생에너지 보급을 활성화시키기 위해 보급 지원 정책을 추진해 오고 있다.
요성이 재인식되면서 에너지 공급방식이 중앙공급식에서 지방분산화 정책으로 전환되는 시점에 있다. 이런 시점에서 환경, 교통, 안보 등을 고려한 지역 자원의 활용측면에서도 적극적인 추진이 필요한 시점이다.
신재생에너지 개발은 IT, BT, NT와 더불어 미래의 주력산업으로 성장할 것이 유력하며, 에너지와 환경이 뒷받침되지 못하는 산업구조는 치열한 에너지 경쟁에서 살아남지 못할 것이다. 따라서 현재의 신재생에너지 산업은 기술적으로나 경제적으로 여러 가지 측면에서 부족하지만, 정부의 적극적인 지원을 필요로 한 이유이기도 하다.
2. 태양광 에너지
태양광 발전은 햇빛을 받아 광전효과에 의해 전기를 발생시키는 태양전지를 이용한 기술로 태양광을 전기에너지로 변화시키는 기술이다. 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈과 축전지 및 전력 변환장치로 구성되어 진다.
가. 태양광전지 역사
태양전지의 역사는 1839년 프랑스의 E. Becquere과 최초로 광전효과를 발견하면서 시작되었다. 1870년대 H. Hertz는 Se의 광전효과 연구를 통해 Secell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용되기도 했다. 1940년대 이후 초고순도 단결정 실리콘을 제조할 수 있는 Czocharlski process가 개발되면서 태양전지의 기술도 발전할 수 있었고, 1954년 Bell 연구소에서 4%의 효율을 가지는 실리콘 태양전지를 개발하게 되었다. 이후 1958년 미국의 Vanguard 위성에 세계 최초로 태양전지를 탑재하여 발사되었으며, 이후 모든 인공위성에 태양전지를 사용하게 되었다. 그러나 태양전지를 실생활에 이용하기에는 가격적인 측면과 효율적인 측면에서 어려움이 있었다. 1970년대 전세계적으로 오일쇼크를 겪으면서 대체에너지 개발에 대한 관심이 고조되었으며, 무한에너지로 분류되는 태양광의 활용에 더 많은 연구비를 사용하게 되어, 태양전지 기술은 급속도로 발전할 수 있었다. 현재 태양전지는 전지효율이 7～17% 수준이며, 수명이 20년 이상 되는 수준에까지 이르게 되다. 모듈의 가격은 $6/w 수준이며, 발전비용도 $0.25~0.5/kwh 정도의 기술수준에 이르게 되었다. 아직 태양전지의 기술 수준이 만족할 만한 수준은 아니지만, 향후 원유가격이 지속적으로 상승하고, 화석에너지 사용에 대한 규제가 심할 경우에는 충분한 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
나. 태양광전지 원리
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지(photocell)로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 PN 접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용하여 전기를 발생시킨다. 태양전지는 금속과 반도체의 접촉을 이용한 방식과 반도체의 PN 접합을 이용한 방식이 있으며, 전자의 경우에는 셀렌 광전지와 아황산구리 광전지가 있고, 후자의 경우에는 실리콘 광전기가 있다. 
실리콘 태양전지는 반도체 기술의 발전과 함께 자연스럽게 개발되었다. 실리콘 전지는 전기적 성질이 다른 N (negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시켜 만들며 2개의 반도체의 접합부분을 PN접합(PN-junc-tion)이라고 한다. 태양전지에서 태양 빛은 지속적으로 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛을 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 (+) 성격을 가지는 정공(hone)과 (-) 성격을 가지는 전자(electron)가 발생되어 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체 쪽으로 이동하고, 정공(+)은 P형 반도체 쪽으로 모이게 되어 양쪽 반도체 사이에 전위차가 발생하게 된다. 
따라서 전지의 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는데 이것이 태양전지의 PN 접합에 의한 태양광발전의 원리이다.
태양전지는 태양광을 이용하므로 무제한으로 사용가능하며, 매우 깨끗한 에너지원이다. 그리고 전력이 필요한 곳에 필요한 용량을 설치하여 사용하므로 설치장소에 구애를 받지 않는다. 또한 태양전지와 부대설비를 설치함으로써 별도의 유지보수가 필요치 않으며, 무인운전이 가능한 장점이 있다. 최근 태양전지 기술발전에 의해 가격이 저렴해 지고 있으며, 전지의 수명도 20년 이상으로 연장되었지만, 아직 초기투자비와 발전단가가 기존 화석연료에 비해 높다는 단점이 있어 지속적인 기술개발이 필요하다.
다. 태양광전지의 구성
태양전지를 설치하기 위해서는 태양광을 모으기 위한 태양전지 어레이를 햇볕이 잘 드는 곳에 설치한다. 전력조절 장치에서는 태양전지가 주어진 조건에서 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 생성된 전기는 직류로 가정에서 직접 사용이 불가능하므로 교류로 전환시켜주는 인버터(Inverter)가 설치된다. 또한 햇볕이 강한 낮에 전기를 많이 생산 했다가 밤에 사용이 가능하도록 전기를 저장하는 축전기기 설치된다. 또한 장마철이나 태풍 같은 기상조건에서는 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 것이 불가능하므로 보조발전기가 설치되거나 기존의 전력선에서 전기를 인입할 수 있도록 구성된다. <그림 2>에 태양전지 설치 시스템이 있다.
라. 국내 현황
국내 태양전지의 설치실적은 급속도로 증가하고 있다. 대표적인 설치 장소로는 하화도(60kw급), 와도(30kw급), 창원시청(30kw급), 삼성연구소(100kw급) 등이 있으며, 소규모로 가로등 조명으로 보급되고 있다.
대구시의 경우 2008년 말까지 900여 곳의 공공기관과 학교 옥상에 태양광발전시설(즉, 솔라캐노피)을 설치하기로 했다. 사업비는 3천 500억 원이며, 1만6천 6백 가구에 전기공급이 가능한 50MW 규모의 전력을 생산한다. 대구 환경시설공단 서부사업소에 들어서는 태양광 발전소는 도심에 들어서는 것으로서는 세계 최대인 57,000m² 규모이다. 또한 2012년 완공되는 신서혁신도시에는 세계 최대의 솔라타운을 건설할 계획이다.
자료 : 한국과학기술정보연구원
- 목 차 -
제1장 서론
제2장 기술 동향
1. 대체에너지 기술 개요
2. 태양광 에너지
3. 태양열 에너지
4. 풍력 발전
5. 연료전지
6. 수소에너지
7. 바이오에너지
8. 폐기술에너지
9. 석탄 액화 가스화
10. 지열
11. 소수력 에너지
12. 해양에너지
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