1. 개요
□ 연구목적
○ 현재 인류는 필요한 에너지의 대부분을 화석에너지에 의존하는데 이는 오랜 시간 동안 사용하여 고갈되고 있다. 또한 화석에너지는 환경오염의 원인으로 추정되고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 개발된 대체 에너지 중 가장 각광받는 것은 태양광 에너지이다. 태양광 에너지는 에너지원을 무제한으로 얻을 수 있고 친환경적이라는 장점이 있는 반면, 고가이고 일조량에 영향을 많이 받으며 에너지 밀도가 낮아 큰 설치면적 이 필요한데 이는 자가용 태양광 발전시스템 수요가 커지는 현실에서 큰 단점이다. 본 연구는 에너지 밀도가 낮다는 단점을 해결하기 위하여 식물이 효율적인 광합성을 위해 최적의 집광구조를 가지는 방향으로 진화해 왔다는 가정 하에 식물의 구조를 모방한 공간절약형 태양판 모델 을 제작하는 데 목적이 있다.
□ 연구범위
○ 연구 분야
본 연구를 수행하기 위해 필요한 지식의 분야에는 식물학, 물리학, 공학 등이 있다. 비교적 모델에 적용하기 쉬운 초본식물의 잎 나기 구조를 적용 하여 효율적인 집광장치를 만들었다. 초본식물의 잎 나기 구조에는 호생, 대생, 윤생 등이 있다. 모델을 만들 때 태양 전지 배치를 초본식물의 잎 나기 구조로 배치하였다. 또한 모델에 사용할 패널과 전력 측정기의 연결을 위해 패널의 직렬연결, 병렬연결 등을 고려하였다.
○ 진행 단계
초본식물의 구조를 적용하기 위해 잎의 나기에 따라 한가지 씩 전체 세 종류의 식물을 선정하여 세 가지의 각도와 거리를 측정하여 평균화하였 다. 수치화한 데이터를 이용하여 직접 모델을 만들었다. 그리고 전지 패널
로 만든 모델의 효율을 알아보기 위하여 멀티미터로 측정하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 선행 연구 내용 - 최적 설치 형태
태양 전지는 대부분 평면 패널 모양으로 하지만 태양열 발전의 경우에는 돔 형식이나 휘어진 형태로 설치하는 경우도 있다(김종규, 2011). 또는 평면 패널 모양을 여러 개 이용하여 전체적인 설치 모습을 원형으로 하기도 한다.
- 최적 각도
집광의 최적 효율을 얻기 위한 태양판과 지면의 각도에 대하여 많은 연구가 되어 있다. 최대 일조량은 여름일 경우 낮은 경사각도에서, 겨울철 일 경우 높은 경사각도에서 나타난다.(오세경, 2012). 한국에서 시행된 연구 결과에 따르면, 봄에는 35°, 여름에는 5°, 가을에는 45°, 겨울에는 60°
가 최대 효율을 가진다고 한다(김정환, 2009). 가정에 설치하여 집의 지붕에 사용할 시에는 최적 각도는 30°이다. 하지만 겨울철 쌓이는 눈의 무게를 고려하면 35°가 이상적이라고 볼 수 있다(최동진, 2009). 또한 고정식 태양전지의 발전량과 추적식 태양전지의 발전량을 비교해 본 결과, 추적식 태양전지의 발전량이 최대 약 30∼40% 정도 성능이 뛰어나다(최동진, 2009).
○ 이론적 배경
- 집광 효율 증대를 위해 진화한 식물체의 구조
식물은 한 줄기에서 가지, 가지에서 잎으로 뻗어나가는 위치와 방향이 각각 다른데, 이는 광합성을 하는 잎이 서로 겹치지 않도록 하여 좁은 공간
내에서 최대의 집광효율을 갖게 하기 위함이다. 이것은 목본식물과 초본식물 등 대부분의 양지식물에서 나타나는데, 태양빛이 비치는 위쪽에서 식물을 내려다보면 잎끼리 최대한 겹치지 않도록 공간배치가 이루어져 있는 형태임 을 확인할 수 있다.
- 식물 잎의 구조
식물의 잎이 나는 구조에는 호생, 대생, 윤생, 총생이 있다. 그 중 총생은 전지 패널로 표현하기에 어려움이 있어 비교 대상에서 제외시켰다.
- 태양광발전
태양광 발전은 태양광을 이용하여 전자 이동에 필요한 에너지를 공 급하는 것으로 미래의 대체에너지원으로 각광받고 있다. 이는 크게 박 막, 실리콘 결정형, 그리고 집광형 태양전지로 구분되는데, 박막 태양 전지는 얇고 태양광이 투과 가능하게도 만들 수 있어 현재 연구의 중 점이 된다. 또한 면적을 작게 하면서도 광량을 수백 배로 가지는 집광 형 전지가 개발되었다(박원규, 2012). 실리콘 결정형 태양전지는 두껍 고 선형 패널이다. 현대의 태양광 발전기는 대부분 실리콘 결정형 태 양전지로, 선형이고 부피가 매우 크며 태양광이 90°로 입사할 때만 고효율 발전이 가능하다. 본 실험에 사용한 태양광발전 패널은 염료감 응형 플랙시블 모듈로 만든 고정축 어레이이다.
- 진주 A 태양광 발전소 : 경상남도 진주시 명석면 광제산 소재
진주 A 태양광 발전소를 견학하여 얻은 월간 발전량을 분석한 결과 빛의 세기가 강해 발전량이 가장 높을 줄 알았던 8월은 오히려 가장 낮았고 여름보다 봄, 가을이 오히려 더 높은 발전량을 보였는데 이는 여름에는 장마기간이 있기 때문에 월간 발전량이 낮은 것으로 판단되 었다. 즉 장마기간과 같이 기상현상으로 인하여 여름의 월간 발전량이 낮을 것이라고 판단하였는데 일일발전량을 분석한 결과 여름의 날씨가 맑은 날의 일일발전량 역시 봄의 맑은 날의 발전량보다 낮았다. 이런
현상의 원인은 여름철 고온으로 인한 태양패널의 효율이 떨어진 결과 이다(오세경, 2012).
월
년 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 4195 3839 5121 4728 3719 3798 2960 2521 3521 3893 2710 3510 2012 3403 3946 4041 4383 4152 3092 3192 2972 3713 4432 3435 3201 [표 1] 진주 A 태양광 발전소의 월간발전량(kWh)
발전량 (kwh)
발전량 (kwh)
<2011년> <2012년>
[그림 1] 진주 A 태양광 발전소의 2011, 2012년 계절별 발전량 비교
- 태양광 발전 방식
① 고정식: 설치비가 낮으며 설치면적과 유지비용이 적은 것이 장점이다. 태 양광 어레이를 연중 가장 잘 집광할 수 있도록 방위각과 음영을 고려하여 설계한 방식이다.
② 단축 추적식: 태양광 어레이가 태양의 위치를 따라 동에서 서 또는 남에서 북으로 움직인다. 경사 고정형에 비해 설치면적에는 큰 차 이가 없지만 10~15% 정도 발전량이 많다.
③ 양축 추적식: 태양광 어레이가 태양의 위치를 따라 상하좌우로 움직 인다. 경사 고정형에 비해 20~30% 발전량이 많으나, 설치면적이 2 배 정도 필요하다. 설치비용 또한 50~70% 증가하며, 설치 후 사후 관리가 필요하다.
□ 연구주제의 선정
○ 조원 중 한 명이 발명대회를 준비하던 중 식물의 집광 효율에 관한 논문을 읽고 아이디어를 얻었다. 이를 태양전지에 적용시켜 식물 구조를 모방한 태양 전지 모델 연구 및 제작을 하였다. 중간보고서 feedback을 받은 뒤 식물에서 얻은 데이터만을 이용하지 않고, 최대한 태양광 집광을 효율적으 로 하는 모델을 잎 사이간의 거리, 공간각도는 식물의 구조로 하되 이 외의 조건은 직접 정하여 제작해보기로 하였다. 처음에는 임의의 식물 3종을 측정하려고 하였으나 지도교사 선생님의 조언을 따라 잎의 나기에 따라 초본식물 3종(개망초, 뚱딴지, 꼭두서니)을 선정하였다.
□ 연구 방법
○ 모델 제작
- 식물 측정값 측정
태양 전지 모델 제작에 앞서 먼저 식물의 집광 구조를 분석하였다. 그 중 특히 잎의 배치에 주목했다. 잎의 배치의 특성 중 빛의 집광에 영향을 주는 각도 3가지를 선정했다. 잎자루-줄기 사이의 각도, 잎의 수평각, 잎자루 의 공간각도 3가지의 각도를 측정하였다.
[그림 3] 잎의 공간 각도 [그림 2] 잎자루-줄기 각도, 잎의 수평각
또한, 가지 간 거리와 첫 잎까지의 비율을 측정하였다. 우리는 처음에 재현하기에 어려움이 있어 태양의 움직임을 고려하지 않았다가 효율을 높이기 위해 처음 생각했던 줄기에 모터를 추가하기로 하였다. 태양의 일주 운동을 따라 본체 부분이 움직이면서 효율을 높게 할 수 있었다.
- 모델 제작
전력과 전압을 측정하는 과정에서 사용해야 할 전선을 고려했는데 직접 물리 선생님께 자문을 구해 구리 도선의 저항을 기계를 이용하여 확인을 하였다. 그 결과 구리 도선의 저항이 낮아서 병렬연결을 해도 문제가 없을 것이라 확인을 하고 사용하기로 하였다. 따라서 우리는 태양 전지에 납땜을 하여 얇은 구리 도선에 연결해 전력과 전류를 측정하기로 하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 월별 연구 추진 실적
월 활동 사진
4월 연구 주제 고안
5월 참고문헌 검색
6월 실험준비물 및 모델 제작
준비물 주문
7월 목본 측정값 수집
[목본의 공간배치 조사 장면]
8월 초본 측정값 수집
[초본의 공간배치 조사 장면]
9월 식물을 잎의 나기에 따라 분류한 후 측정값을 수집
10월 측정값 정리 및
모델 제작
(a)
(b)
(c)
(d) [모델 제작 과정]
11월 실험 마무리 및 보고서 제출
(a)
(b)
[(a), (b)는 발전량 측정 과정]
○ 지출내역
세부 항목 산출 내역 예산 집행 잔액
연구과제 추진비
국내출장비 협의회비
45,000 630,000
45,000 630,000
0 0
연구수행 책임지도교사 수당
공동지도교사 수당
1,400,000 700,000
1,400,000 700,000
0 0 연구장비 및
재료비 실험실습재료비 3,422,700 3,422,700 0
연구활동비 참고교서 구입비 802,300 802,300 0
계 7,000,000 7,000,000 0
○ 시설 활용 실적
[그림 4] 진주 A 태양광 발전소 외부 [그림 5] 진주 A 태양광 발전소 내부
- 진주 A 태양광 발전소 견학
경상남도 진주시 명석면 광제산에 위치한 태양광 발전소를 견학하였다.
이곳에서 현 태양광 발전은 봄·가을과 여름, 겨울에 따라 패널의 각도를 45°, 30°, 55°로 달리한다는 것과 전력량은 계절에 따라 달라지는데 한 달에 대략 3000~5000kWh 정도로 발생시킨다는 것을 알 수 있었다.
○ 연구 방법
① 잎의 나기 종류에 따라 3종의 식물(개 망초, 뚱딴지, 꼭두서니)을 선정하여 3가지의 각도(잎의 수평각, 잎자루의 공간각도, 잎자루와 줄기 간의 각도), 가지 간 거리, 첫 잎까지의 거리 및 전체 길이를 측정하였다.
② 측정한 데이터를 처리하여 평균값을 도출한다. 첫 잎까지의 거리는 전체 길 이로 나누어 비율을 내었다.
③ 식물의 잎 공간배치 구조 3가지(호생, 대생, 윤생)을 모방한 구조로 각각 2개씩 총 6개의 태양광 발전 모델을 제작하되, 3개씩 하나의 군로 구성하
[그림 6] 초본 측정값 수집 과정
여 A, B 그룹을 만들었다. A 그룹은 식물의 가지간 거리, 3가지 각도 등 모든 면에서 식물을 완벽히 모방하도록 하였다. 모든 값을 그대로 사용하여 집광장치를 만들었다. B 그룹은 인위적인 값을 가진 집단으로, 잎의 나기 구조, 공간각도는 A 그룹과 동일하고, 패널의 각도와 가지간 거리 등은 모두 추리와 계산, 이론적 배경을 기초로 둔 값이었다.
④ A, B 그룹을 태양의 일주운동과 태양의 연주운동에 모두 적용시킨 후 5반복 실험하였다.
일주운동의 경우, 광원을 15°씩 이동시키는 방법으로 측정하였다.
연주운동의 경우, 춘·추분(55°), 동지(31.5°), 하지(78.5°)의 태양 고도 를 고려한 것이므로 광원의 고도를 조절하는 방법을 택하였다. 이 조건 내에서 위의 실험을 똑같이 수행하였다.
⑤ 측정한 값을 이용하여 효율을 비교하여 가장 높은 효율을 나타내는 태양 전지 모델을 찾아낸다.
광원 태양고도 및
광원조절판
(a) (b) (c)
[그림 7] 태양의 움직임을 모방한 광원장치 모식도. (a)는 앞면, (b)는 옆면, (c)는 뒷면
○ 모델 제작 과정
① 원기둥의 형의 길이 70cm, 지름 2cm의 각목 6개를 이용하여 3개는 식물의
가지 간 거리를 대입하여 톱으로 각목에 흠을 낸다. 나머지 세 개는 각목 전체에 태양패널이 배치될 수 있도록 임의로 거리를 계산한다.(이 때 태양패널의 개수는 어긋나기의 최대 개수에 맞춰 20개로 맞추었다)
② 철사를 이용하여 윤생, 대생, 호생의 잎 모습을 그대로 본 따서 흠이 난 곳에 감아서 만든다.
③ 태양전지를 철사에 테이프를 이용하 여 고정시킨다. 이 때 태양전지는 (+) 극이 각목을 바라보게 하여 모든 태양 전지의 방향을 동일하게 하였다.
④ 구리도선을 이용하여 태양전지를 연 결한다. 이 때 전선이 태양전지에 도달 하는 빛을 가로막지 않게 주의하며, 되 도록 피복을 벗긴 구리도선을 이용하 여 전선의 부피를 줄이도록 한다.
⑤ 전지의 연결은 병렬 방식으로, (+)극끼리 모두 연결하고 (-)극끼리 모두 연결하여 최종적으로 테스터에 연결한다.
[그림 9] 실제 윤생
모델 [그림 10] 태양전지 모델(평면 및 식물 모델)
○ 실험 과정
[그림 8] 모델 제작 과정
① 제작한 6개의 식물 모형 모델과 평면 패널 모델의 효율을 암실에서 실험 하였다. 조도계를 이용하여 7개의 모 델에 도달하는 빛의 양이 동일한지 확인한 뒤 실험을 수행하였다.
② 일주운동을 고려하여 태양이 1시간 당 15°씩 일주운동을 한다는 사실 을 고려하여 광원을 이동시키면서 일일 전력량을 측정하였다. 한 회당 5차례씩 반복 측정하였다.
③ 연주운동을 고려하여 춘·추분(55°), 동지(31.5°), 하지(78.5°)에 따라 광원의 고도를 다르게 하여 위의 방법과 동일하게 측정하여 어느 계절에 어떤 모델이 가장 효율이 높은지 확인하였다.
④ 모든 데이터 값으로 평균을 내어 어떤 모델이 가장 효율적인지 찾아낸다.
○ 시행착오 극복
- 식물을 선정하는 과정에서 어려움이 있었다. 처음에는 잎의 구조가 명확히 보이는 종을 선별하여 측정하였지만, 이를 일반화시켜 모델에 적용하기에는 무리가 있었다. 몇 차례의 시도 후 식물 잎의 공간배치 방식에 따라 측정을 하였다. 이후 새로운 측정값을 모델에 쉽게 적용시킬 수 있었다.
- 태양의 움직임을 고려하여 광원에 따라 이동하는 태양 추적식 전지를 적용시키려 하였다. 태양 추적식 전지들은 태양빛을 감지하는 센서를 달거나, 지역에 알맞게 미리 입력된 데이터를 통해 태양을 따라서 움직이 지만 본 연구에서 그러한 기능을 똑같이 재현하기에는 어려움이 있었기 에 그에 대한 대안으로 모터를 이용하여 모델을 회전시키도록 계획하였 다. 즉, 24시간 동안 360°를 이동하도록 하여 모델이 광원을 따라 움직일
[그림 11] 시간대별 발전량 측정 장면
수 있도록 제작을 계획하였다.
실제 식물이 태양을 따라 이동한다 하여도 외형적으로 크게 변화를 보이지 않기 때문에, 모터를 이용하면 식물의 구조를 모방하는 것이 아니라는 의견이 나왔다. 본 연구의 목적은 식물의 구조를 그대로 적용시 키는 것이 아니라 식물의 구조를 참조하여 가장 효율적인 모델을 만드는 것이므로 위의 문제점은 크게 영향을 주지 않는다. 그럼에도 불구하고 광원의 이동을 계산해 모터를 만들면 모델의 비용 또한 고가이고 모델이 회전하면서 패널에 빛이 수직으로 들어온다는 보장 또한 없기 때문에 모터를 연속적으로 이동하는 대신 1시간을 기준으로 15° 회전하여 태양 의 주기와 일치시키면서 측정하였다.
- 태양 패널들을 전선을 이용하여 연결시킬 때 납땜을 하는 방안을 생각하 였다. 초기에 에나멜선, 전선 등을 이용하여 태양 패널들을 연결할 생각 을 하였지만, 모델에 태양패널을 부착할 때 부착한 후 납땜하는 것은 어려웠고 납땜을 한 뒤에 태양패널에 부착하는 것 또한 어려움이 있었다.
그리하여 집게전선을 이용하여 연결하는 방안을 생각하게 되었다.
예비 실험 결과 집게전선의 경우 집게의 무게가 무거워 패널이 원하는 형태로 구성되지 못했고 빛의 가림 또한 심할 것으로 판단되었다. 따라서 피복을 벗긴 구리 도선을 이용하여 최대한 부피를 줄이는 방법으로 납땜 을 선택하였다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과 ○ 실험결과
측정 결과 호생인 식물과 대생인 식물의 공간각도의 평균값은 비슷했다.
또 호생 식물의 잎자루-줄기 간 각도는 대생 식물보다 조금 작았고 잎의 수평각은 월등히 컸다. 한편 윤생으로 잎이 난 식물로 선정한 것이 꼭두서 니인데, 이는 덩굴식물로써 각도를 명확히 알 수 없었다. 따라서 잎의 크기 와 가지간 거리만을 측정하였다. 세 종류 식물 중 잎의 나기가 호생인 식물 의 가지간 거리가 가장 짧았고, 그 다음이 대생, 그 다음이 윤생이었다.
Item 호생 대생 윤생
잎자루-줄기( °) 49.9 52.3 -
잎의 수평각( °) 40.8 13.1 -
공간각도( °) 160.8 161.6 -
가지간 거리(cm) 2.6 4.8 8.2
비율 0.16 0.34 0.16
잎의 크기 (극대-극소) (cm) - - 4.2∼3.3
전체길이(cm) - - 60
[표 2] 식물의 측정값
- 전압 및 전류 측정
전류, 전압의 측정 결과 B그룹의 윤생이 가장 높은 효율을 보였다. 단축의 경우 평면패널에 비해 하지, 춘추분, 동지 전압이 각각 27.3%, 19.1%, 32.2%
높았으며 고정축일 경우 13.5%, 21%, 7% 높았다. 전류를 비교하면 하지, 춘추 분, 동지전류가 단축일 경우 79.5%, 61.5%, 74%, 그리고 고정축일 경우 64.7%, 64.9%, 46.3% 높았다. 단축이 고정축에 비해 효율이 약 3%(전압)정도 높았다.
하지만 전류는 고정축이 단축에 비해 2.7%정도 높았다. 즉, 전체적으로 효율은 큰 차이가 없었다.(표 3 및 4)
전압(V)
고정축 어레이 단축 어레이
하지 춘·추분 동지 하지 춘·추분 동지
A군
호생 0.206415 0.154985 0.114077 0.178754 0.150031 0.117862 대생 0.215015 0.138662 0.091354 0.172692 0.116415 0.077892 윤생 0.176646 0.117831 0.052708 0.219692 0.139354 0.075338
B군
호생 0.039908 0.164923 0.309031 0.069108 0.184446 0.335677 대생 0.164923 0.107462 0.069723 0.184446 0.105785 0.096046 윤생 0.309031 0.287831 0.234554 0.335677 0.2736 0.273585 평면 0.272185 0.237831 0.219385 0.263738 0.229615 0.207015 [표 3] 전압 및 전류 측정(일평균)
전류(mA)
고정축 어레이 단축 어레이
하지 춘·추분 동지 하지 춘·추분 동지
A군
호생 0.275292 0.199492 0.144477 0.237231 0.196738 0.15 대생 0.244077 0.1536 0.099431 0.196585 0.128092 0.085569 윤생 0.223477 0.144615 0.063369 0.291615 0.170923 0.086385
B군
호생 0.049292 0.185677 0.009677 0.079308 0.039354 0.024031 대생 0.185677 0.116477 0.078862 0.215338 0.115892 0.089385 윤생 0.345923 0.307292 0.241385 0.353385 0.276031 0.274292 평면 0.209985 0.186354 0.164985 0.196923 0.170938 0.157677
발전량 순서 전압
춘·추분 하지 동지
1 B그룹 윤생 고정축 B그룹 윤생 단축 B그룹 윤생 단축
2 B그룹 윤생 단축 B그룹 윤생 고정축 B그룹 윤생 고정축
3 평면 고정축 평면 고정축 평면 고정축
4 평면 단축 평면 단축 평면 단축
5 A그룹 호생 고정축 A그룹 윤생 단축 A그룹 호생 단축
6 A그룹 호생 단축 A그룹 대생 고정축 A그룹 호생 고정축
7 A그룹 윤생 단축 A그룹 호생 고정축 B그룹 대생 단축
8 A그룹 대생 고정축 B그룹 대생 단축 A그룹 대생 고정축
9 A그룹 윤생 고정축 A그룹 호생 단축 A그룹 대생 단축
10 A그룹 대생 단축 A그룹 윤생 고정축 A그룹 윤생 단축
11 B그룹 대생 고정축 A그룹 대생 단축 B그룹 대생 고정축
12 B그룹 대생 단축 B그룹 대생 고정축 A그룹 윤생 고정축
13 B그룹 호생 단축 B그룹 호생 단축 B그룹 호생 단축
14 B그룹 호생 고정축 B그룹 호생 고정축 B그룹 호생 고정축
[표 4] 전압 계절별 발전량 순서
발전량 순서 전류
춘·추분 하지 동지
1 B그룹 윤생 고정축 B그룹 윤생 단축 B그룹 윤생 단축
2 B그룹 윤생 단축 B그룹 윤생 고정축 B그룹 윤생 고정축
3 A그룹 호생 고정축 A그룹 윤생 단축 평면 고정축
4 A그룹 호생 단축 A그룹 호생 고정축 평면 단축
5 평면 고정축 A그룹 대생 고정축 A그룹 호생 단축
6 평면 단축 A그룹 호생 단축 A그룹 호생 고정축
7 A그룹 윤생 단축 A그룹 윤생 고정축 A그룹 대생 고정축
8 A그룹 대생 고정축 B그룹 대생 단축 B그룹 대생 단축
9 A그룹 윤생 고정축 평면 고정축 A그룹 윤생 단축
10 A그룹 대생 단축 평면 단축 A그룹 대생 단축
11 B그룹 대생 고정축 A그룹 대생 단축 B그룹 대생 고정축
12 B그룹 대생 단축 B그룹 대생 고정축 A그룹 윤생 고정축
13 B그룹 호생 단축 B그룹 호생 단축 B그룹 호생 단축
14 B그룹 호생 고정축 B그룹 호생 고정축 B그룹 호생 고정축
[표 5] 전류 계절별 발전량 순서
○ 연구결론
- 기존의 평면 태양패널은 공간을 많이 차지하고 그로 인해 설치비가 많이 드는 한계가 있다. 이에 식물의 구조를 응용하여 만든 윤생모델은 효율이 가장 높았다. 이는 윤생의 구조에서 이유를 찾을 수 있을 것이다. 본 연구에서 는 B그룹의 윤생모델의 각도를 설정할 때 단축에 맞게 설정하였다. 즉, 15°씩 돌릴 때에도 항상 태양판이 광원을 향하도록 설정하였다. 또한, 윤생모델에서 는 태양 전지 사이의 거리가 다른 모델에 비해 커서 서로 그림자를 드리우지 않았다. 이 모델은 기존의 평면 모델에 비해 면적을 약 절반 정도로 차지하고 효율은 평균적으로 약 20%(전압), 65%(전류) 정도 효율이 더 높다. 또한 평면패 널과 같이 최대 효율을 얻기 위해 계절에 따라 각도를 재설정할 필요도 없다.
이러한 장점을 가진 모델은 가정용 태양전지 보급에 도움이 될 수 있을 것 이다. 향후 모델을 여러 개 설치했을 경우 이에 따른 음영을 고려해 최대 효율을 내기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다.(그림 12)
[그림 12] 윤생 모델 모식도. 왼쪽은 측면, 오른쪽은 정면
□ 시사점
○ 현재 수준에서 개발되는 태양광 발전기의 효율은 8~15% 정도로 수력, 풍력, 연료전지, 화력과 원자력 발전에 비해 효율이 매우 떨어지는 편이다.
본 연구는 이런 저효율적인 발전에 대해 문제를 제기하고, 나아가 전력수급 문제 해결과 더불어 신재생에너지의 발전을 촉진하고자한다. 또한 설치면 적을 많이 차지하는 평면형 집광 어레이에 비해 좁은 공간 안에서도 보다 높은 효율을 낼 수 있도록 설계 가능한 구조를 수억 년간 지구상에서 살아남 기 위해 진화해 온 식물에게서 그 해답을 찾아야 한다는 것을 시사하는 바이다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 본 연구 성과를 알려 태양광 발전에 활용될 수 있도록 하기 위해서 태양광 발전을 개발하는 홈페이지에 글을 탑재하고 과학 잡지에 기사를 실어 연구 성과를 알린다. 또 후속 연구로는 대형 태양광 발전에 식물의 구조를 활용 할 수 있는 방안 등을 진행해 본다.
5. 참고문헌
○ 김정환, 유권종 (2009). 태양광 발전 시스템의 최적 설치 각도 예측에 관한 연구. 대한전기학회 하계학술대회 논문집. pp.1092-1093.
○ 김종규 (2011). 태양열 발전 기술 및 현황. 설비저널 제 4권 제5호. pp.34-41.
○ 박승재, 홍민성 (2013). 평면 구조의 집광형 태양광 모듈 구조에 관한 연구.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology engineers.
pp.629-634.
○ 박원규 (2012). 고집광 태양광 발전기술. Optical Science and Technology.
pp.26-29.
○ 성태경, 이충식 (2012). 방위각 추적식 프리즘형 집광조명시스템 성능평가.
한국태양에너지학회 논문집. Vol 32, No.3 pp.129-137.
○ 오세경, 임병찬, 이경희 (2002). 주택용 고정식 태양광발전시스템의 최적 전력발전량에 관한 연구. GRI 연구논총 제 14권 제 2호. pp.271-288.
○ 이기열, 문정태, 정무영 (2008). 태양광 발전시스템의 경제성 분석. 대한산업 공학회. pp.742-746.
○ 최동진 (2009). 태양광 발전시스템에서 모듈 설치 각도와 어레이 간격의 비교 연구. Journal of KIINEE, pp.162-168.
