2015.09.09

“태양열을 받는 가장 직접적인 소재”…유리창에서 전력을 공급하는 방법

Lucas Mearian | Computerworld
맨해튼에는 약 4만 7,000개의 건물이 있다. 그리고 뉴욕 타임즈 보도에 따르면, 이 건물에는 대략 1억 70만 개의 창이 설치되어 있는 것으로 추정된다.

이 가운데 1%인 10만 700개의 창이 투명 PV(Transparent Photovoltaics)로 전력을 생산할 수 있다고 상상해 보자. 이것이 소위 태양 에너지 창문이다. 이 기술을 창문 제조업체에 판매하려는 회사가 최소 2개 이상이며, 이들은 1년 이내에 기술 투자액을 회수할 수 있다고 주장한다.

태양 에너지 패널 제조업체인 솔라리아(Solaria) CEO 수비 샤르마는 "전세계에서 생산되는 유리 중 2%가 태양 에너지 패널에 사용되고 이 중 80%가 건물에 설치된다"고 말했다.

솔라리아는 상용화된 PV 셀을 2.5mm 두께의 편으로 가른다. 그리고 이 얇은 PV 스트립을 유리창의 유리 사이에 집어 넣는다. 샤르마는 "육안으로는 설치된 PV 스트립을 분간할 수 없다"고 설명했다.

솔라리아는 2.5mm 두께의 PV 셀을 창문 유리 사이에 끼워넣어 전기를 생산한다. 설치된 PV 태양 에너지 창문은 위 사진처럼 보인다. 

그렇다면 PV 스트립에는 어떤 장점이 있을까? PV 스트립은 건물의 창문으로 들어오는 빛을 흡수해 '태양열 전도 지수(Solar Heat Gain Coefficient)'를 줄여준다. 다시 말해 태양열로 인한 실내 온도 상승을 막아 냉방 비용을 낮추는 원리다.

솔라리아가 신축 건물에 설치될 창문을 공략한다면 또 다른 회사인 솔라윈도우 테크놀로지스(SolarWindow Technologies)는 신규 건축물, 창문 교체 및 개조 시장을 대상으로 또 다른 형태의 투명 PV 전지 기술을 내세우고 있다.

솔라윈도우는 색상과 투명도가 다른 유기 PV를 이용한다. 제품은 앞으로 수 주 이내에 발표될 예정이다. 솔라윈도우 CEO 존 콘클린은 쉽게 통합할 수 있는 기술이 장점이라고 강조했다. PV 필름에 기반을 두고 있기 때문에 기존 창문에 부착할 수 있고, 제조 제품과 쉽게 통합할 수 있다.

솔라윈도우의 전기 발전 모듈

콘클린은 가장 태양광을 많이 받는 남향 방향의 창문 수, 건물이 위치한 지역에 따라 건물에 필요한 에너지 가운데 20-30%를 공급할 수 있다고 주장한다. 그러나 어떤 유기 소재를 사용하고 있는지는 공개하지 않았다.

한편, 2013년, 옥스포드 대학 연구원들이 발표한 연구 결과에 따르면, 페로브스카이트(Perovskite)로 만든 중성색의 반투명 태양 에너지 전지를 건물이나 자동차 유리에 사용해 전력을 생산할 수 있다. 페로브스카이트는 세라믹 초전도체에 사용되는 산화물이다.

옥스포드 연구원들은 효율성이 높은 투명 태양 에너지 전지를 만들 수 있다고 주장했다. 실제로 간단한 전지 아키텍처를 이용해 짧은 기간에 PV 효율성을 최대 20%로 높일 수 있었다.

옥스포드 대학 교수 헨리 스나이스가 투명한 페로브스카이트 필름을 부착한 유리 패널을 들고 있다.

현재 옥스포드 포토볼택스(Oxford Photovoltaics, 대학에서 설립한 회사)가 이 기술을 상용화 하고 있다. 이 회사는 건물과 창문에 태양 에너지 전지로 설치할 수 있는 다양한 색상의 반투명 유리를 생산할 계획을 세우고 있다. 미시간 주립 대학(MSU)의 연구원들 또한 창문 위에 설치할 경우 태양 에너지를 생산하는 새로운 형태의 투명 태양 에너지 집광장치를 개발했다.

MSU가 개발한 TLSC(Transparent Luminescent Solar Concentrator)라는 기술은 건물 창문은 물론 휴대폰, 기타 투명한 무색의 표면을 가진 장치에 적용할 수 있는 것이 특징이다. MSU 공대 화학 공학 및 소개 공학부 조교수 리차드 런트(Richard Lunt)는 TLS 기술의 핵심은 100%의 투명도라고 밝혔다.

MSU 연구진은 창문에 부착해 태양열을 생산하는 투명 집광층을 개발하고 있다.
Credit: Yimu Zao


런트는 "색상이 들어간 창문을 원하는 사람은 없기 때문에, 발광 활성층 자체를 투명하게 만들었다"고 설명했다. MSU의 태양 에너지 수집 기술에는 런트의 연구팀이 개발한 작은 유기 분자가 사용된다. 이 분자는 태양광의 특정 비가시성 파장을 흡수한다.

그러나 MSU 기술은 에너지 효율성을 높여야 한다는 문제점을 갖고 있다. 현재 태양 에너지 변환 효율은 1% 정도로, 연구원들은 기술을 완벽하게 최적화 할 경우 이 비율이 5%를 넘어설 것으로 기대하고 있다.

현재 태양 에너지 농장이나 건물 옥상에 설치된 태양 에너지 패널의 PV 효율성은 약 15%~20%다. 효율성이란 태양 에너지 전지로 흡수되는 태양광이 에너지로 변환되는 비율을 뜻한다.

솔라리아 태양 에너지 창문 기술의 효율성은 약 8%~10%다. 솔라윈도우의 콘클린은 태양 에너지 변환 효율을 자세히 공개하지 않았으나 일반적인 PV 패널에는 못 미친다고 인정했다. 콘클린은 "가시광 흡수의 경우 불투명 패널이 투명 패널보다 효율성이 높은 것이 사실"고 설명했다. 그러나 태양 에너지 창문에서는 투명성이 효율성보다 중요하다고 주장했다.

MSU 화학 공학 및 소재 공학부 리차드 런트와 박사 과정 학생 이무 자오가 실험을 하고 있다. 런트의 팀은 창문 위에 설치해 태양 에너지를 생산할 수 있는 새로운 소재를 개발했다.
Credit: G.L. Kohuth

콘클린은 "투명 PV의 경우, 방대한 공간을 차지하는 다른 태양 에너지 기술만큼 전력 변환 효율이 높을 필요는 없다. 우리는 지금 당장 태양 에너지 생산에 사용되지 않는 공간을 활용할 수 있다. 특별한 기능이 없는 창문에 에너지 생산 기능을 추가할 수 있다는 의미"라고 말했다. 즉, 투명 태양 에너지 PV를 도입하면 건물의 전력 수요를 충당하기 위해 별개의 부지를 확보할 필요가 없다는 주장이다.

태양 에너지 창문 기술은 다양한 방법으로 PV 에너지를 건물 내부의 전력 인프라에 공급한다. 예를 들어, 솔라리아는 창문 틀에 배선을 설치해 이를 신축 건물의 전기 배선과 연결한다. 이 전기 배선은 중앙 역변환 장치와 연결되어 있다. 태양 에너지의 직류 전기를 전력 그리드에서 사용할 수 있는 교류 전기로 바꿔주는 장치다.

솔라윈도우의 기술에는 마이크로 DC-AC 역변환 장치가 통합돼 있다. 태양 에너지 창문이 설치된 공간 한 곳에서 사용할 수 있는 전기를 공급하는 장치이다. 또는 분산형 마이크로그리드 역변환 장치와 연결시켜, 한 개 층에 전기를 공급할 수 있다. 아니면 중앙 역변환 장치와 연결시켜 건물 전체에서 전기를 이용할 수도 있다.

샤르마에 따르면, 솔라리아는 이미 캘리포니아와 유럽에서 몇몇 건물에 태양 에너지 창문을 설치하는 시범 프로젝트에 참여하고 있다. 그러나 프로젝트에 대한 상세 정보는 공개하지 않았다.
솔라리아는 일본 도쿄에 본사를 둔 글로벌 유리 제조업체인 아사히 글래스와 제휴 관계를 맺고 있다. 샤르마에 따르면, 아사히는 솔라리아가 공급한 태양 에너지 전지가 내장된 창문과 대나무 소재 가리개를 판매할 계획을 갖고 있다.

샤르마는 "북미와 유럽, 아시아의 여러 유리 제조업체와 벽체 공급업체들이 관련 제품을 공급할 수 있도록 지원하고 있다"고 밝혔다.

태양 에너지 창문은 일반 창문보다 약 40% 가격이 비싸다. 그러나 제조업체는 아직 제품이 본격 출시되기 전임에도 불구하고 수요가 많으므로 1년 안에 투자 자본률을 달성할 수 있다고 밝혔다.

콘클린은 "태양 에너지 창문 발전은 실현 가능한 기술이다. 또 제품 출시일이 가까워지면서 그 가능성이 더 커지고 있다. 현재 수요가 아주 많은데, 고층 건물의 경우 현재의 재생 에너지 발전 방식으로는 효율적인 전력 충당이 어렵기 때문"고 설명했다. editor@itworld.co.kr 


2015.09.09

“태양열을 받는 가장 직접적인 소재”…유리창에서 전력을 공급하는 방법

Lucas Mearian | Computerworld
맨해튼에는 약 4만 7,000개의 건물이 있다. 그리고 뉴욕 타임즈 보도에 따르면, 이 건물에는 대략 1억 70만 개의 창이 설치되어 있는 것으로 추정된다.

이 가운데 1%인 10만 700개의 창이 투명 PV(Transparent Photovoltaics)로 전력을 생산할 수 있다고 상상해 보자. 이것이 소위 태양 에너지 창문이다. 이 기술을 창문 제조업체에 판매하려는 회사가 최소 2개 이상이며, 이들은 1년 이내에 기술 투자액을 회수할 수 있다고 주장한다.

태양 에너지 패널 제조업체인 솔라리아(Solaria) CEO 수비 샤르마는 "전세계에서 생산되는 유리 중 2%가 태양 에너지 패널에 사용되고 이 중 80%가 건물에 설치된다"고 말했다.

솔라리아는 상용화된 PV 셀을 2.5mm 두께의 편으로 가른다. 그리고 이 얇은 PV 스트립을 유리창의 유리 사이에 집어 넣는다. 샤르마는 "육안으로는 설치된 PV 스트립을 분간할 수 없다"고 설명했다.

솔라리아는 2.5mm 두께의 PV 셀을 창문 유리 사이에 끼워넣어 전기를 생산한다. 설치된 PV 태양 에너지 창문은 위 사진처럼 보인다. 

그렇다면 PV 스트립에는 어떤 장점이 있을까? PV 스트립은 건물의 창문으로 들어오는 빛을 흡수해 '태양열 전도 지수(Solar Heat Gain Coefficient)'를 줄여준다. 다시 말해 태양열로 인한 실내 온도 상승을 막아 냉방 비용을 낮추는 원리다.

솔라리아가 신축 건물에 설치될 창문을 공략한다면 또 다른 회사인 솔라윈도우 테크놀로지스(SolarWindow Technologies)는 신규 건축물, 창문 교체 및 개조 시장을 대상으로 또 다른 형태의 투명 PV 전지 기술을 내세우고 있다.

솔라윈도우는 색상과 투명도가 다른 유기 PV를 이용한다. 제품은 앞으로 수 주 이내에 발표될 예정이다. 솔라윈도우 CEO 존 콘클린은 쉽게 통합할 수 있는 기술이 장점이라고 강조했다. PV 필름에 기반을 두고 있기 때문에 기존 창문에 부착할 수 있고, 제조 제품과 쉽게 통합할 수 있다.

솔라윈도우의 전기 발전 모듈

콘클린은 가장 태양광을 많이 받는 남향 방향의 창문 수, 건물이 위치한 지역에 따라 건물에 필요한 에너지 가운데 20-30%를 공급할 수 있다고 주장한다. 그러나 어떤 유기 소재를 사용하고 있는지는 공개하지 않았다.

한편, 2013년, 옥스포드 대학 연구원들이 발표한 연구 결과에 따르면, 페로브스카이트(Perovskite)로 만든 중성색의 반투명 태양 에너지 전지를 건물이나 자동차 유리에 사용해 전력을 생산할 수 있다. 페로브스카이트는 세라믹 초전도체에 사용되는 산화물이다.

옥스포드 연구원들은 효율성이 높은 투명 태양 에너지 전지를 만들 수 있다고 주장했다. 실제로 간단한 전지 아키텍처를 이용해 짧은 기간에 PV 효율성을 최대 20%로 높일 수 있었다.

옥스포드 대학 교수 헨리 스나이스가 투명한 페로브스카이트 필름을 부착한 유리 패널을 들고 있다.

현재 옥스포드 포토볼택스(Oxford Photovoltaics, 대학에서 설립한 회사)가 이 기술을 상용화 하고 있다. 이 회사는 건물과 창문에 태양 에너지 전지로 설치할 수 있는 다양한 색상의 반투명 유리를 생산할 계획을 세우고 있다. 미시간 주립 대학(MSU)의 연구원들 또한 창문 위에 설치할 경우 태양 에너지를 생산하는 새로운 형태의 투명 태양 에너지 집광장치를 개발했다.

MSU가 개발한 TLSC(Transparent Luminescent Solar Concentrator)라는 기술은 건물 창문은 물론 휴대폰, 기타 투명한 무색의 표면을 가진 장치에 적용할 수 있는 것이 특징이다. MSU 공대 화학 공학 및 소개 공학부 조교수 리차드 런트(Richard Lunt)는 TLS 기술의 핵심은 100%의 투명도라고 밝혔다.

MSU 연구진은 창문에 부착해 태양열을 생산하는 투명 집광층을 개발하고 있다.
Credit: Yimu Zao


런트는 "색상이 들어간 창문을 원하는 사람은 없기 때문에, 발광 활성층 자체를 투명하게 만들었다"고 설명했다. MSU의 태양 에너지 수집 기술에는 런트의 연구팀이 개발한 작은 유기 분자가 사용된다. 이 분자는 태양광의 특정 비가시성 파장을 흡수한다.

그러나 MSU 기술은 에너지 효율성을 높여야 한다는 문제점을 갖고 있다. 현재 태양 에너지 변환 효율은 1% 정도로, 연구원들은 기술을 완벽하게 최적화 할 경우 이 비율이 5%를 넘어설 것으로 기대하고 있다.

현재 태양 에너지 농장이나 건물 옥상에 설치된 태양 에너지 패널의 PV 효율성은 약 15%~20%다. 효율성이란 태양 에너지 전지로 흡수되는 태양광이 에너지로 변환되는 비율을 뜻한다.

솔라리아 태양 에너지 창문 기술의 효율성은 약 8%~10%다. 솔라윈도우의 콘클린은 태양 에너지 변환 효율을 자세히 공개하지 않았으나 일반적인 PV 패널에는 못 미친다고 인정했다. 콘클린은 "가시광 흡수의 경우 불투명 패널이 투명 패널보다 효율성이 높은 것이 사실"고 설명했다. 그러나 태양 에너지 창문에서는 투명성이 효율성보다 중요하다고 주장했다.

MSU 화학 공학 및 소재 공학부 리차드 런트와 박사 과정 학생 이무 자오가 실험을 하고 있다. 런트의 팀은 창문 위에 설치해 태양 에너지를 생산할 수 있는 새로운 소재를 개발했다.
Credit: G.L. Kohuth

콘클린은 "투명 PV의 경우, 방대한 공간을 차지하는 다른 태양 에너지 기술만큼 전력 변환 효율이 높을 필요는 없다. 우리는 지금 당장 태양 에너지 생산에 사용되지 않는 공간을 활용할 수 있다. 특별한 기능이 없는 창문에 에너지 생산 기능을 추가할 수 있다는 의미"라고 말했다. 즉, 투명 태양 에너지 PV를 도입하면 건물의 전력 수요를 충당하기 위해 별개의 부지를 확보할 필요가 없다는 주장이다.

태양 에너지 창문 기술은 다양한 방법으로 PV 에너지를 건물 내부의 전력 인프라에 공급한다. 예를 들어, 솔라리아는 창문 틀에 배선을 설치해 이를 신축 건물의 전기 배선과 연결한다. 이 전기 배선은 중앙 역변환 장치와 연결되어 있다. 태양 에너지의 직류 전기를 전력 그리드에서 사용할 수 있는 교류 전기로 바꿔주는 장치다.

솔라윈도우의 기술에는 마이크로 DC-AC 역변환 장치가 통합돼 있다. 태양 에너지 창문이 설치된 공간 한 곳에서 사용할 수 있는 전기를 공급하는 장치이다. 또는 분산형 마이크로그리드 역변환 장치와 연결시켜, 한 개 층에 전기를 공급할 수 있다. 아니면 중앙 역변환 장치와 연결시켜 건물 전체에서 전기를 이용할 수도 있다.

샤르마에 따르면, 솔라리아는 이미 캘리포니아와 유럽에서 몇몇 건물에 태양 에너지 창문을 설치하는 시범 프로젝트에 참여하고 있다. 그러나 프로젝트에 대한 상세 정보는 공개하지 않았다.
솔라리아는 일본 도쿄에 본사를 둔 글로벌 유리 제조업체인 아사히 글래스와 제휴 관계를 맺고 있다. 샤르마에 따르면, 아사히는 솔라리아가 공급한 태양 에너지 전지가 내장된 창문과 대나무 소재 가리개를 판매할 계획을 갖고 있다.

샤르마는 "북미와 유럽, 아시아의 여러 유리 제조업체와 벽체 공급업체들이 관련 제품을 공급할 수 있도록 지원하고 있다"고 밝혔다.

태양 에너지 창문은 일반 창문보다 약 40% 가격이 비싸다. 그러나 제조업체는 아직 제품이 본격 출시되기 전임에도 불구하고 수요가 많으므로 1년 안에 투자 자본률을 달성할 수 있다고 밝혔다.

콘클린은 "태양 에너지 창문 발전은 실현 가능한 기술이다. 또 제품 출시일이 가까워지면서 그 가능성이 더 커지고 있다. 현재 수요가 아주 많은데, 고층 건물의 경우 현재의 재생 에너지 발전 방식으로는 효율적인 전력 충당이 어렵기 때문"고 설명했다. editor@itworld.co.kr 


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