태양광(3)

태양광(3)

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머털도사의 건축 단상(45) 


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④ 배터리

태양광 발전의 원리는 태양광 발전이 반도체 인터페이스의 태양광 효과를 사용하여 빛 에너지를 전기로 직접 변환하는 기술이다. 이 기술의 핵심 요소는 태양 전지이다. 


태양 전지는 직렬로 패키징 및 보호되어 넓은 면적의 태양 전지 구성 요소를 형성한 다음, 전력 제어기 및 다른 구성 요소와 결합하여 전력 발전 장치를 형성할 수 있다. 


태양광 발전 시스템은 또한 안전성, 신뢰성, 무소음, 저공해, 연료 소비 및 송전선 설치 없이 현장 발전, 짧은 공사 기간이라는 장점을 가지고 있다. 


가) 납축 배터리 

축전지의 역할은 빛이 있을 때 태양 전지판에서 생성된 에너지를 저장한 다음 필요할 때 방출하는 것이다. 태양 전지는 태양광 발전에 '축전지'를 적용한 것이다. 무연 배터리 및 콜로이드 배터리는 중국에서 널리 사용된다. 


이 두 가지 유형의 배터리는 유지 보수가 필요 없는 특성과 환경 오염이 적기 때문에 안정적인 태양광 공급 시스템, 특히 무인 워크 스테이션에 적합하다. 


태양광을 이용하는 시스템으로 신뢰할 수 있는 에너지 저장공급용이 배터리이다. 해가 지거나 궂은 날씨에도 지속적으로 에너지가 필요한 시스템에 이상적이다. 태양광 전지는 빛에서 바로 전기를 생산한다. 


광전효과를 이용해서 빛을 쪼이면, 반도체를 통해서 전류가 흐르면 전력이 생산된다. 광전효과란, 광자(빛)가 특정한 물질과 부딪히면, 전자를 발생시키는 원리를 의미한다. 납축 배터리는 납과 황산을 사용한 2차전지로 주로 자동차용 배터리와 산업용 예비전원 용도로 많이 사용되고 있다. 


특히 납축전지는 다양한 크기로 제작이 가능하다는 것이 큰 특징이다. 또한, 완전히 방전하게 될 경우 수명이 줄어들 수 있기 때문에 20% 이상은 항상 잔량을 남겨두고 충방전을 하는 것이 좋다. 


안정된 품질과 비교적 낮은 제조 단가 등이 장점이다. 충방전 효율은 약 70% 수준이며, 과충전 저항력이 강하다. 그러나 충방전 시 장기 보존이 어려워 수명이 짧고, 충전속도가 느리며, 중금속(납)을 사용한다는 것, 국부 열화 현상 등이 일어날 수 있는 위험 등이 있다는 것이 단점이다


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나) 리튬이온 배터리

 리튬이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 


충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬이온 폴리머 전지와도 다르다. 


이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 달라 이때 발생되는 물질의 고유에너지 차이로 인한 전압차를 이용하는데 리튬이온 전지의 경우 양극에 있던 리튬이온이 빠져나와 전해질을 통해 음극의 가는 충전과 그 반대인 방전이 일어난다.

 

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[자료2. 리튬이온배터리의 충전, 방전 개념도]

출처: 리튬이온이차전지 기술 동향과 미래 전망, KIST 이차 전지 센터


리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 


이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화 시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 일반적인 리튬이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.


리튬이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 


양극에는 층상의 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬(lithium iron phosphate, LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이며, 초기에는 이황화티탄(TiS2)도 쓰였다. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다. 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있다.


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[자료3. 리튬이온배터리의 기본구성도]

출처: Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 : LITHIUM-ION BATTERIES


리튬이온 배터리의 수명은 300~500회 충방전 사이클이라고 한다. 그 이상이 되면 기존 용량대비 40% 정도를 잃어버리고 업계에서는 그 지점을 폐기해야 할 배터리 시점으로 본다. 


하지만 이 충방전 사이클이라는 것을 정확히 정의하기란 쉽지 않다. 왜냐면 일상생활에서의 충방전의 깊이는 모두 다르기 때문이다.


즉, 10% 쓰고 충전한 것을 1 사이클로 볼 것인가? 아니면 100%까지 다 쓰고 충전한 것을 1 사이클로 볼 것인가? 대부분 100%까지 다 쓰고 충전한 것을 충방전 사이클로 본다. 정확하지 않겠지만 10%씩 10번 충방전하면 1번의 충방전 사이클로 다룬다.


리튬이온의 단점은 폭발 위험이 크다는 점이다. 그나마 요즘은 구멍이 좀 생겨도 터지지는 않는다. 하지만 구멍 난 상태에서 전원을 인가하면 화재가 발생한다. 사용하지 않아도 노화가 발생한다. 따라서 배터리 구입할 때 제조년과 월을 꼭 확인하는 것이 중요한 이유는 새제품이라고 하여도 오래된 것은 노화된 것이다.


리튬이온 배터리의 화재 문제 등이 지속적인 문제로 작용하면서 레독스 흐름 배터리와 납축 배터리가 있다. 레독스 흐름 배터리는 전 세계적으로도 신재생에너지 연계형 ESS에 많이 사용되고 있다. 



레독스 흐름 배터리 (RFB; Redox flow battery) 


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출처- wikimedia


우선 레독스 흐름 배터리란 전해액 안의 이온들이 산화와 환원을 할 때 생기는 전위차를 이용하여 전기를 충방전하는 방식으로 레독스(REDOX)라는 단어는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation)이라는 단어를 결합한 단어이다.


에너지가 저장되는 전해질이 배터리 내 저장 탱크에 보관된 후 시스템 내부에 흐르면서 전기파워의 출력을 담당하는 스텍이라는 장치에 산화, 환원반응을 일으켜 충전과 방전을 반복하는 것이 특징이다. 


레독스 흐름 전지는 다양한 종류의 물질들이 전해질로 사용되는데 그중에서 가장 대표적인 물질이 바로 ‘바나듐(vanadium)이다.

 

레독스 흐름 전지의 가장 큰 특징은 전해질이 반영구적으로 순환하여 수명이 매우 길고, 폭발이나 화재의 위험도 없다는 것이 큰 특징이다. 장점은 친환경적이고, 안정적이어서 대용량 에너지장치로서 적합하다는 것이고 단점은 리튬이온 배터리 대비 크기가 크고, 에너지 밀도와 효율(80% 수준)이 낮다는 것이다.  


  <다음에 계속>


Daniel Kim

esoltec.uptown@gmail.com


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