태양전지 성능에 대한 황사의 영향 연구

Abstract

Since the industrial revolution, the energy demand of mankind has significantly increased as the global industrial structure is being rapidly transfored. Even today, fossil fuels including coal, petroleum and natural gas are the most important drivers of the industrial development and the improvement in the standard of living. As a result, mankind is facing many troubles associated with excessive use of fossil fuels including severe imbalance between supply and demand and potential danger of exhaustion of the resources. At the same time, the greenhouse gases including carbon dioxide discharged from the combustion of fossil fuels are suspected as one of the main causes of the global climate change. A grand revolution of our energy landscape is required in order to address all these issues. As an alternative of fossil fuels, various renewable energy resources and technologies, including solar energy, wind power, tidal power and other ocean energy, geothermal, fuel cells, and others, are gathering public attention. Significant amount of efforts in research and development of these energy resources and technologies are being employed. In particular, solar energy is considered to be one of the most promising, sustainable solutions: it is virtually infinite in its availability and has an environment-friendly feature of emitting little or no pollutant. There are several different technologies that can utilize the solar energy, and photovoltaics is one of them. In photovoltaics, solar radiation incident on the surface of a solar cell, which is made out of photovoltaic materials, is directly converted into electricity. The amount of solar radiation incident critically affects the performance of the solar cell. Therefore, the geographic location of a specific site, including latitude, longitude, and elevation, naturally has a great influence on the electricity output of the solar cell. The weather and climate conditions are also important factors, since these affect the annual incident irradiation. Air pollution is another potential factor which affects the performance of a photovoltaic installation. Solar irradiance is attenuated by severe air pollution because it may introduce disturbances in the atmospheric optical properties. Consequently, severe air pollution may lead to degradation of the performance. There are two types of airborne pollutants: gaseous and particulate matters. Especially, the airborne particulate matters can introduce significant optical disturbances of the atmosphere, and must be considered to be an important factor in the study of the photovoltaic performance. The airborne particulate matters can be originated locally in fuel combustion or other industrial processes, but they can be introduced by long-range transport processes from other regions along the wind direction. Asian yellow dust events are good examples of such long-range transport processes. It is conjectured that the particulate matters introduced by yellow dust events affect the performance of the photovoltaic installations in Korea due to the geographic closeness of the country to the source. In this paper, we quantitatively analyze the performance of the photovoltaic output under the atmospheric conditions corresponding to Asian yellow dust events. The effects of dust deposition on the cell surface is not accounted in this study, and only the optical effects of airborne particulate matters are considered. Asian yellow dust events mainly happen in spring. The atmospheric conditions are classified into four different groups: clear sky days, seasonal average, typical dust events, and extreme dust events. Global irradiance attenuates by 15.5% in the seasonal average, 12.2% in the typical dust events, 39.1% in the extreme dust events, respectively, from the clear sky days (about 979 W/m2). The performances of three different types of photovoltaic cells, i.e., an amorphous silicon cell (a-Si), a multi-crystalline silicon cell (mc-Si), and an CIGS thin film solar cell (CIGS), are evaluated using a simple circuit model representing photovoltaic cells. With the reduction of the insolation by 15.5% in the seasonal average from the condition corresponding to the clear sky days, the maximum powers of a-Si, mc-Si, and CIGS degrade by 16.6%, 15.3%, and 15.0%, respectively. With the reduction of the insolation by 39.1% in the extreme dust events from the condition corresponding to the clear sky days, the maximum powers of a-Si, mc-Si, and CIGS degrade by 45.8%, 43.6%, and 43.4%, respectively. The results clearly show that the performance of photovoltaic installations in Korea is greatly influenced by Asian yellow dust events, even without counting the additional effects of dust deposition on the cell surface. The study suggests that it is necessary to study and evaluate the influence of air pollution including Asian yellow dust events and smogs on the performance of photovoltaic cells in order to effectively utilize solar energy in Korea. In particular, the selection of photovoltaic materials results in minor but noticeable differences in the degradation of photovoltaic performance, which must be carefully accounted for the future development of solar energy.;산업혁명 이후 현대까지 전 세계의 산업 형태가 급격하게 변화하면서 인류의 에너지 수요가 급증하였다. 현재까지 에너지원의 대부분을 차지하고 있는 석탄, 석유 및 천연가스 등의 화석연료는 산업 발전과 편리한 생활환경을 만들어 주었으나, 또한 이의 과잉 소비에 따라 인류는 에너지 수급 불균형과 고갈 문제에 직면하게 되었다. 뿐만 아니라 화석연료에서 배출된 이산화탄소가 전 지구적인 기후변화의 주원인으로 주목되면서 인류의 에너지 이용 형태에 대규모 변혁이 요구되고 있는 것이 현실이다. 이에 대한 대안으로 신재생에너지가 부각되고 있다. 태양광, 태양열, 풍력, 조력, 지열, 연료전지, 수소에너지, 폐기물에너지 등이 유력한 신재생에너지 기술로 제시되고 있고, 현재 많은 연구 개발 노력이 진행 중이다. 그 중에서 태양광 에너지는 무한하며, 오염물질을 방출하지 않는 친환경적이고 지속가능한 장점을 가지고 있다. 태양광 에너지를 이용하는 기술 중에서 활발한 연구개발이 진행되고 있는 태양전지의 경우 태양전지 셀에 입사하는 일사량이 전기적 출력에 직접 영향을 미친다. 따라서 지리적 위치(위도, 경도, 고도)와 기상조건 등은 태양광 발전 성능을 결정하는 일사량에 중요한 요인이 된다. 대기 오염 역시 일사량에 영향을 주는 또 다른 인자이다. 극심한 대기 오염 및 대기의 광특성 교란 사태에 의한 일사량 감소는 태양광 발전 출력의 저하로 이어진다. 대기오염을 유발하는 대기오염물질은 기체상 물질과 입자상 물질로 나뉘며, 특히 입자상 물질은 주로 연소와 산업공정에서 유발되거나 사막 등지에서 발생한 미세입자가 장거리 이동하여 발생하게 된다. 특히 동아시아 지역에서 발생한 황사는 지리적으로 근접한 위치에 있는 국내로 고농도로 유입되는 경우가 있다. 이러한 한국의 실정을 비춰볼 때 대기 중 황사 입자는 일사량 감소와 함께 결과적으로 태양광 출력 성능에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 본 연구에서는 황사의 광학 특성을 통해 황사 발생시 태양전지의 구성 재료별 출력 성능 변화를 정량적으로 분석하였다. 황사가 주로 발생하는 봄철을 청명일·계절 평균·일반적인 황사·극심한 황사로 분류하여 각각의 전 일사량을 비교하였다. 청명일(약 979 W/m2)을 기준으로 계절 평균이 15.5%, 일반적인 황사가 12.2%, 극심한 황사가 39.1%의 전 일사량이 감쇠하는 것을 볼 수 있다. 이때 계절 평균의 직달일사는 일반적인 황사일보다 높았으나 일반적인 황사일의 산란일사가 계절 평균보다 크게 나타나 전 일사량이 높았기 때문이다. 다음으로 간단한 태양전지 회로 모델에 이 값들을 이용하여 비정질 및 다결정 실리콘 전지(a-Si 및 mc-Si), CIGS박막 태양전지 출력 성능을 평가하였다. 청명일과 계절평균 전 일사량이 15.5% 차이를 보였을 때 최대전력은 a-Si의 경우 21.6%, mc-Si 19.4%, CIGS 19.0% 저하되는 것으로 나타났다. 청명일과 일반적인 황사의 전 일사량이 12.2% 차이를 보였을 때 최대전력은 a-Si의 경우 16.6%, mc-Si 15.3%, CIGS 15.0% 저하되는 것으로 나타났다. 청명일과 극심한 황사의 전일사량이 39.1% 차이를 보였을 때 최대전력은 a-Si의 경우 45.8%, mc-Si 43.6%, CIGS 43.4% 저하되는 것으로 나타났다. 본 연구는 태양전지 표면에 오염이 없다는 가정하에 황사의 영향만을 고려하였다. 이것은 실제 태양전지 출력 성능과 오차가 발생할 수도 있으나, 황사의 광학 특성을 토대로 대략적인 태양전지 성능을 유추할 수 있을 것으로 기대한다. 국내 태양광 발전의 지속적인 개발을 위해서 황사나 스모그와 같은 대기오염물질의 영향이 태양전지 출력 성능에 미치는 영향을 연구할 필요성이 있다. 본 연구는 이러한 한국의 실정에 적합한 태양전지 구성 재질을 찾는데 도움이 될 것으로 예상된다.