태양을 추적하는 떠 다니는 태양 전지판

대형 태양 전지판을 위한 공간을 찾기 위해 많은 국가에서 플로팅 시스템을 찾고 있습니다. 이제 네덜란드는 태양을 따라가는 수성 어레이로 한 단계 더 나아가고 있습니다. 

네덜란드의 한 호수에는 수십 개의 반짝이는 태양 전지판으로 덮인 반짝이는 원형 섬이 떠 있습니다.

그러나 이것은 일반적인 태양 전지판이 아니며 전 세계의 호수, 저수지 및 해안 지역에 설치되는 많은 새로운 부유식 태양광 발전소 중 하나일 뿐입니다. 패널이 다른 부유식 태양열 발전소에서는 할 수 없는 일을 하기 때문입니다. 가능한 한 많은 광선을 포착하기 위해 태양이 하늘을 가로질러 이동할 때 태양을 세심하게 추적하고 따라가는 것입니다.

고대 그리스 바다의 신 프로테우스(Proteus)의 이름을 딴 이 반짝이는 설치물은 떠다니는 태양 전지판과 태양 추적 기술을 결합한 최초의 장치 중 하나입니다.

네덜란드 남서부의 호수인 Oostvoornse Meer에 떠 있는 이 섬은 총 설치 용량이 73kWp인 움직이는 태양 전지판 180개로 덮여 있습니다. 재생 가능 에너지로 빠르게 전환하려는 세계에서 적은 양이지만 Proteus를 구축한 포르투갈 회사인 SolarisFloat는 이 작은 설치를 확장하여 많은 양의 청정 전기를 생성할 수 있다고 믿고 있습니다. .

 

태양 혁명

브라질 아마존 에서 일본에 이르기까지 부유식 태양광 패널은 전 세계적으로 붐을 일으키고 있습니다. 부유식 태양광 용량은 2015년 70MWp에서 2020년 1,300MWp로 지난 10년 동안 크게 성장했습니다 . 이 기술 시장은 향후 10년 동안 매년 43%씩 성장하여 2031년까지 245억 달러(217억 파운드) 에 이를 것으로 예상됩니다.

"부유식 태양광은 다소 새로운 [재생 가능 에너지] 옵션이지만 전 세계적으로 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다."라고 싱가포르 태양 에너지 연구소(Seris)의 Thomas Reindl 부회장은 말했습니다. Seris의 분석에 따르면 전 세계 인공 저수지의 10%만 부유식 태양광으로 덮으면 설치 용량이 20테라와트(TW)가 될 것입니다. BBC 퓨처 플래닛 제공.

떠다니는 태양광 기술의 부상은 최근 몇 년간 태양광 PV 전기의 혁명적인 확장의 최신 트렌드 중 하나입니다. 전 세계적으로 태양광 발전 용량은 2011년 72GW에서 2021년 843GW로 지난 10년 동안 거의 12배 증가했습니다 . 현재 이 기술 은 2006년 0.03%에서 증가한 전 세계 전력 생산의 3.6%를 차지합니다. 동시에 태양 전지판은 놀라운 가격 하락으로 인해 세계에서 가장 저렴한 전력원이 되었습니다.

국제 에너지 기구(International Energy Agency)에 따르면 태양 에너지의 추가 확장이 예상됩니다. 실제로 국제 에너지 기구(International Energy Agency)에 따르면 탄소배출 제로 세계를 유지하려면 2030년까지 용량이 현재 양의 6배 에 도달해야 합니다. 글로벌 지정학도 태양 에너지에 대한 의존도를 높이는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 유럽 연합은 우크라이나 침공 이후 러시아 석유 및 가스에 대한 의존도를 줄이기 위해 재생 가능 에너지의 대규모 증가를 제안했습니다 .

일본은 이용 가능한 토지가 제한되어 있거나 토지가 매우 비싸기 때문에 부유식 태양광 발전소에 막대한 투자를 하고 있습니다(Credit: Carl Court/ Getty Images)

이러한 엄청난 성장과 함께 연구자들은 계속해서 태양광 기술의 개선을 모색하고 있습니다. 지금까지 전 세계적으로 설치된 대부분의 태양광 패널은 단단한 땅 위에 놓여 있습니다. 그러나 물 위에 떠 있는 태양열 기술은 독특한 이점을 제공합니다. 다른 용도로 필요할 수 있는 육지 공간을 차지하지 않는다는 것입니다.

SolarisFloat의 수석 기술 엔지니어인 Antonio Duarte는 "재생 에너지 생산은 전 세계적으로 증가할 것입니다."라고 말합니다. "태양광 설치는 육지보다 물에서 훨씬 더 많이 증가할 것입니다. 이유는 무엇입니까? 토지가 매우 귀중한 자산이 되기 때문입니다."

태양 전지판을 빠르게 확장하려는 세계에서 이것은 특히 토지 부족에 직면한 국가에서 부유식 태양광에 상당한 이점을 제공합니다. 기존의 태양광 발전소는 점유하는 토지의 양 때문에 비판을 받는 경우가 많습니다. 그렇지 않으면 증가하는 세계 인구를 먹여 살리기 위해 농작물을 재배하거나 탄소를 흡수하는 나무를 재배하는 데 사용할 수 있는 토지입니다. 네덜란드 라이덴 대학의 연구에 따르면 태양 에너지는 석탄 발전소보다 최소 40~50배, 가스보다 90~100배 더 많은 공간을 필요로 합니다 .

환경 보호론자들은 또한 육상 기반의 태양열 및 풍력 발전소 가 생물 다양성, 특히 종이 풍부한 지역에 건설된 농장에 해로운 영향을 미칠 수 있다는 우려를 표명했습니다 .

따라서 물 위에 태양광 흡수 기술을 구축하는 것은 비어 있는 호수와 저수지를 활용하면서 땅을 비울 수 있는 현명한 방법입니다. 일본 및 싱가포르 와 같은 국가 는 제한된 토지 가용성 또는 매우 비싼 토지 때문에 부유식 태양광 발전소에 막대한 투자를 하고 있습니다.

부유식 태양열 설비는 고유한 이점을 제공합니다. 귀중한 토지 공간을 차지하지 않습니다.

그러나 현재 전 세계 태양열 설비의 1% 미만이 떠다니고 있다고 영국 Loughborough 대학의 재생 에너지 시스템 기술 센터 교수인 Michael Walls는 말합니다. 이것은 부분적으로 기술 및 재정적 제약 때문입니다. 바닷물은 부식을 일으키고 패널을 비스듬히 배치하는 것은 플로팅 플랫폼에서 까다롭고 비용이 많이 든다고 Walls는 말합니다. 민물 수역에 설치하는 경우 수영, 보트 타기 또는 낚시와 같은 다른 활동과 경쟁할 경우 반대에 직면할 수도 있다고 그는 덧붙입니다.

그럼에도 불구하고 떠 다니는 태양열 농장은 기존 태양 에너지를 괴롭히는 또 다른 문제인 태양 전지판이 너무 뜨거워지면 비효율적이라는 문제를 해결합니다. 실제로 떠다니는 물의 냉각 효과 때문에 떠다니는 태양 전지판은 추가 에너지를 생성합니다.

태양 전지 패널은 열이 아닌 태양 광선을 사용하여 전기를 생성합니다. 그러나 너무 뜨거워지면 효율성이 떨어집니다 . 이는 열이 태양 에너지를 전기로 변환 하는 패널의 전자 를 여기시켜 높은 에너지와 휴면 상태의 차이를 작게 만들어 전압과 생성되는 전기량을 감소시키기 때문입니다. 태양광 PV 패널은 일반적으로 15C와 35C (59F와 95F) 사이에서 최고 효율로 작동하지만 65C(149F)까지 뜨거워져 효율성을 저해할 수 있습니다.

플로팅 솔라의 물과의 근접성은 패널이 보다 효율적으로 작동하고 전기 생산을 최대 15%까지 증가시키는 데 도움이 된다고 포르토에 있는 기계 및 산업 공학 과학 및 혁신 연구소의 복합 재료 책임자인 Nuno Correia는 말합니다. 프로테우스 프로젝트.

 

태양을 따라

그러나 태양 전지판의 에너지 생산을 높이는 다른 방법도 있습니다. 예를 들어 어린 해바라기가 낮 동안 동쪽에서 서쪽으로 태양을 따라가는 방식과 유사하게 하늘에서 태양의 경로를 따르도록 패널을 기울이는 것입니다. 일부 육상 기반 태양 전지판에서 이미 사용되고 있는 추적 기술은 패널이 지속적으로 태양을 향하도록 조정하므로 전체 전기 생산을 증가시키는 데 도움이 됩니다.

SERIS의 연구에 따르면 태양을 추적하는 양면 패널은 기존 시스템에 비해 에너지 생산량을 35% 증가시키고 평균 전기 비용을 16% 줄일 수 있다고 합니다 . 태양광 패널의 추적 기술에 대한 수요는 이러한 효율성 향상으로 인해 2022년에서 2030년 사이에 매년 16%씩 증가할 것으로 예상됩니다 .

SolarisFloat는 두 가지 기술을 병합함으로써 정적 토지 설치에 비해 전기 생산을 최대 40%까지 증가시킬 수 있다고 말합니다.

SolarisFloat는 파일럿 프로젝트로 Proteus를 구축하여 이 첨단 기술을 테스트하고 청정 에너지 생성을 촉진하는 방법을 분석했습니다. 프로토타입은 그들에게 올해 European Inventor Award의 결선 진출자로 자리를 잡았습니다 .

Proteus의 단면 패널은 기계, 지리 공간 및 광 센서를 사용하여 두 축 에서 몇 시간마다 천천히 회전하여 동쪽에서 서쪽으로 이동할 때 태양 경로의 고도를 정확하게 따릅니다 .

Proteus는 떠다니는 태양 전지판과 태양 추적 기술을 결합한 최초의 설치물 중 하나입니다(Credit: SolarisFloat).

Proteus와 같은 추적 시스템에 적합한 위치는 많이 있지만 가장 가능성이 높은 틈새는 강한 바람을 경험하지 않는 고위도에 설치하는 것이라고 Reindl은 말합니다. 조석력과 폭풍우가 패널과 패널의 계류 및 정박 시스템을 파괴하지 않도록 위치를 신중하게 선택해야 합니다.

추적 시스템은 또한 패널이 거의 수평으로 설치되고 하루 종일 태양을 향하는 적도 근처의 위치에서 큰 차이를 만들지 않을 것이라고 Reindl은 말합니다.

추적기를 추가하면 설치의 전체 자본 및 유지 관리 비용이 증가한다고 Walls는 말합니다. 그러나 전력 이득으로 인해 이 기술은 "특히 선벨트 위치에서" 가치 있는 투자가 된다고 그는 말합니다.

물 위에 배치된 태양 추적 태양 전지판의 또 다른 단점은 설치가 어렵다는 점이라고 Duarte는 인정합니다. "지상 추적 시스템은 [일반적으로] 기둥으로 땅에 '고정'되며 기둥 위에 [태양 전지판] 모듈이 있는 플랫폼만 움직입니다."라고 그는 설명합니다. 물 위에서의 안정성을 보장하기 위해 Proteus의 플랫폼에 프로펠러와 엔진을 설치하여 패널을 고정했습니다.

Reindl은 "시간이 지남에 따라 시스템이 여전히 원활하고 안정적으로 작동하면서 흡수할 수 있는 최대 풍속과 파도 높이가 얼마인지는 두고 봐야 합니다."라고 말합니다.

 

환경 이점

추적 기술을 부유식 태양열과 연결하면 발전량을 늘릴 수 있지만 이점은 그 이상입니다. 떠다니는 태양열은 증발을 줄이고 독성 녹조의 확산을 방지하는 데 도움이 될 수 있으며, 두 가지 모두 물 공급을 위협 한다고 과학자들은 말합니다 .

부유식 태양열 설비는 표면을 태양으로부터 보호하여 수온을 식힙니다. 이것은 따뜻한 물에서 번성하고 눈과 피부 자극을 유발할 수 있는 유해한 독소를 생성 할 수 있는 남조류의 독성 꽃이 자라는 것을 방지합니다 .

더 낮은 온도는 또한 물의 증발을 방지합니다. 이는 물이 귀중한 자원인 건조한 지역에서 특히 중요한 이점입니다. 2021년 연구 에 따르면 세계에서 가장 물이 부족한 국가 중 하나인 요르단의 저수지에 떠 있는 태양 전지판이 연간 425MWh의 전기를 생산하면서 증발을 42% 줄였습니다.

 

Lancaster University의 에너지 및 환경 과학 선임 강사인 Alona Armstrong은 "적절한 장소에서 잘 수행된다면 부유식 태양열은 토지를 차지하지 않고 수역 상태를 개선하면서 절실히 필요한 저탄소 에너지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다"라고 말했습니다. 부유식 태양광 발전소의 환경적 이점과 위험을 검토 하는 연구의 공동 저자입니다 . "우리의 연구는 떠다니는 태양열이 수역을 식히고 식물성 플랑크톤 바이오매스를 감소시킨다는 것을 보여줍니다." 고농도의 식물성 플랑크톤 바이오매스는 녹조의 성장을 촉진할 수 있습니다.

그러나 부유식 태양열을 더 널리 사용하면 생태학적 단점도 있을 수 있습니다. 떠 다니는 태양 전지판은 태양이 수면을 가열하고 온도가 다른 뚜렷한 물 층을 만들 때 성층화 기간을 줄입니다. 이러한 감소로 인해 바닥층이 탈산소화되어 "영양소 농도가 바람직하지 않게 증가하고 물고기가 죽게 됩니다"라고 암스트롱의 연구는 지적합니다.

"떠 다니는 태양열은 수역에 유익하고 해로운 영향을 미칠 수 있으며 두 가지가 결합 될 가능성이 있습니다. "라고 Armstrong은 말합니다. "올바른 장소에서 제대로 수행되었는지 확인하는 것이 전부입니다."

부유식 태양광은 물 공급을 위협하는 증발을 줄이고 독성 녹조의 확산을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. (Credit: Alamy)

부유식 태양 전지판은 다른 청정 기술과 결합할 때 유용한 이점을 제공할 수도 있습니다. 우선, 부유식 태양열을 기존 수력 발전 인프라와 통합할 수 있는 "거대한 기회"가 있다고 Reindl은 말합니다. 이는 재생 에너지의 가장 큰 과제 중 하나인 가변적인 기상 조건에서 안정적인 전력 공급을 제공하는 방법을 해결하는 데 도움이 될 것입니다.

"낮에는 태양열을, 밤에는 수력을 사용할 수 있습니다."라고 Reindl은 말합니다. "현명한 방식으로 수행하면 원칙적으로 저장소를 거대한 배터리로 사용할 수 있습니다."

수력 발전소는 세계 최대의 재생 가능 에너지원입니다. 그러나 아프리카와 같은 일부 지역에서는 기후 변화로 인한 가뭄 증가가 미래 잠재력을 위협할 수 있다고 국제 에너지 기구(International Energy Agency)가 경고했습니다. 한 연구에 따르면 아프리카 수력 저수지의 1%에 떠 있는 태양 전지판 은 대륙의 수력 발전 용량 을 두 배로 늘리고 댐에서 전기 생산을 58% 늘릴 수 있습니다. Duarte는 Proteus와 같은 설비를 기존의 수력 발전 기반 시설과 함께 사용하여 전력 생산을 촉진할 수 있는 "강력한 잠재력"이 있다고 말합니다.

재생 가능 에너지에 대한 수요가 급증하고 가뭄과 같은 기후 영향이 증가함에 따라 SolarisFloat는 그들의 기술이 "윈윈 솔루션"을 제공한다고 말합니다. 패널과 복잡한 설치를 구축하는 데 필요한 강철 및 플라스틱과 같은 높은 재료 비용은 Proteus와 같은 설치의 글로벌 출시를 지연시키는 주요 장애물입니다.

상업적 성공을 위해 SolarisFloat는 전력 생산 증가를 입증해야 할 뿐만 아니라 전체 시스템에 대한 초기 투자와 운영 비용을 낮게 유지할 수 있음을 보여줘야 한다고 Reindl은 말합니다.

그럼에도 불구하고 세계 시장이 향후 8년 동안 5분의 1 성장 하여 $1억 80.2m(1억 5150만 파운드)에 달할 것으로 예상되는 부유식 태양광의 전반적인 미래는 밝다는 것이 분명해 보입니다 .

세계가 위험한 수준의 온난화를 피하기 위해 재생 가능 에너지를 빠르게 늘려야 한다는 점을 고려할 때 얻을 수 있는 모든 도움이 필요합니다. 떠다니는 태양 추적 태양열은 긴급하게 필요한 곳에 가장 효율적인 패널을 배치하는 데 도움이 될 수 있습니다.