DGIST, 에너지 하베스팅 소자 개발로 태양에너지 효율 향상

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이주혁 교수팀이 태양전지의 표면 오염 제거 및 예방으로 태양에너지의 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스팅 소자를 개발했다.

이번 소자 기술은 삼성전자 생산기술연구소 승완철 박사와 공동연구를 통해 개발됐다. ‘마찰대전 발전소자’를 이용하여 마찰력을 전기 에너지로 전환하고, 이를 전기역학 스크린에 활용해 태양전지 표면의 오염을 방지·제거한다. 이를 통해 태양광 발전 효율을 지속적으로 유지할 수 있게 된다.

태양전지는 친환경에너지로 각광받고 있으나, 패널의 표면이 오염되면 에너지 생산량이 급격하게 감소하기 때문에 주기적인 유지보수가 필요하다.

기존에는 태양전지 패널의 먼지 제거 등 유지보수를 위해 고압수 분사 및 관리가 가능한 인력을 투입하고 있지만, 면적이 넓은 사막 또는 산악 지역, 나아가 우주와 같은 극한 환경 등에서는 인력 투입이 불가능하기에 무인으로 태양전지의 표면 오염을 방지 및 제거하는 기술이 지속적으로 연구되고 있다.  

그중 일정 패턴의 전극에 교류 형태의 고전압을 발생시켜 입자를 이동하게 하는 ‘전기역학 스크린’ 기술을 활용하는 방안이 연구되고 있으나, 이를 활용하기 위해서는 교류 전류 및 고전압이 필요해 태양전지 발전량에 손실이 발생하는 문제가 있다.

이에 연구팀은 일반적으로 소모되거나 버려지는 에너지를 재활용하는 ‘에너지 하베스팅’ 기술을 전기역학 스크린 기술에 적용하는 방안을 착안했다. 연구팀은 바람으로 회전하여 고전압의 에너지를 발전시키는 마찰대전 발전소자를 개발하고, 활용 가능성 확인을 위해 소자의 회전 속도에 따른 전압 출력의 변화를 기반으로 풍속과 출력의 관계를 분석했다.

그 결과 높은 풍속으로 인한 빠른 회전을 통해 고전압(최대 2300V까지)이 생성됐으며, 해당 소자를 활용한 ‘자가발전형 전기역학 스크린’을 제작해 패널 표면의 오염 제거를 실행하자 태양전지 출력이 90% 이상 회복됨을 확인했다. 

DGIST 에너지공학과 이주혁 교수는 “이번 연구를 통해 자연에서 존재하는 바람에너지를 전기에너지로 변환하여 태양전지 표면 오염을 방지 및 제거하는 기술을 개발하게 됐다”며 “향후 해당 기술을 보다 발전시켜서 친환경적인 방법으로 미래 에너지원인 태양에너지의 효율을 극대화할 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 통해 진행됐다. 에너지 공학 분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 ‘Nano Energy’(제1 저자: 에너지공학과 허민수 석사과정생)에 게재됐다.