태양광 패널 먼지 제거 방법 모식도

한국기술교육대학교(총장 이성기, 이하 한기대)는 메카트로닉스공학부 박진형 교수 연구팀이 카이스트 기계공학과 경기욱 교수 연구팀과 공동으로 발걸음에서 얻어지는 충격 에너지를 전기 에너지로 변환하여 태양광 패널의 먼지를 제거하는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.

기후 변화에 대응하여 전 세계적으로 탄소중립이 화두가 되면서 이를 실현하기 위한 수단으로 태양광 발전의 중요성이 점차 커지고 있다. 그러나 태양광 발전은 표면의 먼지로 인하여 효율이 점점 저하되는 문제가 있어 주기적인 세척이 필요하지만, 손이 닿지 않거나 도심에 분산되어 있는 대양광 패널을 일일이 청소하기는 어려운 실정이다.

연구팀은 이러한 문제해결을 위해 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator)와 전기력 기반 먼지 제거 방식(elelctrodynamic dust shield)을 사용하여 보행자의 걸음에서 생기는 충격만으로 태양광 패널을 청소하는 방법을 개발했다.

먼지 제거 태양광 패널의 원리

이번에 개발한 먼지제거 태양광 패널은 표면에 깍지 형태의 전극이 배치된 구조로, 교류 전압을 가했을 시 진동하는 강한 전기력으로 먼지를 털어낸다. 연구팀은 강한 전기장을 만들어야 하는 특성상 작동에 수 kV의 교류 고전압을 발생시킬 수 있는 마찰전기 발전기 개발에 착수했다.

마찰전기 발전기는 친환경 에너지 하베스팅* 기술 중 하나로, 두 물체를 마찰시켜 생기는 정전기를 이용해 고전압 출력이 나오는 특징이 있다. 하지만 마찰전기 발전기 작동 원리상 마찰이 필수적이기 때문에 발걸음과 같은 충격에 대해서는 에너지 전환 효율이 낮으며, 오래 지속되는 고압의 전류 얻을 수 없다는 단점이 있다.

* 에너지 하베스팅 : 태양광, 진동, 열, 바람 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아서 유용한 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있도록 하는 기술

연구팀은 외팔보 구조와 전하 충전구조를 적용해 충격을 가했을 때 에너지의 손실 없이 진동하며 교류 고전압을 장시간(약 10초/회) 동안 발생시키는 마찰전기 발전기를 개발했다. 개발된 마찰전기 발전기는 약 50.8%의 높은 에너지변환 효율을 보여주었으며, 최대 전압 2.6kVpp(약 17Hz)로 먼지 제거 패널을 충분히 작동시킬 수준의 높은 출력을 발생시킬 수 있다. 연구팀은 12번의 발걸음을 걷는 동안 태양광 패널의 표면 먼지의 약 79.2%를 제거하였으며, 이 결과 태양광 패널의 출력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

연구팀은 “개발한 마찰전기 발전기를 이용한 태양광 패널 먼지 제거 방법은 사람들이 태양광 패널 주변을 걸어 다니는 것만으로도 세척이 힘든 도심 속 태양광 패널을 청소하는 친환경적인 방법이 될 수 있다.”고 말했다.

해당 연구는 정부의 재원으로 한국연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 지난 9월 22일 우수국제 학술지인 나노 에너지(Nano Energy) 온라인판에 “고효율 및 오래 지속되는 충격에 의한 마찰전기 나노발전기, 그리고 태양광 패널의 자가 청소에의 적용.(Highly efficient long-lasting triboelectric nanogenerator upon impact and its application to daily-life self-cleaning solar panel)”라는 제목으로 게재됐다.