DGIST, 자가발전형 태양광 패널 오염 방지 기술 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이주혁 교수팀이 삼성전자 생산기술연구소 승완철 박사 연구팀과 공동연구를 통해 별도의 외부 전력 없이 태양광 패널 표면 오염물질을 스스로 제거할 수 있는 자가발전형 오염 방지 기술을 개발했다.

이번 기술은 풍력으로 구동되는 회전형 마찰대전 발전 소자(Rotational Triboelectric Nanogenerator)를 이용해 전력을 생산하고, 이를 전기역학 스크린(Electrodynamic Screen, 이하 'EDS') 기술과 결합해 먼지를 원하는 방향으로 이동시켜 제거하는 방식이다.

태양광 패널 표면에 쌓이는 먼지는 전력 생산 효율을 급격히 떨어뜨리는 주요 요인이다. 이를 해결하기 위한 EDS 기술은 전기장을 활용해 표면의 먼지를 제거하는 방식으로, 별도의 세척 장비나 인력이 필요 없어 사막, 산악지대, 우주 등 사람이 접근하기 어려운 환경에서 특히 주목받고 있다. 그러나 기존 EDS 기술은 고전압이 필요해 외부 전원이 필수적이고, 유지비용이 추가되는 단점이 있었다.

이런 한계를 개선하고자 DGIST 연구팀은 2024년 풍력으로 자가 구동되는 1상 EDS 시스템을 선보인 바 있다. 그러나 1상 시스템은 먼지가 전극 사이를 좌우로만 반복해 중력에 의존해 먼지를 제거하는 방식이어서 효율이 낮고, 태양광 패널 설치 각도에 따라 성능 차이가 크다는 문제가 있었다.

연구에서는 풍력으로 직접 구동되는 3상 회전형 마찰대전 발전 소자와 3상 EDS 전극 패턴을 새롭게 설계해 오염물질을 원하는 방향으로 이송하는 자가발전형 3상 EDS 시스템을 개발했다. 이 기술은 패널 설치 각도와 무관하게 높은 제거 효율을 유지하며, 먼지를 한 방향으로 몰아 제거하는 것이 가능해 기존 방식보다 효과적이다.

실험 결과, 개발된 3상 회전형 마찰대전 발전 소자는 최대 1383 V의 고전압을 생성했고, 먼지 제거 효율은 83.48%로, 기존 1상 기반 기술 대비 1.6배 향상된 성능을 기록했다. 또한 풍력만으로 구동했을 때, 오염된 태양광 패널의 전력 변환 효율(PCE)을 초기 대비 약 96%까지 회복시키는 성과를 보였다.

이주혁 교수는 “이번 연구 핵심은 풍력으로 생성한 3상 고전압을 이용해 먼지를 원하는 방향으로 이동시키며, 별도의 외부 전원이 필요 없는 점”이라며, “특히 태양광 패널 유지관리 비용을 줄이고, 다양한 환경에서 효율적으로 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '나노미래소재원천기술개발사업' 및 '중견연구사업'의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 'Nano Energy'(1저자: DGIST 이철재 석박통합과정생, DGIST 양준영 석사과정생)에 게재됐다.