우선 글 작성에 앞서 저는 태양광 발전을 직접적으로 옹호하거나 비난할 목적이 없음을 분명히 밝히며,
심심풀이 및 계산 연습삼아 시도해 본 계산임을 감안해 주시기 바랍니다.

또한 저는 현재 공대 1학년생으로서 관련 지식 역시 잘못 알고 있거나 부족한 부분이 있을 수 있음을 알려드립니다.

그러니 계산 과정상에 적지 않은 오류가 있을 수 있습니다.
만약 계산 과정상에서 오류를 발견하신다면 어떤 부분이 잘못되었는지 설명하며 지적해 주신다면 정말 감사하겠습니다.




1. 계산 목적 : 우리나라(대한민국)에서 태양광 발전으로 만들 수 있는 전력 한계치는 어느 정도인지를 알아보자.

2. 계산 과정 :
    가. 태양의 일률 구하기
    나. 지구 거리에서 태양에 의한 면적당 일률 구하기
    다. 지표면에 도달하는 면적당 평균 일률 구하기
    라. 대한민국의 면적과 발전 효율, 위도 등을 고려하여 대한민국에서 태양광으로 발전 가능한 한계치 구하기

3. 계산
    가. 태양의 일률 구하기
 태양은 1초에 약 426만 톤의 질량이 핵융합을 통해 에너지로 바뀝니다(*1). 이 질량이 태양 에너지의 근본적 원천이므로 이를 통해 태양이 1초에 뿜어내는 에너지량을 계산할 수 있을 것입니다. 태양은 나이가 50억 년 이상이므로 에너지 평형에 달해 있다고 생각할 수 있으며, 이를 통해 생산되는 에너지량이 방출하는 에너지량과 같다고 가정하였습니다. 계산에 사용하는 식은 E=mc^2입니다.

        E(J) = 4.26e+9(kg) * (3e+8(m/s))^2  = 3.83e+26(J) per second

즉, 태양은 1초에 약 383자 줄의 에너지를 방출하며, 이는 곧 383자 와트의 일률과 동일합니다.
요약 : 태양의 일률 : 3.83e+26 W

    나. 지구 거리에서 면적당 일률 구하기
 태양은 전 방향으로 에너지를 방출하므로, 지구의 위치에서 1km^2당 받는 에너지는 태양이 방출하는 에너지를 태양에서 지구까지의 거리를 반지름으로 하는 구의 겉넓이로 나눈 값이 될 것입니다. 지구와 태양간의 거리는 1AU(약 1억 5천만 km)로 잡았습니다. 구체적인 계산 과정은 다음과 같습니다.

        태양 E (W) * (1(km^2)/4*pi*(1.50e+8)^2(km^2)) = 1.36e+6 (kW)

즉, 지구 근처에서 1km^2당 태양으로부터 얻는 일률은 약 136만 키로와트 정도 됩니다.(후덜덜 하네요 ㄷㄷ;;)
요약 : 지구 거리에서의 일률은 1.36e+6 kW/km^2

    다. 지표면에 도달하는 면적당 평균 일률 구하기
 이 계산부터 추정치가 마구 등장하기 시작합니다. 저는 추정치를 다음과 같이 잡았습니다.
     1) 두산백과 따르면 지구의 알베도(반사율)는 대략 0.367 정도라고 합니다(*2). 그러므로 지구에 흡수되는 빛은 1-0.367 = 0.633 입니다.
     2) 기상청 자료에 따르면 2013년 서울의 평균 운량은 대략 4.87수준입니다(*3). 구름이 있으면 그만큼 햇빛이 구름에 흡수되어 지면에 도달하지 않고, 제가 아는 바에 따르면 알베도에서는 구름에 흡수되는 양이 아니라 단순히 반사되는 양만을 고려하기 때문에 2)은 1)과 별도로 고려해야 한다고 생각했습니다. 원래는 전국의 운량을 구해야 맞겠지만, 그러기엔 힘이 너무 들고 서울의 1년 운량과 전국의 1년 운량에 큰 차이는 없을 것이라 생각되기 때문에 서울의 평균 운량만을 계산에 사용하겠습니다.
         운량은 하늘 전체를 10으로 봤을 때 구름이 어느 정도 끼었나를 판단하는 수치이므로 평균 운량이 4.87이란 말은 대략 하늘의 48.7%가 가린다는 뜻입니다. 저는 구름이 햇빛을 가리는 정도를 대략 75%정도로 잡았습니다. 근거는 구름이 잔뜩 낀 날과 구름 한 점 없이 맑은 날의 체감적 조도 차이입니다. 그러므로 구름이 48.7%만큼 끼어 있다면 땅에 도달하는 햇빛은 100 - 48.7*(0.75) = 63.475(%)가 됩니다.
      3) 밤에는 태양빛이 도달하지 않고, 밤과 낮의 길이는 비슷하기 때문에 밤의 존재로 인한 보정값은 0.5로 잡았습니다.
      4) 태양은 항상 일정한 위치에 머무르지 않고 떠서 지기 때문에 평균 일조량은 나.에서 계산한 것보다 작아집니다. 왜냐하면 나.의 일조량은 태양빛이 계속해서 수직으로 도달하는 경우만 생각했기 때문입니다. 저는 이 보정값 역시 대략 0.5정도로 잡았습니다(위도는 아직 고려하지 않았습니다).
결론적으로 제가 생각한 보정치는 1)~4)까지고, 이를 곱해서 다.를 구해보면 다음과 같이 나옵니다.

         지표면에서의 일률(kW) = 지구 거리에서의 일률(kW) * 0.633 * 0.63475 * 0.5 * 0.5 = 1.37e+5 (kW)

요약 : 실제 지표면에서 태양으로부터 받는 평균 일률은 약 1.37e+5 kW/km^2


    라. 대한민국의 면적과 발전 효율, 위도 등을 고려하여 대한민국에서 태양광으로 발전 가능한 한계치 구하기
이 계산 역시 추정치들이 많기 때문에 오류가 많을 것이라 예상됩니다. 일단 저는 다음과 같이 추정치를 설정했습니다.
     1) 위도 보정
  대한민국의 위도는 대략 37도 정도입니다. 이 말은 태양의 평균 최고 고도가 90도가 아니라 54(=90-37)이라는 뜻입니다. 그만큼 입사량도 줄어들겠지요. 그러므로 보정치로 cos 37도를 곱해줄 것입니다.
     2) 산지 보정
  대한민국은 약 70%가 산지입니다. 보다 정확히는, 해발 고도 200m이상(이정도면 낮은 동네 뒷산 정도의 높이입니다)인 고정표본분포의 비율이 약 71.5%입니다(*4). 물론 표본의 비율이 곧 넓이의 비율로 이어지진 않겠지만 어느정도 비례관계가 있는 것은 사실이니 큰 문제는 없으리라 생각합니다. 아무튼 이들은 대부분이 녹지이므로, 태양광 발전을 해서는 안 되는 곳입니다. 그러므로 발전 지역 넓이를 계산할 때 산지의 넓이는 빼야 합니다. 보다 정확히는 녹지 면적을 빼는게 맞겠으나 대체로 산지와 녹지는 일치하고, 녹지 면적을 모두 조사하기가 힘들어 이런 방식을 택하였습니다. 구체적 보정치는 1-0.7 = 0.3입니다.
     3) 기타 면적 보정
 산지를 제외한 전 국토에서 태양광 발전을 할 수 있느냐, 이건 아닙니다. 도로나 공원, 보도, 운동장 등 태양광 발전을 할 수 없는 지역이 꽤 있기 때문입니다. 전 '산지가 아닌 국토 중 태양광 발전시설을 설치할 수 있는 면적의 비율'을 10%정도로 잡았습니다.
     4) 발전 효율 보정
 사실 현재 태양광 발전의 효율은 굉장히 절망적입니다. 거기에 배터리나 기타 송전 효율까지 합하면 사실 10%를 넘기도 힘듭니다. 하지만 이 계산에서는 '한계치'를 구해보고자 하기 때문에 미래에 태양광 기술이 굉장히 발전하여 50%정도의 발전 효율을 자랑한다고 가정하고 계산하겠습니다.

그리고 마지막으로 계산에 필요한 국토면적은 100,150km^2입니다(*5). 이를 토대로 계산을 해 보면 다음과 같습니다.

        100150 (km^2) * 1.37e+5 (kW/km^2) * cos 37도 * 0.3 * 0.1 * 0.5 = 1.64e+8 (kW)

즉, 대한민국 전체 면적에서 태양광으로 발전 가능한 일률은 대략 1.64e+8 kW정도라는 것입니다.
그럼 이를 통해 1년간 발전할 수 있는 전력량을 계산해 볼까요?

        1.64e+8 (kW) * 24 (h/day) * 365.2422 (day/year) = 1.44e+12 (kWh/year) = 1.44e+6 (GWh/year) = 1440000 GWh/year

네, 무려 1년간 144만 기가와트시나 생산할 수 있는 전력량입니다.
비교를 위해, 우리나라의 전력 생산량을 한번 확인해 보겠습니다. 2012년 기준으로 우리나라의 총 전력생산량은 509574 GWh로 나오는군요(*6).
무려 2012년 전력생산량의 3배나 큰 에너지를 활용 가능하단 소리입니다.

태양광 발전에 꾸준히 투자가 이루어진다면, 언젠가는 인류의 주력 발전원으로도 쓸 수도 있지 않을까 싶습니다.
그 전에 효율, 수리비용, 설치비용, 신뢰성, 지속성 등이 모두 해결되어야 하겠지만요. 아무튼 제가 말하고 싶은 건 가능성은 있다는 소리입니다.
다만 이건 어디까지나 가능성을 (굉장히 거칠게) 계산해 본 것일 뿐, 지금 당장 태양광 발전을 시작하자는 이야기는 아닙니다.

다시한번 말씀드리지만 이건 본격적인 계산이 아니었는데다 제가 아직 대학 1학년생이라 아는 게 많이 없으므로 추정치나 계산 과정에서 큰 실수를 했을 수도 있습니다. 잘 확인하시고 오류가 있을 경우 따끔한 지적 부탁드립니다.

긴 글 읽으시느라 다들 수고하셨습니다 ^^
아래는 본문에 나온 자료들의 출처입니다.
     

*1)Phillips, 1995, pp. 47–53,
p. 102, The physical universe: an introduction to astronomy, Frank H. Shu, University Science Books, 1982, ISBN 0-935702-05-9.
*2)알베도 [albedo] (두산백과)(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1122959&cid=40942&categoryId=32284)
*3)http://www.kma.go.kr/weather/observation/past_table.jsp?stn=108&yy=2013&obs=59&x=20&y=8(기상청 운량자료)
*4)http://kosis.kr/statHtml/statHtml.do?orgId=136&tblId=DT_5THFO002&vw_cd=&list_id=&scrId=&seqNo=&lang_mode=ko&obj_var_id=&itm_id=&conn_path=K1&path= (통계청, 2010년)
*5)http://kosis.kr/statHtml/statHtml.do?orgId=101&tblId=DT_2KAA101&vw_cd=&list_id=&scrId=&seqNo=&lang_mode=ko&obj_var_id=&itm_id=&conn_path=K1&path=(통계청)
*6)http://www.index.go.kr/potal/main/EachDtlPageDetail.do?idx_cd=3015#quick_02;(e-나라지표, 전력생산량 자료)