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[칼럼] 고수익, 고효율 양면형 태양광 모듈의 효과적인 이용방안
반사판 등 광학설계시 양면형 모듈 후면발전량 가장 높아

[인더스트리뉴스 이상열 편집인] 태양광발전소에서 최근 트렌드로 부상하고 있는 양면형 태양광 모듈은 전면에서 받은 태양광으로만 발전하던 단면형 모듈과 달리 전면은 물론, 바닥에서 반사된 산란광을 후면으로도 받을 수가 있기 때문에 추가적으로 출력을 확보할 수 있는 이점이 있다.

최근 수요가 증가하고 있는 양면형 태양광 모듈은 단면형 모듈 대비 기본적으로 5%의 효율 이득이 가능하고, 설치 환경이 양호하면 20~30%까지 추가로 출력 증대가 가능하다.

양면형 태양광 모듈은 조건에 따라 다소 다르지만, 기본적으로 5%의 효율 이득이 가능하고, 설치 환경이 양호하면 20~30%까지 추가로 출력 증대가 가능하다. 다시 말해, 제조기업의 시험성적상 동일한 면적에서 단면형 모듈 대비 최대 30%의 이익을 볼 수 있기 때문에 국내는 물론, 해외에서도 수요가 늘어나고 있는 실정이다.

양면형 태양광 모듈, 설치환경에 따라 발전량 편차 심해

실제 태양광 관련 전문가들 또한 양면형 모듈이 향후 태양광발전소의 트렌드가 되는 건 시간문제일 뿐이라며 단가 문제만 해결하면 보급 확대는 더욱 활발히 이뤄질 것으로 전망하고 있다. 관건은 효율이다. 최근 H사가 발전효율을 검증한 결과, 기존 단면형 모듈에 비해 발전효율이 최대 30% 이상 높았다고 발표한 바가 있다. 이 회사가 소개한 '양면형 발전 모듈 실증 결과'에 따르면, 환경에 따라 효율은 큰 차이가 보이는 것으로 나타났다.

우선 바닥이 흰색 콘크리트일 경우에는 양면형 모듈이 단면형 모듈에 비해 발전량이 11.8% 높았고, 흰색 자갈인 경우에는 그 차이는 12.6%로 더욱 벌어진 것으로 나타났다. 또 바닥에 눈이 쌓이게 되면 양면형 모듈의 발전효율은 더욱 좋아진 것으로 나타났다. 눈이 내리기 전에는 양면형 모듈의 발전량이 단면형 모듈에 비해 9.5% 늘었고, 강설이 내리면 양면형 모듈이 단면형 모듈에 비해 156% 발전량이 급증했다고 한다.

표 1. 물체의 색깔별 반사율

물체의 색깔별 반사율을 살펴보기 위해 <표 1>과 같이 반사율 표와 백색 반사율과 은색 반사율을 비교해서 제시한다. 표에서와 같이 백색 반사율은 93%인 반면에 은색 반사율은 63%에 달한다. 단, 백색은 환경에 오염되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 고가이기는 하지만 반사판을 금속판으로 처리하는 경우도 있다.

 

설치환경에 따른 양면형 모듈의 발전 증가율(단면 모듈 대비 발전량 증가율)

    · 모듈 밑에 잡초를 방치한 경우 : 7% 증가

    · 잡초를 제거한 후, 맨땅인 경우 : 10% 증가

    · 흰 돌이나 자갈, 흰객 페인트로 도색시 : 15% 증가

    · 광학설계시(반사판 등) : 25% 증가

 

베이시안 최적화(Baysian Optimization)를 이용한 양면형 모듈의 LCOE(균등화 발전비용) 최소화를 살펴보면, 2029년에는 양면형 모듈이 50%를 차지할 것으로 예측하고 있다. 땅값이 평당 7만 5천원할 때에 LCOE는 kWh당 42원(단면형 모듈은 44원 5% 정도 증가), 경사각은 20도(단면형 모듈은 15도)가 최적 이격거리는 4m(단면형 모듈은 3.5m)가 최적이고 땅값이 올라감에 따라 LCOE는 올라가고 경사각은 줄어들고 이격거리도 좁아지게 된다.

이것을 다시 검토하게 되면, LCOE 경사각과 이격거리 모두 우리나라는 140원으로 차이가 크고, 경사각은 가변 고정형이기 때문에 계절에 따라 다르고 이격거리는 음영을 고려하게 되면 우리나라는 겨울철 기준으로 6m에 달한다. 비용에 근거한 경사 양면형 모듈 태양광의 최적화를 검토해보면 위도와 경도에 따른 LCOE를 최소화하는 양면형 모듈의 최적 경사각을 15~20도 올려주게 되면 LCOE를 8~10%로 낮출 수 있다.

<그림 1>은 미국 텍사스 주에 위치한 댈러스와 워싱턴 주에 위치한 시애틀의 땅값 차이에 따른 최적화 결과를 나타낸 것이다.

그림 1. LCOE와 어레이 최적 각도(β°)의 상관관계

양면형 모듈의 계절별 경사각과 경제성

양면형 모듈의 경사각이 미치는 영향에 대해 살펴보면, 양면형 모듈의 성능과 모듈의 경사각(이하 경사각), 모듈 1장, 모듈 1줄, 여러 줄의 모듈로 구분 높이 1m에서 반사율 21%를 가정하면, 모듈 1장/모듈 1줄에서는 최적 경사각은 여름철은 5도, 춘추분은 35도, 겨울철은 65도로 산출되었으며 여러 줄의 모듈에서는 최적 경사각이 여름철은 10도, 춘추분은 40도, 겨울철은 75도로 각각 산출되었다.

모듈의 여름철 최대 각도는 30도인데, 이 경우 양면형 모듈의 수율은 5% 정도 증가하지만, 양면형 모듈의 에너지는 15% 정도 감소하기 때문에 여름철에는 각도를 6~8도로 유지하는 것이 유리하고, 여름철에는 최적 각도가 10도에 근접하는 것이 효율적이다.

봄과 가을은 모듈 각도가 양면형 모듈의 수율에 거의 영향을 받지 않기 때문에 현재의 각도를 유지하거나 음영 문제로 인해 33도 이하를 유지하는 것이 효율적이다. 또 겨울에는 양면형 모듈의 수율이 75도에서 최고조를 이루지만, 이 각도에서는 음영과다로 인해 발전 장해가 발생하므로 현 각도(33~45도)를 유지하는 것이 유리하다. 특히, 각도를 변경할 경우에는 발전 효율과 음영이 동시에 고려되어야 하므로 상세설계가 필요하다.

경제성을 고려한 양면형 모듈의 수율은 보통 10%로 측정되고 있으며 경사 가변형인 경우에는 여름철은 경사각이 낮으므로 이 경우에는 수율을 7% 정도로 상정하는 것이 타당해 보인다. 그러므로 양면형 모듈의 가격은 단면형 모듈에 비해 5% 이하 정도 차이가 발생해야만 경제적으로 타당해 보인다.

양면형 모듈의 경우, 반사판을 설치하는 경우와 그렇지 않은 경우에는 수율의 차이가 많이 발생한다. 또 반사판을 설치한 경우, 부실하게 관리를 하면 오염과 훼손이 동반되므로 세심한 주의가 필요하다. 효율이 좋은 반사판일수록 가격이 고가이므로 경제성에 자칫 경제성에 역행할 수 있어 경제적인 설계가 필요하다.

양면형 태양광 모듈의 검사업무 처리지침과 관련해서는 공사계획신고서는 전면모듈 용량을 기준으로 하며 전면모듈+후면모듈 용량이 인버터 용량의 105%를 초과할 경우에는 전선로 용량이 전면 모듈+후면 모듈 용량을 초과하고, 차단기의 용량이 전면 모듈+후면 모듈 용량을 동시에 초과하면 합격이다.

또한, 전면 모듈+후면 모듈 용량이 인버터 용량의 105% 이하일 때도 합격이다. 차단기의 정격전류는 모듈 Isc로 계산하고, 인버터 용량은 모듈 전면 용량만 산정할 수도 있다.

[이상열 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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