하야노 후미아키(Hayano Humiaki) ㈜프로로지스 컨스트럭션·매니지먼트부

이케다 토모(Ikeda Tomo)·와타나베 카츠유키(Watanabe Katuyuki) ㈜NTT 파시리티즈 솔라프로젝트 본부

프로로지스는 미국·콜로라도주에 본사를 둔 물류시설전문의 부동산 개발회사이다. 1991년에 북미에서 사업을 시작한 후, 고객의 물류시설 요구에 응하는 형태로 세계 각국으로 진출한 결과, 현재는 18개국 105구역에서 물류시설을 개발·소유·운영하며, 이를 필요로 하는 기업에게 임대하고 있다.

일본에 있어서는 2002년에 제1호 시설이 완성되어, 지금까지 북쪽은 센다이부터 남쪽은 사가현까지, 모두 합쳐 42동의 대형건물시설을 개발해 왔다.

현재는 개발 중인 시설을 포함해 합계 13동, 총 바닥면적으로 하면 약 122만㎡의 시설을 소유·운영하며, 물류회사를 비롯해 다양한 고객에게 효율적인 최신 물류거점을 제공하고 있다.

프로로지스의 재생가능에너지의 활용에 대한 대처

프로로지스는 전 세계에 걸쳐 ‘기업책임(Corporate Responsibility)’에 대처하는 일환으로써 각국에서 환경부하를 저감한 시설개발을 진행하고 있다. 지난해에는 재생가능에너지의 활용에 특히 힘쓰고 있어 그 중에서도 태양광발전 시스템의 도입을 전 세계적으로 진행해 오고 있다.

프로로지스는 전 세계에서 태양광발전 시스템의 도입이 가능한 물류시설의 지붕 약 4,200만㎡(도쿄돔 약 900개 분)을 소유하고 있으며, 이 지붕면적을 활용해 대규모의 태양광발전 시스템의 도입을 적극적으로 추진하고 있다. 2009년 9월에는 태양광발전 시스템 도입에 대한 연구와 의견교환을 구체화시키기 위해 전 세계에서의 대책팀인 ‘재생가능에너지 그룹’을 발족시켰다. 현재 북미·유럽(프랑스·독일·스페인)에서 그 지역의 전력회사나 재생가능에너지 관련기업 등과 제휴해 태양광발전 시스템의 도입을 진행하고 있으며, 2010년 2월말을 기준으로 전 세계를 통틀어 24.6MW의 태양광발전 시스템의 도입을 완료 및 진행하고 있다.

일본에 있어서의 재생가능에너지의 활용에 대처하기 위해 오사카시 코노하나구 마이시마 내의 시설 ‘프로로지스 파크 오사카 Ⅱ’와 중부국제공항에 인접한 시설 ‘프로로지스 파크 센트레아’에 풍력발전 시스템을 도입해 가동 중이다(사진 1).

또한, 2009년 5월에 가나가와현 자마시에 준공한 대형물류시설 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’의 지붕에 프로로지스 일본지사의 시설로서는 처음으로 태양광발전 시스템을 도입했다. 이 1MW의 태양광발전 시스템은 일본의 일반 기업이 설치하는 태양광발전 시스템으로써 동일한 건물에서는 최대급으로, 물류시설에서는 일본 최대의 규모다(2010년 3월말 현재). 또한, ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’의 태양광발전 시스템의 설계·준공은 NTT파시리티즈에 의뢰했다.

사진 1. 프로로지스 파크 센트레아의 풍력발전 시스템.  일본에 있어서의 재생가능에너지의 활용에 대처하기 위해 중부국제공항에 인접한 시설 ‘프로로지스 파크 센트레아’에 풍력발전 시스템을 도입해 가동 중이다.

대형물류시설 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’에 대한 소개

수도권에서도 최대급인 물류시설 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’는 가나가와현 자마시 히로노다이 지역의 약 6만㎡의 부지에 건설된 5층 건물, 총 바닥면적 약 14만㎡의 여러 기업이 이용하기 위한 물류시설이다. 국도 246호선이나 토메이고속으로의 교통이 우수한 입지에 있기 때문에 물류거점으로써 굉장히 인기 높은 시설이다.

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’는 환경부하를 저감시킨 시설로써 태양광발전 시스템의 도입 외에도 면진(免震 : 지진 시의 진동을 줄이는 것) 장치의 도입, 산림녹화의 증진, 빗물 침투 저장층의 장치나 부지 남측의 일부를 보도로 정비한 후 자마시에 기부 등 다양한 대처를 실시하고 있다.

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 태양광발전 시스템의 개요

산업용 태양광발전 시스템은 소규모로 설치가 비교적 쉬운 주택용 태양광발전 시스템에 비해서 하중(荷重) 제한, 방수처리, 건물구조, 기존 전력설비에의 영향(전력변동, 소음대책, 벼락피해대책 등) 등에 의해 도입이 제한되기 쉽다. ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’에는 앞에서 언급한 제한이나 조건 등에 부합해 지붕의 약 절반정도의 공간에 상당하는 11.160㎡의 범위에서 태양전지 패널 5,576장을 설치해 단일건물의 지붕 및 물류시설로서는 최대 규모의 발전출력인 1MW의 메가솔라를 도입했다(사진 2).

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’에 설치한 총 용량 1MW의 태양광발전 시스템에서의 연간 발전량은 약 100만kWh를 예상하고 있으며, 이 발전량은 일반가정 약 280세대 분의 연간소비전력량에 해당된다.

시스템 등의 구성은 표 1과 같지만 태양전지 패널은 성능·원가·신뢰성을 고려해 다결정실리콘 타입(당시의 최신 모델)을 선정했다.

표 1. 시스템 구성 등.  태양전지 패널은 성능·원가·신뢰성을 고려해 다결정실리콘 타입을 선정했다.

태양전지가 발전한 직류전력을 교류로 변환해 계통연계시키는 장치인 PCS(파워컨디셔너)에서는 변환효율이 높고 직류배선 효율화에 기여하는 높은 입력전압으로, 뒤에 기술하는 직류입력 3회로 저마다 MPPT 제어를 실시하는 250kW PCS를 선정했다.

태양전지 패널의 설치각도는 가대에 각도 조정용 부자재를 이용해 10도 정도로 설치하는 것도 검토했지만, 부자재 원가와 바람 하중이 증가하는 것 및 패널 설치간격을 넓게 하지 않으면 그림자의 영향으로 설치용량이 감소함에 따라 패널의 각도를 만듦으로써 이러한 불편을 덜었다. 지붕 기울기에 따라 약 1.7도, 지붕 기울기 3/100으로 결정했다(그림 1).

계통연계방식은 PCS의 출력인 AC420V를 전용 승압변압기를 개재해 특별고압전선로에 연계시키고 있다.

태양전지 패널을 부설한 5층 옥상의 금속판자 지붕은 둥근 하제 형상으로, 옥상에 구멍을 뚫지 않고 그 하제부분을 끼워 넣는 형태로 지지 금속부품을 설치해 종횡의 강재에 의한 가대를 거쳐 태양전지 패널을 설치하고 있다.

그림 1. 패널 설치각도 검토.  패널 설치각도는 지붕 기울기에 따라 약 1.7도, 지붕 기울기 3/100으로 결정했다.

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 태양광발전 시스템의 특징

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’에의 태양광발전 시스템 도입에 있어서의 주된 특징은 다음 3가지이다.

첫째, 대규모 태양광발전 시스템에 맞춘 벼락피해대책

둘째, 1MW분의 태양전지 패널을 전기적으로 12블록으로 나눠, 저마다를 MPPT 제어

셋째, 메인터넌스를 고려한 가대설계·패널배치

첫 번째의 벼락피해대책에 대해서 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’의 건물 높이는 36m이지만 현행하는 건축기준법에서는 높이 20m 이상의 건물에서는 피뢰설비의 설치가 의무화되어 있다. 번개피해대책을 소홀히 해 태양광발전 시스템의 번개 직격에 의한 피해는 물론 가까운 건물이나 철탑 등에 떨어진 번개에서도 접지(어스)의 방식이나 전자유도에 의해 태양전지 자체가 손상하는 경우나, PCS·계측시스템 등의 전자기기가 불에 타거나 절연파괴를 일으켜 시스템이 발전불능상태가 되는 보고사례가 뒤를 잇고 있다.

본 건에서는 총 용량 1MW인 대규모의 태양광발전 시스템으로써의 벼락피해대책을 피뢰침으로 하지 않고, 지붕의 태양전지 패널 사이에 설치한 보수작업용의 공간에 저원가로 설치 가능한 ‘피뢰도체’를 설치했다(사진 3).

법령대응·원가·공사기간 등을 종합적으로 검토해 보수성도 가미한 가장 현실적인 동시에 경제적인 방법으로써 보수작업 공간의 확보와 피뢰설비의 설치라고 하는 2가지 조건을 동시에 만족시키는 벼락피해대책을 실현시켰다.

사진 3. 피뢰도체. 지붕의 태양전지 패널 사이에 설치한 보수작업용의 공간에 저원가로 설치 가능한 ‘피뢰도체’를 설치했다.

사진 4. 태양전지 패널 배치 모습. 총 용량 1MW의 태양광발전 시스템이 만들어 낸 깨끗한 전력은 시설 내에서의 이용은 물론, 입구나 별동의 공용동에도 공급하고 있다.

두 번째의 MPPT 제어란 Maximum Power Point Tracking의 줄임말로, 기후나 온도에 따라 변동하는 태양전지의 출력을 가능한 한 유효하게 끄집어내기 위한 기능으로 최대 전력점 추종제어기능이라고도 말한다. 태양전지의 출력은 일사강도나 주위 및 태양전지 표면온도에 따라 변동한다. 그림 2에 일사강도에 대한 태양전지의 출력전류·전압특성과 그 최대출력 특성을, 그림 3에 온도에 대한 태양전지의 출력전류·전압특성과 그 최대출력 특성을 나타낸다(동시에 결정계 태양전지의 발전이미지 그림).

(Source : 태양광발전 시스템의 설계와 시공 개정 3판, 옴사)

그림 2. 일사강도 특성과 일사강도-최대출력 특성. 그림과 같이 일사강도에 대한 태양전지의 출력전류·전압특성과 그 최대출력 특성을 나타냈다.

그림 3. 온도 의존특성과 온도-최대출력 특성.  그림에 온도에 대한 태양전지의 출력전류·전압특성과 그 최대출력 특성을 나타냈다.

또한 그림 4는 태양전지 발전 시의 전기적 출력 특성을 전류-전압특성으로써 나타낸 것이다. 이 특성은 Ⅰ-Ⅴ곡선이라고도 부르며, 그림 가운데 ‘최적동작점’이 최대출력을 얻는 동작점을 의미하며, 최대출력은 최대출력 동작전류와 최대출력 동작전압의 곱으로 얻을 수 있다.

이와 같은 변동요소에 대해서 출력전압의 증감을 감시하고 부하의 동작전압을 조금 변동시키면서 항상 최대출력을 찾아 끄집어내는 제어가 MPPT 제어이다.

본 건에서는 총 용량 1MW의 태양전지 패널을 전기적으로 12분할해 하나의 블록을 약 83kW로써 3입력 3회로 MPPT 제어를 가진 250kW PCS 4대에 접속시켰다(그림 5).

(Source : 태양광발전 시스템의 설계와 시공 개정 3판, 옴사)

그림 4. 태양전지의 전류-전압특성. 그림은 태양전지 발전 시의 전기적 출력 특성을 전류-전압특성으로써 나타낸 것이다.

그림 5. 시스템 구성도.  총 용량 1MW의 태양전지 패널을 전기적으로 12분할해 하나의 블록을 약 83kW로써 3입력 3회로 MPPT 제어를 가진 250kW PCS 4대에 접속시켰다.

앞에서 기술한 태양전지 패널의 특성으로부터 PCS 1대의 정격용량인 250kW마다 교류로 변환하는 경우, 250kW분의 태양전지패널 전체의 평균적인 최대출력점이 동작전압이 되지만, 약 83kW마다 개별로 MPPT 제어를 실시함으로써 블록마다 최대출력점을 세밀하게 제어할 수 있게 되어, 시스템 전체로서의 변환효율 향상을 도모할 수 있다. 이와 같은 시스템 구성으로 맑을 때에 구름 등에 의한 부분적인 그림자가 발생할 경우에도, 태양전지 패널(블록)마다의 최대전력점의 불규칙함을 최소한으로 억제할 수 있어 발전량의 증가에 공헌할 수 있다.

세 번째의 메인터넌스를 고려한 가대설계·패널배치에서는 라이프사이클 원가를 고려해 장래의 메인터넌스의 부담을 생각하고, 가대나 그 설치지지 금속부품에 대해서 장기간 사용해도 지붕재료와의 이종금속접촉부식을 일으키기 어려운 것을 선정했다. 더욱이 태양전지 패널 등의 점검이나 교환 작업이 쉬운 부재를 사용해 태양전지 패널 자체도 지붕에 빈틈없이 깔지 않고, 적당한 간격으로 빈틈을 만들어 설치해 메인터넌스 작업을 하기 쉽도록 배려했다.

또한 태양전지 패널 3장마다 500mm 정도의 공간을 마련해 메인터넌스 작업을 위해 들어 갈 수 있도록 패널의 배치를 고안해 보수작업 공간을 확보했다(그림 4).

그림 6. 태양광발전량 데이터 WEB 화면(프로로지스 웹사이트 www.prologis.co.jp/sustainability/phtovoltaicsystem.html). 프로로지스의 웹사이트 상에서도 수시로 관람할 수 있도록 하고 있다.

환경을 배려한 물류시설의 역할

총 용량 1MW의 태양광발전 시스템이 만들어 낸 깨끗한 전력은 시설 내에서의 이용은 물론, 입구나 별동의 공용동(‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’의 인접지에 새롭게 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅱ’의 개발을 예정하고 있으며, 2동의 물류시설에 공동 이용하는 레스토랑·매점 등이 설치된 어메니티시설)에도 공급하고 있다.

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’시설 1층의 입구 홀에서는 데이터 수집장치로 계측한 발전량 등의 정보를 대형 액정디스플레이를 이용해 표시함과 동시에(사진 5, 사진 6), 프로로지스의 웹사이트 상에서도 수시로 관람할 수 있도록 하고 있다(그림 6). 대규모의 태양광발전 시스템의 발전실적을 내외로 널리 공개함으로써 태양광발전의 이해를 깊게 하는 것과 동시에 지구온난화의 방지를 위한 대처를 어필하고 있다.

사진 5. ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 입구 홀과 태양광발전 모니터 화면. ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 시설 1층의 입구 홀에 대형 액정디스플레이를 설치했다.

사진 6. ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 입구 홀에서의 발전량 표시.  데이터 수집장치로 계측한 발전량 등의 정보를 대형 액정디스플레이를 이용해 표시하고 있다.

또한 옥상에는 1MW분의 태양전지 패널 전체를 내다볼 수 있는 전망대(사진 7)나 설치한 태양광발전 시스템의 구조를 알기 쉽게 설명한 해설 패널을 설치함으로써(사진 8), 시설을 방문한 고객에게 아주 가까운 거리에서 안전하게 태양광발전 시스템을 견학하도록 하는 것과 동시에 그 구조를 이해할 수 있도록 고안하고 있다.

더욱이 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’ 완성 직후인 2009년 여름에는 이 대규모의 태양광발전 시스템에 대해서 근접한 주민 모두에게도 알리려고 시설주변에 거주하는 사람들을 초대해 물류시설의 내부와 함께 태양광발전 시스템도 관람하도록 견학행사를 실시해 어린이부터 성인까지 150명의 지역 주민들이 모두 참가하도록 했다(사진 9). 물론 참가자 모두는 이런 태양광발전 시스템을 눈앞에서 보는 것은 처음으로, 그 스케일에 압도됨과 동시에 감탄했다. 유감스럽게도 ‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’는 보통 일반 공개는 하지 않지만, 향후에 기회가 된다면 아동·학생 대상의 사회과 견학이나 그 외 견학행사 등을 적극적으로 실시해 나갈 것이다.

향후 태양광발전 시스템 도입을 위한 제언

‘프로로지스 파크 자마 Ⅰ’의 태양광발전 시스템은 2009년 7월의 가동 개시 이래 거의 계획대로 순조롭게 발전을 계속하고 있으며, 연간 발전예정인 100만kWh를 달성할 수 있을 것이라고 예상하고 있다.

서두에서 소개한 대로 프로로지스는 전 세계를 대상으로 시설 지붕에의 태양광발전 시스템의 도입을 추진하고 있다. 북미나 유럽에서는 고정가격 매입제도 등 재생가능에너지의 활용을 둘러싼 환경의 정비를 진행하고 있으며, 프로로지스도 본 고장의 전력회사 등과 파트너십을 맺음으로써 여러 시설의 대규모 태양광발전 시스템의 도입을 진행하고 있다.

일본에 있어서는 재생가능에너지 보급을 위한 제도가 충분하지 않아, 한 회사 단독의 대규모 태양광발전 시스템의 도입은 그다지 현실적이라고는 말할 수 없지만, 장기적인 재생가능에너지의 보급을 주목해 시설지붕에의 태양전지의 설치하중대응 등을 실시하고 있다. 향후는 다른 기업과 파트너십을 맺는 등 당사의 시설 지붕에 태양광발전 시스템의 도입을 진행해 나가고 싶다고 생각하고 있다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

[SolarToday ()]

[저작권자 © 솔라투데이, 무단 전재 및 재배포 금지]