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태양광발전소의 주춧돌, 태양광 구조물의 안정성을 확보하라!
고정가변(경사가변)형 구조물, 효율, 경제성 이유로 확대

[솔라투데이 박관희 기자] 태양의 빛(光)을 이용하는 태양광발전은 마땅히 실외에 설치되기 때문에 자연환경에 절대적인 영향을 받게 된다. 육상태양광의 경우 폭우와 폭설, 태풍에 대한 잠재적인 위협, 수상태양광은 여기에 더해 파고 등 외력에 상시 노출될 수밖에 없다. 따라서 태양광발전 시설은 이런 기후 영향 등을 고려한, 시설의 강성이 필요하고 한편으로 모듈이 태양광선에 직교할 때 최대의 출력을 낼 수 있는 만큼 시간, 계절에 의해 변하는 태양의 위치와 경사각에 대한 이해도 필요하다 하겠다. 태양광발전 시스템에서 이런 역할을 담당하고 있는 것이 바로 태양광 구조물이다. 

태양광 구조물[이미지=Dreamstime]

일조량 확보가 일차적 조건인 태양광발전은 실상 사막과 초원과 같은 공간이 최적의 장소이지만 어디까지나 자원으로서의 가치를 갖기 위해 현재는 건물의 옥상을 넘어 산간지역, 수상태양광 등이 도입되고, 그렇게 활용을 위한 연구가 거듭되면서 지리적 불리함을 극복하고자 새로운 개념의 구조물이 등장하게 됐다.화석연료의 사용으로 온실가스 배출이 늘어나자 극지방의 빙하가 녹고, 엘니뇨로 인한 슈퍼 태풍 등 자연재해가 빈번해졌다. 각국 정부는 대응차원에서 신재생에너지 사용 목표량을 할당했고, 무한한 자원인 태양광을 직접 전기에너지로 변환시켜 화석연료를 대체하는 발전 방식이 각광받게 됐다.

구조물, 태양광 설비 구성에서 약 20% 차지

앞서 밝힌대로 태양을 향해야 하는 조건이 전제되는 태양광발전은 이를 위해 태양전지 모듈이 항상 태양광선에 직교하는 방향으로 설치되어야 최대의 효율을 기대할 수 있다. 하지만 태양의 위치는 아침, 점심, 저녁에 따라 다르고, 사계절에 따라 달라진다. 또 일사시간이 긴 4월에서 9월의 발전량이 많고 일사시간이 짧은 11월에서 2월은 적어진다. 장마철은 일사시간이 짧기 때문에 발전량 역시 적어진다. 위도에 따라서도 다르다. 현재의 위치를 위도 37.5도라고 가정하면 태양의 남중고도가 하지에는 76도이고 동지에는 29도에 해당한다. 

따라서 기울기는 하지일 때 14도부터 동지일 때 61도 사이에 있어야 한다. 하절기에는 제어에 필요한 경사각의 범위가 표준 값보다 작아 최대 효율을 얻을 수 있고, 추분에서 춘분에 이르는 기간에는 경사각이 모자라 발전량의 감소가 나타나는 것이다. 종합하면 태양광발전 시스템은 일사량, 기울기가 관건이 되고, 이를 극복하기 위해 구조물 또는 태양광발전 시스템의 발전이 뒤따르게 된 것이다. 구조물의 중요성이 높아지면서 태양광발전에서 차지하는 비중도 높아졌다. 현재 업계에서는 구조물이 태양광발전 설비 설치비 가격 구성에서 약 20% 정도를 차지하고 있다고 보고 있으며, 해당 비중은 원소재라고 할 수 있는 철강 가격 변동에 따라 유동적으로 변하고 있다. 

효율을 높여라, 추적식 구조물 등장

이처럼 태양광발전 관련 기술은 주로 태양광의 발전 효율을 향상시키기 위해 태양 방향으로 각도를 조절하는 위치 추적 기능과 구조에 관한 연구가 본격화 됐고, 이를 통해 회전축을 설치하는 단축식과 양축식의 추적기술이 구조물에 적용됐다. 생산기술연구원의 분류에 따르면 단축식(single axis tracking)은 태양광 모듈이 태양의 한 축을 추적하도록 설계된 방식이다. 일반적으로 상하 추적식 또는 좌우 추적식으로 구분할 수 있다. 고정형에 비해 발전량이 증가하는 장점이 있지만 양방향 추적식에 비교하면 발전량이 작다.

양방향 추적식(Double Axis Tracking)은 태양광 모듈이 항상 태양의 방향을 향해 일사량이 최대가 되도록 상하좌우를 동시에 추적하는 장치이다. 설치 단가가 높은 반면, 고정형에 비해 연평균 25~30% 이상 발전량이 증가하는 장점을 가지고 있다.

파루의 양축트래커가 적용된 알라모6 태양광발전소 전경[사진=파루]

양방향 추적식의 대표적인 프로젝트라면 전남 순천 소재 기업인 파루의 미국 텍사스주 알라모 발전소가 있다. 여의도 면적의 4배에 해당하는 알라모 발전소는, 3만 여대의 양축트래커를 통해 하루 약 40만가구가 사용할 수 있는 전기를 생산하고 있으며, 투자의 귀재라는 워랜 버핏이 4,529억원에 알라모6 발전소를 인수해 화제를 낳기도 했다. 파루 장호규 이사는 “현재 미국과 유럽에서 추적식 구조물을 탑재한 태양광발전소가 건립되고 있고, 국내에도 태양광을 추적식으로 설계해 발전효율을 높이려는 사업자들이 늘어나고 있는 추세”라고 소개하며, “태양의 고도를 실시간 추적해 가는 방식으로 고정식에 대비해 약 30% 높은 효율을 보인다는 점이 큰 매력”이라고 밝혔다.
세계적으로보면 추적식과 관련해 체결 부재를 하나의 볼트로 체결하려는 노력이 전개되고 있다. 다시 말하면 시공기간 단축, 원가 절감 등 작업상의 편의와 효율에 관심이 집중되고 있는 모습이다.

고정가변형, 활용사례 많아

현재 중소규모의 발전사업은 고정가변형이 주류를 이루고 있다. 소위 말하는 반고정형 태양광 모듈의 발전량은 고정형과 추적식의 중간 정도의 수준이고, 고정형에 비교한다면 10% 이상의 발전량 증가를 기대할 수 있다는 것이 이유다. 엑추에이터 리모컨 방식의 고정가변형을 선보이고 있는 파랑이엔지 최태식 팀장은 “사계절 고도에 맞게 0도, 15도, 30도, 45도로 구조물을 조절한다. 고정형 대비 5~10% 이상의 효율향상을 기대할 수 있고, 조립이 용이하다보니 공기단축, 시공비 절감, 리모컨 방식이라 계절별 인력배치 등에 대한 수고를 덜게 됐다”고 밝혔다. 그동안 계절별로 상하를 조절하는 고정가변형 설치 구조물은 순수인력으로 작업이 이뤄진다는 것이 가장 큰 단점이었다. 

태양광 구조물[이미지=Dreamstime]

구조물의 일부 BIPV, 활성화 기대

태양광발전설비 설치형식으로만 보면 건물일체형 태양광발전시스템(Building Integrated Photovoltaic System)이 가장 주목되는 형태이다. BIPV 자체가 건축 구조물의 일부분이기 때문이다. BIPV는 태양광 전지판을 건축 외장재화해 건물의 외벽을 구성하는 형식이다. 

별도의 부지확보 비용과 구조물 비용이 필요하지 않고, 전기부하가 발생하는 지점에서 발전이 된다는 장점을 가지고 있다. 

최근 산업의 안정적인 성장을 위해 인증체계가 만들어져 시장 확대를 기대할 수 있고, 장기적으로는 제로에너지빌딩이 활성화 되면서 모든 건물 외벽에 태양광 도입이 논의되고 본격화 될 것으로 기대되고 있다. 다만 현재 인증기준이 BIPV 모듈 특성 등이 제대로 고려되지 않았다는 업계의 지적이 있는 만큼 업계의 현실적인 어려움을 해소하려는 노력이 선행되어야 할 것으로 보인다.

수상태양광 구조물, 환경과 안정성 고려해야

수상태양광발전은 태양광발전에 물의 부력을 이용하는 구조물이 융합한 기술이다. 수상환경이다보니 습윤, 염해환경, 강풍, 파도 등으로 인한 피해를 방지할 수 있는 구조체의 강한 내구력이 요구된다. 특히 시설이 아직 태풍과 가뭄 등의 가혹한 조건에서의 내구성 검증이 이뤄지지 않았다는 것이 정설이다. 재해 상황시 계류나 부유체로 인한 피해가 발생된다면 수상태양광에 대한 불신이 팽배해질 수 있어 무엇보다 구조물의 안정성에 대한 환기가 필요한 시점이다.

신화이앤이 주형중 연구소장은 “수상태양광발전에 대한 설계기준이 마련되어 있지 않고, 관련 전문가 또한 찾기 어려워 시장 성장이 원활하지 못하다. 구조물에 대한 중요성을 인지하고 빠른 시일내에 구조적 안정성 확보를 위한 인증제도 등이 도입되어야 한다”고 밝혔다. 한편으로 부표, 선박장 등에서 사용되는 스티로폼 등 미세 플라스틱이 바다를 떠돌아다니면서 바다를 안식처로 살아가는 조류, 어류 등 바다 생태계를 파괴하고 있다. 

최근 해수수상태양광 시장이 새롭게 열리면서 수상태양광 구조체 부유체에 대한 관심도 뜨거워졌다. 바다 생물들의 생태계 피해가 없고 수상태양광 설비의 안정성을 보장할 수 있는 구조체에 대한 연구와 적용도 요구되고 있다.

[박관희 기자 (editor@infothe.com)]

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