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[칼럼] 미세먼지에 의한 국내 태양광 장기 발전 성능 영향 분석
  • 인더스트리뉴스 기자
  • 승인 2019.06.04 08:00
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태양광 발전 성능 향상을 위해서는 태양광 모듈 표면 세정 필요해

[한국에너지기술평가원 명승엽 태양광PD] 최근 미세먼지로 인한 대기오염이 국민들의 삶을 심각하게 위협해 건강하고 행복한 국민의 삶이 보장받을 수 없는 지경에 이르렀다. 또한 의료 부문의 막대한 사회적 비용을 초래해 국가 경쟁력을 악화시킬 수 있다는 우려도 커지고 있다.

미세먼지 문제는 태양광 발전에 큰 영향력을 행사한다. [사진=dreamstime]

미세먼지 저감 및 대기질 개선은 LA 스모그 등 미국에서 이미 경험했듯이 미세먼지의 발생 원인을 명확히 분석하고 다년간의 저감 노력을 통해서만 가능하다. 우리 후세에게 숨쉬기 편안한 환경을 물려주기 위해서라도 화석에너지 사용을 점차적으로 줄이고, 재생에너지와 같은 청정에너지로 체계적으로 전환해야 한다.

다만 초미세먼지를 포함한 미세먼지 문제가 주목을 받으면서 국내에 설치되고 있는 태양광 발전소에 대한 우려도 제기되고 있다. 이에 최근 6년간 중부지방에 설치된 태양광 발전소에서 실제로 측정된 기후 및 발전량 자료를 분석해 미세먼지에 의한 태양광 발전량 감소 영향과 대책을 소개하고자 한다.

국내에서는 계절적 영향으로 1월부터 4월까지 미세먼지 농도가 가장 높게 나타난다. [그림 1]은 청주 근교에 379kWp 설계용량으로 35도 경사각으로 설치된 결정질 실리콘 태양광 발전소[1]에서 2013년과 2014년 미세먼지 농도가 높은 월별로 측정된 데이터다. 일 누적일사량과 일평균 미세먼지 농도(PM10)는 청주 기상청 관측 데이터값[2]을 활용했는데, 청주는 최근 수도권에서 유입되는 미세먼지와 충남 서해안에서 유입되는 미세먼지가 동시 유입되어 국내에서 대표적으로 미세먼지 농도가 높은 지역이다.

그림 1. 2013~2014년 1~4월 관측된 일별 누적일사량과 평균 미세먼지 농도(PM10)에 따른 결정질 실리콘 태양광 발전 수율(kWh/kW) 변화 (a)-(b) 1월, (c)-(d) 2월, (e)-(f) 3월, (g)-(h) 4월 [자료=한국에너지기술평가원]

[그림 1] (a), (c), (e), (g)의 일사량에 대한 태양광 발전 수율(Yield)의 변화에 나타나듯이 미세먼지 농도가 나쁨 수준으로 높아지는 날에는 일사량이 월별 최고 수준보다 다소 낮은 값들을 나타낸다. 미세먼지 농도가 높아지면 태양광 모듈에 도달하는 일사량이 감소해 태양광 발전량을 감소시킨다. 그림 1 (b), (d), (f), (h)의 미세먼지 농도에 대한 태양광 발전 수율의 변화를 통해 미세먼지 농도가 높을수록 일 발전량이 감소하는 경향을 볼 수 있다.

참고문헌 [3]의 시뮬레이션 결과, 미세먼지 농도가 심하면 대기의 일사량 감소와 더불어 태양광 모듈 표면에 쌓이는 먼지에 의해 태양광 발전량이 최대 17~25% 감소할 수 있다고 한다. 참고문헌 [3]에서는 바람이 없고 미세먼지 농도가 일정하다는 가정을 바탕으로 계산했는데, 즉 대기가 정체되어 바람이 거의 없거나 장기간 강수가 없는 지역일 경우 태양광 발전소를 방치한다면 미세먼지로 인한 발전량 감소치가 연간 발전량 감소치에 크게 영향을 줄 수도 있을 것이다.

그림 2. 2014년 건조기에 관측된 결정질 실리콘 태양광 발전 영향. (a)일사량 및 모듈 최고온도, (b)미세먼지 농도(PM10), (c)태양광 발전 수율(kWh/kW), (d)성능계수(PR) [자료=한국에너지기술평가원]

실제 국내 발전소에서는 어느 정도의 영향이 있을지 분석하기 위해서 소위 겨울가뭄이 지속되고 대기질이 좋지 않았던 2014년 2월 21일부터 3월 16일까지의 일별 기상데이터와 태양광 발전소에서 분석된 데이터들을 [그림 2]에 나타냈다. 2월 21일부터 무려 16일 동안 비가 전혀 내리지 않는 건조한 기후가 발생했다. 여기서 태양광 발전 효율을 나타내는 성능계수(PR: Performance Ratio)는 온도보정없이 다음의 식으로 계산했다.

PR(%) = [누적발전량(kWh)/설치용량 (379 kWp)] x 100 / [누적일사량(kWh/m2)/기준일사량(1 kW/m2)]

대기가 정체되어 미세먼지 농도가 연일 높아서 나쁨이나 약간 나쁨 단계를 나타낸 2월 21일부터 3월 1일까지 태양광 발전 수율이 일사량과 비슷한 경향을 보이지만 점차적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 미세먼지가 태양광 모듈 표면에 누적되어 투과율을 낮춘 효과이다. 이에 성능계수도 날이 갈수록 조금씩 감소하는 경향을 보여준다. 하지만 3월 2일부터 바람이 강하게 불면서 대기질이 개선되어 미세먼지 농도가 좋음이나 보통 단계를 나타내자 일사량도 개선되고 태양광 발전 수율과 성능계수가 회복되는 것을 볼 수 있다. 즉, 국내에서는 겨울철에 바람의 세기가 강하기 때문에 대기 정체만 해소되면 바람에 의해서 태양광 모듈 표면에 쌓인 먼지들이 어느 정도 제거된다는 것을 알 수 있다.

또한 3월 9일, 12일, 13일 비가 내린 후 태양광 모듈 표면 청소 효과에 의해서 태양광 발전 수율과 성능계수가 모두 증가하는 것을 볼 수 있다. 다년간의 관찰 결과, 일 강수량 5mm 이상의 비가 내린다면 태양광 모듈 표면에 쌓인 먼지들이 깨끗하게 제거되는 것을 볼 수 있었다. 따라서 국내에서 대기질 악화와 정체로 미세먼지가 모듈 표면에 쌓이더라도 정기적으로 내리는 비에 의해서 태양광 모듈 표면이 세정된다.

다만, 일 강수량 1mm 내외의 경우에는 오히려 태양광 모듈 표면에 쌓인 먼지들과 빗물이 결합해 모듈 표면에 Soiling과 유사한 흙 얼룩이 생성되는데, 이는 바람에 의해서 제거가 안 되기 때문에 5mm 이상의 강수 시까지 발전성능을 감소시킬 수 있다. 그러므로 [그림 2]와 같이 대기 정체와 건조예보가 지속되는 시기에는 태양광 발전 성능 향상을 위해 물 청소 등을 통해서 강제적으로 태양광 모듈 표면을 세정할 필요가 있다.

그림 3. 미세먼지 청소 관련 사진 자료. (a)태양광 모듈 청소용 물 호스, (b)박막 태양광 모듈 청소 전(상)과 후(하), (c)결정질 실리콘 태양광 모듈 청소 전(좌)과 후(우) [자료=한국에너지기술평가원]

[그림 3]에서는 국내 태양광 발전소의 물 청소 방법 및 결과를 사진으로 보여준다. 미세먼지의 크기, 형태 및 점성도는 국가 및 지역별로 다른데, 국내 태양광 모듈 표면에 쌓이는 미세먼지의 경우에는 [그림 3] (a)에서 보여주듯이, 물 호스에 물분사기를 연결해 모듈 표면 유리 손상이 없는 25bar 이하의 압력으로 간편하게 제거할 수 있다. 그 결과 지붕에 설치된 박막형 태양광 모듈(b) 및 결정질 실리콘 태양광 모듈(c) 모두 표면에 어떠한 손상도 없이 깨끗하게 청소 가능한 것을 볼 수 있다.

[표 1]은 지난 6년간의 태양광 발전소의 기후, 청소 이력 및 발전량 데이터들을 보여준다. 관심사인 연평균 미세먼지 농도(PM10)는 2013~2015년이 최근인 2016~2018년보다 약간 높았다. 가동 첫해인 2013년에는 결정질 실리콘 태양광 모듈 시스템인 경우에도 불구하고 시스템 안정화 단계의 이유인지 성능계수가 100% 이상 나타나서 태양광 모듈에 대한 물 청소를 전혀 실시하지 않았다. 2014년에는 연평균 미세먼지 농도와 평균 기온이 2013년과 비슷하고 누적일사량은 전년 대비 13%나 증가했음에도 불구하고, 이용률은 2%만 증가하고 성능계수가 94.2%로 상당히 감소했다.

모듈 열화율 1.0%/year를 감안한 예상치 99.0%를 고려하면 대기질 악화에 의한 미세먼지가 태양광 발전 성능계수에 미치는 영향을 최대 5%포인트라고 할 수 있다. 미세먼지에 의한 태양광 발전 성능 악화를 확인하자, 2015년부터 모듈 표면 먼지 상태 모니터링과 강수예보를 바탕으로 필요 시 태양광 모듈 표면에 대한 물 청소를 실시했다.

표 1. 최근 6년간 측정된 결정질 실리콘 태양광 발전소 기후 및 출력 데이터 [자료=한국에너지기술평가원]

그 결과, 2015년에는 누적일사량이 전년 대비 5% 감소했음에도 불구하고 이용률은 1%만 감소했다. 하지만 성능계수는 오히려 98.1%로 전년 대비 3.9%포인트 상승했다. 2015년과 누적일사량이 유사한 2016년에는 미세먼지 농도의 감소에도 불구하고 전년 대비 성능계수는 0.6%포인트 감소했는데, 이는 모듈의 연평균 열화율을 고려하면 충분히 설명되는 수치이다. 2016년 누적일사량이 전년 대비 4% 상승하자, 이용률은 5% 증가하고 성능계수는 0.9%포인트 상승했다. 누적일사량이 높고 발전소 관리를 잘하면 국내 태양광 발전소에서 미세먼지 농도의 영향을 최소화하고 발전성능을 최적화할 수 있음을 보여주는 모범적인 결과이다.

반면 내부사정으로 인해 물청소를 실시하지 않았던 2018년에는 누적일사량이 전년 대비 5% 증가했고 미세먼지도 약간 감소했음에도 불구하고 이용률은 1% 줄어들었다. 성능계수는 7.0%포인트나 감소했다. 모듈의 연평균 열화율을 고려하더라도 미세먼지에 의한 성능계수 감소 영향을 최대 6.0%포인트라고 할 수 있다.

태양광 발전량 향상에 의한 수익 증가를 위해서는 미세먼지의 영향을 고려해 적절히 물 청소를 실시해야 한다. [사진=dreamstime]

결론적으로 대기 정체가 해소되면 겨울철 바람의 세기가 강하고 주기적으로 비가 내리는 국내에서 미세먼지 영향에 의한 태양광 발전 성능계수 감소는 5~6%포인트이고, 적절한 물 청소 등을 통해서 미세먼지의 영향에 의한 태양광 발전 성능계수 감소를 1%포인트 이하로 효과적으로 관리할 수 있다. 일반적으로 태양광 발전소의 연간 유지보수비용이 설치비용의 3%이하인데, 국내에서 태양광 발전소에 상주하는 안전관리 인원을 활용한다면 연간 물청소 비용이 MW당 100만원 수준으로 가능하다. 그러므로 미세먼지의 영향을 고려해 적절히 물 청소를 실시해야 태양광 발전량 향상에 의한 수익 증가를 가져올 수 있다고 강조한다.

미세먼지 농도가 상대적으로 높은 도심에 설치되는 건물형 태양광의 경우에는 설치되는 위치에 따라 물 청소 등을 실시하기 어렵다. 따라서 광분해 기능에 의한 오염물질 제거 및 친수성을 활용한 흙 얼룩 생성 방지 등 태양광 유리 표면의 자가세정 기능 개발이 필요하다[4]. 이에 따라 한국에너지기술평가원에서는 2019년 상반기에 심미적이고 효율적인 건물형 태양광 모듈을 위한 자가세정 기능이 있는 컬러유리 개발 연구과제를 기획해 지원하고 있다.

참고문헌
[1] S. Y. Myong, Y.-C. Park, and S. W. Jeon, “Performance of Si-Based PV Rooftop Systems Operated under Distinct Four Seasons", Renewable Energy, vol. 81, p.482-489 (2015)
[2] http://www.kma.go.kr/weather/climated/past_tendays.jsp
[3] M. H. Bergin, C. Ghoroi, D. Dixit, J. J. Schauer, and D. T. Shindell, “Large Reductions in Solar Energy Production Due to Dust and Particulate Air Pollution”, Environmental Science & Technology Letters, vol. 4, p.339-344 (2017)
[4] H. N. Noh and S. Y. Myong, “Antireflective Coating Using A WO3-TiO2 Nanopaticle Photocatalytic Composition for High Efficiency Thin-Film Si Photovoltaic Modules", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 121, p.108-113 (2014)

[인더스트리뉴스 기자 (webmaster@industrynews.co.kr)]

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