[현대글로벌 주형중 부장] 태양광발전은 타 재생에너지원에 비해 대규모의 설치면적이 요구되고, 면적집약적 산업특성에서 비롯된 환경적 문제와 더불어 다양한 문제점이 지적돼 왔다. 이를 해결하기 위한 아이디어로 수상태양광발전 기술이 제안됐고 지금까지 지속적인 성장을 거듭하고 있다.

최근 육상태양광발전에 대한 REC 가중치의 감소, 인허가, 각종 민원 등의 이유로 육상태양광발전 사업이 주춤하고 있는 가운데 수상태양광발전 사업은 설치 지역이 댐, 저수지에서 방조제 환경으로 확대되면서 대규모로 성장하고 있다.

방조제 환경 수상태양광발전 시설 [사진=현대글로벌]

대규모 수상태양광 시장의 새로운 기회

우리나라 해안선을 따라 위치하고 있는 넓은 수면의 방조제는 수상태양광발전 산업을 보다 활성화시킬 수 있는 매력적인 환경이며, 면적집약적 산업 특성에서 비롯된 각종 문제점들을 잠재울 수 있을 것으로 보인다. 초기 수상태양광발전은 담수호에 소규모로 설치된 반면 최근 MW급을 넘어 GW급으로 발전하고 있으며, 태양광발전 시장의 한 축을 담당하고 있다.

수상태양광발전은 태양에너지를 통해 청정에너지를 생산한다는 본질적인 의미와 더불어 발전량 증대 및 태양광 산업 활성화 등을 기대할 수 있다. 또한, 여러 주요 도시들이 친환경적 도시 발전을 목표로 발전 전략을 수립, 실현하고 있는 가운데 대도시를 중심으로 발달한 유휴수면을 에너지원으로 활용할 경우 도시 미관 개선, 청정에너지 확보, 관광자원의 개발에 활용하는 등 다양한 파급효과를 기대할 수 있다.

지금까지 수상태양광발전은 친환경 태양에너지를 이용한 신재생에너지라는 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 태양광 산업이 지금까지 민간주도로 이어져 왔고, 경제성의 논리로 접근돼 수익 사업으로 인식되면서 그간 많은 기업에서 구조설계 및 구조물은 태양광발전에서 부대 시설로 인식돼 왔고, 발전효율 등 수익에 대한 부분을 우선시했던 것이 사실이다.

환경에 대한 민원이 늘면서 육상태양광에 대한 가중치를 축소시키는 등의 제도적 개선이 있었음에도 불구하고 구조적 안전은 환경보다도 후순위로 밀려있다. 수상태양광발전은 설치위치가 수면에 존재하므로 안전성 판단 오류시 발전소 전체가 붕괴될 수 있기 때문에 무엇보다도 안전성을 최우선으로 판단해야 한다.

육상 태양광발전소의 하중 전달구조(사진 위쪽), 수상 태양광발전소의 하중 전달구조(사진 아래쪽) [자료=현대글로벌]

부유식 수상태양광발전 안전성 판단기준 마련 필요

수상태양광발전은 설치환경이 육상이나 건물 지붕 등에서 수면으로 변화된 방식으로 태양전지를 활용해 전기를 생산해 송전하는 기본적인 구성 및 원리는 여느 태양광발전 방식과 동일하다. 그러나 수면에 발전소를 건설하기 위한 구조적 시스템에서 확연히 구분된다.

육상태양광발전은 기초를 설치하고 태양전지를 설치하기 위한 구조물을 축조하는 방식이지만, 수상태양광발전은 기초 대신 부력체가 설치된 부유식 구조물이 필요하게 되므로 태양광발전과 부유식 구조물이 융합된 형태다. 따라서 전력을 생산하는 기본적인 기능에 앞서 구조적 안전성 확보를 위해서는 부유식 구조물에 대한 이해가 선행돼야 한다.

육상에 설치되는 태양광발전소는 태양전지를 설치하는 목적으로 설계되고, 음영을 배제시켜야하므로 태양전지 후면에 구조물이 설치된다. 따라서 구조설계 시 태양전지에 재하되는 풍하중이 지배적인 하중으로 작용하게 된다. 또한, 태양전지에 재하되는 풍하중과 자중 등은 구조물을 통해 기초로 전달되며, 구조물의 기초에서는 발전소에 재하되는 수평방향 및 수직방향 하중을 모두 저항할 수 있도록 설계된다.

수상태양광발전소는 육상태양광발전소와 유사하게 태양전지와 태양전지를 지지하는 구조물로 구성되지만, 구조적인 관점에 판단하면 하중전달 구조가 명확한 차이를 나타낸다. 발전소의 자중을 비롯한 각종 설비 자중, 풍하중의 수직 분력 등은 각 구조물에 설치된 부력체를 통해 수중으로 전달되고, 풍하중의 수평분력, 유속 등에 의해 재하되는 수평방향 하중은 계류를 통해 앵커와 지반으로 전달된다.

태양광발전소의 풍하중 분포 [자료=현대글로벌]

태양광발전소는 면적집약적 산업특성상 태양전지에 음영이 지지 않는 조건에서 많은 전지를 설치하도록 설계된다. 이러한 발전소에 재하되는 풍하중은 유체 거동 특성상 정도의 차이는 있지만 태양전지를 월류해 모든 전지에 하중으로 작용하게 된다.

따라서 각 모듈에 재하되는 풍하중은 구조물에서 중첩되고 계류로 집중되므로 구조물 및 계류의 성능에 따라 발전소의 규모가 제한될 수밖에 없다. 지난 2019년 일본 치바현 야마쿠라 댐의 수상태양광발전소 붕괴사고는 발전소 전체의 구조적 거동에 대한 이해 없이 단위구조물의 단편적인 안전성만으로 판단해 확대 설치한 피해사례라 볼 수 있다.

하중상태 및 계류뿐만 아니라 수상태양광발전소에서 고려해야 할 기술적 변수는 다양하다. 수상태양광발전은 저수지 및 댐 등의 담수호에서 방조제 및 해수조건의 대규모 사업으로 성장하고 있는 가운데 설치 방식이나 구조적인 접근방법은 기존 담수호의 방법을 여과 없이 적용하는 분위기다. 상식적으로 판단해도 넓은 수면에 발전소 설치조건은 파랑 및 파고 등의 증가로 더욱 열악해지고, 대부분 해안가에 위치하고 있어 염해에 대한 장기 내구성까지 고려해야 하지만 이를 해결하기 위한 기술적 노력은 시장의 성장속도에 미치지 못하고 있는 현실이다.

염해지역에 속해 있는 방조제 환경에 대해서는 우선적으로 부력에 대한 장기 내구성, 구조재의 부식에 대한 대책 등 염해환경에 대한 재료적 선택이 검토돼야 하고, 기상조건에 의한 바람, 파고, 파랑 등의 하중에 대한 차별화된 검토가 요구된다. 물론, 새로운 방식의 제품이나 기술 개발에는 많은 경제적 노력이 소요되지만 수상태양광발전의 장기적 안전성 확보와 성장을 위해서는 관련 전문기업의 끊임없는 노력이 지속돼야 할 것이다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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