2.1. 수상 태양광 개요 및 특징
○ 수상 태양광 발전 기술은 기존 태양광 발전 기술과 수상 설비(부력체) 및 계 류시설이 융합된 기술로서, 다습환경의 태양광 시스템은 국내뿐만 아니라 해외에서 태양광 발전의 확대를 위해 연구되어 실증되고 있는 형태임. 육상 태양광 발전에 비하여 온도의 안정성 및 환경의 균일성과 같은 여러 장점이 있어 세계적으로 2025년 태양광 시스템 시장 중 5～7%(약 100억 달러) 정도 의 성장성이 예상되는 기술임.
○ 수상 태양광 발전시스템의 기본 구성은 태양전지 모듈을 설치하기 위한 부 유체, 부유체로 구성된 부유 시스템을 수상에서 고정할 수 있는 계류 시설, 태양광 모듈에서 발생되는 직류 전력을 전기실로 전달하는 수중 케이블, 직 류 전력을 교류 전력으로 변환하는 계통연계형 태양광 인버터로 구성되고, 추가적으로 일사량 및 발전전력을 모니터링할 수 있는 모니터링 시설로 구 성됨<그림 4-12>.
9 양기해. 원고위탁 내용을 요약 정리하였음. 수상 태양광의 종류와 미래.
<그림 4-12> 수상 태양광 발전 시스템의 기본 구성
자료: 산업교육연구소(2018).
○ 수상 태양광 발전 기술은 정부의 3020 에너지 정책에 부합하고 자연환경을 훼손하지 않는 친환경적인 기술로 안정적인 발전소 운영과 유지관리를 위해 구조 안전성 및 장기 내구성 확보가 필요함.
- 유휴수면을 이용하기 때문에 부지 확보의 어려움이 없어 태양광 발전 시 설 건설에 필요한 초기 투자비 측면에서 육상 태양광 발전 시설의 건설 비용 대비 설치비 절감이 가능함.
○ 또한 국토의 효율적 이용 측면에서 산림 훼손을 최소화할 수 있으며, 수면에 서의 냉각효과, 수면반사 효과 및 음영지역을 회피할 수 있어 발전량 증가 효과도 볼 수 있음.
○ 육상 태양광 발전에 비해 부력체 구조물 및 계류 설비의 추가비용 등의 발생 으로 감가상각비용이 증가하고, 육상용 발전시스템 대비 유지 및 관리 비용 의 상승으로 육상 태양광 발전 설비와는 다른 원가 구조를 가지는 반면, 육 상 태양광에 비해 설치부지 구매 및 제조 관리 등이 필요 없어 매력적인 사
업임. 최근에는 수상 태양광에 예술(Art) 개념이 도입되어 Floating art라는 새로운 영역이 도입되고 있는 실정임.
<그림 4-13> Floating art 모형도
자료: ㈜세기종합환경 Floating art 내부 자료.
2.2. 수상 태양광 시설의 구성 및 내용 2.2.1. 태양광 모듈
○ 태양광 모듈은 일정 크기의 전압과 전류 생성을 위해 여러 개의 태양전지를 서로 직렬로 연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하여 충진재, 유리 등 과 함께 압축한 것임. 저철분 강화유리(Low Iron Glass)/완충재(PPO 또는 EVA sheet)/태양전지(Solar Cell)/완충재(PPO 또는 EVA sheet)/백시트(Back Sheet)의 구조로 되어 있으며, 태양전지와 태양전지를 직렬로 연결하기 위한 Pb free 도체 리본을 사용함<그림 4-14>.
<그림 4-14> 태양전지 모듈의 구조
자료: Solar Center(http://www.solarcenter.co.kr/: 2018. 12. 17.).
2.2.2. 부유 구조물
○ 수상 태양광 부유 구조물은 태양광 모듈을 견고히 지지할 수 있도록 풍하중, 파랑, 유속 등 외력에 의한 하중을 부력체로 전달하고, 구조물의 강성 및 강 도뿐만 아니라 각종 연결부에 대한 구조적 안전성을 확보해야 함.
○ 수상환경에서 부력에 대한 장기 내구성과 국부적인 손상에도 부력의 안정적 유지가 가능해야 함. 부력체의 구현방식에 따라 프레임형과 부력일체형 및 PE 파이프 방식으로 구분하고, 부력체 내부 형식에 따라서는 격벽형, 중공 형 및 충진형으로 구분됨.
가. 부력체의 구현방식
○ 부력체는 시공 기술의 구현방식에 따라 메탈프레임(알루미늄 프로파일) 또 는 FRP H빔을 조립하고, 하부에 부력체를 연결하는 프레임형, 성형이 용이 한 PE 재질로 부력통과 모듈을 지지하는 부력 일체형으로 나뉨.
○ 프레임형 구조는 하중전달 경로에 구조재를 배치한 프레임 구조로 단위 구 조물의 확장이 가능하며, 구조물 사이에 개방된 공간을 확보하고 있어 통풍, 산란광 및 수면 냉각효과로 발전량 증대에 유리함. 또한, 구조적 안정성이 높아 모듈 경사각을 30〫로 조절 가능하고 발전효율이 높지만, 건설비가 높아 저수지 면적이 넓은 대규모 발전시스템에 주로 적용하는 것이 유리함.
○ 부력 일체형 구조는 부력체 하나에 태양광 모듈 1장을 설치할 수 있는 일체 형 부력체가 포함된 구조물로 평가대상이 이에 해당되며, 모듈 경사각이 10
∼20°로 프레임형 구조에 비해 발전효율이 낮으나, 건설비 절감이 가능한 구조임.
<그림 4-15> 부력체의 구현방식
(a) 프레임형 (b) 부력 일체형 (c) 부력 일체형
자료: 산업교육연구소(2018).
○ 그 외에 PE 파이프 구조는 열융착을 통해 폴리머 파이프를 연결 및 조립한 구조물로, 구조재와 부력체를 복합 사용하는 부력체임. 폴리머의 낮은 물성 등으로 구조물 확장 시 볼트 연결이 어렵고, 시공성이나 유지관리 측면에서 기술적 보완이 필요한 구조임. 현재 태양광 시장에서 상용화된 부유 구조물 적용 자재의 특성을 항목별로 분류하면 다음과 같음.
<표 4-5> 부유 구조물 적용 자재의 항목별 특성
<그림 4-16> 부력체의 종류
(a) 격벽형(PE 멀티룸) (b) 중공형(PE 일체형) (c) 충진형(PP 충진) (d) 중공 Water spring 일체형
자료: 산업교육연구소(2018).
2.2.3. 계류설비
○ 계류시스템은 외력에 의한 모든 하중이 계류시스템에 의해 저하되므로 계류 에 과도한 하중이 집중되지 않도록 설계되어야 하며, 계류시스템의 필수 요 구조건을 열거하면 아래와 같음.
- 풍속, 유속, 파랑 등의 영향에 대하여 안전한 계류시스템 - 계류력에 의한 중력방향 하중 최소화
- 계류선에 항상 유효 인장력이 유지될 수 있는 계류방식 적용 - 수심 및 수위 차에 의한 발전소를 안정적으로 보호
2.2.4. 발전 설비
○ 수상 태양광 발전의 경우, 설치 시 수면을 활용하기 때문에 송전손실을 최소 화하고 전기안전 및 내습특성을 강화할 목적으로 기존의 송전계통과의 통합 최적화가 필요함. 수상 태양광 발전의 발전원가의 80∼90%는 초기의 설치 비용을 사용 연수로 나눈 감가상각비가 차지함. 사용 연수가 20년인 태양광 발전은 업계의 관례상 태풍, 홍수 등에도 견딜 수 있는 부유 구조물이 가장 필수적인 요건임. 연간 발전량 증대가 수상 태양광 발전의 발전수익을 높이
는 데 효과적인 수단이며, 물 위에서 움직이는 부유체로 인해 단자함 등 전 기소자의 안전 확보가 핵심 기술임.
2.3. 국내 기술 동향
○ 수상 태양광 설비의 건설비용에서 부유체 및 계류시설이 차지하는 구성 비 율은 전체 비중의 45% 내외로 건설비를 낮추기 위해서는 무엇보다 부유체 기술이 중요함.
○ 현재 국내외 시장을 형성하고 있는 부유체는 프레임형과 부력 일체형이 있 으며, 프레임형은 금속프레임과 PE 부력체를 혼용한 부유체로 건설비용은 높으나 구조물의 안전성이 우수한 반면, 부력 일체형은 태양광 발전효율은 낮지만 건설비용이 낮은 편임. 수상 태양광 기술은 수면을 관리하는 수자원 공사, 농어촌공사를 주축으로 관련기업, 학교 및 연구소가 컨소시엄 형태로 활발히 기술 개발을 진행하고 있음.
○ 홍익대학교 토목공학과 연구팀과 SDN은 2009년 12월 경남 통영시 북신만 에 고정식 수상 태양광 발전시스템을 설치하였음. 이것은 홍익대 산학협력 단의 국토해양부 과제인 “국토의 효율적 이용을 위한 친환경 부유식 태양광 발전 시스템 개발”의 중간 결과물로, 철로 된 강재가 아닌 첨단 신소재인 섬 유 강화복합재(FRP)를 사용하였으며, 2010년에 한국에 상륙한 태풍을 견뎌 낸 바 있음.
<그림 4-17> 추적식 수상 태양광 발전시스템
자료: 안인수 외(2014).
○ 한국수자원공사는 전남 주암댐에 2.4kW급으로 고정식 수상 태양광 발전 플 랜트를 설계하고 HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 재질의 플로트 드럼 22개와 도 르래를 이용하여 수위 변화에 대응 가능한 시스템을 구축하였음. 일관성 있 는 모니터링 시스템을 구성하기 위해 육상과 수상 태양광 발전의 효율 차이 를 체계적으로 연구하여 지상 대비 18∼26% 발전량이 증가된 것을 확인하 였음. 또한, 전산유체해석 및 부유 구조물 해석을 통해서 유속변화, 파고의 영향에 대한 부유 구조물의 거동을 분석하였음.
○ 국내외의 이 같은 움직임은 지면을 적게 사용하고 넓은 공유수면을 활용하 려는 게 가장 큰 목적임. 물 위에서 태양 움직임에 따라 발전 설비를 회전시 키면 태양에너지를 이용할 수 있는 최적의 상태를 유지하기도 쉬움. 하지만 수상 태양에너지 발전 설비가 기술 및 경제성 면에서 완벽한 것은 아님.
○ 물 위에 떠있으면 안개 때문에 발전효율이 떨어질 수 있으며, 생산된 전기를 육상으로 보내기 위해 일정량의 에너지 손실을 감내해야 하고, 건설비용도 육상 발전보다 더 들 수 있어 땅값을 포함한 육상 발전 설비의 총 투자비를 포함해 경제성을 면밀히 분석하여야 함.
<그림 4-18> 한국수자원공사 기술: 고정식
자료: 안인수 외(2014).
2.4. 수상 태양광 공급인증서(REC) 가중치
○ 수상 태양광 발전은 육상 태양광에 비해 설치비 및 유지비가 높으나, 저수지 의 수면을 이용하기 때문에 국토의 효율적 이용을 가능하게 할 뿐만 아니라 설치 부지확보 문제, 토목공사로 인한 환경 훼손 문제를 최소화할 수 있고, 수면 냉각효과로 발전량이 육상 대비 10% 이상 높은 장점을 가지고 있음.
○ 정부는 무분별한 산림 훼손 등 부작용을 최소화하고자 태양광발전소부지에
○ 정부는 무분별한 산림 훼손 등 부작용을 최소화하고자 태양광발전소부지에