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태양광 발전 최적 효율 산출을 위한 입지별 환경요인 및 경제성 평가
조 선 대 학 교 대 학 원
환 경 공 학 과
전 호 진
2019년 08월
석사학위 논문
태양광 발전 최적 효율 산출을 위한 입지별 환경요인 및 경제성 평가
A study on the evaluation for optimal photovoltaic efficiency by location and economical estimation
2019년 08월 23일
조선대학교 대학원
태양광 발전 최적 효율 산출을 위한 입지별 환경요인 및 경제성 평가
지도교수 이 인 화
이 논문을 환경공학 석사학위신청 논문으로 제출함
2019년 04월
조선대학교 대학원
환 경 공 학 과
전 호 진
전호진의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교 수 정 경 훈 (인) 위 원 조선대학교 교 수 문 덕 현 (인) 위 원 조선대학교 교 수 이 인 화 (인)
2019년 05월
목 차
List of Tables · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ⅰ List of Figures · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ⅱ ABSTRACT · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ⅲ
제1장 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1
제2장 태양광 시설 설치 조건 분석 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3
제1절 대상지 내 태양광 시설 설치 조건의 분석 · · · · · · · · · · · · · ·3
1. 지리적 환경조건 (고흥군 대서면 송강리 임야 부지) ···3
2. 지리적 환경조건 (해남군 송지면 마봉리 농경지 부지) ···5
3. 경·위도상 지역의 위치···7
4. 기상적 환경조건···9
제3장 모듈의 특징 및 효율성과 경제성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·7
제1절 모듈의 특징 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·7
1. 대상지 내 적용 가능한 태양광 모듈의 특징···7
가. 고정형 태양광 발전 시스템 ···11
나. 고정가변형 태양광 발전 시스템 ···12
다. 추적형 태양광 발전 시스템 ···12
2. 경제성 및 효율성 비교 ···13
가. 태양광 모듈별 효율성 (일일누적발전량) ···13
나. 태양광 모듈별 경제성 ···18
다. 발전용량에 따른 설치비용 ···19
라. 발전용량에 따른 수익 계산에 필요한 항목 ···20
마. 대상지 내 태양광 발전 시 수익 계산 ···21
제4장 태양광 시스템 설치 시 고려되어야할 사항 22 제1절 설치 시 고려 가능한 사항 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·22
1. 대상지 주변 환경에 대한 심도적 분석···22
가. 주변 정온시설 및 건축물의 가연성 물질 존재 여부 ···22
나. 산사태 위험도에 대한 분석 ···23
제5장 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24
참고문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25
LIST OF TABLES
(표 1) 고흥군 면적별 경사도 분포도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
(표 2) 해남군 면적별 경사도 분포도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6
(표 3) 계절별 및 월별 일조시간 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
(표 4) 계절별 및 월별 일사량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
(표 5) 모듈별 효율성 비교 기준 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13
(표 6) 모듈별 경제성 비교 기준 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13
(표 7) 고흥군(임야지역)의 고정형 모듈 시스템 발전량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14
(표 8) 고흥군(임야지역)의 추적형 모듈 시스템 발전량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
(표 9) 해남군(농경지역)의 고정형 모듈 시스템 발전량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16
(표 10) 해남군(농경지역) 추적형 모듈 시스템 발전량 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
(표 11) 농촌 태양광 조성 시 평균 비용 소요 항목 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20
(표 12) 대상지 내 모듈 시스템별 연 수익 및 투자금 회수기간 · · · · · · · · · · · · · · · ·21
LIST OF FIGURES
(그림 1) 연구 대상지(고흥군) 위성지도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
(그림 2) 연구 대상지(고흥군) 경사도 분포도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
(그림 3) 연구 대상지(해남군) 위성지도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5
(그림 4) 연구 대상지(해남군) 경사도 분포도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6
(그림 5) 지구의 자전축 및 태양전지 모듈 경사각 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
(그림 6) 태양전지 모듈의 설치 각도에 따른 발전 효율도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8
(그림 7) 일조시간 그래프 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
(그림 8) 일조량 그래프 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
(그림 9) 고흥군(임야지역) 공시지가 현황 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
(그림 10) 해남군(농경지역) 공시지가 현황 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19
(그림 11) 설치유형 과 발전용량에 따른 REC 가중치 비교도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20
(그림 12) 연구 대상지 산사태 현황도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
ABSTRACT
A study on the evaluation for optimal photovoltaic efficiency by location and economical estimation
Jeon Ho Jin
Advisor : Prof. Lee In Hwa, Ph.D.
Department of Environment Engineering, Graduate School of Chosun University
In the case of solar power facilities, there is no concern about environmental pollution because no environmental pollutants such as smoke or ash generated after fuel use, such as fossil fuels, and above all, because the main energy source is solar power, the greatest advantage is that it can be supplied with energy indefinitely. However, since it accepts only a fraction of solar power, energy production efficiency is lower than thermal power, the cost of setting up solar facilities is lower, the cost of installing solar facilities can be affected by cloudy weather or snowy weather changes, and because there are relatively fewer restrictions on the solar energy supply, such as arable land, forest, etc., and so on, it is not difficult to install facilities. If you look at the places designated as sites for solar installation, most of them are located in arable land such as rice paddies and fields, and in solar-powered mountainous areas. In this study, geographical and meteorological conditions and the advantages and disadvantages of installable module systems are identified in two locations (mountain and agricultural land) in South Jeolla Province, where the solar system is currently licensed to be installed, thus
contributing to the selection of better sites in the installation of the solar system.
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제1장 서론
A. 연구의 배경과 필요성
최근 과학기술의 비약적인 발전과 산업의 진보는 석유, 석탄, 가스 등의 화석에너지 의 사용으로 이어져 자원의 고갈, 지구 환경악화, 화석에너지 사용으로 인한 폐기물의 처리 등의 많은 문제를 야기하고 있다. 따라서 이러한 문제들이 지속적으로 나타남에 따 라 좀 더 영구적이고 환경오염 등의 문제가 발생되지 않는 환경친화적인 대체에너지자원 중 현재는 태양광을 이용한 태양광 에너지 발전 기술이 많은 관심을 받고 있다.
태양광 발전 시설의 경우 화석연료와 같이 연료 사용 후 발생되는 매연이나 재 등과 같은 환경오염물질이 발생되지 않기 때문에 환경오염에 대한 우려가 없으며, 무엇보다 주 에너지 공급원이 태양열이기 때문에 무한정으로 에너지를 공급받을 수 있다는 것이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다. 그러나 태양열의 일부만을 받아들이기 때문에 에너지 산출 효율이 화력발전보다 떨어지며, 태양열시설을 설치하는데 드는 비용이 적지 않으며, 흐린 날씨나 눈이 오는 기상적 변화로 인해 태양열에너지 공급 에 영향을 받을 수 있는 단점도 있다.
본 연구에서는 경작지, 임야 등 설치할 수 있는 지형적 요소에 대한 제약과 지형 의 특성에 따른 장단점을 비교하여 보고 이에 따른 태양광 발전의 효율성을 증가시 키기 위한 요소를 산출하고자 한다.
태양광 시설 설치 부지로 지정되는 장소들을 보면 논, 밭과 같은 경작지 및 태양 열이 잘 드는 임야에 설치를 하는 것이 대부분이다. 본 연구에서는 태양광 시스템 설치에 필요한 입지 조건을 현재 태양광 시스템 설치 허가가 난 전남 지역 2개 입지 (임야, 농경지)를 대상으로 하여 지리적, 기상적 조건과 설치 가능한 모듈 시스템의 장점과 단점을 파악하여 대상지에 설치하였을 때의 효율성과 경제성을 도출하여 태 양광 시스템 설치 시 보다 우수한 부지 선정에 기여하려 한다.
B. 연구의 내용
본 논문에서는 태양광 시스템 설치를 위한 부지선정 과정에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 지리적, 기상적 조건과 설치 가능한 모듈 시스템의 장점과 단점을 파악하여 대상지에 설치하였을 때의 효율성과 경제성을 도출하여 태양광 시스템 설치 시 보다 우수한 부지 선정에 기여하고자 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다.
2장에서는 주된 내용인 지형별(임야,농경지), 기상별 태양광 시설 설치조건을 전 남 고흥군, 해남군에 소재된 태양광 부지 중 환경영향평가를 실시하여 협의를 득한 지역을 대상으로 기술하겠으며,
3장에서는 모듈별 효율 대해서 분석 후 대상지에 두 모듈 시스템을 적용 시 전력 발전량으로 효율성을 분석하고 제반비용 및 수익 비교를 통하여 경제성을 분석하여 가장 적합한 부지와 모듈 시스템을 선정하며,
4장에서는 기존 태양광 설치 시 고려되지 않았던 새로운 사항들에 대하여 논함으로 써 향후 태양광 시설 설치 시 출력 효율 및 경제성 향상에 대해서 제고할 것이며,
5장에서는 연구, 분석에 대한 결과를 서술하도록 하겠다.
C. 연구 방법
이 연구는 경사분석도를 통한 지리적 분석, 기상자료를 활용한 기상적 분석, 효 율성 분석을 위한 태양광 전력 발전량 시뮬레이션, 경제성 분석을 위한 최근 전력시 장 동향 자료, 최근 부동산 토지 공시지가 자료, 태양광 시스템 설치 시 고려되어야 하는 사항에는 산사태 위험지도 등을 이용하여 본 연구를 진행하였다.
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제2장 태양광 시설 설치 조건 분석
제1절 대상지 내 태양광 시설 설치 조건의 분석
1. 지리적 환경조건 (고흥군 대서면 송강리 임야 부지)
연구 대상지 중 고흥군 대서면 송강리 소재의 부지는 임야로 이루어져 있는 지역 이고, 북위 34°, 동경 127°이며 대상지의 북측으로 더 경사도가 높아지는 형태로 이루어져 있으며, 정면으로는 넓게 트인 해안가가 자리하고 있는 남향에 위치하고 있다.
임야의 능선부가 해안가 방향으로 위치하고 있는 본 대상지는 대상지의 경사도가 시설물 설치에 영향을 미칠 수 있다. 하여 본 대상지에 대하여 경사도 분석을 실시 한 결과 0°~ 15°미만의 평탄지 및 완경사지가 68.2%, 15°~ 30°미만의 경사지 및 급경사지가 30.1%로 분석되었으며, 평균경사도는 12.4°로 분석됨에 따라 사업 지구는 대체로 완경사지로 나타났다 [1].
(그림 1) 연구 대상지(고흥군) 위성지도
(표 1) 고흥군 면적별 경사도 분포도 (단위 : ㎡, %)
구 분 면 적(㎡) 구성비(%) 비 고
0°- 5° 9,620 11.1
최저경사 : 0.0°
최고경사 : 50.8°
평균경사 : 12.4°
5°- 15° 49,699 57.1 15°- 20° 17,577 20.2
20°- 30° 8,596 9.9
30°- 40° 1,259 1.4
40°이상 214 0.2
총계 86,965 100.0
- 5 -
2. 지리적 환경조건 (해남군 송지면 마봉리 농경지 부지)
연구 대상지 중 해남군 송지면 마봉리에 소재된 부지는 부지 전체가 농경지(전, 답)로 이루어져 있는 지역이고, 대상지 남측으로 서서히 경사도가 높아지는 형태로 이루어져 있으며, 본 대상지에 대하여 경사도 분석을 실시한 결과 0°~ 5°미만의 평탄지가 14.80%, 5°~ 15°미만의 경사지 및 급경사지가 85.20%로 분석되었으며, 평균경사도는 6.9°로 분석됨에 따라 사업지구는 대체로 완경사지로 나타났다[2].
(그림 3) 연구 대상지(해남군) 위성지도
(표 2) 해남군 면적별 경사도 분포도 (단위 : ㎡, %)
구 분 면적(㎡) 구성비(%) 비 고
0°- 5° 1,443 14.80
최저경사 : 0.0°
최고경사 : 13.5°
평균경사 : 6.9°
5°- 15° 8,305 85.20
총계 9,748 100.0
(그림 4) 연구 대상지(해남군) 경사도 분포도
현 실행되고 있는 정책 상 태양광 발전 가능 경사도의 경우 기존 25°에서 15°
로 대폭 줄어들어 급경사지에서의 태양광 조성사업은 불가능하도록 정책이 강화되었는 데, 위 두 부지는 경사도 5°~ 15°의 부지가 거의 대부분을 차지하고 있다. 하여 지
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3. 경·위도상 지역의 위치
환경적 조건의 분석에 있어서 두 대상지의 경·위도상의 위치 또한 태양광 시스템 설치에 있어 반드시 분석해야 하는 조건이다. 그 이유는 모듈의 배치 위치 및 경사각 선택에 있어 경·위도상 위치가 중요하기 때문이다. 태양광 시설 설치 시 고려하여야 하는 설치 각도는 크게 경사각과 방위각이 있는데, 경사각은 태양전지 모듈과 지표면 이 이루는 각을 의미하며, 방위각은 태양이 뜨고 지는 곳을 모듈이 바라보는 각을 의 미한다.
경사각의 경우 위도가 35°인 우리나라 남부 지방은 태양이 하늘의 정중앙보다 35°
남쪽으로 기울어져 있기 때문에 모듈을 기울어진 각만큼 세워야 태양열을 수직으로 받 을 수 있는데, 이렇게 지역의 위도와 같은 각일 경우에 1년간의 평균 출력은 가장 크 지만, 동지, 하지와 같은 낮이나 밤이 긴 날에는 최대가 되지 않는다. 이는 지구의 자 전축이 23.5°기울어져 있기 때문이며, 각 시기마다 모듈의 경사각을 다르게 해주어야 최대 출력을 산출할 수 있다. 이에 따라 두 대상지의 위도를 살펴보면 고흥군과 해남 군 모두 북위 34°에 위치하여 있다. 하여 최고의 조건으로 효율 산출을 위해서는 모 듈의 경사각은 34°가 되어야 한다.
(그림 5) 지구의 자전축 및 태양전지 모듈 경사각
방위각의 경우 경도의 차이에 따라 태양이 정남방에 떠 있는 시간이 달라지게 되는 데, 우리나라의 표준 경도가 동경 135°즉, 정오가 되는 경도가 135°라는 뜻이다. 경 도가 127°인 서울을 예로 들면, 12:32분 정도에 태양이 정남방에 위치하는데,[3] 이 에 따라 두 대상지의 경도에 따른 정남방에 도달하는 시간을 살펴보면, 고흥군은 경도 127°, 해남군은 경도 126°에 위치하여 있으므로, 고흥군과 해남군의 경우 약 12:32 분에서 12:40분 사이에 태양이 정남방에 위치하게 된다. 따라서 고흥군과 해남군에 위 치한 대상지의 경우 모듈의 설치 방향을 고려할 시에 12:32분에서 12:40분 사이에 떠 있는 태양의 위치를 정남방으로 설정하여 설치하여야 하며, 완전한 정남향보다는 남남 서 방향으로 설치 시 효율의 증가가 기대된다.
- 9 -
4. 기상적 환경조건
두 대상지의 기상적 조건을 분석하기 위하여 분석지표는 태양광 에너지를 제공받 는데 가장 핵심적인 일조시간과 일조량을 선정하였다.
가. 일조시간
대상지의 기상 조건 중 일조시간을 분석해보았을 때, 고흥군의 평균 일조시간은 176.2시간, 해남군 169.9시간이며 월별로는 5월에 두 대상지 모두 일조시간이 가장 긴 것으로 조사되는데, 5월은 이동성 고기압의 영향을 주로 받아 구름이 없이 맑고 건조한 날이 많아 일조시간이 가장 많은 것으로 분석되며, 고흥군의 평균 일조시간 이 해남군 보다 6.3시간 정도 긴 이유는 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는데 경 도 상 해남군보다 고흥군의 위치가 태양이 뜨는 동쪽에 더 가깝기 때문에 먼저 일 조시간이 더 긴 것으로 분석된다.
(표 3) 계절별 및 월별 일조시간 (단위 : 시간) 도시 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 평균 고흥 173.5 168.3 200.7 201.9 230.7 142.3 140.3 173.1 168.4 194.6 156.3 165.0 176.2 해남 154.3 152.2 191.5 197.5 229.2 141.1 135.7 179.3 173.7 195.1 147.4 142.0 169.9
(그림 7) 일조시간 그래프
나. 일조량
대상지의 일조량 비교 결과 고흥군의 일사량은 5,081.96J, 해남군은 4,848.22J로 고흥군이 해남군보다 더 높은 것으로 나타났고, 월별 일조시간을 분석해보면, 5월 일조량이 두 대상지 모두 가장 높은 것으로 나타났다.[5] 이는 전술한 바와 같이 이동성 고기압의 영향을 주로 받아 구름이 없이 맑고 건조한 날이 많기 때문이며, 또한 해당 지역의 경도 상 위치가 일조시간과 밀접한 관련이 있는데, 일조시간이 길어지는 만큼 태양이 지면으로 에너지를 보내는 양 역시 증가하게 된다. 하여 경 도상 동쪽과 가까운 고흥군의 연간 평균 일조량이 해남군보다 더 많은 것으로 분석 된다.
(표 4) 계절별 및 월별 일사량 (단위 : J)
도시 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 연간
고흥 268.5 314.0 469.5 532.4 638.4 524.7 476.5 487.9 454.0 408.9 272.1 234.5 5,081.96
해남 247.6 293.3 444.9 511.8 606.5 501.6 470.3 489.1 440.3 380.5 250.9 210.8 4,848.22
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제3장 모듈의 특징 및 효율성과 경제성
제1절 모듈의 특징
1. 대상지 내 적용 가능한 태양광 모듈의 특징
본 장에서는 각 모듈 종류별 장점 및 단점, 그리고 효율성과 경제성 측면을 공시 지가, 초기비용 및 시설비, 전력생산량으로 분석하여 전술한 환경적 조건에 대입하 여 경제적인 측면과 효율적인 측면이 동일한 부지에서 모두 도출되는지, 그렇지 않 다면 각 대상지에서 경제적인 측면과 효율적인 측면이 따로 도출되는 지를 분석해 보도록 하겠다.
먼저 본 대상지에 설치할 태양광 시설을 구성할 수 있는 태양광 모듈의 종류를 보자면 크게 3가지로 나누어 볼 수 있는데, 이는 고정형, 고정가변형, 추적형으로 나뉜다.
가. 고정형 태양광발전시스템
고정형 태양광발전시스템의 경우 태양의 고도에 따라 방위각과 경사각을 고정하 여 설치하는 방식으로 시설물 설치 시에 방위·경사각을 미리 설정하여 전술한 바 와 같이 수직으로 태양열을 받게 하여 출력을 내는 시스템이다. 이는 시설 설치비 가 현재 나온 시설 중 가장 저렴하며, 고정가변형이나 추적형처럼 태양의 위치에 따라 모듈의 이동이 없기 때문에 다른 시스템은 움직이는 동선을 고려하여 모듈을 띄어서 설치하여야 하지만 고정형의 경우 동선을 고려하지 않으므로 다른 시스템보 다 점유면적이 월등히 작다. 때문에 단위 면적 당 설치할 수 있는 용량이 크며, 또 한 구조물이 움직이지 않으므로 유지 및 관리가 아주 편한 것이 장점이라고 할 수 있다. 그러나 방위각과 경사각을 고정하여 설치를 하기 때문에, 다른 시스템보다 출력 효율이 낮다.
나. 고정가변형 태양광발전시스템
고정가변형 태양광발전시스템의 경우 태양의 고도에 따라 월별, 계절별로 경사각 을 조절할 수 있으며, 주로 계절이 바뀔 때 경사각을 조절하는데 이는 일조시간과 일조량을 최대한 이용하여 태양에너지를 많이 흡수하기 위한 것이며, 고정형에 비 해 10%정도 상승한 발전 효율을 보여준다. 설치비용은 고정형과 추적형의 중간 정 도이며 어레이 각을 60°정도까지 조절이 가능하며, 고정형과 비슷한 설치 구조에 어레이 각만 바꿔주기 때문에 설치비용은 고정형보다 고가이고 추적형보다 저렴하 다. 설치 면적은 고정형의 설치 면적보다 각 어레이 당 약 11% 정도 증가하는 정도 이며, 위도 방향으로 각을 바꿔주는 이동성이 있는 구조이다보니 유지 관리는 고정 형보다는 어려운 편이며, 태풍과 같은 자연재해가 올 시 경사각을 수평으로 조절하 여 모듈의 수명을 단축시키지 않을 수 있다는 특징이 있다.
다. 추적형 태양광발전시스템
추적형 태양광발전시스템의 경우 발전 효율을 극대화하기 위해 태양의 위치를 실 시간으로 추적하여 최고 효율을 얻는 것이 그 목적이며, 이 추적형은 추적 방식에 따라 단방향 추적시스템과 양방향 추적시스템으로 나뉘게 된다. 단방향 추적시스템 은 방위각 또는 경사각으로 태양의 위치를 추적하는 시스템이고, 양방향 추적시스템 은 방위각과 경사각을 모두 계산하여 추적하는 시스템이다. 이렇게 태양 위치에 따 른 모듈의 방향과 각도가 모두 바뀌기 때문에 어레이의 유지관리가 매우 어려우며, 또한 동선 확보를 위하여 설치면적이 고정형의 약 5배 증가, 설치 비용 또한 고정형 의 약 2배에서 2.5배 정도로 증가하게 된다. 그러나 비용이 고가이고 유지 관리가 어려움에도 불구하고 효율 부분에 있어서 단방향 추적식은 고정형의 약 20 ~ 30%, 양방향 추적식은 고정식의 약 40 ~ 60% 정도가 증가하여 현재 연구된 시스템 중 가
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2. 경제성 및 효율성 비교
전술한 태양광시스템에 대하여 농경지와 임야지의 경제성과 효율성을 일일누적발 전량, 공시지가, 발전용량에 따른 초기비용, 그리고 설치 후 창출될 수 있는 수익 을 비교하여 분석하도록 하겠다. 단, 현재 비교되는 두 대상지의 비교 면적이 비슷 하지 않고 서로 상이하여 공시지가 기준으로 경제성을 비교할 경우 형평성에 어긋 나므로, 면적은 발전용량 100kW 설치에 적합한 1,000㎡로 동일하다는 기준으로 설 정하며, 발전용량으로 비교 시 100kW를 기준으로 하며, 효율성 비교시 모듈 시스템 은 크게 고정형과 추적형으로 나눠서 분석을 진행하도록 하겠다.
(표 5) 모듈별 효율성 비교 기준
효율성 비교 기준
고정형 모듈 시스템 고흥군(임야지역), 해남군(농경지역)에 각 모듈 적용 시 산출되는 일일 누적 발전량 비교
추적형 모듈 시스템
(표 6) 모듈별 경제성 비교 기준
경제성 비교 기준
면 적 1,000㎡에 대한 지역 및 지목별 최근 공시지가 기준 발전용량 발전용량 100kW 설치에 따른 초기 비용
가. 태양광 모듈별 효율성 (일일누적발전량)
두 대상지에서 발생되는 발전량을 기상청에서 제공하는 태양광 발전량 시뮬레이션 으로 고정형 모듈시스템으로 두 대상지의 발전량 시뮬레이션 결과, 고흥군(임야지 역)은 일일누적발전량 314.29kWh, 해남군(농경지역)은 일일누전발전량 148.23kWh, 추적형 모듈시스템의 경우 고흥군(임야지역)은 일일누적발전량 259.61kWh, 해남군 (농경지역)은 일일누적발전량 212.56kWh로 분석되었다.
분석결과로 미루어 보았을 때, 고흥군(임야지역)은 고정형 모듈시스템의 발전량이 추적형 모듈시스템보다 54.68kWh 정도 발전량이 더 많은 것으로 분석되었고, 해남군 (농경지역)의 경우 고정형 모듈시스템의 발전량이 추적형 모듈시스템보다 64.33kWh 정도 더 적은 것으로 분석되었다. 결과적으로 임야지역에서의 효율은 모듈시스템 상 성능이 더 좋다고 분석된 추적형 시스템이 오히려 고정형 모듈시스템보다 발전량이 하회하였고, 농경지역에서는 추적형 시스템이 고정형 시스템보다 더 많은 발전량을 보여주면서 추적형 시스템이 고정형 시스템보다 효율면에서 성능이 더 우수하다는 것을 입증하였다.
(표 7) 고흥군(임야지역) 고정형 모듈 시스템 발전량
고흥군(임야지역)의 고정형 모듈 시스템 발전량
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(표 8) 고흥군(임야지역) 추적형 모듈 시스템 발전량
고흥군(임야지역)의 추적형 모듈 시스템 발전량
구분 6시 7시 8시 9시 10시 11시 12시 13시 14시 15시 16시 17시
발전량
(kW) 0.16 1.89 5.91 11.19 21.69 20.58 23.75 20.14 18.51 12.71 9.06 2.64 누적
발전량 (kWh)
0.16 2.05 7.96 19.15 40.84 61.42 85.17 105.31 123.82 136.53 145.59 148.23
(표 9) 해남군(농경지역) 고정형 모듈 시스템 발전량
해남군(농경지역)의 고정형 모듈시스템 발전량
구분 6시 7시 8시 9시 10시 11시 12시 13시 14시 15시 16시 17시 18시 19시 20시
발전량
(kW) 0.23 2.36 6.36 9.13 13.09 16.88 16.77 23.22 50.04 41.24 45.43 24.17 7.94 2.40 0.35 누적
발전량 (kWh)
0.23 2.59 8.95 18.08 31.17 48.05 64.82 88.04 138.08 179.32 224.75 248.92 256.86 259.26 259.61
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(표 10) 해남군(농경지역) 추적형 모듈 시스템 발전량
해남군(농경지역)의 추적형 모듈 시스템 발전량
구분 6시 7시 8시 9시 10시 11시 12시 13시 14시 15시 16시 17시 18시 19시 20시
발전량
(kW) 0.18 2.13 7.25 13.14 23.36 21.12 24.07 22.34 23.92 20.86 22.30 16.75 10.19 4.41 0.54 누적
발전량 (kWh)
0.18 2.31 9.56 22.70 46.06 67.18 91.25 113.59 137.51 158.37 180.67 197.42 207.61 212.02 212.56
나. 태양광 모듈별 경제성
현재 2019년 1월 1일 기준 고흥군과 해남군 대상 부지의 공시지가의 경우 각각 지목 상 임야지역, 농경지역으로 설정되어있고, 단위 면적당 고흥군 임야지역은 1,160원, 해남군 농경지역은 3,940원인 것으로 조사되었는데, 대상지의 면적이 1,000㎡로 가정하였을 때, 고흥군 임야지역의 총 공시지가 금액은 1,160,000원이 고, 해남군 농경지역은 3,940,000원으로 분석되었으며, 동일 면적으로 보았을 때 임야지역인 고흥군 대상지가 농경지역인 해남군 대상지보다 공시지가 부분에서는 약 3.4배 정도 우위를 점하는 것으로 나타났다. 그러나 임야의 경우 공시지가 면에서 농경지보다 우위에 있더라도, 임야지 내 수목의 벌목 및 향후 태양광 시설 사용 후 수목의 복구에 소요되는 추가 비용을 고려하였을 때, 공시지가 부분에서 우위에 있 다고 하더라도 기타 소요 비용에서 추가로 지출되기 때문에 기타 제반 비용을 태양 광 시설 설치 시에 고려하여야 한다.
- 19 - (그림 10) 해남군(농경지역) 공시지가 현황
다. 발전용량에 따른 설치비용
일반적으로 태양광 설치 시 발전용량의 기준을 100kW를 기준으로 하여 본 연구에서는 발전용량 100kW를 기준으로 하여 지목별 설치비용을 분석해보도록 하겠다. 100kW 발전 소의 경우 모듈과 인버터를 어떤 제품을 사용하는지, 기타 자재의 소요 정도에 따라 건 설비용 차이 발생하게 되는데, 평균적으로 kW당 1,400,000~2,000,000원 사이에서 가격 대가 형성된다. 본 연구에서는 kW당 가격을 1,400,000~2,000,000원 평균 가격인 1,700,000원을 기준으로 설정하겠다. 2017년 농협중앙회의 농촌 태양광발전의 수익성 분석 결과 발전용량 100kW를 설치 시 설치 비용은 부지 비용을 제외하고 인허가비용, 기자재, 시공비 등을 포함하여 170,000,000원 정도가 소요되게 된다. 비용 소요 구분은 2017년 기준 필요서류 작성 및 인·허가대행 8,000,000원, 계통연계부담금 8,600,000원 농지보전부담금(공시지가 단위 면적당 31,734원 적용) 12,589,000원 등의 비용이
29,189,000원이 소요되며, 기자재(태양전지모듈, 인버터, 접속함 등)가 72,439,000원, 토목 및 전기설비 등의 시공비 72,891,000원이 소요되는 것으로 분석되었다.
(표 11) 농촌 태양광 조성 시 평균 비용 소요 항목
농촌 태양광 조성 시 비용 소요 항목 서류작성 및 인·허가 대행 ￦8,000,000
계통연계부담금 ￦8,600,000
농지보전부담금 ￦12,589,000
기자재 설치비용 ￦72,439,000
토목 및 전기설비 시공 ￦72,891,000
합 계 ￦174,519,000
라. 발전용량에 따른 수익 계산에 필요한 항목
발전용량 100kW을 기준으로 설정하여 태양광 시설에서 발생하는 수익 창출의 구성 요소는 발전량과 SMP(계통한계가격)와 RPS제도의 핵심 내용인 REC(공급인증서)로 이 루어지는데, SMP가격은 한전에서 수요에 맞춰 생산되는 전기를 매시간대 별로 생산에 사용된 에너지원 중 가장 비싼 발전원가를 SMP가격으로 산정하여 모든 에너지원에게 동일하게 적용하는 가격이고, RPS제도는 500mW이상의 발전사업자가 신재생에너지발전 설비를 도입하거나, 다른 신재생에너지발전사업자의 인증서(REC)를 구매하여 의무로 지정된 할당량을 채워야하는 제도이며, 할당량에 미달 시 과징금을 부과한다.
태양광 발전사업 시 창출되는 수익 산출식은 다음과 같다.
연 수익 = 연간 입찰수입(REC) + 연간 SMP수입
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위 식과 표에 언급된 가중치는 발전용량별로 REC에 가중되는 수치를 의미하며, 용 량별로 가중치에 차등이 발생하고, 설치유형별로도 가중치에 차등이 발생하게 된다.
대상지 내 수익 계산은 SMP는 KPX 전력거래소 2019년 4월 1일 전력거래소 가격 기준 으로 98.96원/kWh, REC는 67,353원/REC로 계산하여 수익 분석을 하였다[7].
마. 대상지 내 태양광 발전 시 수익 계산
현재 고흥군(임야지역), 해남군(농경지역)에 고정형 모듈시스템, 추적형 모듈시스 템을 모두 적용하여 수익 비교 및 투자금 회수기간 분석 결과, 연 수익은 고흥군(임 야지역)에 고정형 모듈시스템으로 설치한 것이 가장 수익이 큰 것으로 나타났으며, 추적형 역시 고흥군(임야지역)이 해남군(농경지역) 보다 연 수익이 큰 것으로 분석 되었다. 또한 투자금 회수기간은 연 수익이 높은 순서대로 기간이 단축되는 것으로 나타났다.
(표 12) 대상지 내 모듈 시스템별 연 발생 수익 및 투자금 회수기간
구 분 모듈 연간발전량 (kwh)
연간입찰수입 (REC 1.0적용)
연간SMP수입
(원) 연 수익(원) 회수기간
고흥군 (임야)
고정 113,144 7,620,587.832 11,196,730.24 18,817,318.072 약 9.0년
추적 92,379 6,222,002.787 9,141,825.84 15,363,828.627 약 11년
해남군 (농경지)
고정 53,362 3,594,090.786 5,280,703.52 8,874,794.306 약 20년
추적 76,521 5,153,918.913 7,572,518.16 12,726,437.073 약 13년
제4장 태양광 시스템 설치 시 고려되어야할 사항
제1절 설치 시 고려 가능한 사항
1. 대상지 주변 환경에 대한 심도적 분석
기존의 태양광시설 설치 시 대상지 주변 환경에 대한 분석은 대개 대상지 내에서 시 설물 설치 시 일어날 수 있는 상황들에 대해서 분석한 것이 대부분이었다. 예를 들면 공사로 인한 대상지 내에서 발생하는 분진의 확산, 공사장비 사용 및 이동으로 인한 소음·진동의 영향, 공사 중 발생하는 오염물질의 주변 수계 유입 등이 주로 공사 시 발생할 수 있는 영향이었다. 본 장에서는 기존에 존재했던 요인들 이외에 다른 영향에 대해서 기술하였다.
가. 주변 정온시설 및 건축물의 가연성 물질 존재 여부
대상지 주변에 정온시설 및 건축물 등에 가연성 물질이 존재한다면 발전이라는 대상지의 특성상 누전으로 인한 화재가 일어날 수 있다. 예를 들어 대상지 주변에 서 축사가 운영되고 있을 경우 가축의 먹이로 볏짚을 축사 주변에 적치해놓는 경우 가 있는데, 누전으로 인한 화재가 발생 시에 재산 피해는 물론 인명 피해로 이어질 수 있다. 이러한 여러 가지 화재에 대한 가능성을 고려하여 대상지와 가까이 위치 한 정온시설 및 건축물에는 화재 발생에 대한 부분 및 누전으로 인한 화재 발생도 가연성이 좋은 소재는 실내 적치 및 공사 현장에서 먼 곳으로 적치하여 피해가 없 게 하여야 한다.
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나. 산사태 위험도에 대한 분석
태양에너지를 효율적으로 받기 위하여 임야같은 경사진 대상지에 시설물을 설치 하게 되는데 이 때 산사태 위험도에 대한 분석이 반드시 필요할 것으로 보인다. 임 야지역에 태양광 시설물을 설치하여 운영 중 낙석 및 산사태 발생으로 인한 사고는 (1)에서 언급한 화재로 2차 피해도 우려될 수 있다. 이 산사태 위험도는 산사태 발 생 메커니즘을 파악하여 발생인자 중 영향이 큰 9개 인자(임상, 경급, 사면경사, 사면방위, 사면길이, 사면곡률, 모암, 토심, 지형습윤지수)를 선정하여 제작한 지 도이며, 메커니즘은 크게 내적요인과 외적요인으로 나뉘는데, 내적요인은 숲(임상, 경급, 임령)과 산지(지질, 지형, 토심 등)의 현황이 산사태에 영향을 미치는 내재 적 요인이고, 외적요인은 집중호우, 태풍, 지진 등이 산사태에 직접 작용한 것을 의미한다. 범례는 위험 순으로 5등급을 나눈 것이며 (1등급(매우 높음), 2등급(높 음), 3등급(낮음), 4등급(매우 낮음), 5등급(없음))으로 구분된다. 두 대상지 중 임야지역인 고흥군 대상지의 산사태 위험도는 다음과 같이 분석되었다.
(그림 12) 연구대상지 산사태 현황도
본 연구대상지의 경우 대부분 3등급으로 산사태 위험도가 낮은 지역으로 분석되 었다. 이와 같이 대상지 내 조성 전에 산사태 위험도를 분석함으로써 발생할 수 있 는 재해를 예방할 수 있다.
제5장 결론
태양광 발전 최적 효율을 위한 입지별 환경요인 및 경제성에 대해서 연구 대상지 고흥군(임야지역), 해남군(농경지역)두 곳을 선정해서 지리, 기상적 조건, 설치 시 적용 가능한 태양광 모듈 시스템의 효율성과 설치 시 경제성을 분석해보았다. 지리 적 위치로 보았을 때는 임야로 이루어진 경사지이고 주변이 수목들로 차폐된 고흥 군 대상지가 농경지이고 평지에 가까운 해남군 대상지에 비해 발전 효율이 좋지 않 을 것으로 생각했는데, 기상 데이터를 수집하여 비교해보니, 동쪽에 위치한 고흥군 이 일조시간과 일조량이 평균적으로 수치가 높았고, 모듈 시스템별 효율성 부분에 서는 임야지역에서 효율이 좋을 것으로 예상되었던 추적형보다 고정형이 더 효율이 좋았고, 농경지역에서는 추적형이 고정형보다 발전량이 더 높은 것으로 분석되면서 임야에는 고정형이, 농경지와 같은 평지에는 추적형이 더 효율이 좋은 것으로 분석 되었으며, 경제성 부분에서는 두 대상지의 공시지가를 비교한 결과, 임야가 농경지 보다 우위에 있었다. 하지만 기타 임목 벌채 및 토지 사용 후 수목 복구 작업 등의 기타 비용을 고려하였을 때 지가만으로는 임야와 농경지의 경제성 비교에 부족함이 있었으며, 이에 고정형 모듈 시스템과 추적형 모듈 시스템을 대상지에 적용하여 시 스템 설치 비용과 전력 생산 시 돌아오는 순 수익은 계산한 결과, 고흥군(임야지 역)에 고정형 모듈 시스템으로 설치하는 것이 수익이 가장 좋은 것으로 분석되었으 며, 수익 상으로는 임야의 경제성에는 미치지 못했지만, 농경지의 경우에는 고정형 보다 추적형이 더 많은 수익을 창출할 수 있는 것으로 분석되었다. 이에 입지별 환 경요인 및 경제성을 평가한 결과 임야지역에서는 고정형 모듈 시스템을 채택, 농경 지역에서는 추적형 모듈 시스템을 채택하여야 경제성과 효율성을 모두 충족할 수 있는 것으로 분석되었다.
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참고문헌
[1] EIASS 환경영향평가 정보시스템,“고흥군 대서면 송강리 산39번지 태양광 조 성사업”,pp 3 ~ 4, 2018.06
[2] EIASS 환경영향평가 정보시스템,“해남군 송지면 마봉리 181-1번지 태양광 조성사업”,pp 5 ~ 6, 2018.10
[3] 차왕철,“태양광발전에 영향을 미치는 요소 분석을 통한 연간 발전량 예측에 관한 연구”, 숭실대학교 박사학위 논문, pp 7 ~ 8, 2015.06
[4] 김동수, 신우철, 윤종호,“건물적용 태양광발전시스템의 국내 지역에 따른 설치각도별 연간 전략생산량 예측에 관한 연구”, pp 8, 2014.2
[5] 케이웨더(주) ,“기상영향평가센터 광역기상통계자료”, pp 9 ~ 10, 2017
[6] 김종억,“태양광발전설비의 효율적 유지관리에 관한 연구”, pp 13 ~ 16, 경 일대학교 석사학위 논문, 2012.7
[7] KPX 전력거래소, “일자별 계통한계가격 리스트”, pp 21, 2019
