태양광 모니터링과 O&M 통한 태양광발전 연구 개발의 미래 예측

스마트한 태양광발전 모니터링 시스템 필요

고려대학교 전기전자공학부 김용신 교수

태양광발전 시스템에서 가장 중요하게 고려돼야 하는 에너지 균등화 비용을 통해 태양광발전 시스템 연구 개발의 미래를 예측한다. 기존 태양광 시장에서 모듈 가격이 빠른 속도로 낮아지고 있는 상황이며 상대적으로 시스템을 유지보수하기 위한 비용이 증가하고 있다. 이에 에너지 균등화 비용을 낮추기 위해 스마트한 모니터링을 알아본다.

드론과 적외선 카메라를 이용한 태양광발전 모니터링 모습 [사진=NWT Solar]

에너지 균등화 비용(LCOE : Levelized Cost of Energy)은 전기를 생산하는 발전 시스템의 발전량 대비 비용($/kWh)을 일컫는다. 다양한 에너지원을 이용하는 발전 시스템의 성능 비교에 가장 널리 쓰이는 지표로, 투자/유지 및 보수/연료/세금/폐쇄 등 시스템이 운영되는 모든 기간에 걸쳐 소요되는 총 비용을 생산되는 총 발전량으로 나눈 값으로 정의된다.

이렇게 정의된 LCOE를 활용하기 위해 미국의 National Renewable Energy Laboratory(이하 NREL)에서는 SAM(System Advisor Model)을 배포하는데, 이를 통해 다양한 에너지원에 대한 LCOE를 비교할 수 있다. 특히 태양광발전(PV : Photovoltaic) 시스템에서 금융비용에 의한 할인율을 특정 상수라고 가정하면, 투자 비용으로는 토지와 건설 그리고 태양광 모듈과 그 외 구성품(BoS : Balance of system)등으로 이루어져 있고, 연료비용, 세금(탄소세), 그리고 폐쇄 비용 등은 신재생 에너지의 특성으로 인해 그 양이 다른 비용에 비해 무시할 정도로 낮다.

SAM(System Advisor Model) [그림1=미국 NREL]

태양광 모듈 가격 하락 고려하면 향후 O&M 비용 비중 증가 예상
한국수출입은행에서 발표한 2016년 4분기 태양광 산업 동향을 살펴보면, 최근 태양광 모듈은 공급과잉과 선도 제조업체들의 생산단가 하락이 맞물리면서 모듈 가격이 급격하게 떨어졌다. 2017년 다결정 모듈 기준으로 W당 0.3$ 이하로 하락할 가능성도 예상된다.
그림3은 2015년 EGC(Expert Group on Electricity Generating Cost)에서 조사한 우리나라 태양광발전의 LCOE를 나타낸 그래프다. 2015년 이후 태양광 모듈 가격의 하락을 고려하면 향후 LCOE에서 상대적으로 운용 및 관리(O&M : Operation & management) 비용 비중이 크게 증가할 것으로 전망된다.

태양광 모듈 가격 동향 [그림2= 김용신 교수]

효율적인 O&M 위해서는 모듈과 인버터 연결 방식 확인해야
O&M 비용을 논하기에 앞서 DC를 AC로 변환해주는 인버터 구성에 따라 태양광 시스템을 크게 세 가지로 분류하면, 첫째, 인버터의 연결과 상관없이 태양광 모듈마다 전력생산을 최적화하는 장치가 있을 경우 이를 모듈방식(Module PV)이라 일컫는다. 둘째, 다수의 모듈이 고전압 출력을 위해 직렬로 연결되어 스트링(String)을 형성한 후 각각의 스트링이 개별 인버터에 연결된 경우 이 방식을 스트링방식(String PV)이라 한다. 마지막으로 현재까지 가장 널리 쓰이는 중앙집중형방식(Centralized PV)으로 이는 한 개의 중앙집중형 인버터에 여러 개의 스트링이 병렬 연결된 형태다. 일반적으로 O&M의 근간은 발전 시스템의 동작을 모니터링하는 것으로부터 시작한다. 효과적인 O&M을 위해 모듈방식은 각 모듈에 그 외의 방식은 인버터에 전력 및 성능 모니터링 시스템을 내장하게 된다. 그림 4는 인버터 구성에 따른 시스템 분산화 정도를 표시한 것으로 모듈방식의 구성이 가장 높은 분산화 정도를 보여준다.

우리나라의 LCOE(할인율 3%, 단위:$/MWh) [그림3=김용신 교수]

LCOE 낮추면 분산형 시스템 확대 가능
개별 스트링에서 흐르는 전류는 이를 구성하고 있는 모듈 중 가장 작은 전류를 생산하는 것에 의해 결정된다. 그렇기 때문에 모듈 간의 성능 불일치(mismatch)가 발생할 경우 시스템의 발전량은 크게 저하되고 이는 모듈방식, 스트링방식, 중앙집중형방식 순으로 전력 손실의 증가를 보인다. 하지만 위 순서대로 요구되는 기기 및 부품의 개수가 늘어날 수 있어 투자비용이 증가하게 되며, 일반적인 경우 앞서 열거했던 모듈방식, 스트링방식, 중앙집중형방식 순으로 높은 LCOE를 나타낸다.
향후 분산형 시스템 확대를 위해서는 LCOE를 낮추는 방향으로 연구 개발이 진행돼야 하는데 이는 투자비용을 줄이고 성능 불일치 상황에서 더 많은 에너지를 얻는 방식이 될 것으로 예상된다.

인버터 구성에 따른 시스템 분산화 정도 [그림 4= 김용신 교수]

태양광발전 시스템 O&M은 성능을 유지하는 것이 주요 목적
태양광발전 시스템의 O&M은 이러한 모니터링을 통해 모듈간의 불일치로 인한 전력 손실을 감지하고 원인을 제거하는 시스템으로 성능을 유지하는 것이 주요 목적이다.
모니터링을 위한 가장 직관적인 방식은 사진 1과 같이 드론에 장착한 적외선 카메라를 이용해 모듈의 온도를 측정하고 이를 통해 온도가 주변부 보다 높아지는 Hot Spot을 찾아 시스템을 진단하는 것이다. 이와 같은 방식은 모니터링 시스템이 발전 시스템과 물리적으로 완벽히 분리되어 있어 어떤 발전 시스템에도 적용 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 실시간 모니터링이 불가능하고 정확도가 떨어지며 장기간 데이터 검출이 어렵다는 단점이 존재한다.

시스템의 실시간 모니터링 화면 [그림5=김용신 교수]

태양광발전 시스템에 영향 없는 방식으로 모니터링 시스템도 진화
태양광발전 시스템의 모니터링은 발전 시스템에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 전력생산을 측정하고 그에 따른 이상 유무를 진단하는 방식으로 진화하고 있다.
실시간으로 전력생산을 측정하는 방식은 태양광 모듈에 입사하는 일사량과 발전시스템으로부터 생산되는 에너지의 양을 실시간으로 측정하고 비교함으로써 시스템의 동작 상태를 점검하게 된다.

상당수 가정용/상업용 태양광발전 시스템이 고가의 일사량 측정장비(PIP 또는 NIP)를 적용하지 않고 발전량만 측정하기에 이를 통한 시스템의 진단이 불가능하게 된다. 이와 같은 경우 시스템 고장 확률이 높아져 O&M 비용 증가를 초래할 수 있다.
일사량을 측정하는 장비들 자체가 시간이 지남에 따라 오차를 발생시키므로 이를 주기적으로 보정해야 한다.

월평균 Soiling에 의한 전력손실[그림 6= 김용신 교수]

모듈 표면 세척도 자주 해줘야 전력손실 적다
먼지나 기타 이물질에 의해 태양광 시스템의 성능이 저하되는 현상을 Soiling이라고 일컫는데, 최근 황사와 미세먼지의 발생 빈도가 증가하고 측정 장비뿐만 아니라 모듈 표면의 이물질을 자주 제거하지 않을 경우 전력손실이 발생할 수밖에 없으며, 시스템 고장을 유발하게 돼 이를 수리하기 위한 O&M 비용이 증가하게 된다.
그림 6은 주기적으로 태양광 표면을 세척해 주었을 때 월 평균 Soiling에 의한 평균 전력 손실을 나타낸 것으로 지역과 시간 그리고 기후에 따라 그 차이가 크다는 것을 알 수 있다.

태양전지 셀 성능 검사 연계된 스마트 모니터링, O&M 비용 절감 가능

IV커브를 통한 모듈진단 [그림7=김용신 교수]

태양광발전에서는 시스템의 보다 정확한 진단을 위해 IV 커브(IV Curve)를 통하여 태양전지 셀의 성능까지 검출할 수 있다. 이를 모니터링 시스템과 연결하여 스마트 모니터링을 사용할 경우 시스템을 태양전지 셀 레벨에서 실시간으로 진단할 수 있어 O&M 비용을 혁신적으로 낮출 수 있다. 하지만 이 또한 LCOE의 비용이 증가하지 않도록 하는 많은 연구 개발이 필요한 상태다.

스마트 모니터링 기술 개발 필요한 시점
결론적으로 태양광발전 시스템은 일사량에 비례해 전력이 생산된다. 실시간으로 일사량과 비례하지 않는 전력 생산이 발생했을 경우 이를 검출하기 위해 일사량, 온도, 모듈 위 먼지량, 전력량, IV 커브 등 다양한 물리적 신호를 검출해 낼 수 있는 스마트 모니터링이 개발돼야 한다. 또한, 발전 시스템이 운용되는 상황에서 모니터링 시스템은 안정적으로 동작을 할 수 있어야 한다.

하지만 잊지 말아야 할 것은 이런 O&M 비용을 낮추기 위해 모니터링에 드는 비용을 늘릴 경우 LCOE의 증가할 수 있다는 것이다. 따라서 시스템 연구 개발시 LCOE를 가장 먼저 고려해야 할 필요가 있겠다.

고려대학교 전기전자공학부 김 용 신 교수