“태양광발전시스템, 더 오래 높은 효율 유지하는 방법은?”

공동주택에서의 태양광 설비 유지관리 방법 귀띔

태양광발전시스템의 보급 확대와 시장 활성화를 도모하기 위해서는 적극적인 도입 위주의 정책과 함께 시스템의 유지관리를 위한 인프라 구축도 시급하다. 시장의 지속적인 성장 추세에도 불구하고, 시스템의 효율적 운영과 관리는 시장의 성장속도를 따라가지 못하고 있는 상황이다. 그 이유는 국내의 경우 도입 위주의 정책을 중심으로 시스템 보급이 확대되면서 태양광발전시스템은 유지관리가 필요하지 않다는 잘못된 인식이 생기고 있는 것에서 비롯됐다고 판단된다.

일반적으로 태양광발전시스템은 설치가 용이하고 관리가 수월한 설비기기로 인식되고 있다. 그러나 실제로는 집광판, 접속함, 인버터(PCS), 모니터링 시스템 등 복수의 설비와 장치로 구성돼 있으며, 불규칙적인 운전 및 외기에의 장기 노출로 인해 일반적인 설비에 비해 부품의 열화가 상대적으로 빠르며, 결과적으로 시스템의 효율저하로 이어지는 것으로 조사되고 있다.

2012년 일본의 경제산업성 에너지청의 ‘태양광발전 필드테스트 사업에 관한 실태조사’에 따르면, 태양광발전시스템의 고장 빈도와 원인의 이유는 다양하지만, 주로 운영단계에서 발생하는 복수의 고장을 지적하고 있다. 이러한 관점에서 장기적으로 시스템의 효율을 확보하고 안정적인 운전을 위해서는 설비별 점검주기 설정이 중요하다고 설명한다.

또한 기본적으로 정기적인 점검과 적절한 시기의 부품 교체가 필요할 뿐만 아니라, 현재 운영 중인 시스템에 대한 조사와 분석의 필요성도 강조하고 있다. 이상의 배경을 토대로 여기에서는 공동주택 단지에 설치된 12MW, 총 110개 태양광발전시스템에 대해 운영 현황 및 관련 부품들의 고장 사례, 빈도 및 수리 방법 등을 분석하고, 국외사례를 소개함으로써 장기적인 측면에서 시스템의 효용성을 확보할 수 있는 방안에 대해 논하고자 한다.

국내 태양광발전시스템 발전 현황

그림 1은 국내 공동주택 단지에 설치된 태양광발전설비의 연간 단위용량당 발전 현황을 나타낸 표다. 데이터의 오기 및 결측 등을 제외하면 전체적으로 1,000kW/kWp·년~1,300kW/kWp·년의 발전량을 보이는 것을 확인할 수 있다. 전체 단지의 연평균 발전량은 1,140kW/kWp·년으로, 종합 효율로 치환할 경우 약 12~14% 수준으로 발전하고 있는 것을 알 수 있으며, 설치 후 6~7년이 경과된 상태에서 경년 변화에 따른 발전량 차이는 확인할 수 없었다.

국내 태양광발전시스템 고장 현황

그림 2의 (1)은 설치 후 2008년부터 2012년 사이에 발생한 주요 부품별 고장 비율로, 총 고장 건수는 136건으로 조사됐다. 구체적으로는 모듈 25건(18%), 인버터 88건(65%), 접속함 2건(1%), 모니터링 21건(15%) 등으로 분석됐으며, 이러한 고장 추세는 앞서 언급한 일본 경제산업성 에너지청의 ‘2012년 태양광발전 필드테스트 사업에 관한 실태조사’와도 유사한 결과를 보이고 있다. 한편, 인버터의 고장비율이 타 설비에 비해 상대적으로 높은 것은 인버터 자체에서 발생한 문제도 있지만, 가장 말단에 설치된 기기로 인해 인버터 이외의 고장에 따른 문제도 일부 포함돼 있는 것을 알 수 있었다.

그림 3은 주요 부품별 고장 형태의 분포를 나타내고 있다. 구체적으로는 모듈의 경우 표면의 오염, 어레이 접속 케이블의 이완 및 이상전압 발생 비율이 높았으며, 낙뢰와 같은 자연재해에 따른 교체도 일부 단지에서 발생했다. 또한, 태양광발전시스템 부품 중 가장 고장 비율이 높은 인버터의 경우 불규칙적인 전압 등에 따른 정지, 디스플레이 오류 및 에러 메시지 등의 빈도가 21~27건으로 가장 높았으며, 그 외 인버터 내부의 온도 상승에 따른 정지, 과전압 발생에 따른 소손 등이 확인됐다. 모니터링 시스템의 경우 정지와 같은 고장보다는 다량의 데이터가 지속적으로 관리됨에 따른 PC의 이상 현상 및 데이터의 결손 등이 19건으로 조사됐다.

그림 4는 시스템 설치 후 경과 월수에 따른 고장 형태를 나타낸 그림이다. 설치 후 2년까지는 주로 모니터링의 이상데이터 수신, 인버터 표시 오동작, 실측 전압 이상 등의 고장이 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 시스템 설치가 완벽하게 이뤄지지 않은 초기 불량으로 예상할 수 있다. 한편, 설치 후 2년이 도래하는 시점부터 어레이 접합부의 이완, 기판의 부식 등의 비율이 급격히 증가하는 것을 알 수 있으며, 이러한 이유로 설치 후 2년이 경과되는 시점부터 시스템의 세부적인 점검이 필요할 것으로 조사됐다.

설치 후 2년 이후에는 어레이의 이상 전압, 접속케이블 단락, 외함 부식 등의 문제점이 발생하는 것을 알 수 있는데, 이는 외기에 장기간 노출된 각종 부품들의 열화에 따른 결과로 예상할 수 있다. 조사 결과, 태양광발전시스템의 고장 형태는 2년을 경계로 초기고장과 실제 부품의 열화 등으로 구분되는 것으로 분석됐으며, 설치 후 3년이 경과되기 전에 해당 설치 업체를 통한 전반적인 시스템의 점검은 장기적인 측면에서 시스템의 효율적 관리 및 운영에 도움을 줄 것으로 예상할 수 있다.

그림 5는 설치 후 발생하는 고장에 대한 대처 방법을 나타낸 것이다. 일본의 사례에서는 교환 12.5%, 수리 7.5%로 수리가 교환의 60%를 차지하는 반면, 국내의 경우 교환 90%, 수리 10%로 대부분의 고장 발생시 교환을 통한 조치가 이뤄지는 것으로 조사됐다. 이는 시스템의 특성상 전체 부품을 교환할 수밖에 없는 상황이기도 하지만, 영세업체의 부품을 사용하거나 제조사의 부도 등에 따라 필요한 부품을 적절하게 수급하지 못한 것을 큰 이유로 제시할 수 있다. 부품 공급업체가 다양하고 부품 사양도 다르지만, 30년 이상의 시스템 운영을 위한 측면에서는 기술적 표준 등을 제정함으로써 고장에 대한 효율적 대응이 필요한 것으로 파악된다.

유지관리 현황

일반적으로 공동주택에 설치된 시스템은 주 단위의 ‘일상점검’과 월 단위의 ‘정기점검’ 형태로 진행되고 있으며, 고장 등의 문제점을 수기로 기록하고 있는 상황이다. 그러나 관리사무소 특성상 전기 등의 전공자가 아닌 시설 담당자가 시스템의 유지관리를 담당하고 있기에 시스템에 대한 정확한 이해와 고장에 대해 효율적으로 대응하기 어려우며, 담당자 교체시에도 원활한 업무 인수인계 등이 부족한 것으로 나타났다.

특히, 관리자들에 대한 설문조사 결과, 시스템의 운전 및 유지관리에 대한 교육 요청이 매우 높다는 점을 확인할 수 있었으며, 태양광발전의 경우 점검시 누전에 따른 감전의 위험이 국제적으로 관심사가 되고 있는 등 운영관리뿐만 아니라 안전 측면에서도 유지관리에 대한 교육이 필요하다는 것을 알 수 있었다.

이와 관련해 모듈의 경우 기존에는 고장 빈도가 낮은 것으로 인지돼 왔으나, 실제 장기간의 필드테스트를 통해 감전과 같은 안전상의 문제가 다수 지적되고 있으며, 이러한 문제로 독일, 일본 등의 경우 관련 법제정이 진행 중에 있다. 특히, 화재 발생시 태양광발전과 계통 전력을 단전하더라도 태양광 모듈은 계속적으로 발전을 하기 때문에 화재 진압시 소방수가 감전되는 사고가 보고되는 등 안전과 관련한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 이와 관련해 독일에서는 태양광발전시스템 설치와 관련한 ‘VDE-AR-E 2100-712’ 코드를 제정해 태양광발전시스템을 설치할 경우 직류배선은 최대한 건물 외부에 설치하도록 권장하고 있다.

일본 및 미국의 유지관리 사례

우리나라와 지리적으로 가깝고 기후조건이 유사한 일본의 경우 1980년대부터 적극적으로 태양광발전시스템을 도입하고 있다. 특히, 2011년 3월 11일에 발생한 동일본 대지진 이후 태양광발전시스템에 대한 관심이 더욱 증대되고, 시스템의 적용 필요성과 도입을 위한 다양한 정책을 수립하고 있는 상황이다. 덧붙여 시스템의 유지관리와 관련해서는 국가 차원에서 도입과 운영에 필요한 가이드라인을 제시하고 있으며, 관련 대기업을 중심으로 협회를 구성하고 관련 기술보급과 개발에 노력을 기울이고 있는 것으로 조사됐다.

일본의 경우 발전설비가 50kW 이하의 경우 판매자의 의무점검 사항이 아니지만, 도입용량이 50kW 이상인 경우에는 국가자격을 가진 기술자가 점검하도록 법으로 의무화돼 있다. 일본의 경우에도 태양광발전시스템의 도입 초기에는 영세업체를 중심으로 관련 기기들이 공급돼 고장, 유지관리의 어려움으로 보급에 어려움을 겪었으며, 영세업체들이 난립해 품질의 저하에 따른 태양광발전시스템의 효용성 등에 문제가 제기된 바 있었다.

그러나 상당기간 동안 태양광발전사업이 축소됨에 따라 경쟁력 있는 대기업 중심의 업체만이 현재 사업을 진행 중에 있는 것으로 조사됐다. 이러한 긍정적인 변화는 시스템의 고장, 수선 등에 필요한 부품수급과 수선에 따른 비용발생 등을 억제할 수 있으며, 고장발생시 순시에 대응할 수 있는 장점을 가지고 있는 것으로 분석되고 있다.

고장 발생시 시공업체 측면에서는 가급적 고장발생을 즉각적으로 확인할 수 있도록 모니터링 시스템 등의 정보 제공 및 취득이 용이하도록 노력하고 있으며, 무엇보다도 고장에 대한 즉각적인 대응을 목표로 하고 있는 상황이다. 한편, 유지관리와 관련해서는 일본에서도 태양광발전시스템의 유지보수를 전담으로 하는 기업은 드물며, 업무용 시스템의 경우 자회사를 설립하거나 전담 조직을 구성하는 방향으로 유지관리를 수행 중에 있는 것으로 조사됐다. 특히, 태양광발전시스템의 보급 확대와 함께 인버터 등의 태양광발전시스템 관련 업체가 유지관리 점검을 위한 프로그램을 마련하고 있으며, 이는 새로운 비즈니스 영역으로 부각되고 있는 상황이다.

그림 7은 일본 OMRON사의 태양광발전시스템의 유지관리 방안과 점검 항목으로, 이 회사는 원격감시를 통한 24시간 상시관리와 다양한 업체의 제품에 대응할 수 있는 기술을 판매 전략으로 내세우고 있다. 또한 점검항목은 표준서비스와 옵션으로 구분하고 있으며, 표준항목에는 전압, 전류 및 절연상태 등과 관련된 인버터, 모니터링 등의 정기점검과 운용에 따른 데이터 수집을 기본으로 하고 있다. 옵션으로는 배선, 접속단자 및 고장에 따른 수선, 모듈의 수리 및 순회 점검 등을 추가함으로써 다양한 유지관리 서비스를 제공 받을 수 있는 시스템을 구축하고 있다.

그림 8은 미국 유지관리 업체의 관리 메뉴를 나타낸 것으로, 이를 통해 모니터링을 통한 발전량 확인에서부터 발전 사이트의 보안 및 청소 등을 포함한 Premium까지 4단계로 구분해 유지관리에 대응하도록 메뉴를 설정하고 있는 것을 알 수 있다. 그림 9는 MW급 발전시설에서의 유지관리 동향을 나타낸 것이다. 2014년 기준 MW급의 관리 현황은 88GW에 달하고 있으며, 2018년까지 세 배에 가까운 성장을 예상하고 있는 것으로 조사됐다.

특히, 유지관리 시장은 중국, 미국 및 일본이 주도적으로 성장을 견인하고 있으며, O&M을 전문적으로 하는 기업보다는 인버터, 모듈 제조업체가 관련 시장을 선점하고 있는 것으로 나타나는 등 국내에서도 제조업체가 중심이 돼 시스템의 유지관리 부문을 유도하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

또한, 설치장소 및 운전형태에 따라 다소 차이는 발생하지만, 예방 차원의 점검(PM), 데이터의 취득, 발전량 체크 등의 보수(CM) 및 시스템 상태를 기반으로 한 점검(CBM)으로 주요 부품별 수리 주기가 달라짐을 확인할 수 있었다. 이러한 접근 방식은 관련 부품의 수리 주기가 명확하게 제시되고 있지 않고 설치 장소에 따른 운영상의 차이에 기인하고 있는 것으로, 이는 시스템 운영에 따른 경험 값을 반영해 주요 부품 및 관리현황에 따른 유연한 대응이 필요함을 의미하고 있다.

유지관리시장 성장 예상

지금까지 지속적이고 장기적인 태양광발전시스템의 보급 확대와 유지관리를 위해 공동주택 단지에 대한 실태조사 및 유지관리와 관련된 국외사례를 확인해 봤다. 시스템의 효율적인 관리를 위해 이미 국외에서는 시스템 유지관리에 대한 높은 관심과 시장의 성장성을 확인할 수 있었으며, 특히 다양한 업체의 제품에 대한 능동적인 대응을 통해 실제 사용자의 불편함을 최소화시킬 수 있도록 강구하고 있는 것을 알 수 있었다.

아울러, 유지관리시장은 부품의 수급과 고장에의 효율적 대응이 필요한 부분이므로, 유지관리를 전문으로 하는 업체보다는 태양광 관련 부품 제조업체가 시장을 주도하는 것이 필요할 것으로 분석된다. 에너지 문제와 환경에의 관심은 향후에도 지속적으로 증가할 것으로 예상되므로 태양광발전시스템의 적극적인 도입 정책을 바탕으로 태양광발전시스템의 효율적이고 장기적인 도입확대를 위한 유지관리 측면에서의 검토는 반드시 필요한 과제로 다뤄져야 할 것이다.

<참고문헌>

1. 태양광발전 필드테스트사업에 관한 가이드라인 기초편(2012년도판), 2013년 3월, 일본 경제산업성 자원에너지청

2. 2012년도 신에너지기술 필드테스트사업 ‘태양광발전 신기술 등 필드테스트사업에 관한 운전 테이터 분석평가 등 분석·평가 보고서’ 2013년 3월, 미쓰비시종합연구소

3. True South The renewable solar O&M Solution,

http://truesouthrenewables.com

4. www.phoenixsolar-group.com

5. Addressing Solar Photovoltaic Operations and Maintenance Challenges,

‘A Survey of Current Knowledge and Practices’, EPRI 2010

6. GLOBAL MARKET OUTLOOK, ‘Photovoltaics 2013-2017’, EPIA