지구온난화에 대한 세계 각국의 우려와 준비, 그리고 일본 후쿠시마 핵발전소 사고로 인한 재빠른 세계적 탈핵화에 의해 신재생에너지 산업은 급격하게 성장하게 되었고, 풍력발전에 이어 태양광 발전이 경제성을 가지게 되어 태양광 산업의 성장은 계속되고 있다. 

유럽과 일본에서 시작된 태양광 산업의 성장은 한국을 거쳐 미국과 중국으로 이어졌으며, 일본, 동남아, 호주 시장으로 커져가고 있다. 2012년 태양광 모듈의 공급과잉으로 인해 세계적인 태양광 관련 산업의 재편이 있었고, 현재 2차 공급과잉이 예상되고 있는 시점이다. 태양광발전 시스템의 주요 구성요소인 태양광 인버터 관점에서 태양광산업의 성장과 확산을 위해 필요한 요소들을 점검해 본다.

시장 초기 유럽과 일본이 강자 
태양광 인버터가 태양광발전 산업에서 4개의 공급자중 하나의 역할을 담당하고 있음을 표 1에서 보여주고 있으며, 투자로서의 태양광발전에 있어 역할의 중요성이 증가하고 있다는 것을 나타내고 있다.

태양광 인버터 산업 흐름은 태양광산업의 흐름과 어느 정도 유사하게 진행되어 왔다. 
초기 유럽과 일본을 중심으로 태양광산업이 발전한 것을 고려하면 태양광 인버터 산업의 전통적인 강자는 유럽과 일본이라고 할 수 있다. 하지만 태양전지 모듈의 생산 기반을 갖추는 것에 비해 태양광 인버터 생산기반을 갖추는 것은 더 많은 시간과 비용이 요구되는 것이기 때문에 태양광산업과 태양광 인버터 산업의 흐름이 정확하게 일치하지 않는다는 것이 일반적인 견해이다.

표1. 태양광 발전의 산업 부문(Report IEA PVPS T1-30:2016)

중국 인버터 기업의 급성장
태양광 인버터 산업은 전력변환 효율향상과 무게 및 크기 감소를 위해 변압기형에서 무변압기형으로, 추가적인 효율향상에 대한 요구에 의해 고효율 방식으로, 태양광 인버터와 같은 분산형 전원의 급격한 증가에 따른 계통연계기준(Grid Code)의 변화에 따른 대응 기술 개발로, 마지막으로 거대한 생산력을 가진 중국기업의 급성장에 대해서 유럽과 일본, 미국시장에서는 시장 점유율 방어를 위해 노력하고 있다.

신흥 시장인 북아메리카, 중국, 동남아, 호주 시장에서의 시장점유율 확대를 위한 여러 가지 방법을 통해 대응하고 있다. 2011년 선그로우(Sungrow)를 필두로 중국기업의 태양광 인버터 시장점유율이 확대되기 시작했으며, 중국 태양광시장의 급격한 성장을 기반으로 2016년 H1 생산기준 태양광 인버터 10위 기업에 중국업체가 5개나 포함되어 있다. 향후 중국기업의 성장은 계속될 것으로 예상된다.

국내 인버터 산업, 성장기회 얻었다 
2015년 국내 태양광 신규 설치가 최초로 1.1GW를 초과했으며, 이로 인해 국내 태양광 인버터 제조사들은 매출증가에 도움을 받았다. 2016년에는 0.9GW 정도가 설치되었으며, 2014년 이후 매년 0.9GW 이상의 신규설치가 계속되고 있다. 다쓰테크, 윌링스, 헥스파워시스템과 같은 중소기업 제조사 및 효성중공업, 현대중공업과 같은 대기업 제조사의 제품은 전력변환효율 관점에서 해외 선진 기업들과의 경쟁에서 동등한 수준에 진입했으나, 기후 신뢰성, 안정성 및 계통연계기준에 대한 대응 면에 있어서는 아직 기술개발이 필요하다.

국내시장은 품질을 앞세우는 해외 선진사 및 가격 경쟁력을 가지고 있는 중국제품과 경쟁하고 있다. 태양광 인버터의 경우 장기 사후관리가 필요하기 때문에 내수시장을 수성하고 있으나, 중국 기업들의 국내 시장진출이 본격화되는 시점에 대비해 신뢰성 향상, 고효율화 및 저가화의 준비를 하고 있다. 한편, 2016년 9월 태양광+ESS의 신재생에너지공급인증서(REC) 부여에 대한 발표는 태양광 인버터 산업 성장의 기회가 될 것으로 예상되고 있다.

표2. 세계 태양광 인버터 생산 순위

인버터 고효율화를 위한 기술개발
태양광 인버터의 기술동향은 크게 3가지 정도로 정리된다. 첫째로, 태양광발전 시스템에서의 발전효율 향상 및 시스템 비용의 저감이다. 이 부분에 포함되는 것은 고효율화, 전력밀도 향상 및 옥외형 구조이다. 둘째로, 환경 신뢰성 강화다. 이 부분에는 발열 구조 설계, 가속수명시험 및 기대수명 향상 기술이 포함된다. 마지막은 계통연계기준(Grid Code) 및 전자파적합성(EMC) 기준의 강화 및 신규 도입 기준에 대한 대응 설계 및 개발이 포함된다.

태양광 인버터의 전력변환효율과 태양광발전설비의 발전효율 향상을 위해 현재까지 많은 방법들이 사용되고 있다. 변압기 손실을 줄일 수 있도록 하는 변압기형에서 무변압기형으로의 변경, 스위칭 손실이 작은 전력용 반도체 소자의 선택(IGBT → FET, SiC, GaN), 스위칭 및 인덕터 손실을 줄이는 전력회로 토폴로지의 변경(2레벨 → 3레벨 스위칭), 스위칭 손실을 줄이는 전력변환 단계 축소(2 stage → 1 stage), 최대출력점추종(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 수의 증가를 통한 태양광입력 전력의 극대화, 고압의 DC 회로(1,500V)를 사용하는 입력 태양광 손실 감소, 인덕터 코아 재질 선택을 통한 인덕터 손실 감소, EMI 필터에서의 손실 감소를 목적으로 하는 PWM 벡터의 선택 등이 있으며, 최근 3레벨 스위칭 기법의 도입을 통해 상업용 및 발전용 태양광 인버터의 효율은 유로효율 기준으로 98%를 넘게 되었다.

하지만 해외 제품들은 99%의 전력변환효율을 달성하기 위해 노력하고 있으므로 현재의 성과에 안주하지 말고 더 높은 전력변환 효율을 달성하기 위해 매진해야 할 것이다.

고전력밀도 통한 가격경쟁력 확보
태양광 인버터에 사용되는 인덕터와 커패시터 같은 수동소자의 용량은 스위칭주파수 크기에 반비례하는 특성을 가지고 있으며, 태양광 인버터에 있어 스위칭주파수의 결정은 전력용 반도체소자의 실리콘 웨이퍼 물성에 기초하고 있다. 그러나 SiC나 GaN 소재를 이용한 전력용반도체 소자가 상용화 됨으로 인해 기존 IGBT의 일반적인 스위칭 속도에서 2~3배 높은 스위칭 주파수의 구현이 가능하게 되었고, 이를 통해 50~60%의 수동소자 용량의 감소가 가능하게 되었다. 태양광 인버터에 있어 많은 부피를 차지하고 있었던 인덕터와 커패시터의 용량감소에 따라 태양광 인버터 보다 작은 크기를 가질 수 있게 되었다.

하지만 인덕터의 경우 그 특성이 코어 재질에 따라 정해지게 되므로, 스위칭주파수를 높이게 되는 경우 해당 스위칭주파수 대역에서 사용 가능한 코어를 선택해야 한다. 이러한 기술 개발을 통해 태양광 인버터의 가격저감을 이룰 수 있을 것이다.
태양광발전시스템 설치비용 감소를 목적으로 태양광 인버터의 옥외형 설계가 증가하고 있으며, 저압연계의 경우 별도의 전기실 없이 옥외에 태양광 인버터를 바로 설치할 수 있도록 하고 있으며, 특히, 해외의 경우 1MW 이상의 태양광 인버터와 고압연계설비를 함께 설계하여 고압전력계통에 직접 연계가 가능하도록 해 공사시간을 줄일 수 있도록 하는 제품들이 대형 프로젝트에 적용되는 경우가 많아 지고 있다.

표3. 가정용 태양광 인버터 허용 기준

신뢰성 향상 위한 초가속수명 시험 필요
태양광발전 설비에서 태양광 인버터는 태양광 모듈(20~25년)에 비해 상대적으로 적은 기대수명을 가지고 있으므로, 설계 및 개발단계에서부터 태양광 인버터의 신뢰성 향상을 위해서는 초가속수명시험(HALT : Highly Accelerated Life Test)를 적용한 시험이 필요하다. 

오랜 기간 많은 장소에서의 실증 시험이 가장 좋은 방법이기는 하지만 개발 및 검증 기간의 단축이 요구되는 상황에서 HALT는 단기간에 제품의 취약점 및 잠재적 문제점에 대한 정보를 얻는 좋은 방법이며, 표본의 크기에 따라 동작한계에 대한 분포함수를 구할 수 있으며, 이를 신뢰성 모델에 적용 가능하다. 추가적으로 장기간의 실증을 통한 실증 데이터의 누적도 중요한 요소이다. 

전기자기 적합성이 글로벌 경쟁력 판가름
2015년까지 태양광 인버터는 범용규격(KS C IEC 61000-6-1, -2, -3, -4)의 적용을 받았으나, 2015년 말에 CISPR 11 Ed. 6.0이 전용규격으로 제정 됨에 따라 CISPR 11 Ed. 6.0의 적용을 받게 되었다. 가장 큰 차이점은 직류 전원 포트에 대한 기준은 정해진 것이며, 범용규격이 75kVA 이상 용량에 대한 규정은 없으나, 전용규격 75kVA 이상의 용량에 대해서는 규정하고 있다.

현재 국내 태양광 인버터 기준에서는 직류전원포트에 대한 전도 시험을 생략하고 있으나 전용규격이 제정됨에 따라 바뀔 것으로 예상된다. CISPR 11에서는 Power Optimizer와 Hybrid EES(Electrical Energy Storage)의 직류 전원 포트에 대해서도 TF를 만들어 규격을 준비하고 있다.

전기자기 적합성은 태양광 인버터의 동작에서 발생되는 전자기파에 의해 다른 전자기기나 가전제품들이 영향을 받지 않도록 하는데 매우 중요한 요소이며, 이러한 기술 개발을 통해 국제경쟁력의 강화를 이룰 수 있을 것이라고 생각된다.

국내 인터버 업계 동향
국내 태양광 인버터 제조사들은 빠른 추격자(Fast Follower) 전략으로 해외 선진사 제품을 벤치마크하고 있으며, 특히 전력변환효율에 있어서 3레벨 전력회로의 적용을 통해 동등한 수준에 진입한 것으로 보이며, 옥외형 설계 기술 또한 국내에 설치에 한해 동등한 수준에 진입한 것으로 생각된다. 그리고 태양광발전설비가 전력계통 말단에 설치되어 운전하는 경우 선로 임피던스에 의해 계통전압이 상승되는 문제를 방지하기 위해 한국전력공사에서는 전압안정화를 위한 무효전력제어를 요구하고 있으며, 대부분의 국내 태양광 인버터 제조사들은 이러한 요구조건을 수용한 제품을 생산하고 있다.

표4. 산업용 태양광 인버터 허용 기준

2015년 세계 태양광시장의 설치량이 50GW를 돌파한데 이어, 2016년은 전년대비 30%가 증가한 73GW가 설치되어 사상 최고치를 기록했으며, 연 20% 이상의 고성장을 이어나갔다. 이는 중국(34GW)과 미국(12GW) 태양광 시장의 수요 호조가 세계 태양광시장 양적 성장의 주요 원인이었으나, 2017년에에는 세계 태양광 수요의 75%를 차지하는 중국, 미국, 일본 시장의 불확실성이 확대됨에 따라 수요가 감소할 것으로 예상된다.

인도와 같은 신흥 시장이 성장하고 있으나 단기적으로 시장 위축이 불가피할 것으로 예상되어 2017년 설치 예상은 소폭 성장한 75GW가 될 것으로 예상되며, 2018년에는 개발도상국가들의 수요가 증가하면서 80GW가 넘어설 것으로 예상된다. 

2017년에는 태양광산업 전반에 걸쳐 가격하락이 나타날 것으로 예상되며, 특히 공급 과잉 상황이 심한 태양광 모듈 분야에서 가격하락 폭이 가장 심하게 나타날 것으로 보인다. 태양광 제품의 가격하락이 태양광발전의 경제성 향상과 신규 수요 확대라는 선순환 구조로 이어지기 때문에 향후 몇 년간 제품 가격은 빠른 속도로 하락할 것으로 전망된다. 그러나 신규 수요 확대의 정도가 낮을 경우 2차 공급과잉으로 인한 산업의 재편 및 전년도 대비 설치의 감소가 발생할 가능성도 예상된다.
 

그림2. 세계 태양광시장 현황 및 전망(New Energy Finance, 전망치는 수출입은행)

성장과 확산 위한 인증제도 강화
태양광 인버터산업은 태양광산업과 밀접하게 연계되어 있어, 태양광 인버터의 역할을 충실히 하는 것이 태양광산업을 성장시키는 계기가 될 수 있을 것이다. 통계적으로 태양광발전 설비에서 문제가 많이 보고되는 요소이면서, 문제가 있음을 알리는 유일한 장치가 태양광 인버터다. 실제 태양광 인버터 회사의 A/S 기록을 검토하면, 태양광 인버터관련 고장접수 중 실제 태양광 인버터가 문제인 경우는 40%가 되지 않는다.

국내 태양광발전설비에서 인증제도의 적용을 받는 것은 태양전지 모듈과 태양광 인버터이다. 2017년부터 태양광 DC 접속반에 대해 인증제도가 마련되었다. 향후, 태양광발전설비에서 인증제품을 사용해 인증제도를 정착시키는 것이 중요하며, 인증제도의 강화를 통한 태양광 인버터 산업의 체질 강화가 필요하다.

태양광발전 설비와 관련해 많은 정보를 얻을 수 있는 인터넷 사이트는 한국에너지공단 신재생에너센터다. 특히, 태양광 인버터관련 인증제품에 대한 정보를 확인할 수 있고, RPS 설비확인 및 공급인증서 발급 및 신재생에너지 코리아(지식 포털)에 대한 링크를 제공하고 있다. 

신뢰성 확보 통해 산업 성장 역할해야

초기 국내 태양광 인버터는 가정용을 중심으로 개발되어 해외제품들과 경쟁하며 완성도를 높여왔고, 현재 국내 가정용 시장의 대부분을 점유하고 있다. 이러한 노력이 계속된다면 중대형 시장에서도, 해외 제품들과 경쟁하며 더욱 더 완성도와 신뢰성을 높여 태양광산업 성장에 많은 역할을 할 수 있기를 기대한다. 

한밭대학교 미래산업융합대학 에너지ICT공학과 민준기 교수

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