특히 태양광, 풍력 등 기존 신재생에너지 설치 보급이 각종 규제로 지연되는 가운데 수상태양광은 설치장소의 제약이 극히 적어 상용화 기술 선점을 통한 미래시장 선도가 요구되고 있다. 이에 따라 수상태양광에 대한 상세한 현황과 시장선점을 위한 기술들을 살펴봄으로써 국내 신재생에너지산업 성장의 큰축이 될 수 있을지 전망해보고자 한다.
/편집자 주
국토가 협소한 우리나라의 경우 그동안 태양광개발로 인해 임야 및 농지 등의 환경훼손이 심각한 수준에 이르고 있어 신재생에너지개발이 다른 양상의 환경파괴를 일으키고 있다.
수상 태양광발전기술은 자연과 어우러진 친환경융합기술로 태양광부문의 태양광모듈기술의 비약적 발전과 가격경쟁력확보, 주변기술 등이 획기적으로 개발될 경우 친환경·수자원분야의 미래성장 동력으로 자리매김 할 수 있을 것으로 판단된다.
△국내외 기술개발 현황
해외 수상태양광발전 설치사례는 일본의 경우 아이치 연못 수면 태양광발전 90kW, 카가와현 호넨 저수지 수면 태양광발전 30kW급 등이 실증운전을 마쳤다. 미국은 캘리포니아 나파지역 연못에 수면 태양광발전을 477kW 규모로 운전 중이다.
국내에서는 RPS 의무공급사업자들을 중심으로 수상태양광 기술확보를 위한 실증운영과 보급확대를 위한 노력이 계속돼왔다.
한국수자원공사는 다목적댐 저수지에 국내최초로 전남 순천시 주암본댐에 2.4kW 실증플랜트를 운영해 왔으며 충청북도(도지사 이시종)와 한국수자원공사 충청본부(본부장 장용식)는 지난해 업무협약을 맺고 충주댐에 3MW급 첫 수상 태양광발전소 설치를 추진하기로 했다.
빠르면 내년 상반기 가동될 예정인 이 발전소의 시설용량은 수자원공사가 지난해 7월 경남 합천댐 수면에 설치한 500kW 태양광의 6배에 달하는 국내 최대 규모다.
한국동서발전(사장 장주옥)도 당진화력 수상 태양광발전소 건설 신기술과 노하우를 발전사 및 관련기업과 공유할 방침이어서 국내 보급·확대에 기여하고 있다.
동서발전은 지난해 9월 당진화력 홍보관에서 산업통상자원부, 에너지관리공단 신재생에너지센터, 발전사 관계자 등 100여명이 참석한 가운데 '수상 태양광 건설 신기술 교류회'를 열었다. 앞서 지난 6월 동서발전은 4GW 화력발전소가 가동되고 있는 당진화력 취수로에 1MW 세계 최대 수상 태양광발전소를 준공, 현재 상업가동하고 있다.
발전소 취수로 유휴수면을 활용한 이 발전소는 현존 최대 수상 태양광발전소인 미국 캘리포니아(873kW), 수자원공사 합천댐(500kW) 발전소보다 규모가 크다. 연간 1,300MWh의 전력을 생산해 4인 가족 기준 400여 가구에 무공해 전력을 공급하고 연간 600여톤의 이산화탄소 감축 효과를 거둘 전망이다.
국내기업들도 수상태양광분야에서 선전하고 있다.
에스디엔은 최근 한국농어촌공사가 발주, 입찰한 화성방조제 3MW급 태양광발전소 턴키 대표기업으로 최종 선정돼 전체 지분율 52.9%(부가세제외금액 약 30억원)를 공급계약했다.
지난해 10월 수자원공사가 발주한 고양 정수장 267kW급 태양광발전소와 합천댐 수상태양광 100kW급 태양광발전소 건설 입찰에도 최종 선정돼 설계 및 건설을 진행하고 있다.
(주)신성솔라에너지(대표 김호식)는 한국농어촌공사, 그린솔루션 및 카코뉴에너지와 함께 지난해 수상태양광모듈 개발 발표회 및 시연회를 개최하며 수상태양광발전시장에 본격 진출했다.
△시장선점을 위한 기술
한국수자원공사에 따르면 현재 수자원공사 등 발전사와 정부기관을 중심으로 실증플랜트에서 계측한 각종자료를 수집 및 분석해 수상태양광발전이 전원으로서 유용성과 호소환경조건에서의 안정성 등을 검증하고 있다. 상용화단계까지 진입하기위해서 많은 시행착오와 검증이 요구된다.
첫째로 설치공정의 단순화가 필요하다. 현재의 실증플랜트 공정은 태양광모듈 및 지지설비, 태양광구조물 및 부력재, 앵커 및 계류장치 등 계류시스템, 전력시스템 구성 등으로 분류할 수 있다. 상기 공정 중에 부력재 및 계류시스템은 기술적으로 어려운 공정으로 상용화를 위한 핵심기술공정 개발이 요구된다.
둘째로 육상태양광발전대비 가격경쟁력 확보가 중요하다. 육상태양광발전은 대략 kW당 설치비가 700만원 정도로 수상태양광발전시스템이 상용화되기 위해서는 육상태양광발전시스템과 비교해 설치비가 동등내지 그 이하로 가격대가 형성돼야 상용화하는데 문제가 없다는 것이다.
셋째 수상태양광발전설비의 신뢰성 확보가 중요시되고 있다. 수자원공사 연구자료에 따르면 수상태양광발전설비는 저수지 수면에 위치하는 태양광발전설비로 저수지의 환경조건은 일년 내내 빈번하게 수위가 변동한다.
특히 여름 우기 시에는 수위가 급변하고 태풍 등 기상 악화조건 발생 시에도 구조물이 안정하게 견딜 수 있는 신뢰성이 요구된다. 또한 수상태양광발전은 수면이라는 특수성 때문에 유지보수의 어려움이 따르고 점검 시 안전사고 등이 발생될 수 있는 우려가 있다. 이를 위한 대책이 필요할 것으로 보인다.
넷째 잠재 발전용량이 풍부하다는 점에 주목해야 한다. 육상태양광발전의 개발은 주로 임야 및 농지에서 이뤄져 산림훼손 및 환경파괴 등 환경문제를 발생시키고 있다.
반면 수상태양광발전시스템은 국토가 좁은 우리나라에서 가장 적합한 방식으로 국토의 효율적 활용, 호소의 수질개선, 어족자원 확보 등 다목적으로 활용이 가능한 발전방식으로 수자원공사에서 보유한 다목적댐 유역면적의 1%만 개발해도 발전용량이 352MW정도 추정된다.
이를 위한 핵심기술과 상용화를 위한 노력이 요구되는 까닭이다.
△상용화를 위한 기술
수상태양광발전시스템의 상용화를 위한 전 단계로 부품소재의 가격경쟁력 확보가 필요하다. 수상태양광발전의 핵심부품은 태양광모듈, 인버터, 부력재, 계류시스템 등으로 이 중에서 가장 시급한 개발부품은 부력재다.
수상태양광발전시스템을 상용화하기 위해서는 전용부력재 개발이 필요하나 이를 개발하기 위해서는 시간과 투자가 요구된다.
특히 수면에서의 태양광발전 출력, 인버터 특성, 전력품질 등의 발전전력 운전특성과 그 외에 풍속, 풍향, 온도 등의 기상환경조건 조사 및 구조물 안정성 등이 상용화 기술개발을 위해 신경써야할 부분이다. 수상태양광발전을 상용화하기 위해선 핵심공정의 가격경쟁력 확보가 선행돼야 할 것으로 요구된다.
수상태양광발전시스템을 상용화하기 위해서는 일정크기의 구조체와 부력재의 부력 등이 호소에서의 수면 환경조건에서 영향을 받지 않는 포인트를 찾는 것이 관건이다.
차후의 과제는 수상태양광발전을 상용화하기 위한 기술전략의 수립과 공정기술의 개발 등이 요구되며 우선적으로 국내 저수지의 지역적, 지형적 특수성을 고려해 두가지의 상용화방안이 제시되고 있다.
△와이어를 이용한 수상태양광
기존의 수상태양광과 각 기관들의 실증플랜트는 저수지에서의 극한 환경조건(홍수 시 유속, 태풍)에서 견딜 수 있는 태양광구조물의 안정성에 주안점을 두고 설계했으며 그로 인해 설치비가 많이 소요됐다.
이 핵심공정부문을 개선하기 위한 방안으로 지상에 고정 앵커를 4개 설치하고 구조물 대신에 와이어를 연결해 접속하는 기술이 선보이고 있다.
이는 수위 차에 따른 구조물 와이어의 처짐 현상을 방지하기위한 별도의 장치 개발이 요구된다.
구조물 와이어 사이에는 별도의 태양광모듈을 설치하기 위한 간선 와이어를 두고 태양광모듈 전용부력재를 순차적으로 접속한다.
특히 태양광모듈용 전용부력재는 환경조건 변화 즉 기온 및 수온차 등에 견딜 수 있는 재질의 선택과 저수지에서의 유속, 풍속 등에서 안정성을 확보할 수 있는 형상개발이 요구된다.
태양광모듈과 모듈사이에는 충돌에 의한 파손사고가 발생하지 않도록 매개체를 삽입해야 한다. 또한 태양광발전설비를 유지·보수하기 위한 방안수립이 필요하다.
유지보수하기 위한 방안으로 구조물 와이어에 연결고리 형태의 접속단자를 두고 유지보수 시 연결고리를 제거한 후 유지보수용 선박의 유출입이 원활하게 진행될 수 있도록 하는 장치개발이 요구된다.
△구조체를 이용한 수상태양광발전 방안
다목적댐 저수지의 저수위와 홍수위의 수위차이는 보통 20~30m정도며 수상태양광발전설비를 저수지에 설치하기 위해서는 수위에 따른 태양광구조물의 응동과 홍수 발생시 유속과 태풍 등 외부환경조건에서 견딜 수 있는 구조물 안정성 확보가 요구된다.
이를 위해 구조물에 부력재를 설치해 수면에 띄우고 구조물은 계류시스템의 계류삭을 이용해 바닥의 앵커에 설치해 고정한다.
앵커에 연결된 계류삭 반대편에는 무게추를 달아 수위의 변화에 따라 응동이 가능하도록 해야 한다.
지상에는 고정앵커를 설치해 수면의 구조물에 와이어를 이용해 연결하고 태양광모듈을 전용부력재 위에 설치하고 구조물 와이어에 순차적으로 연결해 접속한다. 이때 태양광모듈과 모듈사이에는 충돌에 의한 파손을 방지하기 위해 충돌방지용 플로트를 사용한다.
또한 수면구조물과 지상앵커사이의 와이어 중간에 고정용 앵커를 설치해 태풍 등 외부 극한 환경에서 구조물의 안정성을 확보한다.
유지보수 공정의 편리성을 도모하기 위해 지상의 고정앵커 및 수면 구조물의 와이어 접속개통에 연결개소를 설치해 유지보수를 위한 장치설치 및 공간을 확보하고 유지보수용 보트가 유출입 될 수 있도록 구성한다.
아 방식은 와이어방식에 비해 견고한 방식으로 댐 저수지에 유속이 빠르고 홍수시 본류가 흐르는 지역 및 풍속이 있는 지역에 설치가 가능할 것으로 전망된다.
△수상태양광 기술확보의 의미
국내태양광발전 보급량은 2008년 말 기준 37MW로 태양광시장은 5년간 년 평균 52.4%의 급격한 성장을 보이고 있다.
그러나 현재의 태양광발전은 난 개발로 인해 임야 등의 산림훼손과 설치면적 부족 등의 문제에 직면하고 있어 수상태양광발전은 미래의 태양광발전의 대안으로 부상할 것이다.
선택이 아닌 미래 태양광시장 선점을 위한 필수아이템이라는 것이다.
수상태양광발전방식이 육상태양광발전 설치비대비 유사하거나 그 이하가 되도록 상용화 될 경우 보급은 빠른 속도로 진행될 것으로 전망된다. 이를 위한 상용화 방안 마련은 태양광발전의 가격 경쟁력 확보와 신뢰성 확보로 이어질 것이다.
현재는 설치를 위한 기획단계로 상용화를 위해선 전용 부력재 개발, 유지보수를 위한 공정개발, 세부 공정별 기준수립 등이 필요하며 많은 시행착오와 검증이 요구된다.