태양광 발전손실 잡아내 “발전효율 UP”

태양광 발전손실 잡아내 “발전효율 UP”:

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▲ 알티에스에너지가 서울 상암동 누리꿈스퀘어에서 솔라포르테와 포르테매니저를 적용해 시범 운영하고 있는 태양광 모듈.

국내 중소기업들이 태양광 발전효율을 높이는 ‘신기술’을 잇따라 선보이고 있다.

27일 관련 업계에 따르면 알티에스에너지·엘디티 등은 최대전력점(Maximum Power Point)을 추적해 태양광 모듈 발전효율을 높이는 제품을 개발, 보급에 나서고 있다. 기존 태양광 업체들이 집중해 온 ‘태양전지 광변환 효율 제고’를 벗어나 모듈에서 손실되는 전력을 줄여 발전량을 높이는 기술이다.

알티에스에너지는 그림자·먼지 등으로 낮아지는 발전효율을 회복하는 스마트 정션박스인 ‘솔라포르테’를 개발했다. 모듈마다 설치해 최대전력점을 찾는 방식이다. 기존에 모듈 하나의 발전량이 떨어지면 연결돼 있는 다른 모듈까지 영향을 미치는 문제를 해결한다. 전기를 외부로 빼내고 전류가 반대로 흐르는 현상을 방지하는 기존 정션박스 기능도 갖췄다.

알티에스에너지 측은 솔라포르테로 손실 전력을 10~30% 줄일 수 있다고 설명했다. 그림자 등으로 모듈 출력이 최대 70% 떨어진다는 점을 고려하면 총 출력의 21%까지 개선할 수 있다.

알티에스에너지는 지그비(근거리 무선통신 기술)를 활용해 모듈 발전 정보와 이상 유무를 웹으로 실시간 확인할 수 있는 모니터링 시스템인 ‘포르테매니저’도 개발했다. 태양광 발전단지 전체는 물론 각각의 모듈 상태를 감시할 수 있어 효율적인 유지보수가 가능하다.

조호길 한국전자통신연구원(ETRI) 시스템반도체진흥센터 책임연구원은 “알티에스에너지는 시스템반도체진흥센터 창업보육실에 입주한 기업”이라며 “산업기술연구회의 맞춤형 기술지원사업을 통해 제품을 개발했다”고 밝혔다. 조 책임연구원은 “솔라포르테와 포르테매니저는 무선 네트워크 기반 관리가 가능하다는 점 등 차별화 된 장점을 갖고 있다”고 말했다.

엘디티도 태양광 모듈 전력 손실을 회복해 발전효율을 높이는 분산형 최대전력점 추적장치인 ‘파워플러스’를 출시해 보급을 추진하고 있다. 자체 회로 설계 기술을 이용한 전용 집적회로(IC)와 관련 알고리듬 개발, 시스템 최적화로 가격 경쟁력을 확보했다.

입출력 전력과 주변상황을 복합적으로 분석, 정확한 최대전력점을 추적할 수 있다. 기존 태양광 설비의 구조 변경 없이 설치가 가능하다는 장점이 있다.

업계 한 관계자는 “외국에서는 지난 2010년부터 분산형 최대전력점 추적 장치에 대한 관심이 높아지고 있다”며 “미국 타이고에너지, 이스라엘 솔라에지 등이 미국·유럽·중국에 보급을 확대하고 있다”고 말했다.

유선일기자 ysi@etnews.com

2009년 08월 10일 14:02

환경일보 김경태 기자

각종 오염으로 인한 효율 저하

고온으로 영구적인 성능 감소

 

하이레벤의 유상필 대표

【서울=환경일보】김경태 기자 = 태양광발전이라는 특성상 더운 여름에 발전량이 가장 많을 것으로 생각하지만 실제로는 봄, 가을이 가장 많다. 일조량이 늘어나고 온도가 상승하면서 태양광모듈의 출력이 떨어지기 때문이다. 이와 더불어 봄에 몰려오는 황사와 꽃가루, 먼지, 겨울에 쌓이는 눈 등으로 인해 태양광발전은 100% 출력을 유지하는 것이 거의 불가능하다. <편집자 주>

하이레벤 유상필 대표의 표현을 빌리자면 ‘빨래 넣어놓듯이’ 집열판을 넓게 설치하다보니 각종 오염과 먼지, 꽃가루 등으로 인해 태양열발전이 제 기능을 하지 못하고 있는 것이 현실이다. 작년 태양열 분야에 대한 막대한 발전차액 지원으로 인해 대기업들까지 앞다퉈 시장에 진출했지만 엄청난 투자비용에도 불구하고 예상만큼의 발전용량이 나오지 않아 기업들도 골머리를 앓고 있다. 이에 대한 이유를 유 대표는 태양광모듈의 성능을 발휘하지 못하도록 만드는 외부여건 때문이라고 설명한다.

“흔히 생각하기에 여름철에 일조량이 많아 태양광발전에 유리할 것 같지만 실제로는 봄, 가을이 가장 높습니다. 이는 태양광의 기본성능이 25도를 기준으로 설정돼 있기 때문인데, 한여름에 태양광모듈 온도가 70~90도까지 상승하게 되면 태양광모듈의 발전효율이 떨어지게 됩니다. 또한 봄, 가을의 각종 먼지 등으로 인한 오염과 동절기 눈 등으로 인해 태양광 발전이 애초 계획했던 성능을 발휘하지 못하는 것입니다. 그래서 현재 사용되고 있는 발전설비의 효율을 100%에 가깝도록 끌어올리는 시스템(Balance Of System)이 중요합니다”

한국에너지기술연구원에서 연구인력으로 근무했던 유 대표는 사업아이템을 가지고 1년간 미국 컬럼비아 대학교에서 방문연구원으로 있으면서 아이템에 대한 연구를 하다가, 국내 태양광 시장이 활성화 될 것으로 예측하고 이쪽으로 뛰어들게 됐다고 한다.

 

하이레벤의 냉각수 고압 분사 방식(사진:하이레벤)

신소재 개발만큼 효율 향상도 필요

“자동차로 치자면 그동안 엔진에 대해서만 이야기 한 셈입니다. 자동차를 잘 만드는 것도 중요하지만 엔진오일을 제때 교환해주고, 정비를 잘 해서 본래 성능을 유지한 상태로 오래도록 탈 수 있게끔 만드는 것도 중요하지 않겠습니까? 태양광 집열판에 대해 냉각과 청소만 제대로 해줘도 발전성능은 20~30% 이상 향상될 수 있습니다”

실리콘 태양전지는 온도가 1도 오를때마다 출력이 0.5%씩 감소하기 때문에 25도를 출력기준으로 잡는다고 한다. 그래서 1MW설비의 온도가 50도로 상승하면 출력은 12.5%(125kw)가 떨어져 실제 성능은 1MW가 아닌 875kw에 불과한 결과가 나온다고. 과열로 인한 문제는 이에 그치지 않고 모듈의 표면온도가 일시적으로 70도 이상 과열되는 일이 반복되면, 모듈의 성능이 매년 1~3% 영구적으로 감소하고, 모듈의 수명도 감소하는 열화현상이 발생한다. 국내에서도 모듈 표면온도가 90도까지 상승하는 사례가 빈번하게 보고 되고 있으며, 설치한지 10년 가까이 되는 발전설비의 경우 30% 이상 영구적으로 성능이 감소된 것으로 나타나고 있다.

열로 인한 문제뿐 아니라 외부에 노출된 집열판은 먼지, 황사, 조류분비물 등으로 인해 표면이 오염된다. 이로 인해 광투과율이 저하되고 집광량이 감소해 연평균 9.3%의 발전용량이 저하된다고 한다. 스위스 HTI의 장기 모니터링 연구결과에 따르면 세척여부에 따라 평균 9.3%의 출력차이가 발생하는데, 바닷가에 위치한 발전소의 경우에는 염분성분 때문에 더욱 자주 세척해야 한다고 유 대표는 지적한다.

게다가 겨울에는 일중고도가 낮아 가뜩이나 출력이 떨어지는데, 설상가상으로 눈까지 내리면 동절기 출력은 더욱 떨어지게 된다. 모듈 표면의 눈이 녹지 않고 일부라도 쌓이면 Cell들이 직렬로 구성된 태양광 모듈 전체의 출력이 급감하는 Hot Spot Effect가 발생하게 된다. 실제로 태양광 클러스터 예정지인 강원도 영월의 2006년 적설일은 119일이었다.

 

국제환경기술전에서 한승수 국무총리가 부스를 둘러보고 있다.(사진:하이레벤)

고압의 냉각수 직접 분사

단순히 물을 끼얹거나 위에서 물을 흘려보내는 방식은 3배 이상 많은 물을 소모하면서도 넓은 면적을 균일하게 냉각시키기 어렵기 때문에 효율이 떨어진다. SUN-UP시스템은 물을 직접 분사해서 각종 오염물질을 제거하고 모듈의 온도를 적정하게 유지한다. 그림자가 생기면 모듈 출력이 급격하게 저하되기 때문에 접이식으로 설치했다. 또한 지하에 물을 보관하기 때문에 항상 15도를 유지해 한여름에 과열된 집열판을 식혀주는 효과가 뛰어나며(목욕탕의 냉탕 온도 18~20도) 산간 오지에 많이 설치되는 태양광발전의 특성상 물 공급이 어렵기 때문에 빗물을 받아서 사용하고, 사용한 물을 다시 재사용하고 때문에 물 사용량이 적다.

그렇다면 태양광모듈에 물이 묻기 때문에 역효과는 없을까? 이에 대해 유 대표는 이렇게 설명한다. “태양광모듈 표면에 물이 묻으면 반사율이 줄어 기전력은 그대로지만 전류가 증가해 출력량이 2% 증가합니다. 요즘은 이를 위한 갖가지 코팅제가 나오기도 하지만, SUN-UP은 모듈 표면에 자연스레 수막을 만들어 별도의 비용 없이 코팅제만큼 뛰어난 효과를 냅니다. 또한 요즘 나오는 제품들은 ISO인증을 받은 모듈을 사용하기 때문에 고온에서의 비틀림에도 버틸 수 있는 제품들입니다. 물로 인한 제품의 손상은 없습니다”

온도나 시간에 따라 자유롭게 설정이 가능한 자동운전 방식이기 때문에 유지·보수를 위해 따로 인력이 필요 없고, 전기사용량, 물 사용량을 최소화 해 여타 비슷한 제품에 비해 운전비용과 함께 설치비용도 적다. SUN-UP 설치를 위해 기존의 집열판 위치를 재조정할 필요가 없기 때문에 기존설비와 신규설비 모두 설치 가능한 것 역시 특징이다.

“기존에 태양열발전 설비가 80 나오던 것을 25% 향상시켜 100이 나온다고 하면 대부분 안 믿습니다. 과장한다고 생각하는 것이죠. 하지만 대용량으로 태양열발전을 설치·운용하고 있는 대기업에서는 예정한만큼 효율이 나오지 않아 고민하고 있었기 때문에, 설비에 대해 제안하면 실제로 물 청소를 해보고 발전효율이 오르는 것을 경험하게 됩니다. 그 결과 15MW급의 LG 태안 태양광발전소 설치를 비롯해 삼성, SK 등 많은 대기업들이 설치를 추진해 계약을 체결한 상태입니다”

 

태양광발전은 관리가 중요하다.(사진 : 하이레벤)

태양광발전 분야의 전망에 대해 유 대표는 장기적으로는 낙관하고 있다. 하지만 그만큼 장기적 마스터플랜이 필요하다고 본다. “국내에 태양광을 10년 이상 했다는 사람이 열손가락에 꼽을 정도입니다. 일본이 먼저 앞서갔지만, 이후 독일이 발전차액 분야의 막대한 지원으로 역전시켜서 태양광 시장을 선도하고 있습니다. 이에 일본이나 미국도 의무할당제에서 일부 발전차액제로 전환하고 있는 실정입니다. 국내의 경우 작년에 한참 태양광 붐이 일었다가 올해는 또 급격하게 식었습니다. 연구과제를 따려고 하면 심사위원들의 반응 자체가 작년과 달라서 싸늘합니다. 이런식으로 변덕스럽게 올인하는 방식은 문제가 있다고 봅니다. 지나친 과열로 인한 부작용은 막을 필요가 있지만 지속적인 정책의 일관성도 필요하다고 봅니다. 모든 지원을 일시에 끊는 것이 아니라 선별해서 지원할 필요가 있습니다”

mindaddy@hkbs.co.kr