태양전지 모듈 효율을 높여라

[秦始皇帝]

"태양전지모듈 관리만 잘해도 20% 효율 증가 가능"

태양전지모듈 효율 저하 문제 심각
1% 효율 경쟁서 승리하려면 관리가 중요

설치된 태양전지 모듈에서 관리 소홀과 제품 하자 등의 이유로 열화현상이 발생한 모습.

전 세계 태양전지 회사들은 1%의 효율을 높이기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 그러나 태양전지 효율보다 더 중요한 게 바로 태양전지(PV)모듈이다.
태양광발전시스템을 구성하는 핵심부품인 태양전지(PV)모듈은 반도체 소자인 태양전지(solar cells) 수십 개가 직·병렬로 연결돼 태양 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 태양광발전시스템을 구성하는 부품 중에서 가장 고가이면서 시스템의 수명을 좌우한다.
태양전지모듈의 수명은 원래 20년 이상으로 반영구적으로 사용이 가능하며, 한 번 설치해 놓으면 유지 보수비용이 전혀 들지 않고 설치장소에 따라서 소형에서부터 대형까지 시스템의 규모를 결정할 수 있는 장점이 있다.
그러나 실제 현장에 설치돼 있는 상당수 태양전지모듈은 약 5년이 경과하면 외부 환경과 관리소홀 등의 이유로 효율이 현저히 떨어진다.
에너지기술평가원의 이창구 연구원과 에너지기술연구원의 김경수, 강기환 연구원이 지난해 한국태양광에너지학회 추계학술대회에서 발표한 논문에 따르면 설치한 지 5년이 경과된 태양전지 모듈의 전기적 성능시험을 분석해 본 결과 5~25% 가량의 전기적 성능이 감소되는 것으로 나타났다.
이번 연구뿐만 아니라 다른 나라에서 발표된 자료에서도 장기간 현장에 설치된 시스템을 대상으로 조사해 본 결과 물리적인 영향에 의해 파손된 것을 제외하고도 전극부분에서의 열화현상과 완충재 등의 변색 등으로 전기적 성능이 매우 감소되는 것으로 확인됐다.

‘소비자와 설치기업·제조업체 간 법적 분쟁도 증가’
국내에 설치된 태양광발전시스템은 지난 2004년 주택 보급 사업이 시작되면서부터 설치량이 급격하게 증가해 2008년 한 해 동안에는 약 1만435개 사이트에서 276MW의 태양광발전 시스템이 설치됐다.
우리나라는 2030년까지 약 3.5GW의 태양광발전시스템을 보급할 예정이지만, 지금까지 설치·보급된 국내 태양광발전 사이트에서는 태양전지모듈의 성능저하와 외형적인 변형 현상 등에 의해 소비자와 설치 기업 또는 제조기업과의 분쟁이 매우 잦아지고 있다. 특히 민간발전사업의 경우 발전량이 곧 전력판매금액과 연계되기 때문에 더욱 더 강도가 높은 법적 분쟁도 발생되고 있다.
업계에 따르면 최근 들어 모듈의 효율 저하와 잦은 고장 등으로 발전사업자와 시공사간의 분쟁이 수백 건에 달하는 것으로 관측됐다.
특히 이는 2008년 9월말로 태양광발전차액지원제도 유예기간이 종료됨에 따라 태양광발전의 기준가격이 1kWh당 677.38원에서 590.87원으로 조정돼 태양광발전소 준공이 무더기로 이뤄진데 따른 것으로 분석된다.
또 태양광발전소 건설을 이유로 땅투기가 발생하는 것을 방지하기 위해 3개월 내에 준공검사를 받는 발전소에 한해서만 발전차액지원을 하도록 함으로써 공기단축으로 인해 부실공사가 많아졌고, 특히 태양광 모듈 품귀현상으로 값싼 중국산 모듈이 대거 수입되는 결과를 초래했다.

‘최근 태양전지모듈 품질 향상...하지만 유지관리 중요’
에너지기술평가원과 에너지기술연구원이 설치 후 20년이 경과된 사이트를 분석한 결과 태양전지모듈 내부에서 갈색으로 변하는 갈변현상과 부분적으로 버블현상 그리고 정션박스 내부의 전극부식이 관찰됐다.
또 설치 후 19년 경과된 태양전지모듈은 평균적으로 19.5%의 출력저하가 관찰됐으며, 일부모듈에서는 내부전지의 파손에 의해 바이패스 다이오드(bypass diode)가 동작해 47.5%의 낮은 발전성능이 관찰됐다. 설치 후 16년 경과된 태양전지모듈도 기존 출력에 비해 평균적으로 약 15.8%의 출력 감소가 관찰됐다.
설치 후 5년 이하 경과 사이트는 대부분 외관상 특별히 문제점이 발견되지 않았고, 발전성능평가에서도 약 3.7%의 미세한 출력 감소가 관찰됐다. 최근에 생산되는 제품은 품질이 향상됐기 때문인데, 하지만 제품의 성능이 뛰어나도 먼지제거와 이상 발생시 조기에 대처하지 않는 등 제대로 유지관리를 안하면 효율은 금방 떨어질 수 있는 우려가 크다.

◆ 이렇게 효율을 높여라

▲ 보국전기공업 ‘SMaFA 시스템’

태양광모듈에서 발생한 고장만 정확히 진단해도 효율을 20% 이상 높일 수 있다.
보국전기공업(대표 곽기영)은 최근 자사가 개발한 태양광 발전 ‘SMaFA(스마파; Solar Monitoring and Fault Analysis)시스템'<사진> 을 태양광발전소에 적용한 결과, 효율이 20% 이상 높아졌다고 밝혔다.
태양광발전 SMaFA시스템은 태양광발전장치의 핵심인 태양광모듈의 발전량과 이상·고장을 실시간으로 감지하고, 개별 태양전지모듈에 내장돼 있는 센서를 통해 어느 모듈에서 고장이 났는지 실시간으로 알려준다. 특히 태양전지 모듈의 상태를 실시간으로 체크하고, 고장 등 각종 이상이 발생할 경우 관리자의 컴퓨터와 스마트폰으로 상황을 알려줌으로써 관리자는 원격으로 태양광 모듈을 감시·관리할 수 있는 게 특징이다.
기존에도 비슷한 기능을 가진 제품들이 있지만, 이 시스템이 차별화되는 점은 최소 단위인 모듈별로 감시가 가능하다는 점이다.
기존 모니터링 시스템의 경우 어레이(라인) 단위로만 감시가 가능했기 때문에 고장 여부는 알 수 있지만, 정확한 고장 지점을 찾기 어려웠다. 하지만 SMaFA는 개별 모듈마다 감시제어 기능을 내장시켜 보다 정확한 탐색이 가능하다.
또 태양전지모듈 정션박스 내에 내장시켜 별도의 부가장치가 필요 없는 게 장점이다.
현재 전 세계 태양광시장은 태양광 모듈의 효율 경쟁에 혈안이 돼 있다. 단 1%의 효율을 높이기 위해서 기술경쟁을 벌이고 있는 것. 이에 따라 보국전기공업은 태양광 모듈이 사용 환경에 따라 효율이 저하되는 점에 착안해 효율을 지속적으로 유지할 수 있는 기술 개발에 나섰다.
보국전기공업은 최근 이 제품의 기술력과 효과를 인정받으면서 우수조달제품으로 선정되기도 했다.
곽기영 보국전기공업 대표는 “초기 투자비는 다소 들지만, 20년 이상 운영하면서 드는 관리비와 효율상승분을 고려한다면 투자대비 효과가 크다”며 “빠르고 정확한 진단과 신속한 조치만 해도 20% 이상의 효과를 거둘 수 있는 만큼 업계에서 큰 호응을 얻을 것으로 기대된다”고 말했다.

▲ 하이레벤 ‘태양광발전 냉각·세정’

태양광BOS(Balance of System)전문업체인 하이레벤(대표 유상필)은 독자 개발한 태양광발전 냉각·세정기술로 업계에서 폭발적인 호응을 얻고 있다.
2008년 설립된 이 회사는 벤처기업이지만, 기술력 하나로 지난 2009년 산업기술 최고 권위의 대한민국기술대상에서 은상을 수상하고 최근에는 녹색사업인증도 받는 영예를 안았다. 보유한 특허만도 60여개에 달한다.
하이레벤은 태양전지모듈이 사용 환경에 따라 효율이 저하되는 점에 착안해 효율을 지속적으로 유지할 수 있는 기술 개발에 나섰다.
하이레벤이 개발한 냉각수분사장치(SUNUP)는 태양광발전모듈의 표면온도가 올라가거나 먼지가 쌓일 경우 자동으로 냉각수를 분사해 별도로 유지 관리 할 필요가 없는 게 장점이다. 특히 고압의 냉각수 제트를 설정된 각도범위로 자동왕복하며 분사토록 해 냉각효과가 뛰어나고, 지능형 제어컨트롤러를 통해 인터넷 원격제어와 무인운전도 가능하다.
전문업체를 통해 주기적으로 냉각수로 세척할 경우 소요되는 비용과 시간을 감안하면 훨씬 더 경제적이라는 게 회사 측 설명이다.
물론 사업 초기에는 태양광모듈회사의 저항도 많았다. 모듈의 효율저하라는 점을 지적하다보니 태양광발전 확대에 좋은 않은 영향이 있을 수 있기 때문이다. 하지만 최근에는 모듈회사들도 하이레벤 제품을 함께 사용할 것을 권장할 정도로 그 효과를 인정받고 있다. 이로 인해 국내 최대 규모인 삼성 에버랜드 태양광발전소와 LG솔라 태양광발전소 등에 다수 설치했다.
유상필 대표는 “최근 들어 태양광발전소의 효율저하는 업계에서 큰 문제가 되고 있다”며 “내년부터 RPS제도가 시행되면 태양광발전소가 더 많이 건설될 것으로 예상돼 앞으로 시장은 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다