수위변화에 의한 수상태양광 발전시스템 발전량 영향:

[아이앤아이월드]

Effect on Power Generation of Floating Photovoltaic Power System Power by Water Level Change:

권태흔1 ･ 김정용2 ･ 김의경3 ･ 홍성규4†

1 동국대학교 대학원 신재생에너지공학과, 박사과정

2 동국대학교 대학원 신재생에너지공학과, 석 · 박사통합과정

3 인천대학교 전기공학과, 교수

4 동국대학교 신재생에너지공학과, 교수

[ 서 론 ]

에너지 자원이 부족한 우리나라는 2020년 기준 에너지 수입 의존도가 무려 93%1)에 달한다. 이러한 높은 의존도는 에너지 안보에 취약한 구조라는 지적이 나오는 대목이다. 1차 에너지 소비가 많을수록 온실가스 배출도 늘어나며, 전 세계가 기후위기 대응에 나선 상

황에 ‘에너지 다소비 국가’라는 오명에 따르는 책임도 더 클 수밖에 없다. 이러한 상황에 우리나라는 지난해 10월, 2030년 온실가스 감축 목표와 2050년 탄소중립 시나리오를 확정했다. 이 시나리오엔 2020년 기준 29%를 차지하는 원자력에너지 비중을 2050년까지 6.1%로 줄이고 같은 기간 동안 신재생에너지 비중을 6.6%에서 70.8%로 늘린다는 로드맵2)이 포함되었다. 2021년 기준으로 현재까지 보급된 신재생에너지 중 태양광에너지가 90% 이상3)을 차지하고 있다. 태양광에너지의 기술적 완성도나 국민 수용성 측면을 고려할 때 여타의 다른 재생에너지 원에 비해 앞으로의 성장성은 폭발적일 것으로 예상된다. 그러나, 국토교통부 지목별 면적 비중을 보면 태양광 보급 확대는 녹록치 않은 상황이다. ‘한국의 토지는 70%가 산(山)’이란 비유처럼 임야 비중이 매우 높다. 더욱이 임야는 원칙적으로 개발을 허용하지 않는 보전산지가 대부분이다. 국토면적에서 2, 3번째로 비중이 높은 논(畓. 11.1%)과 밭(田. 7.5%)4)은 대부분이 농지라 태양광 부지로 사용하는데 한계가 있고, 농지전용에 따른 식량안보 위협 등 부작용의 우려도 적지 않다. 국토의 3.2%를 차지하는 대지 주택의 경우 그나마 75%가 아파트 등 밀도가 높은 건축물이어서 활용도가 높지는 않다. 이에 반해 국내의 댐이나 저수지 등의 수상면적은 넓은 편이며 이를 활용한다면 태양광 보급 활성화에 기여할 수 있을 것이다. 수상면적의 2%, 10%, 15%를 수상태양광으로 설치할 경우 각각 1.2 GW, 5.9 GW, 8.9 GW의 잠재 설치량5)을 보유하고 있다. 이러한 이유로 토지나 건축물 옥상이 아닌 저수지, 댐, 호수, 방조제 등 유휴 수면에 태양광발전 시설을 설치하는 수상태양광은 태양광 보급확대의 핵심수단이 될 수 있을 것이다. 수상태양광 발전시스템은 수면에 부유하는 발전시스템으로 몇 가지 장점이 있다. 여름철 외기온도에 비해 낮은 수온이 모듈 온도를 낮추는 냉각효과6)와 수면에서 반사되는 빛으로 인하여 발전량이 증가7)하게 된다. 또한, 환경적인 측면에서도 태양광 차단을 통해 수중의 녹조류발생을 억제8)하고 어류의 산란 번식에 유리한 환경을 만들어 준다는 것이다.

하지만, 수면에 설치한다는 특수성으로 인해 단점도 있다. 수상태양광은 수면에 부유하기 위해 부력체를 설치해야 하며, 설치 위치를 일정하게 유지하기 위한 계류장치도 필요하고, 물 수위가 연중 변화함에 따라 태양광 모듈이 이동함에 따라 발전량에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 수상태양광의 수위변화가 발전량에 어떠한 영향을 미치는 지에 대하여 분석하고자 한다. 이를 위해 현재 상업운전 중인 수상태양광 발전소 중 (1) 수위변화가 없는 유수지에 설치된 수상태양광, (2)수위변화가 작은 저수지에 설치된 수상태양광, (3) 수위변화가 큰 댐 지역에 설치된 수상태양광을 선정하여 연간/월간 이용률에 대한 사례분석을 실시하고, 통계분석 프로그램｢R｣을 활용하여 수상태양광의 수위변화와 발전량사이의 상관계수를 평가하여 서로간의 관련성에 대하여 파악하고자 한다.

[ 결 론 ]
수면에 부유하는 수상태양광은 환경 특성상 수위가 변화함에 따라 구조체가 이동하게 된다. 특히, 댐은 연간 수위변화 폭이 40 m ∼ 50 m로 달하며, 이러한 수위변화가 수상태양광 발전량에 영향을 미치는 것으로 예상은 하고 있었으나 구체적인 연구사례는 없었다. 이에 본 연구에서는 수상태양광 발전소의 현장 데이터를 수집하고, R프로그램을 이용하여 수위변화와 발전량간의 상관계수를 평가하였다. 수위변화에 의한 영향을 분석하기 위해 (1) 수위변화가 없는 유수지 수상태양광, (2) 수위변화가 적은 저수지 수상태양광, (3) 수위변화 폭이 큰 댐 수상태양광을 분석대상지로 선정하여 연간/월별 이용률을 분석하여 보았다.

연간 이용률을 분석한 결과, 수위변화가 없는 유수지에 설치된 수상태양광의 경우 연간 이용률은 16.40%로 비교대상 중 가장 높게 나타났으며, 그 다음으로 저수지에 설치된 수상태양광 연간 이용률이 15.74%이며, 수위변화가 큰 댐에 설치된 수상태양광 연간 이용률은 15.36%로 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 수상태양광 발전시스템에 영향을 미치는 환경영향인자인 일사량, 외기온도, 바람, 상대습도, 수위와 발전량의 상관관계도 분석하였다. 상관계수 값을 보면 발전량(Power)과 일사량(Rad)의 상관계수는 0.9330으로 높은 양의 상관관계가 나타났으며, 수위(WL)와 발전량(Power)의 상관계수는 –0.3357로 음의 상관관계를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 외기온도(Ta)와 발전량(Power)의 상관계수는 0.3396으로 수위와 절대값에서 비슷한 양의 상관관계를 가지는 것을 확인 할 수 있다. 수상태양광 발전시스템의 연간/월간 이용률과 발전량 환경영향인자에 대한 상관계수를 분석한 결과, 수위변화가 발전량 저하에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

태양광발전사업을 신규로 추진시, 입지발굴에서부터 시작하여 경제성분석 단계를 거치게 되며, 경제성 분석의 핵심은 연간 발전량 예측이라 할 수 있다. 지금까지 연구되어진 연간 발전량 예측은 일사량, 온도, 습도, 풍속 4대 환경영향인자만을 고려하여 왔다. 그러나, 수상태양광의 경우에는 수위의 변화가 발전량 저하에 영향을 미치고 있으므로 수위인자를 반영한 신규 발전량 예측 모델개발이 필요할 것으로 판단되며, 이를 위하여 다양한 사례연구 등을 통한 추가적인 연구가 필요하다.

URL: https://www.ksesjournal.co.kr/articles/article/q249/

Effect on Power Generation of Floating Photovoltaic Power System Power by Water Level Change

 https://www.kci.go.kr/kciportal/landing/article.kci?arti_id=ART002834219

수위변화에 의한 수상태양광 발전시스템 발전량 영향

수위변화에 의한 수상태양광 발전시스템 발전량 영향

한국태양에너지학회 논문집, 2022, 42(2), 13

www.kci.go.kr

#별첨: 수위변화로 방위각 이탈 피해 사례

경사각과 정남향 이탈에 따른 발전량 증감 추이-서울특별시