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한국에너지기술연구원 기획기사

[과학의달인] 현장으로 출동하는 '이동형 진단 플랫폼'…태양광 발전설비 고장 원인 찾는다!

  • 작성일 2021.03.12
  • 조회수 7803

강기환 / 한국에너지기술연구원 박사

 

[앵커]

태양으로부터 받은 빛을 전기로 활용하는 '태양광 에너지'는 미래 대체 에너지로 주목받고 있죠. 하지만 태양광 발전설비는 외부에 설치돼 날씨 변화에 취약하고, 고장이 나도 바로 확인이 어렵다는 단점이 있는데요. 이런 문제를 이동형 진단 장비로 해결한 분이 있다고 합니다.

 

오늘 과학의 달인에서 한국에너지기술연구원 태양광연구단 강기환 책임연구원을 만나보겠습니다. 어서 오세요. 기후변화 대응을 위해 정부가 2040년까지 재생에너지 발전 비중을 30% 이상 늘리겠다는 계획을 발표했죠. 태양광 에너지가 환경친화적이고 설치가 쉽다는 장점이 있어 미래 대체 에너지로 손꼽히고 있는데요. 그런데 어떻게 햇빛을 전기로 사용할 수 있는지, 그 원리가 궁금합니다.

 

[인터뷰]

태양광 발전 시스템은 크게 '태양전지', '모듈', '어레이', '접속함', '전력변환장치'로 구성돼 있는데요. 태양전지는 직접 태양 빛을 받아 전기에너지로 변환해주는 반도체 소자의 일종으로 태양광발전시스템에서는 가장 핵심 부품이라 할 수 있습니다.

 

태양전지는 다양한 종류가 있지만, 현재 우리 주변에서 많이 볼 수 있는 것이 바로 결정질 실리콘 태양전지입니다. 태양전지에 태양 빛을 비추면 직류전기가 만들어지는데, 이를 광기전력효과라고 부릅니다. 하지만 이 태양전지는 얇은 실리콘 기판에 만들기 때문에 잘 깨지고, 수분에 노출될 경우 부식될 수 있는데요. 그래서 태양전지 보호를 위해 만든 것이 바로 태양광 모듈입니다.

 

태양광 모듈은 보통 태양전지 수십 장이 직렬로 연결해 만들어지는데요. 전압을 높여주기 위해서 10~20장씩 직렬로 연결해 어레이를 구성합니다. 태양광 어레이는 접속함에 모여서 직류를 교류로 바꾸는 전력변환장치를 통해 우리가 사용할 수 있는 전기로 만들어줍니다.

 

[앵커]

그러니까 태양광 발전 시스템은 크게 태양전지, 모듈, 어레이, 접속 함, 전력변환장치. 이렇게 구성되어 있다는 말씀이신데요. 여러 장치를 통해 구현되는 만큼 제품에 고장이 있더라도 발견하기가 쉽지 않다고요?

 

[인터뷰]

네 맞습니다. 태양광발전소 설치 용량에 따라서 작게는 수십 장부터 많게는 수만 장의 태양광 모듈이 설치되는데요. 앞서 태양광 모듈이 보통 20장씩 직렬로 연결돼 어레이를 구성한다고 말씀드렸잖아요. 이렇게 직렬로 연결된 어레이가 접속함에서 20개씩 합쳐져 전력변환장치에 연결되기 때문에 중간에 고장이 있어도 확인이 불가합니다.

 

특히 그동안 어레이의 고장을 진단하려면 1번 어레이부터 20번 어레이까지 순차적으로 따로 측정해야 했습니다. 그러면 시간도 꽤 많이 걸리고, 무엇보다 측정하는 동안 태양 빛이나 온도가 수시로 변하기 때문에 측정의 정확도가 떨어졌습니다. 또 고장 모듈을 찾았더라도 정밀진단을 하려면 모듈을 떼서 검사기관에 가져가 의뢰해야 했기 때문에 번거로움이 컸습니다.

 

[앵커]

직렬이다 보니 문제가 생기면 부품을 특정하기도 쉽지않고, 또 부품들이 안쪽에 들어있기 때문에 확인하기도, 고치기도 어려웠다는 말씀이신데요. 그런데 연구원님께서 이런 문제를 해결하셨다고요?

 

[인터뷰]

, 태양광발전소 현장에 신속히 출동해 제품이나 시스템의 고장을 검사할 수 있는 이동형 검사 진단 플랫폼과 여러 개의 태양광 어레이를 동시에 검사할 수 있는 다채널 어레이 검사 장비를 개발했습니다. 이동형 검사진단 플랫폼은 2.5t 화물차로 만들었는데요. 개발된 다채널 어레이 검사 장비를 포함해서 직류와 교류의 전력품질을 분석하는 '고정밀 전력 분석계'와 태양광 모듈의 발전성능을 측정하는 '솔라시뮬레이터'가 있습니다.

 

, 태양광 모듈 내부의 고장 여부를 정밀 진단하는 EL (Electroluminacence )검사 장비와 태양광 모듈의 온도분포를 분석해 열화 진행 정도를 관찰하는 드론 열화상 장비 등 총 10여 종의 검사장비가 탑재되어 있습니다.

 

그동안 검사는 하나의 어레이씩 전압, 전류 특성만 점검했기 때문에 전체 성능을 분석할 수 없었고, 기후환경 변화를 반영하지 못했기 때문에 측정에 재현성이 떨어졌는데요. 하지만 다채널 어레이 검사장비는 동시에 전류-전압 특성을 측정하고 화면을 통해 성능이 낮은 어레이나 고장 어레이 등을 동시에 확인할 수 있습니다.

 

[앵커]

태양광 발전설비 전용 출동 서비스라고 볼 수 있을 것 같은데요. 이동형 검사진단 플랫폼 개발로 가장 크게 달라진 부분은 무엇일까요?

 

[인터뷰]

연간 국내에서 설치되는 태양광 모듈은 2기가와트 규모입니다. 1 킬로와트 설치 비용을 150만 원으로 예상하면 연간 3조 원의 예산이 투입되는 셈입니다. 그러니까 태양광발전소의 설치는 물론 이후 관리하는 기술의 중요성도 더욱 커지고 있는데요.

 

이런 이동형 검사진단 플랫폼을 통해 현장에서 신속하게 고장 원인을 규명할 수 있어 유지 보수에 드는 시간과 비용이 절감되고, 태양광발전설비의 기대 수명도 늘릴 수 있습니다. 또 실제로 태양광 설비의 전자파 문제로 분쟁이 많은데요. 이 플랫폼 장비를 이용해 전자파를 측정한 결과 전자파 우려가 없다는 것도 확인할 수 있었습니다.

 

[앵커]

현장에서 진단할 수 있기 때문에 빠른 대처가 가능하고, 결과적으로는 발전시설 관리비용이 크게 절약된다고 볼 수 있겠는데요. 하루빨리 상용화가 되면 좋겠는데요. 실험해봤더니 결과가 좋았다고요?

 

[인터뷰]

. 지난 2년 동안 개인이 운영하는 민간발전소나 공기업에서 운영하는 대형 발전소 그리고 가정용 태양광 설비 등 20여 곳의 태양광 발전소를 찾아다니며 시험 운영을 했고 데이터 신뢰도를 높였습니다. 다채널 어레이 검사장비의 경우 기업에 기술을 이전한 상태로, 제품 생산에 박차를 가하고 있습니다.

 

[앵커]

그렇군요. 우리나라도 대체 에너지 비중을 늘리고 있는데, 우리나라의 태양광 발전설비 보급 확대와 운영에서 개선되어야 하는 부분이 있다면 어떤 게 있을까요?

 

[인터뷰]

논이나 밭, 건물 옥상 등에 태양광 발전설비가 설치된 것을 본 적 있을 텐데요. 그러나 설치된 태양광 발전설비를 보면 잘 설치된 곳도 많지만 좁은 공간에 너무 많은 양을 설치해 주변 경관을 해치거나 환경을 훼손하는 경우도 있습니다. 태양광 발전설비는 설치를 잘해야만 높은 성능과 오랫동안 사용이 가능한데요. 앞으로는 환경을 훼손하거나 너무 과다한 설계로 주변 경관을 해치는 일이 없었으면 하는 바람입니다.

 

[앵커]

지난해 여름 산지에 무분별하게 설치되었던 태양광 시설이 산사태의 원인이 될 수도 있다는 지적이 있었습니다. 설치 입지에 대한 법제도 명확히 마련되어야겠습니다. 마지막으로 연구원님의 앞으로 계획이 듣고 싶은데, 간단하게 설명해주시죠.

 

[인터뷰]

태양광발전소를 많이 설치하는 것도 중요하지만, 이것을 얼마나 오랫동안 잘 사용하느냐가 더 중요하다고 생각합니다. 우리가 개발한 이동형 검사진단 플랫폼을 활용해서 태양광발전소가 잘 운영될 수 있도록 지원을 아끼지 않을 예정이고요.

또한, 설치된 태양광발전소는 언젠가는 수명이 다되어 폐기물이 발생하는데요. 앞으로는 폐 태양광 모듈을 깨끗하게 수거하고 처리할 수 있는 기술과 효과적인 운영 시스템을 개발하는데 지속해서 노력할 예정입니다.

 

[앵커]

태양광 발전시설을 제대로 활용하려면 설치만큼이나 관리도 중요하다는 생각이 듭니다. 오늘 설명해주신 기술이 하루빨리 상용화되길 기대하겠습니다. 지금까지 한국에너지기술연구원 태양광 연구단 강기환 책임연구원과 함께했습니다. 오늘 말씀 고맙습니다.


기사원문링크 : https://science.ytn.co.kr/program/program_view.php?s_mcd=0082&s_hcd=0031&key=202103111617149931

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