[스마트그리드 관련 전기설비기술기준 제정 방안] 태양광 발전설비 운용 실태에 관한 연구
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2010-11-05 오후 5:32:13
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전기안전연구원(http://re.kesco.or.kr)
김선구 책임연구원
(031)580-3071 / ksg@kesco.or.kr
개요
현재 지구상에 존재하는 클린에너지원에는 수력, 조류, 지열 그리고 태양광 등 여러 가지가 있다. 이 중에서도 태양광에너지는 지구상에 도달하는 그 양이 1평방미터당 약 1,000W 정도로서, 지구 전체로는 매초당 약 42조㎉에 이르며 이를 100% 변환한다고 가정하면 전 세계의 연간 소비에너지를 불과 1시간 안에 충당할 수 있을 정도의 막대한 에너지에 해당한다. 이러한 태양에너지의 일부는 해수면이나 지표면에서 열로 바뀌어 바람이나 조류 등을 일으키는 에너지원이 되기도 한다(<표 1> 참조).
 산업혁명 이후 괄목할 만한 성장을 지속해 온 인간은 문명이 발달할수록 필연적으로 더 많은 에너지와 자원을 필요로 하고 있다. 그러나 지구상의 화석에너지는 유한한 관계로 언젠가는 고갈될 수밖에 없다. 해마다 심각해져 가는 에너지난에 대해, 석유 등 에너지원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 특히 태양광이라는 무진장한 에너지가 유일한 해결책 중 하나라고 할 수 있다.
이에 따라 정부는 글로벌 이슈인 '저탄소 녹색성장'에 보조를 맞춰 태양광주택 10만 호 보급사업, 고효율 신 · 재생에너지 설비를 갖춘 그린 홈으로 보금자리주택 공급, 에너지소비총량제 등과 같은 다양한 녹색에너지 지원 · 육성책 마련과 더불어 신 · 재생에너지와 관련된 R&D 투자 확대로 태양광 발전설비는 최근 몇 년 동안 급격히 증가했다.
그러나 현재 태양광 발전설비와 관련된 국내의 연구동향을 살펴보면, 소재기술인 태양광 셀의 효율향상과 관련된 연구 및 응용기술이라고 할 수 있는 태양광 발전설비에 대한 진단기술, 연계기술 등이 주를 이루고 있는 반면 태양광과 관련된 제반기술규정에 대한 연구는 다소 미흡하다.
법정 검사기관의 태양광과 관련된 민원 내용을 살펴보면 '사용 전 검사 및 기준 지침'과 관련된 내용이 61%를 점유하고 있는데, 이는 태양광 발전설비의 시공 · 유지 관리 · 점검 · 검사 시에 활용할 수 있는 실무적이고 명확한 규정 등이 아직은 미흡하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 태양광 발전설비의 건전한 발달과 운용상의 안전성을 확보하기 위해서는 정확한 운용 실태조사 등을 통한 규정 마련이 필요한 실정이다.
국내 · 외 관련 규정 검토
1. 국내 관련 규정
태양광 발전설비와 관련된 국내의 규정을 검토한 결과 5가지 정도로 요약될 수 있으며, 아래에 이를 정리했다.
▲ 전기설비기술기준의 판단기준(산자부 공고 제 2006-213호, 2006.8.1) : 연료전지 및 태양전지 모듈의 절연내력(판단 15조), 태양전지 모듈 등의 시설 (판단 54조)
▲ 전기사업용 전기설비 검사업무 처리 지침(에너지안전과-484, 2005.3.11) : 사업용 전기설비 전반적인 검사업무에 대해 규정
▲ 자가용 전기설비 검사업무 처리 지침(지식경제부 훈령 제18호, 2008.9) : 자가용 전기설비(저압 200㎾ 이하) 전반적인 검사업무에 대해 규정
▲ 분산형 전원 한전계통 연계 기술기준(한국전력공사) : 전력 품질, 보호계전장치 설치, 계통 이상 시 분산형 전원 발전설비 분리 등(수용가 측면 설명이 다소 미흡)
▲ 신에너지 및 재생에너지 개발이용보급촉진법(산업자원부 고시 제2008-3호) : 주로 태양전지, 모듈, 인버터, 축전지 등의 단위기기나 부품 차원의 제품 향상(시스템 차원의 전기설비 시설에 관한 규정의 언급은 없음) |
2. 국외 관련 규정
태양광 발전설비와 관련된 선진 3개국의 규정을 아래와 같이 비교 · 검토했다.
▲ NEC Article690-Solar Photovoltaic Systems(미국) : 태양광 설비별 세부 정의, 회로 조건, 최대값 및 회로 규모 설정, 과전류 보호, 단로장치, 배선법, 접지, 마킹법, 타 전원과의 접속, 저장용 배터리, 600V 초과시스템 등에 대해 설비장치별/직 · 교류 회로별/시공조건별로 보다 상세하고 구체적으로 상술하고 있다.
▲ CEC(Canadian Electrical Code) 및 해설서 Section50- Solar Photovoltaic Systems(캐나다) : 용어 정의, 마킹법, 태양광 전지의 전압전류, 정격 및 전압전류 변동 안전여유, 온도 조건, 설비 및 전선에 대한 과전류 보호, 단로장치 및 감전 보호, 배선법, 플러그와 배선장치 부착법, 모듈 접속법, 상호 연계시스템 접속법 등에 대해 보다 구체적으로 상술하고 있다.
▲ 전기설비기술기준, 전기설비기술기준의 해석(일본) : <해석 제50조> 태양전지 모듈 등의 시설 관련 사항(충전부가 노출되지 말 것, 부하 측 전로에 개폐기를 시설할 것, 단락이 생긴 경우 전로를 보호하는 과전류차단기 등의 시설, 모듈 등의 시설방법 등)이 국내와 유사하다.
▲ 이밖에 이탈리아와 스위스 등의 국가에서 적용하는 관련 규정 등도 검토했으나, 유럽의 국가들은 주로 IEC를 자국화 해 적용하는 경우와 자체적인 운용자, 검사자 매뉴얼을 작성해 실무에 적용하는 경우가 많은 것으로 확인됐다. |
태양광 발전설비 구분 및 설치 현황
1. 전기설비 구분
전기사업법에서는 전기설비를 일반용 전기설비, 자가용 전기설비 및 전기사업용 전기설비로 크게 3가지로 구분해 안전규제를 달리 적용하고 있다(<그림 1> 참조). 태양광 발전설비의 경우는 발전용량이 10㎾ 이하면 일반용 전기설비로 구분하고 있다.
2. 신 · 재생에너지 발전 현황
고압계통과 연계된 신재생에너지 발전설비 보급현황을 분석해 보면, 태양광 발전설비는 풍력 발전설비보다 설치건수나 설비용량 면에서 앞서는 것으로 나타났다. 태양광 발전설비는 2004년도 0.2㎿ 1건을 필두로 해 매년 급격히 증가, 2009년도 말에는 총 558개소에 총 누적용량 377.6㎿가 설치된 것으로 조사됐다.
고압계통과 연계된 국내 신재생에너지 발전 현황은 <표 2>와 같다.
 
* 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.
3. 태양광 설비 구분별 검사기관
태양광 발전설비와 관련된 법정 사용전검사에 대해 법정 검사기관에서는 태양광 발전설비의 종류와 용량에 따라 발전설비검사팀 그리고 지역적 접근성을 고려해 단위사업소에서 검사를 실시하고 있다. 즉, 발전설비검사팀에서는 전기사업용 전기설비와 고압 또는 저압으로서 용량 200㎾를 초과하는 자가용 전기설비에 대한 검사를, 지역사업소에는 일반용 전기설비 그리고 자가용 전기설비 중 저압으로서 용량 200㎾ 이하의 태양광 발전설비에 대한 사용전검사 업무를 담당하고 있다.
 
* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.
 그러나 태양광 발전설비가 지속적으로 증가함에 따라 지역사업소에서 검사를 담당할 수 있는 발전용량을 현재의 200㎾에서 500㎾로 2011년도부터 상향 조정될 예정이다.
태양광 발전설비별 고장 원인과 영향
태양광 발전설비는 그 자체가 옥외에 설치되는 특성상 자외선, 수분 침투 등 다양한 원인에 의해 고장이 발생할 수 있는데 그 고장 내용을 정리해 <표 3>과 <그림 3>에 각각 나타냈다.
태양광 발전설비 관련 설문조사
1. 조사 개요
태양광 발전설비를 현장에서 직접적으로 담당하는 전문가 60명을 대상으로 2008년 9월 7일부터 18일까지 이메일을 통해 태양광 발전설비 고장 발생 유무 및 내용 등 11문항을 설문한 결과, 23명이 설문에 응답했는데 응답자의 종사분야를 구분하면 <그림 4>와 같다.
 2. 설문 결과 주요 내용
⑴ 트러블 또는 고장 발생 경험 유무
태양광 발전설비의 트러블 또는 고장이 발생한 경우를 경험했거나 알고 있는지에 대해서는 응답자의 46%가 경험이 있다고 응답했다. 고장이 발생한 설비로는 인버터가 전체 중 28%로 가장 높았으며, 다음으로는 모듈이 17%, 그리고 접속반 11% 순으로 나타났다.
트러블 또는 고장 발생에 대한 세부적인 내용을 정리하면, 모듈의 각 스트링에서의 사고 시 스트링퓨즈가 용단되지 않고 전선의 과열로 화재가 발생하는 사고(정격전류와 단락전류의 차이가 크지 않아 단락전류를 감지하는 것이 용이하지 않음), 모듈에서 전기가 적게 생산되거나 인버터에서 전압이 미발생하는 경우, 그리고 태양광 발전이 되지 않는
심야시간에 역송용 계량기가 구동돼 적산되는 현상이 있었다. 또한 모듈의 품질 불량으로 백화현상에 따른 불량, 셀과 셀의 접속납땜의 불균일로 인한 저항 증가에 따른 열 발생으로 판유리 파괴 등이 발생하는 것으로 나타났다.
 ⑵ 향후 예상되는 고장 발생의 위험 정도
태양광 발전설비를 운용함에 있어 향후 고장 발생의 위험성이 가장 높다고 예상되는 내용이 무엇인지를 주관식으로 설문한 결과, 최근 몇 년간에 걸쳐 태양광 발전설비가 집중적으로 설치되고 있으나 해당 설비에 대한 유지 관리 전문업체가 없어 셀-모듈의 효율 저하 및 낙뢰 등 외부서지에 의한 고장 발생의 우려가 있는 것으로 나타났다. 또한 접속반의 경우는 접촉 불량이나 역저지 다이오드에서의 열방산문제 등으로 발열현상에 의한 화재 발생의 우려가 있었으며, 조립식 건축물로 거의 설치되어 있는 인버터룸은 온도변화가 심해 인버터 고장을 야기할 것으로 사료된다는 의견 등이 있었다.
⑶ 현장에서의 애로사항 등
현재 태양광 발전설비를 설계, 시공, 감리 및 검사를 하는 입장에서 느끼는 애로사항으로서 소용량 또는 대용량 태양광 발전설비 모두 3개월의 공사기간을 한정적으로 허가하다 보니 발전사업자는 장기적인 설비의 안전성 투자보다는 눈앞에 떨어진 준공기일을 맞추기가 급급해 자재수급의 불안은 물론 부실시공의 우려가 매우 높다는 의견이 있었다. 한편 2008년 이후 커다란 태풍이 오지 않아 최근 많이 설치 보급되고 있는 태양광 발전설비의 기계적 메커니즘에 문제는 없을지, 또한 해당설비에 고장이 생겨서 고객이 설치업체에 연락할 경우 A/S가 잘 이루어질지가 의문시 되므로 실무 위주의 유지 · 보수에 대한 지침서 또는 규정 마련이 필요하다는 의견 등이 있었다.
현장 실태조사 결과 및 문제점 분석
현장 실태조사 결과를 분석해 보면 일부 발전소의 경우, 직류 접속반에 환기장치가 없어서 과열의 위험이라든지 공사기간이 너무 짧아 성토 부분에 다짐이 덜 돼서 폭우가 올 경우 토사 유출이나 산사태 등의 위험이 있는 것으로 조사됐다. 주요 내용을 정리하면 다음과 같다.
1. 태양광 발전설비 관련 설계기준 정립 필요
전기설비기술기준의 판단기준에서는 태양전지 모듈의 지지물은 자중, 적재하중, 적설 또는 풍압 및 지진 기타의 진동과 충격에 대해 안전한 구조의 것이어야 한다고 규정하고 있으나 실제 설계 시에는 이에 대한 반영이 미흡한 실정이다. 최근 몇 년간 태풍이 오지 않아 현재로서는 구조적으로 아무런 문제가 나타나고 있지 않으나 실제 태풍이 오게 되면 많은 문제점이 발생할 것으로 예상되므로 풍속기준을 명확히 해 지역에 따라서 최대 풍속 30㎧~60㎧까지 설계가 이루어질 수 있도록 할 필요가 있는 것으로 조사됐다.
<그림 7> 및 <그림 8>은 태풍에 대비한 어레이 고정용 고리의 설치 모습과 겨울철 적설하중으로 인한 축 손상을 보여주고 있다.
2. 화재 예방을 위한 시설기준 정립 필요
 현재 직류회로 접속반에 대한 명확한 규정이 없어 모듈 측에 퓨즈를 사용하고 있으며 모듈 2차 측의 경우 MCCB를 사용하고 있는 등 과도한 회로 증가와 단자대 및 퓨즈의 과열로 인한 소손 및 화재 발생위험이 있는 것으로 조사돼 이에 대한 규정 마련이 필요한 것으로 나타났다. <그림 9>와 <그림 10>은 실제 현장의 접속함에서 발생한 접속함의 과열 모습과 소손 후의 모습을 보여주고 있다.
3. 직류 전용차단기 규정 마련 필요
태양광 발전설비의 경우 직류 전용차단기에 대한 명확한 규정이 없다 보니 현장에서는 3P 직류차단기를 <그림 11>과 같이 접속해 DC 750V까지 적용하고 있는 것으로 조사됐다.
그러나 직류전류는 전류영점이 없기 때문에 전압이 높은 경우에는 교류보다 차단이 어렵고 또한 마이너스(-) 선이 직결돼 있기 때문에 유사 시 차단기로서의 역할을 담당할 수 없는 문제점이 발생한다. 따라서 이에 대한 적정성 확인 여부와 태양광 발전설비에 적합한 DC 차단기 개발이 요구되고 있다.
 4. PV 전용 퓨즈에 대한 규정 마련 필요
PV 단락전류가 공칭전류값보다 약 15% 많은 전류원이므로 일반 퓨즈 규격으로는 이를 보호할 수 없다. 단락 시 이를 보호할 수 있도록 보호설비 설계에 반영한다든지 퓨즈 또는 차단기 등의 등급을 세분화할 필요가 있는 것으로 조사됐다.
  5. 기타
정부의 신재생에너지 보급정책에 따라 전국에 태양광발전소 보급이 급속히 확대되고 있으나 관계기관으로부터 사업 승인을 받은 뒤 3개월 안에 토목공사부터 태양광 시설까지 모두 설치 완료해야 하는 실정이다. 우리나라 지형 특성상 평지보다도 산비탈이 많기 때문에 토목공사의 비중이 매우 높으나 공사기간이 너무 짧다 보니 성토 부분에 다짐이
덜 되거나 배수로 계획이 미흡해 폭우 등에 대한 대비가 부실한 곳이 많은 것으로 나타났다. <그림 13>은 폭우에 토사가 쓸려 내려가 태양광발전소가 붕괴된 사례를 보여주고 있다.
마무리
지금까지 살펴본 바와 같이 태양광 발전설비와 관련된 국내 · 외의 규정 분석과 태양광 관련 실무 종사자들에 대한 설문조사, 그리고 현장 실태조사 등을 종합해 볼 때 여러 가지 문제점 및 개선사항을 발견할 수 있었다. 이러한 내용은 추후 관련 기관 및 단체 등 이해관계자의 의견 수렴 등을 통해 태양광발전산업에 종사하는 모든 사람이 실무에 충분히 활용할 수 있도록 태양광 발전 규정 등에 반영할 필요가 있다고 사료된다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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