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[태양광발전시스템의 안정성 과제와 대책 1] 태양광발전시스템의 안정성 확립 과제
2015년 10월 1일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 10월호 - 전체 보기 )

[태양광발전시스템의 안정성 과제와 대책 1]
태양광발전시스템의 안정성 확립 과제


2011년 3월 11일에 발생한 동일본 대지진과 후쿠시마 제1원자력발전소 사고를 계기로 태양광발전에 대한 기대가 점점 높아지면서 2012년 7월에 이른바 「고정가격매입제도」가 개시되었다. 그 결과, 많은 태양광발전시스템( 이하 「PVS」)이 일본 국내에 설치되게 되었다. 1994년도에 주택용 PVS의 도입보조금제도가 개시된 이래 2012년 6월까지 18년간 약 560만kW의 PVS가 국내에 도입되었는데, 고정가격매입제도가 개시된 2012년 7월부터 불과 2년 사이에는 이를 웃도는 약 800만kW의 PVS가 도입되었다. 이는 바로 사업 채산성을 기대할 수 있다는 의미로, 본 제도가 효력을 발휘하고 있음을 나타내고 있다. 한편, 현재의 PVS 보급 상황을 살펴보면, 「자금적·인적자원의 제약」을 이유로 효율과 이익을 우선시하다보니 안정성과 공공의 복지는 저해되고 방치되어 있는 것처럼 보인다. 즉, 일본의 PVS 보급 현황은 현재 위험한 상태에 놓여있다는 것을 의미한다. 그리하여 본특집에서는 먼저 PVS의 안정성에 관한 현황과 문제점, 그리고 PVS의 안정성 확립을 위해 지금까지 일본 산업기술종합연구소에서 검토해 온 대책 방안들을 소개하고자 한다.

태양광발전시스템의 보수점검에 대해
지금까지 PVS는 「메인터넌스 프리」로 알려져 왔지만, 이와 반대로 일본 산업기술종합연구소에서는 「메인터넌스」의 필요성에 대해 주의를 환기시켜왔다. 최근 PVS의 급증과 더불어 메인터넌스(보수점검) 서비스 및 발전 전력량 모니터링 등 그와 관련한 비즈니스가 등장하고 있다.
한편, 태양전지 모듈(이하, 「모듈」)의 세척 등과 같은(때때로 새들의 작은 배설물로 인한 핫스폿 발생에 따른 성능 저하를 과장한) PVS의 수익성 향상, 즉 발전 전력량의 회복만을 목적으로 한 것들이 다수 발견되고 있으며, 또 검출해야할 오류현상 및 판정기준의 대부분이 애매하다는 문제점이 있다.
PVS뿐만 아니라, 본래 보수점검이란 기술적으로 그리고 법적으로 적정하게 설계·제조·시공된 올바른 품질 상태가 운용기간에 있어서도 잘 유지되고 있는가를 확인하여 품질이 제대로 유지되지 못한 경우에는 그것을 회복시키는 작업이다. 따라서 보수점검의 전제는 「적정한 품질이 초기상태에서 실현되는 것」이다. 건설비용의 저감에 편중한 나머지 적정한 품질 확보를 태만히 하여 운용 중의 보수점검 시 대증요법적으로 품질개선을 한다면 이는 본말이 전도된 것이다.

그렇다면 초기상태에서 구비하고 보수점검 시 유지해야 하는 PVS의 「품질」이란 무엇인가.

태양광발전시스템의 「품질」이란 무엇인가
모듈 또는 PVS의 품질을 논하는 경우 많은 사람들이 발전효율을 중시한다. 발전효율은 확실히 연구개발에 있어 하나의 중요한 성능지표임에는 틀림없지만, 사용자에게 있어서의 주요가치는 아니다.
즉, 주택용과 사업용 어느 쪽이든 모듈의 발전효율은 PVS 설계 시 「소정의 정격 발전출력을 얻기 위해 얼마만큼의 면적이 필요한가」라는 문제에만 주요한 영향을 준다. 모듈 및 PVS가 구비해야하는 주요가치 즉, 기본품질은 소비자의 잠재적 구매동기를 생각하면 자명하다. 그들은 구입(투자)한 PVS에서 더 많은 클린에너지를 얻고 싶어 한다. 그리고 이를 통해 국가 에너지 문제·지구온난화 문제 해결에 기여하기를 바라며, 그 대가로 얼마간의 수익을 기대하고 있는 것이다. 따라서 모듈 및 PVS가 구비해야할 기본품질 중 하나는 「보다 장기적으로 사용 가능할 것」 즉, 「내구성」이며, 또 다른 하나는 모든 공업제품에 공통되는 내용으로서 「그 공용기간 중 안전이 확보되어 있을 것」 즉, 「안정성」이라고 할 수 있다.

태양광발전시스템의 「내구성」에 대해
PVS에는 다른 공업제품 및 발전설비에는 없는 이하와 같은 특징이 있다.

·  발전의 기간부분인 모듈이 가혹한 옥외 환경하에 있으며, 특히 대부분의 주택용 PVS는 소유자의 시야 밖에 설치된다.
· 기계적 가동부가 없으며 운전 중에는 무음이다.
· PVS의 최대효용인 발전전력이 주변환경 및 기상조건에 따라 시시각각 변동한다.

이러한 특징들은 모두 「PVS는 열화, 고장, 사고 등의 트러블을 알아차리기 어렵다」는 문제로 귀결된다.(파워 컨디셔너(이하, 「PCS」)는 제외) 게다가 주택용 PVS 등으로 대표되는 50kW 미만의 일반용 전기공작물에 대해서는 보수·보안점검의 법적의무가 없다. (일반 사단법인)태양광 발전협회(JPEA)는 이 범주의 PVS에 대한 보수점검 가이드라인을 준비해두고 있지만, 그것이 실시될지의 여부는 소유자에게 달려있다.
한편, 50kW 이상의 자가용 전기공작물에 대해서는 전기주임기술자에 의한 보안 업무가 의무화되어 있는데, 실제로는 PVS에 정통한 전기주임기술자가 적고, 기술적 지식을 습득할 기회도 적다. 이러한 실정하에 특히, 모듈을 포함한 PVS의 직류부분에 대해서는 운용실태에 관한 정보가 공유 및 파악되지 않는다는 문제점이 있다.
또 「내구성」은 「내용연수」로 바꿔 말할 수도 있는데 모듈의 내용연수 시험방법은 아직 국내외 모두 확립되어 있지 않다. 일본 내에서의 모듈 발전성능에 대해서는 (일반 재단법인)전기안전환경연구소(JET)가 2003년부터 IEC61215(JIS C8990) (또는 IEC61646(JIS C8991)) 및 IEC61730(JIS C8992)에 준거한 인증 서비스를 개시하고 있는데 이것은 20~25년이라는 장기 내구성을 인증하는 것이 아닌, 기껏해야 5~10년의 사용기간에 상당하는 내구성 인증이다. 한 가지 부언하자면, 현재의 고정가격매입제도에서는 10kW 미만의 PVS 설비인증기준에 상기의 JET 인증이 포함되어 있지만, 10kW 이상의 설비인증기준에는 포함되어 있지 않다.
주택용 PVS에는 이전부터 모듈 출력의 10년 보증 서비스가 있었지만, 고정가격매입제도 시행 이후 PVS에 제공되는 모듈 보증기간은 20년 또는 30년으로 장기화되고 있다.
여기에서 주의를 요하는 것은 그것이 보증하는 출력의 성질이 「공칭 최대출력」이라는 점이다. 이것은 JIS C8918(결정계 태양전지 모듈)과 JIS C8939(박막 태양전지 모듈)로 규정되는 3개의 환경조건(분광분포: AM1.5, 모듈온도: 25℃, 방사조도: 1000W/㎡)하에서의 최대출력으로, 실제의 설치환경에서는 이러한 조건을 갖추기가 어렵다. 그리고 현재로서는 실제 설치환경에서의 출력판정방법 및 유효 규격이 존재하지 않는다. 또 앞서 말한 JPEA의 보수점검 가이드라인에서도 설치환경하의 모듈 출력 판정에 관한 점검 항목이 나와 있지 않다.

태양광발전시스템의 「안전성」에 대해
PVS의 보급이 급증하고 있는 오늘날이지만, 그 안전성에 대해 심각하게 생각하는 사람은 적은 듯하다. PVS는 어디까지나 구조물이자 발전설비이기 때문에 다른 구조물과 마찬가지로 안전 리스크가 존재하게 마련이다. 아무리 「친환경 클린 기술」이라고 해서 그 리스크를 피해갈 수 있는 것은 아니다.

구조 안전성에 대해
PVS는 발전설비이기 때문에 아무래도 그 전기적 측면에 더 관심이 기울게 되어 있지만, PVS의 구조설계가 적정하게 이루어지지 않으면 발전설비로서의 장기적 안전 운용은 두말할 것도 없이 실현될 수 없다. 이와 관련하여 본고에서는 [그림 1]을 통해 알기 쉽게 나타내고 있다. 이에 따르면, PVS의 발전성능은 「△구조설계 △전기설계 △시공 △보전」이라고 하는 4가지 요소를 거치고 나서 비로소 발휘되는 것이며, 전기설계 실패 시 구조부에 영향을 미치는 경우는 드물지만, 구조설계 실패 시 전기성능이 확실하게 저하되기 때문에 구조의 안전은 모든 부분에 앞서 확보되어야 한다고 지적하고 있다.
2013년 10월, 일본 국내 모처에서 주택용 PVS 태양전지 어레이(이하, 「어레이」)의 낙하사고가 발생했다. 또 동년 2월에는 2층 가옥의 평지붕에 설치된 어레이가 강풍을 타고 비산하여 약 20미터 떨어진 곳의 도로 위에 추락했다.([그림 2] 참조) 이는 피해자가 동시에 가해자가 되어버린 경우로, 비산한 어레이가 부지 밖에 있는 전주를 파손시키고, 더욱이 도로 주행 중인 자동차에 추락한 사고이다. 다행히 인명피해는 없었지만, 관계자가 입은 경제적 피해 및 정신적 고통은 가볍게 넘어갈 수 있는 수준이 아니었다.
이러한 모듈 및 어레이의 구조사고를 공식통계로부터 찾는 일은 매우 어렵지만, 현실에서 발생하는 사고사례는 결코 적지 않다. 적설에 의한 구조파괴도 그 중에 하나이다. 해마다 눈(雪)에 의한 모듈 파손 및 가대 파괴 등 적설에 의한 사고가 발생하고 있다. 이러한 현상도 자연재해로 판단하는 경우가 많은데 ‘법정 적설하중’에 필요한 내력을 만족하고 있는지의 여부를 검증할 필요가 있다.


전기 안전성에 대해
다른 전기설비와 마찬가지로 PVS에도 감전 및 화재 등 전기안전에 대한 리스크 요소가 존재한다. PVS의 도입이 선행된 유럽(특히, 독일)과 미국에서는 이미 PVS를 원인으로 하는 화재사고가 다수 보고되고 있다. 독일 내 한 연구기관의 조사에 따르면, [표 1]에 보이는 바와 같이 1995년부터 2012년 사이에 PVS와 관련된 화재사고가 약 400건 발생했다. 그 중 PVS가 화재원인은 아니지만 PVS가 어떠한 피해를 입은 사고가 220건, PVS가 화재원인으로 판단되는 사고가 약 180건 있었다고 보고되고 있다.
한편, 일본에서도 지금까지 주택용 PVS를 중심으로 PVS 및 접속함에서의 화재사고가 보고되었는데, 2011년 9월에는 모듈이 화재원인으로 의심되는 주택화재사고가 치바현에서 최초로 보고되었으며([그림 3] 참조), 2013년에는 역시 모듈이 소손된 화재사고가 교토 및 니가타현에서 발생되었다.
고정가격매입제도 시행 이후 증가하고 있는 ‘사업용 PVS’에 앞서 보급되고 있는 ‘주택용 PVS’는 제품 보증 기간이 보다 빠르게 만료되며, 보수점검도 하지 않은 채 「방치된 상태」로 노후화가 진행되고 있다. 또한 PVS의 화재사고는 주택용만이 아니다. 2013년 여름에는 가나가와현 내의 사업용 PVS(약 1MW)에서 화재사고가 발생했다.
PVS는 타 발전설비와 구별되는 이하의 특징을 가지고 있다.

· 직류발전기술을 사용한다.
· 낮 동안은 비록 PVS의 운전을 정지하더라도 모듈의 발생전압을 정지할 수 없다.

이 때문에 낮 동안 발생하는 PVS의 화재는 또 다른 심각한 문제를 동반한다. 그것은 발화원이 PVS인지 아닌지의 여부와 관계없이 PVS가 존재하는 건축물에서 낮 동안 화재가 발생한 경우, PVS의 운전을 정지시켰다 하더라도 모듈의 발생전압에 의해 소화활동 및 잔화 확인 중인 소방대원이 감전될 위험성이 존재한다는 것이다.
실제로 최근 일본에서는 여러 소방대원들의 감전 사례가 보고되고 있다. 또 앞에서 언급한 가나가와현 내의 화재사고에서는 어레이로부터의 전력공급을 정지시키기 위해 시공업자가 스파크 발생을 수반하는 태양전지 케이블 절단작업을 감행하였다.
이러한 PVS 화재사고의 문제점에 대해 일본 총무성 소방처의 소방·구급과 및 소방연구센터는 2013년 3월 전국 행정구역의 각 소방방재주관과에 주의를 촉구하고 있다.
한편, 효율 및 경제성 향상에 관한 기술개발에 치중한 나머지 PVS의 전기안전성에 대한 대처는 현저하게 늦어지고 있다. 그중에서도 최우선 과제는 모듈에서의 「바이패스 회로(Bypass Route(이하,「BPR」)의 개방고장」과 PVS의 「직류지락고장」이다.

[그림 4]는 산업기술종합연구소에서 발생한 모듈의 심각한 트러블 사례이다. 이 모듈에서는 먼저 태양전지셀(이하, 「셀」)의 상호접속부에 어떠한 접촉불량이 발생했다. 이윽고 그 부분이 도통 불량 상태가 되어 해당 회로에 병렬로 준비되어 있는 BPR로 전류가 우회하는 현상이 벌어졌다.
이 상태로 약 4년 정도 경과한 후 BPR의 개방고장이 발생했기 때문에 셀이 역(逆)바이어스 상태가 되었으며, 직렬 아크에 의한 급격한 발열이 일어나 [그림 4]에 보이는 것처럼 백시트의 소손 및 유리 표면의 전소(全燒)를 초래하게 되었다.
또한 이 상태에서도 햇볕 아래에 있는 모듈은 발전을 계속해 섭씨 500도 이상에 달하는 부분이 약 반년 동안에 걸쳐 관찰되었다. (최종적으로 해당 모듈의 전기회로는 완전히 단선되어 발전을 중단시켰다) 이 모듈은「셀 접속의 도통 불량 → BPR 개방」이라는 과정을 거쳤으나, BPR 회로가 일정기간 동안 기능했기 때문에 위험한 상태로의 이행에 시간적 유예를 주었다.
그러나 가령 BPR의 개방고장이 먼저 발생했다고 한다면 그러한 유예는 없을 것이다. 실제로 산업기술종합연구소에서는 그러한 모듈들을 다수 확인하고 있다. BPR은 모듈의 발전성능에는 관여하지 않지만, 안전성능의 관점에서는 중요한 안전판 역할을 수행하고 있는 것이다.
[그림 5]는 주택용 PVS의 현지조사를 실시했을 때에 조우하게 된 직류지락의 사례이다. 모듈 하부에 배선되어 있는 모듈 케이블 중 하나가 가대와 지그로 좁혀져 케이블 내의 도선이 노출되고 가대에 접지되었다. 두말할 것도 없이 이 케이블이 속한 스트링의 절연저항은 완전히 제로(0)였다. 만일 부주의하여 미숙한 점검업자나 모듈을 세척하려고 하는 소유자가 가대 및 모듈의 프레임에 닿게 되면 감전될 우려가 있다. 또 동일 스트링에 다른 지락사고점이 생기면 화재 발생의 위험성도 있다. 
이 주택용 PVS는 현지조사 시점에서 13년이 경과한 것이지만, 이 기간 동안 PCS는 직류지락을 검출하지 않았다. [그림 5]의 사진에서 단락적으로 이 트러블의 원인을 시공 불량으로 보는 사람들도 많지만, 시공의 문제를 의심하기 전에 휴먼에러를 유발할 만한 가대 설계였던 것은 아닌지 살펴보는 객관적인 시점이 필요하다.

*
PVS는 적절한 설계시공과 유지보수만 원활하게 이루어진다면 특별한 리스크 없이 안전하게 운용될 수 있고, 장기적으로는 국가의 에너지 및 환경문제에도 기여할 수 있다. 어쩌면 PVS의 안전성에 있어 가장 큰 문제가 되는 것은 사회적 관심도가 낮다는 현실일지도 모른다. 발전 기술로서 그 보급의 역사도 짧고, 또한 법체계의 정비가 보급 속도를 따라가지 못하는 발전 도상의 PVS를 「지속가능사회의 구축을 위한 구성요소」로 활용하기 위해서는 안전성의 문제를 진지하게 재검토하여 그 해결책을 조속히 강구해야 할 것이다.
 

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태그 : 태양광발전시스템 안정성 과제 대책 태양광 발전 시스템 확립
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