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[연재｜신재생에너지 기술 현황과 전망] 산업용 태양광발전 시스템의 도입 사례
2009-11-12

산업용 태양광발전 시스템의 도입 사례


도입 경위

수도 사업은 물의 순환에서 생겨난 물을 자원으로 하기 때문에 지구 환경과 밀접한 연관을 맺고 있다. 최근 몇 년 동안 지구온난화 등 지구 환경 문제가 심각해져, 수도 사업은 안전하고 맛있는 물을 안정적으로 공급하는 것이 중요한 과제가 됐다. 도쿄도 수도국은 도수(導水), 정수 처리 및 송배수 등 각 과정에서 많은 전기에너지를 이용하고 있다. 이 때 소비되는 전력량은 연간 약 8억㎾h로, 이는 도쿄도 내 전역에서 사용하는 전력량의 1%에 해당한다. 이처럼 수도 사업은 다량의 전기에너지를 소비하고 있어 CO₂배출량 삭감 등 환경부하를 줄이는 일도 중요한 과제가 됐다.
이를 위해 일본에서는 ‘에너지 대책 기본 방침’을 책정하고 자연에너지에 의한 발전설비 도입 등 에너지 유효이용에 몰두하고 있다.
한편 미국의 동시다발 테러를 계기로 수도설비의 위기관리 능력은 한층 강화됐다. 일본 정수 처리 시설은 대부분 옥외에 설치돼 개구부를 많이 가진 구조로 되어 있다. 이는 정수 처리 과정에서 이물질 혼입을 막고 수도수의 안전성을 보다 향상시키는 것을 목적으로 한다. 또한 정수 처리의 최종 공정인 여과지에 커버를 설치함과 동시에, 그 위에 태양광발전 시스템을 도입하여 안전 대책의 향상과 자연에너지의 유효이용을 함께 도모했다.
일본 전 수도 사업체에 태양광발전 시스템을 도입하기에 앞서 1995년 히가시무라야마(東村山) 정수장의 배수지 상부에 70㎾의 설비를 설치했다. 이 설비는 독립행정법인 신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO)와 공동으로 실시하는 필드 테스트 사업으로 조사 연구를 진척시켜 왔다. 이 실적을 바탕으로 정수장 여과지의 커버 윗부분에 태양전지 모듈을 설치했다. 2003년부터 4년 동안 타카쓰키(高月), 아사카(朝霞), 미소노(三園), 오자쿠(小作), 히가시무라야마(東村山), 카나마치(갏町), 미사토(三郷 ) 및 나가사와( 長沢) 정수장 등 8곳에 공사 비용 약 18억 엔(NEDO의 ‘지역 신에너지 등 도입 촉진 사업’에서 일부 보조)을 들여 총 발전 용량 약 5,200㎾의 설비를 도입했다.

태양광발전 시스템의 개요

8곳의 정수장 중에서도 당시 일본 내에서는 처음으로 메가와트 급인 발전 용량 1,200㎾의 설비를 도입한 아사카 정수장의 태양광발전 시스템은 전체 여과지 73지, 총면적 약 11,000㎡에 커버를 설치해, 그 위에 최대 출력 173.7W, 모듈 변환 효율 13.6%, 폭 약 3m, 길이 약 10m의 다결정 실리콘 태양전지 모듈을 6,912장 설치했다. 발생한 전력은 24대의 파워 컨디셔너로 DC 380Ⅴ에서 AC 210Ⅴ로 변환한 후, 다시금 AC 420Ⅴ로 전압을 높여 상용 전원과 계통연계해 침전지 부대설비 기기에 전력을 공급하고 있다. 발생한 전력은 모두 정수장 내에서 사용하기 때문에 상용 측으로 역조류는 일어나지 않는다.


[그림 1] 아사카 정수장 태양광발전 시스템


태양전지 모듈의 받침대가 되는 커버부는 보통 때는 여과지의 개구부를 밀폐해 이물질의 혼입을 방지하고, 검사 시에는 여과지를 개구해 여과지의 유지 관리 작업을 할 수 있게끔 했다.

계통연계 상의 유의점

아사카 정수장의 수전 전압은 154㎸로, 태양광발전 시스템은 특별 고압 전선로와의 연계로 간주되기 때문에 ‘전기설비의 기술 기준 해석(이하, 전기(電技)해석)’제292조에 의해 계통연계 보호 장치의 설비가 의무화 되어 있다. 이상 시 해열(解列, 계통에서 우선적으로 분리하는 것)을 하기 위한 장치로, 수전점이나 그 외 고장 검출이 가능한 장소에 다음과 같은 보호 계전기가 설치돼야 한다.
⑴ 과전압 계전기
⑵ 부족전압 계전기(발전설비 등의 고장)
⑶ 부족전압 계전기(계통 쪽 합선 사고 검출)
⑷ 전류 차동 계전 장치
⑸ 지락 과전압 계전기


[그림 2] 시스템 구성도


아사카 정수장에서는 위의 보호 장치 중 ⑴과 ⑵에 대해서는 파워 컨디셔너의 계통 보호 기능에 의해 검출 · 보호가 가능하다. ⑶은 ⑵와 공용시킬 수 있으며, ⑷는 아사카 정수장의 경우 고저항 접지방식이기 때문에 해당되지 않는다. ⑸는 예외 규정인 ‘발전설비 등의 출력이 구내의 부하보다 작고, 주파수 저하 계전기에 의해 고속으로 단독 운전을 검출해 발전설비를 해열할 수 있는 경우’에 의거해 파워컨디셔너 내에 설치한 주파수 저하 계전기로 대용했다. 또한 해열 장소는 ① 수전용 차단기, ② 발전설비 등 출력단 차단기, ③ 발전설비 등 연락용 차단기, ④ 모선 연락용 차단기 중 어느 곳으로 할 수 있다. 본 설비는 ②를 해열 장소로 해 파워 컨디셔너의 출력 측 컨덕터로 해열한다.
계통연계는 계약전력에 대해 발전전력이 4% 정도로 적어 전력회사와 협의한 결과 ‘간주저압 연계’하기로 했다. 그 결과 시스템이 간편해져 손쉬운 절차로 계통연계가 가능해졌다(<그림 2> 참조).

보안 상의 유의점

당국의 태양광발전 시스템은 상용 측이 정전된 경우 단독 운전을 방지하기 위해 파워 컨디셔너를 정지시키고 계통과 해열하며, 상용 전원이 복귀한 경우에는 자동적으로 연계해 전기 공급을 재개하도록 하고 있다. 또한 승압변압기의 온도 상승, 파워 컨디셔너의 고장 및 MCCB의 트립에도 같은 조치를 취하고 있다. 아사카 정수장의 태양광발전 시스템에 의한 전기 공급은 저압이기 때문에 전기해석 제40조에 따라 승압변압기반 400Ⅴ측과 200Ⅴ측에 누전검지기를 설치하고 있다. 또한 직류 측에서는 접속반 내에 개로용 스위치를 설치해 점검 시에는 태양전지 모듈과 파워 컨디셔너를 분리할 수 있다.
고장이 발생하면 정수장 감시 제어용의 중앙 감시반에 고장을 일괄 표시함과 동시에 데이터 수집 장치에 이상 데이터를 상세히 표시해 고장 부위를 특정할 수 있도록 했다.

유지 관리

정수장 여과지는 정수 처리 상황 등의 확인 · 점검을 위해 커버를 슬라이드 할 수 있는 가동식으로 했다. 커버는 여과지 1지당 6장의 패널로 구성, 상측 3장/하측 3장으로 배치했으며 상측 패널에 하측 패널을 들어가게 해 여과지 면적의 약 50%를 개구할 수 있는 구조로 돼 있다(<그림 3> 참조).
또한 커버를 개폐할 때 태양전지 모듈 케이블이 방해가 되지 않도록 케이블 슬라이드 장치를 채택했다. 그리고 개폐 시의 뒤틀림에 대한 가동성이나 수납성을 고려해 케이블에는 2종류의 클로로플렌캡 타이어 케이블을 사용해 발전 시스템이 운전 상태일 때도 커버의 개폐 조작을 가능하게 했다(<그림 4> 참조).


[그림 3] 아사카 정수장

[그림 4] 케이블 슬라이드 장치


커버부의 재료는 강도, 경량화, 내염소성, 폐기 시의 재활용성을 고려해 알루미늄 합금제를 이용했으며, 커버 모양은 공사비가 저가이고 태양전지 모듈의 설치 면적을 크게 차지하는 맞배지붕 형태로 했다. 다른 정수장에서는 여과지 1지당 면적이 가지각색이어서, 보다 많은 태양전지 모듈을 설치할 수 있는 커버부 모양을 고려했다. 때문에 아사카 정수장과 다른 정수장의 커버부 모양은 조금씩 차이가 난다(<그림 5> 참조).
태양광발전 시스템의 상태 감시는 중앙 감시실에 설치된 데이터 수집 장치로 행해진다. 발전전력, 전압, 전류, 모듈 온도 및 일사량 등의 데이터가 감시용 모니터에 표시되며, 이상 시에는 고장에 대한 상세 정보가 표시된다. 태양광발전 시스템 점검에 관해서는 타 사업체의 예나 JEM 규격, 관련 법령 등을 참조하여 결정했다. 태양전지 모듈은 1년에 한 번 정기점검 및 측정을 실시하며, 파워 컨디셔너반 등은 2개월에 한 번 순시점검을, 1년에 한 번 정기점검 및 측정을 하고 있다.


[그림 5] 아사카 정수장(왼쪽)과 카나마치 정수장(오른쪽)


에너지 절약 효과

펌프 등의 가동이 늘어나 전력 사용량이 절정을 이루는 낮 시간대에 태양광발전 시스템을 도입한 정수장에서는 피크컷(Peak Cut) 효과를 얻고 있다.
8곳의 정수장 여과지 커버에 설치한 태양광발전 시스템에 의한 연간 발전 전력량은 약 400만㎾h(2007년도 실적)로, 약 1,500t의 CO₂배출량을 삭감했다. 다만 아사카 정수장에서는 여과지 커버 윗부분에 태양전지 모듈을 설치했기 때문에 발전효율이 최대가 되는 남향이 아니라서 최적 경사도가 잡히지 않았다. 따라서 이상적인 설치 조건의 장소와 비교하면 발전 전력량은 낮은 편이다.
앞으로는 발전전력량의 향상책으로 여름철 태양전지 모듈의 표면 온도가 상승함에 따른 출력 저하를 방지하기 위해 모듈 표면을 냉각하는 살수 장치 등의 설치를 검토하고 있다.

마무리

태양전지 모듈은 본격적으로 연구 개발된 이후 발전효율을 향상시키고 생산 원가 절하를 꾀하는 등 기술혁신이 두드러지고 있다. 초기의 단결정 실리콘에서 현재는 다결정 실리콘, 어모퍼스 실리콘 등 종류가 다양해졌으며, 태양광발전 시스템의 설치장소나 용도에 따라 여러 가지 태양전지 모듈을 선택할 수 있게 됐다.
일본은 자연에너지 등의 유효이용을 내세워 2016년까지 자연에너지 등에 의한 발전 규모 1만㎾ 이상의 설비 도입을 목표로 하는 등 환경 보존 시책을 적극적으로 추진하고 있다. 지금까지 태양광발전 시스템을 도입해 온 배수지나 여과지 상부뿐만 아니라, 정수장이나 급수소 등이 가지고 있는 수도 시설의 특징을 살린 다양한 태양광발전의 활용에 관해서 앞으로도 적극 추진해나갈 예정이다.

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