1.개황
정부는 2030년 재생에너지 발전량 비중을 20%로 확충하고 특히, 신규설비 95% 이상을 태양광과 풍력으로 공급하겠 다는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표한 바 있다. 2017년 재생에너지 중 태양광의 비율은 38%에서 2030년에는 57% 로 확대하겠다는 계획이고, 이는 2030년 국내 태양광 설치 량이 36.5GW로 성장한다는 의미이다. 따라서 보급 확대에 따른 부지 확보와 주민 수용성 제고 차원에서 다양한 형태의 태양광 발전 방식이 추진되어야 한다. 특히, 영농형, 수상형, 건물형 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다.
2.영농형 태양광 발전
농가 태양광 발전은 농지가 상대적으로 일사량이 우수하 다는 측면과 최근 식량 소비량이 줄어든다는 점을 감안했을 때 태양광 보급의 유력한 방도 중에 하나라고 볼 수 있 다. 특히 농민들에게 이익이 공유된다면 더욱더 보급에 효과적일 것으로 보인다. 재생에너지 3020 계획에 의하면, 농 촌지역 태양광 활성화는 농업진흥구역 내 염해간척지, 농업 진흥구역 외 농지 등에 태양광 설치를 활성화하는 것으로 2030년까지 10GW 용량의 설치량을 목표로 하고 있다.
농사와 태양광 발전을 병행하는 ‘영농형 태양광 모델’의 경 우 농사를 지으면서 태양광 발전을 동시에 할 수 있는 농업 인이 직접 참여하는 모델로 정부는 2018년 시범사업을 통해 확산방안을 마련한다는 계획이다. 덴마크, 독일, 영국 등 유럽 국가들은 농민 혹은 농민이 참여하는 조합이나 회사(에너지회사, 영농회사)들이 태양광 사업에 적극 참여해 농업 외 소득을 안정화하고 전체 농가 소득을 증진하는데 기여하고 있다.
앞으로는 우리들 시골에서 여름이면 벼와 함께 태양광 패널이, 겨울이면 민낯을 드러내던 대지에 태양광 패널들이 눈에 들어올 날이 가까 워졌다. 이렇듯 영농형 태양광 발전은 앞으로 우리나라의 재생에너지 보급을 위해 반드시 필요한 비즈니스 모델이다. 기술적으로 태양광 아래에 그늘이 생김에도 불구하고 생육과 수확이 가능한 이유는 식물의 광포화점에서 해법을 찾을 수 있다. 대부분 양지식물의 경우 광포화점을 갖고 있고 일조 량이 많아도 광포화점을 넘기면 작물의 광합성이 작용하지 않는다.
최근 과학자들은 이러한 광포화점을 이용하여 작 물 생육에 필요한 일조량, 온도, 습도 등의 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 최적화 된 생육환경을 제공하기 위해 노력을 해오고 있다. 이와 함께 생육에 필요한 광포화점을 넘긴 태양에너지는 태양광 발전에 사용한다. 국내에서는 농업회사법인인 솔라팜이 지난해 충북 청주시에서 국내 최 초 영농형 태양광 발전 방식으로 유기농 벼를 수확했다. 솔라팜은 지난해 4월 초 영농형 태양광발전소를 설치하고 5 월 모내기 이후 4개월 만에 벼를 수확했다. 수확된 벼의 양 은 기존 유기재배 벼에 비해 큰 차이가 없었다고 솔라팜 측은 밝혔다. 현재 SK D&D와 농작물, 영농법, 기후 등에 맞 춰 영농형 태양광발전소를 함께 개발하고 있으며, 이에 적합한 농업기술을 개발해 적용 중이다. 배추, 감자 등 다양한 작물 생육 및 수확을 진행 중이다(인용: 한국에너지 신 문 2017).
영농형 태양광의 경우 또한 중요한 것이 트랙터 등 농작물 기계의 자유도를 얼마나 보장하면서 설치하는가의 문제가 있다. 영농형 태양광 사업이 아무리 수익성이 좋은 사업이 라고는 하나 본업의 일을 그르치면서까지 해야 한다면 그 의미가 퇴색될 것이다. 따라서 이러한 관점에서 태양광 설치 시 구조물, 케이블 등의 설계를 최적화 하고 이를 검증하는 작업을 동반해서 진행해야 할 것이다.
3.수상형 태양광 발전
전체에너지 중 재생에너지 비율 20% 목표는 앞서 이야기 한 농촌 태양광 발전만으로는 부족하다. 목표달성을 위해 태양광 발전이 대규모로 이루어져야 하는데 이를 위해서는 대규모 태양광 발전설비와 같은 대규모 프로젝트가 필 요하다. 하지만 태양광발전소 건설을 위해서는 많은 면적 의 토지가 소요되고 환경훼손이 되지 않는 부지를 확보해 야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공간 활용도가 낮고 환경훼손이 적은 저수지, 댐 등에 설치하는 수상 태양광 발전 시스템이 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 수상 태양광 발전의 경우 유휴수면 위에 설치하여 공간문제를 해결한다는 장점뿐 만 아이라 수면냉각효과로 발전효율이 증가하는 것으로 확 인되었다. 수상 태양광 설비의 건설비용에서 부유체 및 계류시설이 차지하는 구성 비율은 약 43%로 건설비를 낮추기 위해서는 무엇보다 부유체 기술개발이 중요하다.
현재 국내외 시장을 형성하고 있는 부유체는 형상별로 2종류로 분류할 수 있다. 프레임형은 구조적 안정성이 높아 모듈 경사각을 33°로 설 계할 수 있어 발전이용률이 높은 장점이 있으나 건설비용이 높아 최대설계 외압을 크게 감안해야 하는 지역(주로 저수 면적이 넓은 저수지)에 설치되고 있다. 부력일체형은 모듈경 사각을 12~20° 낮춰 최대설계 외압으로 작용하는 수직 및 수직풍하중을 감소시키는 구조로 발전이용률은 3~3.5% 떨어지지만 건설비는 프레임형에 비해 15~20% 정도 낮은 장점이 있다. 육상 추적식태양광과 달리 수상 태양광에서 추적식은 태양광의 이동에 따른 움직임 외에 수심변화에 따른 상하 움 직임을 동시에 고려해야 하는 어려움이 있어 현재까지는 프 레임형 고정식에 비해 2~3배 건설비가 높아 이를 해결하기 위한 연구개발이 진행되고 있다. 2013년 합천댐 100kW급(k-water)과 반월저수지 10kW 급(쏠라테크, 위닝비지니스), 2014년 금광저수지 465kW 급(한국농어촌공사, 솔키스) 설비가 설치되어 운영되고 있다.
국내에서는 한국수자원공사가 단독으로 2022년까지 전국 31개댐에 1,800MW 규모의 수상 태양광 발전을 계획하고 있을 정도로 폭발적인 성장이 예상되고 있으며, 다른 발전 사와 태양광업체들도 지방자치단체와 공동으로 수상 태양광발전소 설치를 계획하고 있다. 그러나 현재까지 시범 설치되어 운영되는 수상 태양광 발 전설비는 기존 육상 태양광 발전설비를 변형해 설치하기 때문에 수상환경에 적합하지 않고 설치 단가도 육상의 1.5~2배 이상 소요되므로 시장 확장에 저해가 되고 있다. 즉, 추가적인 발전량 증대 기술 확보와 저비용의 양산기술, 요소부품의 장수명화를 통해서 경제성 향상이 필요한 실 정이다. 설치 환경에 있어서도 국내 저수지와 일부 댐의 경우 겨울철에 수면이 결빙(結氷)되므로 안정성이 중요시 된다.
특히, 수상 태양광 발전설비가 남향으로 되어있지 않은 상태에서 결빙이 진행될 경우 발전량이 감소하므로 결빙 전에 남향을 바라보고 있어야하며 바람이나 파랑에 의 해 기울어지는 것을 방지하는 기술이 필요하다. 한국수자 원공사에서 조사한 수상 태양광 발전 설치 가능지역은 국내 유휴수면 전체의 5%정도만 설치해도 4,000MW 이상으로 보고 있으며, 댐을 제외한 저수지와 소류지는 동계에 대부분 결빙되므로 수면이 얼어도 구조적으로 안전하고 발전량에 문제가 없는 수상 태양광 발전설비 개발이 시급하다.
또한 수면위에 부유식으로 설치 운영되는 태양광발 전 시스템의 경우 수면의 파랑과 바람에 의한 구조물 변형 및 파괴가 생길 수 있으므로 구조물 안전성을 확보하기 위해서는 구조물 상태를 지속적으로 진단하여 이상 발생 시 관리자가 즉각 경보하여 사고를 예방할 수 있어야한다. 전 반적으로 국내 선행업체들의 경우 발전량 향상 및 저비용 의 양산기술이 필요한 시점이며, 이러한 기술을 확보한 기업이 향후 시장을 점유할 것으로 판단된다.
4. 건물형 태양광 발전
최근 미국의 한 회사 대표가 태양광 관련 회사의 제품을 발표한 일이 있다. 바로 테슬라 사의 대표인 엔론머스크다. 그 는 제품발표현장에서 주택의 일반적인 지붕 형태와 같은 모 양을 한 태양광 패널을 발표하였는데 이를 통해 BIPV(건물 일체형 태양광모듈, Building Integrated PV)가 대중들에 게 더욱 많이 알려지게 되는 계기가 되었다. 사실 엘론머스 크의 발표가 있기 전부터 BIPV는 관심 대상이었고 많은 건 물에 적용 되어 오고 있었다. 그의 발표가 주목을 받은 이유 중 하나는 주택의 미관을 전혀 어색하게 만들지 않은 디자인 때문이라 할 수 있다. 주택뿐 아니라 대도시에서는 이 와 같은 미관이 더욱 중요할 수 있는데 이는 도심의 테마나 일체성이 시각적으로 상당히 중요하기 때문이다.
BIPV로 이용 가능한 태양전지는 현재 시장의 87%를 점유하고 있는 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물, 염료감응형, 유기 태양전지 등이 있으며 이를 각 외벽, 커튼월, 차양, 창호, 지붕, 스팬드럴과 같이 용도에 맞게 적용한다. BIPV 분야 는 모듈의 설계, 시공, 관리의 공급망을 모두 갖춘 업체가 시장을 선점해 나갈 것으로 예측되며 LG 하우시스, KCC, 한화 L&C, 이건창호 등의 업체들이 태양광 발전 창호시스템, 건물일체형 태양광발전 이중외피 시스템, 투광형 태양 광 이중외피, 벽면일체형 태양광발전 등이 가능한 고기능 제품 개발을 통해 시장 공략을 강화하고 있는 상황이다. 그 리고 최근에는 무게가 가볍고 다양한 컬러 구현이 가능하 며, 투광성을 가지는 태양광 모듈에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있어 다양한 건물과 주택에 적용이 가능할 것으로 보인다.
BIPV 시스템 설치량은 정부정책 지원 및 태양광 발전 시장의 확대로 인해 2011년 378MW에서 2015년 2.1GW 로 성장하였다. 세계 BIPV 시장규모는 2016년 814억 달 러 수준에서 2020년 7,603억 달러 수준까지 성장할 것으 로 예측된다. 2017년 전체 BIPV 시장규모의 45% 수준인 275억 달러가 지붕형에 집중되어 있고 다음으로 창호형 183억 달러, Wall(커튼월 포함)유형에 83억 달러가 투자 되고 있다. 급속한 기술개발과 가격하락을 통해 대규모 태양광발전의 경제성은 대폭 개선되었고, 지역에 따라서는 가장 값싼 전 력원으로 자리매김하였다. 하지만 더 많은 보급을 위해서는 다양한 지역에서의 태양광 보급이 가능해져야 하며 앞 서 설명한 영농형, 수상형, 건물형 태양광 발전이 그 대안이 라고 할 수 있다. 현재의 기술을 최적화하여 새로운 응용에 적용하고 보급을 확대하는 한편, 영농형, 수상형, 건물형 태양광의 가격 경쟁력을 더욱 높일 수 있는 새로운 혁신 기술의 개발이 필요한 시점이다.
