친환경성 경제성 확보, 기존 금속 콘크리트 구조물 완벽 대체...새만금 신재생 해상단지에 적용 필요
화석연료의 사용으로 지구온난화와 미세먼지에 따른 대책이 절실하다. 이에 태양광 풍력 등 신재생발전이 각국에서 추진되고 있으며 태양광발전이 대세다. 육상태양광에 의존하고 있으나 장소가 마땅치 않아 수상, 해상태양광이 급선무로 대두되고 있다. 새만금에 조성되는 해상태양광과 해상풍력이 좋은 본보기다. 해상태양광이 제대로 개발되어 연근해에 설치될 경우 무궁무진한 에너지를 얻을 수 있다. 현실은 태양광발전설비를 해상에서 지탱하는 구조물의 부식과 고장 경제성 등이 해결되지 않아 장벽에 부딪혀 나아가지 못한다. 이를 해결할 수 있는 획기적 기술이 개발되어 경제성과 친환경을 충족시킴으로써 전 세계의 연근해를 태양광발전기로 뒤덮어 화석에너지를 단숨에 대체하는 데 총력을 기울여야 마땅하다. 이러한 때에 업계에서는 해상태양광의 친환경성을 높이고 구조물의 부식을 극복하며 경제성을 확보하는 데 주력하고 있어 희망을 보게 한다. 관련 업계에서는 지난 10여년간 수상태양광과 해상태양광을 연구개발 보급해 왔으며 최근 일부 기업에서 완벽한 친환경을 구현하는 FRP구조물을 개발했다. 미세프라스틱이 발생하지 않도록 하면서 탈부착식으로 시공이 간편하고 내구성이 견고하여 경제성을 확보했다. 최근 서너군데에 납품을 진행하여 호평을 받고 있어 주목된다. 해상태양광의 현황과 문제점, 이의 해결책 등을 3회에 걸쳐 들여다 본다.(편집자 주)
수상태양광발전 동향
태양광발전은 타 재생에너지원에 비해 대규모의 설치면적이 요구되고, 면적집약적 산업특성에서 비롯된 환경적 문제와 더불어 다양한 문제점이 지적되어 왔다. 이를 해결하기 위한 아이디어로 수상태양광발전 기술이 제안되었고, 지금까지 지속적인 성장을 거듭하고 있다. 최근, 육상태양광발전에 대한 REC 가중치의 감소, 인허가, 각종 민원 등의 이유로 육상태양광발전사업이 주춤하고 있는 가운데 수상태양광발전사업은 설치 지역이 댐, 저수지에서 방조제 환경으로 확대되면서 대규모로 성장하고 있다.특히, 우리나라 해안선을 따라 위치하고 있는 넓은 수면의 방조제는 수상태양광발전산업을 보다 활성화시킬 수 있는 매력적인 환경이며, 면적집약적 산업 특성에서 비롯된 각종 문제점들을 잠재울 수 있을 것으로 보인다. 초기 수상태양광발전은 담수호에 소규모로 설치된 반면 최근 MW급을 넘어 GW급으로 발전하고 있으며, 태양광발전 시장의 한 축을 담당하고 있다.
해수면 수상태양광발전 시설
수상태양광발전은 태양에너지를 통해 청정에너지를 생산한다는 본질적인 의미와 더불어 발전량 증대, 태양광산업 활성화 등을 기대할 수 있다. 또한, 여러 주요도시들이친환경적 도시발전을 목표로 발전 전략을 수립, 실현하고 있는 가운데 대도시를 중심으로 발달한 유휴수면을 에너지원으로 활용할 경우 도시미관 개선, 청정에너지 확보, 관광자원의 개발에 활용하는 등 다양한 파급효과를 기대할 수 있다.
지금까지 수상태양광발전은 친환경 태양에너지를 이용한 신재생에너지라는 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 태양광산업이 지금까지 민간주도로 이어져 왔고, 경제성의 논리로 접근되어 수익사업으로 인식되면서 그 간 많은 기업에서 구조설계 및 구조물은 태양광발전에서 부대 시설로 인식되어 왔고, 발전효율 등 수익에 대한 부분을 우선시했던 것이 사실이다. 환경에 대한 민원이 늘면서 육상태양광에 대한 가중치를 축소시키는 등의 제도적 개선이 있었음에도 불구하고 구조적 안전은 환경보다도 후순위로 밀려있다. 수상태양광발전은 설치위치가 수면에 존재하므로 안전성 판단 오류시 발전소 전체가 붕괴될 수 있기 때문에 무엇보다도 안전성을 우선적으로 판단하여야 한다.
부유식 수상태양광발전의 구조적 거동 특성을 고려한 안전성 판단기준 마련 필요
수상태양광발전은 설치환경이 육상이나 건물 지붕 등에서 수면으로 변화된 방식으로 태양전지를 활용해 전기를 생산하여 송전하는 기본적인 구성 및 원리는 여느 태양광발전 방식과 동일하다. 그러나 수면에 발전소를 건설하기 위한 구조적 시스템에서 확연히 구분된다. 육상태양광발전은 기초를 설치하고 태양전지를 설치하기 위한 구조물을 축조하는 방식이지만, 수상태양광발전은 기초 대신 부력체가 설치된 부유식 구조물이 필요하게 되므로 태양광발전과 부유식 구조물이 융합된 형태이다. 따라서, 전력을 생산하는 기본적인 기능에 앞서 구조적 안전성 확보를 위해서는 부유식 구조물에 대한 이해가 선행되어야 한다.
육상에 설치되는 태양광발전소는 태양전지를 설치하는 목적으로 설계되고, 음영을 배제시켜야하므로 태양전지 후면에 구조물이 설치된다. 따라서, 구조설계시 태양전지에 재하되는 풍하중이 지배적인 하중으로 작용하게 되며, 태양전지에 재하되는 풍하중과 자중 등은 구조물을 통해 기초로 전달되며, 구조물의 기초에서는 발전소에 재하되는 수평방향 및 수직방향 하중을 모두 저항할 수 있도록 설계된다.
육상 태양광발전소의 하중 전달구조
수상태양광발전소는 육상태양광발전소와 유사하게 태양전지와 태양전지를 지지하는 구조물로 구성되지만, 구조적인 관점에 판단하면 하중전달 구조가 명확한 차이를 나타낸다. 발전소의 자중을 비롯한 각종 설비 자중, 풍하중의 수직 분력 등은 각 구조물에 설치된 부력체를 통해 수중으로 전달되고, 풍하중의 수평분력, 유속 등에 의해 재하되는 수평방향하중은 계류를 통해 앵커와 지반으로 전달된다.
수상 태양광발전소의 하중 전달구조
태양광발전소는 면적집약적 산업특성상 태양전지에 음영이 지지않는 조건에서 많은 전지를 설치하도록 설계된다. 이러한 발전소에 재하되는 풍하중은 유체 거동 특성상 정도의 차이는 있지만 태양전지를 월류하여 모든 전지에 하중으로 작용하게 된다. 따라서, 각 모듈에 재하되는 풍하중은 구조물에서 중첩되고 계류로 집중되므로 구조물 및 계류의 성능에 따라 발전소의 규모가 제한될 수밖에 없다. 지난 2019년 일본 치바현 야마쿠라 댐의 수상태양광발전소 붕괴사고는 발전소 전체의 구조적 거동에 대한 이해 없이 단위구조물의 단편적인 안전성만으로 판단하여 확대 설치한 피해사례라 볼 수 있다.
태양광발전소의 풍하중 분포
하중상태 및 계류 뿐만 아니라 수상태양광발전소에서 고려해야 할 기술적 변수는 다양하다. 수상태양광발전은 저수지 및 댐 등의 담수호에서 방조제 및 해수조건의 대규모 사업으로 성장하고 있는 가운데 설치 방식이나 구조적인 접근방법은 기존 담수호의 방법을 여과 없이 적용하는 분위기이다. 상식적으로 판단해도 넓은 수면의 발전소 설치조건은 파랑 및 파고 등의 증가로 더욱 열악해지고, 대부분 해안가에 위치하고 있어 염해에 대한 장기 내구성까지 고려해야 하지만 이를 해결하기 위한 기술적 노력은 시장의 성장속도에 미치지 못하고 있는 현실이다.
염해지역에 속해 있는 방조제 환경에 대해서는 우선적으로 부력에 대한 장기 내구성, 구조재의 부식에 대한 대책 등 염해환경에 대한 재료적 선택이 검토되어야 하고, 기상조건에 의한 바람, 파고, 파랑 등의 하중에 대한 차별화된 검토가 요구된다. 물론, 새로운 방식의 제품이나 기술개발에는 많은 경제적 노력이 소요되지만 수상태양광발전의 장기적 안전성 확보와 성장을 위해서는 관련 전문기업의 끊임 없는 노력이 지속되어야 할 것이다.