Subscript
1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 해상환경 폭로 부식 시험
2.2 해상환경 태양광모듈 EL 측정 시험
3. 연구 결과
3.1 해상환경 폭로 부식 시험
3.2 해상환경 태양광모듈 EL 측정 시험
4. 결 론
Subscript
FPV : Floating Photovoltaic System
EL : Electroluminescence
PID : Potential Induced Degradation
1. 서 론
최근 대규모 육상 태양광 발전단지의 환경 훼손 문제가 대두됨에 따라, 유휴 수면을 활용할 수 있는 수상 태양광 발전 (Floating Photovoltaic, FPV)이 태양광 산업의 새로운 비즈니스 모델로 주목받고 있다. 수상 태양광 발전은 향상된 토지 이용 효율성, 수력발전 인프라와의 연계 가능성1, 2), 온실가스 배출 저감 효과3), 수면 냉각효과에 따른 발전 효율 향상4, 5), 그리고 수분 증발 억제를 통한 수자원 보존 등의 장점을 가진다.
수상 태양광 발전 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라, 댐이나 저수지와 같은 담수 환경에 설치되는 기존 수상 태양광뿐만 아니라 간척호, 내해 및 연안 지역에 적용되는 해상 태양광 발전 시스템에 대한 연구개발 또한 활발히 진행되고 있다. 지구 표면의 약 70%를 차지하는 해양 및 수상 환경은 광대한 면적을 보유하고 있어 태양광 발전 설비의 수광 면적 확대 측면에서 매우 유리한 조건을 제공한다. 또한 해상 환경은 육상에 비해 온도 변화가 상대적으로 적고, 수면과 해풍의 영향으로 낮은 운전 온도를 유지할 수 있어 태양광 모듈의 출력 향상 효과를 기대할 수 있다.
그러나 해상 태양광 발전 시스템은 내륙의 저수지나 댐과 같은 비교적 안정적인 담수 환경에 설치되는 기존 수상 태양광 시스템과 달리, 보다 가혹한 해양 환경 조건에서의 적용 가능성을 고려해야 한다. 대부분의 기존 수상 태양광 시스템은 파랑과 외부 하중의 영향이 적은 정온 수역을 대상으로 설계되었으나, 해상 태양광 발전 시스템은 강한 풍속과 파랑, 염수에 의한 부식, 생물 오염(biofouling) 등 다양한 환경적 요인에 대한 높은 내구성과 안정성을 확보할 수 있도록 설계되어야 한다.
해양 환경에서의 금속 소재 부식 특성을 평가하기 위한 다양한 연구가 수행되어 왔다. 최근 대만의 항만 지역에서는 탄소강, 아연, 구리 및 알루미늄에 대한 옥외 노출 부식 평가가 수행되었다6). 또한 쿠바 해안의 산업 항만 지역에서는 탄소강, 구리, 아연도금강 및 알루미늄의 대기 부식 특성이 1년간 평가되었으며, 시편은 해안으로부터 서로 다른 거리에 위치한 7개 노출 지점에서 시험되었다7). 멕시코 및 쿠바 항만 지역의 옥외 노출 시험 결과에서도 높은 부식률이 보고되었으며, ISO 9223 표준에 따른 대기 부식성 등급은 C3에서 C5 수준으로 나타났다8). 특히 해안 지역에서는 대기 중 염분 농도가 부식 메커니즘에 매우 중요한 영향을 미치는 것으로 보고되었다9).
부유식 태양광 발전 구조물은 대부분 금속 소재로 구성되어 있으며, 해양 환경은 이러한 구조물의 부식성을 더욱 증가시킨다. 따라서 해상 태양광 부유체 구조물의 재료 선정 및 방식 시스템 설계에 있어 환경 부식성에 대한 정보는 매우 중요하다. 현재까지의 연구는 주로 ISO 표준 기반의 대기 부식성 평가 및 분류 체계에 초점을 맞추고 있으며, 해상 태양광 시스템 적용을 위한 실제 환경 기반 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 해상 환경에서의 대기 부식 특성을 평가하고, 적절한 구조 재료 선정 및 부식 방지 대책 수립을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
한편, 태양광 모듈의 전기발광(Electroluminescence, EL) 측정은 미세 균열(micro-crack), 셀 인터커넥터 불량, PID(Potential Induced Degradation) 현상 등 다양한 결함을 효과적으로 검출할 수 있는 대표적인 품질 분석 기법이다. 일반적으로 EL 측정은 고가의 카메라 장비와 역전류 인가 장치를 이용하여 실험실 환경에서 수행되지만, 최근에는 Portable EL 검사 시스템의 개발로 현장에서도 EL 측정이 가능해지고 있다.
본 연구에서 적용한 Portable EL 측정 기법은 태양광 발전 시스템의 현장 품질 평가를 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 하며, 열화상 측정과 비교하여 더욱 높은 해상도와 세부 정보를 제공한다. 따라서 현장 Portable EL 측정은 향후 열화상 진단과 함께 태양광 발전소의 표준 진단 기법으로 활용될 가능성이 높다. 본 연구에서는 해상 환경에서 발생하는 외력 및 환경 하중이 태양광 모듈에 미치는 영향을 분석하기 위하여 EL 측정을 수행하였으며, 이를 통해 해상 태양광 모듈의 미세 균열 발생 특성을 평가하였다.
해상 부유식 태양광(Floating Photovoltaic, FPV) 시스템의 장기 신뢰성은 구조 재료의 내식성과 태양광 모듈의 발전 성능 유지 특성에 의해 결정된다. 구조물의 부식은 지지구조물 및 체결부의 강도 저하와 유지보수 비용 증가를 유발할 수 있으며, 태양광 모듈의 미세 균열 및 전기적 열화는 발전 효율 감소와 직결된다. 따라서 해상 환경에서 운용되는 FPV 시스템의 신뢰성을 평가하기 위해서는 구조적 건전성과 발전 성능 건전성을 통합적으로 검토할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 새만금 해상 FPV 실증설비를 대상으로 구조 재료의 대기 부식 특성과 태양광 모듈의 EL(Electroluminescence) 특성을 동시에 분석하여 해상 환경이 FPV 시스템에 미치는 영향을 종합적으로 평가하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 구조 건전성(Structural Integrity)과 발전 성능 건전성(Module Reliability)을 동일한 실증설비에서 동시에 평가함으로써 해상 부유식 태양광 시스템의 종합적인 신뢰성을 평가하고자 하였다.
한편 본 연구에서 수행한 부식 평가는 ISO 9223 및 ISO 9226에 기반한 대기 노출 부식 특성 평가를 대상으로 하며, 월파(Splash)에 의한 직접적인 염수 접촉, 이종 금속 간 갈바닉 부식 및 체결부 국부 부식 등은 연구 범위에 포함하지 않았다. 이는 본 연구가 ISO 9223 및 ISO 9226 기반의 대기 부식성을 정량적으로 평가하기 위한 연구이기 때문이며, 실제 구조물의 장기 내구성 평가는 다양한 부식 메커니즘을 포함한 추가 연구가 필요하다.
2. 연구 방법
2.1 해상환경 폭로 부식 시험
부식성 시험 장치는 옥외 해상 환경에서의 부식 특성 모니터링을 목적으로 설계되었으며, 시험 장치의 구성은 Fig. 1에 나타내었다. 본 연구에 사용된 부식성 시험 장치는 ISO 9223 표준 기준에 따라 설계 및 제작되었으며, 새만금 내해 지역(염도 20.0%, 북위 35°50'28.9", 동경 126°33'49.8")의 해양 환경 모니터링을 위해 설치되었다.
Fig. 1은 (a) 새만금 내해 해상 태양광 시스템 및 부식 시험 거치대, (b) 실증시설 내 설치된 부식 시험 장치를 나타낸다. 금속 시편의 폭로 시험을 위한 거치대는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 소재로 제작되었다. 시편 홀더는 시편의 부식 특성에 영향을 미치지 않는 재질로 구성하였으며, 시편의 가림(shielding) 현상을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 제작된 시편 홀더 장치는 해상 태양광 실증시설 내에 설치되었다.
PosMAC [삼원계 합금 코팅강(Zn-3%Mg-2.5%Al)], 스테인리스강 및 알루미늄 시편을 대상으로 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월 동안 폭로 시험을 수행하였다(Fig. 1). 폭로 시험이 완료된 후에는 금속 종류에 따라 화학적 세척(etching) 절차를 수행하여 시편 표면의 부식 생성물을 제거하였다. 이후 시편의 초기 질량과 부식 생성물 제거 후의 질량을 측정하여 질량 감소량(weight loss)을 산출하였으며, 이를 기반으로 표준 절차에 따라 부식 속도를 평가하였다(Fig. 2 및 Table 1).
Table 1
Specimen types and etching conditions
Fig. 2는 화학적 에칭 절차를 나타내며, Table 1은 시편 종류별 에칭 용액 및 조건을 정리한 것이다. 아연 및 아연 합금 시편(PosMAC300, PosMAC600, 순수 아연)은 삼산화크로뮴(CrO3) 용액을 사용하여 80℃에서 1분간 에칭하였다. 스테인리스강 시편(SUS304, SUS316)은 질산(HNO3) 용액을 사용하여 20℃에서 60분간 처리하였다. 알루미늄 시편(Al5052, Al6061)은 인산(H3PO4) 및 삼산화크로뮴(CrO3) 혼합 용액을 사용하여 80℃에서 10분간 에칭하였다.
모든 시편의 크기는 10 cm × 15 cm로 동일하게 유지하였다 11). 대기 부식 속도는 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월의 폭로 기간에 대해 측정되었으며, 분기별 부식 특성 평가를 수행하였다. 최종적으로 연간 부식률(12개월 폭로 시험 기준)을 기반으로 각 금속 재료의 부식 속도를 평가하였다. 부식 평가를 위한 시편의 준비는 ISO 9226 표준에 따라 진행하였다11).
2.2 해상환경 태양광모듈 EL 측정 시험
본 연구에서는 현장 Portable EL(Electroluminescence) 측정을 통해 해상 환경에 설치된 부유식 태양광 모듈의 셀 균열 특성을 분석하였다. 수상태양광 발전 시스템은 새만금 내해 지역(북위 35°50'28.9", 동경 126°33'49.8")에 2021년 3월에 설치되었으며, 해당 지역은 태풍 발생 시 최대 파고 2 m, 최대 풍속 25 m/s에 이르는 가혹한 해양 환경 조건을 가지는 국내 중서부 해역에 위치하고 있다.
적용된 시스템은 100 kW급 구조체형 수상태양광 시스템으로, 총 240개의 420 W 슁글드(shingled)형 태양광 모듈이 설치되었다. 설치된 모듈 중 3열을 선정하여 샘플링 분석 및 EL 측정을 수행하였다(Fig. 3). EL 이미지는 NIR 카메라(Manta G-419B NIR PoE, Allied Vision, Germany)를 이용하여 획득하였다(Fig. 4).
EL 측정은 다음과 같은 절차에 따라 수행되었다.
1) 태양광 모듈 직렬 구성용 커넥터 분리
2) DC 전원 인가용 케이블 연결
3) DC Bias 인가(전압 45 V, 전류 10 A)
4) 야간 조건에서 현장 Portable EL 측정 수행
태양전지 셀의 균열 발생 및 점진적인 진행 양상을 평가하기 위하여 6개월 간격으로 총 2회의 현장 EL 측정을 실시하였다. EL 측정 시 인가된 DC Bias는 측정 시간 동안만 일시적으로 적용되었으며, 일반적인 현장 EL 측정 절차에 따라 수행되었다. 본 연구에서는 EL 측정 시 발생한 DC Bias가 모듈의 잠재적 열화(PID)의 가속 여부를 별도로 평가하지 않았으므로 이에 대한 한계가 존재한다.
3. 연구 결과
3.1 해상환경 폭로 부식 시험
폭로시험에 사용된 금속 시편의 종류는 다음과 같다.
시편의 부식 속도(시간 경과에 따른 단위 면적당 질량 손실)를 측정하기 위하여, 폭로시험 전 화학적 세척 및 폭로시험 후 부식 생성물 제거 절차는 확립된 표준 절차에 따라 수행되었다 11,12). 모든 시편은 동일한 두께를 가진 것으로 가정하였으며, 대기 부식 속도는 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월의 노출 기간에 대해 측정하였다. 각 노출 기간별로 3개의 시편을 사용하여 시험을 수행하였으며, 측정값의 평균값을 최종 결과 계산에 적용하였다. 폭로시험은 2021년 6월부터 2022년 5월까지 수행되었다.
Fig. 5는 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월 폭로시험 후 시편의 외관 변화를 나타낸다.
Fig. 6은 PosMAC 및 스테인리스강 시편의 단면에 대한 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과를 나타낸다. 초기 시편과 비교하여 폭로시험 후 PosMAC 시편 표면 상부 영역에서는 약 2~3 μm 두께의 얇은 부식층이 관찰되었다. 반면, 에칭 세척 후에는 해당 층이 제거되어 관찰되지 않았다. 모든 시편은 전반적으로 비교적 균일하고 매끄러운 단면 형상을 나타내었다.
Fig. 6
FE-SEM images of coating-layer thickness: (a) initial PosMAC300, (b) PosMAC300 after exposure, (c) PosMAC300 after etching, (d) initial PosMAC600, (e) PosMAC600 after exposure, (f) PosMAC600 after etching, (g) initial SUS304, (h) SUS304 after exposure, (i) initial SUS316, (j) SUS316 after exposure
해상 환경에서 FPV 구조 재료의 부식 등급은 ISO 9223 표준에 따라 분류하였으며, 부식 평가를 위한 표준 시편의 부식 속도는 ISO 9226 표준에 따라 산정하였다10,11).
Fig. 7은 PosMAC, 스테인리스강, 알루미늄 및 순수 아연 시편의 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월 폭로 기간에 따른 질량 변화 결과를 나타낸다. 새만금 해양 환경의 부식성은 1년간의 폭로시험 후 시편 표면의 부식 생성물을 제거한 뒤, 단위 면적당 질량 손실량을 기반으로 산출된 부식 속도를 통해 평가하였다(Fig. 7 및 Fig. 8). 또한 ISO 9224 표준에 따라 1년 노출 기준의 부식 속도를 산정하였다13).
Fig. 8은 12개월 폭로시험 후 시편 종류에 따른 평균 부식 속도를 나타낸다. 부식 속도(rcorr)는 시간에 따른 단위 면적당 질량손실로 정의되며, 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
여기에서,
rcorr 는 중량기준 부식속도이며, 단위는[g/(m2･년)]
∆m 은 질량 손실이며, 단위는(g)
A는 시편 표면적이며, 단위는(m2)
t는 노출 시간이며, 단위는(년) 을 의미한다.
또한 부식 속도는 식 (2)를 이용하여 두께 감소율로 환산하였다.
여기에서,
r'corr 는 두께기준 부식속도이며, 단위는(µm/년)
ρ는 금속의 밀도이며, 각 금속의 밀도는(Fe:7.98 g/cm3, Zn:7.14 g/cm3, Al:2.7g/cm3)
∆m은 질량 손실이며, 단위는(g)
A는 시편 표면적이며, 단위는(m2)
t는 노출 시간이며, 단위는(년) 을 의미한다.
각 금속 재료의 대기 부식성 범주(Atmospheric corrosivity category)는 12개월 폭로시험 결과를 기반으로 한 연평균 부식률을 이용하여 평가하였다. 측정된 부식 속도 값은 ISO 9223 표준의 분류 기준에 따라 대기 부식성 평가에 적용하였다10).
폭로시험 결과, 기준 시편인 순수 아연의 평균 부식속도 rcorr는 15.92 g/(m2･년)으로 나타나 새만금 내해 환경은 C4 등급의 대기 부식성을 나타내었다. 또한 각 재료의 평균 부식속도 r'corr는 PosMAC300 1.6156 µm/년, PosMAC600 1.6965 µm/년, SUS304 0.0602 µm/년, SUS316 0.0485 µm/년, Al5052 0.1975 µm/년, Al6061 0.4132 µm/년으로 나타났다. 순수 아연에 비해 PosMAC은 낮은 부식속도를 나타내었다. 이는 Zn-Mg-Al 삼원계 합금 코팅층이 치밀한 부식생성물을 형성하여 염분 환경에서 우수한 보호 효과를 제공하기 때문으로 판단된다. SUS304와 SUS316은 매우 낮은 부식속도를 나타내어 구조재로서 우수한 내식성을 확인하였다. 알루미늄 역시 낮은 부식속도를 보여 해상환경에서 사용 가능성을 확인하였다.
3.2 해상환경 태양광모듈 EL 측정 시험
현장 Portable EL 측정은 6개월 간격으로 수행되었으며, 1차 측정은 2021년 11월, 2차 측정은 2022년 5월에 실시되었다(Fig. 9).
1차 EL 측정 결과, 일부 태양광 모듈의 EL 이미지에서 전기적으로 비활성화된 영역(Dead Zone)으로 판단되는 어두운 영역이 관찰되었다. 2차 EL 측정에서는 일부 모듈에서 기존 Dead Zone의 유지와 함께 추가적인 Dead Zone의 발생이 확인되었다. 일부 Dead Zone은 모듈 내 특정 영역에서 안정적으로 유지된 반면, 일부 모듈에서는 새로운 Dead Zone이 추가적으로 형성되는 경향을 보였다(Fig. 9).
Table 2는 EL 측정 이미지에서 확인된 Dead zone의 개수를 나타낸다. EL 이미지에서 관찰된 Dead zone은 태양전지 내부 미세 크랙의 진행과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 초기 미세 크랙은 부분적인 휘도 감소 형태로 나타났으며, 반복적인 기계적 하중과 환경 스트레스가 지속됨에 따라 균열이 확장되면서 전기적으로 비활성화된 영역(Dead Zone)이 형성되는 경향을 보였다.
Table 2
Number of Dead Zones identified in the EL measurement images
특히 실증시설 외곽부에 위치한 Line 10에서 상대적으로 많은 Dead Zone이 관찰되었다. 이는 해상 환경에서 외곽부, 특히 북측에 위치한 모듈의 후면부가 파랑 및 파고에 의한 진동과 충격 등의 외력 영향을 더 크게 받아 미세 크랙 발생 가능성이 증가할 수 있음을 시사한다. 다만 본 연구에서는 구조 응력 측정 및 유한요소해석(FEA)을 수행하지 않았으므로 환경 하중과 Dead Zone 발생 간의 정량적 인과관계를 규명하는 데에는 한계가 있다. 또한 Dead Zone 발생은 기계적 응력에 의한 셀 미세 균열뿐 아니라 해상 환경에서의 염분 침투, 전기적 연결부의 열화 및 인터커넥터 부식 등의 전기화학적 요인이 복합적으로 작용한 결과일 가능성이 있다. 본 연구에서는 EL 영상의 정량적인 균열 패턴 분석(셀 모서리, 버스바 주변 등)은 수행하지 않았으며, 향후 영상 기반 균열 형상 분석과 구조해석을 연계하여 균열 발생 메커니즘을 규명할 필요가 있다. 1차 및 2차 EL 측정 결과를 비교한 결과 Dead Zone의 증가 폭은 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 실증설비가 설치 초기 단계에 해당하며, 관측 기간(6개월)이 비교적 짧아 열화의 누적 효과가 충분히 나타나지 않았기 때문으로 판단된다. 따라서 해상 환경에서의 장기 열화 특성을 평가하기 위해서는 지속적인 모니터링과 추가적인 추적 관찰이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 새만금 해상 부유식 태양광(FPV) 실증설비를 대상으로 구조 재료의 대기 부식 특성과 태양광 모듈의 열화 특성을 분석하여 해상 환경에서의 구조 건전성과 모듈 신뢰성을 종합적으로 평가하였다.
1년간의 대기 폭로시험 결과, 새만금 실증단지는 ISO 9223 기준 C4 등급의 부식 환경으로 평가되었다. PosMAC300 및 PosMAC600은 각각 1.6156 μm/년와 1.6965 μm/년의 매우 낮은 부식 속도를 나타내었으며, 순수 아연 대비 우수한 내식성을 확인하였다. SUS304와 SUS316은 부식이 거의 발생하지 않았으며, Al5052와 Al6061 역시 낮은 부식 속도를 보여 해상 부유식 태양광 구조재로서 적용 가능성을 확인하였다. PosMAC300과 PosMAC600의 부식 속도 차이는 매우 미미하여 실험 오차 범위 내의 자연 변동성으로 판단된다.
Portable EL 측정 결과에서는 실증설비 외곽부(Line 10)에서 상대적으로 많은 Dead Zone이 관찰되었으며, 이는 해상 환경에서 반복적으로 작용하는 풍하중 및 파랑 하중에 의한 동적 하중의 영향을 받을 가능성을 확인하였다. 다만 본 연구에서는 구조 응력 해석 및 균열 패턴 분석을 수행하지 않았으므로 환경 하중과 모듈 열화 간의 직접적인 인과관계는 규명하지 못하였다. 또한 1차와 2차 EL 측정 결과의 변화는 크지 않아 설치 초기 단계에서는 비교적 안정적인 운전 상태를 유지하고 있는 것으로 판단되었다.
본 연구는 ISO 9223 및 ISO 9226 기반의 대기 중 비산 염분(Airborne Salinity)에 의한 영향을 기반으로 평가된 결과로서 월파(Splash)에 의한 직접적인 Sea Spray 환경(염수 접촉)이나, 갈바닉 부식 및 체결부 국부 부식은 포함하지 않은 한계가 있다. 따라서 향후에는 다양한 해상 환경에서의 장기 모니터링과 함께 가속 부식시험, 체결부 정밀 조사 및 구조해석(FEA)을 병행하여 환경 하중과 부식 및 모듈 열화 간의 상관관계를 정량적으로 규명함으로써 해상 부유식 태양광 시스템의 장기 신뢰성 평가를 수행할 필요가 있다.
아울러 본 연구 결과는 새만금 내해 실증단지의 기상 및 염분 환경을 기반으로 도출된 결과이므로, 외해 환경 또는 다른 연안 지역에 동일하게 적용하기에는 제한이 있다. 향후 다양한 해역에서의 장기 모니터링 데이터 확보를 통해 적용 범위를 확대할 필요가 있다.
향후 연구에서는 풍하중, 파랑 하중 및 부유체 거동을 고려한 유한요소해석(FEA)을 수행하여 환경 하중과 태양광 모듈 열화 간의 상관관계를 정량적으로 규명하고, 대기 부식뿐 아니라 갈바닉 부식 및 비말대(Splash Zone) 부식을 포함한 통합 내구성 평가를 수행할 예정이다.
