1. 서 론
기후변화와 화석연료 고갈로 인해 전 세계적으로 신재생에너지를 이용한 발전이 주목을 받고 있으며, 태양광산업은 신재생에너지의 중요한 한 축으로서 지속적으로 성장하고 있다. 이 중 수상태양광발전(FPV)은 전 세계적으로 가장 빠르게 성장하는 태양광 기술 중 하나로 부상하여 특히 태양광 시스템에 대한 토지 가용성이 제한된 지역에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 한국과 같이 높은 인구 밀도와 산업 수요로 인해 토지 이용이 크게 제한된 국가에서 수상태양광은 재생에너지를 확대하기 위한 전략적인 수단이다.
수상태양광발전의 주요 이점은 다음과 같다.
1) 향상된 토지 이용 효율성을 제공한다. 수상태양광 시스템은 호수, 저수지 및 댐과 같은 활용도가 낮은 수면에 설치된다. 이를 통해 농경지나 도시 지역과 같은 귀중한 토지 자원을 피하여 토지 이용 갈등을 줄이고 농지 또는 산림을 훼손하지 않고 에너지 생산을 가능하게 한다.
2) 수력 발전 인프라와의 시너지 효과를 기대할 수 있다. 수상태양광을 기존 수력 발전 시설과 통합하면 그리드 안정성과 시스템 효율성이 향상된다. 수상태양광은 기존 송전 인프라를 활용하고 태양광 및 수력 자원의 상호 보완적인 발전 패턴의 이점을 누릴 수 있다1, 2).
3) 온실 가스 배출량 감소에 기여할 수 있다. 수상태양광 시스템은 부유 구조물로 인해 지상 설치형 태양광보다 온실가스 배출량이 약간 더 높을 수 있지만, 탄소 발자국은 기존 발전 방식보다 훨씬 낮다. 예를 들어 수상태양광은 독일의 현재 전력 믹스보다 약 7배 적은 CO₂를 배출한다. 재활용 재료 사용 및 부품 재사용은 시스템의 수명 주기 탄소 배출량을 더욱 줄일 수 있다3).
4) 향상된 에너지 효율성을 기대할 수 있다. 수역의 자연적인 냉각 효과로 인해 수상태양광 모듈은 더 낮은 온도에서 작동할 수 있어 지상 설치형에 비해 에너지 효율이 5~15% 더 높다4, 5).
5) 수자원 보존에 기여할 수 있다. 수상태양광 시스템은 수면의 일부를 덮음으로써 수분의 증발을 줄여 물을 보존하므로 물 부족에 취약한 지역에서 특히 가치 있는 이점이 될 수 있다.
2024년 기준 수상태양광 발전 시스템의 전 세계 누적 설치 용량은 약 8.7 GW에 도달하였다. 이 수치는 크게 증가하여 Fig. 1과 같이 2030년까지 약 63 GW에 이를 것으로 예상된다6). 국내에서도 육상에서의 부지 확보의 문제점을 줄이면서 일조량이 풍부하고 개방된 설치 면적을 넓게 확보하기 위하여 하천, 호수, 저수지, 댐 등의 수면에 태양광 모듈을 설치하는 수상태양광이 활발하게 제안되고 있고 실제 시공으로 이어지고 있다7). 그러나 증가하는 수상태양광 설치량에 비해 수상태양광 발전의 낮은 가격 경쟁력이나 발전성능(Performance Ratio, PR) 저하로 인한 품질에 대한 걱정은 계속 존재하고 있다. 이러한 발전성능 저하에 대한 원인을 규명하고 해결하기 위해 국내･외에서 다양한 논의가 진행 중이며, 특히 수상태양광 발전소의 운영･관리(Operation & Maintenance, 이하 O&M)가 효과적인 해결 방안의 하나로써 조명을 받고 있다8, 9). 수상태양광의 경우 해상 및 수상에 설치되는 환경 조건에 따라 조류의 접근이 발생하기도 하는데, 태양광 모듈에 상주하는 조류로 인하여 수상 태양광 시스템에 악영향을 미치기도 한다10).
본 연구는 조류 배설물의 영향에 따른 수상태양광 시스템의 성능에 관한 내용이다. 연구는 한국산업기술시험원(KTL) 수상태양광종합평가센터의 새만금의 내해에 2021년에 설치된 수상태양광 실증시설에서 진행되었다. 연구 중 설치 지역의 환경적 특성으로 인해 Fig. 2와 같이 조류 배설물이 중요한 문제로 발견되었다. 특히 해당 지역에서는 갈매기와 철새가 많이 출몰하여 수상태양광 실증시설을 쉼터나 대피처로 이용하기에 이에 따라 수상태양광 시스템의 최적 유지관리가 중요해졌다.
조류 배설물이 태양광 모듈에 쌓이면 에너지 효율에 심각한 영향을 미치고, 유지보수 요구사항을 증가시키며, 장기적인 시스템 성능을 저하시킬 수 있다. 태양광모듈 위에 상주하는 조류의 그림자나, 조류 배설물 오염으로 인한 태양광모듈의 음영으로 인해 에너지 발전효율 측면에서 손실이 발생하게 된다10). 또한, 조류의 배설물 오염으로 인해 시스템의 안전성에도 악영향을 미치게 된다. 조류의 배설물 오염이 발생하면 부분적 음영으로 인해 태양광모듈에 핫스팟 현상이 발생하게 되는데, 이로 인해 태양광모듈 내부의 특정 셀에 전류가 집중되어 해당 셀의 온도가 급격히 상승하여 모듈 손상이 발생하게 된다. 또한, 조류의 배설물은 산성의 성질을 가지고 있어, 이를 방치하면 특수 코팅된 태양광모듈 표면이 손상되거나, 구조물 자재의 부식을 야기시켜 시스템의 안정성을 크게 해치게 된다. 상기와 같은 원인으로 인해 해상 및 수상 태양광 시스템에서 조류의 접근으로 효율성, 경제성, 안정성에 악영향을 받게 되기 때문에 이를 방지할 방안이 필요하다.
본 연구는 현장 분석을 통해 조류 배설물이 수상태양광 모듈 성능에 미치는 영향을 조사하고, 배설물의 영향을 최소화하고 에너지 생산을 최적화하기 위한 다양한 유지보수 전략과 조류 방지 방법을 연구하였다. 로봇 청소 시스템과 조류 방지 기술과 같은 실용적인 해결책을 평가하여 조류 활동의 부정적인 영향을 완화하는 효과성과 실행 가능성을 검토하였다. 이를 평가하기 위하여 수상태양광 발전소에 조류 음향 신호 방출 시스템과 태양광모듈 표면 청소 방안을 적용하였으며, 적용 전과 후의 발전성능(PR)과 발전시간 변화를 비교하였다. 연구 결과는 수상태양광 시스템의 최적 운영 방식을 제공하며, 유지보수 효율성을 향상시키고 조류로 인한 성능 손실을 줄이는 방법을 제안한다.
2. 연구 방법
2.1 조류 접근 저감 시스템의 구성
수상태양광 시스템에 조류가 접근하거나 서식하는 것을 방지하기 위해, Figs. 3, 4에 제시된 바와 같이 조류 접근 방지 시스템을 설계하고 구현하였다. 본 시스템은 태양광 패널, 인버터, 배터리, 음향 증폭 스피커, Raspberry Pi, 통신 라우터, 그리고 감시 카메라로 구성된다.
조류 접근을 저감하기 위해 개발된 조류 음향 신호 방출 시스템은 부유식 수상태양광 구조물에 통합되어 있다. 본 시스템은 조류가 구조물에 접근 시 종(種)별 특화된 퇴치음을 방출한다. 이러한 신호는 설치 지점의 생태학적 연구를 기반으로 Fig. 6과 같이 설계되었으며, 종간 회피 의사소통을 활용하여 조류가 수상태양광 시설에 접근하는 것을 효과적으로 억제한다.
음향 신호 방출 회로의 전력 공급은 부유식 구조물의 주 전원에서 공급될 수도 있고, 태양광 모듈과 충전식 배터리를 활용하여 자율적으로 작동할 수도 있다. 또한, 통신망을 통해 원격 제어가 가능하므로 조류 활동 패턴에 따라 실시간으로 가동하거나 예약된 일정에 따라 운용할 수 있다. 방출 신호는 수동으로 온/오프할 수 있으며, 특정 시간 동안만 작동하도록 설정하거나 조류의 주요 접근 시간대에 맞추어 프로그래밍할 수 있다.
수상태양광 발전 시설을 위한 조류 접근 방지 시스템의 운영 과정은 Fig. 5의 순서도와 같으며, 조류 퇴치 시스템은 감시 카메라를 통한 조류 탐지, 종(種) 식별, 적절한 퇴치 음향 선택, 스피커를 통한 원격 신호 방출, 방출 이후 조류 활동 모니터링의 순서로 운영된다. Fig. 7과 같이 본 시스템은 조류가 지각하는 위협에 대한 자연스러운 회피 반응을 유발함으로써, 수상태양광 구조물에 접근하는 것을 효과적으로 방지한다.
일정 기간 동안 반복적으로 이러한 음향 신호를 방출할 경우, 수상태양광 시설에 대한 조류 접근을 현저히 감소시킬 수 있다. 그 결과, 발전 효율이 향상되고 유지보수 요구가 줄어들며, 운영 비용을 최소화함으로써 경제성이 개선된다. 또한, 조류 배설물로 인한 잠재적 피해를 방지하여 수상태양광 시스템의 장기적인 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있다.
2.2 수상태양광 모듈 유지관리
수상태양광 발전 시스템의 안정적 운영을 위해, 조류 침입을 방지하는 음향 신호 기반 조류 퇴치 시스템과 더불어 Fig. 8과 같이 태양광 모듈 표면의 오염을 제거하는 로봇 청소 장치(Solarcleano, M1)와 고압분사 장치(DEWALT, DCPW550B)가 통합적으로 적용된다.
Fig. 8에 제시된 로봇 청소 장치는 모터 구동 트랙과 회전 브러시를 이용하여 태양광 모듈 표면의 먼지, 조류 배설물, 기타 환경 오염물질을 제거한다. 이를 통해 그림자 발생이 최소화되어 에너지 효율이 향상되고, 특히 대규모 태양광 발전소나 수동 청소가 어려운 지역에서 유지보수 인력과 물 사용이 절감된다. 정기적인 로봇 청소는 태양광 패널의 최적 성능을 유지하고 시스템 신뢰성을 높이며, 설치물의 수명을 연장하는데 기여한다.
3. 연구 결과
3.1 O&M 적용에 따른 발전효율 분석
본 연구는 2025년 7월 5일 부터 2025년 8월 24일 까지 새만금의 내해에 2021년에 설치된 수상태양광 50 kW 용량의 발전소를 대상으로 O&M 적용에 따른 PR 비교를 위한 연구를 진행하였다. 수상태양광 발전소에 O&M(조류 음향 신호 방출 시스템과 태양광모듈 표면 청소 동시 적용) 적용 전 기간(7월5일~ 7월17일)과 적용 후 기간(7월18일~8월24일)의 실증 분석을 통해 O&M 적용에 따른 발전량 변화를 Fig. 10, 11과 같이 확인하였으며, 연구에서 환경적 요인의 차이가 아닌 O&M 적용 자체가 발전성능(PR)에 미치는 영향을 보다 정확히 분석하기 위하여 같은 실증 장소에서 연속적인 기간을 두고 본 연구를 진행하였다. 본 연구 대상 발전소는 조류 접근으로 인한 분변 오염으로 인해 PR 저하 현상이 발생하였고, O&M의 일환으로 조류 접근 방지 음향 방출 시스템 적용과 태양광모듈 표면 청소를 실시하였다.
태양광 발전에서 PR (Performance Ratio, 성능비) 는 발전소의 효율을 나타내는 대표적인 지표로써 다음의 식에 의해 계산되었다.
운영･관리(O&M) 적용에 따른 발전효율 결과는 Fig. 9와 같이 O&M이 실시된 7월 18일 이후 기간동안 수상태양광 발전소의 발전효율은 평균 74.56%의 높은 PR을 나타낸 반면, O&M이 실시되지 않은 기간의 경우 평균 PR 수준은 66.34%에 머무는 것으로 나타났다.
태양광발전에서의 발전시간은 태양광 설비가 하루 종일 정격출력(설비용량, kWp)으로 발전한다고 가정했을 때의 시간을 의미하며 다음의 식에 의해 계산되었다.
O&M 적용 결과, PR 저하를 일으키는 원인인 조류 분변 문제를 개선하여 Fig. 12와 같이 대상 발전소의 발전시간이 O&M 적용 전 평균 3.69시간에서 O&M 적용 후 평균 4.67시간으로 개선됨을 확인 할 수 있었다.
이러한 결과를 바탕으로 발전소의 진단 점검을 통해 발전성능 저하 원인 분석 및 해결 방안 도출이 가능하며, 지속적인 O&M을 통해 추후 발생 가능한 문제를 미연에 방지함으로써 발전 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이처럼 연구기간 동안 O&M 적용에 따른 변화를 살펴보면 태양광발전소에 대한 운영･관리(O&M)가 지속적으로 이뤄지는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 고장 발생 가능성도 낮고, 발전성능 역시 매우 우수함을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 수상태양광 발전 산업의 활성화를 이끌어내기 위해 보완이 필요한 분야로서 O&M을 선택하였다. 특히나 조류 분변 오염에 대한 O&M 연구 결과, O&M 적용 전과 후의 PR 수준은 66.34%에서 74.56%로 향상되었으며, 발전시간은 평균 3.69시간에서 4.67 시간으로 상승하였다. 이러한 상승 효과는 조류 음향 방출 시스템과 태양광모듈 표면 청소 적용에 따른 복합적인 효과로 사료되며, 적용 방법에 따른 기여도를 구분하긴 어려운 한계를 가지고 있다. 이를 통해 수상태양광발전소 운영에 있어서 지속적인 O&M 여부가 PR과 발전시간 상승에 유의미한 영향을 미친다는 연구 결과를 확인할 수 있으며, 이와 관련된 체계적인 O&M 가이드 구축의 필요성에 대한 근거를 뒷받침한다.
최근 수상태양광발전소의 O&M은 산업적 이슈로 떠오르면서 수요가 증가하고 있는 반면, 이와 관련된 발전소 운영에 따른 지속적인 O&M에 대한 규격 및 제도는 아직 마련되어 있지 않다. O&M 규정 및 가이드라인 마련을 통해 산업의 질적 수준 향상을 도모함으로써 새로운 시장으로의 진출을 위한 교두보를 마련하는 것이 중요하다고 판단된다. 이러한 연구와 노력은 추후 발생할 수 있는 발전량 저하에 대한 위험 부담을 완화시키고,비용 감소를 통해 금융권의 투자를 활성화시키는데 도움이 될 것이며, 이를 통해 수상태양광 산업화 활성화에 도움이 될 것으로 예상된다.
