기호 및 약어 설명

i : Irradiance interval

Ri : Proportion of sum of instantaneous irradiance by irradiance interval (%)

Ii : Sum of instantaneous irradiance by irradiance interval

I : Sum of instantaneous irradiance by total irradiance intervals

Rbifacial : Bifacial ratio of sum of instantaneous irradiance (%)

Ifront : Sum of front instantaneous irradiance

Irear : Sum of rear instantaneous irradiance

BF : Bifaciality fator (%)

1. 서 론

현재 국제적으로 기후 위기 대응과 탄소중립 실현을 위한 에너지 전환이 가속화되면서, 재생에너지 기술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 태양광 발전은 경제성, 기술 성숙도, 확장성 측면에서 가장 빠르게 보급되는 재생에너지로 부상하고 있으며, 글로벌 신규 전력 설비의 대부분을 차지하고 있다¹⁾. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 전 세계 재생에너지 발전량은 2030년까지 현재 대비 약 90% 증가할 것으로 전망되며, 이 중 태양광이 신규 재생에너지 발전량 증가의 80%를 차지할 것으로 분석하였다²⁾. 또한, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 지구온난화 억제를 위해 전 부문에서 즉각적이고 심층적인 온실가스 감축이 필요하며, 이를 위해 에너지 효율 향상과 저탄소 기술로의 전환이 핵심이라고 강조하였다³⁾.

최근 태양광 기술의 발전과 함께, 양면형 태양광 모듈(Bifacial PV module)은 차세대 고효율 발전기술로 주목받고 있다. 이 기술은 모듈 전면뿐만 아니라 후면으로 입사되는 반사광까지 함께 활용함으로써, 동일 조건에서 단면형 모듈 대비 더 높은 발전량을 기대할 수 있는 구조적 장점을 지닌다. 출력 증대 효과는 지면 반사율, 설치 높이, 경사각, 배치 형태 등에 따라 달라지며, IEA PVPS (International Energy Agency–Photovoltaic Power Systems Programme)는 이러한 요소들의 최적화에 따라 단면형 대비 상당 수준의 출력 향상이 가능하다고 보고하였다⁴⁾. 지표면의 특성에 따라 알베도가 달라지며, 눈(Snow), 초원 지대(Grass), 어두운 토양(Black soil) 등 다양한 표면 조건은 각각 상이한 반사 특성을 보인다⁴⁾. 이에 따라 양면형 모듈의 발전 효율도 달라질 수 있다. 따라서 다양한 환경에 적용 가능한 양면형 모듈의 발전 효율을 예측하기 위해, 후면 입사 조건에 따른 후면 일사 기여도에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

국외에서는 다양한 지표면 조건에 따른 후면 반사광의 영향을 실험적으로 검증하고, 이를 기반으로 출력 성능을 분석하는 연구들이 수행되었다. 예를 들어, 알루미늄 시트, 백색 페인트, 시멘트, 잔디, 모래 등 다양한 표면 위에 양면형 모듈을 설치하고 발전 성능을 비교한 연구에서는, 표면 알베도의 차이가 후면 일사량 기여도와 최종 출력에 유의미한 영향을 미친다는 결과를 제시하였다⁵⁾. 또한 옥외 환경에서의 실증 시험을 통해 경사각, 방위각, 지표면 반사 특성 등 다양한 조건이 양면형 태양광 모듈 발전량에 미치는 영향을 종합적으로 분석한 연구에서는, 실제 설치 조건에 적합한 시뮬레이션 모델의 개선이 필요함을 확인하였다⁶⁾.

국내에서도 환경 특성을 반영한 실증적 접근이 이루어지고 있다. 예컨대, 충주 청풍호 저수지(북위 36.92도)에 설치된 수상 태양광 실증 시스템을 활용한 연구에서는, 단면형 대비 양면형 모듈의 발전량이 평균 4.1 ~ 5.0% 증가하였으며, 수면반사는 최고 2.74% 효과를 나타낸 것으로 분석하였다⁷⁾. 아울러 아치형 구조물에 양면형 모듈을 적용한 실증 연구에서는, 설치 각도는 전·후면 일사량 분포에 영향을 미치며, 그에 따른 출력 손실(불균일 손실)에 관한 연구를 진행하였다⁸⁾.

이러한 국내외 연구들은 알베도 특성과 구조 조건이 양면형 모듈의 후면 일사량 확보와 발전 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 있으나, 수로형 환경에서 장기 실측을 기반으로 방향별 전·후면 일사량 비율을 정량화하고 이를 시뮬레이션 보정계수로 제시한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 수로형 양면 태양광 시스템의 전·후면 일사량을 실측 분석하여 예측 시뮬레이션에 활용 가능한 보정계수를 도출하고자 하였다. 발전량 예측 시뮬레이션의 물리 모델 성능 검증을 위해서는 발전량, 계절별 영향, 모듈 온도 등의 다양한 요소들이 추가로 고려되어야 하나, 본 논문에서는 일사량 기반 보정계수의 도출에 범위를 한정하였다.

2. 소규모 실증 시스템 위치 및 구성

2.1 소규모 수로형 태양광 시스템 구축

본 연구에서는 수로형 태양광 시스템의 다각·다향 입사 조건에 따른 입사 일사량 및 발전량 데이터를 실시간으로 수집하기 위한 실증 시스템을 Fig. 1과 같이 구축하였다. 실증 시스템은 충청남도 서산시에 위치한 한국건설생활환경시험연구원(KCL) 내 설치되었으며, 인근 구조물로부터의 음영 영향을 최소화할 수 있는 지형 조건을 확보하였다.

Fig. 1

Installation site (left) and pilot-scale system layout optimized based on shading analysis (right)

소규모 수로형 태양광 시스템은 단결정 실리콘 하프컷 셀 기반의 양면형 태양광 모듈(정격출력 410 W, 2,060 mm × 1,193 mm)을 5매 구성으로 적용하였고, 설치 각도는 수평 0° 및 경사 45°로 설정하였다. 모듈 설치 방향은 정동, 정서, 정남, 정북을 포함하여 다양한 일사 조건을 모사할 수 있도록 Table 1과 같이 구성하였다. 양면형 모듈의 특성을 고려하여 전면뿐만 아니라 후면 일사량도 정밀하게 측정할 수 있도록 설계하였으며, 이를 통해 후면 반사 효과 분석을 위한 실측 데이터를 확보하였다.

모듈 하단에는 수로 환경을 모사하기 위해 Fig. 2와 같이 수로형 구조를 구현하였다. 전체 시스템의 폭은 5,452 mm, 수로부의 폭은 1,514 mm이며, 일사량계는 동·서·남·북 모든 방향에서 전면 높이 1,574 mm, 후면 높이 1,450 mm로 동일하게 설계하였다. 수로부 폭의 설정은 실제 수로 구조 도면(전체 폭 21,600 mm, 수로 폭 6,000 mm)을 기준으로 하여 전체 대비 약 25.2% 비율을 반영한 것으로, 소규모 환경에서 실제 수로 형상을 재현할 수 있도록 하였다. 이를 통해 실증 시스템의 알베도 특성이 실제 조건과 유사하도록 설계하여 일관성을 확보하고자 하였다. 다만 본 실증 시스템은 실제 실규모 수로의 구조적 특성(폭, 깊이 등)과 수면의 유동성(유속, 물결 등)에 따른 알베도 특성을 완벽히 재현하기에는 한계가 있으며, 이는 후면 일사량의 정량적 분석에 있어 불확실성 요인으로 작용할 수 있다.

Fig. 2

Installation site photo of the pilot-scale PV system (left) and layout drawing showing system size and canal structure (right)

2.2 측정 데이터 수집 방법

본 실증 시스템은 전면 및 후면 일사량, 발전량, 환경 정보를 실시간으로 수집하기 위한 모니터링 프로그램으로 구성되었다. 일사량 측정을 위해 일사량계를 설치하였으며 자세한 사양은 Table 2와 같다.

모니터링 프로그램은 TOUCH PANEL에 내장된 소프트웨어를 기반으로 Fig. 3과 같이 구성하였다. 수집된 데이터는 분 단위로 로컬 및 원격 데이터베이스에 동시 저장되며, 이를 통해 실시간 조회 및 일·월·년 단위의 통계 분석이 가능하다. 통신 오류 발생 시에도 로컬 저장이 가능하도록 이중 저장 구조로 설계되어 데이터의 안전성을 확보하였다. 수집된 데이터는 품질 확보를 위해 센서 이상이나 음영 등으로 발생한 비정상 값을 제거하였으며, 정상 구간만을 분석에 활용하였다.

Fig. 3

Configuration of the monitoring system, including pyranometer sensors, data logger, and communication modules

3. 결과 및 고찰

3.1 태양광 모듈의 초기 출력값 및 양면계수

본 연구에 사용된 양면형 태양광 모듈의 초기 전기적 특성은 KS C 8561⁹⁾ 기준에 따라 최대출력 결정 시험을 통하여 P_max 및 양면계수를 측정하였다. 시험은 실증 시스템에 적용된 모듈 5매를 대상으로 수행되었으며, 각 모듈은 설치 방향(수평, 동향, 서향, 남향, 북향)과 전·후면에 설치되었으며 이에 대한 출력 특성은 Table 3과 같다.

각 모듈의 초기 출력값을 분석한 결과, 후면 출력은 전면 출력 대비 일관되게 낮았으며 약 26.78 ~ 27.42% 수준으로 나타났다. 각 모듈의 양면 계수는 Horizontal installation (수평면) 73.07%, North 72.58%, South 72.58%, West 73.22%, East 72.78%로 확인되었으며, 평균 약 72.85%로 전체 모듈 간 유의미한 차이는 나타나지 않았다.

3.2 유입 일사량에 대한 상대적 기여도 분석

2023년 2월 1일부터 2024년 1월 31일까지 1년간, 수로형 양면 태양광 시스템의 전면 및 후면에 입사하는 일사량의 순시값을 1분 간격으로 수집하였다. 예측 시뮬레이션 모델의 입력 변수 설정을 고려하여 일사량을 여섯 구간 (0 < i1 ≤ 10 W/m², 10 < i2 ≤ 50 W/m², 50 < i3 ≤ 100 W/m², 100 < i4 ≤ 500 W/m², 500 < i5 ≤ 1000 W/m², 1000 < i6 ≤ 1500 W/m²)으로 구분하였다. 구간(i)별로 데이터 수치의 비율을 계산하기 위해서 1분 간격으로 구간(i)별 순시 일사량 값의 합(Ii)을 Table 4에 나타냈다.

Fig. 4, Fig. 5를 보면 순시 일사량 값의 합의 경향성이 전면과 후면이 다른 것을 알 수 있다. 전면 순시 일사량값의 총합은 남향(85,863), 수평면(69,675), 서향(55,785), 동향(53,952), 북향(42,831) 순으로 나타났으며, 이는 일반적인 일사 분포 경향과 일치하는 양상이었다. 후면 순시 일사량 값의 총합은 서향(7,418), 동향(6,153), 남향(5,859), 북향(5,753), 수평면(5,226) 순으로 확인되었다. 후면 순시 일사량값의 총합의 경우, 일출 및 일몰 시 태양 고도가 낮은 조건에서 동·서향의 모듈에 대한 후면 반사광이 남향, 수평면 보다 더 유입되어 상대적으로 높은 값을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 4

Sum of front instantaneous irradiance by irradiance interval

Fig. 5

Sum of rear instantaneous irradiance by irradiance interval

수로 적합 양면 태양광 모듈의 입사면에 유입되는 일사량에 대한 상대적 기여도를 확인하기 위하여 방향별로 양면 태양광 모듈의 유입량 구분에 따른 일사량 기여도를 아래 식(1)으로 계산하여 Table 5에 나타냈다.

대부분의 방향에서 i4,5 (100–1000 W/m²) 구간이 가장 높은 기여도를 보였으며, 이는 실질적인 발전에 핵심적인 범위임을 의미한다. 또한, 북·동·서향 후면은 i3 (50–100 W/m²) 구간에서 기여도가 높게 나타났으며, 이는 일출·일몰 시 반사광 유입에 따른 결과로, 일사량 예측 모델에 있어 해당 구간이 중요할 것으로 판단된다. 반면, i1,2 (0–50 W/m²) 및 i6 (1000–1500 W/m²) 구간에서는 후면 일사량의 기여도가 평균 2.2% 미만으로 매우 낮게 나타났으며, 해당 구간의 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 일사량 기여도가 높은 구간을 여섯 개에서 세 구간으로 구분하여 Table 6에 나타냈다.

Fig. 6과 Fig. 7을 통해, 전체 순시 일사량값의 합 대부분이 i3,4,5 (50–1000 W/m²) 구간에 분포함을 확인할 수 있다. 따라서 해당 구간은 후면 일사량 기여율을 반영한 예측 시뮬레이션 모델에서 발전량을 예측하는 데 활용될 수 있는 핵심 구간으로 판단된다.

Fig. 6

Proportion of sum of instantaneous irradiance by six irradiance intervals

Fig. 7

Proportion of sum of instantaneous irradiance by three irradiance intervals

3.3 전후면에 따른 일사량 관계 분석

수로형 환경에 적합한 양면 태양광 모듈에 유입되는 일사량의 전면과 후면 간 비율을 식(2)와 같이 계산하여 Table 7에 나타냈다.

각 방위에서의 후면 일사량은 확산광 및 반사광의 영향으로 인해, 전면으로 유입되는 직달 일사량이 감소하는 구간에서 상대 기여도가 증가하는 경향을 보였다. 반대로 직달 일사량이 지배적인 고강도 구간에서는 후면 기여도가 상대적으로 낮게 나타났다.

핵심 구간 i3,4,5 (50–1000 W/m²)에서 북·서·동향은 유사한 분포를, 수평·남향도 비슷한 경향을 보였다. 이를 정량적으로 검토하기 위해 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 산정한 결과, 북-서-동향 간 상관계수는 0.99, 수평면-남향 간 상관계수는 0.96으로 매우 높은 수준의 상관성을 보였다. 향후 예측 시뮬레이션 모델링 시, 이들 그룹 간에는 동일한 계수를 적용할 수 있을 것으로 판단된다. Table 8에 핵심 구간 i3,4,5 (50–1000 W/m²) 을 2그룹으로 구분하여 나타냈다.

실제 수로적용 양면형 태양광 모듈의 시뮬레이션 적용을 위해서는 전면 일사량 조건에 따른 후면 일사량 기여율을 고려한 계수를 설정할 필요가 있다. 이를 위해 방위각 그룹별로 제시된 전후면 일사량 비에 모듈의 특성인 양면계수(Bifaciality factor)를 곱한 값을 적용하여야 할 것으로 판단된다. 이와 같이 산출된 계수값은 향후 예측 시뮬레이션에서 전면 일사량을 기반으로 후면 일사량을 추정하기 위한 계산 모델의 입력 파라미터로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 해당 결과는 Table 9에 정리하였다.

4. 결 론

본 연구는 수로 환경에 적합한 양면형 태양광 모듈을 대상으로, 장기 실측 데이터를 기반으로 전면 및 후면 입사 일사량의 상대적 기여도와 전·후면 간 상관관계를 분석하고, 예측 시뮬레이션에 적용 가능한 일사량 보정 계수를 도출하고자 하였다.

1) 일사량을 6개의 구간으로 세분화하여 분석한 결과, i3,4,5 (50–1000 W/m²) 구간이 전체 순시 일사량값의 합의 평균 95% 이상을 차지하였으며, 이는 본 실증 기간 동안 실질적인 발전에 기여하는 주요 일사량이 해당 범위에 집중되어 있었음을 의미한다.

2) 전·후면 비율의 분포를 분석한 결과, 핵심 구간 i3,4,5 (50–1000 W/m²) 내에서 북향·동향·서향은 유사한 비율 특성을 보였고, 수평면 및 남향도 유사한 양상을 나타냈다. 피어슨 상관계수 분석을 통해 각각의 그룹 간 높은 상관성을 확인하였으며, 이를 통해 방위각 그룹별 보정계수의 단순화 가능성을 검토하였다.

3) 방위각 그룹별로 일사량 보정 계수를 정리한 결과, 수평면 및 남향 그룹의 경우 i3 (50-100 W/m²) 구간에서 11.23%, i4 (100–500 W/m²) 구간에서 7.85%, i5 (500–1000 W/m²)구간에서 6.43%의 후면 기여도가 나타났으며, 북향·동향·서향 그룹은 동일 구간에서 각각 34.19%, 12.37%, 8.91%로 나타났다. 시뮬레이션 적용 시에는 이러한 전·후면 비율에 모듈의 양면계수를 곱하여 후면 일사량을 추정하는 방식이 타당할 것으로 판단된다.

본 연구는 수로형 구조에 특화된 양면형 태양광 모듈의 일사량 특성을 실측 기반으로 정량화하고, 이를 시뮬레이션 모델 설계에 적용하기 위한 기초적 기반을 제공한다. 이러한 결과는 탄소중립 정책 달성을 위한 수상 태양광 시스템의 보급 사업에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 본 연구에서 도출한 계수를 기반으로 예측 시뮬레이션 모델을 개발하고, 실증 발전량과의 비교·검증을 통해 모델 정확도를 제고하는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.