기호 및 약어 설명
PR : Performance Ratio, 성능비율
Mt : Mega-ton, 백만톤
IR : Infrared, 열화상
EL : Electroluminescence, 전계발광
1. 서 론
2022년 전세계 태양광 모듈 설치 용량이 1 TW를 돌파하였고, 2023년 새로 추가된 태양광 설비가 전년 대비 50% 이상 증가하였다1). 앞으로 설계부터 운영 및 유지관리, 폐기까지 태양광 자원의 효율성과 수명관리에 대한 준비가 필요한 시점이다. 전세계 누적 태양광 모듈 폐기물은 2030년까지 최소 4 Mt에서 2040년 약 50 Mt로 급증할 것으로 예상하고 있다2). 국내외에서 태양광 재활용을 위한 기술개발이 활발하게 추진되고 있고, 국내에서도 태양광 폐패널의 생산자책임재활용제도가 2023년부터 시행되고 있다.
태양광 모듈은 고장이 발생하지 않는다면 연간 0.4 ~ 0.8% 수준 열화하는 정도로 안정적인 제품이다. 옥외에서 10-20년 운영되었더라도 초기 대비 10% 전후 출력을 보인다. 이러한 폐모듈을 재활용하지 않고, 재사용한다면 태양광 발전 시스템의 자원을 절약하고, 이산화탄소 배출량을 줄이는 추가 전략이 될 수 있다. 즉, 재활용 보다 재사용을 확대한다면 실용적이고 경제성도 확보가 가능하다.
일반적으로 태양광 모듈을 재사용하기 위해서는 개별적으로 육안검사, I-V 측정, IR 및 EL 측정 등으로 등급화하고, 결함의 수리, 커넥터, 케이블, 정션박스의 교체 등의 작업을 진행한다. Nieto-Morone et al. (2024)3) 논문에서는 태양광 모듈을 결함을 부분적으로 수리하여 재사용한 사례를 발표하였다. 또한, 셀 크랙, 핫스팟, 인터커넥터, 백시트, 유리, 프레임 등 다양한 수리 기법에 대한 연구 결과가 발표되었다4). Schnatmann et al. (2024)5)의 경우 재활용의 대안으로 태양광 모듈의 기술적 재사용 가능성에 대한 조사를 하였다. 그러나 실제 결함이 발생한 모듈을 재사용하기 위해 수리를 한 경우 내구성과 장기신뢰성을 확답할 수 없다. 그래서, 본 연구의 재사용 모듈은 I-V 측정 결과 출력 손실이 10% 수준이하이고, 육안검사에서 문제가 없고, EL 측정에서 크랙이 발견되지 않은 모듈을 선정하였고, 커넥터 및 케이블 교체, 세척 등 최소화의 작업만을 수행하였다. 즉, 모듈의 미스매치를 줄이고, 장기적으로 안정적인 운영이 가능한 모듈을 선별하였다.
Kahoul et al. (2017)6) 알제리에서 약 11년 운영된 결정질 태양광 모듈은 출력 손실이 35% 이나 전류 손실은 약 11% 수준으로 평가되었다. Lillo-Sánchez et al. (2021)7) 스페인에서도 12년 후 전류 손실 9% 수준의 결과를 보였다. 스트링의 직렬연결에서는 태양광 모듈의 전류의 균일이 중요한 지표일 수 있다. 재사용 모듈의 경우에도 미스매치를 줄이기 위해서는 동일한 스펙의 태양광 모듈에서 출력과 전류값을 균일하게 분류하여 활용하는 것이 중요할 것이다.
본 논문에서는 10년 가동된 단결정 215 W 태양광 모듈을 재사용하여 구축된 약 50 kWp 태양광 발전소와 신규 태양광 모듈로 동시에 구축한 발전 시스템과도 비교하였다. 육안 검사, IR, EL, 모니터링 데이터 분석 등을 수행하였다.
2. 실 험
재사용의 모듈은 단결정 54셀 215 W로, 2012년도 제조되어 설치되고, 필드에서 11년 운영되어 2023년 수거되었다. 총 수거된 모듈은 약 420여개에서 육안검사, I-V측정, EL 측정 분석을 통해서 재사용 가능한 모듈을 구분하여 230개 선정하여, 커넥터 및 케이블 교체, 세정 등의 재사용 공정을 진행하였다. 실제 재사용 모듈의 출하 전 I-V 측정 결과는 평균 출력은 207 W로 명판대비 약 96.2% 수준의 출력 특성을 보였다. 폐모듈 출력 및 EL 측정 결과 크랙에 의한 불량이 대부분이고, 재사용 모듈 선정에서 제외되었다.
재사용 모듈은 초기 명판 기준 출력 215 W이고, 비교 분석을 위한 일반 태양광 모듈은 545 W 하프컷 양면 모듈로 모듈의 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
PV modules specification
| Item | Used PV module | New PV module |
| Pmax | 215 W | 545 W |
| Vmp | 27.22 V | 42.30 V |
| Imp | 7.90 A | 12.91 A |
| Voc | 33.66 V | 49.20 V |
| Isc | 8.40 A | 13.54 A |
| FF | 74.7 | 81.8 |
재사용 모듈은 23개 직렬 10병렬로 49.45 kWp 로 구성하였고, 비교 분석을 위한 일반 태양광 발전소의 경우 545 W 15직렬 6병렬로 49.05 kWp 구성하여, Fig. 1과 같이 충청북도 음성군 소재 극동대학교 강의동 및 기숙사동 옥상에 2023년 12월 각각 설치하였고, 2024년 1월부터 가동을 시작하였다.
모니터링 시스템의 신규 구축을 통해서 2024년 8월1일부터 2025년 3월18일까지 230일간의 데이터 분석을 수행하였다. 2개 태양광 발전 시스템은 명판출력값 및 수정된 모듈 출력값을 활용한 2가지 PR로 분석을 수행하였다. PR의 경우 일정 기간 동안의 발전량을 설치용량과 일사량으로 나눈 값으로 발전소의 일사 환경에 의한 발전 성능을 파악하는 지표로 활용하였다. 그 외 미스매치 고장진단 여부 파악을 위해서 육안검사 및 IR, EL 분석을 수행하였다.
3. 결과 및 토의
재사용 모듈 및 신규 모듈로 구축된 태양광 발전소의 모니터링 데이터 분석은 2024년 8월 1일부터 2025년 3월18일까지 230일간의 데이터를 활용하여 수행하였다. 월단위 발전량, 경사일사량, PR 분석 및 신규 발전소 대비 재사용 발전소의 비율 분석 결과는 Fig. 2와 같다. 모니터링 데이터 분석 결과 PR은 재사용 발전소 86.5%, 일반 발전소 92.2%로 일반발전소 대비 93.8%의 수준을 보인다. 일반 발전소의 높은 PR의 경우, 양면 태양광 모듈에 의한 추가적인 후면 발전이 포함되었을 것으로 예상된다.
명판대비 2개 발전 시스템을 비교하였으나, 실제 재사용 모듈의 경우 평균 출력이 207 W 수준이고, 비교 대상인 일반 발전소의 경우 양면 모듈이므로 명판대비 PR로 계산하였을 때 불합리한면이 존재한다.
양면 태양광 모듈의 경우 후면 반사된 빛의 입사에 의해서 bifacial gain이 존재한다. 앞선 연구에서 콘크리트 후면에서 평균적으로 맑은날 10.4% 일사량과 9.7% 발전량, 흐린날 15.8% 일사량과 12.3%의 발전량의 bifacial gain이 보고되었다8). Fig. 4는 일반 발전소 후면 모습으로, 양면 모듈이 설치된 옥상의 경우 바닥은 콘크리트이고, 맑은 날 900 W/m2에서 후면 일사량을 측정한 결과 외곽으로부터 내부로 들어갈수록 30 W/m2에서 25 W/m2 정도로 낮아졌고, 또한 후면 구조물에 가려진 영역의 경우 15 W/m2 수준 1.55%에 그쳤다. 이에 따른 bifacial gain은 1.55% 수준으로 예상하였다. 타 연구 논문과 달리 bifacial gain이 낮은 이유는 옥상이라는 좁은 면적과 반사가 가능한 주변 시설이 부족하고, 주변의 빛보다는 모듈 내부 셀 사이로 유리/EVA/투명백시트를 통과한 빛과 후면 구조물에 의해 가려진 영역에 의해 직렬 연결된 스트링의 전류 손실이 예상된다.
재사용 모듈의 평균 출력 207 W를 반영하고, 일반 모듈의 경우 양면 발전의 1.55% 추가 발전을 반영하여 553.4 W로 기준 출력을 반영하여 PR 분석을 수행하였고, 그 결과는 Fig. 4과 같다. 명판 대신 수정된 출력으로 설치용량을 산정하면, 재사용 발전소는 47.61 kWp, 일반 발전소는 49.81 kW로 변경되었고, 동일한 기간 동안 PR은 각각 89.9%, 90.8%로 분석되었다. 일반발전소 대비 재사용 발전소의 발전 비율도 99.0% 수준으로 평가되었다.
2개 발전 시스템에 대한 IR 및 EL 분석을 수행하였고, 일반 발전소의 경우 모듈과 시스템의 결함은 관찰되지 않았다. 재사용 모듈의 경우, 230개 모듈 중 4개 핫스팟, 2개 바이패스다이오드 불량이 관찰되었다. Fig. 5와 같이 온도차가 20도 이상 발생된 사례로 태양전지에서 션트가 발생되어 셀이 작동하지 않는 상태이다. 그 외에도 열화상에서는 핫스팟으로 발현되지 않았으나, EL 검사에서 미세한 크랙이 발견되었다. 이러한 미세한 크랙, 셀의 미스매치에 의한 전류 손실 등이 직렬연결로 반영되어서 출력 손실이 반영된 것으로 예상된다.
4. 결 론
본 논문에서는 재사용 모듈을 활용한 태양광 발전소의 성능 분석을 분석을 동시에 구축된 양면 태양광 발전 시스템과 비교하였다. 분석의 경우 일정 기간 동안의 PR로 분석을 하였고, 첫 번째 명판 기준의 분석 결과는 재사용 발전소 86.5%, 일반 발전소 92.2%로 일반발전소 대비 93.8%의 수준을 보였다. 그러나 이와 같은 방법으로는 재사용 모듈의 실제 출력값과 양면 모듈의 후면 bifacial gain이 반영되지 않았고, 추가적으로 실제 재사용 모듈의 평균 출력과 양면 모듈의 후면 bifacial gain을 고려한 출력으로 설치용량을 수정하여 PR 분석을 시행한 결과, PR은 각각 89.9%, 90.8%로 분석되었고, 일반발전소 대비 재사용 발전소의 발전 비율도 99.0% 수준으로 평가되었다. 재사용 모듈을 활용하여 태양광 발전소를 구축하여도 충분히 발전량을 확보할 수 있을 것으로 평가되었다. 이를 위해서는 재사용 모듈의 선별할 때, 핫스팟, 크랙, 바이패스다이오드 불량과 같은 미스매치 요인들을 제거할 필요가 있다. 또한, 커넥터, 케이블, 정션박스 등의 리뉴얼을 통해서 적용이 가능하다. 아직 재사용 모듈의 장기신뢰성 관련 연구는 부족한 실정이고, 관련 정책도 마련될 필요가 있다. 향후 재사용 모듈의 경우, 미스매치 손실을 줄이기 위해 별도로 파워 옵티마이저를 설치하여 출력 보상 특성을 분석할 예정이다.
전세계적으로 태양광 모듈의 재활용에 대한 관심이 높아지고 있고, 재자원화를 위해 필수적인 과정이나, 안정적으로 운영되었고, 고장이 없고, 열화가 덜 된 태양광 모듈의 경우 자원의 활용 측면에서 재사용화를 추진할 필요가 있다. 향후 재사용 모듈을 활용한 신규 발전소가 확대된다면, 자원의 효율적인 활용이 가능하고, 경제성을 확보한 새로운 발전 시스템 구축 모델로 자리매김을 기대한다.
