세계 신재생에너지 설치용량은 급격히 증가하고 있으며 그 중 태양광은 2019년 연간 전체 발전원 설치용량 중 48%를 차지하며 압도적으로 최대 발전원임을 증명했다. 우리 정부도 『재생에너지 3020 이행계획』을 발표하며 확대 의지를 밝혔고, 대한민국은 2019년 세계 태양광 시장 Top 10에 등극하며 그 위엄을 떨치고 있다. 그러나 육상태양광은 국토의 자연훼손 및 난개발의 문제점이 제기되었고, 이에 정부도 유휴수면 활용 및 발전량 증대 등의 장점을 앞세우며 대두된 수상태양광 설치를 정책적으로 장려하였다. 하지만 수상태양광 발전시스템 역시 경관 훼손 및 설치면적 축소 등의 민원이 지속적으로 제기되며, 한국환경정책평가연구원(KEI)에서도 설치면적에 대한 가이드라인이 필요함을 제시하기에 이르렀다. 이에 본 논문에서는 태양광 설치 시 제한된 설치면적 내에서 설치용량 및 발전량을 증가시킬 수 있는 새로운 태양광 발전시스템 방법론을 제안하여, 국토의 효율적 및 친환경적 이용으로 『재생에너지 3020 이행계획』을 달성하면서 주민 수용성을 증대시킬 수 있는 방안을 모색하고자 본 연구를 진행하였다.
먼저 현재 운영되고 있는 상주 수상태양광 오태2발전소를 대상지로 선정하였으며, 동일한 면적(10,413㎡)을 최대한 활용한다는 전제 하에서 기존에 설치되어 있는 모듈 방위각 정남향(0도) 및 경사각 12도를 기준으로, 방위각을 동서방향(±90도)으로 경사각은 4/8/12/16/20도로 각각 변경 배치하여 모듈을 추가 설치할 경우, 설치용량, 발전량 및 발전시간, 모듈성능비(PR)에서 얼마나 차이가 나는지 Sketchup(2017) software를 통한 3D 모델링 및 태양광 시뮬레이션 툴인 PVSyst(V7.1.0) 프로그램을 이용한 시뮬레이션으로 비교 분석 연구를 진행하였다. 모듈 방위각을 정남향으로 설치했을 경우와 동서방향으로 설치했을 경우 모듈 경사각별 추가 설치 가능 용량을 확인하였을 때, 모듈 남향 배치 시 1,029.2kWp에 비해 모듈 경사각별 동서방향 배치 시 1,116.0kWp(모듈 경사각 4도)∼1,227.6kWp(모듈 경사각 20도)의 모듈이 설치 가능한 것으로 분석되어, 8.43%(86.8kWp)∼19.28% (198.4kWp)의 추가 모듈 설치가 가능한 것으로 나타났다. 또한 모듈 경사각별 동서방향 배치 시 1,390.7MWh/year(모듈 경사각 4도)∼1,471.6MWh/year(모듈 경사각 20도) 범위의 1차년도 발전량이 분석되어, 모듈 남향 배치 시 발전량인 1,379.0MWh/year 보다 모듈 경사각 4도 시 0.85%(11.7MWh/year)에서 모듈 경사각 20도 적용 시 최대 6.72% (92.6MWh/year) 정도 발전량이 더 증가하는 것으로 나타났다. 다음으로 발전시간 3.28kWh/kWp/day(모듈 경사각 20도)∼ 3.41kWh/kWp/day(모듈 경사각 4도)까지의 범위를 나타내어 남향 배치 시 발전시간인3.67kWh/kWp/day와 비교하였을 때 0.26∼0.39kWh/kWp/day의 차이를 보였으며, 이어서 모듈성능비는 86.07%(모듈 경사각 20도)부터 86.90%(모듈 경사각 4도)의 범위에서 모듈 남향 배치와 모듈 경사각별 동서방향 배치 간 ?0.72%p∼+0.11%p까지 차이가 나타났다.
이후 위와 같이 진행된 3D 모델링을 통해 얻은 분석 결과를 바탕으로 편익/비용 비율(B/C ratio), 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 그리고 투자회수기간(Year-to-positive cash flow)과 같은 평가지표를 통한 경제성 분석을 실시하여 모듈 동서방향 배치가 남향 배치와 비교하여 경제성을 지니는 태양광 발전시스템 방법론이 될 수 있는지 주요 가정 및 조건을 설정한 후 적용하여 분석하였고, 그 결과 순현재가치는 473.0백만원(모듈 경사각 20도)∼533.2백만원(모듈 경사각 4도)까지의 범위를 나타내어 남향 배치(650.8백만원)와 비교하였을 때 117.6백만원∼177.8백만원의 차이를 보였으며, 편익/비용 비율은 모듈 경사각별 동서방향 배치 시 1.40(모듈 경사각 20도)∼1.46(모듈 경사각 4도) 사이에서 거의 비슷한 결과를 보여 남향 배치(1.54)와 비교하였을 때 0.08∼0.14의 차이가 나타났다. 다음으로 내부수익률 중 PIRR은 7.91%(모듈 경사각 20도)∼8.65%(모듈 경사각 4도)의 범위를 나타냈으며 남향 배치(9.85%)와 비교하였을 때 1.20%p∼1.94%p의 차이를 보였고, EIRR은 17.22%(모듈 경사각 20도)∼20.34%(모듈 경사각 4도)까지의 범위를 나타내어 남향 배치(25.60%)와는 5.26%p∼ 8.38%p의 차이를 보였다. 이어서 투자회수기간은 모듈 남향 배치(4년차)에 비해 투자 회수기간이 약 1년(모듈 경사각 4/8/12/16도)∼2년(모듈 경사각 20도) 정도 더 걸리는 것으로 나타났다.
계속해서 비용 측면의 모듈 가격의 하락 등 총사업비 감소 및 편익 측면의 모듈 또는 시스템 등의 효율 상승으로 인한 발전량 증가 등 주요 변수를 변화시키는 민감도 분석을 실시함으로써, 설정한 주요 가정 및 조건의 오차를 보완하면서 나아가 위에서 분석된 경제성과의 비교 분석을 진행하였다. 동일 모듈 경사각(12도)일 경우 비용 측면에서 총사업비가 16.26% 및 26.02%가 감소한다고 가정하였을 때, 모듈 남향 배치 시 편익/비용 비율은 기존 1.54에서 각각 1.72 및 1.85로 높아졌으며, 내부수익률 중 PIRR은 기존 9.85%에서 각각 12.64% 및 14.80%, EIRR은 기존 25.60%에서 각각 38.45% 및 48.72%로 증가하였고, 순현재가치는 650.8백만원에서 각각 870.8백만원 및 1,002.9백만원으로 각각 약 34% 및 54% 증가하였다. 이에 비해 모듈 동서방향 배치 시 편익/비용 비율은 기존 1.44에서 각각 1.61 및 1.73으로 높아졌으며, 내부수익률 중 PIRR은 기존 8.41%에서 각각 11.08% 및 13.13%, EIRR은 기존 19.34%에서 각각 31.22% 및 40.78%로 증가하였고, 순현재가치는 522.4백만원에서 777.1백만원 및 929.9백만원으로 각각 약 49% 및 78% 증가하여 모듈 남향 배치에 비해 높은 민감도를 ㅋ지니는 것으로 확인되었다. 또한 마찬가지로 동일 모듈 경사각(12도)일 경우 편익 측면에서 발전량이 10.00% 및 20.00%증가한다고 가정하였을 때, 모듈 남향 배치 시 편익/비용 비율은 기존 1.54에서 각각 1.64 및 1.73으로 높아졌으며, 내부수익률 중 PIRR은 기존 9.85%에서 각각 11.31% 및 12.72%, EIRR은 기존 25.60%에서 각각 32.24% 및 38.83%로 증가하였고, 순현재가치는 650.8백만원에서 851.2백만원 및 1,051.6백만원으로 각각 31% 및 62% 증가하였다. 이에 비해 모듈 동서방향 배치 시 편익/비용 비율은 기존 1.44에서 각각 1.53 및 1.61로 높아졌으며, 내부수익률 중 PIRR은 기존 8.41%에서 각각 9.81% 및 11.16%, EIRR은 기존 19.34%에서 각각 25.46% 및 31.58%로 증가하였고, 순현재가치는 522.4백만원에서 731.3백만원 및 940.2백만원으로 각각 약 40% 및 80% 증가하여 역시 모듈 남향 배치에 비해 높은 민감도를 지니므로 향후 총사업비 감소 및 발전량 증가 시 보다 더 높은 경제성을 확보할 수 있을 것으로 분석되었다. 추가적으로 모듈 동서방향 배치와 남향 배치 간 동일한 경제성이 나타나는 총사업비 감소율 및 발전량 증가율을 확인하였으며, 현재 기준으로 모듈 동서방향 배치 시 총사업비가 8.00% 감소하였을 경우 그리고 모듈 동서방향 배치 시 발전량이 10.00% 증가하였을 경우, 모듈 남향 배치 시와 거의 동일한 수준의 경제성을 지니는 것으로 분석되었다.
본 연구는 모듈 방위각 및 경사각 변경 효과에 따른 발전량 및 모듈성능비 등을 태양광 시뮬레이션 툴인 PVSyst라는 프로그램을 이용하여 분석함에 있어 실제 운영 데이터를 이용한 가정조건 검증을 통해 최대한 실제와 가깝게 보정하여 연구를 실시함으로써 실효성을 확보했으며, 이를 통해 제한된 설치면적 내 태양광 설치 시 적정 모듈 경사각을 적용한 모듈의 동서방향 배치로 모듈 남향 배치와 비교하여 설치용량을 증가시킴으로써 정남향 모듈 배치가 아닐 경우 발생하는 발전량 감소를 상쇄하고 나아가 연간발전량을 증대시켜 경제성까지 제고할 수 있는 근거를 제시했다는데 의의가 있다. 더불어 모듈 동서방향 배치의 적정 모듈 경사각을 고려할 경우 RPS 공급의무자들은 자체 사업을 실시할 때 같은 부지에서 더 많은 의무공급량을 의무 이행할 수 있는 태양광 발전 방법론 중 하나로도 검토 가능할 것이며, 도시에 설치하는 지붕 또는 주차장 태양광 발전시스템은 여건상 항상 남향으로 설치하기 어려운 환경 및 조건이므로 본 연구를 활용한다면 경제성을 고려한 효율적인 발전시스템 구축을 진행할 수 있을 것으로도 기대된다. 또한 경제성 및 민감도 분석 결과 향후 총사업비 감소 및 발전량 증가 시 경제성을 제고할 수 있는 잠재성을 지니고 있다고 볼 수 있으므로 요즈음 태양광 발전소들의 성능개선, 즉 리트로핏(retrofit)이 화두가 되고 있는 상황에서 본 고에서 실시한 연구가 마중물로서 후속 연구들이 진행되어, 앞으로 제한된 설치면적 내에서 설치용량 및 발전량을 모두 증가시킬 뿐만 아니라 경제성 확보가 가능한 발전소 구축 및 성능개선이 실현되기를 기대해 본다. 마지막으로 본 논문에서 진행된 비교 분석 연구를 통해, 설치용량의 증가율보다 낮은 총사업비 및 유지보수 비용의 증가율을 위한 설계 단계에서부터의 노력과 더불어 발전량 및 발전효율이 더 높은 결과를 보이는 양면수광형 모듈 또는 고정가변형, 추적식(회전식) 구조물을 적용하거나 또는 동서방향 배치로 고려할 부지를 선택할 때 남는 면적이 없이 모듈 직병렬을 구성할 수 있는 부지를 선택하고 동서방향 배치이므로 유지보수 통로를 반으로 줄일 수 있는 이점을 십분 활용한다면, 설치용량의 증가율을 최대로 하고 총사업비를 줄여 경제성을 높임으로써 본 연구에서 설정한 목적을 충분히 달성할 수 있을 것으로 사료된다.