국내 최대 '장경간' 구조물 기반 영농형 모델 적용
“환경 따라 자유자재로” 다변화한 입지와의 공존 모색
700kW급 영농형 실증사업서 “82% 이상 수확률 성과”
펜스형·수직형 등 입지 따라 요소기술 확보 박차

전남 나주시 전남농업기술원 부지에는 총 357kW(밭 253kW, 논 104kW) 규모의 영농형 태양광이 자리잡고 있다. 한전 전력연구원이 운영 중인 이곳 발전소에는 국내에서는 기둥 사이가 가장 넓은 ‘장경간’ 구조물 기반의 영농형 모델이 적용됐다. 

기둥 거리가 8m 이내인 일반 민간 중·단경간 영농형 모델과 달리 전력연구원 모델은 가로 사이 15m, 세로 사이 25m, 높이 5m로 구성됐다. 전력연구원 신재생에너지연구소는 과거 이곳을 구축하고 이곳을 구축하고 입지 발굴부터 시스템 실증, 운영관리의 전주기 기술을 확보했다. 이를 토대로 향후 유틸리티급, MW급 규모 영농형 태양광을 실증하기 위한 사업모델을 도출했다.

우상균 한전 전력연구원 재생e솔루션팀 팀장은 “장경간 모델에 집중한 이유는 결국 농업 현장에 적용돼 운영이 쉬워야 하기 때문”이라며 “농기계의 진입이 잦은 대규모 농경 단지는 발전설비와 농기계 사이에 조화를 이루는 동시에 농업 생산성도 높이는 방안을 찾아야 했다”고 강조했다.

해당 설비는 양면형 모듈을 통해 발전효율을 극대화하고, 충분한 높이를 취하면서 채광효과를 얻는 동시에 설비 밑면 작물의 수분으로부터 모듈 냉각효과로 인해 발전효율이 좋아지는 결과를 얻었다. 그 결과 모듈 하단에서 재배한 벼·콩은 물론 키 큰 작물인 옥수수 등은 평균 82.25%의 수확률을 얻기도 했다.

김가람 전력연구원 재생e솔루션팀 선임연구원은 “일반 농지의 경우 작물별로 태양광을 받는 적절한 시간과 양이 있다. 영농형 태양광은 이러한 식물의 '광포화점'을 감안해 태양광 모듈 사이의 거리, 그림자의 배치 및 일조시간 등을 설계하면 모듈 하단의 고온 방지 효과 등을 얻을 수 있다”고 설명했다.

영농형 태양광은 농지에 태양광발전시스템을 설치해 구조물 하부에선 작물을 재배하고, 상부에선 발전을 병행하는 시스템으로, 동일 부지 내의 생산성을 60% 이상 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다. 농지를 유지하며 발전함으로써 국가차원의 식량 안보와 에너지 안보라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 기술로 평가된다. 

최근에는 앞서 전력연구원에서 수행한 나주 357kW급 모델과 태안 350kW급 지원사업 모델에서 한 발 나아가 기둥 직경 축소 및 경량화를 통해 사업성을 한층 높이는 계획을 추진 중이다. 특히, 염해부지가 다수 산재한 초연약지반에서도 하부 기초 안정성을 확보할 수 있는 소형 기초 구성방안을 추진하고 있다. 

김가람 선임은 “매립부지에서는 단단한 지반까지 파내야 하는 경제성의 문제가 있었지만, 마찰력을 활용하면 적절한 지내력을 가질 수 있다”고 설명했다.

지난 2018년 연구에 돌입해 구축한 해당 단지의 운영과 더불어 전력연구원은 유휴부지에 재생에너지 보급을 위한 연구를 추진하고 있다. 그동안 주목받지 않던 일종의 ‘맹지’인 유휴부지를 활용해 태양광과 풍력을 보급한다는 점에서 의미가 있다. 점차 증대되고 있는 재생에너지의 필요성에 반해 국내 설치 입지는 좁아지고 있어, 선도적으로 관련 기술과 사업모델을 확보하는 게 중요하다는 인식에서 비롯했다.

우상균 팀장은 “전체 면적의 60%가 산지인 우리나라는 대규모 태양광의 부지제약이 있지만, 단위면적당 설비용량은 세계 3번째(269.3kW/㎢)로 많다”며 “연구원 재생E솔루션팀은 앞으로 다가올 여러 제약을 극복할 수 있는 기술을 확보하고, 궁극적으로 보급 확대에 기여할 수 있는 입지다변화 연구, ‘공존형 태양광’ 연구를 주도하고 있다”고 설명했다.

재생e솔루션팀이 주목하고 있는 입지다변화형 태양광은 특수 목적·기능을 병행하면서도 태양광발전을 할 수 있는 공존형 태양광이란 점에서 정부 정책과 궤를 함께 하는 한편, 미래형 태양광으로서도 주목을 받고 있다. 

우상균 팀장은 “부지제약으로 일반 태양광이 포화가 된 상황에서, 향후 다변화된 입지에서 태양광 수요가 늘어날 것이란 전제 아래 실증단지를 구축하고 있다”며 “이를 운영하며 얻은 데이터를 바탕으로 발전량, 사업성 등을 판별할 수 있는 기준을 세우고, 관련 기술을 확보했을 때 앞으로 적정 부지에서 곧바로 재생에너지 보급이 가능할 수 있기 때문”이라고 말했다.

전력연구원은 우선 공공 차원에서 기술의 가능성을 모색하고, 나아가 에너지 신산업 생태계를 조성한다는 구상이다. 공공에서 시스템 개발, 설치가격 저감, 이용률 향상 등 요소기술 확보를 수행하면 이후 사업 여건도 한층 개선될 수 있다는 시각이다.

영농형 태양광의 경우 일반 태양광과 동일한 REC를 적용받지만 부지 소요나 설치비 부담 때문에 경제성을 확보하기 어려운 실정이다. 더욱이 법제화가 미비한 탓에 민간에서도 섣불리 연구개발이나 수익사업에 나서기 어렵다. 현재 사업은 이를 극복할 수 있는 시스템 최적화 연구를 전력연구원 등 공공이 수행해야 한다는 일종의 책임의식이 반영됐다.

재생e솔루션팀은 영농형 모델 외에도 영농 펜스, 도로 방음벽에 적용할 수 있는 수직형 태양광과 염전 수중태양광 등의 연구를 수행한 바 있다. 실제 나주 전력연구원 에너지신기술연구원 경내에는 동서남북 등 방위에 따라 상이하게 배치된 태양광을 가동하며, 현재 포화 상태에 이른 계통 운영의 부담을 덜 수 있는 솔루션도 모색 중이다.

이승민 재생e솔루션팀 선임연구원은 “전후면 모듈, 4가지 구조물 등을 조합해 8개의 설치 조건을 구성했다”며 “특히, 수직형 태양광은 해가 뜰 때와 해가 질 때 전력생산 피크시기가 집중되는 ‘쌍봉’ 형태의 발전 패턴을 지닌다. 이는 특정 시간대 생산이 집중되는 반면 부하는 급감하는 ‘덕커브’와 함께 출력제어 등의 해법으로 제시될 수 있을 것”이라고 내다봤다.

그는 “수직으로 기다랗게 뻗은 국내 고속도로 방음벽에 설치하거나, 단면 모듈의 경우 BIPV 등의 설치 형태를 상상할 수 있을 것”이라며 “한정된 선로 내에서 어떻게 하면 태양광발전을 더 많이 연계할 수 있을까 하는 수용성 개선의 연구로 종합할 수 있다”고 덧붙였다.

한전에서도 ‘KEPCO R&D 마스터플랜’ 수립을 통해 공존형 PV 기술을 재생에너지 확대 전략기술 중 하나로 선정하고 GW급 상용화를 목표로 하고 있다.

다만 공존형 태양광의 경우 발전 외에 여타 기능을 수행하는 만큼, 해당 기능을 규제하는 법·규정과의 조화가 선결 조건으로 거론되고 있다. 특히, 유관부서 및 기관과 긴밀한 공조를 통해 정책을 고려한 기술 개발이 전략적으로 이뤄져야 한다는 것이다. 

우상균 팀장은 "공존형 재생에너지 모델을 확대할 규제 토양도 마련된다면 각종 제약을 해소하는 기술 개발의 의미도 더해질 것"이라고 말했다.