/태양광/ 11. 태양광 발전 주요 기자재 분석(1)

태양광 모듈(Solar PV Modules) / 인버터(Inverter)

태양광 모듈 (Solar PV Modules)

최신 태양광 셀/모듈 기술 동향

현존하는 태양광 모듈은 주로 실리콘 기반 결정질 셀을 사용하며, 단결정(monocrystalline)과 다결정(polycrystalline) 기술로 나뉩니다. 과거에는 알루미늄 후면전극(Al-BSF) 셀이 주류였으나, PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) 기술이 2018년경부터 효율 향상을 통해 시장을 대체하였습니다.

최근에는 PERC를 뛰어넘는 차세대 기술로 TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact)과 HJT(Heterojunction, 이종접합) 같은 N형 셀 기술이 도입되고 있습니다. 예를 들어 PERC 셀은 셀 뒷면에 패시베이션 층을 추가해 전자 재결합 손실을 줄여 효율을 높이고, TOPCon은 여기에 초박막 산화층과 폴리실리콘을 접목하여 접촉저항을 더욱 낮춘 기술입니다.

HJT는 결정질 실리콘 웨이퍼 양면에 비정질 실리콘층을 적층한 구조로 고효율을 달성합니다. 페로브스카이트(perovskite) 태양전지는 차세대 기술로 주목받고 있는데, 실험실 단위로는 단일접합 셀이 26% 이상의 효율에 도달했고, 실리콘과 적층한 탠덤 셀로 34.6% 효율까지 달성되었습니다. 다만, 페로브스카이트는 장기 안정성 문제가 남아 있어 상용화가 지연되고 있으며, 현재 상용 모듈의 95% 이상은 여전히 실리콘 기반입니다.

고효율화 모듈 기술

셀 자체 기술 외에도 모듈 차원에서 효율을 높이는 혁신이 이루어지고 있습니다. 양면형 모듈(bifacial module)은 전면뿐만 아니라 후면에서도 광원을 흡수하여 발전량을 늘리며, 설치 환경에 따라 5~20% 이상의 추가 발전이 가능합니다.

대형 발전소에서는 반사도가 높은 지면이나 수면 위에 양면형 모듈을 설치해 이러한 이중집광 효과를 극대화합니다. 스마트 모듈(smart module)은 전력전자 장치를 내장한 태양광 패널로 각 모듈 뒤에 DC 최적화기(power optimizer)나 마이크로인버터를 일체화한 것입니다. 이를 통해 모듈별 MPPT 및 모니터링이 가능해져 부분 그늘짐 등으로 인한 효율 저하를 최소화하고 설치와 유지보수를 간소화합니다.

컬러 BIPV(Building-Integrated PV) 모듈은 건물 외장재와 일체화되도록 다양한 색상과 디자인으로 제작된 태양광 모듈입니다. 과거에는 유리에 색을 입히는 방식 때문에 효율 저하가 컸으나, 최근 구조색 기술을 활용하여 색상을 구현함으로써 기존 대비 95% 수준의 출력을 유지하는 고효율 컬러 모듈이 개발되고 있습니다. 예를 들어 독일 Fraunhofer ISE의 MorphoColor 기술은 나비 날개의 광학구조에서 영감을 얻어 색상을 내면서도 효율 손실을 최소화한 것입니다.

PERC 셀의 단면 구조도

셀 앞면은 미세한 텍스처링과 반사방지막(ARC)으로 빛 흡수를 높이고, 뒷면은 Al₂O₃/SiNx 패시베이션 층과 국부 알루미늄 후면필드(Local BSF)를 형성하여 전자 재결합을 억제합니다. PERC 기술 도입으로 셀 효율과 출력이 크게 향상되었습니다. PERC 기술 도입으로 셀 효율과 출력이 크게 향상되었습니다.

TOPCon 셀의 단면 구조도

PERC 셀과 기본구조는 유사하지만, 초박막 터널산화막(SiO₂) 위에 인산도핑 된 N형 폴리실리콘층을 추가하여 접촉부 재결합을 감소시킵니다. 이를 통해 PERC 대비 약 1~2% p 높은 셀 효율을 달성하며 대규모 양산이 진행되고 있습니다.

모듈 신뢰성 및 내구성 (IEC/KS 기준)

태양광 모듈은 2030년 수명을 요구하므로 출하 전 국제표준 시험을 거쳐 장기 내구성을 검증받습니다. 대표적으로 IEC 61215 (KS C IEC 61215)는 결정질 및 박막 모듈의 성능 인증 규격으로 가혹한 환경 스트레스 테스트를 통해 초기 510년 동안 5% 이하의 출력 열화를 보장하도록 합니다. IEC 61215에서는 아래와 같은 가속시험을 수행합니다.

열순환 시험 : -40℃~+85℃ 사이 온도사이클을 수백 회 반복하여 열팽창/수축으로 인한 균열 및 접합부 손상을 평가함

습열 시험 : 85℃, 85% 상대습도의 환경에 1000시간 이상 노출하여 고온다습 환경에서의 출력 열화를 확인함

자외선 노출 시험 : 강한 UV에 장기간 노출 시 재료 열화를 가속하여 EVA 등 봉지재의 내후성을 검증함

기계적 부하 시험 : 정해진 면적에 2400Pa(풍속 130km/h 상당) 이상의 하중을 가하여 풍압 및 적설하중에 대한 기계적 강도를 시험하며, 전면에는 5400Pa까지 가해 눈 부담도 평가함. 또한 Ø25mm 우박을 시속 83km로 충돌시키는 우박 충격 시험으로 내충격성도 확인함

외부노출 시험 : 실제 옥외 환경에 일정 기간 모듈을 노출시켜 실증적인 성능 변화를 관찰함

이밖에 PID(전위유도열화) 시험(IEC 62804), LID/LETID 광열화 시험 등도 추가로 수행되며, 시험 후 초기 대비 발전성능 유지율 등을 기준으로 합격 여부를 판단합니다.

IEC 61730 (KS C IEC 61730)은 모듈의 안전성을 다루는 표준으로 절연내력, 누설전류, 화재등급 등을 규정합니다. 예를 들어 지붕일체형(BIPV) 모듈은 IEC 61730-2 부속서의 내화성 시험에서 요구하는 화재 등급을 충족해야 합니다. 한국 KS 인증은 IEC와 부합화되어 운영되며, 국내에서도 TUV나 UL 등의 공인시험소를 통해 IEC/KS 인증시험을 거친 후 모듈이 공급되고 있습니다.

국내외 주요 제조업체 및 시장 동향

2020년대 태양광 모듈 시장은 중국 업체들의 독주 체제가 두드러집니다. 2023년 기준 출하량/생산량 순위 Top10 중 다수가 중국 기업으로, JA Solar, Trina Solar, Jinko, LONGi 등이 선두권을 차지하고 있습니다.

Wood Mackenzie 보고서에 따르면 상위 12개 모듈 제조사 중 9개가 중국 기업이며, 한화큐셀(Qcells)이 몇 안 되는 비(非) 중국계로 상위권(8위)에 올랐습니다.

상위 업체들의 대규모 증설로 2027년까지 상위권만으로도 전 세계 수요의 2배 이상을 생산할 수 있는 능력이 갖춰질 전망이며, 그만큼 경쟁이 치열합니다. 한화큐셀은 한국 기업으로서 독일 R&D 기반의 기술력을 바탕으로 미국, 유럽 주택용 시장 등에서 점유율 1위를 기록하며 선전하고 있습니다. 그 외 국내에는 LG전자(2022년 태양광 사업 철수), 현대에너지솔루션, 신성이엔지 등 셀/모듈 제조사가 있고, 해외 주요 기업으로는 캐나다솔라(중국계), First Solar(미국, CdTe 박막기술) 등이 있습니다. 전 세계 모듈 가격은 중국발 공급확대로 지속 하락 추세이며, 기술적으로는 210mm 대형 웨이퍼, 하프컷 셀, 무버스바 등으로 발전하고 있습니다.

인버터 (Inverters)

계통연계형 vs 독립형 인버터

태양광 인버터는 직류로 생산된 태양광 전력을 교류로 변환하는 전력변환장치로 계통연계형(grid-tied)과 독립형(off-grid)으로 구분됩니다. 계통연계형 인버터는 한마디로 전력망과 동기화되어 동작하는 인버터입니다. 발전된 전기를 즉시 한전 계통으로 송전하거나 건물 부하에 공급하며, 계통 전압/주파수에 맞춰 인버터가 출력을 조정합니다. 이러한 인버터는 섬모드(독립운전)를 방지하기 위해 계통 정전 시 자체적으로 출력을 차단하는 보호기능(안티아일랜딩)을 갖추고 있습니다. 반면 독립형 인버터는 계통과 연결되지 않은 자율전원계통을 구성할 때 사용되며, 배터리 등의 에너지저장장치(ESS)를 통해 전력을 저장/공급합니다.

AC-커플드 그리드 연결 주거용 태양광 발전 시스템의 간단한 개략도

독립형 인버터는 자체적으로 220V 60Hz 등의 교류 전원을 생성하고 부하를 구동하며, 계통연계형과 달리 외부 그리드와 위상 맞춤이 필요 없습니다. 최근에는 계통연계 기능과 배터리 충방전 기능을 겸비한 하이브리드 인버터도 보급되고 있어 평상시에는 계통연계형으로 동작하다가 정전 시에는 자동으로 독립형 모드로 전환되어 비상전원을 공급하기도 합니다.

배터리 저장 장치가 있는 독립형 전원 시스템

최신 인버터 기술 트렌드

태양광 인버터 기술은 고효율, 고출력화와 스마트 기능 강화 방향으로 발전하고 있습니다. 반도체 소자의 발전으로 DC-AC 변환 효율이 99%에 육박하는 제품들이 등장하고 있으며, 인버터 당 용량도 수백 kW에서 수 MW급(대용량 중앙인버터)까지 다양화되었습니다. 또한 AI 기반 스마트 인버터 개념이 대두되고 있는데, 인공지능 알고리즘을 활용하여 발전 예측, 이상 상태 진단, 전압/주파수 제어 등을 자율적으로 최적화하는 기술입니다.

예를 들어 여러 분산형 인버터를 클라우드로 연결해 군집 제어 및 그리드 지원 기능을 구현하거나, 인버터 내부에 AI를 탑재해 실시간으로 MPPT 성능을 향상하는 연구가 진행 중입니다. 스마트 인버터는 특히 전력망에 높은 비중으로 태양광이 연결된 지역에서 무효전력 제어나 주파수 응답 등을 통해 능동적으로 계통안정화에 기여하는 방향으로 진화하고 있습니다. 그 밖에도 태양광과 ESS를 일체화한 PCS(전력변환장치) 솔루션, 주파수변환, 전압조정이 자유로운 멀티포트 인버터 등도 개발되어 적용 사례가 늘고 있습니다.

인버터의 보호 기능 및 안전성

태양광 발전 시스템의 안전을 위해 인버터에는 다양한 보호장치가 내장됩니다. 우선 낙뢰나 서지로부터 기기를 보호하기 위한 서지보호기(SPD)가 DC입력부나 AC출력부에 설치되어 과전압을 신속히 바이패스합니다. 또한 절연감시 기능이 있어 PV 배열과 지락 간 저항을 상시 측정함으로써 누설 전류나 지락 사고를 조기에 탐지합니다.

미국 NEC 규정 등에 따라 2011년 이후 80V 이상 PV 시스템에는 아크_fault 검출 및 차단(AFCI) 기능이 요구되어 많은 인버터가 직류 아크를 자동으로 감지하여 소화하도록 설계되었습니다. AFCI는 회로 내 비정상적 아크(불꽃 방전)를 인지하면 회로를 차단하여 화재를 예방하는 장치로 일상적인 아크(스위치 개폐 시 발생 등)와 위험한 아크를 구분해 동작합니다.

이외에도 인버터는 단독운전 방지, 단락/과부하 보호, 온도 및 과열 보호 등의 기본 안전기능을 갖추고 있습니다. 태양광 모듈의 PID 현상(잠재적 유도 손상)을 완화하기 위해 일부 인버터는 야간에 DC 배열에 미약한 역전압을 인가하여 모듈을 회복시키는 Anti-PID 모드를 제공하기도 합니다. 이러한 보호 및 관리기능의 발전으로 현대 인버터는 단순 변환기를 넘어 발전소 관리 시스템의 역할을 수행하고 있습니다.

주요 제조업체 및 시장 전망

글로벌 태양광 인버터 시장은 중국 업체들이 선도하고 있습니다. 화웨이(Huawei)와 선그로우(Sungrow) 두 회사가 출하량 기준으로 세계 시장의 절반 이상을 점유하고 있으며, 그 외에 옥외형 스트링인버터 강자인 Ginlong(Solis), GoodWe, Growatt 등이 상위권을 형성합니다.

유럽의 SMA(독일)는 한때 세계 1위였으나 현재는 점유율이 감소했으며, 주로 대형 발전소용 중앙인버터에 강점이 있습니다. 미국의 SolarEdge(이스라엘계)는 DC 옵티마이저 기반 시스템으로, Enphase(미국)는 마이크로인버터로 각각 주택용 시장을 개척하였고, 이들 MLPE 업체들도 출하량 기준 Top10에 근접하고 있습니다. 2023년 기준 WoodMac 조사에 따르면 상위 10위 인버터 업체가 전 세계의 81%를 공급했으며, 이 중 9개가 중국 기업으로 시장집중도가 매우 높습니다.

국내 업체로는 LS일렉트릭(구 LS산전)이 국내 태양광 인버터 시장 점유율 1위를 차지하고 있고, 효성중공업도 500kW~2MW급 중앙형 인버터 제품군(GoodESS)을 보유하여 국내외 프로젝트에 공급하고 있습니다. 정부의 재생에너지 확대 정책과 함께 인버터 수요는 지속 성장할 전망이며, 특히 1500V 계통, 초대용량 인버터, V2X 양방향 전력변환 등 기술 트렌드에 따라 시장 판도가 변화할 것으로 보입니다.