/태양광/ 12. 태양광 발전 주요 기자재 분석(2)

접속함 및 보호장치 / 배터리 및 에너지저장장치 / 배선, 구조물 등

접속함 및 보호장치 (Junction Boxes & Protection Devices)

최신 접속함 기술

태양광 접속함(PV Combiner Box)은 다수의 PV 스트링(Output)을 한데 모아 인버터로 보내기 전에 과전류 보호와 개폐를 제공하는 장치입니다. 대규모 발전소에서는 수십 개 스트링을 하나의 접속함에 연결하여 스트링 병합을 수행하며, 각 스트링에는 정격 전류에 맞는 퓨즈가 삽입되어 개별 스트링의 이상 시 회로를 차단합니다. 최신 접속함은 단순 연결함을 넘어 다양한 기능이 통합되고 있습니다. 예를 들어, 1500V DC 시스템이 보편화됨에 따라 이에 대응하는 고전압 부품(퓨즈, 개폐기)을 채택하고, 접속함 내에 부하개폐형 DC 차단기(디스커넥트 스위치)를 내장하여 필요 시 스트링을 한꺼번에 개방할 수 있습니다.

또한 원격 감시를 위해 스트링별 전류센서와 통신장치를 포함한 스마트 접속함도 도입되어, 운영자는 각 스트링의 발전상태나 퓨즈 단선 여부를 원격으로 모니터링할 수 있습니다. 접속함 내부는 옥외 환경을 견디도록 IP65 이상의 방수, 방진 등급의 함체로 보호되며, 온도 상승을 억제하기 위한 방열/환기 설계도 적용됩니다. 주요 구성요소로는 스트링 퓨즈 홀더(보통 ±극 각각에 퓨즈), 서지보호기(SPD), DC 개폐기, 접지바 등이 있으며, 신뢰성 높은 접속을 위해 멀티컨택트 MC4 규격 커넥터 등을 사용합니다.

접속함의 화재 예방 및 내구성 향상

태양광 발전설비 화재의 상당수가 접속부 문제(커넥터 접촉불량, 느슨한 단자 등)에서 기인하는 것으로 알려져 있어, 접속함 단계에서의 화재 예방 기술이 중요합니다. 앞서 언급한 AFCI 기능이 인버터에 통합되어 스트링 내 아크를 감지/차단하는 것도 화재 예방대책 중 하나입니다. 또한 접속함 내부 배선은 장시간 고온에 노출될 수 있으므로 내열성이 우수한 자재(예 : XLPE 절연 케이블)를 사용하고, 단자 토크 관리 및 스프링클립 단자 적용으로 접촉 불량을 방지합니다.

만일의 사태에 대비해 접속함에는 난연성 재질의 함체(금속 또는 난연 플라스틱)를 사용하고, 과전류 시 신속히 퓨즈가 차단되도록 적정 정격의 보호장치를 구비합니다. 일부 선진 제품은 열감지 센서로 이상온도 상승을 모니터링하거나, 방화 격벽을 추가하여 접속함 화재가 주변으로 번지지 않도록 설계되어 있습니다. 최근 국내에서는 접속함 및 연결부 화재 예방을 위해 커넥터 호환성 문제(타사 커넥터 혼용 시 생기는 접촉저항 증가 등)를 강조하고 있으며, 표준에 따른 동일제조사 커넥터 사용과 정기점검이 권고되고 있습니다.

안전 및 유지보수 기준

접속함은 전력 연결의 허브이므로 안정적인 운영을 위해 전기적, 기계적 안전기준을 따라야 합니다. 국제적으로는 UL 1741, IEC 61439-2 등에 접속함 관련 요구사항이 있으며, 접속함 내부 배선은 IEC 62548(태양광 어레이 설치 안전) 등의 지침을 따릅니다. 유지보수 측면에서 운용자는 정기적인 열화상 카메라 검사를 통해 접속함 내부 핫스팟이나 접촉 불량 징후를 점검하고, 나사 체결 토크를 주기적으로 재확인하여 느슨해짐을 방지합니다. 또한 SPD가 동작하여 열화된 경우 교체하고, 먼지나 벌레 등이 들어가지 않도록 함체 밀폐상태를 확인합니다. 옥외형 접속함은 자외선과 비바람에 장기간 노출되므로, UV 안정화 소재와 방수 실링을 사용하여 20년 이상 견디도록 설계됩니다. 만약 고장이나 화재 발생 시 주변 다른 스트링과 인버터에 영향을 최소화하기 위해 차단기 투입 순서 및 절차를 마련하여 대응합니다.

주요 기업 및 제품 동향

글로벌 접속함 및 BOS(Balance of System) 분야에서는 Eaton, Schneider Electric, ABB/FIMER 등 전력기기 업체들이 표준화된 접속함 제품을 공급하고 있습니다. 이들은 1000V 시대에서 1500V 시대로 넘어가며 안전인증(UL 1741 등)을 받은 1500V 접속함 제품군을 출시하였고, 예를 들어 Solectria(미국 Yaskawa 자회사)는 1500V 시스템용 DISCOM 접속함 시리즈를 선보이며 1530A 스트링퓨즈 옵션, 250400A 메인 DC스위치, Type 2 SPD 등을 특징으로 내세웠습니다.

국내에서는 태양광 발전소 EPC 업체들이 자체적으로 접속함을 제작하거나, LS일렉트릭, 현대일렉트릭 등에서 출시한 완제품을 사용하기도 합니다. 최근 동향으로는 대용량 스트링 인버터의 활용 증가로, 접속함 없이 인버터로 바로 여러 스트링을 연결하는 경우도 늘고 있습니다. 이런 경우 인버터 자체에 다채널 입력과 퓨즈, SPD가 내장되어 BOS 비용과 설치 노력을 절감하는 효과가 있습니다. 하지만 중앙집중식 구성에서는 여전히 접속함이 필수적이므로 향후에도 신뢰성과 원격 관리기능을 갖춘 접속함 솔루션에 대한 수요가 지속될 것으로 전망됩니다.

배터리 및 에너지저장장치 (ESS)

태양광 연계 배터리 기술

태양광 발전은 간헐적이므로 에너지저장장치(ESS)와의 연계가 중요합니다. 현재 태양광+ESS에 가장 널리 쓰이는 배터리는 리튬이온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 사이클 수명이 길며, 전력변환 응답이 빨라 태양광 출력변동을 효과적으로 평활화해 줍니다. 특히 LFP(리튬인산철) 계열은 열안정성이 높아 화재 위험이 낮고 사이클 수명(6,000회 이상)이 길어, 최근 고정형 ESS에서는 NMC 등 다른 화학계보다 LFP 채택이 늘어나는 추세입니다. 반면 에너지 밀도가 약간 낮은 점은 설치공간으로 고려해야 합니다.

전고체 배터리(Solid-state)는 인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안전성을 획기적으로 높인 차세대 기술로 향후 ESS에 도입되면 발화위험을 크게 낮추고 에너지 밀도를 높일 것으로 기대됩니다. 현재 전고체 기술은 자동차용 등으로 프로토타입 단계이며 상용화까지는 몇 년 이상 소요될 전망입니다. 플로우 배터리(Flow Battery)는 별도의 전해액 탱크에서 화학적 에너지를 저장/방출하는 방식으로 대표적으로 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)가 있습니다.

플로우 배터리는 수명이 20년 이상으로 길고 완전 방전해도 수명 열화가 없으며, 무엇보다 수계 전해질을 사용해 화재위험이 없고 안전합니다. 다만 에너지 밀도가 낮아 부피가 크고 출력 대 전류밀도가 제한적이어서 주로 장주기 대용량 저장(4시간 이상 방전 용도)에 적합합니다. 이외에도 NaS나 Zn-Br 배터리 등 다양한 저장기술이 연구/적용되고 있습니다.

배터리 안전성 이슈 및 BMS

리튬이온 배터리는 높은 에너지밀도만큼 발열 및 열폭주 위험을 동반하므로, 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 안전하게 운영하는 것이 핵심입니다. BMS는 셀 단위 전압/온도/전류를 실시간 감시하고, 불균형을 조정(Balancing)하며, 이상 시 충방전을 차단하는 두뇌 역할을 합니다. 과충전/과방전 방지는 배터리 수명뿐 아니라 화재 예방에 필수적입니다. 실제로 2017~2019년 국내에 설치된 ESS에서 총 28건의 화재사고가 발생하여 사회적 문제로 떠올랐는데, 조사 결과 과충전 상태에서 화재 발생 비율이 높게 나타나 충전 상한을 보수적으로 낮추는 조치가 취해지기도 했습니다.

배터리 셀 내부 결함으로 인한 열폭주도 위험 요소인데, 이를 감지하기 위해 랙 단위로 온도센서와 연기/가스 센서를 두어 초기 이상징후(셀 팽창이나 가스 발생)를 포착하면 즉시 시스템을 정지시킵니다. 또 하나의 축은 소화 시스템으로 대형 ESS실에는 자동 소화설비(CO₂또는 에어로졸 소화기 등)가 설치되어 초기 화재를 진압하도록 하고 있습니다. 배터리 실은 밀폐공간이므로, 화재 시 폭발을 막기 위한 벤트 설비(압력해소구)도 고려됩니다.

셀 수준에서는 난연 전해액, 세라믹 코팅 분리막, 과열 시 셀 전류를 차단하는 CID 장치 등 셀 자체 안전기술이 꾸준히 개선되고 있습니다. ESS 안전에 대한 중요성이 대두되면서 한국에서는 2020년 강화된 ESS 설치 안전기준이 마련되어, 충방전율 제한, 소화/환기 의무화, 이격거리 확보 등의 규정을 시행 중입니다.

한국 및 글로벌 ESS 시장 현황

재생에너지 확대로 ESS 수요는 폭발적으로 증가하고 있습니다. 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 ESS 시장 규모(연간 설치 용량 기준)는 2018년 11.6 GWh에서 2025년 약 86.9 GWh로 연평균 33% 성장할 것으로 전망됩니다.

주요 성장동력은 전력망 용량확장, 태양광, 풍력 연계 수요, 전기요금 피크저감 등입니다. 국가별로는 중국과 미국이 양대 시장으로 2025년까지 세계 수요의 75%를 양분할 것으로 예측됩니다. 한국 시장은 2017~2018년 정부의 ESS 보조금 정책 등으로 초기 급성장했으나, 잇단 화재사고 영향으로 2019년 한때 시장이 약세를 보였습니다.

이후 안전대책이 마련되고 2021년 재개된 신재생 연계 ESS 사업 등으로 점차 회복되고 있습니다. 한국은 주파수조정용(FR) ESS를 세계 최초로 대규모 도입(약 300MW)하는 등 선도 사례가 있었고, 태양광 의무설치제도(RPS) 상 ESS 연계 가중치를 부여하여 태양광+ESS 설치가 활발히 이루어졌습니다. 주요 배터리 제조업체로는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 기업들이 글로벌 시장을 선도하고 있으며, 중국의 CATL, BYD도 대형 프로젝트에 공급을 늘리는 추세입니다.

삼성SDI는 2018년까지 전 세계 50여개국에 누적 10 GWh 이상의 ESS 배터리를 공급하였고, LG에너지솔루션은 미국 및 유럽 ESS 시장에서 높은 점유율을 확보하고 있습니다. 시스템 통합 업체로는 테슬라(Megapack으로 유명), Fluence(지멘스-AES 합작), Wartsila, 한화큐셀(Q ENERGY) 등이 있고, 이들은 배터리 셀은 외부 조달하면서 BMS, PCS, 냉각/소화 시스템을 하나로 패키징한 턴키 ESS 솔루션을 제공합니다. 향후 EV용 배터리 재사용(second-life) ESS, 가정용 소규모 ESS까지 시장이 다변화되고, 전력망 인프라의 핵심 자원으로 ESS 역할이 강화될 전망입니다.

주요 배터리 기술 비교

태양광 연계 ESS에 활용되는 주요 배터리 기술 특징

기타 기자재 (배선, 구조물 등)

태양광 배선 및 보호장치

태양광 발전시스템에서는 모듈인버터 간 직류배선과 인버터분전반 간 교류배선이 모두 중요합니다. DC 배선의 경우 옥외에서 고전압이 흐르므로, 전용 태양광 케이블(PV Wire)을 사용해야 합니다. 이 케이블은 이중절연 구조로 자외선 및 습기 견디는 난연 재질이며, IEC 62930 / EN50618 등 표준에 따라 정격 90℃ 이상의 열적 안정성과 내마모성을 갖춥니다.

배선은 전류 용량과 전압강하를 고려하여 선정하며, 스트링 병렬 연결 시 역류 방지를 위해 각 스트링에 퓨즈를 둡니다. 또한 낙뢰가 많은 지역에서는 어레이 프레임과 접속함에 피뢰 및 접지 시스템을 설치하여 서지로부터 보호합니다. MC4 커넥터 등 표준 커넥터를 사용해 모듈 간 연결을 하는데, 서로 다른 제조사의 커넥터를 혼용하면 미세 치수 차이로 접촉불량/발열 위험이 있으므로 동일 규격 제품 사용이 권장됩니다. AC 측 배선은 한류차단기, 접지누설차단기 등을 통해 보호되며, 특히 건물 내 설치 시 과전류차단기(두꺼비집)나 절연변압기 등을 추가해 안전을 도모합니다.

태양광 구조물

태양광 모듈을 지지하는 구조물(mounting structure)은 설치 유형에 따라 다양합니다. 지붕형의 경우 경사지붕에는 지붕재에 앵커로 고정하는 랙을 쓰고, 평지붕에는 볼라드나 콘크리트 추후추가물을 이용한 거치대를 사용합니다. 건물일체형(BIPV)에서는 모듈이 건물의 지붕재나 외장재 자체로 기능하므로, 구조물과 일체화된 설계가 필요합니다. 외벽형 태양광은 커튼월 형태로 모듈을 건물 입면에 부착하며, 통풍과 방수를 동시에 고려한 프레임 구조가 쓰입니다.

한편 지상 고정식 구조물은 철제 H빔, 알루미늄 프로파일 등으로 제작되어 지면에 앵커나 콘크리트 기초로 고정됩니다. 일반적으로 남향으로 일정 각도로 경사져 고정되며, 설치 각도와 배열 간격은 위도와 지형에 따라 최적화됩니다. 추적식(tracking) 시스템은 구조물이 태양을 따라 회전하여 더 많은 일사량을 얻는 방식으로, 단축 추적식(주로 수평 한 축으로 동서 방향 회전)과 이축 추적식으로 구분됩니다. 단축 추적식은 구조가 비교적 단순해 대규모 발전소에 많이 도입되고 있으며, 태양고도에 따라 하루 1회 북-남 방향 틸트각을 조정하는 방식 등도 있습니다. 추적식은 고정식 대비 10~20% 이상 발전량을 높일 수 있지만 설치비와 유지보수비가 증가하고, 강풍 시 기계적 위험을 관리해야 합니다.

내진 및 풍압 저항성 설계

태양광 구조물은 풍하중과 지진하중에 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. IEC 61215 인증에서 모듈 자체의 풍하중 기준은 2400Pa(약 130km/h 풍속 상당)이나, 실제 구조물 설계에서는 지역별 극한풍속과 지붕고도, 지형지수를 반영하여 필요한 설계풍속을 산정합니다. 예를 들어 대한민국의 건축구조기준(KBC)이나 미국 ASCE 7-16 규격에서는 지붕 위 설비의 풍압계수를 규정하고 있어 이에 따라 구조물을 설계/시공해야 합니다.

태양광 패널은 판형 구조물이므로 풍압에 의한 양력으로 부상력이 크게 작용하므로, 볼트 풀림 방지와 지지대의 충분한 매입 깊이가 중요합니다.

적설지대에서는 1m 이상의 적설하중도 고려하여 구조물을 보강해야 합니다. 내진설계의 경우, 특히 건물옥상에 설치된 태양광 구조물은 지진 시 미끄럼이나 전도 위험이 있으므로 고정식 앵커나 추가 보강프레임으로 모듈을 견고히 고정합니다. 미국 캘리포니아 등 지진 다발 지역에서는 고정식이 아닌 무게식(ballast)으로 놓는 타입의 경우 별도의 조건 하에서만 사용을 허용하며, 국내도 내진설계 대상 건축물에 부착되는 태양광 구조물은 구조계산을 통해 안전성을 입증해야 합니다.

전반적으로 구조물 설계 시 풍하중 > 지진하중 순으로 지배적이지만, 연약지반에 설치된 경사지 지지대 등은 지진 시 공진을 피하도록 설계에 유의해야 합니다. 끝으로, 모든 볼트/너트 체결부에는 스프링와셔나 이중너트로 풀림 방지 조치를 취하고, 부식방지를 위해 용융아연도금, 스테인리스 부품 사용 등 내구성 설계도 병행하여 20년 이상 구조적 안전을 유지하도록 합니다.

Fraunhofer ISE가 개발한 컬러 태양광 모듈 예시. 기존 대비 효율 저하 없이 녹색, 청색 등 다양한 색상의 모듈 구현이 가능하다.