1. 서 론

태양광 발전은 친환경적이고 지속 가능한 에너지원을 활용한 발전 방식으로 전 세계적으로 가장 널리 이용되는 재생에너지원이다. 화석연료 기반 에너지 사용이 초래하는 환경 오염 문제와 강화된 탄소 배출 규제로 신재생에너지 도입의 필요성을 더욱 부각되고 있는 시점에서, 태양광 에너지는 무한한 자연 자원을 활용하며 유지․운영 비용이 상대적으로 낮다는 장점을 바탕으로, 재생에너지 분야에서 핵심적인 발전원으로 자리매김하고 있다.

2024년 기준, 우리나라의 전체 신재생에너지 발전량 총 68,166GWh 중 태양광 발전이 37,450GWh로 가장 큰 비중인 약 55.0%를 차지한다. 또한, 태양광의 누적 설비용량은 32,033MW로 전체 신재생에너지 설비용량의 약 77.2%를 차지하는 등 압도적으로 높은 비율을 차지하고 있다[11].

태양광 발전 시스템에서 태양광 모듈(photovoltaic module: PV module)은, 발전 효율과 전체 시스템의 경제성에 중대한 영향을 미치는 핵심 부품이다. 기존에 많이 활용되어 온 단면형 모듈(monofacial module)은 전면부에 도달하는 일사량만을 활용해 전력을 생산한다. 제조비가 상대적으로 낮아 상용화에 적합한 장점이 있다. 반면, 양면형 모듈(bifacial module)은 전면뿐만 아니라 후면에서도 반사광을 수광할 수 있도록 설계되어, 반사율(albedo)이 높은 지면 조건에서 추가적인 발전량 확보가 가능하다는 특징을 지닌다. 선행 연구에 따르면, 양면형 모듈은 설치 조건에 따라 단면형 대비 약 5∼30% 수준의 발전량 향상을 실현할 수 있는 것으로 보고되고 있다[2, 8, 9, 16].

그러나 이러한 연구들은 기술적 관점에서 또는 설치 환경을 고려하여 양면형 모듈의 발전량을 높이거나 단면형 모듈보다 효율적임을 보이려는 목적에서 연구되었기에, 실제 설치 환경에서 양면형 모듈이 단면형 모듈보다 얼마나 발전량이 향상되는지, 또한 장기적인 경제성 확보가 가능한지에 대한 실증적 분석은 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 실증 데이터를 기반으로 단면형 및 양면형 태양광 모듈의 발전 성능을 비교 분석하고, 이를 바탕으로 경제성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 전라북도 군산시 새만금 지역에 조성된 태양광 발전소를 대상으로, 동일한 환경에서 운영되고 있는 단면형 및 양면형 모듈에 대한 실증 구역을 선정하고 3개년 간의 운영데이터를 활용하여 분석을 수행하였다. 동일한 환경에서 실제 운영 중인 두 모듈의 발전량 자료를 사용하여 연간 발전량과 계절별 발전량을 분석하였고, 경제성 평가는 균등화 발전비용(Levelized Cost of Electricity: LCOE)과 손익분기점(Break-Even Point: BEP) 분석을 통해 장기적 관점의 비용 대비 효율성을 검토하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제2장에선 태양광 발전시스템의 개요와 모듈의 기술적 특성, 그리고 관련 선행연구에 대해 고찰한다. 제3장은 새만금 지역에서 수집된 실증 데이터를 바탕으로 모듈별 발전량을 비교 분석하고, 해당 분석 결과를 토대로 경제성 평가를 수행한다. 마지막으로 제4장에서는 연구 결과를 정리하고, 이를 통해 도출된 시사점과 한계점을 언급한다.

2. 이론적 배경

2.1 태양광 발전 개요

태양광 발전이란 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 대표적인 재생에너지 기술로, 반도체의 광전 효과(photovoltaic effect) 현상에 의해 작동한다. 이 현상은 태양빛의 광자가 반도체에 도달했을 때 그 에너지를 흡수하여 전자와 정공 쌍이 생성되고, 생성된 입자들이 내부 전기장에 의해 분리되어 외부 회로로 이동함으로써 전류가 흐르는 현상을 말한다.

태양전지는 이러한 원리를 구현한 반도체 소자로, 일반적으로 실리콘(Si) 기반의 반도체로 구성된다. 가장 흔한 구조는 P형과 N형 반도체의 접합을 통해 형성된 PN 접합이다. 이 접합에 태양광이 조사되면 전자와 정공이 생성되고, 내부 전기장의 영향으로 전자는 N형 쪽으로, 정공은 P형 쪽으로 각각 이동하게 된다. 이러한 이동을 통해 외부 회로에 전류가 흐르게 되고 전력을 생산한다.

태양광 발전 시스템은 일반적으로 다음과 같이 구성된다. 여러 개의 태양전지를 직․병렬 연결한 태양광 모듈(module), 모듈에서 생산된 직류(DC) 전기를 교류(AC)로 변환하는 인버터(inverter), 모듈 구조물, 접속반, 수배전반, 모니터링 시스템 등이다. 이때 태양광 모듈의 발전량은 태양전지의 재료와 구조뿐만 아니라 일사량, 모듈 온도, 설치 각도, 음영 여부 등 다양한 환경 요인에 따라 크게 달라진다.

2.2 태양광 모듈의 종류 및 특성

태양광 모듈의 일반적인 구성요소는 다음과 같다. 전면 강화유리(Tempered Glass), 봉지재(Encapsulant), 태양전지(Solar Cell), 후면 보호층(Backsheet 또는 Rear Glass), 알루미늄 프레임(Aluminum Frame)으로 구성되어 있으며, 이러한 기본 구조는 후면의 재질에 따라 단면형과 양면형 모듈로 구분할 수 있다. 두 모듈은 수광방식에서 다음과 같은 차이를 보인다. 단면형 모듈은 일반적으로 불투명한 백시트를 사용하여 전면에서의 광만을 수광하는 반면, 양면형 모듈은 후면에도 빛을 수용할 수 있도록 투명 백시트 또는 강화유리가 적용된다. 구조적 차이로 인해 설치 환경에 따라 인해 발전 효율에 큰 영향을 끼칠 수 있다.

<Figure 1>은 단면형과 양면형 태양광 모듈의 전․후면 구조 차이를 시각적으로 나타낸 것이다.

2.2.1 단면형 태양광 모듈

단면형 태양광 모듈은 전면에서 입사하는 태양광만을 이용하여 발전하는 가장 일반적인 형태의 모듈이다. 주로 단결정(mono-crystalline) 또는 다결정(poly-crystalline) 실리콘 태양전지를 기반으로 구성되며, 태양전지를 외부 충격 및 기상 요인으로부터 보호하는 전면 강화유리(Tempered Glass), 태양전지를 고정하고 절연하는 역할을 하는 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 봉지재, 전기적 절연성과 방수 기능을 제공하는 불투명 백시트(Backsheet), 그리고 전체 모듈을 지지하는 알루미늄 프레임 등으로 구성되어 있다.

단면형 모듈은 제조 공정이 보편화되어 있어 품질의 일관성이 높고, 상대적으로 낮은 생산 비용으로 인해 다양한 기후 조건에 적용 가능한 장점을 가진다. 그러나 후면 수광이 불가능하므로, 특정 설치 조건 아래에서는 효율성이 저하될 수 있다.

2.2.2 양면형 태양광 모듈

양면형 태양광 모듈은 전면뿐만 아니라 후면에서도 태양광을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 구조의 발전 모듈이다. <Figure 1>에서와 같이, 양면 유리(glass-glass) 구조 또는 투명 백시트(transparent backsheet)를 사용하여 후면으로도 광이 입사될 수 있도록 설계되어 있다.

이러한 설계는 지표면에서 반사되거나 대기 중에서 산란되는 간접광을 후면 셀에서 추가로 수광할 수 있게 한다. 설치 환경에 따라 같은 조건에서 단면형 모듈 대비 더 많은 발전을 기대할 수 있기 때문에 최근 주목받고 있는 추세이다.

양면형 태양광 모듈은 일반적으로 광이 통과할 수 있는 셀 배열 구조를 채택하며, 후면 수광효율을 높이기위한 방법으로 셀 간 간격 확보, 투광 필름 적용 등의 설계 기법을 적용한다.

특히, 콘크리트 포장면, 백색 자갈, 설원과 같이 반사율이 높은 지면으로 반사율이 큰 지표면은 후면 수광량 증가로 인해 발전 효율이 상대적으로 향상될 수 있다. 후면을 통한 수광효과는 모듈의 설치 각도, 지면과의 이격거리, 지표면 반사 특성, 주변 그림자 등 여러 변수에 영향을 받게 된다.

<Figure 2>는 양면형과 단면형 모듈의 광 입사 경로 차이를 나타낸다. 양면형 모듈이 후면을 통해 추가적인 반사광을 수광함으로써 발전량이 증가할 수 있음을 알 수 있다.

연구 결과에 따르면, 양면형 태양광 모듈은 단면형 모듈 대비 약 5%에서 최대 30%까지 발전 성능이 향상 가능하다는 보고도 있다[2]. 특히, 모듈 전면에 부분적인 음영이 형성되는 환경에서도 후면 수광을 통해 출력 손실을 부분적으로 상쇄할 수 있어, 전력 생산의 안정성이 높다[8,9].

양면형 모듈의 발전 효율을 극대화하기 위해서는 지면으로부터의 적절한 이격거리가 확보되어야 하고, 구조물 및 배선에 의한 후면 음영이 최소화 되어야 한다. 그리고 지면 재질의 반사율이 높도록 하는 것이 중요한 설계 요소로 작용한다. 이러한 설치 조건들이 최적화될 경우, 후면 수광 기여도가 증가하여 실질적인 발전량 향상이 가능하다[5].

2.3 기존 연구 동향

양면형 태양광 모듈의 성능 검증을 위한 실증 연구와 기술 개발이 최근 다양한 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 양면형 모듈은 전․후면에서 동시에 태양광을 수광하므로, 기존 단면형 모듈에 비해 전력 생산 효율에서 우수한 성능을 보인다. 하지만 이러한 구조적 장점이 실제 설치 환경에서 어느 정도 성능을 향상시키는지, 또한, 경제적인 이점으로 이를 활용할 수 있는지에 대한 연구는 최근 들어 수행되는 추세이다.

국제적으로는 IEA PVPS[6] 보고서가 대표적인 사례로, 다양한 기후대에서 운용된 양면형 태양광 시스템의 장기 데이터를 수집하여 모듈의 출력 성능, 열화 현상, 후면 수광 기여도 등을 분석하였다. 해당 보고서에서는 반사율, 설치각도, 지표면 반사율, 모듈 간 간격 등 여러 환경에 따라 발전량이 어떻게 달라지는지를 분석하여 광범위하게 양면형 태양광 모듈의 성능을 분석하였다[6]. 또한 최근에는 Yakubu et al.[18]은 지난 13년간의 다양한 연구들에 대한 문헌연구를 통해 기술적 진보와 미래 트렌드 분석을 실시하였다.

관련 연구들을 구체적으로 살펴보면, Gu et al.[4]은 양면형 모듈과 단면형 모듈의 구조적 차이를 구조적으로 접근하여 양면형 모듈의 광학, 전기, 열적 특성을 고려하는 성능 예측 모형을 소개하였고, Singh et al.[17]은 양면 동시 조사(Bifacial illumination)없이 단면 조사만으로 양면형 모듈의 전기적 특성을 예측하는 시뮬레이션 방법론을 제안하기도 하였다. 그리고 Deline et al.[3]은 실내 측정(Indoor)과 실외 측정(Outdoor) 결과가 1∼2% 오차 내에서 일치함을 입증하여, 양면형 모듈의 전력 정격 산정 방법론의 기초를 제공하는 등 다양한 방법론을 통해 양면형 모듈의 성능을 분석하려는 시도들이 소개되었다.

또 하나의 방법으로는 실제 데이터를 사용한 양면형 모듈의 성능 우수성과 경제성을 보이려는 시도들이 존재한다. 양면형 태양광 모듈의 후면 방사조도를 추정하기 위해 음영 효과와 형태 계수(configuration factors)를 기반으로 하는 분석 모형을 제안하고, 이를 NREL 및 Sandia의 실측 데이터 및 광선 추적 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증한 Marion et al.[13]의 실증 연구나 양면형 모듈이 설치 방식에 따라 단면형 모듈에 비해 1∼5%의 이득을 기록했으나, 눈으로 인해 반사율이 높아진 조건에서는 발전량이 48%까지 크게 증가함을 확인한 Molin et al.[14]의 실증 연구가 대표적이라 할 수 있다.

설치 환경을 고려하여 양면형 모듈의 발전량을 높이거나 단면형 모듈보다 효율적임을 보이려는 방법론적 관점의 연구는 양면형 태양광 모듈의 시장성을 확인하는 거시적인 관점에서의 판단에서는 의미가 있지만, 단위 프로젝트의 관점에서 의사결정을 위한 사업 타당성 또는 경제성을 판단하기에는 한계가 존재한다. 이 경우에는 실증 연구의 결과가 의미를 가질 수 있다. 그러나 앞에서 소개한 연구들은 국내의 발전 환경(기후, 계절, 지표면 반수율 등)이 아닌 다른 나라의 실증 연구이기에 국내에 그대로 적용하기에는 무리가 있다.

그러한 이유로 국내에서도 다양한 실증 연구가 이루어지고 있는데, Jang and Lee[7]는 세 가지 테스트베드(test-bed)를 활용한 실증 실험을 통해 반사체 크기 증가에 따른 발전량 상승, 수직 설치 시 음영 및 방위각의 영향, 모듈 배치에 따른 온도 불균형, 그리고 맑은 날 미세먼지 농도 증가가 산란광을 통해 양면 이득을 높이는 현상 등 양면형 태양광 시스템의 성능에 미치는 다양한 환경적 변수들을 분석하였다. Park et al.[15]은 경북 군위, 전남 무안 등 4개 지역에 펜스형 수직 설치 방식을 적용한 양면형 PV 시스템을 구축하여 1년간 실증 데이터를 수집, 분석하였다. 그 결과 지면 반사율이 낮은 밭과 과수원에서는 후면 기여도가 제한되어 예측 발전량 대비 실측 발전량이 낮게 나타난 반면, 반사율이 높은 논과 염전 부지에서는 후면 기여도가 70% 이상으로 나타나 예측값과 실측값이 거의 일치하는 결과를 보였다. 또한 Kim et al.[10]은 645Wp급 고출력 양면형 모듈을 개발하여 3kW 규모로 설치하고, 출력의 안정성과 내구성에 관한 실증 연구를 수행하였다. 해당 연구에서는 M12 웨이퍼 기반의 대면적 셀을 옥외 환경에서 장기간 운전하여 데이터를 수집하고, 이를 바탕으로 상용화 가능성을 검토하였다.

국내에서도 이와 같이 다양한 실증 연구들이 존재하지만, 대부분이 테스트베드나 소규모의 태양광발전을 대상으로 실험적인 형태들이어서, 진정한 의미의 실증 분석이라고 하기에는 무리가 있다. 이에 본 연구는 새만금 지역에 조성된 태양광 발전소를 대상으로 동일한 환경에서 운영되고 있는 단면형 및 양면형 모듈에 대한 실증 구역을 선정하고 3개년 간의 운영데이터를 확보하였기에 실증 연구로서의 가치가 매우 높다고 할 수 있다.

3. 발전량 및 경제성 분석

3.1 분석 대상

본 연구에서는 전라북도 군산시 새만금 지역에서 운영 중인 새만금희망태양광 발전소의 특정 구역을 선정하여 실증 연구를 진행하였다. 새만금희망태양광 발전소는 약 32만m²의 부지에 총 설비용량 99MW인 국내 최대 규모의 태양광 프로젝트 중 하나이다. 해당 부지에는 총 220,320장의 태양광 모듈이 설치되어 있으며, 이 중 단면형 모듈이 213,120장으로 대다수를 차지하고, 양면형 모듈은 7,200장이 설치되어 있다.

본 연구에서는 발전소 내 동일한 지리적, 기술적 조건을 갖춘 단면형 모듈 구역(Case 1)과 양면형 모듈 구역(Case 2)을 실증 분석 대상으로 선정하였다. 두 비교 구역은 <Figure 3>에 도시된 바와 같이 발전소 내부의 Section 1 및 Section 2에 해당하며, 서로 인접한 위치에 설치되어 동일한 일사량과 환경 조건 하에서 운전되고 있다.

두 구역은 모듈을 제외한 모든 전기설비 구성이 동일하게 설계되어 있다. 인버터 사양, 접속반 구성, 계통 연계 방식, 전기 배선 구조 등이 동일하게 적용되어, 시스템 구성의 차이가 분석 결과에 영향이 없도록 하였다. 또한, 전기설비 외에도 모듈 설치 방향, 구조물 형상, 경사 조건 등 기타 시스템 구조 역시 동일하게 구성되어, 단면형과 양면형 태양광 모듈 간 발전 성능 차이만을 정량적으로 비교, 분석하기에 적합하다. 두 구역의 주요 제원은 <Table 1>과 같다.

Section 1은 정격출력(Module Rating)이 450W인 단면형 모듈 4,452개를 설치하여 발전능력 2.00MW로, Section 2에는 정격출력이 430W인 양면형 모듈 3,586개를 설치하여 발전능력 1.54MW로 구성되어 있으며, 두 구역의 모든 모듈은 남향으로 설치되어 있고, 경사각 조정 방식은 고정 가변형 구조로, 계절에 따라 5∼10월에는 15°, 11∼4월에는 45°의 경사각이 조정이 적용된 환경에서 데이터를 수집하였다.

3.2 데이터 수집 및 분석

본 연구에서는 실증 분석 대상인 단면형 및 양면형 태양광 모듈의 발전 성능을 비교, 평가하기 위하여, 2022년부터 2024년까지 3년간의 발전량 데이터를 활용하였다. 데이터는 각 구역에 설치된 독립형 태양광 모니터링 시스템을 통해 1시간 간격으로 수집되었으며, 전처리 및 집계 과정을 거쳐 월간 및 연간 단위로 집계하여 분석에 활용하였다.

3.2.1 데이터 전처리

본 연구에서는 수집된 발전소 운영 데이터를 분석에 앞서 전처리하여 정확한 데이터를 산출하였다. 먼저 모니터링 시스템으로부터 1시간 간격으로 수집된 기초 데이터를 일별, 월별, 연간 단위로 정리하였다. 데이터 분석의 정량성과 비교의 공정성을 확보하기 위해, 동일한 날짜와 시간 구간을 기준으로 모듈별 기간 데이터를 정리하였다. 측정 오류로 인해 발생한 비정상값(0값, 음수값, 급격한 스파이크 등)은 모두 제거하여 데이터의 신뢰성을 확보하였다. 또한, 일부 시간대에 발생한 결측값은 해당 시간대의 월간 평균값을 기준으로 보완하였다. 누락된 누적 발전량 데이터의 경우에는 해당 일자의 시간별 발전량을 합산하는 방식으로 산출하여 데이터 오류가 나지 않도록 하였다.

3.2.2 단위 발전량(Specific Energy Yield)

서로 다른 규모 또는 구조의 태양광 설비 간 발전량을 공정하게 비교하는 지표로서 단위 발전량(Y s p: Specific energy yield)이 존재한다.

단위 발전량은 일정 기간 동안 태양광 발전 시스템이 생산한 총발전량(kWh)을 해당 시스템의 정격 설치용량(MWp)으로 나눈 값이며 식 (1)과 같이 정의된다[7].

여기서 Y s p는 단위 발전량(kWh/MWp), E g e n은 해당 기간 동안의 총 발전량(kWh), P s t c는 표준 시험 조건(STC: 1,000 W / m 2, 25℃, AM 1.5)에서의 모듈 정격 용량(MWp)을 의미한다.

본 연구에서는 두 구역이 전기설비를 포함하여 모든 발전 환경이 동일하게 구성되었지만, <Table 1>의 제원에서와 같이 단면형과 양면형 태양광 모듈의 설치용량에 차이가 존재한다. 따라서 발전능력에 차이가 존재하기에 단위 발전량을 사용하여 성능을 비교한다.

3.2.3 발전량 실증 분석

<Table 2>는 2022년부터 2024년까지 3개년 동안 수집된 실측 발전량 데이터를 기반으로, 단면형과 양면형 태양광 모듈의 연간 발전 성능을 비교한 내용이다. 단면형과 양면형 모듈은 각각 2.0MWp, 1.54MWp의 설치용량을 가지므로, 단순한 총발전량이 아닌 단위 발전량(kWh/MWp)을 사용하여 비교하였다. 또한 일조량의 차이가 존재하는 계절별 발전량도 같이 살펴보았다. 계절 구분은 봄(3-5월), 여름(6-8월), 가을(9-11월), 겨울(12-2월)로 설정하였다.

<Table 2>의 Bifacial Gain(G b i: 양면형 발전량 증가율)은 식 (2)와 같이 계산되며, 같은 기간 동안 단면형 모듈 대비 양면형 모듈이 얼마나 더 많은 에너지를 생산했는가를 백분율로 나타낸 값이다[18].

위 식에서 E b i, E m o n o는 동일 기간 동안 양면형 모듈과 단면형 모듈에서 측정된 총 발전량(kWh)을 나타내며, P b i, P m o n o는 각각의 정격 설치용량(MWp)을 의미하며, E b i / P b i과 E m o n o / P m o n o는 식 (1)의 정의에 따라 각각 양면형 모듈과 단면형 모듈의 단위 발전량(Specific energy yield)을 의미한다. 따라서, Bifacial Gain은 양면형 모듈의 구조적 특성이 실제 발전량 증대에 기여하는 정도를 백분율로 나타내며, 설치 환경에 따른 양면형 모듈의 효용성을 검증하는 핵심 척도로 사용된다.

<Table 2>의 내용을 구체적으로 살펴보면, 단면형 모듈이 2022년 1,487,518kWh/MWp, 2023년 1,386,660kWh/MWp, 2024년 1,380,538kWh/MWp이며, 양면형 모듈은 각각 1,610,027kWh/MWp, 1,504,667kWh/MWp, 1,491,779kWh/MW로 모든 해에서 양면형 모듈의 단위 발전량이 높았다. 3개년 평균은 단면형 모듈이 1,418,239kWh/MWp, 양면형 모듈이 1,535,491kWh/MWp로 평균적으로 양면형 모듈이 1 MWp당 117,252kWh의 발전을 더 하는 것으로 파악되었다.

Bifacial Gain을 살펴보면, 양면형 태양광 모듈의 상대적 발전량 증가율은 2022년부터 2024년까지 8.06%에서 8.51% 사이로 분포하였고, 3개년 평균은 약 8.27%로 도출되었다. 이러한 결과는 동일 설치용량 기준에서 양면형 모듈이 단면형 모듈에 비하여 평균적으로 8.27%정도 더 많은 전력을 생산하였음을 의미한다.

<Figure 4>는 발전량과 Bifacial Gain을 계절별로 도시한 것이다. 봄철은 태양 고도가 점차 높아지며 온도는 낮아 가장 높은 발전 성능을 내는 시기이며, 나머지는 상식적인 일조량 순서에 따라 여름과 가을 그리고 겨울 순의 발전량을 보인다.

다만, Bifacial Gain은 주목하여 볼 부분이 존재한다. Bifacial Gain은 봄철(8.44%)과 겨울철(8.33%)이 높으며 여름철(8.25%), 가을철(8.02%)은 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 봄철은 여름철에 비해 상대적으로 낮은 태양 고도를 가지기에 양면형 모듈이 수광 각도에 의한 상대적 유리함을 가지게 된다. 겨울철의 경우, 전반적인 일사량과 태양 고도가 낮아 절대적인 발전량은 낮지만, 태양 고도가 낮을수록 후면 수광 각도가 상대적으로 유리해지는 구조적 특성과 더불어 적설로 인해 지면의 반사율 상승효과가 존재한 것으로 판단된다. 실제로 눈으로 덮인 지면은 반사율이 0.6에서 최대 0.9에 이르며, 이는 후면 수광을 통해 출력 향상에 긍정적인 영향을 줄 수 있다[12].

3.3 경제성 분석

3.3.1 균등화 발전비용(LCOE) 분석

LCOE는 발전소의 전체 수명 주기 동안 발생하는 비용을 현재가치 기준으로 환산한 뒤, 동일 기준으로 계산된 총 발전량으로 나누어 산출하는 경제성 평가 지표이다. 단위 전력량(kWh)당 평균 비용으로 표현되며 1kWh 전력 생산 단가를 의미한다. 따라서 기술 간 경제성 비교에 적합하고, 초기 투자비용이 크고 장기적인 운영 사업인 태양광 시스템 특성상 유효한 경제성 분석 방법으로 활용된다[1, 18].

LCOE는 식 (3)과 같이 정의된다.

여기서,

식 (3)은 전체 수명 동안의 모든 비용을 현재가치로 환산하여 누적하고, 같은 방식으로 환산된 총 발전량으로 나누어 단위 전력(kWh)당 평균 발전단가를 산출한다.

식 (3)에서 투자비용 C 0는 태양광 모듈 구매 비용 C m과 인버터, 구조물, 시공, 배선, 인허가 등의 시스템 구성 요소 비용(Balance of System, BOS) C B O S로 구성되어 C 0 = C m + C B O S로 표현될 수 있으며, E t는 기준 발전량과 모듈 열화율을 고려하여 E t = E r e f × ( 1 − d ) t − 1로 표현이 가능하다. 따라서 식 (3)은 식 (4)로 표현이 가능하다.

여기서,

국내 태양광 사업에 대한 실질적 적용 가능성을 확보하려는 본 연구의 목적에 따라, 실증 분석 대상인 단면형 및 양면형 태양광 시스템의 실제 투자비 내역과 운영데이터를 사용하여 균등화 발전비용을 계산하였다. 두 시스템의 비용을 동일 기준으로 비교하기 위해 단위용량(MWp) 기준으로 환산하여 <Table 3>으로 제공하였다.

단면형 모듈과 양면형 모듈 비용 C m은 각각 420백만 원, 530백만 원으로 양면형 모듈이 단면형 대비 약 26.2% 높았고, 시스템 구성 및 설치 비용 C B O S은 양쪽 모두 동일하게 1,070.4백만 원으로 구성되어 총 초기 투자비용 C 0는 각각 1490.4백만 원, 1,600.4백만 원으로 설정되었다. 운영비용(O&M Cost)은 두 시스템 모두 연간 40.9백만 원으로 동일하게 적용하였으며, 운영연차 N은 실증대상의 사업 운영기간 20년을 적용하였다.

다만, 본 연구에서 제공하는 <Table 2>와 <Table 3>의 데이터는 본 연구의 대상인 새만금희망태양광 발전소 사업의 사례의 실제값이기는 하지만, 일반적인 태양광 프로젝트로의 일반화에는 주의를 요할 것을 언급한다. 특히, 새만금희망태양광 발전소 사업에서는 단면형 모듈과 양면형 모듈의 시스템 구성 및 설치비용과(C B O S)와 운영비용(O&M Cost)이 동일하게 적용되었지만, 일반적인 태양광 프로젝트에서는 양면형 모듈의 구조물 구성, 유지관리 방식 등에 따라 비용 차이가 발생할 가능성이 존재할 수 있음을 확실히 하고자 한다.

할인율 r은 공공 에너지 프로젝트 분석에 널리 적용되는 연 5%를, 모듈의 연간 열화율 d는 실증 태양광 모듈 제작사 성능 보증 출력 감소율과 동일한 연 0.5%를 가정하였으며, 기준 발전량(E r e f)은 <Table 2>의 2022년부터 2024년까지의 3개년 평균 발전량으로 가정하였다.

이상의 가정(<Table 3>)을 적용하여 계산된 각 시스템의 LCOE는 다음과 같다. 단면형 모듈의 균등화 발전비용은

며, 양면형 모듈의 균등화 발전비용은

이다.

즉, 단면형의 LCOE는 117.77원/kWh이고, 양면형의 LCOE는 114.73원/kWh으로, 양면형 모듈이 초기 투자비용 측면에서는 약 7.4% 더 높았지만 단면형 모듈에 비해 상대적으로 높은 발전 성능을 통해 20년간의 평균 전력 생산 단가는 더 낮음을 확인하였다.

3.3.2 손익분기점(BEP) 분석

LCOE 분석을 통해 양면형 모듈이 높은 투자비용 때문에 초기에는 단면형 모듈에 비해 경제성을 가지지 못하지만, 운영과정(전력생산)에서 단면형 모듈에 비해 높은 생산성을 가지기에 장기적으로는 경제성을 가짐을 확인하였다. 이러한 상황은 전형적인 손익분기점(BEP: Break-Even Point) 분석의 상황이다. 따라서 양면형 모듈이 단면형 모듈에 비해 경제성을 가지게 되는 시점을 확인하는 손익분기점 분석을 수행한다.

손익분기점분석을 위해 3.3.1절의 LCOE 분석을 다른 관점에서 살펴본다. 양면형 모듈이 단면형 모듈에 비하여 약 7.4% 더 높은 초기 투자비용이 요구되지만, 동일한 운영비용 하에서 약 8.27%의 Bifacial Gain에 의하여 전력이 생산될 때마다 양면형 모듈이 약 8.27%만큼의 추가적인 전력 판매 이익을 얻는 상황이다. 즉, 초기 투자비용의 차이를 단위발전량 당 약 8.27%만큼의 전력 판매 이익으로 상쇄하고 있음을 의미한다.

이상의 상황을 고려하면, 손익분기점은 식 (5)와 같이 정의될 수 있다.

여기서, P는 전력 판매 단가(Unit electricity price)이며, 초기 투자비용 C 0 = C m + C B O S에서 양면형과 단면형의 C B O S가 같기 때문에 초기 투자비용의 차이는 모듈비용의 차이(C m b i − C m m o n o)이다. 분모는 양면형 모듈과 단면형 모듈의 발전량의 차이를 연간 열화율(d)과 할인율(r)을 반영하여 현재가치로 누적 환산한 것이다. 이때, 양면형 모듈과 단면형 모듈의 발전량의 차이는 Bifacial Gain(G b i)에 의해 표현이 가능하며, 이를 반영하면 식 (6)과 같이 표현이 가능하다.

<Table 2>와 <Table 3>의 내용에 실증단지의 공급인증서 계약에 따라 결정된 단가인 163.9원/kWh(SMP+REC 기준)을 반영한 손익분기점은 t = 7.02년이다. 이는 단면형 모듈의 발전량으로는 약 9,962,331kWh를, 양면형 모듈의 발전량으로는 약 10,786,215kWh를 발전한 시점이다.

주요한 모수의 변화에 따른 손익분기점의 변화를 살펴보았다. <Table 4>는 식 (6)을 사용하여 전력 판매 단가(P)와 Bifacial Gain(G b i)의 변화에 따른 손익분기점 분석을 수행한 결과이다.

전력 판매 단가는 제도 도입 초기인 2018년 이전에는 180원 이상의 높은 가격에서 형성되었었으나, 이후 점차 하락하여 2021년 136.1원으로 최저점을 기록한 후 최근 150원대의 가격으로 안정화되고 있는 추세이다. 또한, 설치 장소에 따른 가중치도 존재하기에 전력 판매 단가의 범위는 150원에서 180원 사이로 5원 단위로 설정하여 분석하였다.

<Table 4>의 결과를 보면 Bifacial Gain과 전력 판매 단가가 커질수록 손익분기점이 빨라짐을 알 수 있다. 이는 매우 상식적인 결과이다. 기본적으로 Bifacial Gain이 커질수록 후면수광에 의한 양면형 모듈의 이익이 커지므로 손익분기점에 빨라질 것이고, 전력 판매 단가가 커질수록 Bifacial Gain에 의해 생기는 추가 이익이 커지므로 마찬가지로 손익분기점이 빨라질 것이다.

<Table 4>의 결과는 상식적인 추세를 보이고 있지만, 실증 데이터를 사용한 손익분기점 분석이기에 향후 기술 발전으로 인하여 양면형 모듈의 Bifacial Gain이 커지거나, 향후 전력 판매 단가가 변화하는 경우의 손익분기점의 대략적인 변화를 가늠하는데 도움이 될 것이라 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 군산 새만금 실증단지에서 확보한 데이터를 바탕으로 단면형 태양광 모듈과 양면형 태양광 모듈의 발전량을 비교 분석하고, 이를 바탕으로 경제성 분석을 실시하여 동일 환경에서 두 모듈 간의 성능과 경제성을 확인하였다.

분석에 활용된 데이터는 2022년부터 2024년까지의 3개년 동안 수집된 실증 데이터를 기반으로 정리하였다. 분석 결과, 양면형 모듈이 후면 수광 효과에 따른 추가 발전으로 인하여 실증 환경에서 단면형 대비 3개년 평균 약 8.27% 높은 발전량을 기록하였다.

경제성 분석은 균등화 발전비용(LCOE)과 손익분기점(BEP)에 대한 분석을 시행하였다. 분석 결과, 양면형 모듈은 초기 투자비용이 단면형보다 약 7.4% 더 높았지만 추가 발전량에 대한 이득으로 사업 운영기간 20년 기준으로 양면형의 경우 114.7원/kWh, 단면형의 경우 117.8원/kWh으로 양면형이 더 낮은 발전단가를 가지고 있음을 확인하였다. 손익분기점 분석을 통해 양면형 모듈이 7.02년 이후부터 단면형 모듈보다 경제성을 가지고 있음을 확인하였으며, 전력 판매 단가와 Bifacial Gain의 변화에 따른 손익분기점의 변화 추세를 살펴보았다. 해당 결과는 상식적인 추세를 보이고 있지만, 실증 데이터를 사용한 손익분기점 분석이기에 향후 기술 발전으로 인하여 양면형 모듈의 Bifacial Gain이 커지거나, 향후 전력 판매 단가가 변화하는 경우의 손익분기점의 대략적인 변화를 가늠하는데 도움이 될 것이라 판단된다.

결론적으로, 해당 실증 단지 사례에서는 양면형 태양광 모듈이 발전 성능 데이터와 경제성 분석에서 모두에서 우수한 결과를 보임을 확인하였다. 이에 따라, 향후 국내외 태양광 발전 사업에 있어서도 양면형 모듈의 활용 가능성이 충분히 높을 것으로 판단된다.

다만, 본 연구의 분석에서 사용된 시스템 구성 및 설치비용과(C B O S)와 운영비용(O&M Cost)은 새만금희망태양광 발전소 사업이라는 실제 사례의 경우에 국한된 상황이라는 점을 언급하고자 한다. 즉, 일반적인 태양광 프로젝트에서는 양면형 모듈의 구조물 구성, 유지관리 방식 등에 따라 비용 차이가 발생할 가능성이 존재할 수 있으며, 해당 값의 변화에 따라 경제성 분석의 내용에 변화가 있을 수 있음을 인정한다. 따라서 본 연구의 결과에 대한 일반화 또는 무조건적인 수용은 지양하여야한다. 또한, 본 연구는 간척지라는 지역적 특성과 서해안의 기후 그리고 <Table 3>의 설비 조건을 기반으로 분석된 결과이다. 환경 조건이나 설비 구성에 따라 분석 결과의 편차가 발생할 수 있으므로 본 논문의 결과를 해석하고 적용할 때 이 부분을 고려해야 할 것이다. 향후 다양한 환경 조건이나 설비 구성에 대하여 추가적인 실증 분석을 통해 본 연구의 결과와 비교하는 연구가 추가로 이루어질 것으로 기대한다.