지난해 12월, 현대엔지니어링이 새만금 그린뉴딜의 초석이라고 할 수 있는 육상 태양광 1구역의 공사를 마쳤다. 새만금 육상 태양광 1구역은 국내 최대 규모의 육상 태양광 단지로, 축구장 면적의 약 158배인 115만 m²(35만 평)에 달하며 태양광 모듈만 22만 장에 이른다. 현대엔지니어링은 이 넓은 구역에 설치된 태양광 모듈의 품질 관리를 위해 스마트 건설 기술을 활용했다. 바로 열화상 촬영이 가능한 첨단 드론이다. 지상에서 사람이 일일이 확인해야 했던 기존 방법과 달리 하늘에서 태양광 모듈을 점검할 수 있는 현대엔지니어링의 열화상 카메라 드론에 대해 알아봤다.
새만금은 전라북도 군산시와 김제시, 부안군 사이의 만경강과 동진강 하구를 방조제로 막아 만든 간척지로, 1991년 착공에 들어가 19년 뒤인 2010년에 준공됐다. 총 면적이 409km²에 이르며 이 가운데 토지는 291km², 나머지는 담수호(새만금호)다. 애초 새만금 간척지는 농경지로 계획됐지만, 지난 2018년부터 2050년 탄소 중립 달성을 위한 재생에너지 사업의 중심지로 탈바꿈하는 중이다. 때문에 국내 최대 규모인 3GW(기가와트)의 재생에너지 발전 단지로 주목받고 있으며, 그중 대표적인 사업은 태양광이다. 새만금호와 간척지 일대에 수상 태양광 2.1GW와 육상 태양광 0.3GW 등 총 2.4GW를 조성한다는 것이다. 이중 0.3GW 규모의 육상 태양광 발전 설비는 약 3.6km²의 면적을 총 3개 구역으로 나눠 진행됐으며, 그중 1구역의 시공을 현대엔지니어링이 맡았다.
현대엔지니어링이 군산시 오식도동 인근 공유 수면 매립 부지 115만 m²에 조성한 육상 태양광 1구역은 총 99MW 규모로 국내 최대의 육상 태양광 발전 시설이다. 2020년 12월 착공에 들어가 2021년 12월 완공까지 약 1년이 소요됐으며, 새만금 전체 재생에너지 발전 시설 가운데 가장 먼저 구축됐다. 지난해 12월부터 가동에 들어갔으며 약 2만 6,000가구가 20년 동안 사용할 수 있는 전력을 생산한다.
태양광 발전기 설치 작업은 태양광 발전의 핵심인 모듈(패널) 제작부터 시작된다. 태양광 모듈은 태양광전지 셀을 가로세로로 60~72장 엮은 것을 가리키며, 아파트 발코니 또는 단독주택 지붕 등 일상에서도 쉽게 볼 수 있다. 다만, 아파트 발코니 같은 곳에는 일반적으로 태양광 모듈 1~2장이 쓰인다. 그러나 대용량 상업 발전을 위해서는 최소 1,000장 이상이 필요하며, 이를 직렬 연결한 어레이(array) 형태로 만들어 사용한다.
먼저, 측량을 통해 새만금 매립지를 반듯하게 다진다. 모듈을 가지런히 세워야 태양 빛을 고루 받을 수 있기 때문이다. 그 뒤 모듈을 올릴 지주(기둥)를 세우는데, 지하 3m까지 넣어 튼튼하게 박는다. 안정적으로 시공된 기둥 위에 모듈을 받쳐줄 거더(보)를 가로와 세로로 설치하고, 그 위에 모듈을 볼트로 고정한다. 그리고 태양광 모듈에서 생산된 직류 전류를 실생활에서 사용하는 교류 전류로 변환해주는 장치인 인버터를 둔다. 이후 생산된 전력은 땅속에 매립한 케이블을 통해 일반 가정으로 보내진다.
태양광 발전 모듈은 발전소 설치 비용의 절반을 차지하며 전력 생산 효율을 결정하는 중요한 장비다. 그러나 설치 후 고장 여부를 쉽게 알 수 없다. 특히 새만금 1구역의 경우 부지가 매우 넓고 모듈 수가 많아 인력으로 점검하는데 한계가 있다. 향후 국내외 태양광 발전은 넓은 부지에 대용량으로 설치되는 추세여서 빠르고 정확한 점검이 필요하다. 현대엔지니어링이 태양광 모듈 점검을 위해 열화상 드론을 적용한 이유이자 배경이다.
열화상 드론은 그간 해외에서 산지 또는 수상 태양광 발전 시설, 정유 공장, 화재 진압, 재난 발생 지역에서의 구조 임무 등 다양하게 활용돼 왔다. 국내에서도 강원도, 경상도 등에서 산불 진화에 열화상 드론을 사용하고 있다. 열화상 촬영은 물체에 직접 닿는 접촉 방식이 아닌 비접촉 방식으로, 방사 에너지와 반사 에너지, 그리고 전달 에너지를 이용한다. 쉽게 말해 태양빛이 셀에 닿은 뒤 흡수되지 않고 방출되는 전자기파, 빛, 열(온도)을 측정하는 것이다.
단, 이 가운데 온도는 물체 자체의 온도가 아닌, 주변과 비교한 차이를 잰다. 뉴스, 건강 프로그램 등 TV에서 적외선 (열화상) 카메라를 통해 사람의 체온을 측정하는 모습을 떠올리면 이해가 쉽다. 정상적으로 작동하는 모듈 또는 셀과 달리 불량 화소는 열화상이 선명하게 나타난다. 즉, 카메라에 문제가 있는 부분은 색이 다르게 찍히는 것이다. 덕분에 인력 투입 대비 한층 넓은 부지를 신속하게 점검할 수 있다.
준공 시에는 육안으로 검사가 불가능한 불량 모듈을 찾아내 처음부터 불량률을 낮출 수 있다. 가동 이후에는 GPS 기반으로 고장 모듈의 위치를 확인하기 때문에 모듈 검사 시간이 90% 단축되며, 관리 비용도 최소 50%에서 최대 90%까지 절감된다. 데이터 기반으로 검사 일자 별 추적 관리도 가능해 이를 바탕으로 맞춤형 유지∙보수 솔루션도 제공할 수 있다. 나아가 열화상 드론을 통한 품질 관리는 정확한 전력 생산량 예측으로 이어져 전력 수요 변화에 대한 대비도 가능하다.
현대엔지니어링은 115만 m² 부지에 설치된 22만 장의 태양광 모듈이 문제없이 작동하는지 확인하기 위해 관리 직원을 투입하는 대신 스마트 건설 기술을 활용했다. 드론을 띄워 열화상 촬영을 하는 방식을 적용한 것이다. 현대엔지니어링이 열화상 드론을 새만금 육상 태양광 현장에 적용한 이유는 태양광 모듈의 품질을 철저히 관리함으로써 전력 생산 효율을 최대로 끌어내기 위해서다.
열화상 드론으로 점검을 하려면 먼저 촬영 계획을 세워야 한다. 드론을 통해 넓은 구역을 빠르게 볼 수 있지만, 새만금 육상 태양광 1구역은 워낙 부지가 넓어 여러 번 비행을 해야 전체를 볼 수 있다. 따라서 찍을 부분을 미리 정하는 것이 효율적이다.
무엇보다 새만금 지역에서의 드론 비행은 관계 부처의 승인을 받아야 하므로 기상 상태를 살펴 일정을 잡고 2주 전에 미리 허가를 신청해야 한다. 이후 일정과 촬영 부분 계획에 맞춰 현장을 확인한 뒤 촬영을 진행한다. 촬영을 모두 마치면 열화상 사진 데이터를 합쳐서 분석한다. 병합된 매핑 데이터와 모듈 및 셀의 이상 여부를 꼼꼼히 살핀다. 그리고 마지막으로 고장 모듈의 위치, 고장 유형 등 데이터 분석 결과를 도출한다.
열화상 촬영을 통해 파악할 수 있는 모듈의 고장 유형은 핫스팟 현상을 비롯해 바이패스 다이오드, PID(Potential Induced Degradation, 잠재적 유도 열화), 개방 단락 고장이다. 참고로 열화는 절연체가 외부 또는 내부 영향에 의해 화학적, 물리적 성질이 나빠지는 현상이다. 이처럼 모듈에 문제가 발생하면 사진에 셀 또는 모듈의 색이 더 밝게 나온다. 이는 주변보다 온도가 높고, 따뜻하다는 것으로 고장 때문에 흡수보다 방출하는 에너지의 양이 많아졌다는 것을 의미한다.
첫 번째 핫스팟은 셀 일부의 문제로, 셀 자체의 결함이나 파손 또는 조류 분변으로 인한 부분 오염 및 그림자 등이 원인이다. 개방 단락 고장은 여러 줄의 모듈이 다른 모듈의 온도보다 높은 경우인데, 모듈이 시스템에 연결되지 않았을 때 발생한다. PID 고장은 모듈의 셀 사이에서 불규칙적인 패턴이 나타나는 경우를 가리킨다. 단일 셀이 주변보다 따뜻해서 생기는 것으로, 전체 모듈의 단락 또는 전선의 연결 불량 때문이다.
바이패스 다이오드 고장은 하나의 모듈에서 한 줄 또는 여러 줄이 따뜻한 경우인데, 바이패스 다이오드 자체 또는 내부 전선의 단락(합선) 때문에 생긴다. 참고로 바이패스 다이오드는 직렬로 연결된 여러 셀 중에 불량 셀로 인해 전체 출력이 떨어지는 문제를 방지하기 위해 설치하는 장치다. 고장이 의심되는 모듈은 상세 점검을 통해 불량 여부를 판단한다. 휴대용 열화상 카메라를 이용한 근접 촬영을 통해 육안으로 직접 확인한 후, 모듈의 집합체인 블록별로 발전량을 검토해 실제 전력 생산에 영향을 미치는지 알아본다. 이후 실제 고장이 확인되면 셀 또는 모듈을 교체한다.
현대엔지니어링은 2050년 글로벌 탄소 중립 달성에 동참하고, 지속 가능한 성장을 위해 수력 및 태양광 발전 등 친환경 및 신에너지 사업에 핵심 역량을 투입하고 있다. 그 대표적인 결과물이 새만금 육상 태양광 1구역이다. 이와 함께 불가리아 태양광 발전, 라자만다라 수력 발전소, 케냐 올카리야 지열 발전소도 성공적으로 준공해 신재생에너지 분야에서 탄탄한 입지를 굳혔다. 뿐만 아니라 최근에는 수소 생산, 폐플라스틱 및 이산화탄소 자원화 사업, 폐기물 소각∙매립, 소형 원자로 등 이산화탄소 저감 및 청정 수소 생산을 위한 신사업에도 박차를 가하고 있다.
이처럼 현대엔지니어링은 탄소 중립 달성을 향한 전 세계적인 노력에 적극 동참하고, 글로벌 환경∙에너지 기업으로 도약하기 위해 투자 및 연구∙개발을 지속하고 있다. 다양한 신사업과 첨단 기술을 통해 현대엔지니어링이 만들어갈 저탄소 및 스마트 미래 도시의 모습을 기대하며, 현대엔지니어링이 펼칠 활약을 지켜보자.
HMG 저널 운영팀
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