재사용 태양광 모듈의 효율성 검증 및신규 양면형 모듈과의 비교 분석 = Performance Evaluation of Reused Photovoltaic Modules in Comparison with New Bifacial Modules

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 탄소중립 목표가 가속화되면서 태양광 발전 설비의 보급은 빠르게 확대되고 있다. 그러나 설비 용량 확대와 더불어, 설계 수명에 도달하기 이전에 철거되는 태양광 모듈의 처리 문제 역시 중요한 과제로 대두되고 있다. 일반적으로 태양광 모듈은 약 20 ~ 25년의 설계 수명을 가지지만, 실제 현장에서는 부지 재개발, 발전소 리파워링, 설비 이전, 구조물 보강, 계약 조건 변경, 유지관리상의 판단 등 다양한 이유로 인해 조기에 철거되는 사례가 빈번하게 발생한다. 이로 인해 아직 일정 수준 이상의 성능을 유지하고 있음에도 불구하고 사용 가능한 모듈이 폐기되는 문제가 발생하며, 이는 자원 낭비와 환경 부담 증가로 이어질 수 있다.
이러한 배경에서 최근에는 기존 발전 설비에서 사용 이력이 있으나 잔존 성능이 확인된 태양광 모듈을 선별·보수하여 재사용하는, 이른바재사용(ECO) 태양광 모듈에 대한 관심이 증가하고 있다. 재사용 태양광 모듈은 신규 모듈 대비 초기 투자비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니 라, 제조 과정에서 발생하는 탄소 배출과 원자재 소비를 줄일 수 있다는 점에서 경제적·환경적 이점을 동시에 지닌다. 그럼에도 불구하고 재사용 모듈의 현장 적용 확대는 여전히 제한적이며, 가장 큰 이유는 장기 운전 성능과 신뢰성에 대한 불확실성, 그리고 실제 운전 환경에서의 실증 데이터 부족에 있다. 기존 연구의 다수는 실험실 기반 전기적 특성 분석(STC 조건의 I–V 곡선 측정 등)이나 단기 시험에 집중되어 있어, 계절 변화와 설치 환경, 장기 운전 조건이 반영된 실제 현장 성능을 충분히 설명하는 데 한계를 가진다.
이에 본 연구는 재사용(ECO) 태양광 모듈과 신규 양면형 태양광 모듈의 발전 성능을 실제 운전 환경에서 장기간 수집된 발전량 데이터를 기반으로 비교·평가하는 실증 연구를 수행하였다. 분석 대상 태양광 발전 설비는 동일 캠퍼스 내 두 건물 옥상에 설치되어 있으며, 두 건물은 직선 거리 약 900 m 이내에 위치하여 주요 기상 조건(일사량, 외기 온도, 강수
등)이 거의 동일하게 작용하는 환경에 있다. 두 설비는 동일한 방위각과 경사각으로 설치되었고, 난간 상부 구조를 통해 직접적인 음영 영향을 최소화하였다. 다만 난간 구조의 개방성, 환기 조건, 옥상 설비 배치 등 일부 환경적 차이는 존재하며, 이러한 요소는 결과 해석 시 고려하였다.
분석 기간은 2024년 2월부터 2025년 10월까지 약 20개월로 설정하였 으며, 봄·여름·가을·겨울을 모두 포함하는 다계절 운전 데이터를 확보하 였다. 본 연구에서는 다수의 현장 설비에서 공통적으로 직면하는 현실적인 제약을 반영하여, 일사량, 모듈 온도, 성능비(PR) 산정을 위한 고해상도 계측 데이터가 충분히 확보되지 않은 조건을 전제로 하였다. 이에 따라 인버터 모니터링 시스템을 통해 수집된 일일 발전량 데이터 (kWh/day)를 분석의 핵심 지표로 활용하였다. 수집된 일일 발전량 데이터는 월별 누적 발전량으로 집계하여 단기적인 기상 변동에 따른 영향을 완화하였으며, 계절별 분석을 통해 계절 변화에 따른 발전 특성을 비교하였다.
발전량 기반 비교 분석 결과, 신규 양면형 태양광 모듈은 전반적으로 재사용(ECO) 모듈 대비 높은 발전량을 기록하였다. 이는 신규 모듈의 초기 성능 우위와 양면형 구조에 따른 후면 발전 기여 가능성이 실제 운전 환경에서도 일정 부분 반영된 결과로 해석된다. 그러나 이러한 발전량 차이는 분석 기간 전체에 걸쳐 일정하게 유지되지 않았으며, 월별· 계절별로 그 크기가 달라졌다. 일부 기간에서는 두 모듈 간 발전량 차이가 축소되거나 유사한 수준을 보였는데, 이는 기상 조건의 변동성, 일사량 분포, 그리고 설치 환경 차이의 영향을 반영한 결과로 판단된다.
계절별 발전 특성 분석 결과, 두 모듈 모두 계절 변화에 따라 유사한 발전 패턴을 나타냈다. 봄과 여름에는 일사량과 일조 시간이 증가함에
따라 발전량이 증가하였고, 가을과 겨울에는 태양 고도 및 일사량 감소
로 인해 발전량이 감소하는 전형적인 태양광 발전 특성이 확인되었다.
특히 재사용(ECO) 모듈은 장기간 사용 이력을 보유하고 있음에도 불구 하고, 계절 변화에 대해 신규 모듈과 유사한 반응 특성을 보이며 안정 적인 발전 성능을 유지하였다. 월별 발전량 비율(재사용 모듈 발전량 /신규 모듈 발전량)을 기준으로 한 상대 성능 분석에서는, 재사용(ECO) 모듈이 분석 기간 대부분에서 신규 양면형 모듈 대비 약 90% 이상 수준의 발전 성능을 유지하는 경향이 확인되었다. 일부 월에서는 단기적인 변동이 관찰되었으나, 장기적으로 지속적인 성능 저하 추세는 나타나지 않았다.
운전 안정성 측면에서 일일 발전량 분포를 분석한 결과, 재사용 (ECO) 모듈은 신규 모듈과 비교하여 과도한 출력 변동성이나 빈번한 이상치(outlier)를 보이지 않았다. 일일 발전량의 중앙값과 분포 범위가 신규 모듈과 유사한 수준을 유지하고 있다는 점은, 재사용 모듈이 일상 적인 기상 변동 하에서도 안정적인 운전 특성을 보임을 시사한다.
발전량 분석을 보완하기 위해 본 연구에서는 비파괴 진단 기법인 전기발광(EL) 촬영과 열화상(IR) 촬영을 병행하였다. EL 촬영 결과, 재사 용(ECO) 모듈에서는 셀 단위 발광 불균일, 미세 균열로 추정되는 패턴, 국부적인 발광 저하 영역 등이 다수 관찰되었다. 이는 장기간 운전 과정에서 누적된 구조적·전기적 변화가 셀 수준에서 반영된 결과로 해석
할 수 있다. 반면 신규 양면형 모듈의 EL 영상에서는 전반적으로 균일한 발광 분포가 관찰되었으며, 광범위한 결함 패턴은 제한적으로 나타 났다. IR 촬영 결과에서도 재사용(ECO) 모듈에서는 국부적인 고온 영역과 열 분포 불균형이 반복적으로 관찰된 반면, 신규 모듈에서는 비교적 균일한 온도 분포가 유지되었다. 이러한 진단 결과는 재사용 모듈이 내부적으로 일부 열화 징후를 포함하고 있음을 보여주지만, 본 연구의 발전량 분석 결과에서 확인된 바와 같이 이러한 열화가 단기간에 급격한 발전량 붕괴로 이어지지는 않았음을 함께 시사한다.본 연구의 가장 큰 의의는 고해상도 계측 데이터가 제한된 현실적인 현장 조건에서도, 장기간 축적된 발전량 데이터를 활용하여 재사용 태양광 모듈의 실질적인 성능과 운전 안정성을 평가할 수 있음을 실증적 으로 보여주었다는 점에 있다. 이는 다수의 기존 태양광 설비에서 추가 적인 센서 설치가 어려운 상황을 고려할 때, 재사용 모듈의 현장 적용 가능성을 평가하는 실용적인 분석 프레임을 제시한다는 점에서 의미를 가진다. 다만 본 연구는 발전량 기반 분석에 초점을 두었기 때문에, 일사량 및 모듈 온도를 정량적으로 반영한 PR 분석이나 결함의 정량적 분류·평가에는 한계가 있다. 또한 특정 설치 환경을 대상으로 한 연구 이므로, 다양한 지역과 기후 조건에서의 일반화를 위해서는 추가적인 실증 연구가 요구된다.
종합적으로 본 연구 결과는 재사용(ECO) 태양광 모듈이 일부 구조 적·열적 결함 징후를 포함하고 있음에도 불구하고, 실제 운전 환경에서 장기간 안정적인 발전 성능과 높은 상대 성능 수준을 유지할 수 있음을 보여준다. 이는 재사용 태양광 모듈이 비용 효율성과 자원 순환을 동시에 고려한 태양광 보급 전략의 하나로서, 특히 중·소규모 설비, 실증 사업, 공공 및 교육용 설비 등에서 충분한 활용 가능성을 가진다는 점을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 필요성 3
• 3. 연구 목적 5
• 4. 연구 범위 및 방법 7
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행연구 9
• 1. 태양광 발전 시스템의 출력 특성 9
• 2. 태양광 모듈 성능 평가 지표 12
• 1) 표준시험조건(STC) 기반 성능 평가 13
• 2) 발전 효율 및 정격 출력 지표 14
• 3) Performance Ratio(PR) 기반 성능 평가 15
• 4) 발전량 기반 성능 평가 지표 16
• 5) 성능 평가 지표 간 비교 및 본 연구의 접근 방식 17
• 3. 재사용 태양광 모듈 관련 선행연구 고찰 18
• 1) 재사용 모듈 성능평가 방법론의 분류 18
• 2) 재사용 모듈 열화(degradation) 특성과 해석 이슈 19
• 3) 현장 실증 기반 연구의 특징과 한계 20
• 4) 재사용 모듈 선별·등급화 및 품질보증 관점 21
• 5) 본 연구의 위치 22
• 4. 계절 변화 및 설치 환경이 발전 성능에 미치는 영향 23
• 1) 계절 변화가 태양광 발전 성능에 미치는 영향 24
• 2) 설치 환경이 태양광 발전 성능에 미치는 영향 25
• 3) 계절 변화 및 설치 환경을 고려한 발전량 기반 분석의 필요성 26
• 5. 양면형 태양광 모듈의 발전 특성 및 비교 분석 시 고려사항 27
• 1) 양면형 모듈의 후면 발전을 좌우하는 요인 27
• 2) Bifacial Gain의 개념과 비교 연구에서의 해석 28
• 3) 재사용 단면형 vs 신규 양면형 비교의 공정성 확보 포인트 28
• 6. 태양광 모듈 열화 진단 기법 30
• 1) 열화상(IR) 기반 태양광 모듈 진단 기법 31
• 2) 전기발광(EL) 기반 태양광 모듈 진단 기법 34
• 3) 열화 진단 기법의 병행 활용 36
• Ⅲ. 실증 시스템 구성 및 데이터 수집 방법 37
• 1. 실증 대상 태양광 발전 시스템 개요 37
• 2. 재사용(ECO) 모듈 및 신규 양면형 모듈 사양 41
• 3. 데이터 수집 방법 및 분석 기간 43
• 4. 데이터 처리 및 분석 방법 45
• 5. 열화 진단 데이터 수집 방법 (IR 및 EL) 46
• 1) 열화상(IR) 데이터 수집 방법 46
• 2) 전기발광(EL) 데이터 수집 방법 50
• 3) 열화 진단 데이터 수집의 한계 및 활용 범위 51
• 6. 발전량 정규화 및 비교 지표 정의 52
• 1) 특정발전량(Specific Yield) 기반 정규화 52
• 2) 발전량 차이 및 발전량 비율 지표 53
• 3) 일별 자료 기반의 paired 비교 개념 53
• 7. 데이터 품질 관리 및 통계 분석 절차 54
• 1) 결측 및 이상치 처리 원칙 54
• 2) 변동성 지표 및 신뢰구간 개념 54
• 3) 결과 해석의 범위 설정 54
• Ⅳ. 재사용 ECO 모듈과 신규 양면형 모듈의 발전 성능 비교 분석 55
• 1. 월별 누적 발전량 비교 분석 55
• 2. 계절별 발전 특성 비교 61
• 1) 겨울철 발전 특성 62
• 2) 봄철 발전 특성 64
• 3) 여름철 발전 특성 66
• 4) 가을철 발전 특성 68
• 5) 계절별 발전 특성 조합 고찰 70
• 3. 출력 차이 및 운전 특성 고찰 72
• 1) 월별 발전량 차이를 통한 절대 출력 특성 분석 73
• 2) 월별 발전량 비율을 통한 상대 성능 유지 특성 분석 75
• 3) 일일 발전량 분포를 통한 운전 안정성 고찰 77
• 4) 일일 발전량 상관분석 및 회귀 기반 비교 78
• 5) 출력 차이 및 운전 특성 종합 고찰 81
• 4. 열화 진단 자료(EL 및 IR)를 활용한 모듈 상태 확인 82
• 1) 전기발광(EL) 촬영을 통한 모듈 구조 상태 확인 82
• 2) 열화상(IR) 촬영을 통한 모듈 열적 상태 확인 86
• 3) EL 및 IR 진단을 통한 모듈 상태 확인 결과 정리 88
• Ⅴ. 결론 91
• 1. 연구 결과 91
• 2. 연구의 의의 및 한계 93
• 3. 향후 연구 방향 95
• 4. 실무 적용을 위한 제언 96
• 5. 정책·제도적 시사점 97
• 참고 문헌 98
• 영문초록 100
• 감사의 글 106