열화상 기술로 태양광 발전 시스템 검사

태양 에너지 사용하는 비전 시스템 개발 사례

독일 칼라우(Kalaw)에 있는 파울 키타와는 영화 촬영 전문업체다. 이 회사에서는 선전, 교육훈련, 기업 이미지 등의 영화 제작사업 이외에도 고객들을 위해 공중에서 동영상을 촬영해주는 서비스를 제공하고 있다. 파울 키타와의 마리오 함브시 사장은 이와 같은 공중촬영을 위해 서모그래피 기술을 착안해 열화상 카메라를 기반 서모그래피 드론 시스템을 개발했다.

① 2014 태양 에너지 예측

IHS 뉴스에 따르면, 2014년 태양광 발전 시장은 시기상조로 인한 2년간의 하락세를 딛고 성장 국면으로 돌입할 것으로 예상된다. 2014년 PV(Photovoltiaic) 시설은 약 2배 정도로 늘어날 것이고 태양 에너지 제조 자본은 회복되며 모듈의 가격은 안정될 것으로 보인다. 태양광 발전 산업은 이전의 기대와 같이 이머징 마켓으로 떠오를 것이다. 그러나 과제는 여전히 남아있다. 정부의 인센티브 정책 변화와 태양 에너지 가치의 마진에 아직도 미지수로 남은 과제는 2014년에 우선적으로 해결해야 할 것이다.

② 태양전지 시장,   지금 필요한 건 ‘R&D'

세계 태양전지 시장은 출력 면에서는 지속적인 증가세를 기록해 왔지만 지난 2012년에는 35,063MW(2011년 대비 6.2% 증가)로 성장이 둔화되는 모습을 보였다. 지금까지 시장의 견인역할을 해 온 유럽 시장의 침체가 가장 큰 요인으로 꼽힌다. 2013년 역시 유럽이 차지하는 비중은 줄어들었지만 중국, 인도를 비롯한 신흥국과 북미, 일본 등의 호조세에 힘입어 41,905MW(2012년 대비 19.5% 증가) 수준을 유지했다.

반면, 판매액은 결정 실리콘 태양전지의 실리콘 원자재 비용이 떨어지면서 하락세를 면치 못했다. 원자재 비용 하락은 태양전지 판매량이 예상보다 적어 생산능력을 올려온 원자재와의 수급차가 생겼기 때문으로 분석된다. 여기에 태양전지 관련기업들이 수익이 적다고 하더라도 판매물량을 늘리려는 움직임을 보이면서 원자재 생산기업 측에 가격 하락을 요구한 것도 원인으로 작용했다. 이러한 결정 실리콘 태양전지 가격 하락은 결국 박막 태양전지 가격까지 끌어내리는 결과를 야기했다.

2013년에는 태양전지의 원료인 폴리실리콘 가격 하락세가 일단락되고, 태양전지 기업들이 가격 재조정 등을 포함한 전략을 재검토하기 시작하면서 가격은 약간의 안정세를 보이기 시작했다. 특히 유럽이 저가의 중국산 태양전지에 반덤핑관세를 매긴 것은 국내 관련업계에 단기적이긴 하지만 호재로 작용하고 있다.

하지만 “중장기적인 지역간의 무역 분쟁은 결국 산업에 긍정적이지 않다”는 의견도 만만치 않다.

한국-중국-미국-유럽, 태양광 소재 전쟁 중
2013년 6월, 유럽연합(EU)이 중국산 태양광 패널에 대해 11.8%, 8월부터는 평균 47.6%의 잠정관세를 부과한다고 발표하자, EU산 와인 반덤핑 조사에 착수하는 등 보복조치를 취하던 중국 정부는 7월 한국 및 미국산 폴리실리콘에 대해 반덤핑관세를 부과한다며 또 다른 맞대응을 시작했다.

한국산 폴리실리콘에는 2.4~48.7%, 미국산에는 53.3~57%의 관세를 적용한 중국 정부는 지난해 11월 EU산 폴리실리콘 반덤핑 조사를 약 6개월간 연장한다고 발표하는 등 태양전지를 둘러싼 국제적 분쟁은 사그라지지 않고 있다.

한편 폴리실리콘은 규소에서 고순도 실리콘을 뽑아낸 태양광 소재의 핵심물질로서 메탈실리콘→폴리실리콘→잉곳→웨이퍼→태양전지(셀)→모듈 등의 공정을 거쳐 반도체용 웨이퍼나 태양전지판 등에 사용된다.

박막 태양전지 기술개발 시급
2012년 전체 태양전지 시장에서 결정 실리콘 태양전지가 차지하는 비율은 80%를 웃돌았다. 비용대비 효과가 좋고 변환효율이 좋으며 신뢰성을 높게 평가받았기 때문이다. 실리콘 원료의 조달비용이 크게 줄어들어 가격경쟁력이 높아진 것도 장점으로 꼽힌다.

하지만 2013년 들어 중국의 일부 태양전지 기업이 대규모 발전소용을 타깃으로 적극적인 사업을 벌이고 있어 박막 태양전지의 점유율은 점차 상승할 것으로 전망된다.

박막 태양전지 시장 확대가 예상되면서 기술개발에 대한 필요성은 높아지고 있지만 태양광 시장 불황이 장기화되면서 관련기업들은 박막 태양전지 R&D에 투자하는 것을 부담스러워하는 눈치다. 하지만 고온 환경에서 결정질 태양전지에 비해 효율감소 면에서 절반밖에 되지 않아 태양전지의 효율 한계를 극복하는 데는 박막 기술이 필수로 여겨지고 있다.

박막 태양전지는 재료에 따라 CIGS, 아모퍼스, CdTe 등으로 분류되며 필름 형태로 얇아 변형이 가능한 것이 특징이다. 따라서 설치가 쉽고 다양한 제품으로 응용생산이 가능할 것으로 기대된다.

현재 결정질 태양전지 평균가격은 와트(W)당 0.707달러, 박막 태양전지는 평균 0.602달러 수준이다. 업계 전문가에 따르면, 박막 태양전지 가격은 결정질 태양전지 가격의 50%까지 내려가야 시장 경쟁력이 생기므로 기술개발을 통한 가격 안정세가 시급하다고 할 수 있다.

한 관계자는 “본격적인 양산이 시작되면 가격도 떨어질 것으로 예상되지만, 현재 국내에서 박막 태양전지 R&D를 하는 곳은 삼성SDI와 LG전자 정도”라며 아쉬움을 토로했다. 그는 “국가 차원의 지원과 관심 없이는 불가능할 것”이라고 덧붙였다.

③ 열화상 기술로 태양광 발전 시스템 검사

파울키타와의 마리오 함브시 사장은 "에너지 산업분야에 있는 한 고객사가 열화상 카메라를 드론에 장착해 대규모 태양광발전 단지를 공중 촬영할 수 있는지 문의해 왔다"고 말했다.
그는 일단 이론적으로는 충분히 가능하다고 대답했지만, 이를 실현하기 위해서는 상당한 개발 작업이 필요할 것임을 알고 있었다.

태양광발전 시설 공중 열화상 촬영
서모그래피 기술은 넓은 면적의 태양광발전단지를 검사하는 데 가장 이상적인 기술이다. 이 기술은 적외선 카메라를 사용, 태양전지 모듈 내부 또는 표면에 있는 온도 차이를 검출한다. 정상적으로 작동하고 있는 태양전지 모듈은 그 온도 분포가 전체적으로 균일하다.

그러나 모듈에 이상이 발생하면 각각의 태양전지 또는 모듈 전체의 태양전지에 온도 차이가 나타나게 된다. 그러므로 드론에 분해능이 높은 열화상 카메라를 설치하고 넓은 면적의 태양광발전 단지를 검사하면 저렴한 비용으로 큰 효과를 거두어 높은 수익성을 실현할 수 있게 된다.

적절한 열화상 전문가, 도구 선정
파울 키타와는 열화상을 촬영할 수 있는 드론을 개발하기 위해 먼저 유능한 기술 파트너 업체를 찾기 시작했다. 선정 과정을 거쳐 독일 전국에 있는 서모그래피 전문 업체는 물론, TUV 인증 태양광발전 시스템 전문가이며 서모그래피 기술에도 풍부한 경험을 가지고 있는 마티아스 마우스와 기술 제휴관계를 맺었다.

그 다음 단계로 이 작업에 가장 적합한 열화상 카메라를 조사했다. 여기에 사용될 열화상 카메라는 높은 고도에서 넓은 태양광발전 단지를 높은 정밀도로 검사할 수 있도록 적외선 분해능이 충분히 높은 것이라야 한다. 또한 무선통신이 가능해 비디오 영상을 지상에 있는 기지국으로 스트리밍 전송할 수 있는 기능이 필요하다. 그리고 드론의 총무게가 5kg을 초과하면 이륙허가가 필요하기 때문에 카메라의 무게는 최대한 가벼워야만 한다.

각각의 이륙은 5kg에서 시작해야 한다. 즉 이륙할 때마다 항공관제 당국의 허가를 얻는다는 것은 무척 번거로운 일이므로 카메라의 가벼운 무게는 매우 중요한 조건이다. 처음에는 무인기 드론과 열화상 카메라, 고정 장치 등을 합친 무게가 5kg에 약간 못미쳤지만 그럼에도 만족할 만한 수준의 비행시간을 발휘하기에는 너무 무거웠다. 이를 해결하기 위해 함브시는 독일 콧부스에 있는 구서 메탈바우의 롤프 구서 박사와 함께 카메라를 수직 방향으로 틸팅하는 기능을 유지하면서도 무게가 가벼워 충분한 비행시간을 얻을 수 있는 카메라 고정 장치를 개발했다.

이상과 같은 조건을 기준으로 플리어시스템의 최상급 모델인 FLIR T620 열화상 카메라를 선택했다. 이 카메라는 적외선 분해능이 640×480 픽셀로서 매우 높고, 무게가 1.3kg에 불과하며, 태블릿 PC와 무선 LAN을 통해 제어할 수 있는 장점이 있다.

넓은 면적의 시설을 신속하게 검사
이 서모그래피 드론은 공해물질을 배출하지 않고 시간과 비용을 절약할 수 있으며 정확하게 교정해주면 모든 종류의 열적 이상 징후를 검출할 수 있다. 차후에 고객의 다양한 요구를 만족시킬 수 있도록 모듈화된 드론 시스템도 개발될 예정이다. FLIR T620 열화상 카메라는 라디오메트릭 분해능이 640×480픽셀로 매우 높아서 넓은 면적의 태양광발전 시설을 저렴한 비용과 짧은 시간 내에 검사할 수 있다. 즉, 온도 차이를 검출해 태양전지 모듈에서 발생할 수 있는 모든 종류의 이상을 발견해낼 수 있는 것이다.

지상으로 데이터 무선 전송
마리오 함브시 사장은 무선 LAN 연결을 통해 열화상 카메라의 동영상을 실시간 스트리밍으로 전송하고자 계획했다. FLIR T620 카메라는 태블릿 PC 등을 사용해 WiFi로 제어할 수 있기 때문이다. 그러나 실제로 사용해본 결과 무선 LAN은 실외 비행 환경에서는 이상적이 아니었다. 이는 거리상으로 40~80m 범위 안에서만 정상적으로 기능을 발휘했다. 그리고 데이터를 에너지 절약형 iPad 화면을 통해 보기에는 실외 환경이 너무 밝아서 불편하다는 문제가 있었다.

마리오 사장은 IT 기술자의 지원을 받아서 드론 자체의 무선제어를 통해 카메라를 2km 거리에서 제어할 수 있는 방법을 개발했다. 이 드론 제어 소프트웨어는 모듈형 구조로써 각각 특정 용도에 적합하게 개조됐다. 드론 조종사 또는 서모그래피 기술자는 전자통신장치에 있는 두 개의 스위치를 사용해 카메라를 켜고 초점을 맞출 수 있다. 적외선 열화상이 무선통신을 통해 드론에서 지상으로 실시간 스트리밍되고 특수 측정 장치에 디지털 녹화되며 모니터 화면에 디스플레이된다.

서모그래피 기사와 드론 조종사가 함께 운영
파울 키타와에서는 서모그래피 기술자와 드론 조종사를 2인 1조로 구성해 검사팀을 운영한다. 마리오 함브시 사장은 드론 조종에 오랜 경험을 가지고 있으며 GPS 없이도 조종이 가능할 정도의 실력을 가지고 있다.

GPS에 장애가 발생하면 경험이 풍부하지 않은 조종사는 드론을 조종하기 어렵게 된다. 드론이 바람에 날라 가버릴 수 있기 때문에 드론과 조종사 사이의 통신이 중요하다. 드론을 천천히 착륙시켜서 큰 사고가 발생하는 것을 방지해야 한다.

교육훈련 및 서모그래피 전문기술
마리오 함브시 사장 자신도 기본 서모그래피 교육과정을 이수했지만 열화상 분석 작업은 전문 서모그래피 기술자에게 맡기고 있다. 서모그래피 분야의 경험과 마찬가지로 기술부문은 매우 중요하기 때문이다. 태양광발전 시스템을 공중에서 160×120 픽셀의 저분해능 카메라로 검사하는 것은 불가능한 일이며 태양전지 모듈의 상태를 전문적으로 분석하려면 많은 지식과 경험이 필요하다.

오랜 경험과 열화상 카메라를 사용한 분석은 태양광발전 단지를 매우 높은 수준으로 검사할 수 있게 만들었다. 이들이 실시한 연구에서 과학자들은 건물 옥상에 설치된 태양전지 발전시설을 열화상으로 촬영하고 분해해 검사했다. 그 결과 발생한 모든 결함과 모듈을 열화상으로 찾아낼 수 있다는 것이 확인됐다.

적합한 각도 설정으로 최적의 검사
태양전지 모듈의 결함을 검사하려면 모듈 평면에 대해 약 70~90도 각도로 열화상을 촬영해야 한다. 이런 검사 각도조건 때문에 수동식 적외선 카메라를 사용하면 넓은 면적의 시설을 검사하는 데는 복잡한 기술과 함께 오랜 시간이 소요된다. 이와 달리 무인항공기 드론을 사용하면 모든 태양전지 모듈을 직각으로 촬영할 수 있으며 신속하게 작업을 완료할 수 있다.

정기검사로 안전 확보
대규모 태양광발전 단지 운영에 정기적인 검사는 필수과정이다. 안전을 확보해 발전 생산성을 최대화할 수 있어야 하지만 건물 옥상에 설치된 소규모 태양광발전 시설은 정기검사가 간과되는 경우가 많다. 이는 주로 소규모 태양광발전 시설의 제작사들이 ‘정비가 불필요한 시설’이라고 선전하기 때문이다. 그러나 미 검사 시 건물 옥상에 화재가 발생할 위험이 커진다. 매년 1회 정도는 태양전지 모듈을 육안으로 검사하고, 배선과 전력 인버터 등을 포함하여 4년마다 대정비를 하는 것이 바람직하다.

헬리콥터보다 저렴하고 간편한 드론
이전에는 태양광발전 시스템을 공중에서 검사한 후 나중에 분석을 통해 결함이 있는 모듈을 찾아냈었다. 대표적으로 사용되는 헬리콥터는 드론에 비해 사용이 번거로울 뿐만 아니라 고가의 비용을 초래 했다. 또한 헬리콥터를 사용해 서모그래피 검사를 할 때의 단점으로는 날개의 회전에 의해 발생하는 바람이 태양전지 모듈의 온도를 낮추어 정확한 분석이 어렵게 되며, 먼지나 모래 등의 입자를 날려서 태양전지 모듈의 표면을 영구적으로 손상시킬 위험도 있게 된다.

시험 절차의 자동화
현재 시험 절차를 최대한 자동화하기 위해 기술 개발에 열을 올리고 있다. 자동화를 위해 카메라를 조작하는 기술자와 드론 조종사 외에 자전거 등을 타고 모듈 사이를 이동하는 보조인원이 필요하다. 드론은 이 보조원이 송신하는 신호를 자동적으로 따르게 된다. 서모그래피 기술자가 실시간으로 전송되는 열화상에서 비정상적인 부분을 발견하면 드론을 그 위치에 정지시키고 T620 열화상 카메라의 초점을 맞춰 2~3장의 압력을 촬영한다. 그동안 보조원이 지상에서 모듈의 위치를 표시하거나, 모듈 또는 일련번호의 사진을 찍어서 나중에 쉽게 찾을 수 있도록 돕는다.

결론과 전망
마리오 함브시 사장은 자신이 개발한 서모그래피 드론으로 태양광발전 시스템의 모든 결함을 공중에서 검사할 수 있다고 피력했다. 그는 지속적으로 무인기를 이용한 공중 서모그래피 검사 사업에 방점을 두고 서모그래피 드론을 개발할 것이다. 또한 앞으로 고객별로 특수한 조건에도 최적화될 수 있는 모듈형 드론 시스템을 연구해 맞춤형 솔루션을 제시할 예정이다.

출처 | 플리어시스템코리아(www.flir.com)

FLIR 소개

FLIR는 적외선 열화상 카메라의 디자인, 제조, 마케팅에 관한 전 세계적인 선도업체다.
FLIR는 50년 이상 열화상 및 야간투시 장비를 과학분야, 산업분야, 법 집행 및 군수 분야에 공급자 역할을 해왔다. 예측 정비, 상태 감시, 비파괴 시험, 연구개발, 의료 과학, 온도 측정 및 열 이용 시험부터 감시, 경비 및 제조공정 제어분야에까지 응용된다.
FLIR 제품은 약 60개 국가에서 산업활동, 회사 및 정부 활동의 광범위한 영역에서 중추적인 역할을 하고 있다.