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우르르 쾅쾅! 하늘을 찢는 굉음이 들리고 깜짝 놀랐던 경험이 있을 겁니다. 봄·여름철 자주 접할 수 있는 낙뢰는 2020년 한 해 8만3천 건이 집계되면서 전년 대비 약 26% 증가했습니다. 특히 올해 5월은 평년과 비교해 2배가량의 강수일수가 집계됐는데요. 이에 돌풍과 천둥, 번개를 동반한 궂은 날씨가 이어져 낙뢰를 접할 기회가 많았습니다.

우리가 본 섬광, 낙뢰는 소리가 큰 만큼 약 100억kW 정도의 엄청난 에너지를 흘립니다. 이는 전력량이 약 20만kW인 소양강댐 5만 개 분량의 에너지를 흘려보낸단 말이지요. 하지만 움직일 수도 없고 지상에 광활히 펼쳐져 있는 태양광발전소는 어떻게 낙뢰로부터 보호받을 수 있을까요? 태양광발전소에 피해를 주는 낙뢰의 종류와 이에 대한 예방책! 한번 알아봅시다.

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피할 수 없는 자연재해, 낙뢰의 종류
태양전지 패널, 통신선, 배전선로 따위로 침입한 낙뢰는 발전소의 모듈, 인버터 등의 장비를 고장을 낼 수 있습니다. 또 낙뢰로 인한 과전압은 그대로 남아 반경 1~2km 주변에서 발전소의 효율을 저하하고 심하면 고장을 일으킵니다. 이런 태양광 장비를 수리하는 데 드는 비용도 만만치 않은데요, 특히 대용량 인버터와 같은 고가장비의 경우 수천만 원가량의 수리비가 소요되기도 합니다. 방심하면 발전소의 큰 피해를 주는 낙뢰, 낙뢰에도 여러 종류가 있다고 하는데요. 직격뢰와 유도뢰에 대해 알아봅시다.

① 직격뢰
직격뢰란 말 그대로 뇌운에서 송전선 등에 직접 방전이 되는 경우를 말하는데요. 낙뢰로 인해 태양광발전소가 직접 방전되는 것을 의미합니다. 유도뢰보다 낮은 건수의 피해사례를 보이지만 발전소 부지가 클수록 직격뢰로 인한 피해 가능성은 무시하기 어려워집니다. 

② 유도뢰
유도뢰는 뇌운의 전하에 의해 송·배전선 등의 도체에 반대 전하가 유도되고 발전소 시설 근처에 낙뢰가 발생했을 때 일어날 수 있습니다. 이때 뇌운의 전하가 중화되며 유도된 반대 전하의 구속이 풀려 이상 전압이 발생합니다. 이런 이상 전압이 통신선, 전선 등을 타고 발전소로 유입되어 피해를 일으키는 것이 유도뢰로 인한 피해입니다. 

 

직격뢰와 유도뢰 ⓒ픽사베이 / 김수연 가공

 * PCS(Power Conditioning System) : 전력제어장치를 의미하며, DC/AC 변환, 주파수와 전압의 조정과 같은 기능을 가집니다. 인버터도 일종의 PCS 이죠.

 

낙뢰로부터 살아남기
재해는 피할 수 없지만, 우리는 재해에 대한 대비로 피해를 줄일 수 있습니다. 태양광발전소의 낙뢰 대비는 안정적인 전력공급 그리고 수리 비용의 저감을 위해서도 중요한 부분입니다. 낙뢰로 인한 과전압은 태양광 패널, 통신선, 전력선 등으로 유입될 수 있습니다. 또한 직접적으로 태양광 패널이나 인버터에 방전되어 기기에 손상을 입히기도 합니다. 우리는 피뢰 대책용 부품인 피뢰침과 SPD를 통해 낙뢰로 인한 피해로부터 대비할 수 있습니다. 바로 이상 전압이 기기로 유입되는 경로를 통제하는 것이죠. 이런 부품들은 발전소에 손상을 일으키는 이상 전압의 크기를 줄이기 위해 에너지 일부 또는 전부를 방전시켜 피해를 줄일 수 있습니다. 

① 피뢰침
피뢰침은 끝이 뾰족한 금속제의 막대기입니다. 우리가 생활하는 아파트, 주택과 같은 건물 위에서도 피뢰침을 볼 수 있는데요, 피뢰침은 낙뢰가 치는 방향을 유도해 충격전류가 땅으로 흘러가도록 합니다. 따라서 피뢰침은 낙뢰 유입경로 중 하나인 ‘태양광 패널이나 인버터에 대한 직접 방전’ 즉 직격뢰 대비에 특화되어 있습니다. 피뢰침은 피뢰침의 끝에서 지면으로 직선을 그었을 때 60도 이내 원뿔 크기의 보호범위를 갖고, 범위 내에서의 직격뢰의 피해를 방지합니다. 피뢰침은 도전성이 우수한 도체로 이루어져 낙뢰가 발전소에 닿기 전에 다른 방향으로 흘려보내 사전에 유입을 차단하죠.

② 서지보호기 (SPD : Surge Protection Device)
하지만 피뢰침이 미처 잡지 못한 직격뢰, 그리고 기기의 연결선을 통한 유도뢰는 어떻게 대비할까요? 그런 문제는 서지보호기가 해결할 수 있습니다. 서지란 짧은 시간에 전압이나 전류가 크게 증가하는 과도파형을 의미합니다. 따라서 SPD 즉, 서지보호기는 낙뢰와 같은 문제로 이미 전선에 유입된 과전압(서지)으로부터 회로를 보호해줍니다. 

서지 보호 소자에는 크게 3가지 종류가 있습니다. 피뢰침과 같이 이상 전압이나 전류를 흘려보내는 방류형 소자, 과도전류의 통과를 막는 저지형 소자 그리고 제너다이오드와 같이 유입되는 이상 전압을 제한된 크기의 전압으로 한정하는 차단형 소자가 있습니다. 간단히 정리하자면 방류형 소자는 이상 전압을 접지선으로 방류시키고, 저지형은 과도전류를 방지합니다. 차단형 소자는 한도 내로 이상 전압을 억제해 과전압으로부터 발전소를 보호하죠.

 

SPD 회로 구성 ⓒ김수연 제작


낙뢰로 인한 이상 전압은 직접 방전은 물론 태양광 패널과의 연결선, 통신선, 전력선으로 유입될 수 있습니다. 직격뢰로 인한 유입은 피뢰침으로 방지하고, 전선으로 전파되는 이상 전압은 SPD를 통해 대비할 수 있습니다. 이처럼 태양광발전소는 알맞은 규격에 따라 보호 부품을 활용해 태양광 패널, 통신선, 전력선을 보호하며 유입되는 낙뢰에 대처할 수 있답니다.

 

 낙뢰 대비 ⓒ픽사베이 / 김수연 가공

* LPZ(lightning protection zone) : 피뢰구역을 의미하며, 낙뢰를 피할 수 있는 구역입니다.

 

신재생발전에 관한 관심과 함께 커지는 ‘안전’에 대한 관심 
2030년까지 신재생발전의 비중을 20% 늘린다는 정부의 3020 계획에 따라 재생에너지 발전 비중이 증가해오고 있습니다. 그중 전력수요가 피크인 여름철 7~8월의 경우 태양광 발전 비중은 2017년 1.5%에서 2020년 3.5%로 증가하는 추세입니다. 한국전력 또한 햇살행복 발전설비 지원사업을 통해 농·어촌 사회적 경제조직을 대상으로 태양광 발전설비 설치를 지원해오고 있습니다. 재생에너지 보급 확대는 물론 농·어촌 경쟁력을 확보해 사회적 가치를 추구하는 것이죠. 설계 및 설치는 물론 안전진단, 검사 등 또한 지원해 안정적인 발전소 설치를 위해 노력하고 있습니다. 어느 산업시설도 마찬가지지만 신재생발전에 ‘안전’이란 키워드는 중요하기 때문입니다. 


기후 온난화를 비롯한 환경문제로 인해 신재생에너지는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 주목받고 있습니다. 신재생에너지 설비의 안정성은 중요한 문제로 떠오르는 것은 필연적인데요. 실제로 최근 산업통상자원부와 한국에너지공단은 태양광 설비에 대한 개정안을 검토하는 중입니다. 개정안이 그대로 시행되면 낙뢰, 단락 등으로 인한 이상 현상에 대한 대비가 강화되죠. 기존 방식이 육안 확인에 그친 것을 시공기준에 두었다면, 개정안은 KS규격에 맞는 자동차단장치를 구성해 태양광 발전의 안정성을 높일 수 있습니다.

 

철저한 대비로 최소의 피해를 꿈꾸며 
지금까지 태양광발전소를 위협하는 낙뢰의 종류, 이에 맞선 대비방안 그리고 태양광 설비 안정의 중요성에 대해 알아봤습니다. 낙뢰가 발생해 손상을 입으면 고가 장비의 수리 비용은 물론 신뢰성 있는 전력공급에도 문제가 생길 것입니다. 한전 역시 태양광 지원사업에서 안전과 관련된 지원을 포함하고 있죠. 태양광 발전이 우리 미래에너지로 주목받고 있는 만큼 안정성 확보는 중요한 요소입니다. 낙뢰와 같은 자연재해에 대해 철저한 대비로 최소의 피해를 이루는 신재생에너지의 미래를 기대합니다!

 

 

 

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  • PPA 2021.07.09 17:31
    잘읽었습니다 근데 오타가 있어요 낙뢰에너지는 100만KW..여야 맞을것같습니다. 100KW면 작은 사업용태양광 하나 수준이네요

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