Original Article

Tunnel and Underground Space. 31 December 2021. 534-548
https://doi.org/10.7474/TUS.2021.31.6.534

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  •   1.1 연구 배경

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 연구 지역

  •   2.2 사면 직접 설치 시 태양광 잠재량 분석

  •   2.3 낙석 방지벽 설치 시 태양광 잠재량 분석

  • 3. 연구 결과

  •   3.1 사면 직접 설치 시 분석 결과

  •   3.2 낙석 방지벽 설치 시 분석 결과

  • 4. 토 의

  • 5. 결 론

1. 서 론

1.1 연구 배경

자원 채굴이 완료된 채석장에는 구멍과 낙석 같은 굴착 결과로 생긴 잔해가 있어 부정적인 시각적 영향 및 지형적 위험요소를 안고 있다. 따라서 굴착 완료 후 「산지관리법」 제4장 39조에 따라 원상태로 복구해야 하며, 사용이 완료된 채석장의 녹지화 비용으로 1만 m2 당 평균 약 4억원 상당의 막대한 복구비용이 요구된다(Korea Forest Service, 2021). 이러한 경제적인 부담으로 적절한 복구가 이루어지지 않아 폐채석장의 황폐화, 경관 훼손, 위험성 등의 이슈에 대한 불안감은 식지 않고 있다. 이에 대한 방안으로 국내외 모두 다양한 방식으로 폐채석장 부지를 새로운 용도로 활용하도록 복구하는 사례가 증가하고 있다(Talento et al., 2020, Park et al., 2010, Cho et al., 2021). 대표적인 국내 사례로 포천시 신북면 기지리 폐채석장을 복원하여 포천 아트밸리라는 복합 문화예술공간으로 전환한 사례가 있으며 폐채석장이 가진 사회적 환경적 문제를 극복했다는 긍정적 평가를 받은 사례이다.

태양광은 한국의 다년 에너지 계획에서 에너지 전환의 핵심 자원이며 2050년까지 탄소 중립 목표를 달성하는 데 태양광의 비중은 꾸준히 확대되고 있다(Korea Energy Agency, 2020, Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017). 재생에너지 생산 및 공급 전략 목표에 달성하기 위해 광활한 부지가 적은 우리나라의 경우 유휴부지 활용도를 높여 재생에너지를 생산하여 경쟁력을 높일 수 있다. 국외에서는 폐채석장을 친환경 에너지 생산지로 활용하고자 추진되고 있는 정책들을 찾아볼 수 있다. 프랑스 에너지 규제 기관(CRE, France’s energy regulator)은 폐채석장과 같은 황폐화된 토지에 태양광 발전소 설치를 촉진하고 있으며 (The Agility Effect, 2021), 몰타에서는 ERA(Environment and Resources Authority) Solar Farm Policy에 따라 가행 및 폐채석장 태양광 발전소 개발에 우선 순위를 부여한다(Malta Business Weekly, 2020).

채석장은 민가부터 먼 거리에 이격되어 있거나, 숲으로 둘러싸여 있어 태양광 패널을 설치하기에 시설 유치 시 지역민들의 반발이 적다. 또한, 이미 채굴이 완료된 부지에 태양광 패널을 설치하는 것이므로 개발로 인한 환경 파괴 및 생물 다양성 훼손의 우려가 적다는 이점이 있다. 최근 국외에서는 폐채석장을 태양광 발전소로 전환하는 사례가 증가하고 있다. 2015년 운행 종료된 프랑스 노천 점토 네르삭(Nersac) 채석장에 17 MWp PV를 설치하였으며(BRASOLAR), 프랑스 아를(Arles)에 위치한 폐채석장은 12 MWp 용량의 패널을 설치하여 연 21,549 MWh의 에너지를 생산하며 연간 7,262 톤의 이산화탄소를 감축하는 결과를 가져왔다(BRASOLAR). 앞선 두 사례는 평지에 설치한 것이며, 이와 달리 스위스 펠스베르크에서는 폐채석장의 가파른 남향 경사면에 460 MW 용량의 태양광을 설치하였다(Photon, 2021).

폐채석장 등 폐광 지역의 태양광 발전 잠재량의 정량적 평가를 위해서 해당 영역을 다양한 공간 정보와 기상 인자를 이용하여 분석하는 것이 필수적이다. 현재까지도, 대상 지역에 대해 GIS 공간 분석을 통해 태양광 발전소 적지를 선정하는 연구는 국내외 다양한 사례가 존재한다(Choi et al., 2019). Hofierka & Suri(2002)는 태양광 복사량 공간정보를 통해 GIS 분석으로 중부 유럽 지역의 태양광 발전 부지 잠재량 평가를 시도하였다. 이후 오만, 스페인 등 다양한 지역에서 GIS를 이용해 각종 공간 조건을 중첩하여 태양광 발전 부지 선정을 시도하는 연구가 이뤄졌다(Gastli & Charabi, 2010, Sanchez-Lozano et al., 2013). GIS 분석과 접목하여 폐광산 부지를 잠재적 태양광 발전 시설 부지로서 평가를 진행하는 주제도 다양하게 연구되고 있다. 일찍이 국내에 광해방지사업을 위해 폐광산의 태양광 잠재량을 계산하여 공간 활용도를 높이고자 하는 다양한 지역의 (전라도, 북한 지역 등) 사례 연구가 진행되었다(Choi et al., 2013, Oh et al., 2018). 하지만, 계단형 노천 광산이나 갱내 광산 인근 부지 등과는 달리 유휴지의 지형이 가파르고 기복 차가 심한 폐채석장에 대해서는 태양광 발전 잠재성 평가를 한 연구가 이루어진 바가 없다. 또, 발전량 평가를 위한 공간 분석 시 적지 면적 계산은 평지를 기준으로 했을 뿐, 대상지의 수직 사면 등의 공간을 고려한 연구는 건물 태양광의 사례를 제외하면 찾기 어렵다.

본 논문에서는 국내 폐채석장의 태양광 발전소로의 전환 가능성 평가를 목적으로 태양광 패널을 폐채석장 사면에 직접 설치하는 경우와 낙석 방지벽으로서 설치하는 두 가지 방법을 분석하고자 한다. 이는 직접적인 사면을 배제한 채 인근 부지에 대해 태양광 잠재량 평가를 진행한 기존 연구와는 달리, 암벽 사면 및 수직면에 입사하는 태양광에 대한 발전 잠재량을 측정하는 방식을 도입하였다. 기존의 평지 분석이 아닌 다양한 경사 조건 및 설치 환경에 대한 태양광 일사량 분석 방법을 제시하였다.

2. 연구 방법

2.1 연구 지역

본 연구에서는 서울시 관악구 남현동 (37°28’12” 북, 126°59’05” 동)에 위치한 남태령 폐채석장 부지를 연구 대상 지역으로 선정하였다(Fig. 1). 1946년부터 1978년까지 채석장으로 사용된 이후 30여 년 동안 방치되고 있으며 여전히 빈 공터로 남아 있다.

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Fig. 1.

Abandoned stone quarry in Namtaeryung

1970년대 서울경기권의 급격한 도시화에 따른 개발억제정책으로 개발이 제한된 곳이었기 때문에(Chosun Biz, 2017) 장기간 방치되어 현장에 잔재하는 사면이 그대로 드러난 암벽은 도시 미관뿐만 아니라 안전과 환경까지 위협하는 요소로 보이며 현재 주변에 소규모 자동차 관련 시설이 난립하고 있으며 그 외 다른 기능을 하고 있지 않다. 서울시의 주도로 관문 도시 사업이 추진되었으나 현재 일시 중단된 상태이며(Sedaily, 2020), 현재 당장 다른 사업 대상지로의 구체적인 계획 등이 나오고 있지 않은 실정이다. 채석장 전체 면적은 51,000 m2이며(Munhwa Ilbo, 2015), 급경사의 지역이 존재하기 때문에, 직접 설치 및 낙석 방지벽 구조 부착 설치 등의 시나리오를 가정하여 설치 가능 면적 분석을 진행하였다. 현재는 인허가 법규로 인해 실제적인 개발에 제약이 있겠으나, 향후 가능성을 열어두고 잠재성을 평가하는 것이 본 연구의 주목적이다. 해당 연구를 통해 대상 지역 및 유사 지형에 대한 태양광 발전 견적과 실익 계산에 도움을 줄 수 있으며 이후 잠재성의 증가 시 실질적인 개발에 있어 활용도가 높아질 수 있다.

2.2 사면 직접 설치 시 태양광 잠재량 분석

2.2.1 자료 취득

필요한 정보는 대상 지역의 고도자료이며, 이 고도자료를 만들기 위해 국토지리정보원에서 사당IC – 남태령역 인근 지역의 수치지도를 다운로드 받아서 사용하였다. 수치지도는 1:1000 축척을 가진 Bessel 좌표계를 가지는 자료이다.

2.2.2 자료 처리

해당 폐채석장 사면의 표면을 분석하기 위해 수치지도를 이용하여 ArcGIS에서 DEM(Digital Elevation Model)을 구축했다. 고해상도의 파일을 얻기 위해 Fig. 2(b)와 같이 수치지도를 TIN(Triangular Irregular Network)으로 변경 후 DEM을 변환하는 소프트웨어 기능을 활용했다. 최종적으로 도출된 DEM 파일은 Fig. 2(c)와 같이 1 m × 1 m의 해상도의 픽셀로 기록되었다.

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Fig. 2.

(a) Contour map of study area (b) TIN constructed from contour map, (c) DEM from TIN interpolation

2.2.3 설치 가용면적 계산

사면에 직접 설치를 가정할 때, 설치가 가능한 총면적을 계산해야 한다. 목표지역인 사면이 평지가 아니고, 경사가 급하며 다소 불규칙하기 때문에 픽셀 개수 계산만으로 면적을 따지기 어렵다. 따라서 Python 프로그래밍으로 해당 픽셀 내의 노면이 드러내는 겉넓이를 계산하는 프로그램을 제작하여 연산을 진행하였다.

프로그래밍 알고리즘은 SHR(Surface to Horizontal area ratio)을 이용하였다(Jenness, 2004, Kundu & Pradhan, 2009). SHR은 수직 방향에서 관찰한 픽셀의 넓이 대비 실제 지표가 가지는 표면적의 넓이 비를 의미하며, Fig. 3과 같이 중앙 픽셀 A의 넓이를 재고자 인근 8개의 고도자료의 넓이를 참고한다. 해당 8개의 셀 중앙점을 인접한 픽셀과 이어서 A를 중심으로 만들어진 8개의 삼각형의 면적들을 아래 4개의 본 픽셀 넓이로 나눈 비율이 실제 A 픽셀의 SHR과 근사한다. 따라서 SHR에 픽셀 면적(1 m2)을 곱하여 대상 지역 전체 픽셀에 대한 표면적의 총합, 즉 설치 가용 면적을 간접적으로 계산할 수 있다. 각 삼각형의 넓이는 세 변의 길이를 통한 공식으로 유도 가능하고, 각 변의 길이는 변을 형성하는 두 개의 픽셀 간의 상대 고도차 등을 이용해 구할 수 있다.

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Fig. 3.

Basic principle of SHR calculation of elevation data A

위의 알고리즘을 이용하여 도출된 픽셀당 표면적 자료에 실제 목표 설치 사면에 해당하는 픽셀만을 ArcGIS에서 제공하는 Basemap 위에 디지타이징하여(Fig. 4) 해당 지역에 속한 픽셀 값에 해당하는 표면적 총합만을 계산한다.

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Fig. 4.

Study Area. (a) ArcGIS basemap, (b) Digitized area of exposed rock slope

2.2.4 경사, 경사 방향 분석 및 SAM 계산

태양광 패널은 설치 각도와 설치 방향에 따라 예상 발전량이 달라진다. 한국이 속한 북반구의 경우 보통 최적 부지를 선정할 시 태양이 남중하기 때문에 남향으로 설치하는 것을 고려하지만, 일출 시간 혹은 일몰 시간대에 따라 남향이 아니더라도 일부 생산량이 발생하기에, 어느 방향에 어느 각도로 패널을 설치했는가를 조사하는 것이 전체 발전량 계산에 있어 중요하다.

ArcGIS tool에 DEM을 입력하여 경사도(Slope)와 경사 방향(Aspect)를 계산할 수 있다. 연속적인 값으로 경사도와 경사방향이 나왔으나, 이를 계산의 편의를 위해 경사도와 경사방향에 대한 수치를 일정한 값으로 나누어 이산적으로 분류하였다. 경사도 및 경사 방향에 의한 분류군의 조합 및 표면적 정보를 통해 같은 경사도-방향 군으로 묶일 패널 수가 얼마인지 계산했다.

계산과정에서 사용된 설치 가정 패널 모델은 LG-400S2W-U5(Table 1)로, 총면적이 2 m2 이며 개당 용량은 400 W이다.

Table 1.

Assumed solar power specification

LG-400N2W-U5
Module Size 2024 mm × 1024 mm × 40 mm
Max Output 400 W
Module Efficiency 19.3%
Total Cells 6 × 12
Module Weight 20.3 kg

최종적인 발전량 분석은 미국 신재생에너지 연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서 제작한 발전량 계산 프로그램 SAM(System Advisor Model)을 이용했다. 분석 대상 지역의 TMY(Typical Meteorological Year 표준 기상 연도)와 각각의 패널 경사도-경사방향 군에 대응하는 패널 용량을 경사도-경사방향을 입력하여 계산하였다. TMY는 International Weather for Energy Calculation (IWEC)에서 제공한 위도 37.48°, 경도 126.55° 지역 자료를 사용하여 수도권 지역 기상 조건을 대입했다.

2.3 낙석 방지벽 설치 시 태양광 잠재량 분석

2.3.1 낙석 방지벽 설치 조건

낙석 방지벽은 낙석 방지대책 중 가장 대표적인 보호 공법에 속하는 시설이다. 이를 설치할 때는, 낙석 방지시설 관리지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2003)에 의하면, 도로 기준 최소 사면으로부터 이격 거리를 0.96 m 두도록 명시되어있기 때문에, 보수적으로 1 m의 간격을 이격시켜서 설치하는 상황을 가정했다.

2.3.2 낙석 방지벽 방향별 분류 및 SAM 계산

울타리 설치를 위해 디지타이징한 목표지역 벡터 레이어에서 1 m의 buffer 연산을 ArcGIS를 통해 진행하고, 설치된 구조물을 대표하는 선에 대해 일정한 구간으로 분류하여 Aspect 방향을 분석한다. 설치하는 방지벽의 방향각별로 얼마나 길게 직선 구조의 방지벽을 설치할 수 있는지를 직접 계산하여, 해당 방지벽에 최대한 많은 패널을 설치할 때 얼마만큼의 설비 용량을 가지는지 계산했다. 분석 대상 지역(서울)의 TMY와 패널 용량을 입력하고, 경사도는 90°, 경사방향은 각각의 값을 입력하여 분석하였다.

3. 연구 결과

3.1 사면 직접 설치 시 분석 결과

Fig. 4의 디지타이징 결과를 목표지역을 1로 나타낸 이진영상으로 표현할 경우 Fig. 6(a)와 같으며, Overlay로 Fig. 5의 Surface Area 레이어와 대응하는 픽셀을 곱셈한 후 결과 연산을 거칠 경우 Fig. 6(b)와 같다. 각 픽셀을 전부 합산하면 이는 도합 35,865 m2에 해당한다.

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Fig. 5.

DEM layer and surface area derived by DEM layer

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Fig. 6.

Study area, (a) Display of the digitized vector file of slope as a binary raster image, (b) SHR values calculated in the digitized image

경사와 경사방향에 대해 디지타이징 영역 부분만 추출한 레이어는 아래(Fig. 7(a), (b))와 같이 나온다. 지정구역의 경사도만 추출할 경우 최솟값은 0°, 최댓값은 85.9°로 도출되며, 경사방향은 0~360° 사이 값을 가지게 된다. 전체 자료에서 경사를 10° 간격의 9개의 계급으로 분류하고 경사방향을 0°, 30°, 60°, … , 330°를 중심으로 등간격으로 나누어 12개의 계급으로 분류하면 경사-경사방향이 총 108개의 조합이 나온다.

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Fig. 7.

Study area, (a) Slope, (b) Aspect

이를 바탕으로 대상 지역을 실제로 분류한 결과가 Fig. 8(남부 사면), Fig. 9(북부 사면)이다. 그림에서 보이듯, 남부 사면은 주로 경사방향이 –45~135° 사이에 분포하는 북동향을, 북부 사면은 주로 경사방향이 135~285° 사이에 분포하는 남서향을 띤다. 세부 그룹화 결과 108개 조합 중 총 85개의 서로 다른 조합이 패널을 설치할 수 있을 만큼의 유의미한 면적을 가졌다(Table 2). 면적 2 m2 당 0.4 kW 패널 1개 설치를 가정할 경우 Table 3과 같은 결과를 도출할 수 있다. 대상지의 총 겉넓이는 35,856 m2, 총 설치하고자 하는 패널 용량은 7.156 MW이다.

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Fig. 8.

Southern area, northeastern aspect trend

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Fig. 9.

Northern area, southwestern aspect trend

Table 2.

Respective surface area (m2) of 85 effective slope-aspect groups

Aspect/Slope 0~10° 10~20° 20~30° 30~40° 40~50° 50~60° 60~70° 70~80° 80~90°
-15~15° 14.0 56.7 6.7 46.8 61.2 139.4 176.0 230.3 96.4
15~45° None 18.4 56.4 265.2 887.4 968.5 785.4 625.2 1090.6
45~75° None 11.8 301.0 475.8 1572.1 1484.9 2704.6 1659.3 1189.6
75~105° None 5.3 44.8 138.1 149.7 275.5 462.3 538.6 None
105~135° 3.0 9.6 35.0 80.3 95.8 474.8 789.0 448.3 None
135~165° 4.1 41.1 162.0 155.1 117.9 264.0 379.7 203.8 None
165~195° 3.0 14.9 308.4 805.0 2014.4 1873.4 2079.1 224.3 None
195~225° 17.2 10.6 168.2 144.0 438.0 1266.7 1715.2 536.0 18.2
225~255° None None 79.7 519.4 358.5 981.5 1378.1 259.6 None
255~285° None None 9.9 16.3 169.4 173.8 12.6 None None
285~315° None None 12.4 None 17.9 None None None None
315~345° None 3.1 None 4.0 13.1 43.7 129.3 229.2 6.0
Table 3.

Respective possible installed capacity (kW) of 85 effective slope-aspect groups

Aspect/Slope 0~10° 10~20° 20~30° 30~40° 40~50° 50~60° 60~70° 70~80° 80~90°
-15~15° 2.8 11.2 1.2 9.2 12.0 27.6 35.2 46.0 19.2
15~45° None 3.6 11.2 52.8 177.2 193.6 156.8 124.8 218.0
45~75° None 2.0 60.0 94.8 314.4 296.8 540.8 331.6 237.6
75~105° None 0.8 8.8 27.6 29.6 54.8 92.4 107.6 None
105~135° 0.4 1.6 6.8 16.0 18.8 94.8 157.6 89.6 None
135~165° 0.8 8.0 32.4 30.8 23.2 52.8 75.6 40.4 None
165~195° 0.4 2.8 61.6 160.8 402.8 374.4 415.6 44.8 None
195~225° 3.2 2.0 33.6 28.8 87.6 253.2 342.8 107.2 3.6
225~255° None None 15.6 103.6 71.6 196.0 275.6 51.6 None
255~285° None None 1.6 3.2 33.6 34.4 2.4 None None
285~315° None None 2.4 None 3.2 None None None None
315~345° None 0.4 None 0.8 2.4 8.4 25.6 45.6 1.2

해당 85개의 패널 경사 - 경사 방향 조합과 각각의 용량을 Fig. 10과 같이 일괄적으로 SAM에 대입하여 도출한 결과, 각 조합의 연간 전력 생산량은 Table 4와 같았다. SAM 분석 시, 대입하는 값은 경사각과 방향각 모두 범위 양단의 평균값을 대푯값으로 사용하였다.

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Fig. 10.

Calculation process of respective annual power generation of 85 groups by SAM (System Advisor Model)

Table 4.

Respective annual power generation (kWh) of 85 effective slope-aspect groups

Aspect/Slope 0~10° 10~20° 20~30° 30~40° 40~50° 50~60° 60~70° 70~80° 80~90°
-15~15° 2472.3 8855.0 819.3 5302.4 5768.7 10846.7 11222.3 12710.1 5376.7
15~45° None 2844.4 7665.2 30594.9 85808.6 77736.4 52460.8 36756.4 62707.8
45~75° None 1636.3 43965.7 61103.3 175589.0 142174.0 220182.0 118448.0 80837.5
75~105° None 691.8 7105.0 20409.4 19707.0 32262.8 47307.1 48759.8 None
105~135° 369.7 1467.6 6038.9 13447.4 14627.7 66781.1 98384.2 50000.6 None
135~165° 752.8 7710.5 31076.1 28666.8 20441.6 43010.0 55532.7 26765.2 None
165~195° 380.5 2781.7 61915.0 159084.0 382024.0 332279.0 336509.0 33062.1 None
195~225° 3048.6 1994.9 33955.6 28690.2 83687.3 225658.0 279130.0 80206.1 2574.5
225~255° None None 15151.5 97575.2 63925.6 161905.0 205982.0 35406.3 None
255~285° None None 1440.7 2727.1 26394.3 24560.8 1563.1 None None
285~315° None None 1948.3 None 2107.8 None None None None
315~345° None 328.9 None 507.7 1301.1 3832.1 9814.4 15386.0 423.6

전체를 합산하면 도합 4,625 MWh의 연간 생산량을 얻을 수 있는 것으로 추정된다. 주로 남부 사면(Fig. 8)의 생산량으로 판단되는 –45(315)~135° 범위의 발전량은 약 2,900 MWh이고, 북부 사면(Fig. 9)의 생산량으로 판단되는 135°~315° 범위의 발전량은 약 1,700 MWh이다.

3.2 낙석 방지벽 설치 시 분석 결과

Fig. 4(b)의 지정 사면 영역에 대해 1m buffer를 둔 뒤, 사면 말단과 인접한 부분을 추출하면 Fig. 11와 같다. Buffer 연산 시 다리와 인접해 있어 IC 하부에 설치해야 하는 방지벽의 경우 그림자가 진 지역이기에 태양광 설치 실효성이 없으므로 배제했다. 이 결과, 상하 총 650 m의 길이의 방지벽 구간이 그려졌다. 방향 등에 대해 세부적으로 유사 방향 및 구간을 나누어서 평균적인 태양광 설치 패널 방향(배후 사면의 경사방향)을 조사하여 10° 간격(일의 자리에서 반올림)으로 패널 방향별 SAM 분석을 진행하였다. 방향별 방지벽의 길이는 Table 5와 같으며, 설치 용량은 길이를 지주 간격 2 m로 나누고 설치 높이는 낙석 방지벽(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2003)이나 방음벽(Department of Climate and Environment in Seoul, 2016) 등과 외관상 유사한 3 m를 적용하여 진행하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2021-031-06/N0120310612/images/ksrm_31_06_12_F11.jpg
Fig. 11.

Wall installable area on the rock slope

Table 5.

Respective lengths, panels, installed capacity, and power generation of wall aspect groups

Aspect
(°)
Total Length
(m)
Installable Panels Total Installed Capacity
(kW)
Annual Power Generation
(MWh)
10 4.8 7 2.8 0.8
20 4.6 6 2.4 0.7
30 30.1 45 18.0 5.2
40 110.6 165 66.0 19.7
50 87.8 131 52.4 16.3
60 21.2 31 12.4 4.0
70 29.8 44 17.6 6.1
80 24.4 36 14.4 5.3
90 48.6 72 28.8 11.3
100 9.1 13 5.2 2.2
110 0.0 0 0.0 0.0
120 39.8 59 23.6 11.3
130 6.1 9 3.6 1.8
140 7.7 11 4.4 2.3
150 17.1 25 10.0 5.6
160 22.9 34 13.6 8.0
170 0.0 0 0.0 0.0
180 6.5 9 3.6 2.3
190 15.4 23 9.2 6.0
200 22.3 33 13.2 8.8
210 24.4 36 14.4 9.7
220 16.4 24 9.6 6.5
230 15.7 23 9.2 6.2
240 45.7 68 27.2 17.8
250 7.5 11 4.4 2.8
260 0.0 0 0.0 0.0
270 0.0 0 0.0 0.0
280 4.7 7 2.8 1.5
290 0.0 0 0.0 0.0
300 0.0 0 0.0 0.0
310 0.0 0 0.0 0.0
320 6.9 10 4.0 1.6
330 11.3 16 6.4 2.3
340 1.8 2 0.8 0.3
350 0.0 0 0.0 0.0
360 (0) 8.5 12 4.8 1.4

위의 벽이 바라보는 방향각을 10° 간격으로 나누어 각 계급에 해당하는 벽의 길이의 합을 정리하여 Table 5에 나타내었고, 길이와 높이를 감안한 설치 가능 패널 수로, 방향별 설치 용량을 구한 뒤 각각을 SAM으로 분석한 발전량도 Table 5에 정리하였다.

3 m의 높이로 만든 태양광 패널 벽 구조의 총 용량은 384.8 kW로 추산되고, SAM을 통해 계산한 연간 예상 총 발전 전력량은 167.8 MWh이다. 일반적으로 남향 범위에 속하는 90~270° 사이의 경사방향을 가진 벽면에서 발전량이 많기 때문에, 절대적인 구간 길이가 약 150 m 정도 더 긺에도 북향 범위인 0~90°, 270~360° 사이의 경사방향을 가진 벽면의 발전량이 약 15 MWh 더 적게 생산된다.

4. 토 의

기존 연구의 방식과 같이 경사에 의한 표면적에 대한 고려를 하지 않았을 경우 18,077 m2의 면적이 구해지고, 이는 경사면 표면적 고려 시 나오는 35,855 m2에 비해 약 2배 적은 수치이다. 또한, 기존 방식과 같이 표면적을 고려하지 않을 경우 평균을 가정하고 특정한 패널 방향과 각을 계산하게 되며, 종합적으로 도출된 수치는 실제와 다를 가능성이 높다.

실제 기존 연구 사례인 실제 광산 분석 사례와 인근 지역 태양광 발전의 사례를 본 연구 결과와 비교해 보고자 한다. Yang et al.(2020)의 연구에서는 강원도 동해시 노천 석회석 광산의 유휴면적을 평가하여 SAM으로 발전량을 도출해 내었다. 평지에 설치하는 패널 조건은 본 연구와는 달리 남향에 30°의 패널각을 가지고 분석하는 것이 일반적이며, 실제 그렇게 분석한 결과, 분석된 석회석 광산의 가용면적 21.8 ha에 예상 발전량을 24,413 MWh로 산출했고, 부지면적 1 m2당 111.99 kWh를 연간 생산할 것으로 추정하였다. 본 연구의 사면 직접 설치 방식의 경우 부지 표면적 1 m2당 128.96 kWh를 생산할 수 있으므로 더 공간 집약적이다. 일반적인 수도권 지역 도심 연구와 비교해도 유사한 차이가 관측되는데, TMY 위경도가 거의 같은 서울대학교 시흥캠퍼스 내 두 건물에 설치된 패널 발전량을 분석한 Ku & Park(2021)의 연구는 양 건물의 기존 설치된 패널 영역이 첫해 기준 1 m2당 연 133.70 kWh를 생산해내며 비슷한 생산성을 드러냈다. 본 연구가 비교적 공간적으로 경제적인 이유는 직접 사면에 부착한 그대로 사용하여서 패널 간 이격 거리를 나타내는 GCR(Ground Cover Ratio)을 고려할 필요가 없었기 때문이다.

일반적으로 태양이 남중하는 조건인 한반도의 경우, 음영 문제가 가장 적고, 직달 일사량이 가장 잘 다다르는 남향으로 패널을 설치하는 것이 가장 효율적이라고 알려져 있다(Kim and Kim, 2018). 이에 따라, 정남 방향이 아닌 다른 방향, 특히 북향을 대표하는 경사방향 값 –45°(315°)에서 45° 사이의 패널 발전 효율이 어떠한지 비교해야 한다. 실제로, 효율 비교를 위해 Table 3Table 4의 값을 통해 연간 설치 용량 대비 출력 전력(kWh/kW/year)을 계산할 경우 Table 6과 같다. 경사가 가장 급한 80°~90°의 방향각 –15°~15°의 북향 패널에서 최소 효율이 나오고(280.04 kWh/kW/year), 적절한 경사각(20°~30°)에 방향각 165°~195°의 남향을 바라보는 패널에서 최대 효율이 나온다(1010.58 kWh/kW/year). 1 kWh 당 태양광 수입인 SMP+REC 단가는 2021년 기준 유사한 수치인 150원으로 가정하고, 패널당 설치비용은 kW 당 약 1,700,000 원임을 감안하여(Aginet, 2018), 태양광 패널의 통상적 수명 20년 동안 최소 566.66 kWh/kW/year 이상의 효율을 내야 한다. 따라서, 향후 태양광 발전 판매 수익 단가가 오르지 않는 이상 경사각이 40°를 넘어가는 북향 패널은 설치를 지양하는 것이 좋다. 또한, 정남 방향이 아닌 방향의 패널 설치는 고도가 낮은 곳에 설치한 패널일수록 높은 절벽 지형에 의한 음영으로 발전량이 과대평가되었을 개연성이 높으므로 남향 위주의 패널만 설치하는 것이 효율을 극대화하는 설계일 것으로 추측된다.

Table 6.

Annual output power generation per installed capacity (kWh/kW/year) for each group of Table 4

Aspect/Slope 0~10° 10~20° 20~30° 30~40° 40~50° 50~60° 60~70° 70~80° 80~90°
-15~15° 882.96 790.63 682.75 576.35 480.73 393.00 318.82 276.31 280.04
15~45° None 790.11 684.39 579.45 484.25 401.53 334.57 294.52 287.65
45~75° None 818.15 732.76 644.55 558.49 479.02 407.14 357.20 340.23
75~105° None 864.75 807.39 739.47 665.78 588.74 511.98 453.16 None
105~135° 924.25 917.25 888.07 840.46 778.07 704.44 624.27 558.04 None
135~165° 941.00 963.81 959.14 930.74 881.10 814.58 734.56 662.50 None
165~195° 951.25 993.46 1005.11 989.33 948.42 887.50 809.69 737.99 None
195~225° 952.69 997.45 1010.58 996.19 955.33 891.22 814.26 748.19 715.14
225~255° None None 971.25 941.85 892.82 826.05 747.39 686.17 None
255~285° None None 900.44 852.22 785.54 713.98 651.29 None None
285~315° None None 811.79 None 658.69 None None None None
315~345° None 822.25 None 634.63 542.13 456.20 383.38 337.41 353.00

5. 결 론

폐채석장의 공간이 개발이 가능한 상황을 가정하고, 남태령 인근 폐채석장 유휴 공간에 대한 공간 활용적 측면에서의 연구를 진행하였다. 제시된 두 방법론(사면 직접 및 방지벽 설치)을 통해 발전량을 평가해본 결과 사면에 직접 설치 시 4,624.5 MWh의 연간 발전량이 예상되고, 2.5 m 높이로 벽면을 세울 시 167.8 MWh의 연간 발전량이 예상된다. 이는 2019년 기준 서울특별시 내 태양광 발전소의 연간 발전량인 52,118 MWh의 각각 8.9%, 0.3%에 해당하는 수치이다(Renewable Energy Cloud Platform, 2021. 11. 7). 발전 시설 건립 시, 1 m2당 128.96 kWh의 연 발전량을 내는 효율을 띨 것이며 이는 다른 폐광산 평지의 입지 분석 및 잠재량 평가 연구나, 1 m2당 연 34~167 kWh를 생산하는 것으로 기대되는 BIPV(Building-Intergated Photovoltaic) 시공 사례의 발전량 효율과도 필적한다(Yang et al., 2013). 예상 발전량만 놓고 평가할 때 실용적으로 유의미한 수치가 나오기 때문에, 향후 잠재성이 인정되어 발전 시설 건립 인허가가 날 경우, 전반적인 시설 사업성 평가 등에 본 연구를 참고하여 태양광 패널 설치를 추진할 수 있으며, 본 연구의 방법론을 국내에 존재하는 유사 지형들에 적용하는 등 발전 잠재량 평가에 있어서 본 연구의 활용 가치가 높다고 결론지을 수 있다. 사면 안정성 평가가 수반되고 시공 비용 평가가 추가되어 종합적인 경제성 분석 및 견적 계산이 가능하다면, 도시 곳곳의 폐광 부지 등을 개발하고 공간 효율을 높이는 도시 단위의 사업을 전개하는 데에 일조할 수 있다.

Acknowledgements

이 논문은 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 해외자원개발협회의 지원을 받아 수행된 연구임(스마트 마이닝 전문 인력 양성).

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