1. 머리말

11『신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법』에서 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 신에너지 및 재생에너지(이하 ‘신재생에너지’라 한다) 11개의 에너지 분야를 정의하고 있는데, 태양광은 상기 법률에서 정의하는 재생에너지인 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물 및 지열 분야 중 하나의 요소이다. 태양광은 국제사회가 기후변화의 심각성을 인식하고 에너지 구조의 환경친화적 전환 및 탄소중립1)정책을 추진함에 따라 점차 에너지 발전 비율이 증대되고 있다.
11태양광발전에 사용되는 태양광 모듈은 태양빛의 가시광선 영역 파장대가 모듈의 셀에 투과될 때 광전효과로 전기를 생산하는 장치이며, 인버터는 모듈에서 전송되는 직류전력을 전력계통에서 사용 가능한 교류전력으로 변환하는 장치이다. 태양광발전의 구성요소 중 인버터는 태양광 모듈에서 생산되는 직류전력을 DC커패시터에 저장한 후 계통 주파수 및 전압과 동기화하여 교류전력으로 송전하는 설비이다. 따라서 인버터는 주 기능인 직류의 교류변환 외에 안정성, 효율성 및 계통연계 측면에서도 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 이러한 태양광발전은 탄소중립이라는 국제연합의 시대적 흐름에 힘입어 국내에서도 그 설치량이 증가하고 있다.
하지만 실제 산업현장에서는 이러한 긍정적인 부분의 이면에 안전상의 문제점도 확인되고 있다. 실제로 태양광발전 설비의 화재는 2019년 62건, 2020년 69건, 2021년 81건 그리고 2022년에는 98건으로 2019년 이후 매년 증가추세에 있으며, 향후 태양광발전 설비의 설치량 증가에 따라 화재발생 또한 지속적으로 증가할 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는 태양광발전 설비 중 화재에 가장 취약한 인버터 설비의 화재사례를 통하여 그 위험성을 확인하고 예방대책을 제시하고자 한다.

2. 이론적 배경

• 가. 태양전지의 구조 및 원리
• 11태양전지는 p형과 n형 반도체를 접합시키고(p-n접합) 앞뒤 표면에 금속전극을 붙여 제작한다. 빛이 반도체에서 흡수되면 광전효과에 의해 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 전자와 정공은 p-n접합부에 존재하는 전기장의 영향으로 서로 반대방향으로 이동한다. 이에 따라 도선으로 연결된 외부 회로에 전류가 흐르게 된다. 또한, 광전에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 가급적 많은 빛이 반도체 내부에서 흡수되도록 하고, 빛에 의해 생성된 전자와 정공 쌍이 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 하며, p-n접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재 및 공정을 설계해야 한다. 한편 빛을 흡수하는 태양전지의 소재에 따라 태양전지는 실리콘계, 화합물계, 유기계로 구분할 수 있으며, 흡수층의 형태에 따라 결정계와 박막계로 구분할 수 있다. 그림1은 태양전지의 기본구조 및 작동원리를 나타낸 것이다.

[그림1] 태양전지의 기본구조 및 작동원리

• 나. 태양광발전 시스템 구성
• 11태양광발전(Solar Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로, 태양광발전 시스템은 발전기에 해당하는 태양전지 모듈(여러 모듈의 집합체인 어레이), 축전장치, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인 PCS(Power Conditioning System)/인버터, 시스템 제어 및 모니터링과 부하로 구성된다. 그림2는 태양광발전 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

[그림2] 태양광발전 시스템의 구성

3. 화재사례

• 가. 일반사항
• 11- 소재지: 전라북도 군산시 소재 태양광발전 사업소
• 11- 화재일시: 2021년 10월 28일(목) 13시경
• 11- 인명피해: 없음

• 나. 화재경위
• 11본 사고는 전라북도 군산시에 소재한 태양광발전 사업소(이하 ‘태양광발전 사업소’라 칭함)에 설치된 인터버에서 발생된 화재사고이다. 상기 태양광발전 사업소의 전기실 내부에는 총 3대의 인버터(이하 ‘인버터①~③’이라 칭함)가 설치되어 있으며, 상기의 인버터 중 인버터③이 당해 화재발생 설비이다. 인버터③은 AC 패널과 4개의 파워스택 패널(이하 ‘파워스택①~④’라 칭함)로 구성되고, AC 패널은 AC 차단기, AC 버스 바, 제어회로 및 통신회로 등으로 구성되며, 파워스택①~④는 각각 DC 차단기, DC 양극·음극 버스 바 및 각각 2개의 모듈형 병렬인버터(이하 ‘모듈형 병렬인버터①~⑧’이라 칭함) 등으로 구성된다. 특이한 사항은 과거에도 인버터②의 파워스택④ 내부 모듈형 병렬 인버터⑦~⑧에서도 유사한 화재사고가 발생하였다는 관계자의 설명이 있었다는 점이다.

[그림3] 전기실의 배치도(평면도)

[그림4] 인버터③ 내부의 입면도(개략도)

• 다. 사고원인
• 11인버터③ 파워스택④의 내부에는 모듈형 병령 인버터⑦~⑧ 및 기타 부속품 등이 설치되어 있다. 모듈형 병렬 인버터⑦은 커패시터(capacitor), 스택(stack), 인덕터(inductor) 등으로 구성되며, 콘덴서 상부에는 양극판과 절연판 및 음극판이 순차적으로 적층되어 있다. 상기 파워스택④ 내부의 전체적인 연소흔적은 모듈형 병렬 인버터⑦의 전면 우측 부분에서 발화되어 주위로 연소 확대된 형태를 보인다(사진1~2).

사진1. 인버터③의 파워스택④ 내부의 연소상황

사진2. 모듈형 병렬 인버터⑦ 전면의 연소상황

11파워스택④의 내부는 모듈형 병렬 인버터⑦의 전면 우측 콘덴서 상부에 적층된 양극판과 절연판 및 음극판을 중심으로 국부적으로 소실된 연소형태를 보이며, 양극판과 음극판의 일부는 용융된 상태로써 양극판과 음금판 사이에 사고전류가 흐르는 과정에서 용융된 것으로 보인다(사진3~4).

사진3. 모듈형 병렬 인버터⑦ 전면의 연소상황, 콘덴서 상부에 적층된 양극판, 음극판 및 절연판 등이 소실된 상태

사진4. 모듈형 병렬 인버터⑦의 상부의 연소상황, 양극판, 음극판 및 절연판 등이 소실된 상태

11인버터①~③ 내부 모듈형 병렬 인버터①~⑧의 제어선 하부, 버스 바 표면, AC패널과 파워스택①~④ 하부 등에서 결로 현상에 의하여 물이 떨어진 흔적이 확인되었다. 콘덴서 상부의 수평으로 적층된 양극판과 음극판 사이에 먼지, 수분 등의 이물질이 침투하는 경우, 이물질을 통하여 음극판과 양극판 사이로 누설전류가 흐르게 되고 지속적인 누설전류로 인하여 양극판과 음극판 사이의 절연이 파괴되는 순간 아크 트래킹(arc tracking) 현상에 의하여 화재로 진행될 수 있다(사진5~9).

사진5. 음극판, 중성판 및 양극판과 콘덴서 체결볼트의 체결상황

사진6. 인버터③ 파워스택④ 내부 후면 하부의 상황(물이 고인 흔적이 보임)

사진7. 인버터④ 모듈형 병렬 인버터④의 상부(물이 고인 흔적이 보임)

사진8. 인버터① 파워스택④ 후면 하부의 상황(물이 고인 흔적이 보임)

11한편 인버터③의 내부 파워스택④의 모듈형 병렬 인버터⑧ 배기덕트와 연결된 부분에서 수분에 의하여 부식된 흔적이 발견되기도 하였다(사진10). 하지만 인버터의 제조회사에서 제공한 사용설명서에 따르면 ‘설치장소의 온도가 허용온도(-10~35℃)를 넘지 않도록 주의할 것을 요구하는 문구, 고온 다습한 장소 및 먼지, 수분 등이 있는 장소는 피할 것을 요구하는 문구 및 염분 성분이 없는 곳에 설치할 것을 요구하는 문구’의 주의사항이 기재된 것으로 볼 때, 인버터는 고온의 다습한 환경에 설치되는 경우 또는 염분, 먼지, 수분 등의 이물질이 누적되는 경우 화재 등의 사고로 진행될 가능성이 높은 것을 알 수 있다(사진11).

사진9. 인버터②의 파워스택④ 하부(물방울이 떨어진 흔적이 보임)

사진10. 인버터③ 파워스택④의 모듈형 병렬 인버터⑧ 배기덕트 라인 내부는 수분에 의해 부식된 상태

사진11. 인버터 매뉴얼의 3.1 설치장소에 관한 내용

4. 맺음말

11태양광발전설비의 인버터는 태양광모듈에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환시켜 수용가로 공급하거나 전력계통에 연계시키는 설비이다. 인버터는 대부분의 경우 습도, 온도, 염분 및 먼지 등이 다량 적재되는 등 관리가 어려운 장소에 설치되거나 하나의 위탁관리업체에서 여러 설비를 총괄하여 관리하는 경우가 많아 화재 안전상 취약한 경우가 많다. 또한, 인터버 내부의 양극판과 음극판이 수평으로 설치되고 양극판과 음극판 사이의 절연처리가 미흡하여 먼지 등의 이물질이 누적되기 쉬운 구조인 경우 화재에 더욱 취약하다. 인버터는 용량에 따라 차이가 있지만 입력전압이 약 DC 800V 이상인 경우도 있어 양극과 음극 사이의 절연이 화재예방 차원에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 태양광발전설비의 인버터 화재의 예방대책으로 아래와 같이 제안하고자 한다.

• ①..설계 시 양극과 음극의 노출된 부분에 먼지, 습기 등의 이물질이 침투하지 못하도록 절연조치 강화
• ②..인버터가 설치된 장소(전기실 등)뿐만 아니라 양극과 음극 사이의 절연된 부분에 이물질이 누적되지 않도록 주기적 관리 강화
• ③..인버터는 다습한 장소에 피하여 설치하고, 부득이한 경우 설치된 장소 내부의 철저한 온도 및 습도관리