1. 서론

2022년 6월 기준 국내 산지 태양광 발전시설은 총 1만 5,220개가 가동 중이다. 가동 중인 산지 태양광 발전시설 중 922개(7.4%)가 산사태 위험지역에 설치되어 있는 것으로 보고된 바 있다. 2022년 초에는, 산림청이 산사태 위험성이 있는 산지 태양광 공사시설 320곳을 조사한 결과, 8곳을 제외한 312곳에서 보완사항이 지적되기도 하였다. 더불어 2020년부터 2022년까지 3년간 산지 태양광 발전 시설 관련 사고는 총 35건 발생하였다(그림 1). 이들 중에는 전기 시설 노후화로 인한 화재 등과 같은 경우도 포함되어 있었지만 집중호우로 인한 산사태 발생과 같은 사례도 있었다.

이 가운데 최근 산업통상자원부는 제11차 전력수급기본계획에서는 2030년 기준 태양광 발전시설의 발전용량을 53.8GW로 발표하였다. 이는 2022년 기준 21.1GW인 발전용량에 비해 약 2.5배 수준의 증대를 목표로 하고 있는 샘이다(그림 2). 따라서 기 설치 및 차후 설치될 산지 태양광 발전시설의 안정성 확보가 필수적인 가운데 설계 및 시공 방법부터 안전점검 및 시설물 유지관리 방안 등에 대해 전반적인 검토를 통한 방안 마련이 필요한 시점이다.

2. 산지(경사지) 태양광 발전시설의 전주기 스마트 안전관리 기술 개발 개요

2개의 대학, 5개의 중소기업이 참여한 가운데 3년간 행정안전부가 주관한 ‘사회복합재난 대응기술 개발사업’을 통해 ‘산지(경사지) 태양광 발전시설의 전주기 스마트 안전관리 기술 개발’ 연구를 수행하고 있다. 

핵심 요소기술 첫번째는 산지(경사지) 태양광 발전시설의 재해 안정성 평가 표준화 기술이다. 영상기반 및 개발된 핸디형 지반조사 장비를 통해 지형 및 지반 정보를 취득하고 그 특성을 이해하여 설치 전후에 따른 재해 안정성을 평가할 수 있는 수치해석 기술을 개발하는 것이다. 

또 다른 핵심 요소기술은 ICT 기반 산지(경사지) 태양광 발전시설의 실시간 통합안전관리 기술이다. 설치 전후에 따른 재해 안정성을 평가한 기술을 통해 구축된 데이터베이스를 활용하여 실시간 머신러닝 해석 기반의 의사결정 기술을 개발하고 현장 계측 데이터를 활용한 안전관리 알고리즘을 개발한다. 이를 위해 현장 CCTV 설치 위치에 대한 연구가 진행되며 태양광 패널의 열·변위 및 지반 내 간극수압 등의 실시간 계측을 위한 분포형 광섬유 센서와 다물리 센서가 개발된다.

세번째 핵심요소 기술은 인공지능 기반 산지(경사지) 태양광 발전시설의 스마트 안전관리 시스템이다. 지형정보, 지반정보, 계측데이터를 기반으로 실시간 안정성을 평가하는 인공지능 스마트 안전관리 시스템을 탑재하고 위 정보들을 가시화하는 UI 형태의 플랫폼을 개발한다. 해당 플랫폼을 통해 관리자가 모니터링을 할 수 있으며 위험 발생 시 긴급재난문자 등의 형태로 전송할 수 있도록 하는 대민전파용 IoT 송·수신 장비가 개발된다.

마지막 핵심요소 기술은 스마트 안전관리 기술 검증 및 실증이다. 앞선 개발 기술들을 테스트베드를 통해 실증을 수행함과 동시에 산지(경사지) 태양광 발전시설의 전주기적 안전관리 매뉴얼 및 재난 평가 기준을 개발하는 것이 목표이다. 따라서 기존에 산재하고 있던 관리 방안을 검토·종합하고 본 연구를 통해 획득할 수 있는 안정성 평가 항목을 추가하여 안정성 확보가 가능한 통합 매뉴얼이 제공된다(그림 3).

이를 위해 지반공학 수치해석 전문 연구그룹과 산사태 위험예보 시스템 개발 및 현장 계측 경험이 있는 AI 전문 연구그룹이 참여하였다. 또한 핸디형 지반조사 장비를 보유하고 있고 지반조사를 전문으로 하는 기업, 광섬유 센서 개발 선두 기업, 3D 스캐닝 및 플랫폼 기술 개발이 강점인 기업이 참여하였다. 더불어 국내 최대 태양광 발전소 관리 운영 전문회사와 R&D 경험이 풍부한 대규모 테스트 베드 실증 전문 회사가 모였다.

3. 산지(경사지) 태양광 발전시설의 전주기 스마트 안전관리 기술 개발 현황과 향후 계획

3.1 1차년도 기초 연구

1차년도(2022)에는 핵심 요소기술을 실현하고 테스트베드에 추후 적용할 수 있도록 하는 기초 연구를 수행하였다(그림 4). 물리 기반의 재해 위험도 평가 모델 조사 및 위험성 평가 시나리오 도출을 위한 국내외 태양광 발전시설 사고사례를 분석하고 재해 유발인자 분석 및 자연재해 위험지표 모형을 국내 사면 지형과 산지(경사지) 태양광 시설 측면을 고려하여 선정하였다. 

이를 바탕으로 수치해석 안정성 평가가 이루어질 수 있는 요소를 선정하고 안정성 평가를 위한 침투 및 사면 안정성 연계 해석 프로세스를 구축하였다. 아울러 산지(경사지) 내 입력 물성치(SWCC 물성치 등)를 예측할 수 있는 머신러닝 모델을 개발하고 실시간 계측 데이터 기반 안정성 예측 알고리즘을 구축하였다. 또한, 발전시설 내 화재 등으로 인해 발생하는 위험을 감지하기 위하여 5km 길이의 광섬유 분포형 온도 센서(DTS)와, 다종의 센서 연결시 지반에 대한 다물리량(간극수압, 함수비, 강우, 온도, 습도, 풍속) 취득 여부를 검증하기 위한 시작품을 제작하였다. 

산지(경사지) 내 태양광 패널이 설치된 지역을 제외한 국부지역의 물성치 취득을 위한 조사위치 선정 기법을 개발하였고, 기존의 지형정보 취득방법을 분석하여 휴대용 시추기의 형태를 자가이동형 및 경량배낭형을 채택하기로 결정하였다. 또한 해당 알고리즘 및 장비들을 통합운영하기 위한 3D 기반 스마트 안전관리 시스템 UI 제작을 위해 웹 기반 3D 시각화 프로그램을 개발하였으며 대민 전파가 가능한 IoT 송수신 장비의 정확도를 확보하기 위해 사용자 어플리케이션을 설계하였다.

3.2 2차년도 핵심 요소기술 개발 및 테스트베드 적용

2차년도(2023)에는 테스트베드 실증을 위한 핵심 요소기술 개발을 진행하고 검증하였다(그림 5). 물리 기반의 재해 위험도 평가 모델을 개발하여 연계 해석 프로세스를 통해 국내 산지(경사지) 태양광 발전시설에 적합한 지형 및 지반에 대해 다양한 자연재해 조건에서의 안정성 데이터베이스를 구축하였다. 

이에 따라 구축한 데이터베이스를 기반으로 산지(경사지) 태양광 발전시설 실시간 통합안전관리에 적합한 머신러닝 모델들을 선정하고 구축하는 동시에 모델들의 성능을 비교하였다. 강풍에 대비한 풍하중을 감지하기 위해 분포형 진동센서의 데이터 획득 로직을 설계하고 장비 제작을 진행하였으며 산지(경사지) 태양광 발전시설 현장에서의 적절한 광섬유 케이블 시공 방안에 대해 연구하였다. 동시에 지반 다물리량 센싱 장비를 개발하여 정확도를 검증하고 테스트베드에 시범 설치를 하였으며 현장에 구축된 데이터 로거를 통해 계측 데이터를 전송하였다. 

테스트베드에서 시추조사를 비롯한 기타 지반 조사를 실시하여 개발한 실시간 안정성 평가 기술을 검증하는 데 필요한 기초 자료를 마련하였다. 또한 핸디형 지반조사 장비의 프로토타입을 제작하여 굴착심도에 대해 검증하였다. 위 개발 기술 및 데이터를 통합하여 표출하는 3D 기반 스마트 안전 관리 소프트웨어를 개발하여 웹페이지를 제작하고 대민 전파용 IoT 송수신 시스템을 개발하였다. 

안전관리 매뉴얼 측면으로는 산지(경사지) 태양광 특성을 반영할 수 있는 정량적 점수화 모델과 태양광 시설 영향지역 취약성을 평가하는 방안을 고안하였다. 설치조건별 위험성 평가 시나리오를 도출하여 다양한 자연재해 상황 시나리오 별 시공 중 현장의 안정성을 확보할 수 있는 점검표를 제작하였다. 시공 중을 비롯하여 설계, 운영, 유지관리에 이르는 전주기적 안전관리 매뉴얼을 개발 중이다.

3.3 3차년도 계획 및 기대효과

이번 3차년도에는 2차년도의 테스트베드를 유지하며 개발된 지형 및 지반 정보 취득 장비를 검증하고 보완하는 동시에 광섬유 분포형 센서를 적용 및 시험한다. 취득한 정보를 바탕으로 국내 산지(경사지) 태양광 발전시설에 적합한 유동성 해석을 진행하여 분석하여 취약성 지도를 작성하고 가시화한다. 또한 개발된 빅데이터 인공지능을 기반으로 하여 의사결정 및 통합 안전관리 시스템의 프로그램을 개발한 후 3D 기반 스마트 안전관리 시스템에 탑재 및 운영을 고도화하는 것을 목표로 하고 있다. 이때 상황 판단에 따라 실시간 대민전파를 할 수 있는 기능을 통합할 계획이다. 안전관리 통합 매뉴얼 개발을 위해서는 산지(경사지) 특성 및 수준을 고려할 수 있는 가중치 산정기법을 개발하여 적용한다.

추후 본 연구를 활용할 경우, 구축한 현장 계측 시스템과 시각화를 위해 개발된 모니터링 플랫폼을 통해 산지(경사지) 태양광 발전시설의 실시간 모니터링과 동시에 국내 산지(경사지)의 지반 특성을 고려하여 학습된 머신러닝 모델을 통해 안정성에 대한 의사결정이 가능할 것으로 기대된다. 동시에 산지(경사지) 태양광 발전시설의 주변 환경을 고려하여 개발된 시추 조사 장비를 통해 테스트베드 뿐 아니라 타 발전시설에도 적용이 가능할 것으로 보인다. 제도적으로 마련된 현장 점검표를 비롯하여 안전관리 매뉴얼이 통합될 경우 관련 기관의 관리가 용이할 것으로 예상된다. 

4. 결론

집중 호우 등과 같은 자연 재해 상황에 국가적 사회적 피해로 이어지는 복합 재난을 선제적으로 대응하기 위해서는 관련 법률 및 제도 마련과 함께 실시간으로 안정성을 모니터링 할 수 있는 안전관리 기술을 도입하여 효율적으로 관리할 필요성이 있다. 특히 국내에 산재되어 있는 산지 태양광 발전시설에 대한 이해와 함께 적절한 대응기술 및 방안이 필요할 것으로 보인다. 본 연구에서 마련한 스마트 안전관리 기술을 비롯하여 해당 기술을 일환으로 개발되는 지반 조사 장비, 실시간 계측 시스템, 시각화 시스템, 설계·시공·운영·유지관리 각 단계 별 매뉴얼 등을 활용할 경우 자연재해와 같은 상황 속에서 안정성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 

감사의 글

본 기사는 행정안전부 “산지(경사지) 태양광 발전시설의 전주기 스마트 안전관리 기술 개발(20018265)”의 지원을 받아 작성되었음.

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]