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중소기업 기술로드맵 조회결과

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태양광 발전시스템
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

태양광 발전시스템 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를 인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하는 시스템
  • 범위 : 태양광 발전시스템은 복합발전 시스템, 태양광 발전시스템 성능향상, PV 시스템 등을 포함
나. 주요 제품

[ 제품분류 관점 기술범위 ]

제품분류 관점 기술범위
기술개발 테마제품분류 관점세부기술
태양광
발전시스템
PV 시스템

태양광 모듈을 이용하여 전력을 생산하는 시스템을 구성하는 기술

PVinB 시스템
  • 태양광 모듈이 건물을 구성하는 부품으로 구성되는 건물 일체형 태양광발전(BIPV, Building Integrated PV) 기술
  • 태양광모듈이 건물에 부착되어 전력을 생산하는 BAPV(Building Attached PV) 시스템으로 구분
수상태양광
발전시스템

육상이 아닌 댐, 저수지 또는 해양에 부유물을 이용하여 발전하는 시스템을 구성하는 기술

융․복합발전시스템

타 에너지원(연료전지, 풍력, 디젤발전 등)과 융‧복합하여 발전하는 시스템을 구성하는 기술

[ 공급망 관점 기술범위 ]

공급망 관점 기술범위
기술개발 테마공급망 관점세부기술
태양광
발전시스템
태양광 발전시스템 태양광 발전시스템의 계측제어 및 모니터링 기술, 태양광 발전시스템의 최적설계와 모델링 기술 등
PVinB 시스템 건물의 디자인 요소를 가미하면서 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전시스템의 최적설계, 모니터링 기술 등
수상태양광
발전시스템
수상에 적용할 수 있는 부유물 제조기술, DC to DC 배전 기술 등
융‧복합발전시스템 축전지, 열전소자, 태양광 융‧복합발전시스템의 고효율화 기술, 제어기술 등
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

세계적으로 재생에너지에 대한 발전량은 증가하고 발전원가는 하락하는 추세이며, 신규 발전설비 투자도 집중되어 있음

세계 재생에너지 발전량이 ‘16년 299TWh에서 ‘21년 448TWh로 증가

[ 세계 발전설비 규모 전망 ]

(단위 : GW, %)

세계 발전설비 규모 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR('16~'21)
합계 299 324 351 381 413 448 8.4

* 출처 : IEA (2017.11.14), World energy Outlook 2017, Annex A, p.650, 에너지경제연구원 세계 에너지수요전망 (WEO-2017)과 에너지수급 변화 요인 (2017.12.04)

태양광‧풍력의 전력거래 가격은 전 세계적으로 하락 중이며, 미국과 영국은 각각 ‘22년, ‘25년에 전원 간 발전원가가 역전될 전망

[ 주요 원별 단가 및 태양광 제품 가격 전망 ]

* 출처 : 한국수출입은행, 2016 3분기 태양광산업동향 (2016)

지구온난화에 따른 온실가스 감축이슈와 신재생에너지 발전단가 하락은 세계 전력믹스에 큰 변화의 바람이 불어 닥칠 전망

  • 온실가스 감축 문제로 석탄발전 비중이 감소할 것으로 예상되며, 태양광 발전단가가 ‘20년 80원/kWh, ‘5년 60원/kWh으로 큰 폭으로 하락해 경제성이 크게 향상될 것으로 전망
  • ‘40년 세계 발전원 구성은 화석발전은 줄어들고 태양광 및 풍력 등 신재생에너지 구성은 큰 폭으로 늘어날 것으로 전망
  • 풍부한 자원량, 설치용이성, 가격경쟁력 등을 갖춘 태양광 발전의 성장성이 타 에너지원 대비 가장 높으며, 발전 산업의 패러다임 변화를 이끌 것으로 전망되면서, ‘40년까지 설치 예상 8,600GW 중 태양광 발전이 4,200GW로 48%를 차지할 것으로 전망

    ‘16년 30%에 달했던 석탄발전 비중은 ‘40년 13%에 불과하며, 가스발전 역시 14%로 비중이 크게 낮아질 전망

‘17년 세계 태양광 수요는 중국 태양광 설치량이 급증하면서 80GW를 넘어설 전망

  • ‘17년 상반기 세계 태양광 설치 예상치는 전년보다 소폭 증가한 76GW였으나, 세계 태양광 수요 급증으로 ‘17년도 10% 이상 성장할 전망
  • 중국의 향후 태양광 시장은 연간 10% 성장을 이어갈 것이며, 2018~2020년의 연간 설치량이 최대 37~38GW 수준이 될 것으로 전망
  • ‘17년 중국 전체의 태양광 발전량은 1,069억 kWh였으며, 집중식 발전소 형태가 932억 kWh, 독립형 분산식 발전이 137억kWh를 차지

[ 태양광 세계 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : TWh, %)

태양광 세계 시장 규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR('16~'21)
합계 287 328 375 429 490 560 14.3

* 출처 : IEA (2016), 포스코경영연구원, 2017년 세계 에너지시장 전망 (2017.02.09)

[ ‘40년까지 발전원별 신규 설치량 전망 ]

* 출처 : 한국수출입은행, 2017 3분기 태양광산업동향 (2017)

[ 세계 태양광 시장 장기수요 전망 ]

* 출처 : 한국수출입은행, 2016 3분기 태양광산업동향 (2016)

[ 태양광 발전시스템 가격현황 및 전망 ]

* 출처 : 한국수출입은행, 2017 2분기 태양광산업동향, 업계 자료 종합 (2017)

[ 태양광 발전시스템 가격현황 및 전망 ]

(단위 : $/W, %)

태양광 발전시스템 가격현황 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
모듈단가 0.48 0.35 0.32 0.31 0.29 0.26 -11.8
BOS단가 0.72 0.65 0.62 0.59 0.56 0.53 -6.1
시스템단가 1.20 1.00 0.94 0.90 0.85 0.78 -8.3

* 출처 : 한국수출입은행, 2017 2분기 태양광산업동향, 업계 자료 종합 (2017)

태양광 수요 증가와 더불어 에너지저장에 대한 필요성 확대로 세계 에너지저장 시장규모가 빠르게 커질 것으로 전망

태양광과 풍력 등의 재생에너지는 날씨 등의 환경에 따라 전력 생산의 변동이 큰 간헐성이 특징으로, 재생에너지를 확대하기 위해서는 일조량이 높은 낮에 과잉 생산된 전력을 저장했다가 전력이 부족한 때에 송전해 주는 저장장치로 재생에너지를 안정적으로 공급하기 위해 필수적임

[ 에너지저장시스템(ESS) 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

에너지저장시스템(ESS) 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 28,992 33,051 37,678 42,953 48,966 55,822 14.0

* 출처 : SNE Research, Global ESS 시장 전망 (2017), KISTI 마켓리포트 에너지 저장장치 (2017)

[ 에너지저장시스템(ESS) 세계 용량규모 및 전망 ]

(단위 : $/W, %)

에너지저장시스템(ESS) 세계 용량규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 16.3 20.6 25.9 32.7 41.1 51.8 25.9

* 출처 : SNE Research, Global ESS 시장 전망 (2017), KISTI 마켓리포트 에너지 저장장치 (2017)

나. 국내시장

신재생에너지 보급 확대를 위해 RPS 비율을 ‘18년 4.5%에서 5%, ‘19년 5%에서 6%, ‘20년 6%에서 7%로 상향될 예정

RPS비율 상향으로‘16~‘20년에 신재생발전소에 8.5조 원 추가 투자효과가 발생할 것으로 예상되며, ‘20년까지 총 13GW의 신재생에너지 발전소 건설 및 총 30조원의 투자효과 전망

‘16년 국내 태양광 발전 수익률은 SMP 가격 하락에도 불구하고 REC 가격이 높은 수준에서 결정돼 발전 수익성은 유지되고 있음

REC가격은 ‘15년 하반기부터 상승하였고, ‘16년부터 태양광과 비태양광 REC시장이 통합되면서 태양광발전 REC 수요는 더욱 증가

‘15년 하반기 7.3만 원이었던 태양광 REC 가격은 ‘16년 8월 15.4만 원까지 상승

2017년 3/4분기 신재생에너지 신규 보급용량 중 태양광은 331MW를 차지

태양광 에너지 국내 보급량은 ‘16년 4,123MW 규모에서 ’21년 11,130MW 규모로 22% 성장률을 보일 것으로 전망

[ 태양광 에너지 국내 보급전망 ]

(단위 : MW, %)

태양광 에너지 국내 보급전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 4,123 5,030 6,330 7,830 9,330 11,130 22.0

* 출처 : 산업통상자원부, 8차 전력수급기본계획

[ 태양광 에너지 국내 발전량 및 전망 ]

(단위 : GWh, %)

태양광 에너지 국내 발전량 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 5,122 5,871 7,534 9,453 11,371 13,673 21.7

* 출처 : 산업통상자원부, 8차 전력수급기본계획

[ 국내 태양광 설치량 현황 및 전망 ]

* 출처 : 한국수출입은행, 2017 3분기 태양광산업동향 (2017)

‘18년 이후 국내 태양광 시장은 우호적인 정책시행으로 설치량이 예상보다 증가할 전망

정부는 신재생에너지 보급지원사업 및 태양광 대여사업 확대, 소규모 전력중개 사업제도를 신설하여 ‘30년까지 약 15가구당 1가구 자가용 태양광 보급을 추진하여 최대전력분야의 신규수요를 0.32GW 감축하고자 함

  • 재생에너지 3020 계획에 따라 신재생에너지 분야는 태양광 및 풍력 중심으로 발전설비가 확충될 예정이며, ‘30년 태양광 에너지의 용량은 33,530MW에 이를 전망
  • 재생에너지 3020 계획에 따라 도시형 자가용 태양광과 농가 태양광을 확대하는 설비 공급계획을 세움
  • 농가 태양광 확대 공급계획은 농업 진흥지역 외 농지, 염해간척지 등에 태양광을 ‘30년에 10GW까지 보급하고자 하며, 농사와 태양광 발전을 병행하는 ‘영농형 태양광 모델’ 신규도입 할 계획

[ 에너지저장시스템(ESS) 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

에너지저장시스템(ESS) 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 3,000 3,300 3,630 3,993 4,392 4,832 10.0

* 출처 : 삼정KPMG 경제연구원, 이슈모니터 2018년 에너지 분야 주요이슈와 쟁점 (2017.12)

[ 태양광 에너지 국내 발전량 및 전망 ]

(단위 : GWh, %)

태양광 에너지 국내 발전량 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
합계 1.4 1.7 2.2 2.8 3.5 4.4 25.9

* 출처 : KISTI 마켓리포트 에너지 저장장치 (2017)

4.기술분석
가. 기술환경 분석 - 해외

유럽은 재생에너지 사업에 대출·면세·감세 혜택 등 다양한 지원으로 투자 이익을 정부가 보전

  • 정부가 일정 기간 에너지 생산 가격을 지원해주는 ‘발전차액지원제도’
  • 에너지 공급자들에게 일정 비율은 반드시 재생에너지를 생산하도록 하는 ‘쿼터제’
  • 개인 단위 발전의 경우에도 태양광 패널 설치 시 면세 혜택과 생산 전력이 남으면 판매할 수 있는 제도 마련

인도는 ‘2017년 국가에너지정책(안)(NEP)’를 발표하며, 2022년까지 신재생에너지 설비용량 (누적)을 175GW까지 확충하는 것을 목표로 함

  • ‘17년 9월 말 기준 인도의 태양광 발전설비용량은 15GW이고, 목표 규모는 100GW임
나. 기술환경 분석 - 국내

정부 ‘재생에너지 3020 이행계획’ 발표

  • 정부가 2030년까지 110조 원(정부예산 18조 원, 공기업 51조 원, 민간에서 41조 원)을 투입해 신재생에너지 발전 비중을 20%로 끌어올리고자, 48.7GW 규모 신재생에너지 설비를 확충할 예정
  • RPS제도만 보더라도 2016년 기준 약 1,515MW가 신규 설비로 진입, 2012년 RPS시행 이후 태양광만 7,555MW, 2만 2,405개소에 보급완료
  • 정부의 계획을 실행하기 위해서는 2030년까지 65GW 규모의 신규설비 보급이 필요하고, 태양광은 연 2GW 수준의 보급방안 필요
  • 특히 글로벌 기업으로 성장할 수 있는 핵심 기술력을 확보한 강소기업을 육성하고 태양전지 시장의 95% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지의 핵심소재 및 제조장비 국산화, 신공정기술 등에 대한 투자 확대 필요

지난 2015년을 기준으로 신재생에너지의 전력생산량 비중이 전 세계 23.7%, 국내 6.6%로 1/4 수준이었으며, 이 중 태양광과 풍력이 차지하는 비중은 전 세계 4.9%, 국내는 0.93%로 1/5 수준을 기록

  • 한국에너지공단 분석에 따르면 세계 태양광 발전시장이 지난해 90GW를 기록했으며 올해와 2020년에는 100GW를 넘어서는 구도를 유지할 것으로 예상

2016년 기준 태양광 기업체수는 108개로 고용인원은 8,112명, 매출액은 7조 248억 원

  • 내수시장 규모는 2조 777억 원, 수출액 2조 8,650억 원, 투자액 규모 5,553억 원 달성 등 국내에서도 태양광 분야가 성장 중

태양광의 경쟁력은 소재의 원가절감, 변환효율 개선 및 단가 저가화로서 더욱 부각될 것

  • 변환효율 제고 및 저가화를 위해 공정기술, 대면적 양산기술, 대량생산기술을 위한 연구개발 필요
  • 최근에는 태양광 발전시스템 설치면적 축소, 설치단가 저감 등을 위한 기술개발이 진행되고 있으며, 유지보수 및 발전량 예측 시뮬레이션 등도 개발되고 있음

‘17년 태양광 발전시스템 단가는 전년대비 10% 이상 하락해서 사상 처음으로 1달러/W를 달성할 전망

  • 태양광 발전시스템 단가가 ‘10년도 3.5달러/W에서 ‘17년도에 1달러/W를 달성하였으며, ‘25년에는 0.7달러/W를 달성할 전망
  • 유럽 및 미국 등 선진국에서는 이미 태양광 발전은 그리드 패러티에 도달했으며, 개도국으로의 확산 속도도 빨라지고 있음

‘16년도부터 한국에너지기술평가원에서 지원하는 기술개발(실증)사업으로 추진하고 있는 MW급 태양광 발전 R&BD 실증단지에서 다양한 태양광 발전시스템의 성능 등을 평가할 수 있는 사업 추진 중

  • 다양한 태양광 발전시스템 Track Record 확보, 태양광 발전시스템 성능 및 신뢰성 검증 기반 수립, 지역‧환경 맞춤형 태양광 발전시스템 최적 운용방안 및 컨설팅할 수 있는 지원체계를 구축하기 위해서 노력 중
  • 영남대학교는 주요국 태양광 발전 실증센터와 네트워크를 구축하여 지역, 환경에 적합한 태양광 발전시스템 성능 평가 등 지원체계를 구축하기 위해서 노력 중

녹색에너지연구원이 일본의 영농형 태양광 발전 보급 모델을 국내에 적합한 시스템으로 적용‧개발하는 영농형 태양광 관련 국내 최초 국가 연구 과제를 수탁

  • 쏠라테크, 남동발전, 에스엠소프트웨어 등의 업체들이 참여하는 이 사업은 100kW급 농가 보급형 영농형 태양광 발전시스템 도출을 위해 6개소의 테스트베드(총 면적 1만 5,000m²)에서 10개 이상의 농작물에 대한 수확량 및 안전성 등을 검증할 것

에너지신산업 특례요금제 개편(‘17)

  • 신재생에너지를 설치할수록 더 많은 전기요금 할인을 제공하기 위해 최소 사용량 20% 기준을 폐지하고 신재생에너지 사용량의 50% 만큼을 할인
  • 신재생에너지와 ESS를 함께 설치 시 신재생 할인금액의 최대 50% 추가 할인
5. 핵심요소기술 선정

확정된 요소기술을 대상으로 중소기업에 적합한 핵심요소기술 선정

[ 태양광 발전시스템 분야 핵심요소기술 선정 ]

태양광 발전시스템 분야 핵심요소기술 선정
분류핵심요소기술개요
전력제어 기술 계측제어 및 모니터링 시스템 개발
  • 태양광 발전시스템의 계측 정밀도 ±2% 이내
  • 전력계통에 대한 유효/무효 전력 제어
  • 유선 및 무선을 통한 기상 및 발전량 모니터링
  • 스마트폰을 이용한 원격 모니터링
태양광 발전시스템의 최적설계와 모델링 기법
  • 태양전지 모듈의 스트링 및 어레이 설계
  • 태양광 인버터와 스트링 설계 매칭
  • 설치 면적 및 주변 환경에 대한 3D 공간 설계
  • 설치 지역 연중 온도에 대한 시스템 모델링
발전량 예측 프로그램
  • 설치 지역 및 누적 기후 데이터 기반의 발전량 예측
  • 태양전지 설치 설계 및 열화 대한 발전량 예측
  • 태양전지 모듈 및 인버터에 의한 발전량 예측
전력변환장치
성능향상
고효율 신기술 적용 DC-DC 컨버터 기술
  • 3kW 이상 용량에 대한 97% 이상 고효율 전력변환 및 전력변환 토폴로지
  • 전력밀도: 50W/inch3
고효율 신기술 적용 AC-DC 컨버터 기술
  • 10kW 이상 용량에 대한 98% 이상 고효율 전력변환 및 전력변환 토폴로지
  • 전력밀도: 30W/inch3
시스템
성능개선
5kW 태양광/20kW 에너지 저장 연계
시스템의 원격 모니터링 기술
  • 계통 및 부하 조건에 대한 연계 운전 알고리즘
  • SOC 정밀도 ±5% 이내
  • 무선 및 스마트폰을 이용한 원격 모니터링
태양광 발전시스템의 접속함 및 집전함 기술
  • 외부 환경 조건에 대한 FMEA(고장모드분석) 설계
  • 역전류 방지기능의 고효율화 기술
  • 스트링 모니터링 기술