태양은 약 1,360W/㎡의 빛을 지구로 쏟아낸다. 하지만 태양이 쏟아내는 빛이 모두 지상에 도달하진 않는다. 지구 대기를 거치며 산란하거나 다시 우주로 반사되고, 일부만 대기에 흡수된다. 맑은 하늘일 때는 평균 1,025W/㎡, 구름이 끼었을 땐 평균 550W/㎡의 태양 빛이 지상에 도달한다. 

태양광 발전은 구름의 영향을 많이 받는다. 구름이 끼는 정도, 미세먼지 등에 따라 전력 생산량이 들쭉날쭉한다. 구름은 반지름이 약 0.02~0.05mm인 수십억 개의 작은 물방울과 얼음 알갱이들의 모임이다. 즉, 같은 크기의 구름이라도 내부의 구성 입자에 따라 태양 빛을 반사하는 정도가 다르다. 그래서 과학자들은 태양광 발전량을 정확히 예측하는 방법을 개발하고 있다. 전력 생산량 예측이 가능하면 얼마큼의 전력을 다른 에너지원에서 끌어와야 하는지, 반대로 얼마큼의 전력을 저장할지 계산할 수 있다.  

▲ 구름이 태양을 가리면 지표면에 도달하는 태양에너지가 감소한다.  |  출처:Pixabay

최근 미국 캘리포니아대 산디에고 캠퍼스(UC 산디에고)의 카를로스 코임브라 교수가 이끄는 연구팀은 나사(NASA)가 2016년 쏘아 올린 정지궤도 위성 GOES-R을 활용해 구름이 흡수하는 태양 빛을 정확히 계산하는 방법을 개발했다. GOES-R은 기상을 관측하는 위성으로 가시광선부터 적외선까지 16개 영역의 주파수를 관측할 수 있는 관측 센서 ABI(Adavanved Baseline Imager)가 탑재돼 있다. 근적외선 파장은 수증기에 의해 잘 흡수되기 때문에 대기의 수증기 분포량을 확인할 수 있고, 적외선 파장은 야간에도 활용할 수 있다. 이처럼 16개의 파장 영역이 같은 대기에서 각자 다른 정보를 수집한다. 

카를로스 코임브라 교수 연구팀은 이번에 개발된 추정 기술을 ‘SCOPE(Spectral Cloud Optical Property Estimation)'라 명명했다. 

▲정지궤도 위성 GOES-R의 상상도. 맨 아래쪽이 이번 연구에서 사용한 관측 센서 ABI(Adabanced Baseline Imager)다.   |  출처: NASA

정지궤도 위성은 적도 기준으로 상공 3만6,000km에서 지구의 자전과 같은 속도로 지구 주위를 공전하며 기상을 관측한다. 지구에서 위성을 볼 때 항상 같은 지점에 있어 ‘정지’라는 단어가 붙는다. 연구팀은 GOES-R 위성이 수집한 자료를 토대로 구름의 고도와 두께, 그리고 광학 두께를 계산했다. 광학 두께는 태양 빛이 구름을 지나는 동안 산란 또는 흡수에 의해 제거되는 빛의 양을 나타낸다. 그리고 이 세 가지 특성을 토대로 지상에서 태양 빛을 이용한 전력 생산량을 추정하는 모델을 만든 후 7개 지역의 실제 발전량과 비교했다. GOES-R 위성은 대기를 5분 간격으로 촬영하기 때문에 연구팀은 5분 단위로 발전량을 예측할 수 있었다. 

그 결과, 4개 지역에서는 10W/㎡의 오차 범위 내에서 발전량을 예측했고, 나머지 3곳은 실제 생산량과 예측량의 차이가 각각 11.2, 17.7, 20.2W/㎡였다. 카를로스 코임브라 교수는 “발전소의 전체 전기 생산량을 고려하면 높은 정확도를 보였습니다. 태양광 셀의 특성이나 주변 환경을 분석 대상에 추가하면 정확도를 더 높일 수 있을 것입니다”라고 설명했다. 아울러 “태양광 발전량에 영향을 미치는 구름의 광학적 특성을 이토록 자세히 분석한 연구는 처음입니다. SCOPE를 개선해 잘 활용하면 태양광 발전량을 예보하는 시대가 열릴 것입니다”라고 덧붙였다.