성균관대 연구팀, 28개월 모니터링
복사량 줄면 발전시스템 출력 감소
충남 태양 복사량 55.4%까지 줄어
공기 가장 맑은 곳은 양양·태백

도시 건물 옥상에 설치된 태양광 발전시설. 도시의 태양광 시설은 특히 미세먼지 오염의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 강찬수 기자

대기 중 미세먼지 오염이 태양광 패널의 발전에도 적지 않은 영향을 주는 것으로 나타났다. 미세먼지가 태양광을 산란시켜 발전 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

성균관대 건설환경공학부 송두삼 교수팀은 최근 국제학술지 ‘건물과 환경(Building and Environment)’에 발표한 논문에서 “미세먼지 농도와 입자 크기에 따라 태양 복사에너지가 최대 50% 이상 줄어드는 것을 확인했다”고 밝혔다.

연구팀은 경기도 수원지역의 5층 건물 옥상에서 2017년 7월부터 2019년 11월까지 28개월 동안 미세먼지(PM10, 직경 10μm 이하의 입자)와 초미세먼지(PM2.5, 직경 2.5μm 이하의 입자) 농도와 태양광도 등을 측정했다.

태양광도는 전역 수평 복사량(global horizontal irradiance, GHI)과 직접 정상 복사량(direct normal irradiance, DNI)으로 측정했다. GHI는 수평 표면에서의 총 태양 복사량을 나타내며, DNI는 태양에 수직인 평면에서의 직접 복사량을 말한다.

이러한 복사량 수준이 감소하면 태양광 발전 시스템의 전력 출력이 줄어들게 된다.

태양 고도 낮아지면 영향 더 받아

연구팀은 “GHI 감소는 미세먼지(PM10)의 영향을 크게 받았지만, DNI는 초미세먼지(PM2.5)의 영향을 더 많이 받았다”며 “미세먼지 농도가 높을 때 GHI 감소율은 17.6%였고, 초미세먼지 농도가 높을 때 GHI 감소율은 11.3%였다”고 설명했다.

이에 비해 DNI 감소율은 미세먼지 농도가 높을 때는 8.5%, 초미세먼지 농도가 높을 때는 17.2%였다.

초미세먼지는 미세먼지에 비해 산란 반사율이 높아 태양 복사량을 더 효과적으로 산란시키고 덜 흡수해 DNI를 더 많이 감소시킨다. 특히 DNI는 산란되지 않은 햇빛에 직접 의존하기 때문에 대기오염에 매우 민감하다.

이와 함께 겨울에 태양 고도가 낮을 때는 태양광이 대기를 통과하는 거리가 증가하면서 미세먼지에 의한 산란과 흡수가 더 많아져 GHI 감소율이 더 컸다.

해가 지는 저녁에 노을이 생기는 것과 마찬가지의 원리다. 저녁에 해가 저물 때는 태양빛이 대기를 통과하는 거리가 길어지고, 먼지에 의해 빛이 더 많이 산란하기 때문에 노을이 붉게 물든다.

반면 여름철 태양 고도가 높았을 때는 GHI 감소율이 낮았다.

전국 12개 지역 감소율도 분석

연구팀은 이런 연구 결과를 전국 12개 지역에 적용했다. 그 결과, 미세먼지 농도와 입자 크기에 따라 GHI는 11.9~34.3%, DNI는 22.5~55.4% 감소했다.

성균관대 연구팀이 미세먼지가 태양광 발전에 미치는 영향을 분석한 국내 12개 지역. [자료: Building and Environment, 2024]

특히 PM2.5의 PM 농도가 높은 지역일수록 태양 복사가 더 많이 감소했다.

충남의 경우 미세먼지로 인한 GHI 감소율이 34.3%, DNI 감소율이 55.4%로 미세먼지 영향이 가장 컸다. 전남의 경우 GHI 감소율이 11.9%, DNI 감소율이 22.5%로 영향이 가장 작았다.

지역별 비교에서 DNI는 미세먼지 크기에 매우 민감한 것으로 확인됐다. 예를 들어, 미세먼지 농도는 인천(66.4 μg/m³)과 경기(64.3 μg/m³)가 비슷했지만, 각각의 DNI 감소율은 40.4%와 55.4%로 차이가 있었다.

이는 경기의 초미세먼지 농도(38.7 μg/m³)가 인천(27.2 μg/m³)보다 높았기 때문인데, 이로 인해 DNI 감소율에서 15%포인트 차이를 보였다. 미세먼지 속에는 초미세먼지도 포함이 되고, 미세먼지의 양은 비슷해도 초미세먼지, 즉 작은 먼지 입자의 비율이 높아 DNI가 더 많이 감소했다는 의미다.

연구팀은 “이번 연구 결과는 미세먼지의 영향이 태양 고도와 대기 조건에 따라 달라지기 때문에 도시의 태양광 시설 설치 계획이나 에너지 정책에 대기오염 상태를 통합해 고려하는 것이 중요하다”고 강조했다.

예를 들어, DNI 감소율이 높은 경기도 지역에서는 DNI보다는 GHI에 기반을 둔 태양광 발전 시설이 더 유리할 수 있다는 것이다.

오염 가장 심한 곳은 충남 아산, 경기 여주

성균관대 연구에서도 나타났지만, 국내 초미세먼지 오염이 가장 심한 곳은 충남, 경기 지역인 것은 환경부 자료에서도 확인된다.

2023년 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 연평균 오염도 분포, [자료: 2023 대기환경연감]

국립환경과학원이 최근 공개한 ‘2023년 대기환경연보’에는 전국 159개 도시(지역)의 지역별 초미세먼지 오염도를 확인할 수 있다.

2023년 초미세먼지 연평균 오염도에서 충남 아산과 경기도 여주는 25㎍/㎥으로 최악이었다. 또 경기도 평택과 충남 당진이 24㎍/㎥로 뒤를 이었다.

경기도에서 연간 환경기준(15㎍/㎥ 이하)을 달성한 곳은 동두천이 유일했고, 충남과 충북, 전북은 환경기준을 달성한 곳이 전무했다. 인천은 22㎍/㎥, 서울 20㎍/㎥, 세종 19㎍/㎥, 대구·대전·울산 18㎍/㎥, 광주 17㎍/㎥, 부산 16㎍/㎥로 환경기준을 초과한 것으로 측정됐다.

측정 지점별로는 경기도 이천 설성면 지점이 29㎍/㎥로 초미세먼지 오염이 가장 심했다. 평택당진항이 28㎍/㎥, 충남 당진 송산읍과 경기도 여주 가남읍이 27㎍/㎥에 이르렀다.

국내 초미세먼지 환경기준 달성 지역 40곳

환경기준을 달성한 지역은 모두 40곳(25%)이었고, 동두천을 제외하면 수도권과 충남에서 멀리 떨어진 강원·전남·경북·경남·제주의 도시(지역)였다.

반면 중국발 초미세먼지 오염의 영향으로 국가 배경농도 측정지점인 서해 백령도는 18㎍/㎥, 태안 격렬비열도 21㎍/㎥, 전남 홍도 20㎍/㎥ 등으로 환경기준보다 높게 측정됐다.

전국 52개 추이 측정소에서 측정한 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 연평균 오염도 추세. [자료:2023 대기환경연보]

가장 공기가 맑은 지역은 강원도 양양과 태백으로 11㎍/㎥이었다. 측정 지점별로는 부산 태종대와 강릉 주문진읍도 11㎍/㎥였다. 강원도 인제와 전남 진도·완도·구례, 보성 벌교읍, 순천만, 경남 사천시 향촌동, 제주 애월읍 등이 12㎍/㎥를 기록했다.

하지만 국내 환경기준을 달성한 지역이라도 건강에 문제가 없다고 안심할 수는 없다. 

세계보건기구(WHO)에서는 초미세먼지 연평균 권고 기준으로 5㎍/㎥으로 정하고 있다. 국내 환경기준인 15㎍/㎥은 중간목표 3(Interim Target 3)에 해당하며, 중간목표 4는 10㎍/㎥이다.

일부 전문가들은 WHO 권고기준인  5㎍/㎥ 이하에서도 초미세먼지가 건강에 영향을 미칠 수 있다고 지적하고 있다.

강찬수 환경신데믹연구소장