1. 서 론
1.1 배경 및 동기
2. 기술적 배경
2.1 CIGS 태양광모듈
2.2 CIGS 태양광모듈 설계
2.3 CIGS 태양광모듈 KS 인증
3. 실증 설계
3.1 실증 목적
3.2 재료
3.3 실증 절차
4. 결 과
4.1 성능 측정
5. 결 론
1. 서 론
1.1 배경 및 동기
신기후체제를 위한 파리협정의 채택과 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)의 「지구온난화 1.5℃ 특별보고서」를 발간하여 기후 변화의 심각성을 알리는 각계각층의 노력이 이어지고 있다1). 정부는 「기후 위기 대응을 위한 탄소중립․녹색성장 기본법」 제정을 통해 2050년 탄소중립을 실현할 계획이다2). 정부의 「2050 탄소중립 시나리오」에서 60 ~ 70%의 발전량 비중을 차지하는 재생에너지에서 탄소중립 달성을 위한 주요 청정에너지원은 태양광과 풍력이다.
태양광발전 시장은 매년 10%씩 지속해서 성장해 왔고, 향후 시장 전망은 2025년에는 25조 원 규모로 확대될 것으로 기대되나3) 설치 장소의 부족과 계통 접속 한계 등 해결해야 할 문제점들도 존재한다. 태양광발전 설치는 육상에서 수상 그리고 건물에 이르기까지 다양한 장소에 적용되어 산업이 발전하고 있다4,5,6). 전기 에너지 소비가 가장 큰 장소는 거주 목적의 건축구조물이며, 빌딩 부문의 에너지 부하가 2035년 47%로 증가할 것으로 예상된다7). 2050년에는 전 세계 태양광발전량이 8,519 GWp에 달할 것으로 예상되며, 그 중 건물일체형 태양광발전(Building Integrated Photovoltaics, 이하 BIPV)가 약 40% 차지할 것으로 예상된다8). BIPV는 건물이라는 장소(지붕, 외벽, 베란다 등)에 태양광모듈을 설치하여 전력 생산과 소비가 동시에 이루어지기 때문에 에너지 효율성이 우수하다. BIPV 적용을 위한 설계 요소들(모듈의 종류, 설치 각도, 설치 방향 등)의 발전성능에 대한 영향 분석, BIPV 활성화를 위한 전략 및 방안 제시, BIPV 외관 및 성능 개선 방안 등에 관한 문헌들이 보고되었지만7,9,10) 입체적인 건물에 적용하기 위한 태양광모듈의 새로운 접근방식이 필요하다. 입체적인 건물 외관을 활용한 BIPV의 발전성능을 검증하기 위한 다양한 실증 사례가 요구되나 현재까지 곡면 건물을 활용한 실증 사례는 아직 보기 어려운 상황이다.
본 연구는 곡면 건물에 적용 가능한 가볍고 휨의 특징을 갖는 CIGS (Cu(In, Ga)Se2) 박막 태양광모듈을 개발했고 이를 KS 인증 획득했다. 곡면 건물에 부착할 수 있도록 CIGS 박막 태양광모듈을 설계했고 7.3 kWp 규모의 실증설비를 구축 완료했다. 곡면 지붕 태양광 실증설비는 현재까지 27개월간 발전량을 분석하여 CIGS 태양광모듈의 적용 가능성을 확인하고자 한다.
2. 기술적 배경
2.1 CIGS 태양광모듈
일반적으로 많이 사용되고 있는 실리콘 태양광모듈은 실리콘 웨이퍼 기판을 사용하기 때문에 형태적으로 제한이 있고, 곡면 적용이 불가능하며 심미성이 떨어지는 등 디자인 요소의 한계로 건물의 외벽이나 지붕 위 구조물을 사용하여 제한적으로 설치되고 있다. 반면 CIGS 박막 태양전지는 스테인리스스틸, 금속호일, 폴리머 등 경량 기판을 사용할 수 있으므로 건축물 지붕형 태양광모듈 적용이 가능하다. 또한 심미성과 대중 수용성이 우수하여 다양한 색상구현이 가능하여 실리콘 태양광모듈을 대체할 건물 적용 태양전지로 주목받고 있다.
CIGS 박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 4 원소로 구성된 화합물을 광흡수층으로 사용하고 광흡수계수가 높아 화합물 박막 태양전지 중 가장 높은 효율(23.6%)을 보이고 있으며11), 광흡수층 소재의 두께가 수 μm로 재료 소비가 적고 연속공정(Roll to roll)이 가능하기에 대량생산이 가능할 경우 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 고내구성으로 장기안정성 측면에서 장점이 있을 뿐 아니라 유연 경량 기판을 적용하면 상대적으로 높은 무게당 출력비(실리콘 모듈 기준 약 7.5배 수준)를 얻을 수 있다. 따라서 설치 장소, 공법 및 비용 측면의 유리함을 가지며, 기존 유리 기판 실리콘 태양전지보다 형태적 제약에서 벗어날 수 있어서 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.
2.2 CIGS 태양광모듈 설계
건물의 외관이나 지붕 외장재로 주로 사용되는 징크 판넬은 가격이 저렴하고 평면과 곡면 시공성이 우수하여 건물의 다양한 디자인 연출이 가능하다. 본 연구에서 사용하는 CIGS 태양광모듈은 곡면 지붕 형상에 적용하기 위해 징크 판넬 위에 태양광모듈이 설치할 수 있도록 설계했다. Fig. 1은 징크 판넬로 시공된 지붕 형태와 박막 태양광모듈의 설치 위치를 나타낸다. CIGS 태양광모듈은 건물 외형 디자인을 그대로 활용 가능하므로 건물의 심미성을 극대화할 수 있다. 모듈 설계에서 주요 착안점은 안정적인 신뢰성을 확보한 원자재 채택, 가격 경쟁력 확보를 위한 경제성, 모듈 효율 향상, 외관의 심미성을 고려하여 폭이 좁아진 모듈 디자인에 적합한 부자재와 원자재 선정이다. 모듈 길이는 모듈 생산단계에서 솔라 시뮬레이터의 측정범위를 고려하여 1,985 mm로 결정했다(Fig. 2).
Fig. 3은 전체 모듈의 단면 구조로 직렬 접속되는 태양전지는 42개이며 최대출력은 약 94.5 W이다. CIGS 태양전지를 중심으로 위, 아래에 태양전지를 보호하고 안정적으로 고정하기 위한 봉합재가 에워싸고, 태양전지 전면에는 광투과도가 높으면서 외부 환경으로부터의 보호를 위한 전면 시트, 태양전지 후면에는 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하기 위해 후면 시트와 접착 시트를 구성했다. 또한 외곽 보호 테이프는 모듈의 측면에서 습기 등을 차단하고 모듈의 노출된 외각 측면 보호하기 위해 사용했다. CIGS 태양전지를 둘러싸는 봉합 재료는 수분 투과율이 낮으며, 고온 다습한 환경에서 안정적인 폴리올레핀을 사용했다. 제작된 CIGS 태양광모듈의 성능은 Fig. 4와 Table 1에 나타냈다.
Table 1
CIGS thin film module
| Item | CIGS thin film module |
| Pmax [W] | 94.5 |
| Voc [V] | 30.4 |
| Isc [A] | 4.27 |
| Vmax [V] | 24.7 |
| Imax [A] | 3.83 |
| Fill Factor [%] | 72.8 |
| Weight [kg] | 2.5 |
| Efficiency [%] | 13.8 |
| Module size [mm] | 350 × 1985 × 2.6 |
2.3 CIGS 태양광모듈 KS 인증
본 연구에서 사용한 CIGS 태양광모듈은 KS 인증(KS C 8562 박막 태양광발전 모듈 성능) 절차를 진행하였는데 이는 설계한 CIGS 태양광모듈의 성능을 검증받기 위함이다. KS 인증은 Table 2와 같이 서류심사와 공장심사 두 가지 심사를 받아야 한다. KS 인증 서류심사는 공장등록증, 사업자등록증, 제조/검사설비 목록, 특징 및 제원, 자재관리 목록, 사내 규정, 공정도, AS 조직/규정, 모듈 사양 등을 작성하여 한국에너지공단에 신청 및 접수했다. 공장심사는 품질경영, 자재관리, 공정/제조설비 관리, 제품관리, 시험/검사설비 관리, 소비자 보호 및 환경/자원 관리 등 주요 6개 사항 총 33개 세부 항목에 대하여 심사를 받았고 Table 3에 공장심사 주요 항목 및 평가항목에 대하여 요약했다. 최종적으로 국산화 개발한 CIGS 태양광모듈은 기술적 완성도를 인정받아 KS 인증을 획득했다(Fig. 5).
Table 2
The process of KS certification for photovoltaic modules (KS C 8562)
Table 3
Key evaluation criteria for KS certification factory inspection
3. 실증 설계
3.1 실증 목적
본 연구에서 수행한 발전량 실증의 목적은 KS 인증받은 CIGS 태양광모듈의 성능을 검토하고 곡면 지붕을 활용한 태양광발전 설치 제안과 실제 발전량 분석하기 위함이다.
3.2 재료
지붕형 태양광발전 실증 시스템은 한국수력원자력(주) 중앙연구원(대전광역시 유성구 소재) 청림원 건물의 곡면 지붕에 설치했다. 설치 장소인 청림원은 지붕 일부가 곡면형상을 가지며 징크 판넬로 외장재를 구성되었다. Fig. 6은 청림원 항공사진과 정면 사진으로 청림원 주변 건물 배치 형상을 나타내는 전경이다. 그림과 같이 청림원 곡면 지붕의 방위는 남서향이며, 지붕 높이는 약 6 m로 주변의 건물에 비해 낮은 편이다. 청림원은 주변에 건물들 사이에 위치하여 태양광 발전시스템을 설치하기에 앞서 실증장소의 그림자 발생과 영향을 분석했다.
음영 시뮬레이션은 SketchUp Pro 2020 프로그램을 사용하여 수행했으며12) 청림원 지붕의 그림자 영향을 분석했고 그 결과는 Fig. 7에 정리했다. 청림원과 주변 건물의 실제 크기를 입력했고, 위도와 경도 등의 위치 정보 및 대한민국 표준시각을 사용하여 음영 분석했다. 1월 1일을 기준으로 하여 3개월 간격으로 해당 월 1일 시점의 오전 10시부터 오후 18시까지의 음영 발생 상황을 확인했다. 시뮬레이션 수행 결과와 현장 실사 결과 모두에서 오전 이른 시각과 오후 늦은 시각에 청림원 지붕에 음영이 발생했다. 하지만 오전 이른 시각과 오후 늦은 시각은 태양광의 강도가 적기 때문에 실제 발전량에 영향을 크게 미치지 않을 거라 예상하여 본 음영 분석 결과를 토대로 그림자의 유/무에 따른 실제 발전량을 계산했다. Table 4는 그림자 유․무에 따른 발전량 계산 결과로 그림자에 의한 영향은 약 2.2% 감소로 계산되어 미미한 영향이라 판단하고 청림원에 실증 시스템을 설치했다.
Table 4
Effects of power generation based on the presence or absence of shadows
3.3 실증 절차
청림원 지붕 소재는 징크 판넬이기 때문에 모듈 후면의 접착 시트를 이용하여 강판에 직접 붙이는 방식으로 시공했다. 청림원 지붕의 아연 도금 강판은 돌출 잇기 부분이 존재하기 때문에 돌출 잇기 사이의 평평한 부분에 태양광모듈이 부착된다. 돌출부의 간격은 430 mm로 CIGS 박막 태양광모듈의 간격인 350 mm보다 약 80 mm의 여유가 확보되었다. 모듈 간, 어레이-인버터 간의 전기적 접속과 생산 전력 송전은 돌출 잇기 부분의 상부에 덕트를 설치하고 덕트 내부 통로로 케이블을 매설과 결선을 완료했다(Fig. 8).
청림원 지붕에 설치 가능한 모듈수는 93장이다. 인버터 연결 시 모듈 어레이 간의 전기적 균형이 중요하므로 작동하는 모듈은 92장으로 제한하고, 균형성 있는 미관을 위해 마지막 한 장은 더미(dummy) 모듈로 사용하고 전기적 연결은 하지 않았다. 총 92개의 모듈을 48개와 44개 구성 어레이로 분리했고, 이를 다시 24 (직렬) × 2 (병렬)와 22 (직렬) × 2 (병렬)의 4채널로 인버터에 연결했다(Fig. 9).
4. 결 과
4.1 성능 측정
발전량 분석 기간은 2021년 10월 1일부터 2023년 12월 31일까지 27개월 동안 진행하였고 월별 발전량과 발전 시간을 Fig. 10에 정리했다. 실증 결과에서 총발전량은 21,755 kWh가 발전되었으며 월별 발전량은 최저 547 kWh (2022년 12월), 최고 1,183 kWh (2022년 5월)를 기록했다(Fig. 10(a)). 실증 시스템의 이용률은 전체 평균 15%이고 월별 이용률 최저 10.0%, 최고 21.6%의 결과를 보였다(Fig. 10(b)). 여기서 이용률은 일정 시간 동안 출력 가능한 최대출력 대비 실제 출력량을 의미한다. 실증 시스템 발전량의 비교 분석을 위해 대전광역시 유성구 지역의 태양광발전 이용률 결과를 분석하기 위해 전력거래소 전력 통계 정보시스템 자료를 활용하였다13). 실증 시스템의 연간 평균 이용률은 2021년 15.7%, 2022년 15.0%이고 전력 통계 정보시스템 자료의 대전광역시 유성구 지역의 태양광발전 연간 평균 이용률은 2021년 14.4%이고 2022년 14.1%로 확인되었다. 이 결과로 대전광역시 유성구 지역의 평균 이용률보다 실증 시스템의 이용률 결과가 우수한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 건물의 심미적 요소를 만족시키고 유연성을 갖는 CIGS 박막 태양광모듈을 설계 및 개발을 하였다. CIGS 박막 태양광모듈은 13.8%의 광변환 효율을 가지며 모듈 생산단계에서 솔라 시뮬레이터의 측정범위를 고려해 크기는 350 × 1,985 × 2.6 mm로 설계하였다. 기술적 완성도를 검증받기 위해 KS 인증을 획득하였다. 곡면 지붕 태양광발전 실증 시스템은 대전광역시 유성구에 있는 한국수력원자력 중앙연구원 내 건물에 설치하였다. 설치에 사용된 KS 인증받은 CIGS 박막 태양광모듈은 총 92개의 모듈을 48개와 44개 구성 어레이를 구성하였고 곡면 지붕의 외장재인 징크 판넬에 직접 부착하는 방식으로 시스템을 구성하였다. 곡면 지붕 태양광발전 실증 시스템의 규모는 7.36 kWp이며 27개월 동안 발전량을 분석하였다. 실증 결과 총발전량은 21,755 kWh을 기록하였고 월평균 발전량은 805 kWh, 월평균 발전 이용률은 15%를 보였으며 이 결과는 전력 통계 정보시스템 자료에서 동일 지역의 연간 평균 이용률보다 우수한 것으로 판단된다. 실증 시스템은 최적의 장소에 설치된 것은 아니다. 남서 방향으로 설치되었고 주변 건물에서 발생하는 그림자로 인해 일사량의 미비한 감소(-2.2%)도 존재한다. 또한 지붕 외장재와 CIGS 박막 태양광모듈이 직접 부착되어 모듈 후면을 활용한 공기 냉각이 불가능한 방식 등 일반적인 태양광발전소와 비교하면 불안전한 요소들이 존재한다. 하지만 KS 인증을 획득한 CIGS 박막 태양광모듈 제품을 활용하여 안정적인 발전량을 획득하였고 기존 연구들에서 보기 어려운 곡면 지붕을 적용한 실증연구라는 점에서 연구의 가치성이 있다고 판단된다. 향후, 실증 시스템의 발전량을 기반으로 발전량 시뮬레이션을 추가로 수행하여 곡면 지붕에 적용한 BIPV의 발전량 비교 연구를 수행하고자 한다.
