1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 지붕형 태양광발전 시스템
2.2 지붕형 태양광발전시스템의 성능 평가
3. 지붕형 태양광발전시스템의 운영 성능
3.1 지붕형 태양광발전 시스템의 운영 성능
3.2 설치조건(남측 경사면 : 북측 경사면)별 스트링의 운영 성능
4. 결 론
기호 및 약어 설명
PV : Photovoltaic
MPP : Maximum power point
MLPE : Module level power electronics
: Energy Yield of DC (kWh/kWp)
: Energy Yield of AC (kWh/kWp)
: Cumulative DC power (kWh)
: Cumulative AC power (kWh)
: Capacity (kWp)
: DC power (kW)
: AC power (kW)
: Efficiency of inverter (%)
1. 서 론
정부는 2020년부터 공동주택을 제외한 연면적 1,000 m2 이상의 공공 건축물을 대상으로 제로에너지건축물 의무화를 시행하였다. 2023년부터는 연면적 500 m2 이상의 공공 건축물뿐만 아니라 30세대 이상의 공공 공동주택을 대상으로 제로에너지건축물 의무화 대상을 확대한다. 제로에너지건축물 인증 획득을 위해서는 “에너지자립률 20% 이상”, “건축물 에너지효율등급 1++이상”, “BEMS (Building Energy Management System) 또는 원격검침 전자식 계량기 설치”를 모두 만족해야만 한다. 에너지자립률은 단위면적당 1차에너지소비량 대비 단위면적당 1차에너지생산량의 비율을 의미하며, 이를 20% 이상 달성해야 제로에너지건축물 인증의 최하위등급인 5등급을 인증받을 수 있다1). 따라서 제로에너지건축물 인증 획득을 위해서는 신․재생에너지 시스템 적용을 통한 에너지 생산이 필수적이라는 것을 알 수 있다.
다양한 신․재생에너지 시스템 중 태양광발전시스템(PV system, Photovoltaic system)은 건축물의 제로에너지화를 위한 주요 신․재생에너지 기술로 평가받고 있으며, 실제 제로에너지건축물 인증사례2)를 살펴보면 PV 시스템을 기본으로 설치하고 부가적인 신․재생에너지 시스템 적용을 통해 건축물이 제로에너지화 되는 것을 알 수 있다.
신․재생에너지 설비 시공기준 등을 안내하고 있는 “신․재생에너지 설비 지원 등에 관한 지침”3)을 통해 태양광 설비 시공기준을 확인할 수 있다. 다양한 항목 중 설치방위각은 시스템 유형을 두 가지로 분류하여 안내하고 있다. 첫 번째인 일반 PV 시스템은 정남향을 기준으로 ± 45° 이내(남동향부터 남서향까지)로 설치하도록 하고 있으며, 두 번째인 건물형 PV 시스템(건물일체형 PV 시스템 및 건축부착형 PV 시스템)의 경우 ± 90°까지 설치하도록 하고 있다. 설치 경사각에 대한 기준은 설치 지역의 위도와 근접하게 설치하도록 안내하고 있으며, 중간기(3~5월, 9~11월)를 기준으로 1일 일조시간 5시간 이상만을 규정하고 있다.
실제 PV 시스템의 설치방위각을 조사해보면 대부분의 PV 시스템은 정남향을 기준으로 크게 벗어나지 않은 설치 조건을 나타내는 것으로 확인된다4,5,6,7,8,9). 그뿐만 아니라 박공지붕의 단독주택 또는 공동주택의 지붕형 PV 시스템 또한 남향을 향하는 지붕에만 PV 모듈을 설치하여 시스템을 구성하는 것으로 나타났다10,11,12).
하지만 해석프로그램을 통해 다양한 설치방위각과 경사각에 대한 발전성능을 평가한 선행 연구13)에 따르면 북향으로 PV 어레이가 설치되더라도 경사각에 따라 일부 설치 조건은 남향 설치조건보다 높은 발전량을 나타내는 것이 확인된다. 정남향의 수직면으로 설치된 PV 시스템의 발전성능은 정북향의 경사각 15°로 설치된 PV 시스템과 유사한 성능을 나타내며 경사각을 더 완만히 설치하면 오히려 높은 발전량을 나타내는 것이 확인된다.
이에 따라 시공기준 상에서 설치 경사각을 종합 고려한 설치방위각 범위의 확장이 필요할 것으로 판단되며, 이는 건축물의 제로에너지 의무화 대상 건물이 확대되는 현시점에서 주요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 실제 북향으로 설치된 PV 시스템이 해석프로그램을 통해 산출된 성능과 유사한 성능을 나타내는지에 대한 검증이 선행될 필요가 있다.
따라서, 본 연구에서는 MPLE (Module Level Power Electronics)를 활용하여 시스템을 구성한 국내 지붕형 PV 시스템의 운영 자료 수집 및 분석을 바탕으로 PV 시스템의 북향 설치 타당성에 대해 평가하고, 종합적인 설치방위각과 경사각 범위를 제안하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 지붕형 태양광발전 시스템
지붕형 PV 시스템의 북향 설치 타당성 평가를 위한 분석 대상 시스템은 전라북도 완주군에 있다. 지붕형 PV 시스템이 설치된 주거용 건축물(단독주택)은 바닥면적이 서로 다른 2개 층으로 구성되어 있고, 바닥면적 차이로 인해 1층 일부와 2층에 지붕이 형성되어 있다. 지붕은 박공지붕의 형태를 띠고 있으며, 건물이 정남향을 향하고 있어 각 지붕면이 남향과 북향을 향하고 있다. 이때 지붕의 물매(PV 모듈 설치 경사각)는 18°로 확인되었다.
지붕형 PV 시스템은 PV 모듈, MLPE (Module Level Power Electronics) 및 인버터를 활용하여 시스템을 구성하였으며, 지붕 마감재 위에 모듈 고정을 위한 구조물 설치 후 모듈이 설치되었다. 남측 지붕면과 북측 지붕면 모두 PV 모듈을 설치하여 시스템을 구성하였다. Fig. 1은 분석 대상 시스템이 적용된 건물의 모습, 설치 과정, MLPE, 인버터 등의 모습을 나타낸 것이다. 앞선 설명과 Fig. 1을 통해 지붕형 PV 시스템의 경우 지붕 마감재와 모듈 사이에 간격이 있어 후면환기가 가능한 조건임을 확인할 수 있으며, 1층 지붕 위에 설치된 모듈의 경우 2층 구조물에 의해 음영이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
지붕형 PV 시스템은 2가지 PV 모듈을 활용하여 구성되었다. 2가지 모듈은 동일 단결정의 Half Cell을 활용하여 제작되었으며, 모듈을 구성하고 있는 태양전지의 개수와 직렬 연결을 변화하여 최대출력(Power at MPP)과 개방전압(Open circuit voltage) 및 최대출력 전압(Voltage at MPP)에 차이가 있다. 시스템에 적용된 각 모듈의 사양은 Table 1과 같다.
지붕형 PV 시스템은 남측 경사면에 설치된 모듈과 북측 경사면에 설치된 모듈 모두 1개의 인버터에 연결하여 시스템을 구성하였는데, 이때 발생할 수 있는 모듈 간 출력 차이에 의한 시스템 성능 저하는 MLPE 적용을 통해 해결하고자 했다. 남측 경사면은 325 Wp (‘Module 01’ in Table 1) 모듈 13장, 390 Wp (‘Module 02’ in Table 1) 모듈 11장 및 MLPE 13대를 활용하여 구성되었으며, 북측 경사면은 325 Wp 모듈 11장, 390 Wp 모듈 13장 및 MLPE 13대를 활용하여 구성되었다. Fig. 2는 PV 모듈과 MPLE의 연결 상세를 나타낸 것이다. MLPE 1대당 2장의 모듈을 연결하여 시스템을 구성하였으며, 일부 MLPE는 1장의 모듈만을 연결하여 시스템을 구성하였다.
Table 1.
The specifications of PV modules installed on roof
| Items | Module 01 (M01 in Fig. 2) | Module 02 (M02 in Fig. 2) |
| Power at MPP [W] | 325 | 390 |
| Short circuit current [A] | 10.14 | 10.14 |
| Open circuit voltage [V] | 40.40 | 48.48 |
| Current at MPP [A] | 9.66 | 9.66 |
| Voltage at MPP [V] | 33.65 | 40.38 |
| Efficiency [%] | ≥ | ≥ |
| Temperature Coefficient of Power [%/K] | -0.37 | |
| Temperature Coefficient of Current [%/K] | -0.28 | |
| Temperature Coefficient of Voltage [%/K] | +0.04 | |
| Size (Width / Height / Thickness) [mm] | 1,000 / 1,685 / 32 | 1,000 / 2,015 / 35 |
| Weight (Weight per m2) [kg, kg/m2] | 18.7 (11.1) | 23.5 (11.7) |
| Feature | Mono c-Si / Half cell / Decentralized Junction Box | |
지붕형 PV 시스템 및 각 설치 조건에 대한 정보는 Table 2에 나타냈다. 시스템은 17.16 kWp 규모로 구성되었으며, 남측과 북측 경사면은 각각 8.515 kWp, 8.645 kWp로 구성되었다. 이때 남측 경사면에 대한 북측 경사면의 설치용량 비율은 약 102%로 유사한 설치용량 수준임을 확인할 수 있다.
Table 2.
The specification of system and each string
2.2 지붕형 태양광발전시스템의 성능 평가
지붕형 PV 시스템의 성능 평가는 2단계로 나누어 수행되었다. 첫 번째 단계는 전체적인 지붕형 PV 시스템의 직류 출력에 대한 발전성능, 교류 출력에 대한 발전성능과 인버터의 변환 효율을 평가하였다. 두 번째 단계에서는 북측 경사면과 남측 경사면의 직류 출력에 대한 발전 성능 평가를 수행하였으며, 이를 바탕으로 지붕형 PV 시스템의 북향 설치 타당성에 대해 평가하였다. 이때 설치방위각을 제외한 요소가 발전성능에 영향을 주지 않도록 음영이 발생하는 영역의 모듈과 연결된 MLPE를 제외한 나머지 MLPE를 대상으로 평가하였다. 분석에 활용된 MLPE는 Fig. 2에 강조하였다.
직류 출력 및 교류 출력에 대한 발전성능은 단위설치용량에 대한 발전량을 의미하는 Energy Yield를 활용하여 평가하였다. Energy Yield는 특정 기간(년, 월, 일 등) 동안 누적 발전량을 설치용량으로 나누어 산출된다. 일일 누적 발전량을 설치용량으로 나눈 Energy Yield는 일일 발전 시간(Hour/Day)의 의미로 활용되기도 하며, 연간 누적 발전량을 설치용량으로 나눈 Energy Yield는 연간 발전 시간을 의미하며, “단위에너지생산량 및 원별 보정계수(신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정 [별표10])”에서 태양광 단위 에너지 생산량의 단위와 같은 의미이다. Energy Yield 및 인버터의 변환 효율은 아래 식을 통해 산출되었다.
지붕형 PV 시스템은 2020년 2월부터 운영을 시작하여 현재까지 운영 중이다. 모니터링은 MLPE 및 인버터 회사에서 제공하는 플랫폼을 통해 이루어지며 MLPE, String Combiner 및 인버터에서 측정되는 자료에 대해 제공한다. 사용자가 선택하는 시간 간격에 따라 데이터 조회 및 저장을 할 수 있으며, 짧게는 5분 길게는 1년 단위 데이터의 조회 및 저장을 할 수 있다. 분석 대상 지붕형 PV 시스템의 경우 2021년 2월 중 모듈, MLPE 및 인버터에 대한 결선을 수정하였기 때문에 본 연구에서는 전체 기간에 대한 운영 자료가 아닌 최근 1년(2021년 6월부터 2022년 5월까지)간의 자료를 활용하여 성능 분석을 수행하였다. 성능 분석을 위한 자료는 15분 간격의 자료를 1시간 간격으로 통계 처리(합산, 평균 등)하여 활용하였다.
3. 지붕형 태양광발전시스템의 운영 성능
3.1 지붕형 태양광발전 시스템의 운영 성능
Fig. 3은 분석 대상 지붕형 PV 시스템의 월별 및 연간 Energy Yield를 DC와 AC에 대해 각각 나타낸 것이다. 월별 Energy Yield 분석 결과, 5월의 발전성능(DC Energy Yield : 161.75 kWh/kWp․mon, AC Energy Yield : 159.14 kWh/kWp․mon)이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 동절기에 가까워질수록 낮아지는 경향을 나타냈다. 이는 PV 모듈이 남향과 북측 경사면에 설치된 시스템 특성상 동절기에 가까워질수록 PV 모듈에 조사되는 일사 강도(W/m2)가 약해지고, 이에 따라 누적 일사량이 감소하기 때문에 나타난 현상으로 판단된다. 이 외에 전체 시스템 용량 중 약 50%에 해당하는 PV 모듈이 북측 경사면(18°)으로 설치되어 있어 많은 발전성능 감소가 있었을 것으로 추정된다. 이에 대한 자세한 분석은 “3.2 설치조건(남측 경사면 : 북측 경사면)별 스트링의 운영 성능”에서 자세히 다루었다. 월별 Energy Yield 분석 결과를 토대로 산출한 DC 및 AC의 연간 Energy Yield는 각각 1,223.88 kWh/kWp․yr, 1,198.52 kWh/kWp․yr로 분석되었다.
Fig. 4는 동일 기간 인버터의 시간별 DC-AC 변환 효율을 활용하여 입력 DC 전력에 대한 변환 효율 변화 추이 분석 결과를 나타낸 것이다. 입력 DC 전력이 약 1.5 kW 미만일 때 변환 효율이 급격히 감소하는 경향이 나타났으며, 입력 DC 전력이 3 kW 이상일 때 약 98%로 동작하는 것으로 분석되었다.
Table 3는 월평균 인버터의 DC-AC 변환 효율을 나타낸 것이다. 월평균 변환 효율은 96.72% ~ 98.38% 사이의 범위에 분포하는 것으로 분석되었다. 발전성능이 가장 좋지 않은 12월에 96.72%로 분석되었으며, 발전성능이 가장 우수한 5월에 98.38%로 분석되었다. 연평균 97.93%의 변환 효율을 갖는 것으로 분석되었으며, 이는 인버터 사양서에 제시된 변환 효율 98%와 매우 유사한 것으로 확인되었다.
Table 3.
The monthly DC-AC conversion efficiency of inverter
| Items | Jan | Feb | Mar | Apr | May | Jun | Jul | Aug | Sep | Oct | Nov | Dec | Annual |
| Conversion efficiency [%] | 97.79 | 97.84 | 97.92 | 98.17 | 98.38 | 98.05 | 97.88 | 97.39 | 98.36 | 98.05 | 97.53 | 96.72 | 97.93 |
3.2 설치조건(남측 경사면 : 북측 경사면)별 스트링의 운영 성능
Fig. 5는 남측 경사면과 북측 경사면의 다수 MLPE 중 음영 영향이 없는 2층 지붕의 전체 MLPE를 설치조건별로 월별 Energy Yield 분석 결과를 나타낸 것이다. 분석 결과는 인버터가 아닌 MLPE에서 측정된 출력을 활용한 것으로 이는 AC 출력이 아닌 DC 출력을 분석한 결과이다. 먼저 연간 발전성능 분석 결과, 남측 경사면은 연간 1,445.0 kWh/kWp․yr의 발전성능을 나타냈으며, 북측 경사면은 연간 1,068.7 kWh/kWp․yr의 발전성능을 나타냈다.
Table 4는 각 설치 조건의 스트링에 대한 발전성능과 남측 경사면에 대한 북측 경사면의 발전 성능비를 나타낸 것이다. 태양의 고도가 높아지고 낮의 길이가 긴 하절기(6월부터 8월)의 경우 남측 경사면과 북측 경사면의 발전 성능비가 평균 95.0%로 분석되어 매우 유사한 것으로 확인되었다. 반면 동절기(12월부터 2월)는 평균 42.7%로 분석되어 북측 경사면의 발전성능이 남측 경사면의 절반 수준에도 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 연간 발전성능을 기준으로 남측 경사면에 대한 북측 경사면의 발전 성능비는 약 74.0%로 분석되었다.
Table 4.
The monthly DC energy yield of each MLPE and the ratio of north-facing MLPE to south-facing MLPE
동절기와 가까워질수록 북측 경사면의 발전성능이 급격히 감소하는 원인은 절기별 태양의 위치와 일사 구성 요소와 관련되어 있다. 먼저 태양의 위치는 고도각와 방위각으로 표현할 수 있으며, 이를 종합하여 표현한 것이 입사각이다. 입사각은 특정 표면에 대한 법선과 일사의 입사 방향과 평행한 선의 사잇각을 의미한다. 일사는 태양에서부터 직선으로 입사된 직달일사, 천공의 수증기 및 먼지 등 미립자에 반사되어 천구 전체로 확산하여 입사되는 확산일사 및 지표면에 반사되어 입사되는 반사 일사로 구성된다. 이 중 직달일사는 입사각이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내는데 이 경향이 코사인함수와 같아 코사인법칙으로 불린다.
Fig. 6는 동지와 하지를 기준으로 남측 경사면과 북측 경사면의 입사각을 나타낸 것이다. 입사각이 90도 이상이면 태양이 모듈의 후면에 있는 것으로 간주 가능하며, 낮(일출부터 일몰까지)의 경우 모듈의 표면에는 확산일사 및 반사 일사만 도달한다. 동지의 경우 남측 경사면보다 북측 경사면이 직달일사를 받을 수 있는 시간(입사각이 90° 이하인 시간)이 짧은 것을 알 수 있으며, 입사각 또한 종일 남측 수직면보다 크기 때문에 직달일사도 감소함을 예측할 수 있다. 반면 하지의 경우 직달일사를 받을 수 있는 시간은 북측 경사면이 남측 경사면보다 길며, 입사각의 경우 시간에 따라 남측 경사면보다 작은 구간도 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 절기별 태양의 위치 및 위치에 따른 입사각에 의한 직달일사 성분의 감소(표면에 도달하는 일사량 감소)로 인해 북측 경사면의 동절기 발전성능이 감소하게 된다.
Fig. 7는 국내 33개 지역에 대한 표준기상자료를 활용하여 태양광발전시스템의 설치 조건(방위각 및 경사각)에 대한 국내 평균 발전성능을 고찰한 선행 연구14) 결과를 나타낸 것이다. 좌측 그래프는 선행 연구14)에서 공개한 연간 Energy Yield 분석 결과를 나타낸 것이며, 우측 그래프는 설치 조건에 따른 연간 Energy Yield를 정남향의 경사각 15° 설치 조건의 Energy Yield를 기준으로 나눈 것이다.
선행 연구의 해석프로그램을 통한 분석 결과는 시스템에 대한 성능 분석 결과(AC 출력)이며 본 연구의 분석 결과는 DC 출력을 분석한 결과이기 때문에 직접적인 비교는 불가능하다. 하지만 남측 경사면에 대한 북측 경사면의 성능 비율 측면의 비교는 가능할 것으로 판단된다. 본 연구의 경우 앞서 설명한 것처럼 남측 경사면 대비 북측 경사면의 발전 성능비는 74.0%로 분석되었다. 선행 연구의 결과 또한 78.3%로 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다.
“신․재생에너지 설비 지원 등에 관한 지침”에 따라 현재 태양광발전시스템은 정남향을 기준으로 ±45° 범위(남동향에서 남서향까지)로 설치하도록 하고 있으며, 건물형 태양광발전시스템의 경우 정남향을 기준으로 ±90° 범위(정동향에서 정서향까지)로 설치하도록 하고 있다. 이는 경사각을 고려하지 않은 설치 기준으로 성능을 고려했을 때 방위각에 대한 설치범위 확대가 가능할 것으로 판단된다. 시공 기준상 발전성능이 가장 나쁜 설치 조건인 동쪽 또는 서쪽 수직면의 경우 남측 경사면(15°)을 기준으로 약 52%의 발전 성능비를 나타내고 있다. 이를 전체 방위로 확대했을 때 정북향에 경사각 45°로 설치했을 경우와 유사한 발전 성능비(51.5%)를 나타내는 것으로 분석되었으며, 경사각을 완만하게 하면 동쪽 또는 서쪽 수직면보다 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 지붕형 PV 시스템의 북향 설치 타당성에 대해 평가하였다. 타당성에 대한 평가는 국내 지붕형 PV 시스템의 운영 자료 분석을 통해 이루어졌으며, 동일 시스템에 남측 경사면과 북측 경사면에 대한 운영 자료를 동시에 측정하고 있었기 때문에 정량적이며 객관적인 평가가 가능했다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
(1)지붕형 PV 시스템에 대한 발전성능 분석 결과, DC 및 AC에 대한 연간 Energy Yield는 각각 1,223.88 kWh/kWp․yr, 1,198.52 kWh/kWp․yr로 분석되었다. 이때 인버터의 월평균 변환 효율은 96.72% ~ 98.38% 사이의 범위에 분포하는 것으로 분석되었으며, 연평균 97.93%를 나타내는 것으로 분석되었다.
(2)남측 경사면과 북측 경사면에 설치된 MLPE 중 음영이 발생하는 모듈과 연결된 MLPE를 제외한 전체 MLPE를 대상으로 수행한 발전성능 분석 결과는 다음과 같이 나타났다. 남측 경사면의 경우 5월에 가장 높은 발전성능을 나타냈으며, 동절기에 가까워질수록 감소하는 경향을 나타냈으며, 이는 북측 경사면도 같다. 단, 북측 경사면의 경우 동절기에 가까워질수록 감소하는 경향이 더욱 두드러졌다. 남측 경사면 대비 북측 경사면의 발전 성능비는 절기별로 다른 경향을 나타냈다. 하절기의 경우 평균 95.0%로 매우 유사한 것으로 나타났으며, 동절기는 42.7%로 분석되었다. 연간 발전 성능비는 74.0%로 분석되어 약 26%의 성능 차이가 있는 것으로 확인되었다.
(3)현재 시공 기준을 통해 건물형 태양광발전시스템의 설치방위각 범위는 동에서 서까지이다. 이때 선행 연구의 발전성능을 기준으로 한 최악의 설치 조건은 정동향 또는 정서향 수직면이며, 이때 남측 경사면(15°) 대비 발전 성능비는 약 52%이다. 발전 성능비(52%)를 기준으로 방위각을 확장하면, 경사각에 따라 차이가 있지만, 정북향 설치도 가능(경사각 45°, 발전 성능비 약 52%) 할 것으로 판단된다.
당장 2023년부터 공공 공동주택의 제로에너지건축물 의무화가 시행된다. 공동주택은 단지 단위로 설계 및 시공되며 이에 따라 인접한 건물에 의해 음영이 발생할 수 있다. 이러한 특징은 건물의 입면을 충분히 활용할 수 없다는 문제를 일으킬 수 있다. 그뿐만 아니라 공동주택은 총바닥면적(연면적) 대비 지붕 면적이 협소한 특징을 갖기 때문에 지붕의 형상이나 PV 모듈의 배치 등 PV 시스템의 설치용량 증가를 위한 적극적인 설계 기법이 요구된다.
현재 국내 적용 PV 시스템은 경사각에 대한 종합적인 고려 없이 대부분 남측만을 향하도록 설계 및 시공되고 있다. 본 연구의 결과를 통해 확인할 수 있듯이 북측 또한 PV 시스템 적용을 통해 남측 설치 조건만큼의 발전성능을 기대할 수 있다. 따라서, PV 시스템의 북향 설치 또한 발전성능 측면의 충분한 검토를 통해 적용할 필요가 있다.
