기호 및 약어 설명

BIPV : Building Integrated Photovoltaic Module

BAPV : Building Applied Photovoltaics

ALT : Accelerated Lifetime Testing

GtoG : Glass-to-Glass

GtoB : Glass-to-Backsheet

PID : Potential Induced Degradation

Td : Lifetime Under Normal Operating Conditions

Ta : Lifetime Under Accelerated Testing

AF : Acceleration Factor

DH : Damp Heat

TC : Thermal Cycling

ETFE : Ethylene Tetrafluoroethylene

LID : Light Induced Degradation

그리스 기호 설명

β : Shape parameter

1. 서 론

건물일체형 태양광 모듈(BIPV: Building Integrated Photovoltaic module)은 태양광 모듈이 건물의 지붕, 외벽, 창호, 난간, 차양 등 건축물의 일부로 설치되며 건축 재료의 역할과 태양광 발전을 동시에 수행하는 융복합 제품이다. BIPV는 건물의 외장재 및 마감재의 기능을 수행할 수 있으며 발전소 건물을 위한 별도의 대지 없이 전력발전이 가능하다는 장점 덕분에 최근 제로에너지빌딩, 탄소중립, RE100 등 국내 정책 및 친환경 제도에 맞물려 더 높은 관심을 받고 있다. BIPV는 건물에 부착되는 방식의 BAPV (Building Attached Photovoltaic module)와 달리 건축자재의 기능을 동시 수행하기 위해 일반 태양광 모듈에 비교해 요구되는 내구성 및 심미성에 대한 기준에 차이가 있다. 이를 바탕으로 BIPV는 도시의 미관 및 에너지 자립성 강화를 위한 건축 및 에너지 분야의 핵심 기술로 부상했다¹⁾. 이러한 기준에 부합하기 위해 BIPV는 기존 태양광 모듈 전용 표준 IEC 61215²⁾ 등만으로는 신뢰성 평가에 한계가 있어 건축자재 인증 요건과 전기적 안전성, 발전 효율 등 보다 복합적인 기준을 모두 만족시키는 새로운 표준화 체계가 필요하다. 국내에서는 KS C 8577³⁾을 중심으로 한 건물일체형 태양광모듈 인증체계가 마련되어 있다. 국제표준으로는 EN 50583, IEC 63092 및 IEC 61730이 가장 핵심적인 표준으로 사용되고 있다. 최근 경량형 및 투과형 BIPV 기술의 등장으로 인해 기존 표준의 기준으로는 적합한 신뢰성을 확보할 수 없다는 점이 지적되고 있다. 건물 외장재로 직접 사용되는 BIPV는 구조적 및 전기적 안전성이 동시에 요구되기 때문에 원활한 시장 활성화를 위해서 이는 필수로 고려되어야 한다. 이로 인해 기존의 각 부품별 평가 방식을 탈피해 시스템 전체를 아우르는 통합 내구성 및 안정성 평가 체계로 표준의 방향성이 변화하고 있다. BIPV는 태양광 발전소자와 건축 자재의 역할을 동시 수행하므로 건축물과 함께 구조적, 환경적 스트레스를 포함한 보다 장기적이고 복합적인 환경조건에 노출된다. 실제 현장에서 20 ~ 25년 이상 설치된 태양광 모듈의 성능 저하 및 고장을 지속해서 관찰하는 것은 현실적인 어려움이 있기에 장기간의 설치 환경조건을 단기간에 모사할 수 있는 가속수명시험(ALT, Accelerated Lifetime Testing)이 필수적이다⁴⁾. ALT는 온습도, 풍하중, 자외선, 진동 등 설치환경에 의한 다양한 스트레스를 단독 혹은 복합적으로 적용해 실제 환경에서 발생하는 열화 및 고장을 보다 짧은 기간 내에 재현하고 체계적인 원인 분석을 가능하게 한다⁵⁾. 이를 바탕으로 BIPV의 설계 효율성, 재료 선정, 품질관리 등에 보다 구체적인 전략을 수립 할 수 있다⁶⁾. BIPV 산업의 안정적인 성장을 위해선 표준을 기반으로 한 적합한 신뢰성 평가 및 시험방법에 대한 관리체계 확립이 필수적이다.

2. BIPV 관련 표준 현황 및 가속수명시험

2.1 국내외 표준 현황

국내 BIPV 표준은 한국산업표준(KS)중 KS C 8577을 기반으로 그 체계를 확립하였다. 하지만 기존의 표준만으로는 BIPV의 종합적인 신뢰성을 확보하기 어렵다는 점이 지적되고 있으며 최소한의 안전 수준만을 보장하는 현행 KS인증 표준의 한계를 극복하기 위해 종합 안전 평가 체계의 구축에 대한 필요성이 제기되고 있다. BIPV는 건축자재로써의 역할을 수행해야 하므로 화재로부터 안전을 확보하기 위해 관련 국토부 기준과의 연계를 통해 적합한 내화성능 기준을 수립하여야 한다.

(1) KS C 8577

KS C 8577은 건물일체형 태양광 모듈에 대한 표준으로 결정질 실리콘 태양광 모듈 및 박막 태양광 모듈을 포함하고 있다. 본 표준에서는 건물에 설치되는 지붕, 외벽, 창호 및 기타 부자재의 역할과 태양광 발전을 동시 수행하는 모듈을 다루고 있으며 유리와 유리를 접합 시킨 Glass-to-Glass (GtoG) 및 유리와 백시트를 접합시킨 Glass-to-Backsheet (GtoB), 유리가 없는 형태의 모듈을 포함하고 있다.

KS C 8577 표준은 IEC 61215 및 IEC 61730 등 Table 1과 같은 태양광 모듈 국제 표준과 국내 건축법, 기후적 특성 등의 부합화를 통해 제정되었다. 국내 결정질 태양광 발전 모듈에 대한 표준인 KS C 8561에 비해 내후성, 내구성, 내풍압, 난연 등 건축자재로써 필요한 성능 및 안전 요건에 대해 보다 깊이 있게 다루고 있다. 이를 바탕으로 태양광 모듈과 건축물을 아우르는 시스템의 안전 및 지속성을 확보한다. 이외에도 현장 설치 기준, 유지관리 요건, 시방서 양식 등도 규정하고 있기에 KS C 8577은 국내 공공 조달 및 허가의 기준으로 사용된다. 결론적으로 본 표준은 에너지 발전과 건물 내구성 및 법규사항을 아우르는 국내 BIPV 필수 인증으로 자리하고 있다.

(2) IEC 63092

국제 표준 IEC 63092는 건물일체형 태양광 모듈의 시스템 성능, 안정성 및 건축 요구사항을 다루고 있다. IEC 63092-1은 태양광 모듈의 기본 특성 및 시험방법에 관한 내용이며 IEC 63092-2는 BIPV의 시스템 전체에 대한 요구조건을 규정한다. IEC 63092는 기존에 제정 되어있는 표준 중 건물일체형 태양광 모듈을 위해 필요한 내용을 한 곳에 엮은 후 기계적 강도, 방수, 구조 안정성과 같은 건축자재에 대한 요구사항을 합하여 만들어진 표준으로 시험방법 및 기타 요구사항에 있어 IEC 61215와 같은 선행표준을 다수 인용하였다. 본 표준을 통해 국제적인 기준안에서 태양광 모듈이 건물 외장재로 사용될 때의 환경조건과 건축, 환경 및 에너지 관련 법령을 평가한다. 국제 건물일체형 태양광모듈 시장에서는 조달 및 인증 절차에서 본 표준을 기반으로 모듈-건물-시스템에 대한 통합 성능을 평가하고 있다. 또한, 본 표준은 다양한 기후환경 및 건축 자재로써의 호환성 등을 넓게 아울러 실질적인 국제 시장 인허가의 기준으로 활용되고 있다.

(3) IEC 61215

IEC 61215²⁾는 결정질 실리콘 태양광 발전모듈의 설계 자격 및 형식 승인을 다루는 표준이다. 본 표준은 태양광 모듈의 시험방법으로 가장 범용성 있게 사용되고 있다. 주로 지상 설치형 및 일반적인 옥상형 태양광 모듈이 적용 대상이며 태양광 모듈의 전기적 성능, 내구성, 내후성 평가에 관한 내용을 담고 있다. 주요 시험으로는 고온·고습 조건, 온도 사이클링 조건, 습도·동결 조건, 기계적 하중, 자외선 조사 및 우박 시험 등으로 다양한 가속환경 시험을 포함하고 있다. 이외에도 표준 시험 조건(STC, Standard Testing Condition)출력 측정, 절연 내력, 외관 검사, 습윤 누설 전류 시험 등 전기적 안정 및 성능을 평가하는 시험도 함께 다룬다. IEC 61215 표준을 통과하는 것은 곧 태양광 설치환경에서의 장기 신뢰성 및 성능 요건을 국제적인 기준에 맞추어 인증받는 것을 의미하며 각국의 태양광 발전 사업 및 프로젝트 수행에 있어 필수 요건을 갖춘 것으로 간주 된다. 다만 본 표준은 태양광 모듈의 단독 성능평가에 대한 내용만을 담고 있기에 건물일체형 태양광 모듈의 시스템 전체에 대한 신뢰성을 다루기 위해선 별도의 표준과 병행해야 한다.

2.2 BIPV 표준 발전 현황

IEC 63092, EN 50583 등의 국제 표준은 태양광 모듈의 신뢰성 표준(IEC 61215, 61730 등)을 기반으로 모듈로써의 전기적 안전성, 내구성, 내후성 이외에도 건축자재로써의 기계적 하중, 내연성, 방수성능 등을 함께 다루고 있다. 건물에 부착되는 형태 및 종류(창호형, 지붕형, 커튼월 등)에 따라 각각을 분류하고 이에 따른 시험기준을 세분화하여 도입하고 있다. 하지만 각국의 건축법 및 시방서와의 정합성, 국가 간의 인증 상호 인정 제약 등으로 인해 국제적으로 널리 사용됨에 있어 일부 제약이 있다. 국내 건물일체형 태양광 모듈 표준인 KS C 8577 또한 국제표준을 참고하며 국내의 기후 및 규정을 바탕으로 단열성, 내진, 유지관리 측면을 강화하여 국내 BIPV시장의 품질체계를 구축하고 있다. 하지만 현행 표준은 성능평가의 초점이 시험품 및 장비를 중심으로 설계되어 있어 실제 건축설계의 공법, BIPV의 복합 신기술(BIPV+IoT 센서, 가변투과율 등)을 포함한 설치환경 중심의 요구사항을 반영하기에는 한계점이 있다는 지적이 많다. 또한 환경, 기후, 건물의 용도에 따른 특성을 고려한 성능 평가 및 신기술(융복합 소재 BIPV, 스마트 기능 내장형 등)에 대한 대응력이 부족하여 이를 유연하게 적용할 수 있는 설계 및 유지관리 절차까지 아우르는 통합 인증시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다. 현재 국제전기기술위원회(IEC) 또한 건물일체형 태양광 모듈의 국제표준 개발에 많은 관심을 쏟고 있으며 국내 표준도 이와 같은 움직임에 맞추어 KS C IEC 63092와 같이 국제표준 부합화를 진행하며 국내 및 국제표준과의 상호 연계성을 지속해서 강화해 나가고 있다.

2.3 가속수명시험

가속수명 시험은 사용조건보다 가속한 스트레스(온도, 습도, 전압 등) 수준에서 시험하여 아이템의 고장을 가속하고, 가속조건에서 관측된 고장데이터를 분석하여 추정된 수명-스트레스 관계식을 사용 조건으로 외삽하여 사용 조건에서의 수명을 정확하게 추정하기 위한 시험으로 정의된다⁷⁾. Fig. 1은 가속 수명시험의 개념을 나타낸다. 가속 수명 시험의 수학적 정의는 다음과 같다. Td를 사용 조건에서의 수명, Ta를 가속 조건에서의 수명이라 하면, Td=AF×Ta이다. 이때 AF를 가속 계수라 한다. 가속 수명시험에서 가속할 수 있기 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족해야 한다.

(1) 율속 과정의 존재

(2) 고장 메커니즘의 일치성

(3) 가속성의 성립

Fig. 1

Concept of Accelerated life testing⁷⁾

아이템의 고장이 단일 물리 및 화학적 반응으로 발생하는 경우는 극히 드물며, 여러 반응이 조합되어 발생하는 경우가 대부분이다. 이때 전체 반응 속도를 결정하는 과정을 율속과정이라 한다. 동일 아이템에 동일한 스트레스를 인가하더라도 스트레스의 수준에 따라 서로 다른 형태의 고장 메커니즘이 발생할 수 있다. 스트레스를 가혹하게 인가하더라도 고장 메커니즘이 변하지 않고 실사용 조건에서 발생하는 동일한 고장메커니즘을 재현해야 한다.

사용 조건과 가속 조건의 고장 메커니즘이 일치하면서 율속 과정이 존재하여 Td=AF×Ta를 만족하면, 가속성이 성립한다고 한다. 가속성이 성립하면 와이블 확률 용지에 표시된 사용 조건과 가속 조건의 회귀 직선(수명 분포 추정선)의 기울기(와이블 분포의 형상 모수 β)가 Fig. 2와 같이 거의 같게 되어 평행하게 나타난다.

Fig. 2

Establishment of acceleration⁷⁾

가속 수명 시험에서 널리 사용되는 수명－스트레스 관계는 아레니우스, 역승, 아이링, 일반화된 아이링 등이 있다. 한편, 수명은 수명 분포를 갖는 확률 변수이므로, 수명－스트레스 관계는 분포의 모수와 스트레스의 관계로 나타난다.

3. BIPV 가속수명시험 설계

현재까지 BIPV에 대한 평가방법은 지속적으로 개발중이며, 신뢰성 및 수명예측에 대한 연구는 아직 전무하다시피 하다. 따라서 PV에 대한 연구결과를 바탕으로 BIPV에 대한 신뢰성 및 수명예측에 대한 연구방향을 설정하는 것이 중요하다. IEA PVPS TCP Task 13⁸⁾은 태양광 구성부품과 시스템의 가동, 신뢰성 품질을 향상시키기 위한 활동을 강화하고 있다. 이 보고서는 태양광 모듈의 수명 예측에 활용되는 다양한 최신 방법론을 종합적으로 다루면서, 대표적 기후 스트레스 인자, 주요 열화 메커니즘 및 열화 경로, 열화율 및 신뢰성 모델 등 핵심적인 요소들을 소개하였다. 연구결과에 따르면, 주요 기후 스트레스 요인은 비교적 잘 규명되어 있으나, 이러한 스트레스가 야기하는 실제 열화 메커니즘은 소재와 설계에 따라 달라 일반화가 어렵다. 실내 가속 시험에 대해서는 열화 모드별·메커니즘별 물리 모델이 제안되어 왔으나, 실외 장기 운전에 대한 복합적 열화 경로를 모두 반영한 정교한 모델은 아직 제한적이다. 다양한 열화율 평가 방법 및 분석가 간의 결과 불일치는 실무에서 신뢰성 예측의 또 다른 제한 요소로 남는데, 이를 해소하기 위한 규격화된 분석·보고 절차와 표준화된 데이터 프로토콜 개발이 필요함을 제시하였다. 태양광 신뢰성 동향⁹⁾연구에서 태양광모듈의 일반적인 신뢰성 이론을 추가하여 연구현황을 조사하였고 기존 규격시험이외에 실제 설치환경 등에 대한 신뢰성시험의 필요성을 언급하였다.

최근 재제조 태양광 모듈에 대한 신뢰성 연구가 존재하지만 구조해석¹⁰⁾, 1000시간 내구성능시험¹¹⁾ 정도의 결과를 보여주고 있다. 장기신뢰성 시험을 통한 태양광 모듈이 가속계수 및 환산수명의 관계 연구¹²⁾에서는 아레니우스-아이링 합 모델을 사용하여 고온고습, 온도사이클, UV를 시험인자로 하여 수명관계를 연구하였으며, 고온고습시험을 가속인자로 하여 시험하는 것이 적합하며, 온도사이클 및 UV는 가속시험의 목적인 시간을 단축하여 열화를 촉진하여 수명을 계산하기 적합하지 않은 것으로 판단되었다. Noh et al. (2022)¹³⁾은 대면적 양면 수광형 태양광 모듈을 대상으로 2400 Pa에서 9600 Pa까지 600 Pa씩 단계적으로 기계적 하중을 증가시키는 방식으로 시험을 진행하였다. 2400 Pa에서 9000 Pa 구간까지는 모듈의 출력 및 성능 인자 변화가 1% 이내로 극히 미미하였고, 9600 Pa의 하중을 전면에 30분간 가했을 때 모듈의 커버글라스가 파손되는 현상이 나타나, 한계 하중 이상의 조건에서는 구조적 파괴가 유발될 수 있음을 확인하였으나, 시험인자와 수명관계를 도출하지는 못하였다. Lim et al. (2019)¹⁴⁾은 고분자 보호필름의 태양광 모듈 전면재료로서의 적용 가능성을 실험적으로 분석하기 위하여 가속시험인 Damp Heat (고온고습) 및 Thermal Cycling (온도 사이클) 시험을 실시하였고, 고분자 보호필름 적용 모듈의 고온고습 시험 결과는 유리 기반 모듈에 비해 더 우수한 출력 유지 특성을 보였으며, 온도 사이클 시험에서는 유리 대비 약 0.7% 높은 출력 저하를 보였으나, 두 경우 모두 출력 저하는 3% 이내로 양호한 수준임을 확인하였다. Shin et al. (2020)¹⁵⁾은 ETFE (ethylene tetrafluoroethylene) 필름의 태양광 모듈 전면재료 적용 가능성을 평가하기 위해, 필름의 광투과율 및 UV 내구성 등 물성 분석을 진행하였다. 신뢰성 평가를 위해 ETFE 필름 모듈에 대해 Damp Heat 및 Thermal Cycle 시험을 실시하였고, 각각의 조건에서 출력 저하는 0.93%, 0.98%에 불과하여 유리 모듈 대비 더 우수하거나 동등한 신뢰성 특성을 확인하였다.

Table 2는 건물일체형 태양광 모듈의 국제표준에서 요구되는 대표시험을 항목별로 세분화 하고 각 시험 별 고장 모드를 모사할 수 있는 가속수명시험(ALT)의 예시를 도표화 한 것이다. 출력, 절연, 누설전류 등 전기적 성능 시험은 태양전지의 크랙, 핫스팟, 접점부식, PID 등 내·외재적 고장 모드의 진단에 적용되며 열화 모드는 고온고습시험, 온도사이클, PID, LID 등의 가속시험과 연계된다. 환경 내구성 시험은 자외선, 온·습도 사이클, 장기 강우 및 외기 노출에 의한 봉지재 변색, 박리, 열화 등 환경 영향에 기인한 고장 모드를 진단 할 수 있도록 구성했다. 기계·구조적 신뢰성 항목은 정적·동적 하중, 풍·설하중, 우박/충격 및 진동 등 기계적 스트레스를 적용하여 유리 손상, 계면 박리, 백시트 균열 등 구조적인 결함을 조기에 탐지 할 수 있도록 설계했다. 본 과정 중 아레니우스 기반 가속조건, 실규모 파사드/지붕 장기 노출/ 복합 환경 스트레스 시험 등을 병행 할 수 있다. 방수 및 기밀성 시험은 외장재/실링부에서 발생하는 누설, 프레임 및 글라스 경계부 결함 등을 조기 파악 할 수 있도록 반복 수분 분사 저온·고습 사이클 등의 복합시험을 설계했다. 화재 안전 분야는 국제기준(IS 11925-2, EN 13823) 및 건물일체형 태양광 모듈 전용 내화성능 평가를 구축하고 고분자 연소, 유리파손 및 불꽃 확산 등 복합 고장 모드에 대해 실제 환경과 흡사하게 재현했다. 내진·진동 시험은 프레임/설치부 이탈, 태양전지 파괴, 단선과 같은 고장 모드 진단을 위해 반복적으로 동적 하중 및 진동 시험을 진행한다. 통합/설치 항목에서는 조인트와 실란트의 노화, 시공 오차, 고정구 강도 저하 등에 의한 성능 저하를 가속 시험을 통해 건물일체형 태양광 모듈 시스템의 통합 신뢰성 평가에 반영한다. 통합/설치 항목은 조인트 및 실란트의 노화, 현장 시공 오차, 고정구 강도 저하 등에 의한 품질 저하 위험 검증을 담고 있으며 건물일체형 태양광모듈 시스템의 통합 건물 신뢰성에 대한 평가를 다룬다. 각 항목 별 대표적 고장 원인 및 가속수명시험 설계를 연계하여 건물일체형 태양광모듈의 신뢰성 평가 및 장기 신뢰성 연구에 대한 실질적인 기반을 확립했다.

4. 결 론

BIPV는 태양광 발전 소자의 역할을 넘어 건축물의 일부(지붕, 차양, 벽, 창 등)를 구성하는 건축자재로써 건물의 수명에 따라 40 ~ 50년 이상의 장기 신뢰성을 확보하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 기존 태양광 모듈은 발전 효율에 한해서 수명을 보장해왔지만 BIPV는 구조체 및 자외선 내구성, 내화, 방수, 기계적 강도 등 보다 넓은 범위에 대한 건축자재로써의 통합 장수명 보장 시스템을 수립해야 한다. 건축법에서 요구되는 건물 내구성에 적합한 신뢰성 시스템을 재정할 때 BIPV의 자체적인 부가가치와 시장 신뢰도 또한 제고 될 수 있다. 이에 실제 장기설치 환경을 적합하게 모사할 수 있는 가속수명시험 표준의 도입은 BIPV 신뢰성 평가에 있어 필수적인 요소임을 확인했다. 본 연구에서 제시한 평가 방법은 BIPV의 성능 저하와 잠재적 고장 요인을 사전 분석하여 건물의 설계 최적화 및 신기술 적용을 장려하여 BIPV 산업의 국내외 시장 경쟁력 및 성장가능성 강화를 위한 기반이 될 것으로 기대된다.