1. 서 론
2. 태양광 블라인드의 발전량 및 실내 조도 분석
2.1 태양광 블라인드 개요
2.2 시뮬레이션 경계 조건
2.3 태양광 블라인드 발전량 및 실내 조도 시뮬레이션 케이스
3. 태양광 블라인드의 발전량 및 실내 조도 분석 결과
3.1 태양광 모듈 너비에 따른 결과: Case 1
3.2 태양광 블라인드 슬랫 간격에 따른 결과: Case 2
3.3 태양광 블라인드 슬랫 각도에 따른 결과: Case 3
4. 슬랫 간격과 모듈 너비에 따른 태양광 블라인드의 발전량
5. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 기후변화의 대응을 위한 재생 에너지 전환이 가속화 되는 가운데, 우리나라는 수력 등의 부존자원의 한계로 인해 태양광과 풍력 중심의 보급 정책을 추진하고 있다1). 2025년부터 30세대 이상 민간 공동주택에 제로 에너지 건축물 인증 의무화가 적용되며, 이때 요구되는 5등급은 에너지 자립률 20 ~ 40% 수준이다2). 『제로에너지 건축물 조성 활성화를 위한 제도 개선 연구』에 따르면 공동주택과 같이 에너지 사용밀도가 높고 태양광 설치면적이 제한적인 경우, 옥상 태양광만으로는 에너지 자립률 20% 달성이 어려운 것으로 나타났다3). 본 연구의 대상인 태양광 블라인드는 차양에 태양광 모듈이 적용되어 차양을 통해 차단된 일사를 전기에너지로 전환함으로써, 차양 기능과 재생에너지 생산을 동시에 할 수 있다4). 따라서 태양광 블라인드는 공동주택의 에너지 자립률 향상에 효과적일 것으로 예상된다. 그러나 태양광 발전량을 향상시키기 위해 블라인드를 차폐할 경우 실내 일조량이 줄어들어 실내 환경에 불리할 수 있다5).
기존의 연구에서는 건물 외피에 적용된 BIPV (building integrated photovoltaic, 건물 일체형 태양광) 시스템의 성능을 향상시키기 위해 건물의 향6), 태양광 모듈 각도6,7), 태양광 모듈 종류7,8)를 고려하였다. 특히 Sun et al. (2012)9)는 건물의 향, 태양광 모듈 각도, 태양광 모듈 설치 비율을 고려하여 차양형 BIPV 시스템의 에너지 성능을 분석하였다. 태양광 블라인드에 대한 이전 연구에서는 건물의 향10,11,12), 태양광 모듈 너비10,11), 태양광 모듈 각도11,12,13), 태양광 모듈 간 거리12,13), 태양광 모듈 종류8,12,13,14)의 변수에 따른 성능을 분석하였다. Hong et al. (2017)10)은 건물의 향과 계절, 태양광 모듈 너비에 따른 발전 성능 및 경제성을 분석하였다. 태양광 모듈 너비가 증가할수록 상부 슬랫의 음영 영향이 커지며, 이로 인해 단위면적당 발전량이 비선형적으로 감소하는 경향이 나타났다. 또한 태양광 모듈 너비가 증가할수록 25년 기준 순현재가치는 증가하는 반면, 투자 대비 절감 비율은 감소하는 경향을 보였다. Kang et al. (2012)11)은 건물의 향, 블라인드 슬랫 각도, 태양광 모듈 너비, 창과 블라인드 간의 거리 등을 변수로 설정하여 발전량을 평가하였다. 발전량은 남향, 서향, 동향, 북향 순으로 높았으며, 슬랫 각도는 75°일 때 가장 효과적이었다. 반면, 모듈 너비는 증가할수록 상부 슬랫에 의한 음영으로 인해 오히려 발전 성능이 감소하는 경향을 보였다. 기존 연구에서는 다양한 변수를 고려하였으나 변수 간 상호작용은 충분히 다루지 않았다. 또한 발전량 중심의 분석이 주를 이루어 조도에 대한 연구가 필요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 태양광 블라인드의 발전량과 조도의 경향을 도출하고자 한다.
2. 태양광 블라인드의 발전량 및 실내 조도 분석
2.1 태양광 블라인드 개요
태양광 블라인드는 베네시안 블라인드 슬랫 표면에 태양광 패널이 결합된 건물부착형 태양광 시스템이다(Fig. 1). 태양광 블라인드는 일반적인 태양광 시스템과 달리 블라인드 구조상 하부의 모듈 위에 상부의 슬랫이 겹쳐지면서, 동일한 모듈에서도 직접 일사를 받는 면적과 슬랫에 의해 음영이 생기는 면적이 공존하게 된다. 태양광 모듈은 하나의 모듈에서 일사량이 가장 낮은 부분을 기준으로 전체 발전량이 결정되기 때문에, 음영의 영향을 고려하는 것이 중요하다. 태양광 블라인드의 발전량과 조도에 영향을 미치는 변수에는 태양광 모듈의 너비, 블라인드 슬랫의 간격과 각도가 있다. 태양광 모듈의 너비가 넓을수록 전체 설치 면적이 증가하지만, 상부 슬랫에 의한 자기 음영으로 인해 단위면적당 발전량(amount of electricity generation per unit area, AEGunit)이 감소할 수 있다. 알루미늄 블라인드 슬랫과 태양광 모듈의 반사율에는 차이가 있지만 이로 인한 조도의 영향은 무시할 수 있는 정도라고 판단하여, 태양광 모듈의 너비에 따른 조도는 고려하지 않았다. 블라인드 슬랫의 간격이 좁아질수록 자기 음영이 심화되지만, 같은 창 면적에 더 많은 태양광 모듈을 설치할 수 있어 발전 가능 면적과 음영의 영향을 받는다. 블라인드 슬랫의 기울기에 따라 태양광 모듈의 일사량과 음영의 영향, 실내 채광 성능이 모두 달라진다. 특히 계절별 태양 고도 변화에 따라 발전량 차이가 발생하므로 각도 최적화가 중요하다.
따라서 본 연구에서는 태양광 모듈의 너비, 블라인드 슬랫의 간격과 각도 변수가 태양광 블라인드의 발전량과 실내 조도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
2.2 시뮬레이션 경계 조건
태양광 블라인드를 모델링하여 일사량과 같은 다양한 변수에 따른 발전량 및 조도를 종합적으로 분석하기 위해서는 시뮬레이션 방법이 적절하다고 판단된다. 특히 변수 간 상호작용을 고려한 반복적 분석에는 시뮬레이션을 활용하는 것이 효과적이다. 따라서 본 연구는 시뮬레이션을 활용하여 진행하였다.
시뮬레이션 프로그램으로는 스케치업과 디자인빌더를 사용하였다. 스케치업에서는 표면에 입사되는 일사량 정보를 얻을 수 있고 디자인빌더는 실내 조도 환경을 분석하기에 유리하여 목적에 따라 시뮬레이션을 분리하여 진행하였다. 태양광 블라인드의 발전량 시뮬레이션은 스케치업 플러그인을 활용하여 태양광 블라인드의 슬랫에 입사되는 일사량을 발전량으로 변환하여 계산하였다(Fig. 2(a)). 실내 조도 시뮬레이션은 디자인빌더를 사용하여 공간 내부의 조도 분포를 분석하였다(Fig. 2(b)). 시뮬레이션 경계 조건은 Table 1과 같으며, 시뮬레이션에 사용한 블라인드의 물성치는 Table 2와 같다. 스케치업에서는 해당 블라인드 4개를 모델링하여 시뮬레이션을 진행하였다. 디자인빌더에서 블라인드는 차양 기능에서 설정하였으며, 슬랫의 앞면에는 PV모듈의 반사율을, 뒷면에는 알루미늄의 반사율을 적용하였다. 두 시뮬레이션 간 기상조건이나 세부 설정 차이는 존재하나, 본 연구는 발전량과 조도에서 각각의 변수 변화에 따른 상대적 경향성 분석이 주목적이므로, 분석의 일관성에는 큰 영향을 주지 않는다고 판단하였다.
Table 1
Simulation boundary conditions
Table 2
Simulation summary
2.3 태양광 블라인드 발전량 및 실내 조도 시뮬레이션 케이스
(1) 태양광 모듈 너비
태양광 블라인드에서는 모듈 너비가 증가할수록 발전 가능 면적이 늘어나지만, 동시에 음영 면적도 함께 증가한다(Fig. 3(a)). 자기 음영 효과로 인해 단위면적당 발전량이 감소할 수 있어, 모듈 너비에 따른 발전 가능성과 음영 영향을 분석하고자 하였다. 음영 면적 증가에 따른 발전량의 경향성과, 특히 단위면적당 발전량이 급격히 변화하는 구간을 파악하고자, 너비는 10 mm부터 90 mm까지 10 mm 간격으로 설정하였다(Table 3).
Table 3
Module width cases
| Category | Module width [mm] | Slat spacing | Slat angle [°] |
| Case 1-1 | 10 | 1:1 | 45 |
| Case 1-2 | 20 | ||
| Case 1-3 | 30 | ||
| Case 1-4 | 40 | ||
| Case 1-5 | 50 | ||
| Case 1-6 | 60 | ||
| Case 1-7 | 70 | ||
| Case 1-8 | 80 | ||
| Case 1-9 | 90 |
(2) 블라인드 슬랫 간격
슬랫 간격이 좁을수록 설치할 수 있는 태양광 모듈의 개수가 늘어나면서 발전 가능 면적은 증가하지만, 슬랫으로 인한 자기 음영도 커지며, 간격이 넓어질수록 그 반대의 경향을 보인다(Fig. 3(b)). 이에 따라 슬랫 간격을 1:0.8, 1:1, 1:1.2로 설정하고, 발전 가능 면적과 음영 면적 중 어느 요소가 실제 발전량에 보다 지배적인 영향을 미치는지 분석하고자 하였다(Table 4).
Table 4
Slat spacing cases
| Category | Module width [mm] | Slat spacing | Slat angle [°] |
| Case 2-1 | 90 | 1:0.8 | 45 |
| Case 2-2 | 1:1 | ||
| Case 2-3 | 1:1.2 |
(3) 블라인드 슬랫 각도
슬랫 각도는 일사에 대한 입사각과의 관계에 따라 태양광 모듈의 일사량 수집 정도와 실내 조도에 영향을 미치는 요소이다. 특히 발전량과 실내 조도는 상황에 따라 비례하지 않을 수 있으므로, 각도 변화에 따른 경향성을 살펴볼 필요가 있다(Fig. 3(c))5). 이에 따라 발전량과 실내 조도의 변화 양상을 효과적으로 분석하기 위해 각도를 90°에서 0°까지 10° 간격으로 설정하였다(Table 5).
3. 태양광 블라인드의 발전량 및 실내 조도 분석 결과
3.1 태양광 모듈 너비에 따른 결과: Case 1
Fig. 4(a)에서 모듈 너비 증가에 따라 총 발전량은 꾸준히 증가하지만, 단위 면적당 발전량은 음영 면적 증가의 영향으로 오히려 감소하는 상반된 경향이 나타났다. 특히 모듈 너비 40 mm를 기준으로, 이후부터는 단위 면적당 발전량의 감소 폭이 크게 나타나 음영의 영향이 더욱 두드러지는 것으로 확인되었다. Fig. 4(b)의 월간 발전량 결과를 통해 여름철에는 모든 케이스에서 발전량이 감소하였으며, 이는 일조 시간이 길어졌음에도 불구하고 태양 고도 상승으로 인해 실내 태양광 블라인드가 처마의 영향을 받은 것으로 해석된다. 특히 모듈 너비가 클수록 여름철 발전량 감소 폭이 커져, 처마와 슬랫에 의한 영향이 더 크게 작용하는 것으로 나타났다.
3.2 태양광 블라인드 슬랫 간격에 따른 결과: Case 2
Fig. 5(a)에서 슬랫 간격이 좁을수록 총 발전량이 증가한 것은 슬랫 개수 증가에 따른 발전 가능 면적 확대가 다른 요인보다 지배적으로 작용했음을 의미한다. 반면, 단위 면적당 발전량은 일정한 폭으로 감소해 슬랫 간격이 좁을수록 음영 영향이 커지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 5(b)의 월간 발전량 결과에서는 3, 4, 9월에 그 경향이 사라졌으며, 이는 해당 시기에는 슬랫 간격이 넓어짐에 따라 음영이 줄어드는 효과가 발전 면적 증가보다 더 크게 작용했기 때문으로 해석된다. Fig. 5(c)에서는 슬랫 간격이 넓어질수록 최대, 최소, 평균 조도가 모두 증가하는 경향이 나타났으며, Fig. 5(d)에서도 슬랫 간격 증가에 따라 균제도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 모든 조건에서 조도 균제도는 작업 시 불편함이 없는 기준인 0.4 이상을 만족하였다15).
3.3 태양광 블라인드 슬랫 각도에 따른 결과: Case 3
González-González et al. (2022)16)의 연구에서는 인천 지역의 태양광 시스템 최적 각도를 약 33°로 제시하였으며, 본 연구에서도 Fig. 6(a)를 통해 모듈 각도가 30°에 가까울수록 입사각과의 직교로 인해 발전량이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 기존 연구와 유사한 흐름이나, 실내 시스템은 처마 등 외부 구조의 영향을 받기 때문에 최적 각도 설정 시 이를 함께 고려할 필요가 있다. Fig. 6(b)에서 확인할 수 있듯이, 30° 각도에서는 비교적 고른 발전량을 유지하여 계절에 따른 발전량의 안정성이 높게 나타났다. 또한 겨울철에는 60°, 여름철에는 30° 조건이 가장 발전량이 높아, 계절별로 최적의 슬랫 각도가 다르다는 것을 알 수 있다. 각도에 따른 조도는 Fig. 6(c)와 같이 0°에 가까울수록 조도가 증가하는 경향을 보였다. Fig. 6(d)를 통해 대부분의 각도에서 균제도 기준을 충족하며, 균제도 또한 30°에 가까울수록 증가하여 실의 내부까지 빛이 균일하게 들어오는 것을 알 수 있다.
4. 슬랫 간격과 모듈 너비에 따른 태양광 블라인드의 발전량
모듈 너비 결과를 통해, 너비가 증가할수록 단위 면적당 발전량이 일정하게 감소하지 않고 음영의 영향을 크게 받는 구간이 존재함을 확인하였다. 또한 슬랫 간격에 따라 음영 효과가 달라지는 경향이 나타났으며, 이를 바탕으로 슬랫 간격에 따라 모듈 너비 증가에 따른 발전량 감소 구간이 달라질 수 있다고 판단하여 두 변수의 조합을 구성하였다.
Fig. 7과 같이 슬랫 간격이 좁고 모듈 너비가 클수록 총 발전량이 증가하는 경향이 나타났으며, 이는 앞선 3.1장의 결과와 일치한다. 단위 면적당 발전량은 모듈 너비가 30 mm까지는 모든 슬랫 간격에서 유사한 값을 보여, 이 구간에서는 음영 영향이 크지 않음을 확인할 수 있었다. 이후 모듈 너비가 증가할수록 슬랫에 의한 음영으로 단위 면적당 발전량이 감소하며, 슬랫 간격이 넓을수록 그 감소 폭이 줄어드는 경향을 보였다.
5. 결 론
본 연구에서는 태양광 블라인드에서 태양광 모듈 너비, 블라인드 슬랫 간격, 블라인드 슬랫 각도 변수에 따른 발전량과 조도의 변화를 비교 분석하여 주요 경향을 도출하였다.
분석 결과, 태양광 모듈 너비가 증가할수록 총 발전량은 증가하여 태양광 모듈 너비 90 mm에서 1580.34 kW까지 증가하였다. 반면 단위 면적당 발전량은 태양광 모듈 너비가 증가할수록 감소하여 태양광 모듈 너비 90 mm에서 520.74 kW/m2까지 감소하였다. 블라인드 슬랫 간격의 경우에서는 슬랫 간격이 좁을수록 총 발전량이 증가하고 단위 면적당 발전량은 감소하는 경향을 보여, 슬랫 간격 1:0.8에서 총 발전량은 1796 kW까지 증가하고 단위 면적당 발전량은 479.84 kW/m2까지 감소하였다. 이를 통해 태양광 모듈의 발전 가능 면적이 증가할수록 총발전량은 증가하지만, 블라인드 슬랫으로 인한 자기 음영이나 건물의 처마로 인한 음영을 받는 정도도 증가하여 단위 면적당 발전량은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 블라인드 슬랫 각도의 경우 30°에서 1600.76 kW까지 증가하여, 실외 태양광 시스템과 유사하게 30°에 가까울수록 발전량이 증가하는 경향을 보였다.
조도의 경우 슬랫 간격 1:1.2에서 139.8 lux까지 증가하고 균제도 또한 0.658까지 증가하여, 슬랫 간격이 넓을수록 조도와 균제도가 모두 향상되는 것으로 나타났다. 블라인드 슬랫 각도에 따른 분석 결과, 0°에서 459.3 lux로 0° 가까울수록 조도가 증가하는 경향을 보였다. 균제도는 20° 부근에서 0.78까지 증가하여 조도 분포의 균일성 확보 측면에서 바람직한 조건으로 평가된다.
이러한 결과를 바탕으로 태양광 블라인드를 계획할 경우, 공동주택의 신재생에너지 발전 비중을 충족하는 데 기여할 수 있으며, 특히 설치 면적이 제한적인 고밀도 주거환경에서 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 평탄한 입면을 가정하여 시뮬레이션을 수행하여, 실제 적용 시에는 건물 입면으로 인한 음영 영향이 본 연구 결과보다 더 크게 나타날 가능성이 있다. 이는 태양광 블라인드의 발전 성능에 추가적인 영향을 미칠 수 있어 실제 적용 전에 고려되어야 할 필요가 있다.
현재 태양광 블라인드 실험체를 제작하여 실물 실험을 진행 중이며, 추후 지속적인 발전량 모니터링을 통해 시뮬레이션 결과와 비교하여 오차범위를 확인하고 검증할 계획이다.
