1. 서 론

21세기에 들어와서 지구 온난화 등의 기후 위기로 인해 세계 곳곳에서 이상 현상이 발생하고 있다. 이에 세계 각국은 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 논의를 진행해 왔고 마침내 탄소중립을 달성하기로 결의하였다. 2050년까지 탄소중립을 달성하기 위해 신재생에너지에 주목했고, 그 결과 신재생에너지 분야에 많은 지원과 다양한 연구가 진행되고 있다^1,2,3). 신재생에너지원의 일종인 태양광 에너지도 마찬가지로 다양한 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 건물 일체형 태양광으로 불리는 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)의 높은 관심도에 맞게 다양한 연구가 진행되고 있으며, 특히 국내에서는 제로에너지 빌딩의 법적인 의무화에 따라 탄소중립을 달성하는 데에 태양광의 역할 비중이 증가하고 있다⁴⁾. 제로에너지 빌딩의 의무화로 인한 BIPV 태양광 모듈의 시공이 늘어날 것으로 기대되며, 이러한 시장을 겨냥한 다양한 BIPV 태양광 모듈이 개발되고 있다. 특히 컬러 태양광 모듈은 높은 심미성으로 인해 건축 외장재로의 선호도가 증가하고 있다^5,6). 일반 태양광 모듈과 달리, 건물 외벽에 설치되는 BIPV 태양광 모듈은 단열재, 외장 마감재 등 다양한 건축재료와 일체화되어 시공되며, 심미성을 확보하기 위해 컬러 모듈이 적용되는 경우가 많아 광학적·열적 특성에서 기존 옥외형 모듈과 차이를 보인다. 컬러 모듈의 경우, 컬러 코팅층의 파장대별 반사율 및 투과율의 불균일로 인해 발전 효율에 영향을 받을 수 있다⁶⁾. 또한, 결정질 실리콘 기반 모듈은 온도 상승 시 발전 효율이 감소하는 특성을 가지므로 후면 단열 구조로 인한 열축적은 추가적인 출력 저하가 나타날 수 있다. 따라서 이러한 복합적인 광학적·열적 요인이 발전 성능에 미치는 영향을 실증적으로 분석할 필요가 있다. 그러나 현재까지는 색상 특성과 후면 건축 외장재의 복합적 영향이 반영된 BIPV 모듈의 발전량 예측 시뮬레이션이 충분히 개발되지 못하고 있으며, 이를 위해서는 실제 건물 외피 조건을 반영한 실증 기반의 기초 데이터가 필수적이다. 이에 본 연구에서는 색상 코팅 및 단열 조건이 태양광 모듈의 열적 거동과 발전 효율에 미치는 영향을 검증하기 위해 BIPV 컬러 모듈과 후면 단열재를 적용한 Mock-up 시스템을 구축하고 장기 모니터링을 수행하였다. 이를 통해 도출된 발전량·일사량 데이터를 분석하여 단열재 유무에 따른 열적 경계조건의 변화와 컬러 특성에 따른 계절별 출력 저하 경향을 규명하였다. 본 논문의 결과는 향후 건물 외벽형 BIPV 시스템의 열관리 설계(후면 통기층, 에어갭, 냉각 구조 등) 개선과 발전량 예측 시뮬레이션의 보정계수 적용 체계 확립을 위한 실증적 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

2. 실험방법

2.1 Mock-Up 구축

본 연구에서는 단열재 유무 및 컬러 특성에 따른 발전량 변화를 정량적으로 평가하기 위해, 충청남도 당진시에 위치한 한국건설생활환경시험연구원(KCL) 태양광 유지관리 시험장에 약 4 kW급 Mock-up을 구축하였다. 일반 아파트 외벽 조건을 모사하기 위해 Glass-to-Glass 타입의 BIPV 모듈을 수직(90°)으로 설치하였으며, 남향·동향·서향 방향으로 배열하였다. 이 중 단열재 유무 조건이 적용된 모듈은 남향에만 설치되어 있기 때문에, 본 논문에서는 남향 모듈의 데이터로 한정하여 분석을 수행하였다. Mock-up 사이트의 주요 설치 조건은 Table 1에 나타내었다.

컬러 특성 및 단열재 적용 여부에 따른 발전량 변화를 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 Mock-up 테스트베드를 구축하였다. Fig. 1의 오른쪽 도면에 나타난 바와 같이, 단열재 유무 조건별로 Ref. (Clear), Color A (Red), Color B (Dark Blue) 모듈을 각각 2매씩 배치하여 총 6매의 모듈을 대상으로 분석을 수행하였다. 후면 단열재의 적용 여부에 따라 조건을 각각 I (Insulation), NI (Non-Insulation)로 정의하였다. 단열재는 PF 보드(① 모델명: LX하우시스 LX Z:IN PF 보드 준불연 Core, ② 열전도율: 0.020 W/m·K, ③ 두께: 120 mm)를 사용하였으며, 중공층의 두께는 단열재가 있는 경우 220 mm, 없는 경우 100 mm로 설계하였다.

Fig. 1

Demonstration Test Bed (left), Mock-up Test Bed Drawings (Right)

색상 코팅 방식은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 두 가지로 구분되며, 스크린 프린팅(Screen printing) 방식의 Color A (Red)·B (Dark Blue)와 도트 코팅(Dot coating) 방식의 Color C (Brown)·D (Light Blue)로 구성된다. 본 연구에서는 동일한 코팅 패턴 내 색상별 발전 특성을 비교하기 위해 Color A와 B 모듈을 분석 대상으로 한정하였다. 컬러별, 단열재 유무별로 구분하여 비교 대상 모듈은 Ref.-I, Color A-I, Color B-I, Ref.-NI, Color A-NI, Color B-NI로 구성하였다.

Fig. 2

Difference in color coating method screen printing method (left) and Demonstration PV Modules (Right)

본 Mock-up 테스트베드는 색상 코팅 방식, 단열재 적용 여부, 중공층 두께 등 복합적인 요인이 동시에 작용하는 구조로 구성되어 있어, 각 인자의 영향을 독립적으로 분리하여 해석하기에는 한계가 있다. 또한 실제 건물 외피의 열적·광학적 조건을 완전히 재현하기 어려워, 이는 발전량 비교 결과의 정량적 해석에 일정한 불확실성 요인으로 작용할 수 있다.

2.2 측정데이터 수집 방법

각 방향에 설치된 태양광 모듈의 발전량과 기후 정보를 수집하기 위해 Mock-up 전용 모니터링 시스템을 구축하였다. 일사량 측정을 위해 일사량계, 발전량 측정을 위해 300 W급 마이크로 인버터를 각 모듈에 개별 연결하였으며, 주요 장비의 사양은 Table 2에 제시하였다. 수집된 데이터는 품질 확보를 위해 센서 이상, 음영 등의 원인으로 발생한 비정상 값을 선형 보간법(Linear interpolation)으로 보정하였다. 이 방법은 인접한 두 시점의 데이터를 이용해 결측값 또는 이상값을 추정함으로써, 전체 데이터의 연속성과 정확도를 향상시키는 데 활용하였다.

3. 결과 분석

3.1 STC 에서 태양광 모듈 출력 분석

태양광 모듈의 초기 전기적 특성을 평가하기 위해 솔라 시뮬레이터(① 모델명: BIPV 전력측정장비 (DKSMT-1620, DENKEN), ② Class AAA)를 이용하여 표준시험조건(STC, 1 kW/m², AM 1.5G, 25℃)에서 출력을 측정하였으며, 결과를 Table 3에 나타냈다.

측정 결과, 각 색상 모듈 간의 정격출력(P_{max at STC}) 차이는 컬러 코팅 특성에 따른 스펙트럼 반사 및 투과 거동의 차이와 관련이 있는 것으로 판단된다. Dark Blue 계열의 Color B 모듈은 Red 계열의 Color A 모듈에 비해 약 16% 높은 출력을 보였다. 이는 Blue 컬러 모듈의 경우 Red 컬러 모듈보다 빛의 파장대가 짧고, 단위 파장당 에너지 밀도가 높아 광흡수 효율이 상대적으로 우수하기 때문으로 판단된다^7,8,9).

3.2 월별 발전량과 일사량의 상관관계 분석

Mock-up 테스트 베드를 통해 2023년 3월부터 2024년 2월까지 1년간 태양광 모듈의 발전량 및 일사량을 계측하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타냈다.

월별 발전량은 일사량 변화와 유사한 경향을 보였으며, 특히 봄과 가을철에 높은 발전량이 확인되었다. 반면, 여름철(6 ~ 8월)에는 일사량이 상대적으로 높음에도 불구하고 발전량이 다소 감소하는 경향이 나타났는데, 이는 모듈 온도 상승에 따른 효율 저하가 주요 원인으로 판단된다. Fig. 3, Fig. 4는 색상별 월별 발전량 변화를 나타낸 것이다. 분석 결과, 컬러별 발전 경향은 STC 측정 결과와 동일하게 나타났으며, Color B 모듈이 Color A 모듈 대비 지속적으로 높은 발전량을 보였다. 이는 단열재 적용 여부와 무관하게 동일한 경향으로 관찰되었으며, 컬러 코팅에 따른 광학적 특성이 실제 옥외 조건에서도 유사하게 반영된 것으로 판단된다. 또한, 일사량과 발전량의 상관성을 검증하기 위하여 결정계수(Coefficient of Determination, R²)를 산정한 결과, 모든 모듈에서 R² 값이 0.9716 ~ 0.9866 범위로 확인되었다(Fig. 5). 이로부터 발전량은 일사량과 높은 선형 상관관계를 가지며, 본 연구에서 구축한 Mock-up 시스템의 옥외 측정 데이터가 높은 신뢰성과 유효성을 갖는 데이터임을 검증하였다.

Fig. 3

Monthly power generation of PV modules without insulation (Ref.–NI, Color A–NI, Color B–NI)

Fig. 4

Monthly power generation of PV modules with insulation (Ref.–I, Color A–I, Color B–I)

Fig. 5

Comparison between irradiance and power generation

3.3 단열재 유무에 따른 비교

단열재 적용 여부에 따른 태양광 모듈의 발전 성능을 정량적으로 분석하기 위하여, 우선 식(1)의 성능비(Performance Ratio, PR) 를 적용하였다. PR은 발전량을 정격출력과 일사량으로 정규화한 값으로, 모듈의 실질 효율 변화를 비교하기 위한 지표이다. 그 결과는 Table 5와 Figs. 6, 7, 8에 정리 하였다.

Fig. 6

PR comparison of reference modules by insulation

Fig. 7

PR comparison of Color A modules by insulation

Fig. 8

PR comparison of Color B modules by insulation

Table 5에 나타난 바와 같이, 단열재가 없는 모듈(Ref.–NI, Color A–NI, Color B–NI) 이 단열재가 있는 모듈(Ref.–I, Color A–I, Color B–I) 보다 전반적으로 높은 PR 값을 나타냈다. Fig. 6, 7, 8를 통해 비교하면, 모든 색상 모듈에서 동일한 경향을 확인할 수 있으며, 특히 여름철(6 ~ 8월)에 PR 저하가 가장 크게 나타났다. 이는 후면 단열재가 열 방출을 억제하여 모듈 후면 중공층 내부 온도가 상승하고, 셀 온도가 증가함에 따라 최대전압(V_mp) 이 저하되어 발전 효율이 감소한 결과로 판단된다¹⁰⁾. 단열재가 적용된 조건에서의 컬러 모듈 간 성능 차이를 보다 명확히 분석하기 위해 식(2)의 변화율(Change rate of PR) 을 적용하였다. 식(2)는 Reference 모듈을 기준으로 Color A 및 Color B 모듈의 상대적 PR 변화를 산정한 것으로, 분석 결과는 Table 6과 Fig. 9에 나타냈다.

Fig. 9

Comparison of PR change rate by color

Table 6과 Fig. 9의 결과에 따르면, 단열재가 적용된 조건에서 Color A 모듈은 Reference 모듈 대비 약 –12%에서 –24%, Color B 모듈은 –2%에서 –10% 수준의 성능 저하를 보였다. 특히 7월에 저하율이 가장 높게 나타났으며(Color A –24%, Color B –10%), 이는 여름철 고온에 의한 후면 열누적에 따른 출력 손실이 발생한 것으로 해석된다. 전반적으로 Color A 모듈의 저하율이 Color B 모듈보다 현저히 크며, 이는 Color A 코팅층의 광투과율이 낮고 열적 흡수율이 높아 온도 상승의 영향을 더 크기 때문으로 사료된다. 이상의 결과를 통해 볼 때, 컬러 특성과 단열 조건이 복합적으로 작용하여 모듈의 열적 거동 및 발전 효율에 유의한 차이를 발생시키는 것으로 판단된다. 이러한 분석 결과는 단열재 적용이 BIPV 시스템의 열적 경계조건을 변화시켜 장기 운전 시 효율 저하를 유발할 수 있음을 실증적으로 보여주는 근거 자료라 할 수 있다. 특히 Color A와 Color B 모듈의 계절별 PR 차이는 향후 건물 외벽형 BIPV 시스템 설계 시, 후면 통기층 확보, 에어 갭(air gap) 설계, 냉각 유도 구조 등 열관리 기술의 필요성을 시사한다. 또한 예측 시뮬레이션을 통해 발전량을 산정할 경우, 단열재의 유무에 따라 보정계수를 구분 적용할 필요가 있으며, 컬러 특성에 따른 계절별 저하율 차이 역시 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 건물 외벽형 BIPV 시스템을 대상으로 색상 및 단열 조건이 발전 성능에 미치는 영향을 실증적으로 분석하고, 향후 발전량 예측 시뮬레이션의 보정계수 산정에 활용 가능한 기초 데이터를 확보하기 위해 수행되었다. 충남 당진 KCL 시험장에 약 4 kW 규모의 Mock-up 시스템을 구축하여 1년간 일사량과 발전량을 모니터링한 결과, 모든 모듈에서 결정계수(R²)가 0.97 이상으로 나타나 실측 데이터의 신뢰성과 예측모델 검증에의 활용 가능성을 확인하였다.

STC 조건에서 측정된 결과, Blue 계열(Color B) 모듈의 정격출력(P_max)은 Red 계열(Color A) 모듈보다 약 16% 높게 나타났다. 옥외 실증 결과에서도 동일한 경향이 확인되었으며, 이는 파장이 짧고 단위 에너지 밀도가 높은 청색 스펙트럼의 광흡수 효율이 상대적으로 우수하기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 컬러 코팅층의 스펙트럼 반사 및 투과 특성이 모듈의 전기적 출력에 직접적인 영향을 미침을 보여준다.

또한 단열재 적용 여부에 따른 성능 변화를 분석한 결과, 단열재가 없는 모듈(Non-Insulation)이 단열재가 적용된 모듈(Insulation)보다 전반적으로 높은 성능비(PR)를 보였다. 특히 단열재가 적용된 조건에서는 Color A 모듈의 PR이 Reference 모듈 대비 –12% ~ –24%, Color B 모듈은 –2% ~ –10% 수준으로 저하되는 경향이 나타났다. 이러한 현상은 단열층이 후면 열 방출을 억제하여 중공층 내부 온도와 셀 온도를 상승시킴으로써, 최대전압(V_mp)의 저하와 발전 효율 감소를 초래한 결과로 해석된다. 특히 여름철(6 ~ 8월)에 이러한 온도 영향이 가장 두드러졌으며, 단열 구조가 BIPV 모듈의 열적 경계조건을 변화시켜 장기 운전 시 효율 저하를 유발할 수 있음을 실증적으로 보여준다.

결과적으로 본 연구를 통해 BIPV 시스템의 발전 성능은 색상 코팅 특성과 단열 구조 등 건축 외피 조건의 복합적 영향에 크게 좌우됨을 확인하였다. 이러한 결과는 향후 건물 외벽형 BIPV 설계 시 후면 통기층 확보, 에어갭 설계, 냉각 유도 구조 등 열관리 기술의 중요성을 제시하며, 발전량 예측 시뮬레이션에서는 단열재 유무 및 컬러 특성에 따른 보정계수를 구분 적용할 필요가 있음을 시사한다. 본 연구에서 확보된 실증 데이터는 BIPV 모듈의 열적 거동 분석과 예측모델 정밀도 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 추후 연구에서는 Mock-up 모듈의 후면 온도 데이터를 추가 분석하여 단열 조건 및 색상 조합에 따른 열·광학적 특성을 보다 정량적으로 분석할 예정이다.