기호 및 약어 설명

AH : 배터리용량[Ah]

Pload : 1일 누적부하량[Wh/Day]

Vbat : 배터리 전압[V]

그리스 기호 설명

η : 배터리 보수효율[%]

ξ : 인버터효율[%]

하첨자 설명

d : 방전심도 DOD[%]

n : 부조일 수[Day]

1. 서 론

정부는 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 제12조¹⁾에 따른 대상기관 중, 신축 또는 개축하는 연면적 1000 m² 이상의 공공기관에서의 예상 에너지 사용량 중 일정 비율 이상을 신재생에너지로 공급해야 한다. 또한 2024년 신재생에너지 공급의무비율은 34%에서 단계적으로 상향하여 2030년 40% 달성을 목표로 한다²⁾. 이러한 이유로 건물 외장재 역할을 수행하면서 에너지 생산까지 가능한 건물 일체형 태양광(BIPV: Building Integrated Photovoltaic) 시스템의 설치가 증가하고 있다.

주거 건물의 경우 출·퇴근 시간인 일출과 일몰에 전력 수요가 증가하는 반면, 산업건물은 정오에 피크 전력이 발생하는 경향이 있다. BIPV 시스템은 발전량을 높이기 위해 주로 남향에 설치되며, 맑은 날 정오 무렵 발전량이 최대에 도달한다. 건물의 에너지 소비량이 BIPV 시스템의 발전량을 초과할 경우, 부족한 전력을 한국전력공사로부터 공급받아야 한다. 반대로 발전량이 소비량을 초과할 시 잉여전력이 발생하며, 이는 전력망을 통해 한국전력공사 계통으로 송전된다. 그러나 잉여전력이 계통의 수용 한계를 초과할 경우 허용 전압 및 주파수 유지³⁾를 위해 BIPV 시스템의 발전이 제한되어 BIPV 시스템의 운영이 중단된다⁴⁾. 이로 인해 맑은 날임에도 불구하고 건물 부하가 발생하는 상황에서 발전이 제한되는 문제가 발생할 수 있다. 대표적으로 제주도는 신재생에너지 계통 접속 용량 초과 문제를 겪고 있으며, 이에 따라 2015년부터 출력 제한 조치를 시행하고 있다. 특히 2019년에는 출력 제한 조치가 연간 46회 발생하였으며, 2020년에는 8월까지 총 45건이 기록되었다⁵⁾. 이러한 문제를 해결하기 위해 대표적으로 신재생에너지의 잉여전력을 충전한 후 야간에 발생하는 기저 부하 및 피크 전력 발생 시간대에 저장한 전기를 사용하는 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이 있다.

이와 관련한 연구를 살펴보면, Hwang et al. (2016)⁶⁾의 연구는 초·중·고등학교를 대상으로 한 연구로 신재생 의무설치에 따른 발생하는 잉여전력을 경제적으로 활용하는 방안을 연구하였다. 해당 건물은 신재생에너지 설치 의무화 대상으로 별도의 REC (Renewable Energy Certificates) 거래가 불가능하여 이를 상계거래, 자가용 PPA (Power Purchase Agreement) 등을 제안하였으며, 잉여젼력을 보다 효과적이고 경제성을 극대화하기 위해 ESS와 같은 저장 장치를 통해 활용하는 방안이 필요하다는 점을 제시하였다. Eum and Kim (2023)⁷⁾은 서울지역 아파트 4세대를 대상으로 발코니 태양광의 발전량과 세대별 전력 소비 패턴을 비교 분석하였다. 그 결과 세대별 평균 전기에너지 자립률은 약 26%에 불과하였으며, 발전시간대에는 상당량의 잉여전력이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 공동주택의 경우 잉여전력 상계거래가 불가능하여 BESS (Battery Energy Storage System)를 통한 저장 및 활용의 필요성을 강조하였다. 건물에 신재생에너지와 ESS를 활용하여 건물 부하 제어에 관한 연구로 Kim et al. (2020)⁸⁾은 공동주택 발코니 태양광 실증연구로 태양광에 의해 발생한 잉여전력이 상계처리가 되지 않기 때문에 태양광 설치 용량의 한계가 있었으며, 공동주택의 에너지 자립률을 높이기 위해 태양광과 BESS를 연계하여 세대 전력소비량의 평균 40% 절감을 달성하였다. 그러나 BESS는 발코니에 설치됨에 따라 계통에 연계되지 않고 배터리에 가전을 직접 연결해야만 배터리를 사용할 수 있는 구조로 BESS의 이용률이 43%로 낮은 수준의 이용률을 확인할 수 있다.

이처럼 기존 연구들을 통해 태양광은 건물 에너지 자립률 향상에 기여하나, 건물 부하와 태양광 발전의 시간 차이, 잉여전력 활용의 한계 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 대한 해결책으로 ESS를 제안하였으며, 이를 통해 잉여전력 저장 및 활용, 건물의 전력 소비 절감효과 등을 실증 분석하거나 제시하였다. 그러나 일부 연구는 현행 법령 제시 및 실증 환경의 한계로 인해 BIPV 연계형 ESS의 에너지 절감 효과 분석이 미미한 실정이다. 따라서 BIPV 시스템으로 인한 잉여전력은 계통의 안정성 및 건물의 자립률 향상을 위해 효율적으로 관리되어야 하며, 이를 위해 실제 건물의 전력 소비 패턴과 전력 사용 시간대를 분석하여 ESS를 운영할 필요가 있다.

본 연구는 BIPV 시스템이 적용된 도서관 건물을 대상으로 BIPV 시스템의 발전량을 분석하였으며, 이를 바탕으로 PVsyst⁹⁾시뮬레이션을 활용한 모델링을 통해 ESS 연계에 따른 BIPV 시스템 발전성능 및 전력소비 절감률을 분석하였다.

2. 꿈샘어린이청소년도서관

2.1 건물 개요

대상 건물로 충청남도 아산시에 위치한 꿈샘어린이청소년도서관을 선정하였다. 이는 해당 건물이 신재생에너지 설치 의무화에 따라 실제로 태양광 발전 설비가 설치되어 있으며, 발생한 잉여전력이 전력시장에 거래되지 않고 건물 내부에서만 활용되어야 하는 특성을 갖고 있다. 이러한 조건은 잉여전력의 발생과 활용 가능성을 분석하는 본 연구의 방법론에 적합하여 해당 건물을 사례로 선정하였다.

도서관은 교육 연구시설로 2021년 01월에 건축물 에너지효율등급 1++을 인증받았다. 규모는 지상 2층으로 구성되었으며, 연면적이 1,815 m²의 본 건물은 철근콘크리트조로 구성되었다. 신재생에너지원으로 BIPV 시스템이 총 50 kWp가 적용되었으며, BIPV 시스템은 건물의 남동쪽 지붕 및 입면 부위에 위치하였다(Fig. 1).

Fig. 1

BIPV module installation location

2.2 BIPV 시스템

건물에 적용된 BIPV 시스템은 입면부에는 Gray 색상의 컬러 PV (Photovoltaic) 모듈이 적용되었다. 설치 용량은 18.7 kWp이며, 지붕에는 컬러 PV 모듈과 검정 백시트 PV 모듈이 적용되었다. 각각의 설치 용량은 10.4 kWp 및 21.3 kWp로 BIPV 시스템이 구축되었다. 해당 건물에 적용된 컬러 PV 모듈은 Fig. 2의 외형과 같이 Ceramic ink를 이용한 Dot 패턴 인쇄 기술을 활용한 건자재형 BIPV 모듈로 원거리에서 볼 때 전극이나 태양전지의 노출이 없도록 설계되어 일관된 Dark Gray 색상의 외관을 구현하였다. 적용된 PV 모듈의 상세 규격은 Table 1과 같다.

Fig. 2

Appearance of PV module utilizing ceramic printing technology

대상 건물에 설치된 BIPV 시스템의 Array 설계는 Fig. 3과 같이 남동쪽 옥상에 3개의 Array, 입면에 2개의 Array를 배치하여 총 5개의 Array (Fig. 4)로 설치되었으며, 각 Array를 개별적으로 제어할 수 있도록 Array 1 ~ 5로 나누어 설계되었다. 이는 BIPV 시스템의 발전량에 따른 전력 계통의 안정적인 유지 및 관리를 위해, 건물의 소비전력에 맞춰 BIPV 시스템의 발전량을 조절할 수 있도록 설계되었다. 인버터는 지붕 BIPV Array에 연결된 15 kWp 급 용량 3개, 입면 BIPV Array에 연결된 2개(15 kWp 급, 3.3 kWp 급)로 총 5개 설치되었다. 관련된 세부 정보는 Table 2와 같다.

Fig. 3

BIPV panel placement and array configuration

Fig. 4

PV Array connection diagram

2.3 모니터링 시스템

건물에 설치된 BIPV 시스템의 실증 성능분석을 위해 모니터링 시스템을 구축하였으며, 계측기는 외부 환경 측정 및 BIPV 시스템의 발전량 분석을 위해 설치되었다. 기상 데이터 측정을 위해 Fig. 5와 같이 건물 옥상에 웨더 스테이션(풍향·풍속 측정)을 설치하였으며, 일사량계는 BIPV 모듈이 설치된 각도와 동일하게 배치하였다. 태양광 발전 전력의 DC/AC 전압·전류는 각 Array에 연결된 인버터를 통해 계측되었으며, 인버터는 지붕 벽면에 부착되어 실내 EPS실 분전반을 통해 계통연계 되었다. 계측된 데이터는 데이터 로거를 통해 모니터링 시스템에서 실시간으로 확인할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 5

Sensors and instruments for monitoring

2.4 꿈샘어린이청소년도서관의 BIPV 시스템 실증 분석

’23년 10월부터 ’24년 3월까지 총 6개월간의 데이터를 계측하였으며, 맑은 날의 데이터를 분석하기 위해 Fig. 6과 같이 일사량이 높은 ’23년 12월 3일에서 4일을 선정하였다. 해당 그래프는 건물의 소비 전력(Load Power), 발전 전력(Power Generation)그리고 잉여전력(Surplus Power)을 비교·분석하였다. 이를 통해 특정 시간대에 에너지가 어떻게 소비 및 생산되는지를 분석하였다.

Fig. 6

Comparison of building energy consumption and BIPV energy generation (2023.12.3-4)

12월 3일, 건물에서의 부하는 업무 시작 후 8시에 23 kW로 나타났으며, 일사량과 BIPV 시스템의 발전량은 8시부터 17시 사이에 나타났다. 일사량이 최대가 되는 12시에 BIPV 시스템의 발전량 또한 최대 31 kW로 나타났으며, 하루 누적 발전량은 177 kWh로 분석되었다. BIPV 시스템에 의해 발전된 전력은 건물에서 자가소비 되었으며, 8시부터 15시 사이에 BIPV 시스템을 통해 발전된 전력을 7시간 동안 건물에 공급하여 전력소비가 떨어지는 것을 알 수 있다. 그러나 BIPV 시스템의 발전량이 최대에 도달하는 10시부터 13시 사이에는 건물의 소비전력을 초과하여 잉여전력이 발생하였다. 발생한 잉여전력은 전력망을 통해 한국전력공사의 계통으로 역송되었다. 12월 4일은 도서관의 정기 휴무일(월요일)로, 필수 시스템(보안 시스템, 서버, 냉난방 시스템 등)의 가동을 위한 기저 부하가 발생하였다. 일사량은 7시부터 17시 사이에 나타났다. 그러나 BIPV 시스템의 발전량은 일사량이 좋은 맑은 날임에도 불구하고 9시부터 17시 사이에 BIPV 시스템의 발전이 8시간 동안 중지된 것이 확인되었다. 이는 계통의 수용 한계를 초과하는 잉여전력이 발생함에 따라, 계통의 안정화를 위해 발전 출력이 제한된 결과이다. 특히 잉여전력이 7 kWp 이상 발생하는 구간에서 BIPV 시스템의 가동이 정지된 것으로 분석된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 잉여전력이 계통의 수용 한계를 초과하는 구간에서 각 Array (Figs. 3, 4)를 인위적으로 정지시켜 나머지 다른 Array에서 PV 모듈 발전이 정지되지 않도록 조치하였다. Fig. 7 및 Fig. 8은 일사가 양호한 날인 ’24년 1월 26일 데이터를 선정하여 분석하였다. Fig. 7(a) 구간(8 ~ 11시)에서는 BIPV 시스템 발전이 일사량과 비례하여 증가하는 경향을 보인다. Fig. 7(a)에서 (b)로 전환되는 구간에서는 잉여전력 발생에 따른 전력 계통의 출력 제한으로 인해 BIPV 시스템의 운영 정지가 발생하지 않도록 Fig. 8(b)와 같이 지붕에 설치된 Array 2와 Array 3의 가동을 정지하여, BIPV 시스템의 발전량을 조절하였다. 이를 통해 BIPV 시스템의 가동 정지 문제를 완화하였으며, Fig. 7(b) 구간에서는 BIPV 시스템의 발전을 통해 건물에 필요한 전력을 공급하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Comparison of building energy consumption and BIPV energy generation

Fig. 8

Power output pattern by PV array

이러한 분석결과를 바탕으로, 해당 건물은 50 kWp의 태양광 설비를 설치했음에도 불구하고 과도한 잉여전력에 의한 BIPV 시스템의 가동 정지로 BIPV 시스템이 효율적으로 활용되지 못하는 것으로 분석되었다. 따라서 건물의 소비 패턴과 전력 수요를 고려한 적정 설치 용량의 검토가 필요하며, 시스템 설계 시 BIPV 시스템에 의해 발생하는 잉여전력을 저장할 수 있는 ESS는 효율적인 활용방안이 될 수 있다.

3. 시뮬레이션 모델링을 활용한 BIPV 연계형 ESS

3.1 시뮬레이션 모델링

본 연구에서는 태양광 발전 시스템 설계 및 ESS 적용에 따른 건물의 소비전력 변화를 분석하기 위해 PVsyst 시뮬레이션을 활용하였다. 시뮬레이션에는 아산 지역의 기상데이터를 적용하였으며, Fig. 3 및 Fig. 4와 같이 건물의 남동쪽 옥상(경사각 14°)에 Array 1 ~ 3을, 입면(경사각 90°)에 Array 4 ~ 5를 배치하여 총 5개의 Array 결선으로 설계하였다. ESS 적용을 위한 축전지 용량 설계는 건물의 에너지 사용량을 분석하여 결정하였으며, 이를 위해 식(1)¹⁰⁾을 참고하였다. 또한 BIPV 시스템의 발전 효율 및 발전 용량을 고려하여 시뮬레이션에 제공하는 데이터를 기반으로 Table 3과 같은 성능의 배터리 용량을 설계하였다.

3.2 ESS 운영 방법

ESS 적용에 따른 충·방전 운영은 Fig. 9와 같이 진행하였으며, BIPV 시스템의 발전 전력을 건물에서 자체 소비하는 방식으로 운영하였다. 배터리의 과충전 및 과방전으로 인한 성능 및 안정성 저하를 방지하기 위해 SOC (State of Charge)는 10 ~ 80%로 진행하였다. ESS 충전 시나리오는 태양광 발전량이 전력 사용량을 초과하는 조건에 진행되며, 배터리의 SOC가 80%에 도달할 때까지 충전한 후, 발전량보다 전력 사용량이 많은 시간까지 대기 상태를 유지한다. 태양광 발전량보다 전력 사용량이 많은 시간대에는 배터리 방전이 진행되며, 배터리 SOC 잔량이 10% 미만으로 떨어지지 않도록 방전 상태를 조절한다.

Fig. 9

Energy storage system charging/discharging algorithms

3.3 BIPV 연계형 ESS 적용에 따른 부하 패턴 변화 분석

Fig. 10은 PVsyst 시뮬레이션으로 분석한 도서관에 BIPV 시스템만이 적용된, 건물의 전력소비 패턴 변화를 분석한 그래프이다. 이를 위해, ’23년 10월부터 ’24년 3월까지 총 6개월간 계측된 건물의 소비전력 데이터를 평균하여 시뮬레이션에 적용하고 분석하였다. 일사량과 BIPV 시스템의 발전량은 7시부터 18시 사이에 나타났다. 일사량이 최대가 되는 13시에 BIPV 시스템의 발전량 또한 최대 36.7 kW로 나타났으며, 하루 누적 발전량은 215.4 kWh로 분석되었다. BIPV 시스템에 의해 발전된 전력은 건물에서 자가소비 되었으며, 10시부터 15시 사이에 BIPV 시스템을 통해 발전된 전력만으로 5시간 동안 건물에서 소비되는 전력을 모두 충당한 것으로 나타났다. 그러나 9시부터 16시 사이에 BIPV 시스템의 발전량이 건물의 소비전력을 초과하여 잉여전력이 발생하였다. 이때 하루 동안 발생한 누적 잉여전력은 51.9 kWh로 BIPV 시스템의 하루 누적 발전량의 24.1%를 차지하는 것으로 분석되었다. 이를 통해 BIPV 시스템의 발전된 전력은 효율적으로 사용되지 못하고 있으며, 과도하게 발생한 잉여전력을 한국전력공사 계통으로 역송될 시 계통 부하의 안정성 저하로 인해 BIPV 시스템의 출력 제한이 될 수 있다.

Fig. 10

Comparison graph of modeled BIPV system generation and building power consumption

Fig. 11은 시뮬레이션을 통해 BIPV 시스템에 ESS가 적용된 경우, 건물의 전력소비 패턴 변화를 분석한 그래프이다. 시뮬레이션 분석에 사용된 기상 데이터 및 BIPV 시스템 입력값은 Fig. 10과 동일한 데이터를 사용하였다. 일사량과 BIPV 시스템의 발전량은 이전 BIPV만 적용된 시뮬레이션 분석과 동일하게 나타났으며, 발전량 또한 최대 36.7 kW, 하루 누적 발전량은 215.4 kWh로 분석되었다. 9시부터 16시 사이에는 BIPV 시스템을 통해 발전된 전력이 건물의 소비전력으로 사용되는 것을 확인하였으며, BIPV 발전량이 건물의 소비전력을 초과하여 발생한 잉여전력은 ESS에 충전되는 것으로 나타났다. 이때 ESS의 하루 누적 충전량은 BIPV 시스템의 하루 누적 발전량의 22.6%의 48.7 kWh로 분석되었다. 이전 분석에서 BIPV 시스템의 잉여전력 발생량은 51.9 kWh였으며, ESS 충·방전 효율(약 97%), 저장과정 중의 자가방전 손실 및 SOC 제한(10 ~ 80%) 등이 반영되어 하루 동안 발생되는 잉여전력 중 약 94%가 ESS에 저장되는 것으로 분석되었다. 15시부터 19시 사이에 일사가 낮아짐에 따라 BIPV 시스템의 발전량이 감소하였으며, 건물의 소비전력이 BIPV 시스템의 발전량을 초과하였을 때, ESS에 충전된 전력을 방전하여 건물의 소비전력을 공급하는 것으로 분석되었다. 기존 BIPV 시스템만 적용된 경우, BIPV 시스템 발전량만으로 건물의 소비전력을 5시간(10시 ~ 15시) 충당할 수 있었지만, 이러한 BIPV 연계형 ESS 적용을 통해 10시부터 17시까지의 7시간 동안은 BIPV 시스템의 발전량만으로 건물의 소비전력을 모두 충당할 수 있는 것으로 분석되었다. 이는 도서관의 하루 운영시간 13시간 중 약 54%를 자가발전으로 충당한 것이다. 따라서 BIPV 시스템에 의해 발생한 잉여전력을 ESS 연계를 통해 계통의 안정성 및 건물의 에너지 절감률을 높일 수 있는 것으로 분석되었다.

Fig. 11

Graph of building power consumption changes due to modeled Integration of BIPV-linked ESS

4. 결 론

본 연구에서는 BIPV 시스템이 적용된 도서관 건물을 대상으로 발전량을 분석하고 이를 기반으로 PVsyst 시뮬레이션 모델링을 수행하여 ESS 연계 시 BIPV 시스템의 발전성능과 전력 소비 절감효과를 분석하였다.

• 도서관 건물의 경우, BIPV 발전량이 건물의 소비전력을 초과하면 계통의 수용 한계를 초과하는 잉여전력이 발생하여, 출력제한으로 인해 최대 8시간 동안 시스템 가동이 중단되는 현상이 확인되었다.

• 시뮬레이션 분석결과, BIPV 시스템의 발전량만으로 건물 소비전력을 5시간 충당할 수 있었으나, 동시에 발전량의 약 24%에 해당하는 잉여전력이 발생하여 시스템 가동 정지를 초래할 수 있음이 확인되었다.

• 반면, ESS를 연계한 경우 도서관 하루 운영시간(13시간) 중 약 54%에 해당하는 7시간 동안은 BIPV 시스템의 발전량만으로 건물의 소비전력을 충당할 수 있는 것으로 나타났다.

• 본 연구는 특정 기간의 평균화된 부하 데이터를 기반으로 분석을 수행하였으므로, 향후 연구에서는 계절적 변화와 다양한 운전 조건을 반영한 효율적 운영 방안에 대한 추가 검토가 필요하다.