1. 서 론

전 세계적으로 기후 위기 대응과 탄소중립 실현을 위한 에너지 전환이 가속화되면서 신재생에너지 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 태양광 발전(PV; Photovoltaic)의 보급 확대를 위해 정부는 2030년까지 약 100 GW 규모의 태양광 발전 설비 보급을 목표로 정책을 추진하고 있다. 한국에너지공단 신·재생에너지센터 보급통계에 따르면 국내 신재생에너지 누적 설치용량은 약 37.37 GW이며, 이 중 태양광 발전 설비는 약 28 GW로 전체 신재생에너지 설비의 약 75%를 차지하고 있다¹⁾. 대부분의 PV 시스템은 발전량을 극대화하기 위해 정남향으로 설치되고 있으나, 남향 PV 시스템은 발전량이 정오 시간대에 집중되는 특성을 가진다. 이러한 발전 패턴은 전력 공급과 수요 간의 불균형을 초래하여 전력계통 운영의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 특히 태양광 발전 비중이 증가할수록 정오 시간대의 발전량 과잉 현상이 발생하며, 이에 따라 발전 제한과 같은 계통 운영 문제가 증가하고 있다. 실제로 국내 태양광 출력제어 발생 횟수는 2023년에 연간 2회에 불과하였으나 2024년에는 26회, 2025년 상반기에는 44회로 증가한 것으로 보고되었다²⁾. 또한 국내 출력제어는 계절과 관계없이 주로 11 ~ 14시 사이에 집중되며, 냉난방 수요가 적은 봄·가을철에 더욱 빈번하게 발생하는 것으로 나타났다³⁾.

이러한 문제를 완화하기 위한 대안으로 동·서향(East–West) PV 시스템이 주목받고 있다. 동·서향 PV 시스템은 남향 시스템에 비해 오전 및 오후 시간대의 발전량이 증가하는 특성을 가지며, 이를 통해 발전량이 특정 시간대에 집중되는 현상을 완화하고 전력 수요 곡선과의 매칭을 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한 경사각을 적용할 수 있어 동일 면적에서 더 많은 모듈을 설치할 수 있으며, 높은 지면 이용률(GCR; Ground Coverage Ratio)을 확보할 수 있는 구조적 장점도 갖는다.

그러나 동·서향 PV 시스템은 남향 시스템에 비해 총 발전량이 감소하는 한계를 가진다. 이러한 한계를 보완하기 위한 기술로 양면형(Bifacial) PV 모듈이 주목받고 있다. 양면형 태양전지는 전면뿐만 아니라 후면에서도 입사하는 일사량을 활용하여 발전할 수 있는 구조로, 지붕면 반사율(Albedo), 확산광 비율, 모듈 설치 높이, 모듈 간 간격 등 다양한 설치 조건에 따라 추가적인 발전량 확보가 가능하다⁴⁾. 특히 양면형 PV 시스템은 단면형 시스템 대비 발전 성능을 향상시킬 수 있어 최근 관련 연구가 활발히 수행되고 있다.

Olczak et al. (2021)⁵⁾은 폴란드에 설치된 단면형 및 양면형 PV 설비의 발전 성능을 비교 분석하였다. 연구 결과, 양면형 PV 시스템은 단면형 PV 시스템에 비해 일사량이 높은 조건에서는 약 10%, 낮은 일사 조건에서는 약 28% 더 많은 에너지를 생산하는 것으로 나타났다. Tahir et al. (2022)⁶⁾은 기후변화 시나리오를 고려하여 단면형과 양면형 PV 시스템의 발전 성능을 비교하였으며, 양면형 PV 시스템이 단면형 PV 시스템 대비 시간 단위 발전량 기준으로 18 ~ 48% 높은 발전량을 보이고, 일 평균 발전량 기준으로도 약 30% 높은 에너지 생산량을 나타내는 것으로 분석하였다. Raina et al. (2022)⁷⁾은 다양한 부분 음영 조건에서 단면형 및 양면형 PV 모듈의 발전 성능을 비교하였으며, 양면형 모듈이 후면 수광 효과로 인해 단면형 모듈보다 높은 전력 출력 성능을 나타내는 것으로 확인하였다. 또한 Muehleisen et al. (2021)⁸⁾은 흰색 반사면이 적용된 평지붕 태양광 시스템을 대상으로 단면형 및 양면형 모듈의 발전 성능을 1년 동안 실측 비교하였으며, 양면형 PV 모듈이 단면형 모듈 대비 약 15 ~ 20% 높은 발전량을 나타내는 것으로 보고하였다.

또한 Itote et al. (2025)⁹⁾은 배전망에서 발생하는 출력제어 문제를 완화하기 위한 방안으로 수직 설치된 동·서향 양면형 PV 시스템을 제안하고, 부하흐름 시뮬레이션을 통해 기존 남향 단면형 PV 시스템과의 성능을 비교하였다. 연구 결과, 동·서향 양면형 PV 시스템은 오전과 저녁 시간대에 발전량이 증가하는 이중 피크 발전 특성을 나타내며, 이를 통해 계통에서 발생하는 출력제어를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. Asgharzadeh et al. (2018)¹⁰⁾는 RADIANCE ray-tracing 시뮬레이션을 이용하여 남·북향 경사 설치 양면형 PV 시스템과 동·서향 수직 설치 양면형 PV 시스템의 발전 성능을 비교하였다. 연구 결과, 무차폐 조건에서는 남향 시스템이 더 높은 발전량을 나타냈으나, 건물에 의한 차폐가 존재하는 환경에서는 동·서향 시스템이 더 높은 발전량을 보일 수 있는 것으로 분석되었다. 특히 고위도 지역에서는 약 20° 수준의 차폐 조건에서도 동·서향 시스템이 남향 시스템보다 높은 발전량을 나타냈으며, 특정 차폐 조건에서는 연간 최대 약 75 kWh의 추가 발전량이 발생하는 것으로 보고되었다.

그러나 기존 연구는 대부분 평지붕에 설치된 수직형 PV 시스템을 대상으로 수행되었으며, 실제 건물 지붕 형태 중 하나인 박공지붕(gable roof)에 설치된 동·서향 양면형 PV 시스템의 발전 특성을 실험적으로 분석한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 심미성을 위해 박공지붕과 평행하게 설치되는 사례가 증가하고 있으며, 이에 대한 설치 조건에 발전성능에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

따라서 본 연구에서는 박공지붕과 동일한 경사각 조건에서 설치된 동·서향 양면형 PV 시스템을 대상으로 옥외 실험을 수행하여 발전 성능을 분석하였다. 또한 지붕면 반사율, 모듈 간 간격, 모듈-지붕면 이격거리과 같은 설치 조건을 변수로 설정하여 발전 특성을 비교 분석하고, 박공지붕에 적용되는 동·서향 양면형 PV 시스템의 최적 설치 조건을 도출하고자 한다.

2. 양면형 PV 시스템 모델 설계

2.1 양면형 PV 모듈 개요

실험에 사용된 양면형 PV 모듈은 단결정 실리콘 셀 기반의 Glass-to-Glass (GtoG) 구조를 갖는 모듈로, M12 크기의 n형 TOPCon 셀을 적용하였다. 본 연구에서 사용된 모듈의 전면 성능은 STC (Standard Test Condition)에서 효율 17.17%, 최대출력(P_max) 470.36 Wp이며, 후면 성능은 효율 14.11%, P_max 386.55 Wp로 나타났다.

본 연구에서 사용된 양면형 PV 모듈의 양면(bifaciality) 계수는 ΦPmax 82.18%, ΦVoc 99.37%, ΦIsc 81.24%이며, 주요 전기적 특성은 Fig. 1 및 Table 1에 나타내었다. 여기서 양면 계수는 후면 성능과 전면 성능의 비로 정의되며, 각 전기적 파라미터에 대해 식(1), (2), (3)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, ΦP_max는 전면 최대출력(P_max,front)에 대한 후면 최대출력(P_max,rear)의 비율로 정의되며, 개방전압(V_oc) 및 단락전류(I_sc) 또한 동일한 방식으로 산출된다.

또한 양면형 PV 모듈의 효율은 전·후면 발전을 모두 고려하여 산출되어야 하므로, 본 연구에서는 식(4)와 전면 및 후면 입사 일사량을 반영한 산출식을 적용하였다. 여기서 G_front와 G_rear는 각각 전면 및 후면 입사 일사량을 의미하여, A는 모듈의 면적을 나타낸다.

Fig. 1

Front side (left) and rear side (right) of the bifacial PV module

2.2 박공지붕에 설치된 양면형 PV 시스템 구성

본 연구에서는 박공지붕에 설치된 양면형 PV 시스템의 발전 특성을 분석하기 위해 2025년 8월 공주대학교 천안캠퍼스(36.88°N, 127.07°E)에서 옥외 실험을 수행하였다. 양면형 PV 모듈의 발전 성능은 전·후면에 입사하는 일사량의 영향을 크게 받으며, 특히 지붕면에서 반사되어 후면으로 입사하는 일사량이 중요한 인자로 작용한다. 실제 건물 지붕에서는 다수의 모듈이 어레이 형태로 설치되므로, 인접 모듈 사이를 통과한 일사와 지붕면 반사광이 후면 입사 일사량 및 발전 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 실제 설치 환경을 모사하기 위해 총 9개의 PV 모듈을 3 × 3 배열로 설치하고, 중앙부에 위치한 모듈을 기준으로 발전 성능을 측정하였다.

측정 항목은 PV 모듈 전·후면의 POA (Plane of Array) 일사량, 모듈 후면 온도, 외기 온도, 그리고 태양광 모듈이 최대 출력을 발생시키는 동작점을 추종하는 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 조건에서의 I–V 데이터를 포함하며, 측정 장비는 Fig. 2에 나타내었다. 모든 데이터는 1분 간격으로 수집하였으며, 주요 계측 장비의 사양은 Table 2에 제시하였다.

Fig. 2

Measurement instruments used in the experiment

박공지붕에 설치된 PV 시스템을 모사하기 위해 실험체의 지붕 경사각은 20°로 설정하였으며, 정서향 박공지붕 조건을 재현하도록 시스템을 설치하였다. 설치 조건에 따른 발전 성능 변화를 분석하기 위해 총 세 가지 설치 인자를 변경하여 실험을 수행하였다. 주요 설치 인자는 지붕면 반사율, 모듈 간 이격거리, 그리고 모듈–지붕면 이격거리로 구분하였다. 지붕면 재료로는 반사율 60%의 샌드위치 패널을 사용하였으며, 지붕면 반사율 변화에 따른 영향을 분석하기 위해 반사율 87%의 흰색 반사 도료를 적용한 조건을 추가로 구성하였다. 모듈–지붕면 이격거리는 최소 설치 간격인 200 mm와 구조적 안정성을 고려한 최대 500 mm 조건으로 구분하였다. 또한 모듈 간 이격거리는 작업자 접근이 가능한 최소 간격인 200 mm와 지붕면 이용율을 고려한 300 mm 조건으로 설정하였다. 각 실험 조건은 Table 3에 정리하였으며, 설치 조건에 따른 서향 박공지붕에 설치된 양면형 PV 시스템의 모습은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Testbed photos by installation conditions

3. 설치 조건에 따른 양면형 PV 시스템 실험 결과

양면형 PV 시스템의 발전 성능을 비교하기 위해 실험 기간 중 청명일 조건을 만족하는 1일을 선정하였으며, 실험 일자는 Case 1은 8월 2일, Case 2는 8월 8일, Case 3은 8월 21일, Case 4는 8월 27일에 수행하였다. 청명일은 정오 기준 전면 입사 일사량이 600 W/m² 이상인 날을 기준으로 선정하였다. 음영의 영향을 최소화하기 위해 10:00 ~ 17:00 시간대 데이터를 분석에 활용하였으며, 이를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4

Front and rear irradiance under different installation conditions

3.1 후면 입사 일사량 비율 분석

설치 조건에 따른 전면 대비 후면 입사 일사량 비율(rear-to-front irradiance ratio)의 시간 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 전체적으로 설치 조건이 개선될수록 전면 대비 후면 입사 일사량 비율이 증가하는 경향을 보였다.

지붕면 반사율이 60%에서 87%로 증가함에 따라(Case 1 → Case 2) 평균 후면 입사 일사량 비율은 약 44.6% 증가하였다. 이는 지붕면 반사율이 증가하면서 지붕면에서 반사된 일사량이 모듈 후면으로 더 많이 유입되었기 때문으로 판단된다. 또한 모듈-지붕면 사이의 이격거리가 200 mm에서 500 mm로 증가함에 따라(Case 2 → Case 3) 후면 입사 일사량 비율은 약 74.98% 증가하였다. 이는 모듈과 지붕면 사이 공간이 확대되면서 지붕면에서 반사된 일사량이 모듈 후면에 더 많이 도달할 수 있기 때문으로 분석된다. 반면, 모듈 간 이격거리를 200 mm에서 300 mm로 증가시킨 경우(Case 3 → Case 4) 후면 입사 일사량 비율은 약 10.38% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 모듈 간 간격 확대가 일부 반사 일사량 유입에 영향을 미치지만, 다른 설치 조건에 비해 영향은 상대적으로 작은 것으로 해석된다. 결과적으로 모든 설치 요소가 동시에 개선된 경우(Case 1 → Case 4) 평균 후면 입사 일사량 비율은 약 181.33% 증가하였다. 이러한 결과는 양면형 PV 시스템의 성능이 지붕 반사율과 모듈 설치 높이에 크게 영향을 받는다는 것을 의미한다.

또한 시간대별 분석 결과, 모듈-지붕면 사이 이격거리가 증가한 조건(Case 3, Case 4)에서는 11시 이전과 16시 이후 시간대에서 전면 대비 후면 입사 일사량의 비율이 증가하는 경향이 나타났다. 이는 모듈과 지붕면 사이 공간이 확대되면서 이른 오전과 늦은 오후 시간대에 태양 고도가 낮아짐에 따라 직달 일사량이 모듈 후면으로 직접 유입되기 때문으로 판단된다. 이러한 특성은 발전량의 시간 분산 효과를 증가시켜 피크 발전 시간의 집중도를 완화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

Fig. 5

Rear-to-Front irradiance ratio by installation conditions

3.2 모듈 효율 분석

설치 조건에 따른 모듈 효율 변화를 Fig. 6에 나타내었으며, 전체적으로 후면 입사 일사량 비율이 증가함에 따라 모듈 효율 또한 증가하는 경향을 확인하였다. 지붕면 반사율이 증가함에 따라(Case 1 → Case 2) 10:00 ~ 17:00 평균 모듈 효율은 약 7.82% 증가하였다. 이는 지붕면 반사율 증가에 따라 반사 일사량이 증가하고, 이로 인해 모듈 후면으로 유입되는 일사량이 증가하였기 때문으로 해석된다. 또한 모듈–지붕면 이격거리가 증가한 경우(Case 2 → Case 3) 평균 모듈 효율은 약 10.18% 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 모듈과 지붕면 사이 공간이 확대됨에 따라 후면으로 도달하는 반사 일사량이 증가한 결과로 판단된다. 반면, 모듈 간 이격거리를 증가시킨 경우(Case 3 → Case 4) 평균 모듈 효율은 약 2.6% 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 다른 설치 조건에 비해 상대적으로 작은 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 최종적으로 모든 설치 조건이 동시에 개선된 경우(Case 1 → Case 4) 평균 모듈 효율은 약 21.9% 증가하였다. 이러한 결과는 Fig. 5에서 나타난 전면 대비 후면 입사 일사량의 비율 증가 경향과 일치하며, 양면형 PV 시스템의 효율 향상이 후면 수광 증가에 직접적으로 기인하는 것을 의미한다.

Fig. 6

Module efficiency by installation conditions

따라서 박공지붕에 양면형 PV 시스템을 설치할 경우, 모듈 후면으로 유입되는 일사량을 확보하기 위해 모듈-지붕면 사이, 지붕면 반사율, 모듈간 이격거리 순서로 고려하는 것이 발전 성능 향상에 유리한 것으로 판단된다.

태양광 모듈의 출력은 입사 일사량에 직접적으로 비례하므로, 이른 오전 및 늦은 오후 시간대에는 일사량 감소로 인해 절대 출력이 작게 나타난다. 반면 효율은 상대적인 지표로서, 저일사 조건에서는 작은 출력 변화에도 민감하게 반응하여 과대평가될 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 출력 데이터 대신 10:00 ~ 17:00의 비교적 안정적인 일사 조건에서 효율을 분석하였으며, 추가적으로 일사량, 외기 온도, 모듈 온도를 고려한 (T_m-T_a)/G 기반 분석을 수행하여 설치 조건에 따른 성능 차이를 Fig. 7과 같이 분석하였다.

분석 결과, 모든 Case에서 (T_m-T_a)/G가 증가함에 따라 모듈 효율이 감소하는 경향이 나타났으며, 이는 온도 상승에 따른 효율 저하 특성을 반영한 결과이다. 또한 각 Case의 기울기는 –0.0461 ~ –0.0591 범위로 유사하게 나타났으며, 평균 기울기는 약 –0.0526으로 확인되었다. 이는 동일 모듈에서 온도 상승에 따른 효율 저하 특성이 설치 조건과 관계없이 유사하게 작용함을 의미한다. 반면, 동일한 (T_m-T_a)/G 조건에서도 Case 간 효율은 Case 4, Case 3, Case 2, Case 1 순으로 높게 나타났다. 이는 온도에 대한 민감도는 유사하지만, 설치 조건에 따른 후면 입사 일사량 비율 증가가 모듈 효율 향상에 더 큰 영향을 주는 것을 의미한다. 따라서 Case 간 효율 차이는 온도 영향보다 후면 수광 조건의 차이에 기인한 것으로 해석된다.

Fig. 7

Relationship between (Tm-Ta)/G and electrical efficiency under different installation conditions

4. 결 론

본 연구에서는 서향 박공지붕에 설치된 양면형 PV 시스템을 대상으로 옥외 실험을 수행하여 지붕면 반사율, 모듈–지붕면 이격거리, 모듈 간 이격거리와 같은 설치 조건이 후면 입사 일사량과 모듈 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 양면형 PV 시스템의 성능은 설치 조건에 따라 크게 달라지며, 특히 지붕면 반사율과 모듈-지붕면 이격거리가 중요한 설계 요소로 작용하는 것으로 확인되었다.

분석 결과, 지붕면 반사율이 높아질수록 지붕면에서 반사되는 일사량이 증가하여 모듈 후면으로 유입되는 에너지가 증가하였으며, 이에 따라 양면형 PV 시스템의 발전 효율이 7.82% 향상되었다. 또한 모듈과 지붕면 사이의 이격거리가 충분히 확보될 경우 후면으로 유입되는 반사광뿐만 아니라 낮은 태양 고도 조건에서 직달 일사량 유입이 증가하여 양면형 모듈의 활용도가 높아지는 것으로 확인되었으며, 이에 따라 발전 효율이 10.18% 향상된 것으로 나타났다. 반면, 모듈 간 간격은 후면 일사 유입에 일정 수준 영향을 미치지만 다른 설치 요소에 비해 상대적으로 영향이 제한적인 것으로 확인되었다.

또한 모듈-지붕면 이격거리가 증가한 조건에서는 오전 및 오후 시간대에서 후면 입사 일사량이 증가하는 경향이 나타났으며, 이는 동·서향 양면형 PV 시스템이 정오 중심의 발전 패턴을 완화하고 발전량을 시간적으로 분산시킬 가능성을 보여준다. 이러한 특성은 향후 태양광 발전 비중이 증가하는 전력계통에서 발전 피크 집중도를 완화하는 데 기여할 수 있다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

한편, 온도 변화에 따른 효율 저하 특성은 모든 설치 조건에서 유사하게 나타났으며, 설치 조건에 따른 효율 차이는 온도 영향보다 후면 입사 일사량 증가에 더 크게 기인하는 것으로 확인되었다. 이는 양면형 PV 시스템의 성능 향상이 열적 영향보다는 후면 수광 조건에 의해 지배됨을 의미한다.

따라서 박공지붕에 양면형 PV 시스템을 적용할 경우, 지붕면 반사율이 높은 마감재를 적용하고 모듈-지붕면 이격거리를 충분히 확보하는 것이 시스템 성능 향상에 효과적인 설계 전략으로 판단된다. 반면 모듈 간 간격은 구조적 안전성이나 유지관리 측면을 고려한 최소 수준으로 설계하는 것이 효율적인 것으로 판단된다.

한편 본 연구는 청명일 1일을 기준으로 분석이 수행되었으며, 실험 환경의 제약으로 인해 각 설치 조건을 동일 시간대에 동시에 측정하지 못하고 서로 다른 날짜의 데이터를 활용하여 비교 분석한 한계를 가진다. 또한 본 연구는 서향 박공지붕 조건 및 여름철 기간에 한정되어 수행되었다는 점에서 결과의 일반화에는 제한이 있다. 이러한 한계를 고려할 때, 태양 고도각이 낮은 겨울철에는 후면 입사 일사 특성이 상이하게 나타날 것으로 예상된다. 특히 태양 고도가 낮아짐에 따라 이른 오전 및 늦은 오후 시간대에서 지붕면 반사 및 직달 일사의 후면 유입이 증가하여 후면 기여도가 상대적으로 확대될 가능성이 있는 반면 정오 시간대에는 전면 입사 일사량 감소로 인해 전체 발전량은 감소할 수 있어 계절에 따른 발전 패턴 변화가 나타날 것으로 판단된다.

향후 연구에서는 본 실험 결과를 기반으로 시뮬레이션 모델링을 수행하여 다양한 기상 조건에서의 발전 특성을 검증하고, 동·서향 및 남향 박공지붕 조건을 포함한 다양한 설치 방향을 고려한 발전 특성을 분석할 예정이다. 이를 통해 양면형 PV 시스템의 시간대별 발전 특성과 피크 발전 분산 효과를 정량적으로 평가하고, 박공지붕에 설치되는 동·서형 양면 PV 시스템의 설계 기준 수립을 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.