1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 BIPV 모듈 단위용 Power Optimizer 개발
2.2 실험 조건 및 분석 방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 음영 조건별 일간 발전 성능 특성
3.2 일사량에 따른 발전 손실률 분석
4. 결 론
기호 및 약어 설명
Conv. PO : 파워 옵티마이저 일반 제품
New PO : 파워 옵티마이저 개발 제품
PR : 발전 성능
: i분의 측정 발전전력[kW]
: i분의 이론 발전전력[kW]
: i분의 일사량[kW/m2]
: 모듈 면적[m2]
: 모듈 효율
: 인버터 효율
: 1/60 시간
1. 서 론
최근 제로에너지건축물 의무화 확대로 인해 신재생에너지 설비의 설치가 요구되면서 도심 내 신재생에너지설비의 설치 공간이 부족한 문제가 대두되고 있다1). 이에 대한 대안으로 건물의 외피 요소로 사용되면서 동시에 전력을 생산할 수 있는 건물일체형 태양광발전(Building Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템에 대한 관심이 증대되고 있다2). 그러나 도시 환경에서 BIPV 시스템은 주변 건물이나 구조물로 인한 음영에 자주 노출되어 발전효율이 크게 저하될 수 있다.
모듈 단위 전력 전자(Module Level Power Electronics, MLPE) 장치는 개별 모듈의 발전 성능을 최적화하여 전체 시스템의 발전 손실을 최소화할 수 있는 장치이다3). MLPE의 대표적인 장치로는 Micro Inverter (마이크로인버터)와 Power optimizer (파워 옵티마이저)가 있다. 현재 상용 파워 옵티마이저는 일반 태양광(Photovoltaic, PV) 모듈용으로 개별 모듈 또는 스트링 단위에 적용되고 있다. 그러나 BIPV 모듈은 건물 디자인에 따라 다양한 크기와 색상 등으로 맞춤 제작되어 전기적 사양이 낮은 경우가 많아 기존의 일반 PV용 파워 옵티마이저를 직접 적용하기 어렵다4). 또한 건물 입면의 수직 설치와 음영의 영향으로 낮은 입력 전압과 작동 전압 조건에서는 기존 파워 옵티마이저의 성능이 제한될 수 있다.
PV 시스템에서 부분 음영은 발전 저하의 주요 원인 중 하나로, 직렬 연결된 모듈 중 일부에만 음영이 발생하더라도 전체 시스템의 발전 성능을 크게 저하시킬 수 있다. Oh et al. (2021)5)은 태양광발전시스템에서 음영이 발전성능에 미치는 영향을 분석하여 음영 비율이 높아질수록 발전효율이 크게 저하됨을 확인하였다. NREL (National Renewable Energy Laboratory)6)과 Sinapis et al. (2016)7)의 연구에서는 음영 발생 조건에서 PV 발전시스템에 MLPE 기술을 적용했을 때의 발전 성능 향상의 효과를 검증하였다. Ravyts et al. (2019)8)은 BIPV 시스템에서 모듈 연계형 컨버터의 필요성과 요구사항을 제시하였다. Eum et al. (2024)10)은 본 연구의 선행연구로 BIPV 시스템의 음영 조건에서 상용 파워 옵티마이저의 입력 전압과 작동 전압 범위만을 수정하여 실험을 수행하였다. 그 결과 미적용 대비 약 2 ~ 3배의 발전효율 향상 효과를 확인하였으나, 상용 제품의 한계로 인해 BIPV 모듈의 더 낮은 전압과 전력 조건에서는 최적 운전이 어려운 것으로 나타났다.
본 연구에서는 BIPV 모듈의 낮은 전기적 사양과 다양한 설치 조건에 특화된 파워 옵티마이저를 개발하고 발전 손실 완화 효과를 분석하고자 한다. 개발된 파워 옵티마이저는 모듈 단위 적용이 가능하도록 설계되었으며, 저전압과 저전력 조건에서도 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 하였다. 이를 검증하기 위해 다양한 음영 조건에서 일반 제품과의 비교 실험을 수행하였으며, 발전 성능과 손실률 분석을 통해 BIPV 시스템 적용 가능성을 확인하였다.
2. 실험 방법
2.1 BIPV 모듈 단위용 Power Optimizer 개발
본 연구에서는 BIPV 모듈의 특성을 고려하여 BIPV 모듈 단위에도 적용이 가능한 파워 옵티마이저를 개발하였다. Fig. 1과 같이 개발된 파워 옵티마이저는 BIPV 모듈 단위로 적용되어 BIPV 시스템을 구성하고, 인버터와 연계되어 작동한다. 개발된 BIPV 모듈 단위용 파워 옵티마이저는 하드웨어와 펌웨어 측면에서 성능을 개선하였다. 하드웨어 측면에서는 BIPV 모듈의 저전압 작동을 위한 Buck Converter를 채택하고 전체 전력을 처리하는 FPP (Full Power Processing) 방식을 적용하였다. 또한 긴급 차단이 가능한 RSD (Rapid Shutdown) FET (Field Effect Transistor)와 PLC (Power Line Communication) 통신을 적용하고 MCU (Microcontroller Unit)가 시스템을 제어하도록 구성하였다. 펌웨어 측면에서는 하드웨어의 PMIC (Power Management Integrated Circuit) 제어를 통해 MCU 구동을 위한 정확한 전압 임계값을 설정하고, 최소 작동 전압 조건을 정의하는 제어 기능을 구현하였다. 특히 Sleep, Stop, Start, Run의 4가지 상세 운영 모드를 구축하고 입력 전압, 전류, 시간 조건에 따라 모드가 전환되도록 하였다. 음영 대응을 위해서는 음영 감지 제어와 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 제어를 분리하여 일시적 음영 발생 시 이전 MPP (Maximum Power Point)로 빠르게 복구되도록 하고, 추가 MPPT가 가능하도록 알고리즘을 개선하였다. 이러한 개선을 통해 BIPV 모듈의 저전력 조건에서도 높은 효율을 유지하고 다양한 음영 조건에서도 안정적인 성능을 발휘하도록 하였다. 파워 옵티마이저의 사양은 Table 1과 같으며, 본 개발 제품은 실험에 사용된 기존 일반 제품의 사양을 유지하면서 저전압 동작 성능을 개선하였다. 일반 제품은 저전압 조건에서 동작 자체가 불가능했던 반면, 개발 제품은 저전압에서도 안정적인 동작이 가능하도록 설계되었다. 이는 BIPV 모듈의 작은 크기와 다양한 색상 구현, 건물 입면 수직 설치, 음영 등으로 인해 발생하는 낮은 입력 및 동작 전압 조건을 고려한 것이다.
Table 1
Specifications of power optimizer
2.2 실험 조건 및 분석 방법
BIPV 모듈 단위용 파워 옵티마이저의 성능 분석을 하기 위해 Fig. 2와 같이 일반 파워 옵티마이저와 비교 실험을 진행하였다. 실험은 경기도 고양시 소재 사무 및 실험용 건물의 옥상에서 수행되었다. BIPV 시스템은 정남향, 90° 수직으로 설치하였으며, 2장의 BIPV 모듈을 직렬로 연결하여 2대를 구성하였다. BIPV 모듈은 K사의 171 W 모듈(단결정 실리콘, Glass-to-Glass, 36셀, 다크그레이, 효율 12.2%, 최대출력전압 20.77 V)을 사용하였고, 인버터는 H사의 350 W 마이크로인버터(모델명 MI-350, 효율 94.79%, 입력전압범위 16 ~ 60 V)를 사용하였다. 파워 옵티마이저는 N사의 600 W 제품(모델명 NE-GC-02, MPPT 전압범위 8 ~ 60 V)와 개발 제품을 각 BIPV 시스템의 개별 모듈에 적용하였다. BIPV 모듈의 낮은 용량 및 전압 특성을 고려하여 낮은 입력전압을 가진 마이크로 인버터와 파워 옵티마이저를 선정하였다. 파워 옵티마이저의 용량은 최대 정격이기 때문에 실험에서는 입력 및 동작 전압 범위를 주요 선정 기준으로 구성하였다.
Fig. 3은 실험에 사용된 BIPV 시스템의 구성도이다. 모듈 1장은 6 × 6 셀로 구성되어 있고, 바이패스 다이오드는 셀 12개당 1개씩 총 3개가 설치되어 있다. 부분 음영은 직렬 연결된 셀을 고려하여 셀 면적을 기준으로 구현하여 모듈 전체에 동일한 음영을 주었다. 부분 음영 조건은 암막 시트를 사용하여 각 BIPV 시스템의 모듈 1장에 10%, 25%, 50%, 75%의 면적 비율로 구현되었으며, 해당 음영 비율의 실험이 완료될 때까지 하루 내내 동일하게 유지되었다.
데이터 측정 항목은 일사량과 전압, 전류이다. 일사량은 E사의 일사계(모델명 MS-60)를 모듈과 동일한 90° 각도로 설치하여 측정하였고, 전압과 전류는 S사의 변압기를 사용하여 측정하였다. 데이터는 2024년 9월 20일부터 10월 13일까지 1분 간격으로 수집되었다.
데이터 분석은 크게 두 가지 방법으로 진행되었다. 첫 번째로 음영 조건별 맑은 날을 선정하여 분석을 수행하였다. 맑은 날의 기준은 운량이 3 이하인 날로 선정하였으며10), 선정된 날짜의 일간 1분 단위 발전전력의 변화로 최대 발전전력, 최대 발전효율, 일간 발전량, 발전 성능을 분석하였다. 발전 성능을 나타내는 성능비(Performance Ratio, PR)는 실측 발전량을 이론적 발전량으로 나눈 후 100을 곱하여 백분율로 식(1)과 같이 산출하였다. 이때 이론적 발전량은 일사량, 모듈 면적, 모듈 효율, 인버터 효율 등을 고려하여 식(2)로 계산하였다. 두 번째 분석은 음영 조건별 전 기간의 데이터를 활용하여 수행하였다. 일사량 및 태양광 발전전력 데이터를 대상으로 선형회귀분석을 진행하여 정규화된 발전전력 값을 도출하였다. 이를 통해 미음영 조건 대비 각 음영 조건별 발전 손실률을 산출하여 비교 분석을 수행하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 음영 조건별 일간 발전 성능 특성
선행연구4)에서는 파워 옵티마이저를 적용한 BIPV 시스템이 미적용 시스템보다 발전 손실률이 낮음을 확인하였다. 또한 일반 제품과의 비교에서는 너무 낮거나 높은 음영 비율에서 발전 손실률의 차이가 미미한 것으로 나타났다. 본 실험에서 각 음영 조건별 일반 제품과 개발 제품의 성능을 비교한 결과, 두 제품 모두 음영 비율이 높아질수록 발전전력이 저하되는 경향을 보였다. Table 2는 음영 조건별 맑은 날을 대상으로 BIPV 시스템별 일간 발전 특성을 상세 분석한 것이다. 최대 발전전력의 괄호 값은 정격출력 대비 최대 발전효율이고, 발전량의 괄호 값은 발전 성능을 의미한다. 맑은 날 기준의 미음영 조건에서 일반 제품과 개발 제품의 최대 발전전력은 각각 212.0 W (62.0%)와 213.8 W (62.5%)였고, 발전량은 1.490 kWh (90.9%)와 1.494 kWh (93.8%)로 유사했으나, 음영 비율이 높아질수록 차이가 커졌다. 특히 75% 음영 조건에서는 일반 제품이 87.1 W (25.5%)와 0.390 kWh (27.1%), 개발 제품이 124.4 W (36.4%)와 0.558 kWh (39.8%)로 발전전력과 발전량의 격차가 가장 크게 나타났다.
Fig. 4는 기준이 되는 미음영 조건과 두 제품의 성능 차이를 잘 보여주는 25%와 75% 음영 조건에서 맑은 날의 일간 1분 단위 일사량과 시스템별 발전전력 변화를 그래프로 표현한 것이다. 미음영 조건에서는 두 시스템의 발전전력이 유사하였고, 25% 음영 조건에서는 일반 제품이 개발 제품보다 더 높은 발전전력을 보였다. 75% 음영 조건에서는 특히 오전 시간대에 급격한 출력 변동에도 불구하고 개발 제품이 일반 제품에 비해 더 높은 발전전력을 안정적으로 유지하였다. 이는 개선된 MPPT 제어의 작동 효과로 판단된다. 오전 8시 전후의 저전압 조건에서는 개발 제품이 정상 동작하여 일반 제품보다 높은 발전전력을 보였다. 다만, 오후 4시 이후 보이는 일반 제품 대비 개발 제품의 낮은 발전전력은 개발 제품이 설치된 시스템의 미음영 모듈에 발생한 파라펫에 의한 음영의 영향 때문이다.
Table 2
Daily power characteristics of BIPV systems under different shading conditions on a clear day
| Shading condition | Date |
Mean cloud amount |
Irradiance (kWh/m2/d) | Maximum power (W) | Energy (kWh) | ||
| a)Conv. PO | b)New. PO | Conv. PO | New. PO | ||||
| No shading | 23.09.2024 | 0.8 | 4.92 |
212.0 (62.0%) |
213.8 (62.5%) |
1.490 (90.9%) |
1.494 (93.8%) |
|
Shading 10% on 1 module | 24.09.2024 | 1.0 | 4.94 |
206.4 (60.4%) |
206.5 (60.4%) |
1.415 (86.1%) |
1.408 (88.2%) |
|
Shading 25% on 1 module | 29.09.2024 | 1.5 | 4.72 |
192.0 (56.1%) |
174.3 (51.0%) |
1.248 (79.5%) |
1.143 (74.9%) |
|
Shading 50% on 1 module | 02.10.2024 | 2.0 | 5.26 |
171.2 (50.1%) |
135.3 (39.6%) |
0.948 (54.2%) |
0.974 (57.3%) |
|
Shading 75% on 1 module | 08.10.2024 | 1.3 | 4.33 |
87.1 (25.5%) |
124.4 (36.4%) |
0.390 (27.1%) |
0.558 (39.8%) |
각 BIPV 시스템의 모듈별 발전 특성을 살펴보기 위해 Fig. 5는 75% 음영 조건에서 맑은 날인 2024년 10월 08일의 음영 모듈과 미음영 모듈에 대한 발전전력 변화를 나타낸 것이다. 개발 제품을 적용한 시스템에서는 음영 모듈과 미음영 모듈 모두 독립적인 MPPT 제어를 통해 각각 최적 발전이 이루어졌다. 반면, 일반 제품에서는 음영 비율이 높은 조건에서 음영 모듈의 영향으로 미음영 모듈도 발전전력이 함께 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 개발 제품에서 오전 10시 전후의 전력 변화는 환경적 요인과 MPPT 동작에 의한 것으로 판단된다.
3.2 일사량에 따른 발전 손실률 분석
음영 조건별 전 기간 데이터를 분석한 일사량과 발전전력의 관계는 Fig. 6과 같으며, 선형회귀분석 결과 모든 조건에서 R2값이 0.9 이상으로 높은 상관관계를 보였다. 음영 비율이 높아질수록 동일 일사량 대비 발전전력이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 특히 75% 음영 조건에서 일반 제품은 발전전력이 크게 저하된 반면, 개발 제품은 상대적으로 높은 발전전력을 유지하였다. 두 BIPV 시스템의 음영 조건별 일사량과 발전전력의 선형회귀식을 나타낸 Fig. 7에서 일반 제품은 미음영 대비 음영 비율이 높아질수록 기울기가 급격히 감소하였으나, 개발 제품은 상대적으로 완만한 감소를 보였다.
미음영 조건 대비 음영 조건별 두 제품을 활용하여 BIPV 시스템의 평균 발전 손실률을 나타낸 Fig. 8을 보면, 10% 음영 조건에서는 두 제품 간 성능 차이가 미미했으며(일반 4.2%, 개발 6.6%), 25% 음영 조건에서는 일반 제품이 우수한 성능을 보였다(일반 10.0%, 개발 18.2%). 그러나 50% 음영 조건에서는 개발 제품이 더 낮은 발전 손실률(일반 40.6%, 개발 32.4%)을 보였으며, 75% 음영 조건에서는 그 차이가 12.1% (일반 70.2%, 개발 58.1%)까지 확대되었다. 결과적으로 BIPV 모듈 단위용으로 개발된 파워 옵티마이저는 미설치 대비 모든 음영 조건에서 발전 손실률이 완화되었으며, 특히 음영 비율이 높은 조건에서 일반 PV용 파워 옵티마이저보다 우수한 성능을 보이는 것으로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 BIPV 모듈 단위 파워 옵티마이저를 개발하고 부분 음영 조건에서의 발전 손실률을 분석하였다. 선행연구에서는 파워 옵티마이저의 적용여부에 따른 실험을 진행하여 미적용 대비 일반 제품 적용 시의 발전 손실이 완화되는 것을 확인하였다. 그러나 음영 비율이 높은 조건에서는 파워 옵티마이저의 적용 효과가 미미하였다. 본 연구에서는 BIPV 모듈의 특성을 고려하여 저전압과 저전력 조건에서 동작하도록 파워 옵티마이저를 개선하였다. 개발된 파워 옵티마이저는 낮은 음영 조건에서는 일반 제품과 유사하거나 다소 낮은 발전성능을 보였으나, 음영 비율이 50% 이상으로 높은 음영 조건에서는 일반 제품 대비 우수한 발전성능을 보였다. 특히 75% 음영 조건에서는 발전 손실률이 12.1%로 더 낮게 나타났다. 결과적으로, 본 연구에서 개발한 파워 옵티마이저는 모든 음영 조건에서 미설치 대비 발전 손실이 완화되는 것으로 확인되었다. 실험 결과를 통해 개발된 BIPV 모듈 단위의 파워 옵티마이저는 도심 환경에서 발생하는 부분 음영으로부터 BIPV 시스템의 발전 손실을 완화하는데 기여할 수 있다는 것을 보여주었다. 다만, 본 연구는 다양한 환경 변화를 고려하여 이루어진 장기간의 실험이 아니라는 한계가 있다. 향후 연구에서는 장기적인 실증 실험과 함께 경제성 분석을 진행할 예정이다. 이를 통해 BIPV 시스템의 발전성능 향상과 제로에너지건축물 보급 확대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
