1. 연구 배경
2. 연구 방법
2.1 실험 개요
2.2 실험 범위 및 조건 산정
2.3 실측 실험을 통한 데이터 수집
3. 실험 결과
3.1 후면 통기 조건에 따른 실험 결과
3.2 강판일체형 태양광 모듈과 일반강판의 온도특성 비교 분석 결과
4. 결 론
기호 및 약어 설명
SIPV : Steel Integrated Photovoltaic Module
BIPV : Building Integrated Photovoltaic Module
GTB : Glass to Backsheet
DAQ : Data Acquisition
ADC : Analog to Digital Converter
1. 연구 배경
국제 에너지 기구에서 공개한 ‘World Energy Outlook 2022’ 보고서에 따르면 건물 부문은 2021년도 기준 전 세계 전체 에너지 사용량의 30%를 차지하며, 이산화탄소 배출량은 전기 및 열 생산의 간접 배출량을 포함하여 전체 배출량의 30%를 차지한다. 또한 건물 및 건설 부분은 건축 자재 및 장비 운반과 같은 건설 관련 에너지 사용을 제외하더라도 에너지 사용량 및 이산화탄소 배출량에서 큰 비중을 차지하고 있다1). 이와 같은 문제들을 개선하고자 전 세계 각국에서 신·재생 에너지 중 태양광 발전 시스템을 적극 활용하고 있다. 이중 태양광 모듈로 건축물 외장재를 대체함과 동시에 설치 건물 전체의 에너지 소요량을 자체적으로 충족할 수 있는 시스템 건물일체형 태양광 발전(Building Integrated Photovoltaic; BIPV) 시스템이 확장·도입되고 있다2,3,4).
건물일체형 태양광 시스템의 최적 적용 및 고효율 운영을 위해선 환경요인, 내부요인, 설치 및 운영요인, 경제적 요인 등을 종합하여 PV 패널의 성능에 영향을 미치는 요소들에 대해 꾸준한 분석 및 대응이 필요하다5,6). 구조적 측면에선 건물 외장재의 일부분을 대체하였기 때문에 내구성, 내화성과 같은 요구성능들을 충족해야 하며7) 발전 측면에선 먼지, 물방울, 새 배설물 및 부분 음영 조건과 같은 설치환경에 의한 손실을 고려해야 한다8). 이외에도 태양광 모듈 발전에 직접적인 영향을 미치는 다양한 물리적인 요소들이 존재하며9,10) 대표적으로 태양광 모듈의 온도에 대한 요인이 있다. 태양광 모듈의 온도 상승은 태양광 모듈 커버 유리의 열 파손을 초래할 수 있으며11,12) 커버 유리가 파손되면 외부 산소와 수증기가 모듈에 침투하여 셀과 전기회로 부식이 발생하게 되고 이는 시간이 지남에 따라 성능 손실을 초래한다13). 이처럼 태양광 모듈의 온도 상승은 직·간접적으로 발전 성능 저하를 유발하기 때문에 반드시 고려되어야 하는 필수 사항이다14). 이에 따라 태양광 모듈의 온도 상승이 발전량에 끼치는 영향에 대한 연구가 다양한 측면에서 활발히 이뤄지고 있다.
Gan et al. (2009)15,16)은 전산유체역학(CFD)을 이용하여 PV 모듈과 건물 외피 사이의 공극이 셀 온도 측면에서 PV 성능에 미치는 영향을 평가하고 PV 장치의 과열을 최소화하는데 최소 100 mm의 공극이 필요함을 평가하였다. 또한 Kim et al. (2017)17)은 일반 태양광 모듈로 구성된 PV Louver와 태양광 모듈 후면에 단열재 대신 PVS를 부착한 PV Louver의 슬랫각도에 따라 후면 환기 조건을 구성하고 그에 대한 발전 성능을 평가하였다. Yoon et al. (2006)18)와 Yoon et al. (2007)19) 경우 BIPV 모듈을 건물 수직면 및 지붕면에 부착 시 후면 통기 조건에 따른 모듈 온도 및 발전 성능의 상호관계를 분석하였으며 다양한 후면 조건 실험을 통해 BIPV 모듈 시공에 대한 기초자료를 수립하였다. 하지만 건축 외장재 형태로 개발된 태양광 모듈의 온도 특성에 관한 연구는 여전히 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 건축 외장재 형태로 개발된 태양광 모듈의 온도 특성 분석을 목표로 수행되었다. 본 연구에서 활용한 건축 외장재 형태의 태양광 모듈은 금속 재질의 지붕 외장재 위에 태양광 모듈을 일체화한 제품(이하 강판일체형 태양광 모듈)으로 태양광 모듈 부착에 따른 온도 특성과 후면 통기 조건 변화에 따른 온도 특성 평가를 동시에 수행하였다.
2. 연구 방법
2.1 실험 개요
강판일체형 태양광 모듈(Steel-integrated photovotaic module, SIPV)의 온도 특성 평가는 두 가지 측면에서 평가되었다. 첫 번째는 강판일체형 태양광 모듈과 건물 구조체 사이 통기 조건에 따른 온도 특성 평가이다. 해당 온도 특성 평가를 통해 통기 조건에 따른 온도 거동 특성을 평가하였다. 두 번째는 태양광 모듈이 부착되지 않은 일반강판(Steel)과 태양광 모듈이 부착된 강판일체형 태양광 모듈(SIPV)의 온도 특성 비교를 통해 태양광 모듈 부착에 따른 온도 거동 특성을 평가하였다.
실험을 위해 일반강판과 일반강판 위에 Glass to Backsheet (GTB) 유형의 모듈이 부착된 강판일체형 태양광 모듈을 제작하였다. 일반강판은 1.2T의 두께이며, 전면이 검정색으로 도장되어 90%의 이상이 태양흡수율을 나타낼 것으로 판단된다. 강판일체형 모듈은 동일한 일반강판 위에 GTB 유형의 태양광 모듈을 부착한 형태이다. 이때 GTB 모듈은 백색의 Basksheet와 Shingled solar cell 그리고 3T 저철분 강화유리를 사용하여 제작되었다. Table 1은 일반강판과 강판일체형 모듈의 열적 특성을 나타낸 것이다. 일반강판에 대한 전후면 방사율(Emissivity)은 방사율 측정 장비20)를 통해 측정되었으며, 강판일체형 모듈 전면의 저철분 강화유리에 대한 방사율은 Subedi et al. (2019)21) 선행연구 결과를 참고하여 나타낸 것이다.
Table 1
Properties of SIPV and Steel
| Contents | SIPV | Steel |
| Size | 660 mm * 420 mm | 660 mm * 420 mm |
| Thermal emissivity of front side | 0.89 | 0.83 |
| Thermal emissivity of Back side | 0.83 | 0.83 |
일반강판과 강판일체형 태양광 모듈의 온도 특성 실험은 국내 대학 옥외 실험 설비에 설치된 Down scale mock-up을 활용하였다. Mock-up은 본 연구의 실험 변수인 통기 조건 외 다른 물리적인 요소로부터 받는 영향이 최소화되도록 다음과 같이 제작하였다.
1) Fig. 1과 같이 옥외 실험시설 옥상에 정남향으로 배치하여 인접 건물 및 식생으로부터 태양광 모듈 표면에 생기는 음영을 최소화하였다.
2) 실제 건물의 30도 각도 지붕을 모사하여 Down scale Mock up을 제작하였으며, Fig. 2와 같이 후면 공기층에서 자연대류가 발생할 수 있도록 상단부와 하반부에 개폐 조절이 가능한 통기 조절용 벤트를 설치하였다.
3) Mock-Up 경사면에 강판일체형 태양광 모듈과 일반강판을 설치하여 비교 분석을 진행하였다.
4) SIPV와 Steel 설치 시 Mock-Up 경사면과의 이격 거리는 Gan et al. (2009)16)의 실험 결과에 따라 100 mm로 설정하였다.
2.2 실험 범위 및 조건 산정
실험체 위치 및 향 선정 이후 추가 음영 분석 및 일조시간 분석을 위해 음영 분석 실험 기자재 SunEye 210 Shade Tool을 활용하였다. SunEye 210 Shade Tool은 어안렌즈로 촬영된 사진에 태양 궤적도를 덧씌워 연간 Sunpath 분석이 가능한 장비이다. 측정 결과는 음영이 발생하는 범위는 녹색, 발생하지 않는 범위는 황색으로 표시된다. 현장 분석 결과 Fig. 3과 같이 동절기 09시 ~ 16시, 하절기 07시 ~ 17시에 음영이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 이에 해당하는 결과를 토대로 실험 범위를 선정하고 분석에 활용하였다.
실험 조건은 선행 논문의 실험 결과를 토대로 Table 2와 같이 실험체 상단부와 하단부에 설치된 통기 조절 장치의 개폐 여부에 따라 구분하였다. 또한 실험 측정 기간 중 일평균 전운량이 8 이상에 해당하는 일자는 분석에서 제외하였다.
Table 2
The rear ventilation conditions according to experimental type
| Contents | The rear ventilation conditions | |
| Upper vent | Lower vent | |
| Case. 1 | Open | Open |
| Case. 2 | Open | Close |
| Case. 3 | Close | Close |
2.3 실측 실험을 통한 데이터 수집
Fig. 4는 본 연구의 데이터 수집에 대한 일련의 과정을 도식한 것이다. 실험 측정을 통해 태양광 모듈 및 강판의 후면부에 대한 데이터와 기상 데이터를 수집하였다. 후면부 온도 데이터의 경우 설치된 실험체에 Fig. 1와 같이 후면 중앙과 통기구 내부(상/중/하)에 온도센서를 부착하여 측정하였다. 일사량 및 외기온도를 포함한 외부 기상 데이터는 두 가지 경로를 통해 수집하였다. 일사량 및 외기온도의 경우 실험시설에 구비된 모니터링 장비를 활용하여 데이터를 수집하였으며, 이외에 측정하지 못한 나머지 운량, 풍속과 같은 기상 데이터는 기상청 기상자료 개방 포털 사이트에서 제공하는 대전 기상 자료23)로 분석에 활용하였다. 계측 장비 및 센서에 대한 정보는 아래 Table 3과 같다.
Table 3
Manufacturer’s specifications of instruments for measurement
3. 실험 결과
3.1 후면 통기 조건에 따른 실험 결과
Fig. 5는 Down scale mock up의 후면 통기 조건에 따른 실측 실험 결과를 도식한 것이다. 2022.02 ~ 2022.03 (동절기)과 2022.06 ~ 2022.08 (하절기) 두 절기에 각각 실험 조건별 후면 통기 조건에 따른 실험 결과를 비교 분석하였다. 일평균 일사량이 500 W/m2 이상인 이틀을 대표일로 선정하여 비교하였다. 이때 각 실험 조건별 대표일의 기상 조건은 Table 4과 같다.
Table 4
Meteorological conditions of the representative two days for each experimental condition
동절기 대표일을 비교한 결과 Case. 1이 Case. 2와 Case. 3보다 강판일체형 태양광 모듈의 각 측정 위치별 일평균 온도가 더 낮게 나타났다. 이는 대표일 간에 일평균 일사량 및 외기온도와 같은 여러 가지 요인을 고려할 때 모두 개방된 조건이 모두 차단된 조건보다 태양광 모듈 온도 상승을 조절하는데 더 효과적임을 확인할 수 있었다. 하단부 벤트만 차단된 Case. 2의 경우 모두 개방된 조건 Case. 1과 모두 차단된 조건 Case. 3의 중간 수준으로 측정되었다.
하절기 대표일의 각 측정 위치별 일평균 온도를 비교한 결과 상단부와 하단부 벤트가 모두 개방된 Case. 1에서 가장 낮게 나타났으며 Case. 3에 비해 모듈의 후면 표면온도의 경우 평균 5.75℃ 낮게 나타났으며, 공기층 온도는 평균 11.25℃ 더 낮게 나타났다. 그러나 상단부 벤트만 개방한된 Case. 2의 경우 상단부와 하단부 벤트가 모두 차단된 Case. 3보다 후면 온도가 높게 관측되었다. 해당요인은 결과는 기상조건의 차이로 판단되는데 Case. 2 실험 기간 동안의 일사량이 Case. 3 실험 기간 동안 일사량보다 약 10% 크게 나타났기 때문이다. 이는 상단부 벤트 개방만으로는 내부 공기층의 배출이 원활하게 이루어지지 않는 것으로 나타나며 후면 통기를 통해 온도 상승을 저감시키기 위해서는 상단부 및 하단부 벤트가 모두 개방되어야 하는 것으로 판단된다.
모듈 온도가 높게 형성되는 500 W/m2 이상의 일사량 조건을 대상으로 강판일체형 모듈의 후면온도를 검토하였다. 이에 따라 후면 통기 조건별 온도 패턴을 확인하기 위해 Fig. 6과 같이 측정된 일사량을 100 W/m2 간격으로 범위를 구분하고 각 일사량 구간별 후면 온도분포를 분석하였다.
동절기 실험 결과, 해당 일사 조건에서 Case. 3의 온도가 가장 높은 경향을 보인다. 800 W/m2 이상일 때, 표면온도는 Case. 1에서 최대 54.24℃까지 나타났으며 Case. 2는 최대 66.87℃, Case. 3는 최대 70.88℃까지 나타났다.
Case. 1 조건일 때 태양광 모듈의 후면 온도가 가장 낮게 나타났다. 하절기의 경우 모든 조건에서 800 W/m2 이상일 때 평균 70℃ 이상이며 최대 약 90℃까지 상승하는 것으로 나타났다.
3.2 강판일체형 태양광 모듈과 일반강판의 온도특성 비교 분석 결과
Fig. 7은 일반적으로 건물 외장재로 사용되는 일반강판과 강판일체형 태양광 모듈의 후면 온도를 비교한 결과이다. 분석 결과 강판일체형 태양광 모듈의 후면 온도가 일출 전 새벽 시간(00시 ~ 05시)에 강판의 후면 온도에 비해 높게 나타났으나 06시 이후 상황이 역전되었다. 이러한 현상의 원인은 Steel과 SIPV의 구조와 열적 특성을 통해 추정할 수 있다. Steel과 SIPV의 차이는 태양광 모듈 유무이다. 이 차이로 인해 발생할 수 있는 열적 특성 차이는 전면 흡수율, 전면 방사율, 열관류율, 열용량 등이 있으며, Steel과 SIPV의 차이는 열용량 차이가 주된 원인으로 추정된다. SIPV는 Steel 위에 일반 구조의 태양광 모듈을 결합함으로써 기존 Steel에 비해 열용량이 커지게 되었고 최종적으로 시간대에 따른 후면 온도 상승과 감소에 시간지연(Timelag)이 발생한 것으로 추정된다.
해가 남중에 위치하여 일사 획득량이 가장 많은 13시에 강판일체형 태양광 모듈과 강판 모두 일 최고 온도 86.4℃, 86.7℃에 도달하였다. 실험 결과를 통해 해가 남중고도에 도달한 후에 해가 저물면서 강판일체형 태양광 모듈 후면 온도 대비 강판의 후면 온도가 낮게 나타났다.
4. 결 론
본 논문에서는 강판일체형 태양광 모듈과 강판을 활용한 옥외 실측 실험을 통해 건축 외장재 형태로 개발된 태양광 모듈의 온도 특성 분석을 목표로 수행되었다.실험 결과를 통해 실험 결과를 통해 건물일체형 태양광 발전 적용 시 고려되어야 할 후면 통기 조건과 건축 외장재와의 태양광 모듈 일체화에 따른 온도 특성을 분석하였다.
첫 번째 관점에선 후면 통기 조건에 따른 온도 변화 특성을 분석하였다. 전체 실험 조건 중 태양광 모듈 후면 및 후면 공기 온도가 가장 낮게 측정된 것은 Case. 1이었으며 가장 높게 측정된 것은 Case. 3이었다. 해당 온도 변화 특성을 분석한 결과 상단부와 하단부 벤트가 모두 개방된 Case. 1일 때 태양광 모듈 후면 공기층 내·외부 밀도 차로 인해 발생한 부력이 자연대류를 형성하고, 형성된 자연대류를 통해 공기층 내·외부의 열 순환이 이뤄진다. 이에 따라 통기조절용 벤트가 한 개 이상 차단된 조건에 비해 태양광 모듈 후면 표면 온도와 태양광 모듈 후면 공기층 온도가 낮게 측정된 것을 확인하였다.
두 번째 관점은 일반 건축 외장재(Steel)와 강판일체형 태양광 모듈(SIPV)의 온도 특성을 비교 분석하였다. 강판일체형 태양광 모듈은 태양광 모듈 백시트 후면에 강판을 부착해 줌으로써 건축 외장재에 태양광 모듈을 부착한 조건을 모사하였다. 분석 결과 Steel과 SIPV가 일사량이 높은 주간 시간대에 후면 온도가 86℃ 이상 상승하는 것을 확인하였다. 또한 일출 이후 SIPV의 후면 온도가 Steel의 후면 온도보다 천천히 상승하고, 일몰 이후 천천히 떨어지는 것으로 관측되었다. 이는 일반적으로 건축 외장재로 사용되는 Steel 위에 일반 구조의 태양광 모듈을 결합함으로써 기존 Steel에 비해 열용량이 커지게 되었고 최종적으로 주간엔 온도가 천천히 올라가고 일몰엔 천천히 식는 것으로 판단된다. Steel과 SIPV의 최고 온도는 유사하게 나타나 태양광 모듈이 부착됨에 따라 부가적인 온도 상승 현상은 없는 것으로 확인되었다.
위 실측실험에 대한 두 가지 결과를 통해 건물일체형 태양광 시스템의 설계 시 후면 통기 조건 적용을 통해 온도 상승을 저하해야 함을 시사한다. 차기 연구 진행 시 시뮬레이션 모델링을 통해 후면 마감재의 열적 특성 및 후면 공기층 통기 조건을 추가·변경하여 장기간에 대한 분석을 진행할 계획이다. 건축 외장재 형태의 태양광 모듈을 포함한 다양한 조건 하의 결과를 토대로 BIPV 최적 설계 및 운영 기초를 수립할 것이다.
