서 론
연구배경 및 목적
PV 발전량 증가 방안과 관련된 기존 연구
양방향 어레이의 개요
PV 발전량 실측 및 결과
실측 개요
발전 현황 검토
PV 발전량 결과 검토 및 분석
월간 및 1일 발전량 검토
BRPV 어레이에 의한 발전량 변화 검토
결 론
서 론
연구배경 및 목적
건축 부문에서 친환경· 에너지 저감 기술 및 신재생에너지 도입에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있으며(President, 2014) 주거 건물은 2025년부터, 비주거건물은 연면적에 따라 2030년부터 제로에너지 의무화가 예정되어 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015a; 2015b). 주지하다시피, 제로에너지 건물은 패시브 및 액티브 기술의 적극적인 활용을 통해 건축물에너지효율등급 1++를 확보하고 에너지 자립율을 최소 20% 이상 달성해야 하므로 신재생에너지의 확대 적용이 필요불가결하게 되었다. 하지만 한국의 도시는 높은 용적율의 고밀개발로 인해 부지의 단위면적당 에너지소비량이 많아(Kim et al., 2013), 가장 보편적 주거 유형인 공동주택에서도 제로에너지 건물 등급의 실현은 용이하지 않은 실정이다(Song et al., 2011).
한편, 건물에의 적용 사례가 많은 태양광 발전은 건물의 상부에 설치되는 것이 일반적이나 한정된 옥상층 면적만으로는 발전량의 한계가 있으므로(Yang et al., 2013), 건물의 입면을 적극 활용한 발전용량 증대 방안의 연구와 사례 적용 역시 활발히 이루어지고 있다(Park et al., 2011). 따라서, 본 논문은 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)로의 확장을 염두에 둔 PV 어레이를 제시하고, 실측을 통해 연간 에너지 발전량의 증가량을 파악하여 향후, 건물에너지 자립율 향상을 위한 설계의 기초자료로 이용하기 위해 작성되었다.
PV 발전량 증가 방안과 관련된 기존 연구
Kasim et al. (2019)은 90% 이상의 반사율을 지닌 알루미늄 패널 및 X-Y 회전축을 적용한 시스템(CPVT)과 30°로 고정된 기존 PV 어레이와의 실측 비교를 실시하였다. 그 결과 1일 평균 125%, 오전 최대 312%, 오후 최대 230%의 발전량이 증가함을 확인하였다. 또한, Kim et al. (2009)은 고정식 태양광발전시스템과 알루미늄 반사판을 이용한 단축형 추적식 시스템의 실제 운전 특성을 비교하였다. 추적장치의 회전각은 90°, 고도각은 15°의 경사를 갖는 단축형 추적시스템을 적용하였다. 동계기간 45일간의 실측 결과, 고정식 대비 약 42%의 발전 효율 증가 효과를 확인하였다. 아울러, Jeong et al. (2008)은 CPC (Compound Parabolic Concentrator) 형태의 반사형 광학장치를 적용하여 PV 패널의 표면에 균일한 일사 분포를 유도, 발전 효율 개선에 대한 연구를 실시하였다. 그 결과 일사량 550 W/m2 이상의 조건에서 집광장치가 없는 케이스 대비 약 20% 발전량의 증가를 확인하였다. 그러나 상기 연구들에서는 추적장치와 반사판을 사용하여 태양광 모듈에 집광되는 일사량을 늘리는 방식이 사용되어 BIPV 용도로 적용하기에는 공간적 제약이 커질 것으로 판단된다. 또한, 알루미늄 반사판을 이용한 PV 발전의 개선은 효과가 있는 것으로 나타났지만, 비용 측면에서 메리트가 거의 발생하지 않기 때문에 실질적인 확산으로까지는 이어지지 않은 것으로 보인다. PV 모듈의 W당 생산 가격(Bloomberg, 2021)은 지속적으로 하락하고 있으나, 반사판의 주재료인 알루미늄 가격은 거의 변동이 없는 것(IMF, 2021)도 하나의 이유라 하겠다.
양방향 어레이의 개요
본 논문에서는 PV 모듈에서 일어나는 반사광을 활용하는 신규 어레이를 제안한다. PV의 표면 반사율은 태양 입사각에 영향을 받으며(ForgeSolar, 2021), 태양 입사각이 정면이 아닌 경우에는 최대 60%까지 반사가 일어난다(Yellowhair and Ho, 2015). Figure 1과 같이 고정형 어레이에서 대부분의 시간대에 발생하는 반사광을 활용하기 위해 2장의 PV 모듈을 수직으로 결합하여 양반사에 의한 발전 효율을 극대화 하는 구조를 BRPV (Bidirectional Reflectance Photovoltaic, 양반사 PV)라고 칭하기로 한다. 기존의 연구에서는 알루미늄 반사판을 이용하여 효율을 개선하였지만, 본 논문에서는 PV 모듈 자체의 반사율을 이용하는 것이 상이하며 특징적인 부분이다.
PV 발전량 실측 및 결과
실측 개요
PV 어레이의 배치에 따른 발전량을 파악하기 위해 경기도 고양시에 위치한 5층 건물의 옥상층에 Figure 2와 같이 총 5개의 패널을 설치하였다. 태양광 패널은 L사 제품으로 300 W 단결정 형식, 발전효율은 17.5%, 1매의 면적은 1.65 m2이며, 동일한 제조사의 마이크로 인버터를 패널마다 별도로 설치하였다. 그림의 왼쪽편에 90° 이루어진 어레이가 본 연구에서 다루고 있는 BRPV이며, 오른편은 각각 수직과 수평 어레이의 모습이다. 뒤편에 기울어진 상태의 패널 앙각은 30° 이며, 모든 PV 패널은 정남향으로 설치되었다. 또한, 어레이에 의한 상호 간섭이 발생하지 않도록 상호 1 m 이상의 충분한 이격 거리를 확보하였으나, 주변의 건물에 의한 음영으로 태양 고도각이 낮은 시간대에 매우 미약하게 영향을 받는 환경이다. 측정 기간은 2019년 5월부터 2020년 4월까지의 1년, 측정 간격은 1분이며 본 실측에 사용된 각 패널은 사전 확인을 실시하여 상호 출력 편차가 1% 이하임을 확인하였다.
발전 현황 검토
측정 기간 중 인버터 고장 및 전원 차단 등으로 2019년 6월, 9월, 10월, 2020년 3월, 4월에 장기 데이터 결손이 발생하여, 본 연구에서는 이 기간과 기타 부정기적으로 나타난 결손일을 제외한 235일의 데이터를 바탕으로 결과를 파악하기로 한다. 특히, 2019년 10월은 측정 데이터가 전무하여 측정결과의 분석, 검토 및 서술에서 누락하는 것으로 한다. Figure 3은 연간 유효 데이터일을 나타낸 것으로 검은 부분은 사용 가능한 데이터가 있는 날을 의미하며, 태양 고도각을 참조하기 위해 실측일 위에 춘분, 하지, 추분, 동지일의 위치를 추가로 표기하였다.
본 연구는 건물의 옥상층이나 주차장 등의 부지에 설치를 목적으로 하지 않고 향후 BIPV 적용을 위한 BRPV의 발전량 변화 파악이 주요 목적이므로, 단독 수직패널 어레이(이하, PV-V), 단독 수평패널 어레이(이하, PV-H), 양반사 어레이의 수직 패널(이하, BRPV-V) 및 수평 패널(이하, BRPV-H)의 발전현황과 발전량을 중심으로 파악하였다. 따라서 경사 패널에서 얻어진 발전량 데이터는 실측 단계에서 발생하는 문제점 파악 등을 참조하기 위한 값으로만 활용하였고, 본 논문에서는 별도로 언급하지 않는 것으로 하였다.
Figure 4는 각 PV 어레이를 대상으로 유효데이터 234일간의 1일 발전량을 오름차순으로 정리한 것이다. 06시부터 18시까지의 12시간 동안 발전한 양의 합산으로 1일 발전량을 산출하였으며, 단독 PV-V와 BRPV-V 그리고 PV-H와 BRPV-H의 발전량과 패턴이 유사하나, 어느 경우에도 BRPV의 발전량이 단독 패널보다 발전량이 상회하는 것으로 나타났다.
한편, Figure 5는 절기가 포함된 달의 1일 시간당 발전의 현황을 나타낸 것이다. PV 발전의 특성 상, 해당월의 대표일을 선정하기가 곤란하고 결손일이 발생하여 부득이하게 평균값을 적용하였다. 예를 들어 3월의 12-13시의 발전량은 해당월의 유효 데이터가 있는 모든 날들의 12-13시 사이의 발전량 평균값을 의미한다. 2020년 3월과 2019년 9월은 태양의 남중고도각이 거의 동일하여 1일 발전량의 시간당 현황은 유사하게 나타났다. PV-H를 기준으로 시간당 최고 발전량은 3월과 9월에 각각 114.4 Wh, 90.2 Wh이며 1일 발전량은 801.4 Wh, 604.4 Wh이다. 남중고도가 가장 높은 2019년 6월은 12~13시 사이에 139 Wh로 하루 중 최고 발전량을 보였고 1일 발전량은 987.6 Wh로 나타났으나, 태양의 고도가 낮은 12월의 시간당 최고 발전량은 76.8 Wh, 1일 발전량은 382.4 Wh에 머물렀다. 이와 같이 절기에 따른 발전량의 변화는 태양고도각이 높아질수록 수평면에 도달하는 태양광의 밀도가 높아지고, 고도각이 낮을수록 단위면적에 도달하는 태양광이 적어지기 때문이다.
반면 PV-V의 발전량은 태양의 고도각이 높아질수록 낮아지는 추세로, 시간당 최대 발전량은 6월에 45 Wh, 12월에 116.5 Wh로, 그 결과 1일 발전량은 6월 284.3 Wh, 12월에 465.1 Wh로 나타났다. 3월과 9월은 PV-V와 같이 해당월 모두 비슷한 발전 형태를 보이며, 3월과 9월의 시간당 최대 발전량은 각각 69.2 Wh, 50.3 Wh이며, 1일 발전량은 440.9 Wh과 302.4 Wh를 보였다.
PV 발전량 결과 검토 및 분석
월간 및 1일 발전량 검토
Figure 6은 PV 어레이의 배치에 따른 월간 발전량을 나타낸 것이다. 1월, 2월, 5월, 8월의 발전량이 상대적으로 많지만, 앞서 언급한 데이터 결손일이 반영되었기 때문에 월별에 따른 발전량의 증감 패턴 등의 변화는 추정하기가 용이하지 않은 상황이다. 또한, 11월과 12월의 PV-V값은 건물 주변 음영의 영향을 받아 BRPV-V의 발전량보다 상대적으로 적게 나타났으며, 2000년 1월 이후의 값은 PV-V 어레이의 위치를 변경하여 실측한 것이다. 그러나, 동일한 월 내에서의 수평과 수직 패널 발전량 차이는 데이터 결손과 무관하게 파악가능하다. 일례로 5~9월까지의 수평패널 발전량이 수직보다 많은 것은 태양 고도각이 높아지는 시점과 상관 관계가 있는 것으로 보인다.
한편, 데이터 결손에 따른 영향을 배제하고자 각 월의 유효데이터일만을 고려하여 Table 1과 같이 월별 1일 평균 발전량을 산출하였다. 연간으로 볼 때 PV-V 및 BRPV-V의 발전량은 6월 전후에 가장 적고 이후 증가하고 있으며, PH-H 및 BRPV-H는 12월에 최솟값을, 5월에 최댓값을 나타내었다. 각 어레이의 월별 1일 평균 발전량의 합산은 PV-V 5,083 Wh, BRPV-V 6,753 Wh, PH-H 8,772 Wh, BRPV-H 9,528 Wh이며 이를 1년으로 단순 치환할 시, 기대가능한 어레이의 발전량은 PV-V 167.8 kWh, BRPV-V 222.8 kWh, PH-H 289.5 kWh, BRPV-H 314.4 kWh로 추정된다.
Table 1.
Mean value of daily power generation of each month
BRPV 어레이에 의한 발전량 변화 검토
Figure 7은 각각 PV-V와 BRPV-V, PH-H와 BRPV-H의 발전량의 상관관계를 나타낸 것으로 본 논문에서 다루고 있는 BRPV 어레이의 발전 특성을 파악하기 위해 작성한 것이다. 전술한 바와 같이 BRPV는 패널 표면의 반사율을 이용하여 태양의 직사광과 반사광을 동시에 활용할 수 있으므로 단위면적당 태양광 밀도 증가가 예상되었다.
동일한 날을 기준으로 BRPV의 수직 및 수평 패널의 값이 단독 PV의 발전량보다 적게 나타나는 날들도 관측된다. 특히 1일 발전량이 많은 구간의 BRPV-H에서 그 경향이 뚜렷이 보이는데, 이는 BRPV의 구조상 수직 패널과 마주하는 면에서의 확산일사를 받지 못하기 때문에 나타나는 것으로 사료된다. BRPV-V 역시 동일한 이유에 의해 확산일사량이 감소하여 단독 PV 수직 패널의 1일 발전량보다 적은 날이 발생하나, 어느 경우에도 BRPV에 의한 양반사 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
동일한 날을 기준으로 BRPV의 수직 및 수평 패널의 값이 단독 PV의 발전량보다 적게 나타나는 날들도 관측된다. 특히 1일 발전량이 많은 구간의 BRPV-H에서 그 경향이 뚜렷이 보이는데, 이는 BRPV의 구조상 수직 패널과 마주하는 면에서의 확산일사를 받지 못하기 때문에 나타나는 것으로 사료된다. BRPV-V 역시 동일한 이유에 의해 확산일사량이 감소하여 단독 PV 수직 패널의 1일 발전량보다 적은 날이 발생하나, 어느 경우에도 BRPV에 의한 양반사 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
수직 패널의 발전량, 즉 PV-V와 BRPV-V의 관계(a)에서 PV-V의 1일 발전량이 약 700 W 이상의 날에 대해 BRPV-V의 발전량은 다소 분포가 흩어져 있으나, 전체의 값 기울기는 약 1.2, y절편이 약 49.9로 발전량 상승이 확인되었으며, 이는 양반사에 의한 효과로 판단된다. 아울러, 수평 패널의 발전량(b)에서는 양반사에 의한 발전량 증가가 수직 패널과 대비하여 상대적으로 작으나 결정계수 R2값(0.967) 이 신뢰할만한 수준이며, y절편이 약 67.9로 BRPV에 의한 발전량 증가 특성이 드러났다 하겠다.
Table 2는 월간 발전량의 1일 평균값을 바탕으로 BRPV에 의한 수직 및 수평 패널의 발전량 증가량을 비율로 나타낸 것이다. 아울러, 표의 증가율 평균값은 각 월의 값 평균이 아닌 연간 발전량을 기준으로 산출하였다. BRPV-V의 발전량 증가율은 6.3~82.9%, 평균 32.8%이며, BRPV-H의 증가율 범위는 –0.3%에서 최대 20.1%로 연평균 증가율은 8.6%로 나타났다. 한편, BRPV의 수직 패널 발전량 증가율이 상대적으로 큰 것은 실측 장소의 위도, 즉 태양의 고도각과 관련이 있을 것으로 사료된다. 해당 지역의 연간 남중 태양고도각의 범위는 약 28°~74°로, 기하학 상으로 수직과 수평으로의 양반사가 균일하게 형성되는 45° 조건보다 높은 고도각 기간이 길어 수직 패널에 상대적으로 많은 양의 반사광이 입사되었을 것으로 판단된다.
결 론
본 논문에서 2019년 5월부터 1년간의 실측 기간 중 234일의 유효일 데이터를 바탕으로 PV 어레이별 발전 현황과 발전량을 정량적으로 분석하였다. 연간 발전량은 BRPV-H가 가장 많으며, PV-H, BRPV-V, PV-V 순으로 감소하고, 태양의 남중고도가 높아질수록 PV-H 및 BRPFV-H 어레이의 발전량이, 또한 고도가 낮아질수록 PV-V 및 BRPV-V의 발전량이 증가하는 것으로 나타났다.
한편, BRPV 어레이의 양반사에 의한 발전량 증가 효과는 수직 패널의 경우 연평균 32.8%, 수평패널은 8.6%로 확인되었으며 증가 원인은 양반사에 의한 반사광의 유효 활용으로 판단된다. 또한, PV-V와 PV-H의 합산, 즉 단독 수평 및 수직 어레이에 의한 연간 발전량의 합은 301.3 kWh, BRPV 발전량은 353.8 kWh로 BRPV 어레이에 의해 약 17.5% 증가하는 것을 확인하였다. 단독의 수평 및 수직 어레이와 BRPV 어레이의 단순 비교가 가능한지에 대한 논의는 본 논문에서 차치하기로 하지만, 동일한 2장의 패널과 앙각을 활용하고 어레이의 상이한 배치만으로 이와 같은 결과를 얻을 수 있다는 것은 PV 발전량 증대 방안에 시사하는 바가 크다 하겠다. 아울러, 본 논문의 결과에 이어 BRPV 어레이를 건물에 접목시킨 BIPV 모델을 개발하여 건물의 부하저감 및 부지내 발전 관점에서 연구를 이어나가고자 한다.
