1. 서 론
BIPV 모듈은 태양광 모듈을 건축자재로 활용하여 건물 외장재에 적용하는 태양광 모듈로, 기존의 넓은 부지가 필요한 PV 모듈과 달리 별도의 설치 공간이 필요하지 않다는 특징이 있다. 이러한 특징은 도시에서 밀집하여 생활하는 한국 환경에 적합하며, 제로에너지건축물 의무화 시행도 더해져 많은 관심을 받고 있다. BIPV 모듈은 전기 에너지 생산이 주목적이지만 건물 외장재로서의 역할도 하기 때문에 디자인적인 측면도 함께 고려되어야 한다.
일반적인 태양광 모듈은 태양전지를 습기나 오염 같은 외부 요소로부터 보호하기 위해 전면에 투과도가 높은 저철분 태양광 유리가 사용되고 그 밑에 봉지재, 태양전지, 봉지재, 후면 필름 또는 유리를 사용하여 모듈이 태양전지의 색상인 푸른색이나 검은색으로 보여 건물 외장재로서 심미성이 부족하다는 문제가 제기되었다. 이러한 심미성 문제를 해결하기 위해 태양전지 표면의 반사방지막 조절, 염료감응형 태양전지를 사용, 색이 있는 전면 유리나 봉지재 사용, 전면 유리의 전면이나 후면을 금속산화물로 코팅하는 등 색을 구현하기 위한 연구가 진행되고 있다1-3). 또한 유리 기반 BIPV 모듈의 색상 여부, 온도, 풍속, 설치 각도, 후면 환기 여부 등 외부 조건 변동하에서 실험이 수행되었다4-9).
그러나 유리 기반 컬러 BIPV 모듈의 색상은 소재의 반사율이나 투과율을 조절하여 구현되기 때문에 일반적인 태양광 모듈에 사용되는 저철분 강화유리에 비해 투과율이 낮아 모듈의 출력 및 효율이 저하된다는 문제가 있다. 또한 일반적인 BIPV 모듈은 전·후면에 유리를 사용하는 구조로 20 kg/m2 이상의 무거운 무게로 인해 시공성이 좋지 않다는 문제가 제기되었다10).
BIPV 모듈의 경량화를 위해 모듈 전·후면에 Polycarbonate (PC)를 사용한 모듈이나 전면에 Ethylene Tetrafluoroethylene (ETFE), 후면에 알루미늄 벌집 코어 기반 백시트 사용 모듈, 전면에 고분자 다층 필름을 적용하는 실험이 수행되었다10-14). 그러나 실제 외부 조건에서의 모듈 성능 평가는 부족한 실정이다.
본 연구에서는 경량성과 심미성을 확보하기 위해 Poly-ethylene terephthalate (PET)를 코어 층으로 사용한 필름으로 컬러 BIPV 모듈 4종과 전면 투명 필름 모듈을 제작하고 실제 외부 조건에서 발전 성능 평가를 진행하였다. 제작된 모듈의 무게는 2.5 kg/m2 – 3 kg/m2였고, 측정 기간 동안 맑은 날의 필름 모듈의 성능지수는 대부분 80% 이상으로 발전 성능이 양호했다.
2. 실험방법
BIPV 필름 모듈에 사용된 필름은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 두 장의 PET film을 투명 또는 색상 접착액으로 접합시켜 제작되었다. 필름의 전면에는 박막코터를 사용하여 Transparent-film과 컬러필름에 난연성 불소 탑코팅액과 내후성 탑코팅액을 각각 코팅하였다. 제작된 컬러필름의 광학적 특성을 확인하기 위해 UV-vis/NIR spectro-photometer (Jasco, V-670)을 사용하여 300~1200 nm 범위에서 투과도를 측정하였다.
모듈 제작에 사용된 태양전지는 9 버스바 전극이 적용된 n-TOPCOn 양면 태양전지(M6, Motech)로 NDC laser (SSC-8000B, Suzhou Autoway System CO., Ltd)기술을 적용하여 Half cut으로 분할하였다. 12개의 half cell을 multi-busbar interconnection을 통해 스트링을 제작하고 6개의 스트링을 직렬연결 하였다.
모듈의 경량화를 위해 F-to-F (Film-to-Film)구조로 Fig. 2와 같이 모듈을 제작하였다. 모듈의 봉지재는 EVA를 사용하였고, 컬러 필름의 심미성을 강조하기 위해 후면에 화이트 백 시트를 사용하여 1030*1050 mm2의 크기의 모듈을 제작하였다.
제작된 모듈은 외부 조건에 설치 전에 1 Sun (1000 W/m2, 25°C) 조건에서 솔라 시뮬레이터로 초기 출력을 측정하고 외부 조건에서 출력과 비교하였다.
제작된 모듈은 실제 외부 조건에서 발전 성능 평가를 위해 경산 지역에 남향 수직구조의 커튼월로 Fig. 3와 같이 설치하였다. 모니터링 시스템은 DC 출력을 측정하는 전력량계와 AC출력을 측정하는 전력량계로 1분마다 출력 정보를 수집하였다. 90°, 25° 일사량계를 통해 일사량과 모듈 출력의 상관관계를 분석하고 모듈과 외부 온도를 측정하여 온도에 따른 모듈 출력을 분석하였다. 유지보수나 오류에 의해 자료가 누락 된 기간의 정보는 제외하고 일일누적값으로 발전 성능을 비교하였다.
측정 기간은 24년 6월부터 25년 1월까지이며, 외부 조건에 따른 발전성능 비교를 위해 기상청에서 제공하는 경산 지역 및 대구 지역의 날씨 및 전운량 자료를 참고하였다.
3. 결과 및 논의
제작한 필름의 투과도 측정 결과를 Fig. 4에 정리하였다. 가시광선 영역(380-780 nm)에서 Transparent-film, Pink-film, Red-film, Green-film, Yellow-film의 평균 투과도는 84.24%, 78.09%, 75.44%, 69.22%, 77.51%로 나타났다. Transparent-film의 투과도 대비 Pink-film, Red-film, Green-film, Yellow-film의 투과도는 각각 7.30%, 10.45%, 17.83%, 7.99% 감소하는 것으로 나타났다. 컬러 필름은 서로 다른 파장대에서 투과율 감소가 일어났으며 Pink-film, Red-film, Green-film, Yellow-film의 감소 파장대는 각각 710 nm-440 nm, 610 nm-430 nm, 858 nm-500 nm, 530 nm-410 nm로 나타났다.
제작한 모듈의 성능 평가를 위해 솔라 시뮬레이터로 측정한 결과를 Fig. 5에 정리하였다. Transparent-film, Pink-film, Red-film, Green-film, Yellow-film 모듈의 출력은 각각 217.69 W, 203.00 W, 200.42 W, 181.06 W, 210.06 W로 측정되었고, Transparent-film 모듈의 출력 대비 컬러필름 모듈의 출력은 각각 6.75%, 7.93%, 16.82%, 3.5% 감소하는 것으로 나타났다.
Pink-film의 투과도가 Yellow-film의 투과도보다 근소하게 높았으나, 모듈 출력은 Yellow-film 모듈의 출력이 더 높게 측정되었다. 이는 실리콘 태양전지의 분광응답(spectral response) 특성에 기인한 결과로 해석된다. 실리콘 태양전지는 850-950 nm 파장 범위에서 최대 분광응답을 나타내며, 350-850 nm 구간에서는 파장이 증가할 수 록 분광응답이 증가하는 특성을 가진다15, 16). 따라서 550 nm 이상 파장에서 상대적으로 높은 투과율을 보이는 Yellow-film 모듈이 Pink-film 모듈보다 더 높은 출력을 나타낸 것으로 판단된다.
Fig. 6은 90°와 25°로 설치된 일사량계에 측정된 일일누적일사량에 대한 월별 일평균 일사량과 일평균 전운량의 월별 일평균 전운량을 정리한 것이다. 측정 기간 동안 월별 일평균 전운량은 7월과 10월에 6.51로 구름량이 가장 많았으며, 12월에 3.17로 구름량이 가장 작은 것으로 나타났다. 일평균 25° 일사량은 10월에 2057.90 Wh/m2, 일평균 90° 일사량은 7월에 4328.79 Wh/m2으로 가장 낮은 것으로 나타났다. 이와 같은 낮은 일사량은 흐린 날씨의 영향으로 보여진다. 경산 지역은 장마의 영향으로 7월의 강수일수가 16일이었으며, 10월에는 평년보다 발달한 일본 동쪽의 고기압의 영향으로, 강수일수가 10일이었다. 일평균 25° 일사량은 8월에 6090.71 Wh/m2으로 가장 컸던 반면에, 일평균 90° 일사량은 12월에 5298.06 Wh/m2으로 가장 큰 것으로 나타났다. 이것은 계절의 변화에 따른 태양의 남중 고도가 변해 태양빛의 입사각이 변하기 때문으로 생각된다. 남중고도가 높은 여름철에는 25° 일사량계가 더 많은 태양빛을 수집하지만, 남중 고도가 낮아지는 겨울철에는 90° 일사량계가 더 많은 태양빛을 수집하게 되는 것으로 판단된다.
Transparent-film 모듈 온도가 10°C 미만, 10°C – 25°C, 25°C – 40°C 일 때, 25°, 90°일일누적일사량에 대한 일일누적발전량을 Fig. 7에 정리하고 각 온도 구간별 낮은 일사량과 높은 일사량에서의 발전량 변화값을 Table 1에 정리하였다. 25° 일사량 1000 Wh/m2 미만일 때와 25° 일사량이 4000 Wh/m2 – 5000 Wh/m2인 경우를 비교하여 보면 10°C 미만 인 경우에는 발전량이 552.24% 증가하였고, 10°C – 25°C는 279.86%, 25°C – 40°C는 94.67% 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 90° 일사량 기준에서도 유사하게 나타났다. 90° 일사량이 1000 Wh/m2 미만 대비 5000 Wh/m2 – 6000 Wh/m2인 경우를 비교하여 보면 10°C 미만 인 경우에는 발전량이 474.79% 증가하였고, 10°C – 25°C는 364.63%, 25°C – 40°C는 248.99% 증가하는 것으로 나타났다. 모듈 온도가 낮을수록 일사량 증가에 따른 모듈 발전량 증대 효과가 크게 나타났다. 이것은 모듈 제작에 사용된 n-TOPCOn 태양전지의 온도계수(Temperaure Coefficient)가 -0.31%/°C로 모듈 온도 증가에 따라 출력이 감소하기 때문으로 판단된다. 90°과 25° 일사량에 따른 발전량 추이를 비교하였을 때 발전량은 모듈에 수직으로 입사하는 일사량의 영향을 더 크게 받는 것으로 판단된다.
Table 1.
Average daily power generation and change rate of transparent-film modules according to module temperature and solar radiation conditions
월별 일평균 90° 일사량과 필름 모듈의 일일누적발전량에 대한 월별 일평균 발전량을 Fig. 8에 정리하였다. 일평균 발전량이 가장 적은 달은 7월로 Transparent-film 모듈, Pink-film 모듈, Red-film 모듈, Green-film 모듈, Yellow-film 모듈의 평균 발전량이 570.40 Wh, 529.12 Wh, 505.56 Wh, 484.18 Wh, 526.06 Wh로 나타났으며, 발전량이 가장 큰 달은 12월로 971.56 Wh, 943.33 Wh, 902.46Wh, 850.69 Wh, 945.54 Wh로 나타났다.이것은 90° 일사량이 가장 많은 달과 적은 달의 결과와 일치했다. 발전량 변화가 가장 큰 달은 11월로 전월 대비 90° 일사량은 68%로, Transparent-film 모듈, Pink-film 모듈, Red-film 모듈, Green-film 모듈, Yellow-film 모듈의 전월 대비 발전량은 36%, 34%, 32%, 37%, 38% 증가하였고, 전월 대비 발전량 변화가 가장 적은 달은 9월로 90° 일사량은 1.03%, 모듈의 전월 대비 발전량은 3.14%, 1.09%, 1.26%, 3.00%, 1.74% 감소하는 것으로 나타났다. 투과율이 가장 낮은 Green-film 모듈이 가장 낮은 발전량을 보였으며, 투과율이 가장 높은 Transparent-film 모듈의 발전량이 가장 큰 것으로 나타나 모듈의 발전량이 필름의 투과율과 일사량에 비례하는 것으로 나타났다.
Fig. 9은 필름 모듈의 발전 성능을 비교하기 위해 월별 평균 성능지수를 정리한 것이다. 흐린 날씨 조건에서 일사량이 크게 변동하기 때문에 평균전운랑이 2 이하인 맑은 날의 일일누적발전량과 일일누적일사량을 활용하여 온도 상관없이 다음의 식으로 계산하였다.
태양광 모듈의 성능지수는 태양광 모듈의 음영, 인버터 및 배선 손실, 모듈 열화 및 불량, 유지보수 상태 등 다양한 손실요인들에 의해 결정된다. 모든 필름 모듈의 성능지수는 9월에 가장 낮게 나타났다. 이는 고온에 따른 셀 효율 저하와 이 시기에 관측된 일사량의 감소 때문으로 생각된다. 12월과 1월에는 낮은 기온과 높은 일사량으로 성능지수가 소폭 증가하는 경향을 보였다.
필름 모듈 간 비교 결과, Pink-film 모듈과 Green-film 모듈의 성능지수가 대체로 높게 나타났다. 반면, Yellow-film 모듈은 6월과 10월을 제외하면 다른 필름 모듈 대비 낮은 성능지수를 나타내어 특정 파장 대역에서의 높은 투과율로 초기 출력이 높음에도 불구하고 모듈 발전 성능 측면에서는 상대적으로 불리할 수 있다고 보여진다.
일반적으로 태양광 모듈의 성능지수가 80% 이상이면 양호한 발전 성능을 가지고 있다고 평가된다17). 측정 기간 동안 필름 모듈은 대체로 80% 이상의 성능지수를 보여 모듈 전면에 필름을 사용하는 것이 모듈 성능에 미치는 부정적인 영향이 적은 것으로 생각된다. 그러나 모듈의 열화를 확인하기 위해서는 장기적인 관찰과 추가적인 분석이 필요하다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 경량형 BIPV 필름 모듈의 외부 조건에서의 성능을 비교 평가하기 위해 필름 모듈을 제작하고 경산 지역에서 약 8개월간 성능을 측정하여 온도, 일사량에 대한 성능 관계를 분석하였다.
Transparent-film과 컬러필름 4종의 투과도를 측정한 결과, 투과도가 가장 높은 것은 Pink-film이었으나 출력이 가장 높은 것은 Yellow-film이었다. 이것은 가시광선 영역에서의 투과도 뿐만 아니라 태양전지의 분광응답 특성의 영향으로 판단된다.
맑은 날의 성능지수를 비교한 결과 Pink-film 모듈과 Green-film 모듈이 대체로 높게 나타났으며 대부분의 모듈이 80% 이상의 성능을 보여 필름 모듈이 안정적인 발전 성능을 가지고 있는 것으로 보여진다.
필름 BIPV 모듈은 필름 사용으로 가벼운 무게로 인한 시공편의성과 유연성으로 디자인 측면에서 활용도가 커 BIPV 모듈의 활용도를 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
