필자는 태양 에너지 서비스 부문에서 세계적인 선도업체인 세인트-고바인 솔라 (www.saint-gobain-solar.com/eng)의 비즈니스 매니저로 활동 중이다. 현재 세인트-고바인은 전통적인 전문 분야와 주택, 건설 분야와 태양광 기술의 노하우를 접목하는 업무를 수행중이다.

산업 환경 관리의 중요성이 점차 커지는 추세와 맞물려 지금도 계속되고 있는 세계 경제의 여러 난관들 때문에 지속 가능하면서도 효과적인 에너지원에 대한 모색이 지속적으로 이루어지고 있다. 대체에너지에 대한 필요성이 대두되면서 태양광발전은 세계의 증대하는 에너지수요 문제를 해결하는 중요한 해결책으로 부상했다.

태양광발전은 태양빛만 있으면 쉽게 접근 가능한 전력 생산 특성상 각광받고 있다. 신뢰할만한 에너지원이면서도 환경에 무해한 태양에너지를 전력으로 변환하는 기술은 현재 건물, 주택, 상업용 및 산업용 건물에 두루 사용되면서 다양하게 활용되고 있다. 특히 최근엔 첨단 태양광 모듈 디자인으로 태양광발전이 건축물 에너지 수요의 상당 부분을 충족하며 초기 투자자본을 충분히 보상하고 이제는 그리드 패리티를 기대하는 곳도 많다. 그리드 패리티는 신재생에너지의 발전단가가 화석연료의 발전단가와 같아지거나 이보다 더 저렴해지는 시점을 말한다.

산업 분석가들의 분석에 의하면, 상업용 및 주택용 옥상 PV 시장은 향후 몇 년 동안 계속 성장할 것으로 예상되며, 건물통합형 PV(BIPV)와 건물응용형 PV(BAPV) 시장은 향후 3년 동안 두 배 이상으로 성장할 것으로 기대된다고 전한다1). 블룸버그 보고서에 의하면, 미국에서 상업용 건물의 3% 이상이 2020년까지 옥상에 태양광발전 시설을 갖출 것으로 예상된다.

그러나 현재 미국의 상업용 건물들은 비용문제 때문에 건물구조상 공간 여유가 거의 없이 설계되었다. 예컨대, 캘리포니아의 대형 창고 건물 중 75%는 건물 구조적인 한계 때문에 전통적인 태양광 시설의 설치에 적합하지 않다. 사실상 미국연방건축물 내진법인 1997년 표준건물법(UBC) 변경 이전에 지어진 대부분의 산업용 건물들은 고가의 구조변경 없이 전통적인 태양광 시설 설치를 하기에는 적합하지 않은 구조이다2). 옥상 구조변경보다 이 문제는 가벼운 태양광 모듈 디자인을 통해 해결하는 방식으로 추세가 바뀌었다. 그 결과 재료 과학에서 이루어진 최근의 많은 발전이 가벼운 태양광 모듈 신소재 개발로 이어지고 있다.

열가소성불소수지 테트라플루오르 에틸렌(ETFE) 프런트시트, 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA) 봉지재, ETFE와 EVA의 병행사용 합판과 같은 첨단 박막 불소중합체 기술 덕분에 제조업체들은 가벼운 태양광 모듈 생산이 가능해졌다. 이 소재는 제조업체와 실수요자들에게 비용절감 효과를 가져다줄 뿐만 아니라 탁월한 빛 투과성과 뛰어난 내구성, 고성능 특성으로 각광받고 있다.

강력한 성능

전력 생산량은 태양광 모듈 소재 선택에 영향을 미치는 핵심적인 요소이다. 즉, 그 소재를 사용해 전력 생산량이 늘어나면 태양광 모듈 재료로서 인기를 얻는 것이다. 박막 필름 ETFE 프런트시트를 사용하면 제조업체들은 고성능의 가벼운 태양광 모듈을 설계해 제품 수명 주기 동안 내내 큰 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다 중요한 것은 가벼운 태양광 모듈 소재는 빛 투과성이 탁월하다는 것이다. 기존의 전통적인 소재들에 비해 빛 투과성이 높기 때문에 ETFE 프런트시트의 이용은 고효율성을 보장한다(그림 1). 유리로 만든 모듈과 ETFE로 만든 모듈의 효율성을 비교하면 2mm, 10mm 두께의 ETFE 모듈 모두 높은 효율성을 입증한다. ETFE의 높은 빛 투과성 덕분에 태양전지는 빛을 더 많이 흡수해 결과적으로 전력 생산량이 늘어나게 되는 것이다.

유리 프런트시트와 ETFE 프런트시트로 만든 모듈을 직접 비교하는 실험에서 서로 다른 프런트시트와 백시트로 된 두 가지 형태의 모듈을 제작하면서 모듈의 나머지 부품들은 모두 동일하게 제작했다. 기존의 전통적인 모듈의 유리 프런트시트와 합판 백시트는 ETFE 프런트시트와 유리 백시트로 각각 대체했다. 이러한 변화를 준 결과 그림 2에서 보는 바와 같이 최대 전력 지점(MPP)에서 2.5~3.2%까지 전력 생산량이 늘어났다.

전력 생산량만큼 중요한 것이 내구성이다. 여러 요소에 노출되는 태양광 모듈 부품이 장기적으로 변함없는 성능을 유지하는 것은 매우 중요하다. ETFE는 악천후에 견디는 적합한 성질을 갖고 있으며, 자외선(UV) 저항성이 뛰어나 유연하면서도 가벼운 태양광 모듈 설계에 사용하기에 아주 이상적이다. 낙하속도 20~30m로 얼음알갱이가 떨어지는 우박 영향 시험을 실시했을 때 ETFE는 육안으로 보기에 움푹 들어간 곳이 전혀 발견되지 않았다. 뿐만 아니라 우박 영향 시험에서 고장이나 손상되는 부분이 관찰되지 않았고, 이러한 극한 조건의 실험에서 전력 생산량도 크게 영향을 받지 않았다(그림 3). 이처럼 ETFE는 강하고 유연한 특징을 갖고 있으며 빛 투과성이 탁월한 필름으로, 무게가 평방미터당 0.1kg밖에 되지 않는다. 이 신소재는 화학물질과 악천후에 강한 저항성과 내구성이 돋보이며, 가연성이 낮고 스트레스로 인한 균열 저항성이 높으며 절연 성질을 갖고 있다.

소재 내구성을 알 수 있는 또 하나의 지표는 상대열지표등급(RTI)이다. 유명한 제품 안전성 인증 단체인 미국 보험협회 안전시험소는 장기적인 소재 내구성을 측정하기 위해 소재에 대한 RTI를 판단하기 위한 시험을 실시하고 있다. 유전체 강도(전기적 자질), 인장 강도, 영향 저항성과 같은 중요한 성능 자질을 보유하고 있는지 측정하는 열 노화 공정(열을 가해 노화시킨 후 구조 및 물성의 변화를 알아보는 공정)을 통해 RTI 등급이 높게 나타나면 장기적으로 열 성능 자질이 우수한 것으로 판단한다. 가벼운 태양광 모듈 애플리케이션에 이상적인 선택인 150C RTI 등급의 ETFE는 1밀리까지 필름 두께가 내려가도 장기적으로 우수한 내구성을 보유한다.

ETFE 필름은 또한 고품질의 EVA 봉지재와 같은 다른 필름 제품들과 함께 사용했을 때도 우수한 기능을 유지한다. EVA 봉지재는 빛 투과성이 높고 유연한 모듈과 강한 모듈에서 모두 프런트시트와 백시트에 잘 부착되고 강한 전기적, 기계적 자질을 보유하며, 악천후에 잘 견디고 태양전지의 장기적인 보호 기능을 수행한다(그림 4). 장기적인 악천후 내구성과 우수한 자외선 차단 효과는 여러 요소들에 노출되는 태양광 모듈의 전력 생산 성능 증대에 극히 중요하다(그림 5~8).

생산 효율성

제품 성능뿐만 아니라 제조 효율성을 통해 전력 생산량 증대가 이루어진다는 것은 추가적인 비용 절감 효과를 의미하고 전반적인 수익성이 높아짐을 의미한다. 에너지를 최적으로 사용하고 쓰레기 낭비를 줄임으로써 귀중한 자원을 최대한 활용하는 소재를 선택하면 환경에도 좋을 뿐만 아니라 제조업체의 비용 감소에도 큰 역할을 한다.

전반적인 수익 증대를 위해 생산 효율성에 집중하면서 제조업체들은 귀중한 재료를 낭비할 여력이 없다. 이를 염두에 두면 모듈 설계에는 두 개의 필름(ETFE 프런트시트, EVA 봉지재)를 하나로 통합해 사용하는 첨단 프런트시트 시스템이 포함된다. 생산 효율성 증대가 가능한 이러한 프런트시트 시스템은 제조공정 중에 다른 보완물이 필요 없고 완벽한 프런트시트 포장이 가능하다. 시간과 자원이 필요한 한 가지 공정 단계만 줄어들어도 전반적인 제조 효율성이 증대되고 생산량이 늘어난다.

고성능 프런트시트 시스템에서 EVA 필름과 함께 사용했을 때 ETFE 필름은 주름지는 현상이 줄어들고 손상된 필름이나 사용 불가능한 필름 때문에 발생하는 쓰레기의 양이 현격히 줄어든다. 뿐만 아니라 프런트시트 시스템은 기본적으로 두 개의 롤이 하나로 되어 있어 포장, 선적비용이 감소하고 재고관리가 용이해지는 장점이 있다.

설치 시 고려사항

일단 포장, 선적, 운송되면 ETFE, EVA 필름 제품을 사용하면서 설계된 가벼운 태양광 모듈은 통합업체와 설치 업체와 같은 태양광 모듈 실수요자들에게 즉각적인 효과와 가치를 발휘하기 시작한다. 박막 필름 부품으로 제조된 가벼운 모듈은 전통적인 소재들로 만들어진 무거운 부품에 비해 설치가 용이하고 실제 사용에 걸리는 시간이 단축된다. 태양광 모듈이 설치되어 운행되자마자 실수요자는 초기 투자비용을 회수하고 효율적인 청정에너지를 생산하게 된다.

앞서도 언급한 바와 같이 실수요자들에게 장기적인 영향을 미치는 또 다른 중요한 태양광 모듈 고려사항은 시스템 무게와 건물 설계와 구조에 미치는 영향이다. ETFE와 EVA 같은 박막 필름 제품들로 제작된 가벼운 태양광 모듈은 건물 구조에 부담을 주지 않으면서 설치가 용이하고 추가적인 지지대가 거의 필요 없거나 전혀 필요 없다. 옥상의 하중 제한 때문에 전통적인 방식의 대형 모듈 설치 프로젝트가 취소되거나 규모가 축소되는 일은 그리 드문 일이 아니다. 혹독한 기후 조건을 특징으로 하는 지역에서 옥상은 눈과 바람 등으로 인해 전통적인 태양광 모듈의 무게는 영향을 받게 되고, 태양광 시스템의 설치 때문에 건물 구조에도 부담이 된다. 일부 건물은 태양광 모듈 설치 프로젝트를 전혀 예상하지 않은 채 건축되기도 했다.

전통적인 방식의 태양광 시스템은 이런 이유로 해서 건물구조에 많은 부담이 된다. 단위 면적 당 고객의 전력 수요가 늘어나는 만큼 옥상 구조에는 부담이 커질 수밖에 없다. 옥상을 새로이 개조하는 것은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸려 여러 가지로 무리가 될 수 있다. ETFE, EVA 필름을 사용해 제조한 가벼운 태양광 모듈 덕분에 시스템 설치는 최대한 효율적으로 완성되고 고가의 비용이 소요되는 옥상 지지 구조를 변경할 필요도 없다.

분석가들이 태양 전력의 수요 증가를 예측하는 바와 같이 비용을 고려하면 가벼운 모듈은 태양광 산업의 밝은 미래를 위한 요소로 각광받고 있다. 첨단 고성능 소재는 가벼운 태양광 모듈 부품에 대한 이러한 수요를 충족하기 위해 반드시 필요하다. ETFE, EVA 필름 부품으로 설계된 가벼운 태양광 모듈은 연쇄적인 생산 및 공급 과정에서 강력한 성능, 내구성, 꾸준한 비용절감 효과라는 탁월한 장점들을 제공하며 궁극적으로는 실수요자들이 그리드 패리티를 달성하고 태양에너지가 주류의 에너지로 부상할 수 길을 터주고 있는 것이다.

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