태양광발전의 효율적인 사용법 제안

오프 그리드형태양광발전 외장 시스템의 개발

동일본 대지진을계기로 에너지 수급이 어려운 상황에서 에너지 소비 감축이 한층 더 요구되고 있다. 이전보다 더 CO₂ 배출량 감축이나 에너지절약에 대한 사회적 의식이 향상되고 있다. 에너지절약기준이 개정되는 등 저탄소 사회를 실현하기 위해 신재생에너지에 대한 기대가 상당히 높아졌으며, 특히태양광발전은 일반주택뿐만 아니라 다양한 건물 빌딩 등에 급속도로 보급되고 있다.

요즘은 주로CSR(기업의 사회적 책임) 관점에서 건물 외장면에 태양광발전을설치하는 것에 대해서도 관심이 높아지고 있다.

건축 분야에서현재 일반적으로 보급되고 있는 태양광발전은 범용 태양전지를 건물옥상이나 지붕에 설치해 발전을 하는 경우다.

그러나 건물외장에 설치된 태양광발전 시스템의 경우, 낮은 발전효율과 높은 도입비용 등이 문제가 되고 있다. 건물 외장에 태양광 시스템을 설치함으로써 발전량 상승의 목적을 달성하기는 어렵다는 의견이 지배적으로 발전량의다소를 목적으로 할 것이 아니라 발전전력의 효율적인 사용법을 제안하는 것이 중요하다.

이러한 이유로종래 건물 내 전력망(그리드)에 연계한 계통연계형을 이용한건물 일체형 태양전지가 아닌 환기 시스템이나 롤 스크린의 모터 구동 등 외장 부하를 이용하는 독립형, 즉오프 그리드형 태양광발전 외장 시스템의 개발에 착수했다.

이번 원고에서는시스템 및 건물 일체형 태양전지의 개요에 대한 설명과 동시에 오오바야시구미사 기술연구소의 적용 사례에 대해서 소개한다.

오프 그리드형시스템의 개요

태양광발전시스템의 종류

태양전지는 해가비칠 때에는 발전을 하지만 이를 저장하는 기능이 없어 눈, 비, 야간등 빛이 없는 날씨 혹은 시간에는 발전이 어려운 단점이 있다. 이 때문에 태양광발전을 통한 안정적인전력공급을 위해 2가지 방법을 채용하고 있다.

하나는 계통연계형(Grid-connected)으로 건물 내 전력망인 상용전력과 연계함으로써 태양광발전의 단점을 보완하는 방법으로안정적인 전력공급이 가능하다. 최근에는 계통연계형 기술의 진전에 따라 역조류, 즉 매전이 가능한 구조까지도 확립됐다.

건축물에 적용된태양광발전 시스템은 계통연계형이 일반적인데, 계통연계형에는 파워 컨디셔너가 필수적이다. 하지만 계통연계형에도 결점이 있다. 전력 수요자는 일반적으로 전력의공급원을 의식하지 않지만 계통연계형의 경우, 상용전력에 의해 동작하기 때문에 전력이 단절되면 발전을하지 못하게 된다.

동일본 대지진때에도 대부분의 대피소에 태양광발전 시스템이 갖춰져 있었지만 정전으로 인해 발전을 할 수 없었다.

또 하나는 상용전력과연계하지 않고 축전지를 통해 전력단절을 보완한 독립형(Stand-alone), 즉 오프 그리드형(Off-grid)이다. 오프 그리드형의 경우, 낮은 발전효율과 주문형 태양전지의 높은 가격이 단점으로 지적되긴 하지만, 전력의이용방법을 따로 제안할 필요가 없어 계통연계형보다 설치목적을 명확히 제시할 수 있는 구조로서 적절한 방법이라고 생각했다.

외장 태양광발전에의한 발전전력

앞에서 기술한바와 같이 건축분야에 있어서 태양광발전은 발전전력을 상시 이용하는 방법(정전시에 특정 부하에 이용하는방법은 제외한다)에 관한 제안이 부족하다. 그래서 이번 시스템의개발에 있어서는 발전전력을 직접 이용하는 방법으로서 페리미터 존의 일사대책기술(환기 시스템과 롤 스크린의모터 구동)과의 패키지화에 대한 착상을 얻었다. 즉, 발전전력의 다소가 아니라 에너지절약성과 쾌적성을 배려한 외장 시스템을 실현하기 위한 수단으로서 외장 태양광발전에의한 발전전력을 이용하는 것을 제안했다.

파워 컨디셔너의역할

일반적인 계통연계형시스템의 개략은 그림 1을 통해 확인할 수 있다. 파워 컨디셔너에는태양전지로 발전한 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터 기능과 적정 전압 및 주파수의 유지 등 전력 품질을 일정하게 유지하는 기능이 있다.

기존 파워 컨디셔너는계통연계전용 장치로서 품질이 담보돼 있기 때문에 입력측에 축전지를 도입할 수는 없었다. 즉, 기존 계통연계형 시스템을 바탕으로 오프 그리드형 시스템을 구축하는 것은 합리적이지 않다.

그래서 그림2와 같이 이 시스템의 오프 그리드형에서는 시판되고 있는 충전 컨트롤러, 축전지 및 인버터를 조합시킨 구성으로 했다. 즉, 태양전지에 의한 발전전력을 충전 컨트롤러로 제어하면서 축전지에 충전하고, 충전한직류 전류를 교류 전류로 변환하는 인버터를 통해서 전력부하에 이용한다. 이 과정에서 충전 컨트롤러와인버터는 축전지의 전력으로 동작한다. 오프 그리드형에서는 전력 수급의 밸런스를 고려해서 시스템 설계나기기를 선정할 필요가 있지만 계통연계형에 비해 그 제약이 적다.

건물 일체형태양전지의 선정

이 시스템에서대상으로 하는 태양전지는 건물 옥상 등에서 금속제 가대에 설치되는 범용 태양전지가 아니라 설계·시공상의 자유도를 겸비하고 특별 주문 대응도 가능한태양전지이다. 이러한 태양전지를 범용 태양전지와 구별해 국외에서는 BIPV(BuildingIntegrated Photovoltaic)라고 부른다. JIS C 8960:2012(태양광발전용어)에서는 ‘건재일체형 태양전지 모듈’이라는 용어가 규정돼 있으나 여기에서는 건물 일체형 태양전지로호칭하기로 한다.

일반적으로 태양전지는최소 단위인 셀의 종류에 따라 크게 실리콘계, 화합물계 및 유기계로 분류되는데 건물일체형 태양전지로서안정적으로 제조·공급이 가능한 태양전지는 현재 시점에서 실리콘계뿐이다.

실리콘계에는결정계와 박막계가 있으며, 결정계에는 단결정과 다결정 2종류가있다. 단결정이 더 역사가 길고 실적이 많으며 셀의 발전 효율도 우위이다. 일반적으로 다결정은 단결정보다 저렴한 것이 특징이었지만 최근에는 비용적인 우위성도 점점 떨어지고 있다. 또, 단결정은 치수가 종래 5인치각에서 다결정과 같이 6인치 각이 주류가 되고 있기 때문에 발전성면에서도 더 우위이다.

결정계에 따른건물일체형 태양전지는 기본적으로는 건축용 강화유리 기술을 응용해서 제조할 수 있기 때문에 형상·치수나 유리의 두께·종류에도 외장 설계상 자유도가있다. 셀 배열이나 셀간 간격도 어느 정도 조정이 가능하다.

이에 대해 박막계는결정계와는 완전히 다른 의장성이 특징이지만 제조 설비상 태양전지의 치수·형상이 1∼2종류로 한정되기때문에 태양전지의 치수에 맞춘 외장 설계를 해야 한다. 발전효율은 결정계에 비해 낮다. 또, 박막계는 플로트판 유리를 기판으로 해서 실리콘의 박막을 형성하고이면쪽에는 강도가 높은 열처리 유리로 맞붙여 가공할 수 있지만 플로트판 유리쪽의 열에 의한 깨짐 가능성을 완전히 배제할 수는 없다.

이와 같은 점에서현재 건물일체형 태양전지로서 가장 범용적으로 선정할 수 있는 것은 단결정 실리콘에 의한 강화유리 타입의 태양전지라고 판단했다.

오프 그리드형태양광발전 외장 시스템 적용사례

외장 유닛 글라스커튼 월과 일체화한 차양 모양의 태양전지(단결정 실리콘에 의한 강화유리 타입)에 의한 발전전력을 건물 내 송전망에 연계하지 않고 직접 외장 환기 시스템 및 롤 스크린의 모터 구동에 이용하는오프 그리드형 태양광발전 외장 시스템을 적용했다.

전기 케이블접속을 제외하고 차양 모양의 태양전지 부착 및 커튼 월 상부와 하부에 있는 환기용 개구 부품의 부착은 커튼 월 공사의 일환으로 시공했다. 롤 스크린 및 오오바야시구미에서 별도로 개발한 인터락식 환기 시스템은 각각의 공사 회사가 시공했다. 또, 오프 그리드형 태양광발전 제어반 및 기타 전기배선은 전기공사회사가 시공했다.

채용한 단결정실리콘에 의한 강화유리 타입의 태양전지는 전체 정격 5.4kW(60모듈)이며 이것을 5회로(정격1,080W×5회로)로나눠 각 회로의 발전전력을 충전 컨트롤러(MPPT방식,max.60A, 최대 입력 전압 150V)로 제어하면서 납축전지(딥 사이클 배터리, 12V×2직렬: 24V계, 108Ah)에 충전하고 인버터(최대 1,500W)를 통해 교류 전기로 변환해 부하측 모터 구동 전력으로공급하고 있다.

5회로 가운데 4회로에 대해서는 1회로당인터락식 환기 시스템용 모터 2대(150W×2대), 창 상부 개구용 모터 2대(400W×2대), 창 하부개구용 모터 4대(50W×4대)에 전력을 배분하고 있다. 나머지 1회로는롤 스크린용 모터 8대(240W×8대)에 전력을 배분했다.

실제 운용에서는이 모터가 한꺼번에 가동하는 것이 아니다. 환기 시스템은 여름철, 간절기, 겨울철 3개의 모드에 나눠 각각 소정의 운전 스케줄에 따라 가동하도록제어되고 있다. 롤 스크린도 모터 8대가 일제히 동작하는것이 아니라 2대씩 차례로 가동하도록 제어되고 있다.

또, 축전지를 사용한 오프 그리드형 태양광발전 시스템에서는 계통연계형과 같이 태양광발전의 최대 발전량을 일정하게유지할 수 있도록 출력을 조정하는 것이 아니라 축전지와 부하측의 수요에 맞춰(과충전이 되지 않도록) 태양전지의 발전이 제어되고 있다.

효율적인태양광발전의 첫걸음

이번 개발에서는발전량의 다소가 아니라 발전전력의 사용법을 제안하는 것이 중요하다고 생각했다. 그래서 건물 외장 커튼월 일체형 태양전지에 의한 발전전력을 건물 내 전력망에 연계하지 않고 직접 외장 주변의 환기 시스템이나 롤 스크린의 모터 구동에 이용하는 오프그리드형 태양광발전 외장 시스템 개발에 착수해 오오바야시구미 기술연구소 시설에 실제로 적용했다.

‘NEDO 재생가능 에너지 기술백서’에서도 앞으로 기술개발의 방향성으로서 ‘태양광발전을 효율적으로 사용’하는 것을요구하고 있다. 이번 개발 시스템은 이 방향성과도 일치하고 있다고 할 수 있으며, 앞으로도 한층 더 나은 제안을 할 수 있도록 노력할 것이다.

오오바야시구미, 미타니 히토후사(Mitani Hitohusa), 과장

오오바야시구미, 오제키 요시아키(Ozeki Yoshiaki), 과장

SOLAR TODAY 편집국 (st@infothe.com)