남 우 석

성균관대학교에서 박사학위를 받았고, 웅진폴리실리콘에서 신공정 개발을 담당하고 있으며, 한국신재생에너지협회 기술지원팀장, 국제협력단 태양광분야 전문위원, 한양대학교 신재생에너지 최고위과정 자문위원, 한국건설생활환경시험연구원 선임연구원으로 BIPV 모듈의 내구신뢰성평가 인증기반 구축을 담당하는 등 태양광 전문가로 활동하고 있다.

건축물은 태양광 모듈을 설치할 수 있는 장소 중 최상의 장소이다. 현재 지구상에서 태양광을 매일 받는 지구의 표면 중 많은 부분을 차지한다는 것은 차치하고서라도 건축물은 전 세계의 전기 사용량의 상당 부분을 차지하고 있으며, 인위적으로 생산한 총 전기량의 약 50%를 소비한다.

따라서 건축물에 적용하는 태양광발전 시스템은 독립형 발전 시스템이 특히 적합하지만 송전망을 연결해서 계통연계형 태양광발전 방식으로 설치하는 것도 충분히 고려할 수 있다.

많은 전기를 소비하는 건물 현장에서 바로 전기를 생성하는 것은 송전망 인프라 구축과 관련해서도 많은 이점들을 가진다. 발전소에서 배급 네트워크를 통해서 수요처에 전력을 공급하는 방식은 송전에도 많은 전력 손실이 발생하지만, 분산전원 개념인 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)인 경우에는 발전된 전력이 수요처인 건물과 패널 사이의 짧은 거리 사이에서만 송전되면 된다. 따라서 송전용 인프라 요구사항이 완화됨은 물론 송전 손실도 줄일 수 있으며, 스마트 그리드(Smart Grid)에 적합한 우수한 분산 전원이다. 특히, 우리나라와 같이 협소한 국토 면적과 수도권에 과밀된 취락구조를 갖는 곳에서는 에너지 사용처에서 에너지를 생산하는 BIPV와 같은 분산전원의 채택이 매우 중요한 문제로 부각되고 있다.

이와 관련해 2006년도 가구·주택부문 통계청 보도자료를 근거로 하여 BIPV의 적용 가능성을 평가해 보았다.

평가에 포함된 설치 면적은 순수하게 건축물의 이차원적인 평면을 가정했으므로, 실제 발생되는 그림자 효과 등은 배제하고 순수하게 평면에 설치되도록 가정하면 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있다.

BIPV의 적용 가능성

단순하게 건물 평면적 9.9㎡당 1kWp급 BIPV 발전 시스템을 설치하되, BIPV의 특성상 발전 효율을 70%로 계산하면, 새로이 임야 또는 간척지를 개발하지 않더라도 국내에 설치된 건물을 활용해 대략 226GWp의 전력을 얻을 수 있다.

이와 같은 이점을 가지는 BIPV는 1991년 독일 아헨주에서 최초로 설치되었으며, 대략 20여년의 짧은 역사를 지니는 최신 건축 기법의 하나로도 볼 수 있다.

태양광 모듈을 건물에 설치한다면 가능한한 건물에 거치시키기 않고, 건물과 일체화시키는 것이 유리하다. 그 이유는 건물의 건축과 외관은 건물의 가치, 건물에 대한 만족감, 긍정적인 평가의 주요 원인이 되기 때문에 미적인 이점이 갖는 중요성은 매우 크다. 다른 한편으로는 건물 구조에 맞게 미리 설계되지 않고 건물에 거치된 패널은 구조적 보강재, 건물 외장의 관통, 추가적인 안정기 설치 등의 요구가 발생할 수가 있다. 따라서 BIPV 시스템이 설계 시에 반영되어 설치될 때에는 상기와 같은 추가적인 요구사항과 가격적인 부담을 많은 부분 줄일 수 있게 된다.

즉, 기존의 건물 외장재와 같은 기능을 수행하도록 태양광 시스템이 설계되거나 태양전지가 더욱 전형적인 건물 외장재에 장착되는 경우 이러한 기존의 건축 자재를 절약할 수 있고, BIPV 제품으로 교체되기 때문에 이러한 건축용 자재를 설치하지 않아도 되는 것이다.

건축물의 미적인 부분에 대한 관심사는 다양하게 나타난다. 건물과 건축 양식의 유행은 시대에 따라서 매번 바뀌고 있다. 비록 건축학적으로 방해가 되는 태양광발전 시스템의 기술은 현대적 건물의 외관을 유지하는 수준으로서 적용할 수 있는 건물 구성요소는 커튼월, 천창, 차양, PV 지붕 타일, PV 창호 등이며, 그 특성에 따라 자연채광이나 차양에도 이용 가능하며, 건물의 전체적인 에너지 성능 및 쾌적성을 향상시킬 수 있다. 하지만 태양전지 및 BIPV 기술의 발달은 전통적인 건축 양식을 유지하면서 태양에너지를 이용할 수 있도록 발전할 것이다.

태양광발전 시스템 기술의 발전

특히, 이르면 2013년부터 국토해양부와 지식경제부는 건축물에서 나오는 온실가스를 체계적으로 파악, 관리하기 위해 현재 기관별로 개별 관리하고 있는 건물 에너지 정보를 2012년까지 통합 관리할 계획으로 아파트·오피스빌딩 등 모든 건축물의 에너지 사용량 정보가 통합 관리될 전망이며, 실질적으로 국내에서도 건축물의 에너지 사용에 대한 관리에 들어가고 있기 때문에, 건물 전체의 전기·수도·가스 등 에너지 사용량을 한눈에 파악할 수 있게 돼 에너지 사용량이 주택이나 건물 선호도 결정에 큰 영향을 미칠 전망이다.

따라서 BIPV 시스템을 채용해 전체 전력 소모량을 줄인 건축물에 대한 수요와 관심도 또한 높아질 것이며, 국가 전력 소비량의 절감을 통한 이산화탄소 저감에도 크게 기여할 것으로 판단된다. 하지만 가격적인 측면과 효율의 측면에서 BIPV는 좀 더 기술 발전이 필요하며 그 근간에는 태양전지의 효율 향상이 매우 중요하다. 최근 3중접합 태양전지(Triple Junction Cell)을 위시해 각 분야별 태양전지의 효율이 많이 향상되고 있다. 이를 이용해 개발될 BIPV 모듈은 그만큼 가격 경쟁력을 가지면서 우수한 태양광발전 효율을 가지게 될 것이다.

그러나 단위 셀의 기술개발 동향에 비추어 태양광 모듈의 산업화 동향은 조금은 시간의 차이를 두고 발전하고 있다. 이것은 단위 셀의 집적이 곧바로 모듈 성능향상으로 이어지는 것은 아니며, 이에 필요한 다양한 요소요소의 결합과 실제 사용자가 적용하게 되는 최종 제품으로서 다양한 환경변수에 맞추어 요구되는 내구신뢰성의 문제가 동시에 발생하기 때문이다.

2012년 건물 에너지 정보 통합 관리

BIPV 시장의 지속적인 발전과 확대를 위해서 BIPV용 모듈도 건물의 건축과 관련된 건축자재로서 요구사항을 만족시키는 품질 인증이 필요하다.

그러나 아직 BIPV에 대한 국제 인증 기준은 마련되지 않은 상태이며, 우리나라도 역시 BIPV에 대해서는 사용된 태양전지가 결정질인지 비정질 박막 태양전지인지를 구분해 각각 KS C IEC 61215 (결정질 태양전지)또는 KS C IEC 61646(박막 태양전지)로 구분해 시험 평가를 진행하고 있을 뿐이다. 그러나 건축물에 적용되는 BIPV는 단순하게 태양광 모듈의 전력 발생 부분만 시험 평가를 해서는 안 되며, 건축물과 관련된 여러 규격을 적용해 지붕재, 벽재 또는 창호재로서의 시험평가를 진행해야 한다.

따라서 각 국에서 건축과 관련된 시험 규정을 인용해 BIPV에 대한 시험 평가 기준을 마련하고자 노력하고 있다.

태양광 모듈이 건축물에 일체화 되는 BIPV의 경우에는 건축 재료에 대한 시험 평가 기준이 적용되어야 함이 타당할 것이다. 이에 따라서 요구되는 건축 기준은 기계적 안전성, 화재 안전성, 환경 안전, 단열성 등이 있다.

이와 관련된 기준들을 모두 포괄해 단일화된 BIPV 인증 기준이 유럽을 기준으로 마련될 것으로 예상된다. 따라서 유럽의 BIPV 관련 시험 기준을 바탕으로 국내 적용에 대해 고찰해 보면 다음과 같은 시험 기준이 필요할 것으로 예상된다.

우선 모듈 자체에 대한 기존의 시험 기준을 준용해 일반적인 성능 평가를 거쳐야 한다. 이때 중요한 것은 일반적인 실리콘계 태양전지 모듈의 시험 규격에 준해 차세대 태양전지 모듈(CdTe, CIGS, DSSC 등)들도 평가되어야 한다는 점이다. 현재 차세대 태양전지에 대한 시험평가 기준이 마련되지 않은 상태이며, 향후 BIPV 모듈로서 출시가 된다고 해도 건축물에 적용되는 이상은 같은 기준으로 평가를 해야 하기 때문이다.

일반적으로 태양광 모듈은 유리를 기본 소재 중 한가지로 사용하고 있다. 유리가 갖는 투과성과 견고성은 보호기재로서 매우 유리한 조건이다. 그러나 유리면의 파손 시 발생하게 될 파편에 의한 손상을 최소화 할 필요가 있으며, 이에 따라서 다양한 용도의 BIPV 모듈도 용도에 맞춰 시험 평가를 진행해야 한다.

특히, BIPV 모듈이 창호에 사용될 경우에는 광 투과율과 같은 전혀 생소한 시험들도 거쳐야 한다. 창이 주는 개방감과 역설적이지만 차열성을 동시에 만족해야 하기 때문이다. 특히 창호의 프레임을 통한 단열성과 방수성능 등은 건축구조로서 가져야 할 매우 중요한 사항이다.

건축자재용 BIPV 모듈의 품질인증 필요

BIPV 모듈 자체에 대한 상기의 시험법 이외에도 BIPV 모듈을 채용한 시스템 전체, 특히 커튼월 구조로 불리우는 BIPV 시스템에 대한 구조적 시험도 함께 이루어져야 한다. 따라서 다음과 같은 지지 구조물 또는 시스템 분야의 시험도 필요할 것이다.

표 4에 나타낸 바와 같이 단순히 모듈의 성능뿐만 아니라 BIPV 모듈을 지탱하고 있는 프레임과 같은 지지구조 전반에 대해 시험이 동시에 이루어져야 한다. 따라서 모듈 자체의 내풍압 시험뿐만 아니라 프레임의 내풍압 성능도 같이 시험을 해야 모듈이 탈락되는지 여부 등을 함께 검사할 수 있게 되는 것이다.

아울러 지진 등의 자연재해에 대한 구조적 내구성 시험 평가가 이루어져야 한다.

이와 같은 지지구조의 시험과 더불어 BIPV 시스템 자체의 시험도 같이 이루어져야 함은 당연할 것이다.

BIPV 모듈은 기본적으로 직류 전기를 생산하게 된다. 따라서 언제든지 화재의 위험에 노출되어 있다고 해도 과언이 아니다. 비록 모듈 자체의 전기 안전 성능을 보장받는다 하더라도, 시공 시에는 수많은 모듈의 체결과 계통 연계가 이루어지게 된다. 비록 독립형 시스템이더라도 수많은 전기적 연결이 모듈 어레이(Array) 내부에서 이루어지게 된다. 따라서 전기적 화재 안전에 대해 다음의 표 5와 같은 시험도 반드시 필요하다.

소방 안전에 대해서는 이 정도가 최선이라는 조건은 허용되지 않는다. 최소한 표 5 이상의 시험이 BIPV 모듈에 대해 필요할 것이다.

이와는 별도로 BIPV 시스템에 대한 자연적인 낙뢰에 의한 전기적 안정성, 폭우 등에 대한 수밀성 시험과 온도차에 의한 결로 현상과 같은 자연적인 현상과 설치 용량 이상으로 과전압이 발생했을 때를 대비해서도 시스템적으로 접근해야 한다. 따라서 다음의 표 6과 같은 시험도 필요하게 된다.

BIPV 성능평가 움직임 활발

마지막으로 건축 부재로 사용되는 BIPV가 갖춰야 할 한 가지 요건은 차음성일 것이다. 유리창호로 사용되거나 지붕재 또는 벽면 마감재로 사용이 되더라도, 차음성능에 대한 요구가 재기될 것이다. 물론 벽면 또는 지붕재는 기본적으로 후면에 다른 층이 존재할 가능성이 많지만, 투광형 지붕이거나 유리벽면재로 사용이 되는 특수한 경우에는 마감재로서 방음성능을 요구하게 될 것이다.

따라서 다음의 표 7과 같은 시험평가가 필요하게 된다.

표로 정리한 바와 같이 BIPV는 하나의 발전 시스템으로 볼 수 있으며, 단순히 모듈의 인증만을 평가할 것이 아니라, 설계 단계에서부터 시스템에 대한 개념을 잡고 그에 맞는 시스템의 인증으로 접근해야 한다.

BIPV를 구성하는 태양광 모듈과 특화된 인버터, 그리고 구조물에 대한 개별 시험 평가와 이를 통합한 시스템의 Mock-up 시험평가가 요구될 것으로 예상된다.

특히 창호 또는 커튼월에 사용되는 BIPV 모듈은 건축물의 에너지 기준이 대폭 강화되어 2010년 6월 10일부터 시행되기 때문에 열관류율을 낮추어야 한다. 개정된 기준은 건축물의 단열성능을 지역·건축물별로 평균 20% 강화하도록 했다. 창호나 문틈으로 빠져나가는 열로 인한 에너지 낭비를 막기 위해서 외부 공기와 직접 접하는 창호 등은 KS 규정에 의한 기밀성능 10등급 이상의 제품을 사용하도록 의무화 되었다. 따라서 창호용 BIPV 모듈에도 같은 등급의 성능이 요구될 것으로 보인다.

상기 기준들은 유럽의 BIPV 관련 기준에 준해 작성된 사항으로 국내에서도 이와 같은 기준을 준용한 성능평가 움직임이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 건축기준과 신재생에너지원을 동시에 평가할 수 있는 기관이 마땅치 않으며, 설사 있다고 하더라도 아직은 시기상조라는 평가가 지배적인 상태이다.

하지만 미리 평가 기준을 마련하고 이에 대한 홍보, 그리고 모듈 및 시스템 업계의 자발적인 성능 개선 노력이 있다면, 향후 BIPV와 관련된 일련의 성능 평가 기준 마련에 대해 쉽게 대처할 수 있을 뿐만 아니라 수출 산업화에 있어서도 빠른 대처가 가능하리라 본다.

이를 위해서는 우선 정부 기관 주도하에 민간 협의체 구성을 통해 관련 분야의 의견을 취합하고 상기 기준과 같은 안을 도출해 상호 협의할 필요가 있다.

특히 시험 인증에 대한 정부의 중복된 투자를 막고 견실한 평가가 이루어질 수 있도록 건축 관련 시험 기관들의 적극적인 참여가 필요한 시점이다.