2.1 Collector-분전반

Collector-분전반은 시스템 구성상 모듈과 인버터 사이에 위치하며 모듈의 전기특성을 고려하여 직렬 구성된 회로를 상호 연결하여 직류 전력을 인버터로 전달하는 장치이다. Collector-분전반은 그림 2와 같이 모듈간 충돌을 방지하고 역전류 및 과전류로부터 모듈과 인버터를 보호하며, 전체 배선의 수를 줄여주는 역할을 한다^[4].

그림. 2. Collector-분전반 회로도

Fig. 2. Collector-panel board circuit diagram

2.2 인버터

인버터는 태양광 모듈에서 발전되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 하며, 그림 3과 같이 교류계통으로 접속된 부하설비에 전력을 공급한다. 인버터는 태양광 모듈의 발전된 직류전류를 교류전류로 변환시켜주고 일반 배전계통과 연계운전을 할 수 있도록 해준다. 또한, 정전시 점검자를 보호하기 위한 단독운전 방지기능 등 보호 기능을 갖추고 있다. 인버터의 동작전압 범위는 제조사별로 상이하나 본 논문에서는 250V~700V의 인버터를 사용하였다.

그림. 3. 인버터 회로도

Fig. 3. Inverter circuit diagram

2.3 통합형 분전반

통합형 분전반은 인버터에 연결해야하는 Collector-분전반의 수가 많거나 계통 저압반의 차단기가 부족한 경우 그림 4와 같이 Collector-분전반의 전력을 통합하여 적은 수량의 케이블 및 차단기를 사용하여 계통과 연계하는 역할을 한다.

그림. 4. 통합형 분전반 회로도

Fig. 4. Integrated-panel board circuit

BIPV 시스템의 계통이 복잡한 경우 통합형 분전반 사용시 전력 간선을 효율적으로 사용할 수 있고 자재 및 시공비용을 절감할 수 있는 효과가 있으며 유지관리가 용이한 장점이 있다.

2.4 모듈

BIPV 모듈은 주재료의 특성을 바탕으로 실리콘계와 화합물계 등으로 분류될 수 있다. 현재 시중에 상용화되어 사용되고 있는 BIPV 모듈은 실리콘계로 표 1과 같이 그 형태에 따라 결정형과 박막형으로 구분된다^[5].

결정형 셀은 투과가 되지 않으므로 결정형 BIPV 모듈은 투과가 필요하지 않은 외벽이나 커튼월 스팬드럴 등의 설치부위에 주로 사용되고 있다. 박막형 BIPV 모듈은 실리콘을 주성분으로 하는 실란가스를 진공장치에서 증착시키는 방법으로 만들어진 BIPV 모듈로서 투과율을 조절할 수 있는 장점이 있어 외부를 조망할 수 있는 부위에 설치할 수 있다. 또한 컬러 글라스와 유사한 외관을 활용하여 건물의 심미성을 강조하는 요소로 활용하고 있다^[6],^[7].

BIPV 모듈의 온도는 그림 5와 같이 발전 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 모듈의 온도가 상승하면 단락전류(Short Circuit current)가 증가하고 개방전압(Open Circuit Voltage)이 감소하나 개방전압의 감소 폭이 더 커 발전 효율이 저감된다. BIPV 시스템의 경우 BIPV 모듈의 종류가 다르거나 사이즈에 따라 모듈의 전기적 특성이 달라진다. 어레이 구성시 인버터의 동작전압 범위의 한계치에 가깝게 구성하였을 경우 온도에 따른 전압의 변화로 BIPV 시스템이 동작하지 않을 수 있다^[8].

그림. 5. 온도변화에 따른 모듈의 I-V 곡선(1,000W/㎡)

Fig. 5. I-V Curve of temperature variation

3.1 적용 대상 개요

설계 적용 대상은 서울 H-대 근처 도심지의 복합시설로 개발되는 신축건물이며 지상 17층의 규모이며 그림 6과 같다. 건물의 용도는 판매, 업무, 숙박, 근생, 공공업무이며 저층부는 알루미늄 판넬, 고층부는 알루미늄 커튼월을 외장 마감재로 하고 있다. BIPV 설치 부위는 고층부 알루미늄 커튼월의 9개층 남, 동, 서측면의 스팬드럴 이며, BIPV 설치 가능 면적은 남측면 630㎡, 서측면 210㎡, 동측면 80㎡이다.

3.2 모듈 설치 가능 수량 산정

본 건축물의 BIPV를 설치할 수 있는 커튼월의 간격 및 길이를 고려하였을 때 BIPV 모듈을 설치할 수 있는 수량은 그림 7과 같이 한정적이며 건축 디자인에 맞춰 배치되기 때문에 표 2와 같이 층별 수량이 일정하지 않다. 이렇게 일정하지 않은 수량은 BIPV 모듈의 어레이 산정시 계통에 연결되지 않는 더미모듈을 발생하게 하는 원인이 되어 BIPV 시스템의 설치용량을 감소하게 한다. 더미모듈은 건물 입면 디자인의 통일성을 위해 설치하는 것으로 발전에 아무런 영향이 없다. 그러나 모듈이 고장 났을 때는 더미모듈을 예비용으로 사용할 수도 있다. 이에 건축적으로 나타나는 수량과 BIPV 모듈의 전기적 특성을 동시에 고려하여 계통에 연결되지 않는 모듈의 수량을 최소화하는 것이 BIPV 설계시 중요한 요소이다.

그림. 6. 적용 대상 조감도

Fig. 6. Bird's-eye view

그림. 7. 남측면도(a) 및 서측면도(b), 동측면도(c)

Fig. 7. Front & West, East facade

3.3 결정형 BIPV 시스템 어레이 설계

BIPV 모듈의 어레이를 산정할 때 고려해야 하는 요소는 BIPV 모듈의 개방전압 및 인버터의 동작전압 범위이다. BIPV 모듈 어레이의 개방전압의 합이 계통을 구성할 인버터의 동작전압(250V~700V) 범위 내에 있어야 BIPV 시스템이 가동될 수 있기 때문에 BIPV 모듈의 개방전압은 어레이 구성시 중요한 요소가 된다. 이러한 개방전압의 차이는 어레이를 구성하는 모듈의 수에서 차이를 나타낸다. BIPV 모듈의 사이즈는 현장별로 일정하지 않아 BIPV 모듈의 전기적 특성은 상이하여 BIPV 모듈의 어레이 수량은 현장별로 다를 수밖에 없다. 표 2와 같이 남측면의 설치 가능 수량은 379EA로 표 3과 같이 14직렬×27병렬로 구성하였을 때 계통에 연결되지 않는 모듈의 수량이 1장으로 가장 적게 된다. 14직렬시의 개방전압은 547.4V(=14직렬×39.1V)로 인버터의 동작전압 범위를 충족하며, 서측면의 경우 수량이 126EA로 14직렬×9병렬로 구성하였을 때 모두 계통에 연결되어 더미모듈이 없게 된다. 동측면의 경우 건축 디자인적으로 BIPV 설치 위치간 간격이 매우 커 상·하로 어레이를 나누어 구성해야 한다. 상부는 12직렬×3병렬로 하부는 12직렬×1병렬로 구성하였을 때 모두 계통에 연결되고 더미모듈이 최소가 된다. 12직렬시의 개방전압도 469.2V(=12직렬×39.1V)로 인버터의 동작전압 범위를 충족한다.

3.4 박막형 BIPV시스템 어레이 설계

박막형 BIPV 모듈의 개방전압은 167V로 인버터의 동작전압 범위를 고려하였을 때 3~4직렬로 구성될 수밖에 없는 전기적 특성이 있다. 이에 결정형은 직렬의 수가 많고 박막형은 직렬의 수가 적다. 직렬수의 단위가 적을 경우 계통을 쉽게 구성할 수 있으나 병렬의 수가 많아지게 되어 Collector-분전반의 수량이 늘어나게 되는 단점이 있다. 표 2와 같이 남측면의 설치 가능 수량은 379EA로 표 4와 같이 3직렬×126병렬로 구성하였을 때 계통에 연결되지 않는 모듈의 수량이 1장으로 가장 적게 된다. 3직렬의 개방전압은 501V(=3직렬×167V)로 인버터의 동작전압 범위를 충족하며 서측면의 경우 수량이 126EA로 3직렬×42병렬로 구성하였을 때 모두 계통에 연결되어 더미모듈이 없게 된다. 동측면의 경우 상부는 3직렬×12병렬로 하부는 3직렬×4병렬로 구성하였을 때 모두 계통에 연결되어 더미모듈이 없다. 3직렬시의 개방전압 또한 501V(=3직렬×167V)로 인버터의 동작전압 범위를 충족한다.

그림. 8. 결정형 BIPV 계통도

Fig. 8. The distribution diagram of crystalline BIPV

그림. 9. 박막형 BIPV 계통도

Fig. 9. The distribution diagram of thinfilm BIPV

3.5 결정형 & 박막형 BIPV시스템 설계안 비교

결정형 BIPV와 박막형 BIPV 모듈의 어레이를 구성하는 직렬의 수를 비교하였을 때 결정형 BIPV는 박막형 BIPV에 비해 3배 이상 많다. 반대로 병렬의 수는 박막형 BIPV가 결정형 BIPV에 비해 3배 이상 많으며 더미모듈의 수량을 가장 적게 하였을 때 결정형의 어레이별 전압은 469V~547V로 구성되었다. 박막형 BIPV의 경우 501V로 어레이별 전압이 상대적으로 박막형 BIPV가 더 높게 나타났다. 표 5와 같이 동일한 설치면적에 설치용량은 결정형 BIPV 108.7kW, 박막형 BIPV 82.8kW로 결정형이 박막형에 비해 31% 더 크다. 단순히 전기적인 발전효을 만을 중요시 할 경우에는 결정형 BIPV가 우수하지만 건축 입면의 외관을 중요시 할 경우에는 박막형 BIPV를 더 선호하는 추세이다

직렬과 병렬 수의 곱이 설치면의 태양광모듈 수가 되므로 인버터의 설치용량을 정할 수 있게 된다. 표 6은 이러한 구성요소의 수량을 정리한 표로 Collector-분전반 및 인버터 등의 구성요소를 살펴보면 결정형 BIPV의 Collector-분전반 수량은 총 5개이고 박막형 BIPV의 Collector-분전반 수량은 9개로 박막형 BIPV가 결정형 BIPV에 비해 Collector-분전반의 수량이 1.8배 많았다. 결정형 BIPV와 박막형 BIPV의 인버터의 수량은 5개와 4개로 거의 비슷하나 박막형 BIPV는 Collector-분전반의 수량이 많아 인버터와의 계통사이에 통합 분전반을 설치해야 하는 특징이 있다.