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국내 신재생에너지 기술의 적용 사례는 이미 오래전부터 진행되어 왔으며, 보급을 위해 태양광 10만호 보급사업, 태양열 난방지원사업, 그린빌리지사업, 지역에너지사업 등 다양한 지원이 지속적으로 이루어져 왔다. 최근의 경우 신재생에너지 보급을 위해 가정용 태양광 시공 보조금 지원과 발전사업을 위한 저금리 대출, 배터리를 연동하여 ESS구축 및 REC 5.0지원 등 국민 참여형 지원제도 또한 활발히 이루어지고 있다. 이와 같이 환경오염에 대한 우려를 해결함과 동시에 에너지 수요량의 많은 비중을 화석연료를 대체하여 공급하기 위한 신재생에너지의 도입 방안에 대하여 국가적, 세계적인 노력이 지속되고 있다[1]-[5].

이러한 노력은 단순히 에너지 발전 및 반도체 생산에 대한 공학적 산업분야 뿐만이 아닌 건축 산업또한 지속적인 제도적, 행정적 지원사업이 이루어지고 있으며, 건축산업 시장에 가장 큰 영향을 미친 계기는 공공기관 신재생 의무화제도의 시행을 대표적인 예로 들 수 있다. 2004년부터 시행된 공공기관 신재생에너지 이용 의무화 법규는 연면적 3,000㎡ 이상의 신축 공공건물에 대해 건축 공사비의 5% 이상을 신재생에너지설비에 설치토록 의무화 한 법안으로, 정부는 해가 지날수록 의무화 법규에 해당하는 건물 연면적의 규모를 줄이면서 건물의 신재생에너지 의무설치 범위를 점차적으로 넓히고 있다[6].

건축물에 대한 신재생에너지 발전설비를 적용하는 방법으로는 기존 태양광패널을 건물의 옥상 또는 주차장, 공터와 같은 옥외에 시공하는 일반적인 방법과 건물의 유리창 자체를 태양광발전 설비로 제작하여 설치하는 BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic system) 방법이 있다.

BIPV, 건물 일체형 태양광 발전시스템이란 태양광 전지판을 건축 외장재화 하여 건물의 외피를 구성하는 건물 일체형 태양광 발전시스템이다. 건물 일체형 태양광 발전 시스템은 주로 창호나 벽면, 발코니 등 건물의 외관에 태양광 발전 모듈을 장착하여 자체적으로 전기를 생산하고, 건축물에서 바로 활용할 수 있는 시스템이다. 태양광 발전 에너지로 생산된 전기는 건물 내에서 소비하는 것 외에도 건물 외장재로 사용하여 건물의 가치를 높이는 디자인 요소로도 쓰이고 있다. 건축물의 요소 자재로 활용될 수 있다는 점에서 기존에 넓은 면적의 별도 설치 부지가 요구되던 태양광 발전방식과 달리 도심 건축물에 적용이 가능한 BIPV는 건축물의 친환경화를 위한 기술적인 대안으로 태양광 발전의 미래 에너지 산업분야에서 주목받고 있다. BIPV 시스템은 단순한 태양광 패널의 건물 적용뿐만 아니라 발전 효율을 개선하기 위한 소재 또는 부품, 다양한 전기/전력의 활용을 위한 전력변환기술, 생산 전기 제어를 위한 정보/통신, BIPV 적용을 위한 건축 자재 등 다양한 기술이 융합되어 이에 따른 기술 개발과 연관 산업의 파급효과가 큰 분야가 되어가고 있으며 그림 1~2와 같이 급격한 속도로 관련 시장은 성장하고 있다[7]-[9].

Fig. 1. 
BIPV market trend

Fig. 2. 
Shipment of PV and BIPV

그림 1과 같이 BIPV의 설치는 2011년 378.9MW 규모에서 2020년 8459.9MW 규모로 급격한 성장세를 보여주고 있으며 2019년 기준 2018년 대비 26.3%의 성장률을 보여주고 있으며 2020년은 2019년 대비 21.8%의 성장을 예상하고 있다.

그림 2의 경우 일반 태양광인 PV와 BIPV의 설치량 비교 통계를 분석해보면 2012년 PV 31.6GW, BIPV 0.4GW로 상대적으로 미비한 수치의 시스템 설치가 이루어졌으나, 2019년 PV 91.6GW, BIPV 13.6GW의 설치량을 보면 PV대비 BIPV의 설치량은 상대적으로 많은 발전을 이루었다.

하지만 세계적으로 BIPV의 건축 적용사례들이 증가하며 시장의 활성화가 이루어지는 반면, 국내의 경우 크게 각광 받지 못하는 실정이다. 가장 큰 이유로는 국내 BIPV의 저조한 전기효율을 예로 들 수 있다.

태양광발전은 15% 이상의 발전효율을 나타낼 때 사업성과 경제성을 가질 수 있으나, 국내 제품의 경우 평균 10% 초반으로 해외시장에서 BIPV 개발이 꾸준히 이루어져 온 미국의 미아솔, 글로벌솔라, 알타디바이시스, 독일의 솔리브로와 같은 태양광 전문 기업들의 17~18% 효율을 나타내는 데에 비해 효율이 크게 낮은편이다. 최근 국내 기업의 지속적인 연구 및 개발을 통해 최대 17% 이상의 제품의 효율을 구현하였으나 국내의 경우 시장의 초기로 판단되며 적용의 사례가 미비한 실정이다.

BIPV의 활성화와 기술력 확보를 위해 발전효율을 증대시킬 수 있는 연구가 지속적으로 요구되지만, 국내에서 시행되고 있는 신재생에너지 의무화를 비롯한 다양한 에너지 정책에 대응을 위해 건면적에 대한 효율적인 건물 구축이 요구되고, 이를 위한 BIPV의 적용은 필수적인 요소가 될 것으로 판단된다.

이러한 환경에서 본 연구에서는 BIPV를 통한 신재생에너지 발전과 ESS 연계를 통해 효율적인 전력 운영을 위한 연구를 진행하고자 한다. BIPV를 통한 전력운영 환경에서 최대의 효율을 구현하기 위해 발전량 분석, 사무공간에서 사용되는 일반용 전력운영 요금제, 소비패턴 분석을 기반으로 하는 BIPV 연계 전력운영 기법을 제시한다.

BIPV 발전량 분석 데이터와 전력 소비패턴 분석 데이터를 기반으로 운영 알고리즘에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시간대 별 발전량 데이터와 부하패턴 데이터를 매칭한 결과는 그림 8~10과 같다.

Fig. 8. 
Data matching of PV power and use power(fine weather)

Fig. 9. 
Data matching of PV power and use power(little cloudy)

Fig. 10. 
Data matching of PV power and use power(bad weather)

그림 8~10은 소비패턴 데이터와 날씨별 태양광 발전량 데이터를 각각 매칭하여 도식화 한 결과이다. 이러한 결과와 ESS 충/방전 알고리즘을 적용한 시뮬레이션 결과는 그림 11~12와 같다.

Fig. 11. 
Result of simulation(fine weather)

Fig. 12. 
Result of simulation(little cloudy)

그림 11~12와 같이 알고리즘이 적용된 시뮬레이션 결과는 노란색으로 표시된 피크전력은 배터리로 완화하였고, 하얀색으로 표시된 BIPV 발전 전력은 충/방전을 정지하여 대기상태로 전환되며 소비전력으로 사용됨을 확인할 수 있다. 발전 전력으로 부족한 빨간색 표시 전기는 계통전력의 전기를 이용하였음을 표시한다.

피크 전력 절감과 동시에 부하 전력대비 상당한 양의 계통전력의 전기를 절감함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.

국내를 비롯하여 전 세계적으로 친환경에너지의 이슈와 함께 제로 에너지빌딩 적용의 관심이 대두되면서 건축, 전기, 전자, IT 등 다양한 산업 분야에서 지속적인 연구와 개발이 진행되고 있다.

본 논문에서 제안된 기술은 국내 전기운영 현황에 따라 피크전력과 이를 절감할 수 있는 시스템을 전력발전 효율이 다소 낮은 BIPV와 ESS를 연계하여 최적의 전력 소비를 이룰 수 있는 방안을 마련하기 위한 운영 기법을 제안하였다.

구축된 태양광 및 ESS설비, 부하설비들을 통해 도출 된 데이터를 기반으로 진행한 1kWh급 BIPV ESS와 1,070W의 부하 환경의 시뮬레이션 결과 발전 전력대비 사용전력에 대한 충전과 피크전력 기준으로 설정된 800Wh에 대해 최대 270Wh를 초과하는 부하전력을 배터리 방전을 통하여 피크전력을 절감할 수 있는 결과를 확인하였다.

하지만 제안하는 전력 운영기법에 활용된 데이터는 실제 BIPV를 적용한 것이 아닌 이론적이고 제안적인 환경에서 도출한 데이터로써 실제 운영 환경에서 환경적 요인에 따른 발전 전력효율 변동과 발전 전기 손실율 대입에 따라 기타 변수가 존재 할 수 있다. 따라서 이들 한계점을 극복하기 위한 실증과 결과에 대한 연구를 본 논문의 향후 과제로 한다.