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[연재] 신재생에너지 기술 현황과 전망(9) - 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 기술현황과 전망
2009년 4월 7일 (화) 16:56:00 |   지면 발행 ( 2009년 3월호 - 전체 보기 )

건물일체형 태양광 발전(BIPV)
기술현황과 전망


한밭대학교 건축공학과(http://hyunam.hanbat.ac.kr/~jhyoon)
윤종호 교수(jhyoon@hanbat.ac.kr)

건물 일체형 태양광발전(BIPV)의 개념 및 특징

건물 일체형 태양광발전(BIPV : Building Integrated PV)은 전기를 생산하는 PV 모듈의 기능에 건축 외장재 기능을 추가함으로써 다양한 부가가치를 도모하는 태양광발전 시스템의 새로운 기술 분야다.
건물 외피를 구성하는 요소로 통합된 PV 시스템은 전력 생산이라는 본래의 기능에, 건물 외피 재료로서 새로운 기능을 추가함으로써 PV 시스템 설치에 드는 비용을 절감하는 이중 효과를 기대할 수 있다. 또한 기존 독립형(Stand Alone) PV 시스템과 같이 설치 공간을 위한 별도의 부지 확보 또는 유지관리를 위한 인력이나 시설이 필요 없기 때문에 경
제성 측면에서 더욱 유리한 기술이다. 지지구조물이나 배선에 드는 비용도 절감할 수 있으며, 전기부하가 발생하는 곳에서 직접 발전을 하기 때문에 송전 손실 또한 절감할 수 있다.
눈에 보이지 않는 경제적 가치 또한 매우 높은 것으로 나타났다. 2008년 4월 미국의 친환경 건축위원회(USGBC)가 LEED(Leadership in Energyand Environmental Design) 인증을 받은 1300여개 건물의 대상으로 조사한 결과, 건물에 신재생에너지 또는 친환경 시설을 적용할 경우 실질적인 에너지 절감 효과는 물론 건물의 임대 및 매매 시 일반건물보다 높은 비용으로 거래가 이루어지고 있는 것으로 입증됐다.

[그림 1] 건물일체형 태양광발전(BIPV)의 장점

하지만 현시점에서 BIPV를 통해 기대할 수 있는 가장 큰 효과는 건축 디자인적 요소로서의 기능일 것이다. 현재까지의 PV 시스템은 에너지 성능과 미적인 측면에서 절충이 필요했다. 하지만 BIPV 모듈은 개발 초기 단계부터 건축 외장재의 역할을 고려했기 때문에 색상, 형태 등에서 매력적인 요소가 될 수 있다. 과거 PV 모듈의 설치로 인해 건물의 외장적 요소가 침해받기 때문에 대부분의 건축 설계자들은 가능한 PV 모듈의 건물 도입을 꺼려해 왔다.
하지만 최근에는 오히려 BIPV의 도입을 통해 미래 지향적이고, 친환경적이며 첨단 건물의 느낌을 부여할 수 있는 새로운 건축 디자인 요소로 관심이 집중되고 있다. 특히 국내 대규모 공공건물 및 상업건물의 경우 턴키 또는 BTL 등의 설계 현상 공모 경쟁을 통해 설계안이 결정되는 것이 일반적이다. 따라서 과거에는 PV 기술의 건물 도입이 건물 디자인적 요소에 마이너스 요인으로 작용해 왔으나, 최근 녹색성장 및 친환경성 강조를 고려해 본다면 오히려 BIPV 등과 같은 기술을 효과적으로 도입할 경우 설계 공모 경쟁에서 차별화된 경쟁성을 가질 수 있는 요소가 된다.

[그림 2] 결정계 태양전지 모듈을 이용한 옥상 거치방식 태양광 시스템
설치 사례(서울 S사, 21㎾p, 2007년)


국내 BIPV 시장의 현황

2004년부터 시행된 공공건물 신재생에너지 의무설치 조치에 따라 주택 이외의 건물에 PV를 적용해야 하는 수요가 급속히 증가하고 있다. 하지만 현재까지 적용됐거나 설계되고 있는 공공건물의 PV 설치 사례는 아직까지도 대부분이 지지대를 이용해 건물 옥상에 거치시키는 형태의 불완전한 BIPV 형태로 적용되고 있다. 이는 건물 외관의 미적인 측면에서 볼 때 건축가 및 수요자들에게 큰 거부감을 주고 있으며, 무엇보다도 건물 외관에 가장 우선권을 주고 있는 현실을 고려할 때 궁극적으로 PV 시스템의 건물 적용 보급을 저하시키는 근본적 요인이 될 것이다. 한편 옥상에 거치시키는 현재의 형태는, 기존의 건물 외장재를 대체함으로써 제적 이득을 본다는 BIPV의 근본적 개념에도 위배되는 것이다. 이러한 이유로 인해 외국의 BIPV 사례에서는 국내와 같은 옥상 거치식 방식을 거의 찾아보기 힘들다.
이러한 상황의 가장 큰 이유는 건물 외장재로 적용시킬 만한 다양한 BIPV 모듈이 아직 시장에 준비되지 못하고 있으며, 특히 건축가들의 다양한 건축적 성능 요구를 충족시킬 만한 제품의 다양성에 대한 준비가 부족하다는 점을 들 수 있다. 이러한 이유로 인해 당초 PV 설치에 대한 적용 검토를 진행하던 상당수의 공공의무화 사례에서, 설계 및 설치가 상대적으로 용이한 ‘지열’쪽으로 선회함에 따라 지난 몇 년간의 공공의무화 시행결과에서 PV 측의 설비투자비 비율이 지열 측에 비해 매우 낮은 현상을 나타냈다. 따라서 태양광 주택보급 사업과 함께, 대규모로 PV를 보급할 수 있는 국내 공공건물 및 상업건물의 PV시스템 보급을 위해서는 시급히 본격적 BIPV를 위한 다양한 형태의 모듈을 개발, 제공해야 할 것이다.

[그림 3] 후면통풍구조의 Cladding Type 비정질 실리콘 태양전지를 이용한
BIPV 사례 (네덜란드 IBC SOLAR, 5.8㎾p)


BIPV 모듈 종류 및 시스템의 최근 응용 분야

BIPV용 PV 모듈은 건축 외장재 또는 차양 장치 등과 같이 부가적인 기능을 추가적으로 수행해야 하므로 기존 독립전원형 PV 모듈과 달리 다양한 형태가 개발되고 있다. PV 모듈 종류의 구분은 그 방식에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 가장 기본적으로는 모듈에 적용된 태양전지의 종류에 따라 판형의 결정 실리콘계와 박막 필름 형태의 아몰퍼스 실리콘계로 구분할 수 있다. 또한 건물 외피에 적용되는 용도에 따라 지붕형과 외벽의 파사드형 및 창호를 대체하는 채광형 BIPV 시스템으로 구분할 수 있다.
BIPV의 가장 대표적인 응용 형태인 지붕형 BIPV 시스템은 지붕 위에 거치시키는 Roof-top 방식이 가장 큰 시장을 형성하고 있으며, 최근에는 태양전지를 건축 외장재에 완벽하게 일체화시킨 Roof-tile, Roof-integrated 및 Roof-encapsulated 형태의 BIPV 지붕재 모듈이 활발하게 개발ㆍ출시되고 있다.
수직 외벽에 설치되는 파사드형 BIPV 시스템은 하중을 받지 않는 커튼월(Curtain Wall) 형태로 적용되는 방식과 기존 외벽 구조에 부착하는 형식의 Facade Cladding 방식이 주류를 이루고 있다. 그 외에도 건물 전면의 태양복사 차단을 위한 차양장치 역할을 하는 BIPV 모듈도 많은 응용 사례로 나타나고 있다.

[그림 4] 현재 가장 일반적으로 보급되고 있는 BIPV 시스템의 적용 부위별
응용 분야

한편 건물 외피의 유리창을 대체하여 발전과 동시에 채광 및 조망 등의 다목적 기능을 제공할 수 있는 투명 및 반투명 BIPV 모듈도 주요 적용 분야 중 하나다. 그 동안은 주로 결정계 태양전지의 배열을 넓게 하여 그 사이로 채광을 하는 Glass/Glass 모듈의 응용 사례가 가장 많았다. 하지만 현휘 현상 및 외부조망의 문제 등으로 인해 최근에는 균일 투광성을 가진 박막형 투명 BIPV 모듈에 더 많은 관심이 집중되고 있다. 현재까지는 대부분 박막 필름형 아몰포스 계열 태양전지의 응용사례가 가장 많은 이 계열의 모듈은 결정계 판형 모듈에 비해 효율은 낮지만 건축과의 통합 유연성이 매우 크기 때문에 BIPV 분야에서 크게 주목받고 있는 모듈 형태다.

BIPV 시장 현황과 전망

태양광발전 시장은 지난 수십년간 어느 산업분야보다도 높은 성장률을 보이며 급속한 발전을 보이고 있다. 선진 OECD 국가로 구성된 IEA 회원국을 중심으로 한 세계 PV 시장 규모를 살펴보면 2007년에 129억 달러로 15년 전인 1992년에 비해 50~60배로 커졌으며, 이는 연평균 30%의 성장을 한 결과이다. 한편 보급 용량 측면에서는 2007년까지의 총 누적 보급량이 7.8GW이며, 2007년 한 해의 연간 보급량이 2.3GW에 이를 정도로 급속히 성장하고 있다.
최근 4년간 세계 PV 시장을 주도하고 있는 선도국가는 독일, 스페인, 미국, 이태리, 프랑스, 한국 등이며 일본은 2006년 주거시장의 PV 보조금 중단으로 인해 1위 자리를 독일에게 내주고 한동안 성장세가 주춤했다. 하지만 일본 상무성은 2009년 1월부터 세계 5위의 온실가스 방출국에 대한 대처방안 일환으로 PV 모듈에 대한 보조금 지급을 다시 시작할 예정이라 밝혔으며, 2050년까지 온실까지 배출량을 현재 수준보다 60~80%까지 낮추기 위해, 향후 신축 주택의 70% 이상에 태양 전지판을 설치하겠다는 목표를 수립함으로써 일본의 PV 산업은 올해가 재도약의 전기가 될 것으로 기대하고 있다.


한편 유럽의 BIPV 시장은 대단한 잠재력을 가지고 있는 틈새시장이다. 비록 유럽 전체 PV시장의 5% 이하를 차지하고 있지만 매년 높은 성장률로 증가하고 있으며, BIPV를 위한 제도적 지원 법규를 수립하고 있는 국가 수가 증가하고 있기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다.
2007년의 유럽 BIPV 시장 규모는 총 143백만 유로로 주택, 상업용, 산업용 및 공공건물을 대상으로 총 설치 용량은 25.7㎿이다 .
BIPV 투자가 활발히 이루어진 지역의 대부분 공통점을 살펴보면 제도적인 지원 체계의 수준이 가장 큰 역할을 했다. 대부분 높은 수준의 발전차액 지원제도를 운영하고 있다. 유럽 내에서 가장 큰 BIPV 시장은 독일이다. 독일은 이미 1999년에 10만 루프 프로그램을 통해 BIPV 사업을 시작했다.
발전차액 지원제도, 무이자 융자 등을 통해 급속한 시장 성장이 이루어졌으며 2004년에 세계에서 가장 큰 시장을 형성했다. 이렇듯 BIPV에 대한 발빠른 집중을 통해 시스템 시공자, 설계자, 건축가 및 BIPV 생산자들 사이에 높은 수준의 기술력이 축적됐으며, 최종 수요자 층의 인식 변화에도 큰 역할을 했다. 독일은 BIPV 시스템, 특히 파사드 일체형 시스템에 대한 발전차액을 상향 조정한 신재생에너지 법안(EEG)의 수정을 통해 세계에서 가장 큰 시장을 보유한 국가를 유지하고 있다.
프랑스 시장은 2006년 BIPV를 위한 발전차액 지원제도가 도입됨에 따라 생산자들의 집중 관심 대상지가 됐다. 2007년 말까지 프랑스는 유럽 내에서 독일 다음 가는 2번째로 큰 BIPV 시장으로 성장했다. 프랑스 시장의 높은 수요를 대처하는 것은 생산자들에게는 도전의 일환이다. 프랑스의 경우 BIPV분야에 대한 관심을 최근부터 갖기 시작했기 때문에, 시장에서는 강력한 생산 라인 및 수요자 기반을 구축하기 위해 노력 중이다. 프랑스 BIPV 시장의 경우 특히 BIPV 설계 및 시공에 대한 경험 부족으로 고생하고 있다.
이탈리아 시장은 좋은 기후 조건과 투자 능력으로 인해 BIPV를 위한 최적지 중 하나다. 하지만 최근까지도 행정 및 관료적인 장벽으로 인해 BIPV를 위한 특정 지원체계가 부족하여 성장에 장애가 되어 왔다. 하지만 2007년 BIPV 설치를 위한 명확한 개념 정의 및 높은 수준의 발전차액을 보장하는 ‘Conto Energia 법안’을 도입함으로써 시장이 급성장했으며., 소비자를 위한 다양한 형태의 지원 체계 및 지불 방법을 마련했다. 이로 인해 2007년부터 매우 높은 성장세를 나타내고 있다. 하지만 여전히 더딘 관료 행정은 성장의 장애 요인으로 작용하고 있다.
그 외 포르투칼, 그리스, 스위스 등의 시장도 성장 추세에 있는데 모두 2009년부터 BIPV를 위한 특정 지원제도를 시행할 예정이다.
한편 향후 세계 PV 시장의 규모는 2010년에 11.7GW, 2013년에 29.8GW 2015년에 51.5GW로 매우 큰 성장을 할 것으로 기대하고 있다. 현재 BIPV 시장의 규모는 전체 시장의 4~5% 수준이며, 향후 급성장을 하여 2013년에 18%, 2015년에는 32%까지 성장할 것으로 전망하고 있다.

마무리

전 세계적으로 녹색성장에 큰 비중을 두고 있는 현 상황을 고려할 때 BIPV 시장은 고전적인 태양광 PV 시장은 물론 건축 시공산업까지도 포괄하는 광범위한 분야이다. 성장 속도 또한 매우 빨라 향후 5년 정도 뒤에 전체 PV 시장의 1/3 정도까지 성장할 것으로 예측됨에 따라 이 분야 시장 및 기술에 대한 대비를 서둘러야 할 것이다. 향후 태양전지 시장은 결정계 태양전지의 아성에 박막 태양전지의 적극적 도전이 치열하게 경쟁하는 구도가 될 것이다. 이미 최근 1~2년 사이에 CdTe 박막 태양전지의 눈부신 성장이 세계 PV시장을 놀라게 했으며, CIGS 박막전지 또한 높은 효율을 무기로 급성장의 도약을 준비하고 있다. 여기에 차세대 태양전지로 활발한 연구 개발이 진행되고 있는 연료감응형 태양전지(DSSC) 및 플라스틱 유기 태양전지(OPV)가 가세 할 경우 이들 신형 태양전지의 유연성 및 응용성을 고려할 때 BIPV 시장의 전망은 더욱 장밋빛으로 예견된다. 하지만 BIPV 기술은 기존의 고전적 PV 기술에 부가하여 고려해야 할 건축적 제반 사항이 너무 복잡 다양하기 때문에 충분한 기술적 준비가 수반되어야 함을 명심하고, 다각적인 측면에서 미래시장을 시급히 준비할 필요성이 있을 것이다.

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