1. 서 론

2024년 상반기 전세계 태양광모듈 설치용량은 539GW로 2023년도에 비해 3배나 성장하였다^[1]. 그 중 전면과 후면에서 동시에 전력을 생산하는 양면태양광모듈이 태양광모듈 시장에서 큰 비중을 차지하고 있다. 그림 1은 양면태양광모듈이 글로벌 태양광모듈시장에서 차지하는 비중을 예측한 그래프이다^[2]. 2023년부터 2034년까지 10년간의 예상비율을 나타내고 있으며, 2023년 50%에서 2024년 63%, 2034년에는 73%까지 점유율이 상승할 것이라는 예측을 보여준다. 양면태양광모듈은 양면 모두에 빛을 받아 전력을 생산하므로 단위 면적당 전력생산 측면에서 단면태양광모듈보다 이점이 있으며, 공공시설과 상업용 건물 등 수평구조의 상판을 가진 시설에 적합하다. 이는 기존 단면태양광모듈처럼 전면에서는 태양광을 직접 받지만, 후면에서는 지면에서 반사되는 산란광을 받아 추가적으로 전력을 생산하는 구조이기 때문이다. 조건에 따라 차이는 있겠지만 기본적으로 5% 이상, 최대 20~30%까지 전력 이득이 가능한 것으로 알려져 있다^[3].

그러나 이러한 구조는 후면 반사 환경의 유형과 색상, 모듈의 설치 각도와 같은 다양한 요인에 의하여 전면 입사광과 다르게 동작하므로서 후면 전력 생산량을 정확히 예측하는데 어려움이 있다. 이런 특성은 태양광발전소 설치 시 적절한 인버터 용량 및 케이블사이즈 선정으로 이어지지 않는 경우가 발생하며 이는 과전류로 인한 화재 및 발전성능저하로 이어질 수 있으며, 반대로 용량 산정을 과도하게 설계하면 초기 설비투자 비용이 증가하게 된다.

2019년 IEC에서는 IEC TS 60904-1-2 양면태양광모듈의 성능기준에 관한 기술 규격을 제시였는데 총 3가지의 측정방법을 포함하고 있다^[5]. 이 방법들은 온도 및 풍속의 변화가 많은 우리나라의 기후 환경에 부합하지 않거나 평가 장비의 신규 구매 및 개조에 따른 비용상승, 평가절차에 따른 노동력 상승과 같은 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점들을 보완하기 위하여 국내 정부기관 및 연구기관, 관련 기업들이 논의를 통하여 KS규격으로 부합화를 진행하였고, 2021년 KS C IEC 61215:2021 지상 설치용 결정계 실리콘 태양전지(PV) 모듈-설계 적격성 확인 및 형식 승인 요구 사항^[6] 및 2024년 KS C 8561:2024 결정질 실리콘 태양광발전 모듈(성능) 규격^[7]이 개정 되었고, 이를 바탕으로 국내 KS인증제도가 시행 중에 있다. 현재 국내 성능평가기관 및 모듈 제조사에서는 이 KS규정에 따라 양면태양광모듈에 대한 최대출력성능을 측정하기 위하여 최소 수천만 원에서 수억 원이 투입되는 신규장비구매 및 기존 장비의 개조 비용이 투입되고 있다. 또한 개정 된 규격의 평가 방법에 따라 기존 단면태양광모듈의 평가시간대비 약 2배의 시간이 소요되고 있으며, 1~2명의 인력이 추가로 투입 되는 경우도 발생하고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 줄여보고자 수십만 원의 수준의 비용과 현재 단면형 최대출력 평가방법과 동일한 시간 및 인력으로 가능한 새로운 평가방법을 제시하였다. 이 방법은 양면태양광모듈의 후면 입사광에 대한 조건 변화를 용이하게 할 수 있는 반사판을 제작하여 양면태양광모듈 후면과의 거리에 따른 최대출력값의 추이를 분석하였으며 거리에 따른 최대출력값 사이의 관계를 정리하여 보정식를 도출함으로서 양면태양광모듈의 최대출력평가에 대한 새로운 방법을 제시하였다.

그림 1. 양면태양광모듈의 글로벌시장 점유율 예상치

Fig. 1. Global market share forecast for the Bifacial PV modules

2. 국내외 양면태양광모듈 최대출력 평가방법

2.1 IEC 규격의 최대출력 평가방법

IEC TS 60904-1-2 규격은 2019년에 제정이 되었고 양면태양광모듈에 대하여 자연광 또는 태양광시뮬레이터 광원을 이용한 최대출력 평가방법을 다음과 같이 3가지를 제시하고 있다. 첫 번째는 옥외설비를 이용하여 후면 환경에 대한 기준을 정하고 최대출력값을 확인하는 방법이다. 기상청에 따르면 우리나라의 기후는 대륙성과 해양성을 모두 보이는 복잡한 특성을 보이며, 여름과 겨울의 기온 차이가 크고 강수량이 많은 편이다. 그리고 독특한 계절풍과 태풍, 겨울에는 많은 눈이 내린다^[4]. 또한 기록적인 열대야와 집중호우 이례적인 늦가을 대설 등 다양한 형태의 이상기후도 점점 발생하고 있는 현실이다. 이러한 계절 변화가 심하고 예측하기 어려운 환경에는 정확하고 일정한 일사량 데이터를 얻기가 쉽지 않기에 옥외설비를 이용한 성능평가 확인은 우리나라에서 실현하기 어려운 상황이다.

두 번째는 실내에 위치한 시험환경 조건 하에서 진행할 수 있는 방법으로 양면 광원을 사용하는 태양광시뮬레이터를 이용한 최대출력 평가방법이다. 실제적으로 전, 후면 동시에 태양광을 조사할 수 있는 방법이기에 시간 절약은 물론 평가에 필요한 인원 또한 절감할 수 있는 최적의 방법이나, 평가장비를 신규 구매하거나 기존의 장비를 개조해야 하기에 최소 수천만원에서 수억원의 비용과 수개월의 시간이 소요되는 단점이 발생한다. 세 번째는 기존의 단면태양광시뮬레이터로 진행하는 방법인데 장비 개조나 신규 구매와 같은 추가 비용 소요가 없다는 것이 장점이나 최대출력을 평가하기 위한 필수 인자인 양면계수를 구해야 한다. 양면계수는 전면의 출력성능 대비 후면의 출력성능을 나타내는 지표로서 0~1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 후면의 출력이 전면과 동일한 성능을 가지게 된다는 것을 의미한다. 그림 2는 양면계수를 구하기 위하여 양면태양광모듈의 전, 후면에 대한 최대출력 평가방법을 나타내고 있으며, 각각의 면에 대한 최대출력평가가 진행 될 때 그 반대되는 면은 입사되는 빛이 없도록 차단되어야 한다. 그림 3은 암막을 이용하여 후면에 조사되는 빛을 차단시킨 상태를 보여준다.

전면과 후면의 최대출력값에 포함 된 단락전류, 개방전압, 최대전력 데이터를 가지고 식 (1)∼ 식 (3)을 이용하여 양면 계수를 구하게 된다. 그 다음 후면 최대출력값에 양면계수를 곱하여 얻은 값을 식 (4)에 적용하여 표준조사강도에 더함으로서 단면태양광시뮬레이터에서의 보정 된 조사강도값을 구하게 되고 그 값을 이용하여 양면태양광모듈에 대한 최대출력값을 구하게 된다^[5]. 단면태양광모듈의 최대출력 평가방법과 비교하면 최소 두 배 이상의 시간과 인력의 투입이 불가피하다.

그림 2. 양면태양광모듈의 전, 후면 최대출력평가방법

Fig. 2. Evaluation method of front and rear maximum power performance for the Bifacial PV modules

그림 3. 암막을 이용한 후면 차광

Fig. 3. Rear light blocking using blackout

(1)

$\varphi_{Isc}=\dfrac{I_{SCr}}{I_{SCf}}$

(2)

$\varphi_{Voc}=\dfrac{V_{OCr}}{V_{OCf}}$

(3)

$\varphi_{P\max}=\dfrac{P_{\max r}}{P_{\max f}}$

(4)

$G_{E_{i}}=1000Wm^{-2}+\varphi\bullet G_{r_{i}}$

$\varphi_{Isc}$ : 전면 단락전류($I_{SCf}$) 대비 후면 단락전류($I_{SCr}$) 비

$\varphi_{Voc}$ : 전면 개방전압($V_{OCf}$) 대비 후면 개방전압($V_{OCr}$) 비

$\varphi_{P\max}$ : 전면 최대출력($P_{\max f}$) 대비 후면 최대출력 ($P_{\max r}$) 비

$G_{E_{i}}$ : 보상 된 광원 조사강도

$G_{r_{i}}$ : 후면 조사강도

IEC 61215-1 규격에서도 양면태양광모듈에 대한 최대출력평가방법을 제시하고 있다. 이 방법은 IEC TS 60904-1-2의 방법 및 기준을 따라가지만 단면형 태양광시뮬레이터를 사용할 경우 전면은 동일하게 1000$W/㎡$를 조사하고 후면은 135$W/㎡$을 조사하게 되어있다. 후면조사량 수치는 일반적인 모듈간격과 밝은 색상의 토양배경에서 전면에 1000$W/㎡$가 입사될 때 후면조사량은 100$W/㎡$~150$W/㎡$ 범위에 있다는 여러 연구기반을 바탕으로 그 선정 배경을 말하고 있다^[6].

3. 반사판을 이용한 최대출력 성능평가 실험

양면태양광모듈의 최대출력 성능을 평가하기 위하여 먼저 고려해야 할 부분은 알베도로서 지면으로부터 입사광이 반사되는 비율을 말하며 반사가 일어나지 않는 0에서부터 모든 빛을 반사하는 1사이의 값을 가진다. 양면태양광모듈이 실제 설치되는 환경과 유사한 조건을 만들기 위하여 흰색, 녹색, 회색, 검은색 시트지로 결정하였다. 이는 각각 빛반사가 높은 눈이쌓인지형, 숲지형, 아스팔트지형, 빛반사가 없는 어두운지형 4가지 유형을 나타낸다. 본 논문에서는 모듈 후면과 반사판의 거리 변화의 관계를 보기 위하여 임의로 가장 높은 알베도를 가진 재질인 흰색 시트지를 투명아크릴 반사판에 적용하여 일정 간격으로 후면과의 수평거리를 변화시키며 최대출력성능을 평가하였다.

3.1 알베도(반사율) 측정

그림 4는 반사율 측정 장비인 스펙트로포토미터를 나타낸다. 장비의 최대 측정 허용면적 20㎝(가로)×20㎝(세로)을 고려하여 시료의 면적을 5㎝(가로)×5㎝(세로)로 제작하였다. 그림 5는 색상별 빛반사율 측정 결과 예시를 나타낸다.

그림 4. 빛반사율 측정장비

Fig. 4. Light reflectance measurement

그림 5. 색상별 빛반사율 결과 그래프

Fig. 5. Light reflectance result graphs according to colors

표 1은 빛 반사율 측정결과를 보여준다. 표와 같이 흰색 시료가 79.16%로 가장 높은 반사율을 나타냈고, 회색 34.36%, 녹색 11.50%, 검은색 4.43%로 반사율 값이 측정되었다. 이 중 최대출력 성능을 평가하기 위하여 가장 높은 알베도를 지닌 흰색 시료를 선택하여 반사판에 적용하였다.

표 1 색상별 빛반사율 결과

Table 1 Light reflectance results according to colors

시료번호	색상	반사율(%)
1	흰색	79.16
2	회색	34.36
3	검은색	4.43
4	녹색	11.50

3.2 반사판 제작

그림 6은 가로, 세로 2.5m×1.5m 길이의 아크릴 투명판을 바탕으로, 빛반사율이 가장 높은 흰색 시트지를 표면에 적용하여 제작한 반사판을 나타낸다. 해당 반사판은 색상별 시트지를 이용하여 다양한 후면 입사환경을 모사할 수 있으며, 모듈사이즈별 후면 조사량의 동일성을 보기 위하여 태양광시뮬레이터의 광원조사면적 전체를 덮을 수 있는 크기로 제작하였다.

그림 6. 흰색 반사판

Fig. 6. White reflector

3.3 양면태양광모듈 선정 및 실험조건

실험에 사용 된 양면태양광모듈은 총 3가지로서 250W, 355W, 400W 의 출력용량을 가지며, 실험 조건은 태양광 모듈의 표준 시험조건인 일사량 1000Wm-2, 모듈표면온도 25℃를 유지하였고, 그림 7은 태양광모듈의 최대출력평가를 위한 태양광시뮬레이터로 IEC 60904-9: 2020 Photovoltaic devices - Part 9: Classification of solar simulator characteristics 에서 나타내는 등급 중 A+(각파장 간격이 0.75 이하인 스펙트럼 정합), A+(공간 조사강도의 2%이내 불균일성), A+(일시적불안정 0.5%이내)등급을 가진다^[8]. 각각의 출력을 가진 양면태양광모듈을 태양광시뮬레이터에 거치시키고 제작한 반사판을 후면에 위치시킨 후, 양면태양광모듈의 후면과 반사판의 거리를 0㎝부터 50㎝까지 10㎝씩 상승시키며 최대출력 평가시험을 진행하였다.

그림 7. A+A+A+ 등급 PV 시뮬레이터

Fig. 7. A+A+A+ graded PV simulator

4. 모듈 후면과 반사판 거리에 따른 최대출력 결과 분석

표 2는 정격별 양면태양광모듈의 전면에 대한 초기 출력값을 나타내고 있으며, 모두 정격출력 이상의 값을 확인할 수 있다. 그림 8은 정격별로 모듈의 후면과 반사판의 거리를 조정하여 최대출력 $P_{\max}$결과 그래프를 나타낸다. 그래프의 가로축은 후면으로부터의 반사판의 거리를 나타내고, 세로축은 해당 거리에 대한 최대출력값을 나타내고 있다. 이 때 거리는 모듈의 후면을 기준으로 5㎝ 간격으로 50㎝까지 반사판을 거치시키고 데이터를 측정하였다.

그림 8. 양면태양광모듈 최대출력 결과그래프

Fig. 8. Bifacial PV module maximum power results graph

그림 8에서와 같이 반사판의 거리 변화가 최대출력값 변화에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 즉, 모듈 후면과의 거리가 멀어질수록 최대출력값은 증가하지만 일정 거리 이상부터는 값이 포화가 되는 것을 알 수 있다. 3종류의 모듈 모두 30㎝를 기준으로 최대출력이 가장 높은값을 나타냈으며, 그 이상의 거리에서는 최대출력값이 더 이상 증가하지 않고 포화 됨을 알 수 있다. 위의 결과를 바탕으로 30㎝ 이상에서 0으로 수렴하는 지수함수 $e^{-0.15}$를 적용하였고, 식 (5)와 같이 모듈의 후면과 반사판의 거리에 따른 최대출력값과의 관계식을 정리하였다.

여기서 상수 A는 평가대상 모듈의 반사판을 적용하지 않은 초기최대출력값을 나타내고, 상수 B는 거리변화량(0㎝~30㎝)에 따른 최대출력 변화량 즉 기울기를 나타내며, 이 두 개의 상수를 구하기 위해서는 초기최대출력값과 0㎝~30㎝까지의 거리별 최대출력 데이터를 취득해야 한다.

5. 결 론

글로벌에너지시장에서 태양광은 미래에너지분야의 핵심기술이며, 그 중 양면태양광모듈은 지면의 반사율, 설치각도 등 설치 환경에 따라 10 ~30%의 최대출력값을 추가로 얻을 수 있는 제품이며, 단면태양광모듈과 비교하여 설치 시 공간 및 전력유틸리티에 대한 추가 수요가 적기에 상업용 및 주거용 태양광모듈시장에서 많은 부분을 차지하고 있다. 급격한 시장의 상황과 기술 발전 속도에 비하여 양면태양광모듈에 대한 성능평가 규격은 초기 개정 단계에 머물고 있는 실정이지만 글로벌 태양광 전문가들이 국제전기위원회 태양광분과(IEC TC82)회의를 통하여 매년 양면태양광모듈의 성능평가 표준화를 위하여 많은 연구를 진행하고 새로운 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서는 실험을 통하여 양면태양광모듈의 후면 반사판의 거리 변화에 따라 최대출력값의 변화를 확인하고자 하였으며, 거리의 증가에 따른 최대출력이 상승되고 일정 구간 이상에서 출력값이 포화 되는 결과를 얻게 되었다.. 이 결과는 IEC 및 KS 규격의 최대출력 평가방법과 비교하여 시간적, 비용적 측면에 있어서 이점이 있다. 전, 후면의 최대출력값을 비교하여 양면계수를 구해야하는 행위가 필요하지 않게 되고, 반사판을 제작하여 대부분의 모듈제조사 및 성능평가기관들이 보유한 단면태양광시뮬레이터를 그대로 사용할 수 있으며, 반사판과 모듈의 후면과 적정한 거리에 거치하여 최대출력을 한번의 평가로 신속하게 데이터를 얻을 수 있다, 그리고 반사판 제작 비용은 태양광시뮬레이터의 개조나 신규 장비의 구매에 들어가는 비용과 비교하여 수십배에서 수백배까지의 절감 할 수 있다. 이번 결과에서는 거리에 대한 변화량을 적용했지만 실제 양면태양광모듈이 설치되는 다양한 환경과 유사한 조건을 찾기 위하여 고려해야 할 요소들이 다수 존재한다. 향후 후속 연구를 통하여 거리뿐만 아니라 반사판과 모듈과의 각도, 지면 환경에 따른 반사율 나타내는 재질별 반사판을 사용하여 각각의 성능평가 데이터를 도출하고자 한다.