건물일체형 태양광(BIPV) 발전형 커튼월의 신뢰성 검증을 위한 실대형 성능 평가에 관한 실험적 연구

국내 BIPV의 품질 및 성능평가, 안전을 위한 표준으로 4가지가 있으며, 아래 Table 1.에 정리하였다.

Table 1.

Standard on Photovoltaics

Table 1.에서 보는 바와 같이 태양광 모듈은 일반 PV 모듈과 BIPV 모듈로 나누어 볼 수 있다. 상용화 되고 있는 실리콘 PV 모듈은 결정형과 박막형이 있으며, 효율은 결정형이 약 15%, 박막형이 약 8% 정도이고, 가격은 박막형이 결정형에 비해 저렴하지만 결정형 생산 기술의 발전으로 그 차이가 좁혀지고 있는 추세이다[8]. 결정형 실리콘 PV 모듈의 성능은 국내표준인 KS C 8561의 19 항목의 시험방법 및 품질기준을 통해 인증을 받을 수 있으며, 박막 PV 모듈은 KS C 8562의 20가지 항목의 시험 항목과 품질기준을 통해 인증을 받을 수 있다[9]. 두 시험은 공통적으로 육안을 통해 모듈의 외관을 검사하는 육안검사부터 일정 조건에서의 발전 정격용량을 보는 최대출력결정 등의 시험은 IEC 61215와 IEC 61646을 준용하고 있으며, KS 표준의 특이점으로 3면이 바다로 둘러싸여 있는 국내 현황에 맞춘 소금기 있는 수분에 대한 영향을 보는 염수 분무시험 등을 추가 한 점이다.

BIPV의 경우 KS C 8577의 13가지 전기 성능평가 항목과 2가지 구조적 성능평가 항목, 7가지 안전 성능평가 항목을 통해 인증을 받을 수 있으며, 앞에서 언급한 IEC의 PV 모듈 시험방법과 IEC 61730을 준용하고 있고, PV 모듈과의 차이점으로는 BIPV모듈의 경우 PV모듈에 비해 사람과의 거리가 아주 가까운 곳에 설치되며 건축자재의 역할을 하므로 모듈파괴시험을 통해 물리적 충격에 의한 파편 튐을, 내화·내열 시험을 통해 화재 등에 의한 인적피해를 방지하기 위한 목적의 시험들이 추가되어 있다[10].

국내에는 창호 관련 표준은 존재하지만 커튼월에 대한 표준은 존재하지 않는다. 국토해양부의 건축공사 표준시방서에도 커튼월에 대한 표준은 ASTM과 AAMA의 표준을 따른다. 국외 표준으로는 미국, 유럽, 중국, 일본의 표준이 대표적이며 가장 범용적으로 이용되는 것은 미국의 ASTM와 AAMA의 표준이다. 유럽의 경우 비내력벽으로서 건물외피의 역할인 보호, 안전 등의 조건을 구체적으로 명시해 놓았으며 중국, 일본 등과 비슷하다. 특이점으로 중국의 상해시공정건설규범에서 태양광이 설치된 커튼월에 대한 설계기준이 있다는 점이다. 아래 Table 2.에 국내에서 가장 범용적으로 사용되고 있는 미국의 커튼월 표준을 정리하였다.

Table 2.

Standard on curtain-wall

기밀 성능 시험의 경우 시료에 일정 압력을 유지한 뒤 새어나오는 공기량을 측정하는 시험으로 판별기준은 새어나온 공기의 양을 일정 기압, 온도, 밀도의 상태로 환산하여 판별한다. 수밀성능 시험의 경우 시료에 일정량의 물을 살수하여 누수 발생 여부로 판별한다. 구조성능시험의 경우 일정 압력의 바람을 가해 주었을 때 각 지점의 최대 변위량을 측정하며, 재질에 따라 허용치가 다 다르다. 층간 변위 시험은 지진을 가정하여 시험하며 일정량의 층간 변위량을 인위적으로 유발한 후 시험 전의 상태와 비교하여 내진성능을 검토 한다. 열순환 시험은 별도의 챔버를 통해 시료를 고온과 저온을 반복한 뒤 기밀, 수밀 시험의 반복을 통해 열에 의한 창호의 영향을 판단하는 시험이다.

BIPV 커튼월은 외부 환경에 직접적으로 노출됨으로써 사용 환경에 의한 파손 확률이 높다. 건자재로써 여름과 겨울철 실내외의 온도차이로 인해 유리와 프레임의 접착면에 응력이 작용하여 파손되는 경우가 발생하기도 하며, 바람에 의한 지속적인 스트레스로 파손되는 경우도 많다. 또한 발전원으로써 발전의 지속성과 전기적 안전이 보장되어야 하지만 외부 환경에 의한 영향과 전류의 흐름으로 발생하는 힘의 영향으로 모듈 자체가 파손되어 발전량의 저하가 발생할 수 있으며, 커넥터가 파손되거나 피복의 벗겨져 지락에 의한 누전 및 감전사고, 선간단락으로 인한 화재사고 등이 발생 할 수 있기 때문에 BIPV 커튼월은 건축자재 측면과 에너지 공급원 측면 모두에서 신뢰성(구조적 안정성, 수밀성, 기밀성, 전기안전성)을 확보 할 필요성이 있다. 따라서 본 논문에서는 에너지원으로써의 평가는 BIPV 모듈 성능 평가 표준인 KS　표준을 준용하고 건축자재측면에서의 평가는 Table 2.와 같이 AAMA, ASTM을 준용하여 BIPV 커튼월의 통합 실험 방법을 정립하고자 한다.

BIPV 커튼월은 전기를 생산하는 발전 시스템이면서 외부 환경에 직접 노출되는 외장재적 역할을 수행하고 있다. 그러므로 BIPV 커튼월의 신뢰성을 평가하기 위해서는 두가지 관점을 모두 고려하여 평가를 하여야 한다. 건축물의 외장재적 관점에서 보면 태풍에 의한 풍하중, 온도차에 의한 파손 등이 신뢰성 저하의 원인이 되고 있으며 발전 시스템 관점에서 보면 태풍, 지진에 의한 성능 저하 및 배선 손상으로 인한 전류 누설로 치명적인 인명피해를 받을 수 있다. 따라서 본 통합 실험 평가 방법에 대한 모델링에서는 BIPV 커튼월의 발전시스템과 외장재로써의 신뢰성 검증을 위하여 Fig. 2.와 통합 실험 평가 모델을 설계하였다. BIPV 커튼월이 외장재로써 태풍, 지진, 바람, 온도차에 영향성을 판단하기 위하여 기밀, 수밀, 내풍압, 층간변위, 열순환 등과 같은 구조적 평가를 구성하였다. 발전시스템으로써 신뢰성을 검증하기 위하여 절연내성, 접지연속성 실험과 같은 전기 안전성 평가를 구성하였다. 또한 전후에 최대출력을 비교 분석함으로써 BIPV 커튼월이 외적 스트레스에 받는 성능 저하를 평가하였다.

Fig. 2.

Modeling on Evaluation method

BIPV 커튼월 실대형 평가 모델에 적용될 모듈 선정은 범용적으로 사용하고 있는 결정질 실리콘(c-Si) 모듈과 박막 실리콘(a-Si) 모듈 및 컬러 구현이 가능한 염료감응형(DSC) 태양광 모듈로 한정하였다. Table 3.과 같이 결정질 실리콘 태양광 모듈 3장, 비정질실리콘 박막 태양광 모듈 투과율 0%, 10% 각각 3장, 염료감응형 태양광 모듈 3장으로 구성하였다.

Table 3.

BIPV module construction

BIPV 커튼월은 각 건물의 설계 시 건축적인 조건과 외부 환경, 구조적 성능, 내구성, 디자인 등의 다양한 범위에서 고려되어 설계되며, 이러한 이유로 각 건물의 커튼월 프레임간의 디테일 또한 다르게 설계될 수밖에 없다. 따라서 커튼월의 표준안 및 대표 모델의 선정은 불가능 하며, 기본적으로 커튼월 프레임의 요구조건에 충족한 최적의 프레임을 기준으로 본 BIPV 커튼월의 실대형 평가 모델을 설계하여야 할 필요가 있다. 커튼월의 프레임은 음영부분을 고려하여 SSG 타입으로 적용하였으며, 배선은 프레임 내부로 통하도록 설계하였다. 테스트에 적용되는 모듈은 결정질, 박막, DSC 모듈의 GtoG 타입으로 구성하였다. 자세한 사양은 아래 Table 4.와 같다.

Table 4.

Specification on Full-scale test model

설치 과정은 먼저 알루미늄 커튼월이 앵커링 되는 콘크리트 슬래브 높이에 맞게 구조용 H-Shape 형강(200x200x8x12 & 250x250x9x14)을 사용하여 총 1 개층 분량의 스틸 챔버 제작하였다. 그리고 스틸 챔버에 Steel Anchor를 용접하여 Aluminum Frame이 설치되는 위치를 잡고 하부 Aluminum Frame부터 Steel Anchor에 Bolt와 Nut로 체결하여 총 12개층 분량의 프레임을 설치하였다. 이후, 시험체와 챔버 사이의 공간을 50 [mm] Steel 각관과 3×6 합판을 사용하여 챔버를 마감하였으며, 최종적인 코킹작업으로 합판과 합판사이, 그리고 합판과 챔버 사이의 틈새를 밀폐하여 챔버의 기밀성을 확보하여 평가를 원할히 진행할 수 있도록 하였다. 설치된 BIPV 커튼월 실대형 평가 모델은 Fig. 3.과 같다.

Fig. 3.

Full-scale test model

BIPV 커튼월의 전기적 안전성을 평가하기 위하여 절연내성평가 및 접지연속성을 평가하였다. 실대형 평가 전후 3차례에 걸쳐 평가를 진행하였다. 실대형 평가 모델이 설치 된 후 평가하여 최초 설계가 적합하게 되었는지를 확인하였으며 기밀ㆍ수밀, 내풍압, 층간변위, 열순환 등의 외장재로써의 스트레스를 받은 후 각각 2차례에 걸쳐 평가하여 전기적 영향성을 확인하였다. 절연 내성 평가 결과, Table 6.에 보이는 바와 같이 3차례 모두 절연 저항값이 500 MΩ 이상(장비 측정 범위: 1~500MΩ) 측정되어 허용치인 0.4 MΩ 이상 조건을 만족하였다.

Table 6.

Evaluation result of insulation resistance

접지연속성 측정 결과, Table 7.에 보이는 바와 같이 3차례 모두 접지 저항 값이 0.002 ~ 0.003 [Ω]으로 측정되어 허용치인 0.1 [Ω]이하 조건을 만족하였다.

Table 7.

Evaluation result of ground resistance

실대형 평가 모델의 경우 설계 과정부터 용량과 시공을 고려하여 설계하였기에 기준 조건에 부합하였지만, BIPV 모듈은 건물에 접합 될 때 프레임을 통해 단자가 정리되므로 도선과 프레임, 건물을 하나의 노드로 볼 수 있다. 그렇기 때문에 발전 용량이 고려되지 않았거나 노후화 된 도선 또는 단자를 사용하게 되면 커튼월의 구조적 시험(구조성능, 열순환 등)으로 발생되는 스트레스로 인해 도선의 피복 벗겨짐 또는 자기 공진에 의한 절연체 파괴로 인한 지락 및 선간단락 사고가 발생하게 된다. 지락의 경우 프레임을 통해 접지로 흐르는 전류에 의해 감전사고가 발생할 수 있으며, 선간 단락으로 인해 내부저항의 온도가 올라가게 되면 화재가 발생하여 사람이 위험에 노출될 수 있다.

구조적 평가는 ASTM, AAMA 표준을 준용하여 구조성능, 층간변위, 열순환 평가 전후로 기밀ㆍ수밀을 하여 실대형 평가 모델의 구조적 성능을 평가하였다.

구조성능(내풍압) 평가는 시험체 내부의 공기압을 설계 풍압력 조건으로 시뮬레이션하면서 커튼월 구조의 수직재 및 수평재, 유리에 가해지는 압력에 따라 각 성분들의 휨을 측정하는 평가로써 일반적으로 건물의 외부 환경(바람의 방향, 지속시간, 지상에서의 높이, 건물 형태, 지역, 주변구조물 등)에 의해 BIPV 커튼월이 풍하중에 어떠한 영향을 미치는지 확인하는데 목적이 있다. 설계　풍압조건은 “국토해양부 건축구조기준에 고시된 건축용 커튼월의 표준설계 풍압산정”기준으로 ± 231 [kgf/m²]으로 Table 8.과 같이 산정하였다.

Table 8.

Design wind pressure

평가 결과, BIPV 모듈 모두 Table 9.와 같이 Glass 허용치 범위인 25.4 [mm] 보다 적게 측정되었다. 이는 모듈과 프레임간의 접착이 적합하게 시공된 것으로 보이며, 구조성능 시험 후 수밀ㆍ기밀성 확인을 통하여 고층건축물을 모사한 시험체의 구조 설계가 커튼월 설계시 외피로서의 구조적 성능을 만족한 것으로 사료 된다.

Table 9.

Result on Structural performance test [Unit : mm]

층간변위 평가는 지진에 대한 영향성을 보는 평가로써, 구조체에 $$ \frac{L}{280}$$(12 [mm])의 변위를 가하여 외관상 적합성을 확인하였다. 평가 결과, Fig. 5.에 보이는 바와 같이 결정질, 박막, DSC 모듈에 이상이 없었으며, 평가 후 진행한 기밀·수밀 평가를 진행하였다. 기밀 성능 평가 결과, 단위 면적당 측정 누기량은 0.006 CFM/ft²으로 허용치 0.06 CFM/ft²보다 작게 측정하여 AAMA 501.1-05 허용기준에 만족였으며 수밀 성능 평가 결과, 누수 발생이 없어 기밀성, 수밀성 모두 적합한 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 5.

Result on Seismic shock resistance test

열순환 평가는 시료 외부에 별도의 단열 챔버를 설치한 후 해당 공간의 온도조건을 Fig. 6.과 같이 3 싸이클 열순환 하는 평가이다. 열순환시, 실대형 평가 모델의 내부 측정 포인트에서 표면온도를 측정하여 열에 대한 모듈표면의 열적 능력을 확인하였으며, 평가 후 기밀ㆍ수밀성능평가를 진행하여 시료의 열적 능력을 간접적으로 평가하였다.

Fig. 6.

Cycle on Thermal cycle test

열순환 평가 결과, Fig. 7.과 같이 측정되었다. DSC모듈의 표면이 가장 높게 측정 되었으며, 결정형 모듈의 표면이 가장 낮게 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 열순환 평가 후, 기밀성은 누기량이 허용치 기준 0.06 CFM/ft²보다 작게 측정되었으며 수밀성은 누수 발생이 없었으므로 기준에 만족한 것을 확인하여 시료의 열적 능력을 간접적으로 평가할 수 있었다.

Fig. 7.

Result on Thermal cycle test