A Case Study on the Improvement of the Beauty of Photovoltaic Generator : Focusing on the case of installation on the vertical side wall of a building

태양광 발전기의 심미성 향상을 위한 사례분석 연구

: 건물 수직 측벽에 설치되는 사례를 중심으로

이재현¹, 박지훈¹, 남원석², 장중식^2*

1국민대학교 테크노디자인대학원 제품이노베이션학과 석사과정

2국민대학교 조형대학 공업디자인학과 교수

A Case Study on the Improvement of the Beauty of Photovoltaic Generator

: Focusing on the case of installation on the vertical side wall of a building

1Master’s course, Department of Product innovation, Graduate School of Techno Design, Kookmin University

2Professor, Department of Industrial Design, College of Design, Kookmin University

요 약 본 연구는 건물에서의 태양광발전시스템 중 수직 측벽에 설치 및 적용되는 태양광발전시스템을 연구의 범위로 설정한다. 연구 방법으로 문헌연구를 통하여 이론적 배경을 고찰하였고, 이후 국내외 수직 측벽에 설치 및 적용되는 태양광 발전기 디자인의 현황과 동향, 특징을 파악하여 사례를 조사, 분석하였다. 그 결과 태양광 발전기의 중요도와 필요성, 발전 가능성 및 성장세를 확인하였으며, 심미성 향상을 위한 긍정적 요인과 방향성을 발견하였다. 이러한 점을 기준으로 향후 수직 측벽에 설치 및 적용되는 태양광발전시스템디자인에 적용할 시 올 수 있는 기대효과를 제안하고, 추후 연구 진행할 그린 파사드 디자인을 활용한 박막 태양전지 디자인 기술 개발 제안에 대해 심미성 향상을 위한 방향 성과 의의를 확인하고자 한다.

주제어 : 태양광발전, 심미성 향상, 사례연구, 융합, 수직측벽, 건축물, 융합디자인

Abstract This study sets the solar power system installed and applied to the vertical side wall among the photovoltaic systems in the building as the scope of the research. The theoretical background was considered through literature research as a research method, and the current status, trends and characteristics of solar generator design installed and applied to domestic and foreign vertical side walls were then investigated and analyzed cases. As a result, the importance and necessity of photovoltaic generators, potential for power generation and growth were identified, and positive factors and directions were found for improving aestheticity. Based on this point, we would like to propose expected effects that can be applied to photovoltaic system design installed and applied to vertical side walls in the future, and confirm the direction and significance of the improvement of aesthetic quality of the proposal for development of thin film solar cell design technology using green facade design.

Key Words : Photovoltaic Power Generation, Aesthetic Improvement, Case Study, Convergence, Vertical side wall, Building, Convergence Design

*This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) Grant funded by the Korean.

Government(MSIP)(No. Grant Number – 2019M1A2A2072418).

*Corresponding Author : Jung-Sik Jang([email protected]) Received October 13, 2020

Accepted December 20, 2020 Revised November 10, 2020

Published December 28, 2020

1. 서론

신재생에너지 중 다양한 정책과 이점으로 인해 태양광 발전은 급성장을 이루고 있다. 세계적으로 에너지의 주 소비 부문인 산업, 운송, 건설 3대 부문 중 36%의 가장 큰 비중을 차지하는 건설에서 태양광발전시스템의 필요 도와 중요성이 날로 증가하는 추세이다. 태양광발전시스 템은 외부에 완전히 노출되는 시설물로 경관상의 문제점 을 나타내고 있으며, 수직 측벽에 설치하는 태양광 발전 기는 옥상 수평면에 설치하는 태양광 발전기보다 상대적 으로 쉽게 식별할 수 있어 경관상의 문제점이 더욱 부각 되고, 음영이 생성된다. 태양광 패널에 반사되는 빛을 통 해 발생하는 빛 공해와 최대 발전효율의 성능에 대한 문 제점 또한 고려해야 한다. 즉, 태양광발전시스템의 설치 에 있어서 디자인적 개념과의 융합을 통해 다양한 긍정 적 측면을 적용하여 경관상의 심미성, 기능적 조화성이 필요하다[1]. 이에 따라 본 연구는 건물에서의 태양광발 전시스템 중 수직 측벽에 설치 및 적용되는 태양광발전 시스템을 연구의 범위로 설정하고 태양광 발전기의 정의 와 특성 및 유형, 현황을 파악한 뒤 국내외 수직 측벽에 설치 및 적용하는 태양광 발전기 디자인의 사례 분석을 토대로 향후 진행할 그린 파사드(Facade) 디자인 활용을 위한 박막 태양전지 디자인 기술 개발의 방향을 모색하 여 긍정적인 측면을 도출하고 방향성을 제시하고자 하였 다.

1.2 연구방법 및 범위

본 연구의 연구 방법으로는 첫째, 문헌연구를 통하여 태양광 발전기에 대한 정의, 특성, 유형 등 이론적 배경을 고찰하였다. 둘째, 국내외 수직 측벽에 설치 및 적용되는 태양광 발전기 디자인의 현황과 동향, 특징을 파악하여 사례를 조사하여 분석하였다. 셋째, 이를 토대로 태양광 발전기의 중요도와 필요성, 발전 가능성 및 성장세를 확 인하여 실내외를 동반한 미관창출, 다양한 색상의 활용, 주변 환경과 조화, 디자인적 컨셉 등의 시각적인 변화를 확인하였다. 넷째, 위의 내용을 기준으로 향후 수직 측벽 에 설치 및 적용되는 태양광발전시스템디자인에 적용할 시 올 수 있는 긍정적인 측면을 제안하고, 향후 진행할 그린 파사드 디자인 활용을 위한 박막 태양전지 디자인 기술 개발의 방향성을 확인하고자 한다.

2. 이론적 배경

태양광 발전기 원리의 핵심은 태양전지이다. 빛을 받 으면 전류, 전압, 저항과 같은 전기적 특성이 변화하는 기 구를 통틀어 광전 기구라고 하고 태양전지는 이런 기구 의 하나이다. 태양전지는 그 광원이 태양이라는 데서 유 래하였지만, 인공의 빛으로도 작동하기 때문에 광전지라 고 해도 그 의미는 같다. 빛 에너지가 전기로 바뀌는 현 상을 광 기전 효과라고 부르며, 이런 전기기구를 태양전 지, 광기전력 전지 혹은 간단히 광전지라고 부른다. 태양 빛이 태양전지에 닿으면 광전 효과에 의해 물리적 반응 이 발생하고 태양전지는 직류 전류를 생산한다. 태양광 모듈은 대게 60개~72개의 태양전지로 구성되어 있고, 이 태양전지들을 전기적으로 연결하고 강한 내구성의 프 레임과 유리 패널로 안전한 구조를 만든다. 태양광 모듈 단자에서 생성된 전류는 연결된 케이블을 지나 인버터로 이동하고, 인버터는 전기 제품에 사용하도록 교류로 변환 하는 시스템을 구성한다. 즉, 태양전지, 모듈, 시스템이 각각의 역할을 통해 태양빛을 전기로 만드는 역할을 하 고, 이를 이용한 전력 공급 시스템의 구성을 태양광 발전 기라고 정의한다[2]. 다음 Fig. 1은 태양광 발전기의 설 치 예시이다.

Fig. 1. Photovoltaic Generator System Configuration

2.2 태양광 발전기 특성 및 유형 2.2.1 태양광 발전기 특성

태양광발전은 기존의 여러 발전 방식과는 달리 대기오 염이나 소음, 발열, 진동 등 공해가 발생하지 않으며, 고 갈의 염려가 없다. 20~30년이라는 긴 수명을 자랑하며, 지속적인 태양광 모듈의 기술 개발로 수명은 점차 증가 하고 있다. 태양광 발전소는 자동생산이 가능하여 노동력

이 불필요하고 온라인을 통한 실시간 모니터링 시스템이 적용되어 운영이 편리하다. 하지만 단점으로 넓은 설치면 적이 요구되며, 상대적으로 발전단가가 높아 보편화와 실 용화를 위해서는 기존발전방식과의 가격 경쟁률과 고효 율화를 위한 기술 개발, 그에 따른 시장개척이 요구된다[3].

다음 Table 1은 태양광 발전기의 장단점을 정리한 표이다.

Table 1. characteristics of photovoltaic generator

Advant age

Clean and unrestricted energy sources Easy to maintain, unattended Long life span of 20 to 30 years Photovoltaic System Configuration Diagram

Weakn ess

Power production volume dependent on solar radiation by region

Need a large installation site due to low energy density Limited installation location, high-cost system cost High power generation cost and initial investment cost

2.2.2 태양광 발전기 유형

태양전지는 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물반 도체 등으로 재료에 따라 분류되고, 태양광발전시스템은 독립형 시스템(Stand Alone Sy stem), 계통연계형 시스 템(Grid Connected Syst em) 복합발전형 시스템 (Hybrid Generation Syst em)으로 분류된다[4].

2.3 태양광 발전기 현황

전 세계 재생에너지 신규 설치 추이를 조사한 결과 태 양광 에너지 발전 산업이 가장 큰 비중을 차지하고 있으 며, 2018년의 경우 2012년 대비 6배의 높은 성장을 보 이는 것을 확인할 수 있다[5]. 내용은 다음 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. New Installation Trends for Renewable Energy Generations

현 국내 태양광발전 시장 규모는 협소하다. 그러나 정 부의 그린 뉴딜 정책으로 빠른 속도로 시장이 성장하고 있으며, 시장 규모는 세계 시장 대비 5% 내외에 불과하 지만 정부의 정책적인 지원으로 지난 연평균 145.3%의 고 성장세인 것을 확인할 수 있다. 국내 태양광발전시스

템의 생산능력 대비 시장의 규모가 작아 전체 총매출 가 운데 수출 비중이 약 60%에 달하며, 최근 글로벌 태양광 발전시스템의 확대된 수요로 인해 수출 비중 및 수출액 은 매년 확대되고 있다. 시급성, 기술 파급성, 상업성, 예 산 투입 필요성 등으로 최우선적인 핵심 분야는 실리콘 태양전지이며, 5~10년 이후에 중점분야로 예측되는 단 기 일반분야로는 박막 태양전지가 있으며, 장기 미래분야 로는 3세대 나노 태양전지가 해당된다[6].

3. 사례 분석 및 결과

3.1.1 분석방법 및 선정기준

본 연구는 세계적으로 에너지의 주 소비 부문인 산업, 운송, 건물 3대 부문 중 36%의 가장 큰 비중을 차지하는 건물로 사례를 한정하였으며, 수직 측벽에 설치 및 적용 되는 태양광 발전기 및 태양광 발전시스템을 범위로 설 정하여 국내외 사례 조사를 진행하고 디자인적 측면의 특성을 토대로 분석하였다.

3.1.2 강동구청

강동구청 본관 및 제2청사 외벽에 태양광 패널 설치 사례이다. 건물의 리모델링 작업으로 청사 광장은 주민광 장으로 개방되었으며, 청사 건물은 에너지 사용 효율성이 높아졌고, 내부시설 또한 개선되었다. 청사 주변은 보행 하기 쉽게 설계되었다. 강동구는 청사 외벽에 반투명 건 물 일체형 태양광 시스템(BIPV)을 차양 형태로 적용해 조화를 이루도록 해 자연스레 도시환경에 녹아들도록 한 것이 특징이다[7]. 선사시대 움집을 형상화하여 진취적이 고 생동감이 돋보이도록 격자 형태로 설치하여 디자인 가치를 인정받은 일체형 태양광 설비 건물이라는 평가를 받았다[8].

Fig. 3. Gangdong gu Office

3.1.3 코오롱 원앤온리 타워

강서구의 마곡 산업지구에 위치한 코오롱 원앤온리 타 워는 공기 재순환 시스템, 태양광발전시스템 등 첨단화 내부 설계를 통해 공용공간에서 에너지 사용을 획기적으 로 감축시킨 제로 에너지 빌딩이다. 미국 그린 빌딩 위원 회에서 국내에서는 최초로 리드(LEED) V4 신축 건물 LEED Gold 인증 획득에 성공했다. 친환경 건축 컨설팅 전문인 에코리드에 따르면 리드는 국제적으로 통용되는 친환경 건축물 인증 제도로, 리드 신축 건물 인증 가운데 LEED Gold는 최신 버전인 V4 신축건물 인증 상위 등급 에 해당된다. 코오롱 원앤온리 타워는 LEED V4 인증을 목표로, 데이터 및 통합 시스템을 활용한 엔지니어링 방 식 접근의 시스템 적용, 에너지 20% 감축에 따른 이산화 탄소 절감, 수자원 절반 이상 절감, 실내 공기질 향상 등 실질적인 친환경 건물 시스템을 구축했다[9]. 건물이 앞 으로 접혀 낮은 층에 디자인적 음영을 제공하고 아트리 움을 통해 보행자에게 광활한 빛을 제공한다.

Fig. 4. KOLON One&Only Tower 3.1.4 삼성동 KEB하나은행 ‘PLACE1’

2018년 서울시 건축상 대상에 선정된 서울 강남구 삼 성동 KEB하나은행 건물 PLACE1이다. 서울시 제공 건 물의 일조 환경을 조절하고, 발코니 역할을 하며 독특한 외관까지 만들어냈다. 구조물이 없는 남쪽 벽면에 직사각 형으로 태양광발전시스템이 두 줄 붙어 있다. 그 사이에 디스크를 닮은 7개의 원형 창이 있고, 생산한 전기를 이 용하여 178개 디스크들의 수직축을 중심으로 회전시키 는 키네틱(Kinetic) 건축이기도 하다. 친환경 에너지를 생산하는 건물 일체형 태양광발전시스템(BIPV)과 함께 이중외피 시스템 적용한 것이 특징이다[10].

Fig. 5. KEB Hana Bank in Samseong-dong 'PLACE1’

3.1.5 르웨탄 웨이 파이 빌딩

중국 최대 태양열 설비회사가 건설한 이 태양광 발전 빌딩은 중국 산둥성 더저우시에 위치하고 있다. 더저우시 는 인구 500만이 사용하는 에너지의 90%가량을 태양에 너지에 의존하고 있다. 태양의 도시라 불릴 정도로 도시 전체에 많은 태양열 집열판과 태양전지의 사용을 확인할 수 있다. 호텔을 비롯하여 각종 편의시설이 입점해 있는 르웨탄 웨이 파이 빌딩은 해와 달을 상징하는 디자인 컨 셉이 적용됐다. 태양열 집열판이 날 일자와 달 월자 모양 으로 배열돼 있어, 거대한 해 시계가 떠올려지는 것이 특 징이다. 더저우시에서는 신축 건물 건설 시 반드시 태양 광발전시스템 시설을 갖춰야 건설 허가를 받을 수 있다[11].

Fig. 6. Lewetan way pie Building 3.1.6 파나소닉 태양광 모듈 사옥

일본의 지리학적 중심인 기후현에 위치해 있다. 솔라 아크 빌딩으로 불리는 파나소닉 사옥의 태양광 발전량은 연간 약 530,000kWh이고, 최대 시스템 전력은 630kW 이다. 본래 이 솔라 아크 빌딩은 2002년 친환경 에너지 시대를 맞아 일본의 전자제품 업체 산요가 태양에너지로

신사업을 확장하면서 건설됐다. 그러나 후에 파나소닉에 인수되며 빨간색의 산요 로고는 파란색의 파나소닉 로고 로 바뀌었다[12]. 독특한 방주 모양의 디자인이 특징이다.

Fig. 7. Panasonic Solar Ark Building 3.1.7 스위스, 석탄 사일로(Silo) 건물

스위스 바젤에 있는 석탄 사일로 건물이다. 건물에 사 용된 태양광 전지 제품은 스위스 취리히 연방 공과대학 과 스위스 인소 홀딩이 함께 연구 개발한 태양광 컬러 모 듈 크로매틱스 모듈이고, 태양전지 내부가 보이지 않기 때문에 건물의 외장재 역할을 할 수 있다. 즉, 건물이 갖 는 심미적 요소를 떨어트리지 않고 다양한 색상이 구현 가능해 건물의 심미성을 높일 수 있다. 장시간 태양에 노 출되거나 설치 기간이 오래되어도 변색하지 않고, 빛의 평균 투과율도 85% 이상이다. 소비자 요구에 맞춰 다양 한 크기로 가공할 수 있으며, 기존 BIPV 모듈과 시공 방 법이 동일하며, 무광택 처리로 눈부심 등이 없어 한정된 구역에서도 설치가 가능하여 범용성이 높다. 일반 유리처 럼 사용할 수 있어 기존 BIPV 제품과는 차별화된 건축 설계가 가능하다. 무엇보다 최대 효율이 14.8% 이상에 달하며 기존 한 자릿 수에 그치는 BIPV모듈과 대조된다.

출력은 평균적으로 건물이 필요로 하는 에너지의 20~60%

까지 충당할 수 있는 230 ~260W 가량이다[13].

Fig. 8. Coal Silo in Swiss

3.2 사례 분석 결과

조사한 사례와 같이 저탄소 감축과 에너지 절감을 목 적으로 태양전지를 활용한 건축물의 디자인이 활발히 이 루어지는 것을 확인할 수 있었다. 2020년부터 1000㎡

이상의 면적인 공공건축물은 자체 생산한 에너지로 소비 량을 충당하는 제로 에너지 건축 시공이 의무화되고, 2025년은 500㎡ 이상의 공공건축물, 1000㎡ 이상 민간 건축물로 확대되며, 2030년부터는 500㎡ 이상의 모든 건축물을 대상으로 제로 에너지 건축물로 시공해야 한다 [14]. 이러한 점을 토대로 태양에너지를 활용한 태양전지 시장은 매년 큰 성장을 하고 있다. 다양한 형태의 태양전 지 패널은 도시의 여러 시설에 널리 적용되고 있으며, 정 부의 정책 지원을 통해 지속해서 확대되고 있다.

한국에너지공단 신재생 에너지 센터의 자료에 따르면 BIPV는 보통 일반 태양광 모듈 형태로 건물의 미관을 고 려하지 않고 설치하는 방식인 PVIB(Photovoltaic in Building)와 달리 건축물 외장 자재로서 전기 생산과 건 축의 심미성을 높이는 디자인 요소를 모두 갖추고 있어 야 한다[15]. 이러한 점을 기반으로 국외에선 다양한 색 상의 태양전지 패널과 패턴, 음영을 통하여 기능적인 측 면과 동시에 미관창출을 위한 시도를 확인했다. 대부분의 사례에서 공통적으로 확인했던 사실은 주변 환경과 조화 를 위해 태양전지 패널을 설계하고 설치하여 주변과의 조화성을 통해 주변 환경과 건물의 일체감을 주고 있다 는 점이다. 또한 기술에 디자인을 접목하여 새로운 가치 를 창출한다는 점도 확인할 수 있었다. 앞서 조사한 사례 들을 정리하면 다음 Table 2와 같다.

Table 2. Case Analysis Results

Case Analysis Results

Gangdong-gu Office This building is a solar-integrated building that was recognized for its design value by depicting a prehistoric hut.

KOLON One&Only Tower

It is an eco-friendly building certified as LEED GOLD and folds forward to provide design shading.

PLACE1 It is a kinetic building that features a unique exterior with a solar panel acting as a balcony and rotates around a vertical axis.

Lewetan way pie Building

The sun and moon are borrowe d as a design concept, and it is characterized by the idea of a huge sundial.

Panasonic Solar Ark Building

With its unique ark design eco-friendly building, it produces 530,000kWh of electricity annuall

y.

Coal Silo in Swiss It utilizes a variety of colors by increasing

aesthetic elements of buildings by using a

chromatic module.

3.3 활용 방안

위 사례들을 토대로 그린 파사드 디자인에 적용하였을 때 올 수 있는 긍정적인 요소는 첫째, 태양전지의 다양한 색상과 패턴, 음영, 배치를 통해 건물의 개성을 나타냄과 동시에 심미성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 둘 째, 태양전지를 통해 주변 환경과의 일체감을 높여 도시 가 주는 느낌과 도시의 특색을 보다 명확하게 나타낼 수 있을 것으로 기대된다. 셋째, 태양전지의 기술과 디자인 을 융합하여 새로운 가치를 창출하여 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결론

본 연구는 수직 측벽에 설치한 태양광발전 시스템의 국내외 동향과 현황 다양한 사례 조사를 통하여 수직 측 벽에 설치되는 태양광발전 시스템의 디자인적 심미성 향 상을 위한 긍정적인 측면을 토대로 향후 설계 및 디자인 되어 적용, 설치 시 주목해야 할 측면을 알아보고자 한다.

일반 태양광 발전시스템과 달리 별도 설치 공간을 위한 부지가 필요 없어 단순하게 전력 생산만을 위한 것이 아 닌 건물 외부를 아름답게 꾸미기 위한 건축자재로 사용 할 수 있어 건축자재 비용의 감축으로 경제성을 높일 수 있고, 심미적 효과 상승으로 건물의 부가가치를 상승하는 동시에 조망권 확보를 도와준다. 건축의 응용적 측면으로 최근 시장 잠재력이 우수하다는 평가를 받고 있으며, 단 순 외벽에 설치할 뿐만 아니라 창호, 스팬드럴, 커튼윌, 파사드, 차양시설, 아트리움, 슁글, 지붕재, 캐노피, 단열 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존 주택이 나 일반 건물 위주로 시공됐으나 최근 대형 창고, 공장 지붕, 주차장 지붕, 대형 철도 역사나 공항, 초고층 빌딩, 고속도로 방음벽 등 다양한 분야와 위치에 BIPV가 적용 되어 포화된 태양광 발전시장에 새로운 가치를 제시하고 있다.

본 연구는 건물에 여러 구조와 형태, 디자인 컨셉으로 설치되는 다양한 태양광발전 시스템의 국내외 디자인 현 황과 동향, 특징을 파악하여 사례를 조사, 분석을 통해 태 양광 발전기의 중요도와 필요성, 발전 가능성 및 성장세 를 확인하였으며, 실내외를 동반한 미관창출, 다양한 색 상의 활용, 주변 환경과의 조화, 디자인적 컨셉, 등의 시 각적인 변화와 함께 위 사항을 원활하게 적용하기 위한 기술 동향의 확인으로 심미성 향상을 위한 긍정적 요인 과 측면을 발견했다. 그로 인해 앞으로의 태양광발전 시

스템의 수직 측벽 설치, 적용에 심미성 향상의 유효성을 발견했고, 향후 진행할 그린 파사드 디자인 활용을 위한 박막 태양전지 디자인 기술 개발의 방향성을 강구하고자 하였다. 본 연구의 향후 연구과제로는 박막 태양전지를 활용하여 수직 측벽에 설치하는 태양광발전 시스템 파사 드 디자인 제안에 관하여 연구 대상을 세밀하게 나누어 더욱 효용성 있는 연구가 필요하다.

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이 재 현(Jae-Hyun Lee) [학생회원]

․ 2019년 3월 ~ 현재 : 국민대학교 테 크노디자인전문대학원 제품이노베이 션학과 석사과정

․ 관심분야 : 제품디자인, 플랫폼디자인

․ E-Mail : [email protected]

박 지 훈(Ji-Hoon Park) [학생회원]

․ 2019년 3월 ~ 현재 : 국민대학교 테크 노디자인전문대학원 제품이노베이션 학과 석사과정

․ 관심분야 : 3D 프린터, 제품디자인, 니 팅기

․ E-Mail : [email protected]

남 원 석(Won-Suk Nam) [정회원]

․ 2011년 3월 ~ 현재 : 국민대학교 조 형대학 공업디자인학과 교수

․ 관심분야 : 제품디자인, 플랫폼 디자인

․ E-Mail : [email protected]

장 중 식(Jung-Sik Jang) [정회원]

․ 1998년 3월 ~ 현재 : 국민대학교 조 형대학 공업디자인학과 교수

․ 관심분야 : 3D 프린터, 제품디자인, 니 팅기

․ E-Mail : [email protected]