<사진. 태양광발전시스템과 조명의 전력량의 관계
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

제로에너지 실현: 태양광의 전력을 조명에 사용

일본 토다건설은 직류급전장치를 이용한 제로에너지빌딩(ZEB)의 연구를 추진하고 있다. 2014년 8월에는 약 반년간의 운용실적의 결과를 발표하였다. 태양광발전시스템과 LED 조명을 조합시킬 경우 소비전력을 10% 삭감할 수 있었다.

빌딩에서 사용하는 에너지를 빌딩이 전부 만들어낸다. 이것이 제로에너지빌딩(ZEB, zero energy builing)이다. ZEB를 실현하기 위해서는 태양광발전 등 발전시스템을 설치하는 것만으로는 무리이다. 만들어낸 에너지를 저장하는 등 효율적으로 사용하기 위한 단열 등을 연구하여 에너지를 거의 사용하지 않는 빌딩으로 하는 등의 기술을 조합시켜야 한다.

태양광발전 등이 만들어 낸 직류전류를 그대로 사용하는 ”직류급전“이 ZEB실현을 위하여 필요하다. 이유는 두 가지이다. 전력은 변환할 때마다 조금씩 열로 변환되어 버린다. 변환의 횟수를 줄이는 데는 직류급전이 좋다. 또 다른 하나의 이유는 조명기구 등 사무실에서 사용하는 전기제품은 내부에 직류전류를 사용하고 있다는 것이다. 직류전류를 보내도 문제가 없다.

토다건설은 2013년 4월부터 ZEB에 관한 여러 가지 연구프로젝트 기획을 평가하고, 2013년 가을에 직류급전의 프로젝트를 개시하였다. 2014년 2월에 직류급전 장치를 도입하였다. 도쿄정류기가 개발한 직류급전 장치를 코와(興和)로부터 구입하였다. 2014년 4월부터 본격 가동을 개시하였다. 약 반년의 가동 데이터를 해석하여, 그 결과를 2014년 8월에 발표하였다. 기존 시스템과 비교하여 약 10%의 에너지절약을 실현할 수 있었다. 도입한 시스템은 빌딩 전체를 감당하는 것이 아닌, 태양광발전시스템과 LED조명, 휴대전화 충전기를 연결한 형태이다. 빌딩 전체를 분할하고, 일부에서 효과를 확인한 형태이다.

토다건설은 어느 특정의 1일(맑은 날)의 전력데이터를 공개하고 있다. 그림1에는 3종류의 전력 데이터가 그려져 있다. 짙은 망으로 표시된 부분은 태양광발전의 출력이고, 옅은 푸른 부분이 LED조명에 사용한 전력량이며, 그림의 우측 아래 끝에 검은색으로 작게 그려져 있는 것이 상용전력의 사용량이다. 즉, 태양광발전과 조명에 한정하면 거의 제로에너지를 실현할 수 있다. 그림1에서 알 수 있는 것은 아직 남아있다. 8시~17시의 시간대에는 태양광발전으로 LED조명의 소비전력을 모드 조달하여도 남는다는 것과 17시 이후는 부족하다는 것이다. 이것이 축전 시스템이 필요한 이유이다.

토다건설이 직류급전시스템을 도입한 것은 토다건설의 기술연구소이다. 연구소의 사무실과 공용부를 위한 설비를 도입하였다. 도입부의 바닥면적은 약 170㎡이다. 직류급전장치를 도입하기 전과 도입 후의 시스템 구성을 그림2에 나타내었다. 그림2의 위는 도입 전의 것으로 사용전원-분전반-기기의 어느 빌딩에서도 일반적인 구성으로 태양광발전시스템을 나중에 추가한 형태이다. 태양전지가 만들어 낸 직류전류는 분전반의 앞(파워콘덴서)과 기기의 직전에서 합계 2회 교류로 변환된다.

 도입 후의 구성은 사용전원-분전반-직류급전장치-기기”와 태양광발전시스템-직류급전장치라는 두 가지 부분으로 이루어진다. 사용전원 측의 변환회수는 1회이며, 태양광측은 0회이다. 변환손실은 줄어든다. 전력을 저장하는 구조도 있다. 그림 중의 축전지이다. 비용과 중량, 성능 등 고객의 요구에 따라 조합한 축전지를 변경한다. 이번은 납축전지와 리튬 폴리머 축전지 2종류를 이용하였다. 축전지의 출력은 5kW이며, 용량은 200Ah이다.

이번 도입한 직류급전 장치에는 이 외에도 여러 가지 성능이 조합된 것이다. 연구소에서 이용하고 있는 LED조명은 소비전력이 56W로 대형이다. 그래서 조광기능을 이용하여 소비전력을 조정할 필요가 있다. 도입한 직류급전 장치 자체에 조광기능이 있으므로 사무실에서는 조광기능을 공용부에서는 인체감지센서를 이용하여 LED조명의 소비전력을 줄이고 있다.

태양광발전시스템의 출력은 2.4kW이다. 날씨 등에 따라 출력전압이 120V에서 350V까지 변화한다. LED조명측에는 24V의 직류를 공급하기 위하여 직류급전 장치에서 전압을 바꾼다. 이번 직류급전 장치는 하한은 없고, 상한은 300V대까지 입력이 가능하다. 출력은 고객의 희망에 따라 20V대에서 40V대까지 변경될 수 있다. 오피스빌딩 한 동 정도의 전력까지 대응가능하다.

ZEB를 실현하는 데는 여러 가지 에너지원이 필요하다. 열의 이용도 생각해야 한다. 앞으로는 태양광발전시스템에 추가로 연료전지시스템을 활용하고, 직류급전의 폭을 넓혀가고자 한다. 연구소에서는 이용할 수 있는 열의 양은 상한이 있으므로 출력 2~3kW의 중소형 연료전지의 도입이 적합할 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr