<사진. 태양광 발전 시스템과 조명 전력량의 관계
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

일본, 제로 에너지를 실현하기 위하여 태양광 전력을 조명에 사용

일본 도다(Toda, ?田) 건설 주식회사는 직류급전장치를 이용한 제로 에너지 빌딩(ZEB, zero energy building)의 연구를 진행시키고 있다. 2014년 8월 약 반년간 운용 실적의 결과를 발표하면서 태양광 발전 시스템과 LED 조명을 조합했을 경우 소비 전력을 약10% 삭감할 수 있었다고 한다.

빌딩에서 사용하는 에너지를 모두 생산할 수 있는 것이 제로 에너지 빌딩(ZEB)이다. ZEB를 실현하려면 태양광 발전 등의 발전 시스템을 설치하는 것은 무리이므로 생산한 에너지를 모으는 것 외에 효율적으로 사용하는 단열 등을 고려하여 에너지를 별로 사용하지 않는 빌딩으로 하는 각종 방법을 조합하지 않으면 안 된다.

태양광 발전 등이 생산하는 직류 전류를 그대로 사용하는 `직류급전`이 ZEB 실현을 위해서 필요하다고 생각하고 있다고 도다 건설은 밝히고 있다. 이유는 두 가지라고 한다. 전력은 변환할 때마다 조금씩 열로 바뀌기 때문에 변환 횟수를 줄이려면 직류급전이 좋다. 또 다른 이유는 조명기구 등 오피스에서 사용하는 전기제품은 내부에서 직류 전류를 사용하고 있기 때문에 직류 전류를 송전하여도 문제가 없다는 점 때문이라고 한다.

도다 건설은 2013년 4월부터 ZEB에 관한 다양한 연구 프로젝트 기획을 평가하여 2013년 가을 직류급전의 프로젝트를 개시, 2014년 2월 직류급전장치를 도입하였다. 도쿄(Tokyo, 東京) 정류기 주식회사가 개발한 직류급전장치를 교와(Kyowa) 주식회사에서 구입하였다. 2014년 4월부터 본격 가동을 개시, 약 반 년의 가동 데이터를 해석하여 결과를 2014년 8월에 발표해 기존 시스템과 비교해 약 10%의 에너지 절약을 실현할 수 있다고 도다 건설은 밝히고 있다.

도입한 시스템은 빌딩 전체를 조달하는 것이 아니고 태양광 발전 시스템과 LED 조명, 휴대전화 충전기를 연결한 형태로 되어 있다. 빌딩 전체를 분할하여 일부에서 효과를 확인한 형태라고 한다.

도다 건설은 어느 특정 1일(맑은 하늘)의 전력 데이터를 공개하고 있다. 그림에는 세 가지 종류의 전력 데이터가 나타나있다. 진한 그물이 걸려 있는 부분은 태양광 발전의 출력, 얇은 푸른 부분이 LED 조명에 사용한 전력량, 작고 검게 그려져 있는 것이 상용 전력의 사용량이다. 즉, 태양광 발전과 조명에 한정하면 거의 제로 에너지를 실현할 수 있다고 한다.

그림에서 8시~17시의 시간대로는 태양광 발전으로 LED 조명의 소비 전력을 모두 조달하여도 전력에 여유가 있지만 17시 이후는 부족하기 때문에 축전 시스템이 필요한 이유라고 한다.

도다 건설이 직류급전시스템을 도입한 것은 기술 연구소라고 한다. `연구소의 사무실이나 공용부 전용 설비를 도입하여 도입부의 총 건평은 약 1,700 m2이라고 한다.

 `상용 전원-분전반-기기`라는 모든 빌딩에서도 일반적인 구성으로 태양광 발전 시스템을 설치한 형태라고 한다. 태양전지가 생산하는 직류 전류는 분전반의 파워 컨디셔너와 기기의 직전에서 합계 2회, 교류와 변환되고 있다.

도입 후 구성은 `상용 전원-분전반-직류급전장치-기기`와 `태양광 발전 시스템-직류급전장치`라는 두 가지 부분으로 구성되어 있다. 상용 전원 측 변환 회수는 1회, 태양광 측은 0회로 변환 손실이 줄어든다.

전력을 축전하는 구조도 있다. 비용이나 중량, 성능 등 고객의 요구에 따라서 조립하는 축전지를 변경하고 있고 이번은 납축전지와 리튬 폴리머 축전지의 두 종류를 이용하였다고 도쿄 정류기 측은 밝히고 있다. 축전지의 출력은 5 kW, 용량은 200 Ah라고 한다.

이번에 도입한 직류급전장치에는 이 외에도 다양한 기능이 조립되어 있다고 한다. 연구소에서 이용하고 있는 LED 조명은 소비 전력이 56W(대형)이면서 조광(調光) 기능을 이용하여 소비 전력을 조정할 필요가 있었다. 도입한 직류급전장치 자체에 조광 기능이 설치되어 있기 때문에 사무실에서는 조광 기능을 공용부에서는 센서를 이용하여 LED 조명의 소비 전력을 줄이고 있다고 한다.

태양광 발전 시스템의 출력은 2.4kW로 날씨 등에 따라서 출력전압이 120 V에서 350 V까지 변화한다. LED 조명 측에는 24V의 직류를 공급하기 때문에 직류급전장치로 전압을 바꾸고 있다고 한다. 이번 직류급전장치는 하한은 없고 상한은 300 V 대까지 입력이 가능하다. 출력은 고객의 희망에 의해서 20V대로부터 40V대까지 변경될 수 있다. 오피스 빌딩 1동 정도의 전력까지 대응 가능하다고 한다.

ZEB를 실현하려면 다양한 에너지원이 필요하다. 열의 이용도 고려해야만 하고 향후 태양광 발전 시스템에 이어 연료전지 시스템을 활용하여 직류급전의 폭을 확대해야 한다. 연구소에서는 이용할 수 있는 열의 양에 상한이 있기 때문에 출력 2~3 kW의 중소형 연료전지의 도입이 적합할 것이라고 도다 건설은 밝히고 있다.

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