최근 태양광발전산업이 활성화되고 있는 가운데, PV시스템의 규모와 적용 대상 및 범위 역시 확대되고 있으며 건물외장재에 부착하여 설치되는 건물부착형 태양광발전(Building Applied Photovoltaics, 이하 BAPV로 표현) 시스템의 경우, 유효부지가 적은 국내의 지형적 조건에서는 더욱 유리한 기술이다.
BAPV 시스템을 건물에 적용하고자 할 경우, 건물 입면에 PV 적용 잠재량이 많기 때문에 건물에 PV 시스템 적용을 확대하기 위해서는 건물 수직면에의 설치는 불가피하다. 이때 PV 모듈을 건물의 외장재에 밀착하여 설치하게 되면 PV 모듈에서 발생하는 열을 적절히 식히지 못해 PV 모듈의 과열에 따른 발전효율의 저하를 가져올 수 있다. 기존연구결과에 의하면 B.J. Brinkworth 등(1997)은 25℃를 기준으로 PV온도가 1℃ 상승함에 따라 0.5%의 효율이 감소한다고 하며 Krauter 등(1999)은 건물 통합형 PV모듈의 경우, 그렇지 않은 경우와 비교하여 PV모듈의 온도상승으로 인해 발전효율이 9.3% 감소하였다고 한다.
PV의 온도저감 관련 논문을 조사한 결과, 자연통풍, 강제통풍, 수 순환, 열응답성이 높은 ...
최근 태양광발전산업이 활성화되고 있는 가운데, PV시스템의 규모와 적용 대상 및 범위 역시 확대되고 있으며 건물외장재에 부착하여 설치되는 건물부착형 태양광발전(Building Applied Photovoltaics, 이하 BAPV로 표현) 시스템의 경우, 유효부지가 적은 국내의 지형적 조건에서는 더욱 유리한 기술이다.
BAPV 시스템을 건물에 적용하고자 할 경우, 건물 입면에 PV 적용 잠재량이 많기 때문에 건물에 PV 시스템 적용을 확대하기 위해서는 건물 수직면에의 설치는 불가피하다. 이때 PV 모듈을 건물의 외장재에 밀착하여 설치하게 되면 PV 모듈에서 발생하는 열을 적절히 식히지 못해 PV 모듈의 과열에 따른 발전효율의 저하를 가져올 수 있다. 기존연구결과에 의하면 B.J. Brinkworth 등(1997)은 25℃를 기준으로 PV온도가 1℃ 상승함에 따라 0.5%의 효율이 감소한다고 하며 Krauter 등(1999)은 건물 통합형 PV모듈의 경우, 그렇지 않은 경우와 비교하여 PV모듈의 온도상승으로 인해 발전효율이 9.3% 감소하였다고 한다.
PV의 온도저감 관련 논문을 조사한 결과, 자연통풍, 강제통풍, 수 순환, 열응답성이 높은 히트파이프, 열에너지를 전기에너지로 변환하기는 열 전기소자, 그리고 PCM을 이용하는 방법 총 6가지로 나눌 수 있으며, 특히 PCM을 이용한 온도저감 방법은 상변화과정을 통해 많은 양의 열에너지를 축적하거나 방출하는 상변화물질의 특성을 이용한 방법으로 친환경적이고 유지관리비와 추가적인 에너지 비용, 소음 등이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 PCM 적용에 따른 PV 모듈의 온도저감효과를 확인하고 국내 기후조건을 고려하여 PV/PCM 시스템의 상변화온도와 두께(양)을 최적화하고자 한다.
본 연구는 크게 TRNSYS시뮬레이션을 이용하여 1년간의 기후조건을 반영한 PV/PCM 시스템의 설치 향별 최적 상변화온도와 두께(양)을 결정하는 이론적 분석 부분과 실제 PV/PCM 시스템을 구현하여 일반 PV 시스템 대비 PCM을 적용한 PV/PCM 시스템의 온도저감효과를 확인하고 실측결과를 통해 검증한 시뮬레이션 모델을 이용하여 실질적으로 적용 가능한 PV/PCM 시스템의 상변화온도와 두께(양)을 재분석하는 실험적 분석 부분으로 나뉜다.
이론적 분석결과, 서향을 제외한 모든 향에서 최적의 상변화온도는 25℃로 분석되었고 최적 두께(양)의 경우, 남서향에서 최대 440mm(35kg), 동향에서 최소 350mm(28kg)의 범위에서 결정되었으며, 일반 PV 시스템 대비 발전량 증가율은 남서향에서 최대 3.9%, 동향에서 최소 2.7%로 나타났다. 초기 투자비를 고려했을 경우의 적용 가능한 PCM 두께(양)은 동향과 서향에서는 초기투자비 대비 회수 기간이 본 분석의 최소 두께(양)인 30mm에서 조차 26년 이상이 소요되기 때문에 PV/PCM 시스템의 적용이 불가능한 것으로 판단되며, 그 외 남향에서 80mm(6.4kg), 남서향에서 60mm(4.8kg), 남동향에서 50mm(4.0kg)순으로 적용이 가능한 것으로 분석되었다.
실험적 분석결과, 일반 PV 시스템 대비 PCM을 50mm 적용한 PV/PCM 시스템의 온도가 하루평균 1.1℃ 낮게 형성되었고, 오전 10시에는 최대 5℃까지 차이를 보임으로써 PCM을 적용한 PV/PCM 시스템의 온도저감효과를 확인할 수 있었다. 그리고 실측결과를 통해 얻은 시뮬레이션 검증모델을 이용하여 재분석한 결과, 상변화온도의 경우 기존 시뮬레이션 분석결과와 크게 다르지는 않았으나, 외부환경조건, 시스템 연결 등으로 인해 PV효율이 제품의 표준효율보다 약 3% 감소함에 따라 발전량이 줄어들어 PCM 두께(양)은 앞선 시뮬레이션 결과 대비 낮은 수치를 나타냈다. 따라서 초기 투자비를 고려한 PCM 두께(양)은 동향과 서향에서는 적용이 불가능한 것으로 분석되어 기존 분석결과와 같았으나, 그 외 남향에서 60mm(4.8kg), 남서향에서 40mm(3.2kg), 남동향에서 30mm(2.4kg)로 분석되어 실질적으로 적용 가능한 PCM 두께(양)이 각각 20mm씩 줄어든 수치를 보였다.
본 연구에서는 효율이 높지 않은 다결정 실리콘 태양전지를 대상으로 분석하였기 때문에 초기 투자비 대비 적용할 수 있는 PCM 두께(양)이 높지 않으나, 그 보다 효율이 높은 단결정 실리콘 태양전지를 이용할 경우, 남향에서 다결정일 때보다 60mm(1.6kg)증가한 120mm(6.4kg)까지 적용이 가능한 것으로 분석되었다.
PV에 PCM을 적용함으로써 얻을 수 있는 부수효과는 여름에 PCM이 PV의 과열된 온도를 낮추어서 실내로의 열전달을 막아, 실내 냉방부하상승을 최소화하고 겨울에는 PCM이 열을 저장함에 따라 열적 완충 역할을 하여 난방부하를 저감시켜 에너지를 절약할 수 있을 것으로 판단된다.
실제로 PC/PCM 시스템을 기존 벽면에 적용할 경우, PCM의 무게를 지탱할 만한 구조적인 검토가 필요할 것으로 판단되며, PCM의 축/방열성능을 PV에만 사용하는 것이 아니라. 실내에도 사용할 수 있도록 설계된다면, 추가적으로 에너지절약이 가능할 것으로 판단된다.
최근 태양광발전산업이 활성화되고 있는 가운데, PV시스템의 규모와 적용 대상 및 범위 역시 확대되고 있으며 건물외장재에 부착하여 설치되는 건물부착형 태양광발전(Building Applied Photovoltaics, 이하 BAPV로 표현) 시스템의 경우, 유효부지가 적은 국내의 지형적 조건에서는 더욱 유리한 기술이다.
BAPV 시스템을 건물에 적용하고자 할 경우, 건물 입면에 PV 적용 잠재량이 많기 때문에 건물에 PV 시스템 적용을 확대하기 위해서는 건물 수직면에의 설치는 불가피하다. 이때 PV 모듈을 건물의 외장재에 밀착하여 설치하게 되면 PV 모듈에서 발생하는 열을 적절히 식히지 못해 PV 모듈의 과열에 따른 발전효율의 저하를 가져올 수 있다. 기존연구결과에 의하면 B.J. Brinkworth 등(1997)은 25℃를 기준으로 PV온도가 1℃ 상승함에 따라 0.5%의 효율이 감소한다고 하며 Krauter 등(1999)은 건물 통합형 PV모듈의 경우, 그렇지 않은 경우와 비교하여 PV모듈의 온도상승으로 인해 발전효율이 9.3% 감소하였다고 한다.
PV의 온도저감 관련 논문을 조사한 결과, 자연통풍, 강제통풍, 수 순환, 열응답성이 높은 히트파이프, 열에너지를 전기에너지로 변환하기는 열 전기소자, 그리고 PCM을 이용하는 방법 총 6가지로 나눌 수 있으며, 특히 PCM을 이용한 온도저감 방법은 상변화과정을 통해 많은 양의 열에너지를 축적하거나 방출하는 상변화물질의 특성을 이용한 방법으로 친환경적이고 유지관리비와 추가적인 에너지 비용, 소음 등이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 PCM 적용에 따른 PV 모듈의 온도저감효과를 확인하고 국내 기후조건을 고려하여 PV/PCM 시스템의 상변화온도와 두께(양)을 최적화하고자 한다.
본 연구는 크게 TRNSYS 시뮬레이션을 이용하여 1년간의 기후조건을 반영한 PV/PCM 시스템의 설치 향별 최적 상변화온도와 두께(양)을 결정하는 이론적 분석 부분과 실제 PV/PCM 시스템을 구현하여 일반 PV 시스템 대비 PCM을 적용한 PV/PCM 시스템의 온도저감효과를 확인하고 실측결과를 통해 검증한 시뮬레이션 모델을 이용하여 실질적으로 적용 가능한 PV/PCM 시스템의 상변화온도와 두께(양)을 재분석하는 실험적 분석 부분으로 나뉜다.
이론적 분석결과, 서향을 제외한 모든 향에서 최적의 상변화온도는 25℃로 분석되었고 최적 두께(양)의 경우, 남서향에서 최대 440mm(35kg), 동향에서 최소 350mm(28kg)의 범위에서 결정되었으며, 일반 PV 시스템 대비 발전량 증가율은 남서향에서 최대 3.9%, 동향에서 최소 2.7%로 나타났다. 초기 투자비를 고려했을 경우의 적용 가능한 PCM 두께(양)은 동향과 서향에서는 초기투자비 대비 회수 기간이 본 분석의 최소 두께(양)인 30mm에서 조차 26년 이상이 소요되기 때문에 PV/PCM 시스템의 적용이 불가능한 것으로 판단되며, 그 외 남향에서 80mm(6.4kg), 남서향에서 60mm(4.8kg), 남동향에서 50mm(4.0kg)순으로 적용이 가능한 것으로 분석되었다.
실험적 분석결과, 일반 PV 시스템 대비 PCM을 50mm 적용한 PV/PCM 시스템의 온도가 하루평균 1.1℃ 낮게 형성되었고, 오전 10시에는 최대 5℃까지 차이를 보임으로써 PCM을 적용한 PV/PCM 시스템의 온도저감효과를 확인할 수 있었다. 그리고 실측결과를 통해 얻은 시뮬레이션 검증모델을 이용하여 재분석한 결과, 상변화온도의 경우 기존 시뮬레이션 분석결과와 크게 다르지는 않았으나, 외부환경조건, 시스템 연결 등으로 인해 PV효율이 제품의 표준효율보다 약 3% 감소함에 따라 발전량이 줄어들어 PCM 두께(양)은 앞선 시뮬레이션 결과 대비 낮은 수치를 나타냈다. 따라서 초기 투자비를 고려한 PCM 두께(양)은 동향과 서향에서는 적용이 불가능한 것으로 분석되어 기존 분석결과와 같았으나, 그 외 남향에서 60mm(4.8kg), 남서향에서 40mm(3.2kg), 남동향에서 30mm(2.4kg)로 분석되어 실질적으로 적용 가능한 PCM 두께(양)이 각각 20mm씩 줄어든 수치를 보였다.
본 연구에서는 효율이 높지 않은 다결정 실리콘 태양전지를 대상으로 분석하였기 때문에 초기 투자비 대비 적용할 수 있는 PCM 두께(양)이 높지 않으나, 그 보다 효율이 높은 단결정 실리콘 태양전지를 이용할 경우, 남향에서 다결정일 때보다 60mm(1.6kg)증가한 120mm(6.4kg)까지 적용이 가능한 것으로 분석되었다.
PV에 PCM을 적용함으로써 얻을 수 있는 부수효과는 여름에 PCM이 PV의 과열된 온도를 낮추어서 실내로의 열전달을 막아, 실내 냉방부하상승을 최소화하고 겨울에는 PCM이 열을 저장함에 따라 열적 완충 역할을 하여 난방부하를 저감시켜 에너지를 절약할 수 있을 것으로 판단된다.
실제로 PC/PCM 시스템을 기존 벽면에 적용할 경우, PCM의 무게를 지탱할 만한 구조적인 검토가 필요할 것으로 판단되며, PCM의 축/방열성능을 PV에만 사용하는 것이 아니라. 실내에도 사용할 수 있도록 설계된다면, 추가적으로 에너지절약이 가능할 것으로 판단된다.
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