현재 전 세계적으로 기후변화 대응에 따른 온실가스 절감을 이유로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 국내 에너지 소비의 26 %를 차지하고 있는 건축물에너지 최적화 설계에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라 태양광모듈을 건축물에 설치하여 건축부자재의 역할 및 기능과 전력생산을 동시에 할 수 있는 시스템인 건물일체형 태양광시스템(...
현재 전 세계적으로 기후변화 대응에 따른 온실가스 절감을 이유로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 국내 에너지 소비의 26 %를 차지하고 있는 건축물에너지 최적화 설계에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라 태양광모듈을 건축물에 설치하여 건축부자재의 역할 및 기능과 전력생산을 동시에 할 수 있는 시스템인 건물일체형 태양광시스템(Building Integrated Photovoltaic)에 많은 관심이 집중되고 있으며 시장에서의 BIPV 수요도 급성장하고 있다. BIPV는 건축외장재로서 건축 및 전기적 성능을 모두 충족해야 하므로 설계상 고려해야 할 요소가 많으며, 주로 건물 외피에 부착되어 전력을 생산하므로 BIPV 모듈의 특성, 설치 방향, 설치 각도 등에 영향을 많이 받고 있다. 하지만 이러한 주요 영향인자들에 대한 실질적인 정보가 부족한 실정으로 BIPV 설계 적용단계에서 효율적인 설계가 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 이러한 관점에서 건축물의 BIPV 적용을 위한 전력생산 예측 알고리즘 개발과 목업 실증을 통한 검증을 연구의 목적으로 하였다. 시장에서 일반적으로 적용되고 있는 커튼월 GtoG(Glass to Glass) BIPV의 형태를 모사한 목업(Mock-up)실증 시험장을 구축하여, 모듈의 종류, 설치방향, 설치 각도에 따른 실질적인 전력생산의 년간 데이터를 획득하여 전력발전 품질에 대한 데이터베이스를 구축하였으며, 목업 실증연구에 앞서 시험기반의 BIPV 모듈의 발전특성 및 열적특성에 대한 예비적 검토를 실시하여 목업 실증 분석 및 전력생산 예측 알고리즘의 검증 데이터로 활용하였다. 목업 실증의 데이터베이스를 기반으로 BIPV 전력생산 예측 알고리즘을 개발하였으며, 개발된 알고리즘을 기존 PV 예측 알고리즘과 비교·분석함으로서 예측 알고리즘의 정확성과 신뢰성을 검증하였다. 또한 BIPV의 설치에 따른 외피적 인자의 실내 영향에 대한 통계적 분석을 실시하여 각 인자들 간의 상관관계를 분석함으로써 건물의 에너지 부하에 영향을 미치는 중요인자를 식별하였고 영향도를 분석하였다.
본 연구를 통한 논문의 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) BIPV 모듈에 대한 발전특성 및 건축특성을 분석 하였으며, 발전특성은 결정형 모듈이 박막형 모듈 대비 우수한 특성을 나타냈으며, 모듈의 온도 특성은 박막형 모듈이 결정형 모듈 대비 온도계수 기준으로 약 45 %이상 우수한 것으로 분석되었다. 출력특성 및 온도특성은 BIPV 전력생산 예측 알고리즘 검증과 열환경 분석의 기초 데이터로 활용되었다. 또한, 건축특성은 열관류율 시험에서 일반유리 1.94 W/m2·K, 결정형 모듈 1.61 W/m2·K, 박막형 모듈 1.55 W/m2·K를 나타냈으며, BIPV 모듈이 일반 복층유리 보다 단열 성능이 높은 것으로 분석되었고, 일사획득계수(SHGC)는 일반유리 0.72, 결정형 모듈 0.13, 박막형 모듈 0.19로 BIPV 모듈이 일반 복층유리 보다 차양 성능이 우수한 것으로 분석되었다. 발전 측면에서는 결정형 모듈이 우수한 특성을 가지고 있으며, 냉난방 부하 측면에서는 박막형 모듈이 일사획득계수가 높고, 열관류율이 낮아 겨울철 난방부하 저감에 효과적으로 분석되었다.
(2) BIPV 모듈의 종류, 설치방향, 설치각도의 전력생산을 커튼월 GtoG BIPV 목업 실증을 통하여 년간 데이터를 획득하고 전력발전 품질에 대한 데이터 분석을 진행하였다. 누적 일사량은 남향, 남서향, 남동향의 설치방향에서 높게 나타났으며, 설치각도 3°, 15°, 30°, 75°, 90°의 순서대로 높은 누적 일사량을 보였다. 누적 발전량은 계절변화에 따라 크게 영향을 받아서 특성이 달라지며, 이것은 결정형 및 박막형 BIPV 모듈이 동일한 경향을 가진다. 결정형 BIPV 모듈의 경우, 남서향의 설치각도 15°에서 91,784 Whr, 박막형 BIPV의 경우, 남향의 설치각도 30°에서 57,095 Whr로 가장 높은 발전량을 나타내었으며 설치각도가 증가할수록 발전량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 일사량과 발전량의 상관분석 결과 설치각도가 증가할수록 일사량 및 발전량의 편차가 증가함을 볼 수 있으며, 설치방향에 있어서는 남서향, 남향, 남동향의 방위에서 일사량 편차 및 발전량 편차가 적으며, 동향, 서향의 방위에서 일사량 편차와 발전량 편차가 큰 것으로 분석되었다. 또한 상관분석을 통하여 BIPV 모듈의 실제 발전효율을 예측할 수 있었으며, 결정형 모듈이 박막 모듈 대비 약 50 % 높음을 알 수 있다.
(3) 기존 PV에서 발전량 예측에 일반적으로 사용되고 있는 Sandia Model을 기반으로 BIPV 모듈 특성(온도 특성, 성능 특성 등), 일조 환경 영향(일사차폐, 지형 등), BIPV 발전효율을 반영하여 BIPV 전력생산 예측 알고리즘을 개발하였다. 예측 모델을 검증한 결과 일사량은 약 24 %의 차이를 보였으며, 발전량에 있어서 실측값과 예측값을 비교한 결과, Sandia 모델 대비 약 50 % 정도 오차가 줄어듦을 알 수 있다. (Sandia 모델 오차: 34 %, BIPV 모델 오차: 16 %) BIPV 모듈 특성을 반영하고, 지역 기상데이터를 기반으로 하였으며, 일사 음영의 영향을 반영하여 Sandia 모델의 발전량 대비 실측에 대한 정확도가 향상되었다고 판단된다.
(4) BIPV의 설치에 따른 외피적 인자의 실내 영향을 통계적으로 분석한 결과, 룸의 내부온도(25℃)를 일정하게 유지시켜주기 위한 전력소비량은 계절에 따라 온도가 달라짐을 알 수 있었으며, 계절에 따른 일사량과 발전량은 봄 > 겨울 > 여름 >가을의 순서대로 일사량 및 발전량이 높은 것으로 분석되었다.
본 연구는 건축설계 단계에서 BIPV 시스템 적용에 대한 설치방향, 설치각도, 모듈 종류 등의 정확한 정보를 제공하고, BIPV 전력생산을 예측함으로써 BIPV의 경제성 분석과 건물에너지 관점에서의 최적화를 이루는데 기초 데이터로 활용될 것으로 기대된다.
현재 전 세계적으로 기후변화 대응에 따른 온실가스 절감을 이유로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 국내 에너지 소비의 26 %를 차지하고 있는 건축물에너지 최적화 설계에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라 태양광모듈을 건축물에 설치하여 건축부자재의 역할 및 기능과 전력생산을 동시에 할 수 있는 시스템인 건물일체형 태양광시스템(Building Integrated Photovoltaic)에 많은 관심이 집중되고 있으며 시장에서의 BIPV 수요도 급성장하고 있다. BIPV는 건축외장재로서 건축 및 전기적 성능을 모두 충족해야 하므로 설계상 고려해야 할 요소가 많으며, 주로 건물 외피에 부착되어 전력을 생산하므로 BIPV 모듈의 특성, 설치 방향, 설치 각도 등에 영향을 많이 받고 있다. 하지만 이러한 주요 영향인자들에 대한 실질적인 정보가 부족한 실정으로 BIPV 설계 적용단계에서 효율적인 설계가 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 이러한 관점에서 건축물의 BIPV 적용을 위한 전력생산 예측 알고리즘 개발과 목업 실증을 통한 검증을 연구의 목적으로 하였다. 시장에서 일반적으로 적용되고 있는 커튼월 GtoG(Glass to Glass) BIPV의 형태를 모사한 목업(Mock-up)실증 시험장을 구축하여, 모듈의 종류, 설치방향, 설치 각도에 따른 실질적인 전력생산의 년간 데이터를 획득하여 전력발전 품질에 대한 데이터베이스를 구축하였으며, 목업 실증연구에 앞서 시험기반의 BIPV 모듈의 발전특성 및 열적특성에 대한 예비적 검토를 실시하여 목업 실증 분석 및 전력생산 예측 알고리즘의 검증 데이터로 활용하였다. 목업 실증의 데이터베이스를 기반으로 BIPV 전력생산 예측 알고리즘을 개발하였으며, 개발된 알고리즘을 기존 PV 예측 알고리즘과 비교·분석함으로서 예측 알고리즘의 정확성과 신뢰성을 검증하였다. 또한 BIPV의 설치에 따른 외피적 인자의 실내 영향에 대한 통계적 분석을 실시하여 각 인자들 간의 상관관계를 분석함으로써 건물의 에너지 부하에 영향을 미치는 중요인자를 식별하였고 영향도를 분석하였다.
본 연구를 통한 논문의 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) BIPV 모듈에 대한 발전특성 및 건축특성을 분석 하였으며, 발전특성은 결정형 모듈이 박막형 모듈 대비 우수한 특성을 나타냈으며, 모듈의 온도 특성은 박막형 모듈이 결정형 모듈 대비 온도계수 기준으로 약 45 %이상 우수한 것으로 분석되었다. 출력특성 및 온도특성은 BIPV 전력생산 예측 알고리즘 검증과 열환경 분석의 기초 데이터로 활용되었다. 또한, 건축특성은 열관류율 시험에서 일반유리 1.94 W/m2·K, 결정형 모듈 1.61 W/m2·K, 박막형 모듈 1.55 W/m2·K를 나타냈으며, BIPV 모듈이 일반 복층유리 보다 단열 성능이 높은 것으로 분석되었고, 일사획득계수(SHGC)는 일반유리 0.72, 결정형 모듈 0.13, 박막형 모듈 0.19로 BIPV 모듈이 일반 복층유리 보다 차양 성능이 우수한 것으로 분석되었다. 발전 측면에서는 결정형 모듈이 우수한 특성을 가지고 있으며, 냉난방 부하 측면에서는 박막형 모듈이 일사획득계수가 높고, 열관류율이 낮아 겨울철 난방부하 저감에 효과적으로 분석되었다.
(2) BIPV 모듈의 종류, 설치방향, 설치각도의 전력생산을 커튼월 GtoG BIPV 목업 실증을 통하여 년간 데이터를 획득하고 전력발전 품질에 대한 데이터 분석을 진행하였다. 누적 일사량은 남향, 남서향, 남동향의 설치방향에서 높게 나타났으며, 설치각도 3°, 15°, 30°, 75°, 90°의 순서대로 높은 누적 일사량을 보였다. 누적 발전량은 계절변화에 따라 크게 영향을 받아서 특성이 달라지며, 이것은 결정형 및 박막형 BIPV 모듈이 동일한 경향을 가진다. 결정형 BIPV 모듈의 경우, 남서향의 설치각도 15°에서 91,784 Whr, 박막형 BIPV의 경우, 남향의 설치각도 30°에서 57,095 Whr로 가장 높은 발전량을 나타내었으며 설치각도가 증가할수록 발전량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 일사량과 발전량의 상관분석 결과 설치각도가 증가할수록 일사량 및 발전량의 편차가 증가함을 볼 수 있으며, 설치방향에 있어서는 남서향, 남향, 남동향의 방위에서 일사량 편차 및 발전량 편차가 적으며, 동향, 서향의 방위에서 일사량 편차와 발전량 편차가 큰 것으로 분석되었다. 또한 상관분석을 통하여 BIPV 모듈의 실제 발전효율을 예측할 수 있었으며, 결정형 모듈이 박막 모듈 대비 약 50 % 높음을 알 수 있다.
(3) 기존 PV에서 발전량 예측에 일반적으로 사용되고 있는 Sandia Model을 기반으로 BIPV 모듈 특성(온도 특성, 성능 특성 등), 일조 환경 영향(일사차폐, 지형 등), BIPV 발전효율을 반영하여 BIPV 전력생산 예측 알고리즘을 개발하였다. 예측 모델을 검증한 결과 일사량은 약 24 %의 차이를 보였으며, 발전량에 있어서 실측값과 예측값을 비교한 결과, Sandia 모델 대비 약 50 % 정도 오차가 줄어듦을 알 수 있다. (Sandia 모델 오차: 34 %, BIPV 모델 오차: 16 %) BIPV 모듈 특성을 반영하고, 지역 기상데이터를 기반으로 하였으며, 일사 음영의 영향을 반영하여 Sandia 모델의 발전량 대비 실측에 대한 정확도가 향상되었다고 판단된다.
(4) BIPV의 설치에 따른 외피적 인자의 실내 영향을 통계적으로 분석한 결과, 룸의 내부온도(25℃)를 일정하게 유지시켜주기 위한 전력소비량은 계절에 따라 온도가 달라짐을 알 수 있었으며, 계절에 따른 일사량과 발전량은 봄 > 겨울 > 여름 >가을의 순서대로 일사량 및 발전량이 높은 것으로 분석되었다.
본 연구는 건축설계 단계에서 BIPV 시스템 적용에 대한 설치방향, 설치각도, 모듈 종류 등의 정확한 정보를 제공하고, BIPV 전력생산을 예측함으로써 BIPV의 경제성 분석과 건물에너지 관점에서의 최적화를 이루는데 기초 데이터로 활용될 것으로 기대된다.
To address the serious deflection of fossil fuels and air pollution, the green energy boom is taking place worldwide. Issues in the green energy market for photovoltaic(PV) energy are gradually increasing due to global warming. The domestic building energy consumption accounts for approximately 26% ...
To address the serious deflection of fossil fuels and air pollution, the green energy boom is taking place worldwide. Issues in the green energy market for photovoltaic(PV) energy are gradually increasing due to global warming. The domestic building energy consumption accounts for approximately 26% of all energy consumption. For that reason, the optimize building design research was increased and becomes an important factor with the need to reduce building energy consumption. A type of green energy for photovoltaic(PV) had been expanding by approcimately 52% per year since 2000. Along with the growth of the PV market, the market for building-intergrated photovoltaic (BIPV) systems is also rapidly growing because the building sector's energy consumption is increasing with the improvement in the quality of life. BIPV are photovoltaic materials that are used to replace conventional building material in parts of the building envelops such as the roof or facades or windows. BIPV systems can do not only electrical energy generation but also role of building components. So, BIPV performance factor must have envelop material and ancillary source of electric power. Especially, the performance of BIPV was greatly influence by the characteristics of BIPV modules, installed direction and angels. Unfortunately, those information with a shortfall in impact these key factors for structural design BIPV efficient design is not being done in stages. This study carried out to development of the predicted electricity generation algorithm and an verification electricity generation by Mock-Up test. We commonly selected curtain wall G to G(Glass to Glass) type BIPV system. These system installed Mock-Up building. We collected the annual electric generation data base. The annual electrical generation database includes detailed coverage on technical, operation and installed direction and angels. We also produced lab test, to analyze the BIPV module's electrical and thermal characteristic by envelope through an environment endurance test under the domestic standards. The results will be used as the preliminary data for BIPV system algorithm design to verify the results of the theoretical analysis. In addition, we carried out statistical analysis for the indoor influence of the factor of envelope it by the setting of BIPV. It was analysis in the important element which had an influence on the energy load of the building by analyzing the correlation between each factor. The results of study offers the electrical generation information such as module's kinds to setting direction and angle for the BIPV system application at a building design stage. Moreover. we expected the electrical generation, it becomes to useful data for the economic analysis and the optimize building energy.
To address the serious deflection of fossil fuels and air pollution, the green energy boom is taking place worldwide. Issues in the green energy market for photovoltaic(PV) energy are gradually increasing due to global warming. The domestic building energy consumption accounts for approximately 26% of all energy consumption. For that reason, the optimize building design research was increased and becomes an important factor with the need to reduce building energy consumption. A type of green energy for photovoltaic(PV) had been expanding by approcimately 52% per year since 2000. Along with the growth of the PV market, the market for building-intergrated photovoltaic (BIPV) systems is also rapidly growing because the building sector's energy consumption is increasing with the improvement in the quality of life. BIPV are photovoltaic materials that are used to replace conventional building material in parts of the building envelops such as the roof or facades or windows. BIPV systems can do not only electrical energy generation but also role of building components. So, BIPV performance factor must have envelop material and ancillary source of electric power. Especially, the performance of BIPV was greatly influence by the characteristics of BIPV modules, installed direction and angels. Unfortunately, those information with a shortfall in impact these key factors for structural design BIPV efficient design is not being done in stages. This study carried out to development of the predicted electricity generation algorithm and an verification electricity generation by Mock-Up test. We commonly selected curtain wall G to G(Glass to Glass) type BIPV system. These system installed Mock-Up building. We collected the annual electric generation data base. The annual electrical generation database includes detailed coverage on technical, operation and installed direction and angels. We also produced lab test, to analyze the BIPV module's electrical and thermal characteristic by envelope through an environment endurance test under the domestic standards. The results will be used as the preliminary data for BIPV system algorithm design to verify the results of the theoretical analysis. In addition, we carried out statistical analysis for the indoor influence of the factor of envelope it by the setting of BIPV. It was analysis in the important element which had an influence on the energy load of the building by analyzing the correlation between each factor. The results of study offers the electrical generation information such as module's kinds to setting direction and angle for the BIPV system application at a building design stage. Moreover. we expected the electrical generation, it becomes to useful data for the economic analysis and the optimize building energy.
주제어
#BIPV 건물일체형 태양전지 발전특성 열관류율 태양열취득계수 목업 실증 전력소비량 Sandia Model 예측 시뮬레이션
학위논문 정보
저자
이상문
학위수여기관
서울市立大學校
학위구분
국내박사
학과
建築工學科
지도교수
許正浩
발행연도
2017
총페이지
199 p.
키워드
BIPV 건물일체형 태양전지 발전특성 열관류율 태양열취득계수 목업 실증 전력소비량 Sandia Model 예측 시뮬레이션
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