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문제 정의
- 본 연구는 21dVp 용량의 주택 지붕일체형 BIPV 시스템의 일사량에 따른 실측 전력생산량을 분석하기 위해 동절기 49일 동안에 걸쳐 실험을 수행하였다. 이와 함께 실험값에 따른 발전성능의 분석 결과를 바탕으로 실제 가정용 주택에 대한 전기부하 감당률을 분석하였다.
- 본 연구에서는 실험주택에 설치한 지붕일체형 2kWp 용량의 BIPV시스템에 대해 동절기 동안 성능을 모니터링하였다. PV시스템의 성능에 주요한 외기 조건인 일사량과 BIPV시스템의 전력생산량과의 상관성을 도출하였으며, 도출된 상관식을 통해 해당 BIPV시스템의 연간 전력생산량을 예측하였다.
- 이에 본 연구의 목적은 주택 건물에 적용한 지붕일체형 BIPV시스템의 성능 및 특성을 분석하고, 이를 이용하여 국내 일반 주택에 대한 본 BIPV시스템의 에너지절약 효과를 분석하는 것이다.
제안 방법
- BIPV시스템의 성능을 파악하기 위해 일사량에 따른 전력생산량의 상관식을 도출하였다(그림 7).
- 모니터링하였다. PV시스템의 성능에 주요한 외기 조건인 일사량과 BIPV시스템의 전력생산량과의 상관성을 도출하였으며, 도출된 상관식을 통해 해당 BIPV시스템의 연간 전력생산량을 예측하였다. 이를 이용하여 한국의 일반적인 가정용 주택의 전력사용량에 대한 본 BIPV시스템의 전기부하 감당 정도를 분석하였다.
- 실험은 2004년 12월(1일~18일) 부터 1월(1일~31일)에 걸쳐 동절기 49일 동안 수행하였으며, 9시부터 16시까지 7시간 동안의 전력생산량을 측정하였다. 또한 PV시스템의 발전성능에 결정적인 영향을 미치는 경사면 전일사량을 측정하였고 외기온도를 함께 측정하였다.
- PV어레이를 설치하였다. 또한 그림 2와 같이 지붕상부 용마루 구조체를 개방구조로 만들어 PV모듈 후면의 가열된 공기가 자연대류에 의해 상단부로 배출되도록 후면통풍을 유도하였다.
- 또한 발전된 직류(DC) 전기를 교류(AC)로 변환시키기 위해 3W급 계통연계형 인버터를 연결하여 시스템을 구성하였다. 인버터는 정격부하에서 90%이상의 변환효율, 98%이상의 역률을 가지고 과전압, 과부하, 과열, 정전 등의 고장에 대한 경보 및 차단기능의 보호시스템을 내장하고 있다(표 3).
- 본 연구에서는 앞서 성능실험에 의해 분석된 결과를 바탕으로 국내 가정용주택의 실제 전력사용량에 대한 예측된 BIPV시스템의 전기부하 감당률을 분석하였다.
- 본 연구에서는 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS 의 일사량 계산 부프로그램 (Radiation Processor) 에 인근 대전지역의 시간별 수평면 일사량2)을 적용하여 본 실험조건인 정남향, 15° 경사각에서얻어지는 경사면 전일사량을 산출하였다. 그림 8 은 앞의 계산을 통해 산출된 월별 일평균 경사면일사량과 이를 이용하여 예측한 전력생산량을 나타내고 있다.
- 시스템의 전력생산량은 PC 모니터링 시스템인 전력량 측정기에 의해 PV어레이의 출력 값(DC) 과 인버터의 출력 값(AC)으로 실시간 계측되었다. 그리고 일사량과 외기온도는 별도의 센서와 데이터 측정 장치를 통해 기록되었다.
- 실험시간 중 기상상태가 좋은 하루(12월 23 일)의 시간대별 평균 일사량에 따른 전력생산량을 비교하였다(그림 6). 실험일의 시간대별 일사량은 낮 최고 약 750W/irf로 나타났고, 전력생산량은 0.
- 수행하였다. 실험은 2004년 12월(1일~18일) 부터 1월(1일~31일)에 걸쳐 동절기 49일 동안 수행하였으며, 9시부터 16시까지 7시간 동안의 전력생산량을 측정하였다. 또한 PV시스템의 발전성능에 결정적인 영향을 미치는 경사면 전일사량을 측정하였고 외기온도를 함께 측정하였다.
- 앞서 언급된 실험장치를 구성하고 주택 지붕 일체형 2kWp 용량의 BIPV시스템에 대한 성능실험을 수행하였다. 실험은 2004년 12월(1일~18일) 부터 1월(1일~31일)에 걸쳐 동절기 49일 동안 수행하였으며, 9시부터 16시까지 7시간 동안의 전력생산량을 측정하였다.
- PV시스템의 성능에 주요한 외기 조건인 일사량과 BIPV시스템의 전력생산량과의 상관성을 도출하였으며, 도출된 상관식을 통해 해당 BIPV시스템의 연간 전력생산량을 예측하였다. 이를 이용하여 한국의 일반적인 가정용 주택의 전력사용량에 대한 본 BIPV시스템의 전기부하 감당 정도를 분석하였다.
- 이와 함께 실험값에 따른 발전성능의 분석 결과를 바탕으로 실제 가정용 주택에 대한 전기부하 감당률을 분석하였다.
- 8%였다. 종 38개의 PV 모듈을 2병렬 19직렬로 연결하여 최대전압 302V, 최대전류 6A를 갖는 어레이를 구성하였다. 적용된 PV모듈의 상세규격은 표 2와 같다.
대상 데이터
- 본 실험체에 사용된 PV모듈은 다결정 실리콘태양전지로 만들어졌으며 최대출력 50W용량으로모듈의 평균 효율은 13.8%였다. 종 38개의 PV 모듈을 2병렬 19직렬로 연결하여 최대전압 302V, 최대전류 6A를 갖는 어레이를 구성하였다.
- 실험주택은 정남향으로 공주시 공주대학교 내(위도 36도, 경도 127도)에 설치되었다. 전체 바닥면적이 25.
- 실험주택은 정남향으로 공주시 공주대학교 내(위도 36도, 경도 127도)에 설치되었다. 전체 바닥면적이 25.2m2인 본 건물은 경량 철골조로 구성되었으며 샌드위치 판넬로 마감하였으며 지붕은 샌드위치 판넬 위에 방수층을 설치하였다. 지붕에 설치된 PV모듈의 면적은 20.
성능/효과
- ' 측정된 주택 지붕일체형 2ldVp급 BIPV시스템의 전력생산량은 일평균 약 2.6W1 로 나타났으며, 실험기간 동안의 누적 전력생산량은 127% 로 측정되었다.
- 여기서, 연평균 월 전력사용량은 207W1 로 BIPV시스템은 연평균 월 107kWh의전력을 생산하여 약 52%의 전기부하를 감당할수 있는 것으로 분석되었다. 계절적으로 봄, 여름에는 평균 약 60%의 전기를 감당할 수 있는 것으로 나타났으며, 겨울철에는 약 34%의 전기부하를 감당할 수 있는 것으로 분석되었다. 겨울철의 경우 봄, 여름에 비해 매우 낮은 감당률을 나타내는데, 이는 겨울철에 획득되는 일사량이 적기때문이다.
- 실험값에 의해, 전력생산량은 일사량에 따라크게 좌우되며 비례하여 전력생산량이 증가하는것으로 나타났다. 따라서 실험결과 분석을 통해도출된 상관식에 의해 BIPV시스템의 연간 전력생산량에 대한 개략적인 예측이 가능할 것으로 분석되었다.
- 또한 실제 가정용주택의 전력사용량에 대한 전기부하 감당률을 비교분석하였으며, 주택용 2 fflp급 BIPV시스템은 29평 이하 기준으로 가정하면 연평균 약 52% 의 전기부하를 충당할 수 있는 것으로 예측되었다. 이러한 BIPV시스템의감당률 분석은 특정한 지역 및 건물을 대상으로 이루어진 분석 결과를 일반화하는 데는 한계가 있으나 새로운 지붕일체형 BIPV시스템의 실질적인 성능평가를 통해 도출된 상관관계로 의미를 갖는다.
- 실험값에 의해, 전력생산량은 일사량에 따라크게 좌우되며 비례하여 전력생산량이 증가하는것으로 나타났다. 따라서 실험결과 분석을 통해도출된 상관식에 의해 BIPV시스템의 연간 전력생산량에 대한 개략적인 예측이 가능할 것으로 분석되었다.
- 실험결과를 통해 특정지역의 동절기 49일 동안 실측된 일평균 경사면 전일사량은 366W/m2이며, 총 누적 전력생산량은 약 127W1 로 나타났다. 실험값에 의해, 전력생산량은 일사량에 따라크게 좌우되며 비례하여 전력생산량이 증가하는것으로 나타났다.
- 82W1 로 나타났다. 실험일 시간대별 전력생산량 추이를 살펴보면 오전 10시부터 일사량이 증가할수록 전력생산량이 증가되었다 . 그림에서 오후 15시 이후 일사량에 따라 전력량이 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 각 시간대별 측정일사량의 변화에 따른 전력량의 변화로 판단된다.
- 6). 실험일의 시간대별 일사량은 낮 최고 약 750W/irf로 나타났고, 전력생산량은 0.82W1 로 나타났다. 실험일 시간대별 전력생산량 추이를 살펴보면 오전 10시부터 일사량이 증가할수록 전력생산량이 증가되었다 .
- 있다. 여기서, 연평균 월 전력사용량은 207W1 로 BIPV시스템은 연평균 월 107kWh의전력을 생산하여 약 52%의 전기부하를 감당할수 있는 것으로 분석되었다. 계절적으로 봄, 여름에는 평균 약 60%의 전기를 감당할 수 있는 것으로 나타났으며, 겨울철에는 약 34%의 전기부하를 감당할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 예측된 연간 전력생산량은 계절적으로 일사량이 높은 봄, 가을에 전력생산량이 다른 계절에 비해 높게 나타났다. 반면에 일사량이 비교적 낮은겨울철에 전력생산량이 가장 낮은 분포를 나타냈다.
- 일사량에 따른 전력생산량은 그래프에 나타난 추세선과 거의 일직선상에 분포하여 일사량이 증가함에 따라 BIPV시스템의 전력생산량이 일정하게 증가하는 비례관계를 이루는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 향후 BIPV시스템의 성능에 영향을주는 여러 요소들을 고려한 보다 구체적인 분석연구가 필요하고, BIPV시스템의 계절별 장기간에걸친 실험을 통해 성능특성을 분석하는 연구가 필요하다.
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