선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 태양광모듈의 조립식 샌드위치 패널과 일체화를 위해, 조립식건축의 특성분석과 이에 부합되는 태양전지모듈의 특성분석과 아울러 BIPV모듈의 설계 및 시작품을 제작하여 지붕마감재형의 BIPV모듈 개발에 기초 자료로 활용하는데 그 목적이 있다.
- 이에 본 연구에서는 BIPV모듈의 다양한 적용방법 중조립식 시공이 가능한 샌드위치 패널 일체형 태양전지모 듈에 대한 모듈 및 시공방법 등에 대해 설계하고 시작품 개발 과정을 제시하면서, 건축자재인 패널의 설계 규격을 설정하여 제작 가능한 태양전지모듈의 크기를 도출하였다. 1, 2차 환경시험용 시작품을 이용하여 내구성 평가를 실시한 결과, 절연저항 및 내전압 성능은 기준치인 50㏁이상을 훨씬 초과하여 우수한 절연성능을 확인할 수 있었으나, 온·습도 사이클 및 내열·내습성시험 후에는 절연저항의 감소 현상이 나타남으로써, 환경 변화에 따라서 절연파괴의 위험성이 잠재하고 있다고 판단되었으며.
제안 방법
- 본 연구의 건축 재료로 사용된 조립식 샌드위치 패널의 경우, 기본적으로 생산되는 제품의 생산치수는 1자(尺)단 위, 1M단위이다. 생산치수의 경우 KS규정에 따라 생산되는 것도 있지만 대부분의 경우 패널의 부속으로 사용되는 건축 기본 구조 등의 치수와 연관되어 있으므로 본 연구 에서 제작된 시작품의 경우 1M단위로 설계하였다. 또한 조립식 패널의 경우 대 면적으로 제작하는 경우가 많고 패널 제조 설비는 그 길이방향으로 최대 7M까지 생산이 가능하기 때문에 태양전지모듈을 부착하고 시공자가 현장 에서 조작이 자유로운 사이즈인 1,000*2,000㎜로 설정하였 다.
- 그 구조는 기존의 샌드위치 패널의 상판을 금속 가공하여 태양전지모듈과 일체화한 방식이다. 부가적인 지지고정대 없이 겹쳐 시공하며, 모듈의 전선배선은 상부에서 결선이 이루어져, 사후관리가 용이하도록 하였다.
- 지붕재 일체형 태양전지모듈의 내구성 평가를 위해서 1, 2차 시작품을 다시 제작하였다. 기존에 제작된 시작품 구조와 동일한 방식으로 전체 사이즈에만 변경을 주었다.
- IEC61215의 시험방법에 따라 환경적 가속시험 전 지붕 일체형 태양전지모듈의 절연저항 및 내전압 성능을 측정하였다. 시험 방법으로는 각각의 시료에 대해서 출력단자와 패널사이를 최대 시스템 전압의 두 배에 1000V를 더한 전압을 인가하여 절연저항을 측정하였으며, 내전압은 1000V의 전압을 1분간 인가하여 절연파괴 등의 이상이 없는지를 살펴보았다. 절연저항 측정결과 최소 1.
- 두 가지 시제품(A-Type, B-Type)에 대해서 온·습도 사이클, 온도 사이클, 내열·내습성 시험을 실시하여 환경 시험 전후의 발전성능의 변화를 관찰하였다. 그 결과 <표 4>에서 보는바와 같이 환경적 가속시험이 완료된 후에도 시험 전 초기 최대출력 값의 95%이상의 발전성능을 나타 내어 모두 우수한 발전성능 나타내고 있음을 확인할 수있었다.
- 본 연구에서의 시제품인 지붕일체형 태양전지모듈에 대해서 환경적 가속시험을 실시한 후 시료의 외관변형 현상을 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 건축 재료로 사용된 조립식 샌드위치 패널의 경우, 기본적으로 생산되는 제품의 생산치수는 1자(尺)단 위, 1M단위이다. 생산치수의 경우 KS규정에 따라 생산되는 것도 있지만 대부분의 경우 패널의 부속으로 사용되는 건축 기본 구조 등의 치수와 연관되어 있으므로 본 연구 에서 제작된 시작품의 경우 1M단위로 설계하였다.
- 모듈의 구성은 현재 국내에서 가장 많이 사용하는 125*125㎜, 156*156㎜의 결정질 태양전지(Solar Cell)를 사용하고, 유리는 저 철분유리로 두께는 3.2㎜의 투과율 평균 91.5%(파장 0.5~1.1um)로 안쪽 면은 엠보싱 처리가 된강화유리를 사용하였다. 또한 불투명 소재인 백쉬트 (Back-sheet)대신 금속판을 사용하여 모듈에서 발생된 열을 빨리 전도시킬 수 있도록 하였고, 유리와 태양전지, 금속판과의 밀봉을 위해서는 EVA를 사용하였고 시작품에 사용된 알루미늄은 부식방지를 위해 아노다이징 표면처리가 된 프레임을 사용하였다.
- 1um)로 안쪽 면은 엠보싱 처리가 된강화유리를 사용하였다. 또한 불투명 소재인 백쉬트 (Back-sheet)대신 금속판을 사용하여 모듈에서 발생된 열을 빨리 전도시킬 수 있도록 하였고, 유리와 태양전지, 금속판과의 밀봉을 위해서는 EVA를 사용하였고 시작품에 사용된 알루미늄은 부식방지를 위해 아노다이징 표면처리가 된 프레임을 사용하였다.
- 이에 따라 변화되는 전기적 사양을 살펴보면, A-type모듈 (1차 시작품)은 5inch Cell 18개가 직렬 연결된 40W급으 로. B-type(2차 시작품)은 6inch Cell 16개가 직렬 연결된 60W급으로 제작되었다. <그림 7-8>
이론/모형
- IEC61215의 시험방법에 따라 환경적 가속시험 전 지붕 일체형 태양전지모듈의 절연저항 및 내전압 성능을 측정하였다. 시험 방법으로는 각각의 시료에 대해서 출력단자와 패널사이를 최대 시스템 전압의 두 배에 1000V를 더한 전압을 인가하여 절연저항을 측정하였으며, 내전압은 1000V의 전압을 1분간 인가하여 절연파괴 등의 이상이 없는지를 살펴보았다.
성능/효과
- 본 연구에 사용된 40W(A-Type)급과 60W (B-Type)급의 환경시험 전 발전성능을 살펴보면, A-type의 지붕일체형 태양전지모듈의 경우 에서와 같이 최대 출력이 37.8W에서 40.4W까지의 분포를 나타내었으며 평균 출력 38.9W와 ±3.8%의 다소 편차가 큰 출력 균일도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
- B-Type의 지붕일체형 태양 전지모듈은 에서와 같이 최대 출력이 56.7W에서 58.3W까지의 분포를 보이며 평균 출력은 57.5W를 나타내었고 출력 균일도는 ±1.4%의 매우 우수한 성능을 나타났다.
- 그 결과 에서 보는바와 같이 환경적 가속시험이 완료된 후에도 시험 전 초기 최대출력 값의 95%이상의 발전성능을 나타 내어 모두 우수한 발전성능 나타내고 있음을 확인할 수있었다.
- 위의 결과로부터, 두 가지 구조의 지붕일체형 태양전지 모듈 모두 환경시험에 의한 안정된 발전성능 특성을 나타 냄을 확인하였고 과 에서 보는바와 같이 환경시험 전후의 동일한 I-V curve결과를 나타냄으 로써 환경변화에 따라서도 태양전지모듈의 발전성능은 매우 안정적임을 확인할 수 있었다.
- 시험 방법으로는 각각의 시료에 대해서 출력단자와 패널사이를 최대 시스템 전압의 두 배에 1000V를 더한 전압을 인가하여 절연저항을 측정하였으며, 내전압은 1000V의 전압을 1분간 인가하여 절연파괴 등의 이상이 없는지를 살펴보았다. 절연저항 측정결과 최소 1.40GΩ와최대 7.81GΩ의 분포를 보였으며, 내전압 시험결과 모두 우수한 성능을 확인할 수 있었다.<그림 9-10>
- 환경시험 후 모듈의 절연저항 및 내전압 시험 결과로부터 두 가지 구조의 모듈 모두 절연파괴의 위험성과 내전 압성에서 우수함을 확인할 수 있었으나, 그러나, <그림 13>과 <그림 14>에서의 절연저항 측정 결과로부터 온·습도 사이클 후 절연저항의 감소가 나타나며 온도 사이클후 절연저항의 증가가 관찰되었다. 그리고 내열· 내습성 시험 후 절연저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 절연성능 기준인 50㏁ 보다는 훨씬 큰 절연 저항 값을 가지고 있지만, 태양광모듈이 건물외피로 설치 되었을 때 반복적인 외부 환경의 변화에 따라서 절연저항이 변화할 수 있는 특성이 잠재되어 있어 절연파괴 및 장기적 모듈의 내구성에 위험한 요소로 작용될 수 있음을 예측할 수 있다.
- 이러한 결과로부터 태양전지모듈 내부의 습기침투현상은 모듈 내부에서 태양전지의 단락현상을 유발시켜 모듈의 발전성능 저하와 설치된 모듈 어레이 전체에 대한 시스템 성능을 감소시키는 원인으로 작용될 수 있고, 자재의 변형 및 분리현상 등은 지붕일체형 태양전지모듈이 건축 자재로써의 내구성에 문제가 있음을 확인해 주는 결과라할 수 있다.
- 이에 본 연구에서는 BIPV모듈의 다양한 적용방법 중조립식 시공이 가능한 샌드위치 패널 일체형 태양전지모 듈에 대한 모듈 및 시공방법 등에 대해 설계하고 시작품 개발 과정을 제시하면서, 건축자재인 패널의 설계 규격을 설정하여 제작 가능한 태양전지모듈의 크기를 도출하였다. 1, 2차 환경시험용 시작품을 이용하여 내구성 평가를 실시한 결과, 절연저항 및 내전압 성능은 기준치인 50㏁이상을 훨씬 초과하여 우수한 절연성능을 확인할 수 있었으나, 온·습도 사이클 및 내열·내습성시험 후에는 절연저항의 감소 현상이 나타남으로써, 환경 변화에 따라서 절연파괴의 위험성이 잠재하고 있다고 판단되었으며. 초기 발전성능에 대한 출력 변화율은 A-type ±1.
- 1, 2차 환경시험용 시작품을 이용하여 내구성 평가를 실시한 결과, 절연저항 및 내전압 성능은 기준치인 50㏁이상을 훨씬 초과하여 우수한 절연성능을 확인할 수 있었으나, 온·습도 사이클 및 내열·내습성시험 후에는 절연저항의 감소 현상이 나타남으로써, 환경 변화에 따라서 절연파괴의 위험성이 잠재하고 있다고 판단되었으며. 초기 발전성능에 대한 출력 변화율은 A-type ±1.5%, B-type ±0.6%로 매우 안정적인 성능을 확인할 수 있었다.
- 한편 환경적 가속시험 후 외관 변형을 관찰한 결과 대부분 모듈에서 내부 충진재 팽창에 의해 Frame의 변형 현상과 습기 침투에 의한 Bubble현상 Back sheet와 Frame 간의 분리현상을 발견할 수 있었다.
- 따라서, BIPV 모듈의 개발 및 상품화과정에서 건축 재료로서, 특히 지붕재로서의 기능평가가 이루어져, 각 항목별 체크리스트 작성을 통해 그 검토를 세분화함으로서 건축적 측면에서 보다 쉽게 접근할 수 있는 가능성을 마련할 수 있다. 건물지붕재로서의 물리적 특성을 충분히 견뎌낼 수 있음과 동시에 전기발전이라는 본래의 목적에도 최상의 기능을 발휘할 수 있고, 또 건축디자인 주요요소인 색감이나 질감에 있어서도 변화를 줄 수 있는 태양전지와 모듈개발을 활발히 이루도록 다양한 시작품의 제작과 평가가 더욱 필요하다고 판단된다.
- 환경시험 후 모듈의 절연저항 및 내전압 시험 결과로부터 두 가지 구조의 모듈 모두 절연파괴의 위험성과 내전 압성에서 우수함을 확인할 수 있었으나, 그러나, 과 에서의 절연저항 측정 결과로부터 온·습도 사이클 후 절연저항의 감소가 나타나며 온도 사이클후 절연저항의 증가가 관찰되었다.
후속연구
- 위에서 언급한 건축적 태양광 발전시스템의 고려요소에 따라 설계함에 있어 PV모듈을 지붕에 설치하는 경우에는 지붕자재와 완전히 밀착시켜 통풍이 불가능한 warm facade와 통풍이 가능한 cold facade로 구분되어 통풍이 불가능할 경우 발전효율에 영향을 미칠 수 있으 므로 추가적인 검토가 필요하다. 태양광발전시스템의 출력에 영향을 주는 요소들 중 일사량과 음영은 그 지역의 기상환경 혹은 주변 상황에 의해 결정되어지는 부분이지만 온도에 의한 영향은 설계자가 사전에 충분히 조절이 가능한 부분이다.
- 단위 면적에 비례하여 발전용량이 나오는 PV모듈과 대량 설치 및 간단한 설치 기술의 장점을 가진 샌드위치 패널의 일체화는 패널의 상부표면재가 태양전지 모듈로 대체됨으로써 방습 및 일사를 차단함으로써 건물 외피마감 재를 성질을 보강할 수 있을 것이다.
- 따라서, 내구성 있는 지붕일체형 태양전지모듈을 제작 하기 위해서는 외부 환경변화에 저항성을 지닌 자재 선정, 공정조건 확보 및 작업환경 개선 등이 앞으로 보완되어야할 것으로 판단된다.
- 위 결과로부터 본 연구에 사용된 지붕일체형 태양전지 모듈이 건축 자재로 설치되었을 때 외부 환경의 지속적 변화에 의해 절연저항 감소와 구조적, 재료적 변형에 의해 모듈의 내구성에 대한 문제점이 도출되었으며, 내구성 있는 지붕일체형 태양전지모듈을 제조하기 위해서는 향후 자재 선정, 공정 및 작업 환경개선에 대한 집중적이 연구와 노력이 필요할 것으로 사료된다.
- 따라서, BIPV 모듈의 개발 및 상품화과정에서 건축 재료로서, 특히 지붕재로서의 기능평가가 이루어져, 각 항목별 체크리스트 작성을 통해 그 검토를 세분화함으로서 건축적 측면에서 보다 쉽게 접근할 수 있는 가능성을 마련할 수 있다. 건물지붕재로서의 물리적 특성을 충분히 견뎌낼 수 있음과 동시에 전기발전이라는 본래의 목적에도 최상의 기능을 발휘할 수 있고, 또 건축디자인 주요요소인 색감이나 질감에 있어서도 변화를 줄 수 있는 태양전지와 모듈개발을 활발히 이루도록 다양한 시작품의 제작과 평가가 더욱 필요하다고 판단된다.
- 본 연구에서 제작된 시제품들은 외부에 설치하여 발전 량과 외기 온도 및 기상환경에 따라 어떠한 변화가 발생 하고 있는지에 대한 외부환경 Mock-Up test를 실시하고 있으며, 추후 실험결과에 따른 지붕일체형 태양전지모듈 특성분석을 수행하고, 개발품 및 설치방식을 표준화하는 작업을 진행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.