[논문]건물일체형 투광성 PV모듈의 설치각도별 발전특성에 관한 연구

송종화; 윤종호; 안영섭; 김석기; 이성진; 정연규

문제 정의

국내에서는 후면환기에 따른 PV모듈의 발전성능 평가 3kW 급 연계형 태양발전 시스템의 성능평가 등의 결정계를 대상으로 한 연구가 활발히 진행되고 있지만 건축가들이 선호하는 건축 창을 대체할 수 있는 투명 박막전지의 창 호화연구 및 건물 적용 사례는 최근에 초기 연구가 착수된 실정이다. 따라서 본 연구는 건축 창호를 대체할 수 있는 박막 태양전지를 이용한 PV 복층창 시스템의 실제 건물 적용모델을 대상으로 장기간에 걸친 경사각별 발전성능의 모니터링을 수행하여 정량적 실측데이 터를 정립하고, 이들 결과를 PV해석 시뮬레 이 션 결과와 비교 분석함으로서 박막 태양전지의 경사각과 방위각별 연간 발전량 데이터에 대한 실험적, 이론적 검증을 수행하는데 주 목적이 있다.
본 연구에서는 건축창호를 대체하여 발전 및 채광, 창호의 기능을 복합적으로 발휘할 수 있는 BIPV 모듈인 투명 박막 PV모듈의설치각도별 연간 발전성능을 평가 분석하였으며 다음과 같은 주요 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 투명 박막태양전지를 라미네이션(Lamination) 한 PV 모듈의 발전 특성을 분석하기 위하여 PV 모듈의 제작, 실험을 위한 Mock-up모델의 경사각별 설계 및 시공, 장기모니터링 및 결과처리, 해석프로그램을 통한 경사각과 방위각에 따른 PV 모듈의 발전 특성 분석등의 순서로 연구를 진행하였다.

제안 방법

분석하였다. 그 결과 오차율이 85%로 나타나 오차 범위 내의 결과 값으로 판단하여 설치조건에 따른 발전량의 변화를 분석하기위한 해석프로그램을 구동하기로 하였다. 특히 5월의 발전량 차이는 기상변화로 실측 수열일사량이 양호하지 않아 발생한 것으로 분석되었다.
검증 후 보정한 월변화에 따른 실측발전량과 시뮬레이션 발전량을 (그림 5)에 나타내었다. 또한 설치각도 Slope_30의 PV 모듈을 대상으로 실측된 연간 단위 출력당 발전량 l, 060kWh/kWp 과 해석프로그램의 연간 단위 출력당 발전량 977kMh/kWp의 오차율을 비교 . 분석하였다.
본 연구에 적용된 투명 아몰포스 실리콘 박막 태 양전지 (Thin-film Solar Cell)는 단판 모듈로 국내에서 생산이 되지 않아 외국제품을 수입하였으며, 이를 국내에서 복층창화하여 PV모듈화 하고, 건물에 적용하기 위해서 실물 스케일 Mock-up 모델을 설계 시공하였다. Mock-up 모델이 완공된 후 9개월간 모니터링하고 측정된 발전 데이터와 동일 기간 동안 해석프로그램을 구동하고 결과값을 보정한 후 경사각과 방위각에 따른 발전 특성 결과를 통계 .
본 연구에서는 (표 1)과 같은 전기적 특성을 갖는 투명 박막 PV 모듈을 적용하기 위해서 가로 8m, 세로 5m, 높이 3.5m, 30° 경사 지붕 및 평지붕이 복합된 형태로 Mock-up 모델을 (그림 2)와 같이 설계 . 시공하였다.
Mock-up 모델이 완공된 후 9개월간 모니터링하고 측정된 발전 데이터와 동일 기간 동안 해석프로그램을 구동하고 결과값을 보정한 후 경사각과 방위각에 따른 발전 특성 결과를 통계 . 분석하는 방법으로 연구를 진행하였다. 특히 PV모듈의 연간 발전량 도출을 위해서 나머지 3개월간의 데이터를 30년 표준 기상 데이터의 월별 일사량을 근거로 연간 발전량을 비교 분석하였다.
일사 수혜가 가장 양호한 남향으로 계획하였으며, 모델은 경기도 용인시에 위치하고 있다. 의 보정과정을 거쳐 도출된 2006년 11월부터 2007 년 8월까지 9개월 동안 90°수직면(SIQPE_90), 30°경사면(SLOPE_30), 0°수평면(SLOPE_0)의전일사량과 PV발전량 측정결과에 대한 통계처리 분석을 수행하였다.
분석하는 방법으로 연구를 진행하였다. 특히 PV모듈의 연간 발전량 도출을 위해서 나머지 3개월간의 데이터를 30년 표준 기상 데이터의 월별 일사량을 근거로 연간 발전량을 비교 분석하였다.

대상 데이터

저장하였다. 야간 및 오류 데이터를 제외하고 최종 선별된 데이터는 56개 변수에 대한 총 12, 254, 312개의 데이터를 대상으로 통계 분석을 수행하였다.
시공하였다. 일사 수혜가 가장 양호한 남향으로 계획하였으며, 모델은 경기도 용인시에 위치하고 있다. 의 보정과정을 거쳐 도출된 2006년 11월부터 2007 년 8월까지 9개월 동안 90°수직면(SIQPE_90), 30°경사면(SLOPE_30), 0°수평면(SLOPE_0)의전일사량과 PV발전량 측정결과에 대한 통계처리 분석을 수행하였다.

데이터처리

Mock-up 모델이 완공된 후 9개월간 모니터링하고 측정된 발전 데이터와 동일 기간 동안 해석프로그램을 구동하고 결과값을 보정한 후 경사각과 방위각에 따른 발전 특성 결과를 통계 . 분석하는 방법으로 연구를 진행하였다.
실측실험에서는 정남향을 기준으로 한정된 경사각도 (Slope_90, Slope_30, Slope_0) 에 따른 발전량만 비교분석하였고, 해석프로그램 통하여 추가로 Slope_70, Slope_50, Slope_10 의 경사각도별 발전성능 시뮬레이션을 시행하였으며 월별 발전량 분석결과를 (그림 6) 에 나타냈다. 그 결과 정남향을 기준으로 경사각별 월별 변화는 Slope_3。이내 범위의 낮은 경사각도에서 6kWh 이상의 발전성능을 나타냈고, Slope_5。이상의 경사각도에서는 6kMh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다.
해석프로그램의 오차율을 비교. 검증 후 보정한 월변화에 따른 실측발전량과 시뮬레이션 발전량을 (그림 5)에 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서 구동된 해석프로그램은 미국 위스콘신 대학교 SEL에서 개발한 TRNSYS를이용하였다. TNSYS는 태양열 시스템 뿐만 아니라 태양광 시스템의 발전량, 일사량, 온도, 풍속등의 시간별 데이터를 산출할 수 있는 전 세계적인 프로그램으로 인정받고 있다.

성능/효과

(1) 실물크기의 Mock-up모델을 대상으로 경사각별 연간 단위출력당 발전량을 분석한 결과 경사면 30° l, 060kWh/kWp, 수평면 0 ° 844.4kWh/kWp, 수직면 90° 431.6kWh/kWp 로 나타났다.
(3) 시뮬레이션을 통해 분석된 방위각별 연간 단위출력당 발전량은 Slope_30을 기준으로 정남향(South에 설치된 PV모듈이가장 우수하였다. 남서 30은 967kWh/kWp 로 정남향 대비 99%의 발전성능을 보였고 남동 30, 남서 60, 남동 63, 정서향 정동향은 각각 은 937(96%), 907(93%), 险密也 812(83%), 759kMh/kWp(78%) 의 순으로 방위각에 따라 PV모듈의 발전성능은 평균 11%, 최대 22%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
Slope」。, 50, 70, 90은 각각 954(98%), 890(88%), 633(65%), 357kWh/kWp(37%) 의 순으로 발전성능을 보여 분석된 경사각에 따라 발전성능은 평균 24%, 최대 63%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
분석 된 방위각 변화에서 Slope_30에 설치된 PV모듈의 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났고, Slope_90 에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 방위각 변화에도 가장 저조한 것으로 분석되었다. Slope_30 를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30(Azimuth 30)은 99%, 남동 30(Azimuth 330)은 96%, 남서 60(Azimuth 60)은 93%, 남동 60(Azimuth 300)은 88%, 정서향(Azimuth 90)은 83%, 정동향(Azimuth 270)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다. 또한 PV 모듈의 연간 발전량이 일부 방위 각도에서 Slope_30까지는 서서히 증가하다가 이후 경사각도에서는 감소하는 경향을 보였다.
결과이다. 그림에서 보는 것과 같이 월별 변화에서 Slope_30의 PV모듈은 하지인 6월에 가장 우수환 발전성능을 나타냈고, Slope_0 의 경우에도 경사면과 동일하게 6월에 가장 우수한 발전성능을 보였다. 반면 Slope_90은 1월에 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
우수하였다. 남서 30은 967kWh/kWp 로 정남향 대비 99%의 발전성능을 보였고 남동 30, 남서 60, 남동 63, 정서향 정동향은 각각 은 937(96%), 907(93%), 险密也 812(83%), 759kMh/kWp(78%) 의 순으로 방위각에 따라 PV모듈의 발전성능은 평균 11%, 최대 22%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
그 결과 정남향을 기준으로 경사각별 월별 변화는 Slope_3。이내 범위의 낮은 경사각도에서 6kWh 이상의 발전성능을 나타냈고, Slope_5。이상의 경사각도에서는 6kMh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다. 또한 (그림 7)와 같이 연간 단위 출력당 발전성능 분석결과 Slope_30이 977kMWkWp로가장 높게 나타났고 Slope_90 이 357kWh/kWp 로 Slope_30에 비해 37%의 발전량을 나타내 분석된 경사각도중에서 가장 낮게 나타났다. 그다음으로 Slope_10은 954kWh/kWp, Slope_0 은 890kWh/kWp, Slope_50은 860kWh/kWp, Slope_70 633kWh/kWp 순으로 나타났다.
Slope_30 를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30(Azimuth 30)은 99%, 남동 30(Azimuth 330)은 96%, 남서 60(Azimuth 60)은 93%, 남동 60(Azimuth 300)은 88%, 정서향(Azimuth 90)은 83%, 정동향(Azimuth 270)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다. 또한 PV 모듈의 연간 발전량이 일부 방위 각도에서 Slope_30까지는 서서히 증가하다가 이후 경사각도에서는 감소하는 경향을 보였다.
)에 도식 하였다. 분석 된 방위각 변화에서 Slope_30에 설치된 PV모듈의 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났고, Slope_90 에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 방위각 변화에도 가장 저조한 것으로 분석되었다. Slope_30 를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30(Azimuth 30)은 99%, 남동 30(Azimuth 330)은 96%, 남서 60(Azimuth 60)은 93%, 남동 60(Azimuth 300)은 88%, 정서향(Azimuth 90)은 83%, 정동향(Azimuth 270)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다.
반면 Slope_90은 1월에 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이것은 태양고도에 변화에 따라 각 PV 모듈에 수열되는 일사량의 변화에 의한 것으로 본 연구에서 실험한 설치각도 중에는 Slope_30 에 설치된 PV모듈의 발전성능이 가장 우수한 것으로 분석되었다.
Slope_5。이상의 경사각도에서는 6kMh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다. 또한 (그림 7)와 같이 연간 단위 출력당 발전성능 분석결과 Slope_30이 977kMWkWp로가장 높게 나타났고 Slope_90 이 357kWh/kWp 로 Slope_30에 비해 37%의 발전량을 나타내 분석된 경사각도중에서 가장 낮게 나타났다.

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