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문제 정의
- 본 논문은 신축건물의 남쪽 벽면에 설치된 12kW급 BIPV시스템에 관한 사례를 소개하고 모니터링된 성능을 분석하였다.
제안 방법
- 건물 설계 초기 단계부터 기존 건축자재와의 조화 및 설치 위치, 공법 등에 관한 고려를 통해 건물일체형 태양광발전시스템을 설치하였다. 본 논문에서는 간략하지만 BIPV 시스템을 구성하는 전 과정을 다루고 있다. 즉, 모듈 제조 및 모듈 설치 공법, 모니터링 설비구성, 그리고 성능분석까지 다루고 있어, 아직까지는 본격적인 BIPV 보급 시장이 형성되지 않아 참고할만한 사례가 많지 않은 현실에서 BIPV 시스템 보급 확대를 위한 귀중한 참고 자료가 될 것으로 기대된다.
- 태양광발전시스템의 발전 효율을 고려하여 건물의 정남향 벽면에 적용이 되었으며, 남쪽 벽면 전면에 위치한 낮은 산과 조경으로 인한 음영을 고려하여 1증 높이에 해당되는 부분을 제외한 벽면 전체에 약 12kW급 BIPV 어레이를 설치하였다. 건물 전체는 인조 석재와 그린컬러유리로 마감이 되었고, 이들 재료와의 조화를 고려하여 반투명 PV 모듈을 선정하고 제작, 설치하였다. 그림 1은 건물의 조감도 및 평면도를 나타낸 것으로, 건물 남쪽 벽면인 둥근 파선부분에 BIPV 모듈이 설치되었다.
- 모듈의 크기는 함께 사용된 다른 건축 마감재의 크기를 고려하여 선정되었는데, 건물의 시공 중 발생한 외벽 사이즈의 오차로 처음 계획보다 다양한 크기의 유리를 사용하여 제작하게 되었다.
- 그림 4는 BIPV 모듈을 건물에 설치할 때 사용된 고정 방법을 나타낸 것으로, 조인트 부위의 입면과 단면을 보여주고 있다. 그림에서 보이는 바와 같이 FZP앵커에 브라켓을 끼운 후 지지 프레임에 쉽게 고정시킬 수 있는 방법을 사용하였다. 그림 5는 BIPV모듈을 설치하는 공정 및 설치 완료 후의 전경을 보여주고 있다.
- 본 BIPV시스템의 성능을 분석하기 위해서 실시간으로 계측 데이터들을 수집할 수 있는 시스템을 구성하였다. 그림 6은 모니터링 시스템을 포함한 전체 시스템 구성을 보여주고있다.
- 그림 6은 모니터링 시스템을 포함한 전체 시스템 구성을 보여주고있다.본 모니터링 시스템은 PV시스템의 발전성능, 효율 등 전기적 성능과 기상 조건에 대한 정보들을 원격으로 모니터링하여 데이터 베 이스를 생성 하도록 구축되 었다. 또한, 이를 통해 PV시스템의 운전현황을 실시간으로 점검하여 시스템에 고장 등의 이상이 발생할 경우 운영자가 신속하게 필요한 조치를 할 수 있도록 구성하였다.
- 본 모니터링 시스템은 PV시스템의 발전성능, 효율 등 전기적 성능과 기상 조건에 대한 정보들을 원격으로 모니터링하여 데이터 베 이스를 생성 하도록 구축되 었다. 또한, 이를 통해 PV시스템의 운전현황을 실시간으로 점검하여 시스템에 고장 등의 이상이 발생할 경우 운영자가 신속하게 필요한 조치를 할 수 있도록 구성하였다.3)
- 본 연구에서는 수집한 데이터 중 동절기와 하절기 1달 동안의 일사량 직류①C)와 교류 (AC)의 발전 량과 전 력 변환장치 (PCS)의 변환효율 및 성능계수(PR)에 대한 분석을 수행하였다. PCS변환효율은 PV시스템의 발전성능에 영향을 미치는 요소 중 하나로, 직류전력에서 교류전력으로의 변환효율이 100%가 될 수 없으므로 이 부분에서 손실이 발생하게 된다.
- 남쪽 외벽면에 마감재를 대체하여 적용 . 설치한 BIPV 어러]이 용량은 약 12kW로, 3kW 계통연계형 인버터 5대를 사용하여 모듈 사양별로 어레이 군을 구성하였다.
- . 설치한 BIPV 어러]이 용량은 약 12kW로, 3kW 계통연계형 인버터 5대를 사용하여 모듈 사양별로 어레이 군을 구성하였다. 그림 3은 본 BIPV시스템의 간선결선도로, 3kW 2 군, 2.
대상 데이터
- 본 논문은 대전에 소재한 신축 건물의 남쪽 입면에 반투명 태양광발전 모듈을 마감재로 대체하여 설치한 사례를 대상으로 하였다. 건물 설계 초기 단계부터 기존 건축자재와의 조화 및 설치 위치, 공법 등에 관한 고려를 통해 건물일체형 태양광발전시스템을 설치하였다.
- 본 논문에서 적용 대상으로 선정된 건물은 실험실 및 사무용도로 5층 높이의 정동향 건물이다. 남북으로 긴 축을 형성하고 있는 이 건물은 2007년 9월에 신축되었는데, 건설 초기 단계부터 태양광발전시스템의 적용에 대한 계획이 포함되었다.
- 남북으로 긴 축을 형성하고 있는 이 건물은 2007년 9월에 신축되었는데, 건설 초기 단계부터 태양광발전시스템의 적용에 대한 계획이 포함되었다. 태양광발전시스템의 발전 효율을 고려하여 건물의 정남향 벽면에 적용이 되었으며, 남쪽 벽면 전면에 위치한 낮은 산과 조경으로 인한 음영을 고려하여 1증 높이에 해당되는 부분을 제외한 벽면 전체에 약 12kW급 BIPV 어레이를 설치하였다. 건물 전체는 인조 석재와 그린컬러유리로 마감이 되었고, 이들 재료와의 조화를 고려하여 반투명 PV 모듈을 선정하고 제작, 설치하였다.
- 본 시스템에 사용된 모듈 제조를 위해 모두 5인치 다결정 실리콘 태양전지가 사용되었고, PV 모듈의 용량은 50W급과 35W급의 2가지 사양으로 제작되고 적용되었다. 모듈의 크기는 함께 사용된 다른 건축 마감재의 크기를 고려하여 선정되었는데, 건물의 시공 중 발생한 외벽 사이즈의 오차로 처음 계획보다 다양한 크기의 유리를 사용하여 제작하게 되었다.
- 본 연구에서 사용된 모듈은 전면에 저철분 강화유리 (3.2mm)를 사용하여, Glass / Encapsulation film(EVA Sheet) / Solar cells / Encapsulation film(EVA Sheet) / Glass의 일 반적 인 Glass to Glass PV 모듈 형태로 제작이 되었는데, 특이한 점은 후면에는 색깔이 있는 12mm의 두꺼운 유리를 사용한 것이다. 이는 건물의 마감재로 사용된 그린 컬러 유리 및 인공 석재와의 조화 및 건물에의 설치를 고려한 것으로, 그림 2에서 보이는 바와 같이 후면 유리에 홀을 가공하고 FZP 앵커가 고정이 되도록 하였다.
- PV시스템의 발전성능 또는 운전특성을 분석하기 위해서는 신뢰성 있는 기상데이터가 필요한데, 본 실험에서는 적용 대상 건물의 인접 건물 옥상 부에 설치 . 운영 중인 기상측정기기를 이용하여 필요한 기상데이터를 수집하였다.
성능/효과
- 이는 건물의 마감재로 사용된 그린 컬러 유리 및 인공 석재와의 조화 및 건물에의 설치를 고려한 것으로, 그림 2에서 보이는 바와 같이 후면 유리에 홀을 가공하고 FZP 앵커가 고정이 되도록 하였다. 이렇게 제작된 50W급 모듈 200 매에 대한 발전성능시험을 수행한 결과, 0.5W 범위 이내에서 50W 출력에 못 미친 3 매를 제외한 나머지 모듈들은 모두 정격출력 50W이상의 출력을 나타내었으며, 전체 모듈의 평균 출력 51.76 W, 균일도 4%로 우수한 출력 특성을 나타내었다.
- 나타낸 그래프이다. 분석 기간 동안의 BIPV시스템의 DC 발전량은 약 l, 338kWh, AC 발전량은 약 1, 152kWh로 계측되었다. 반면 하절기 1달 동안의 발전량을 분석한 결과, 그림 8에서 보이는 바와 같이 DC발전량 약 612kWh, AC발전량 약 472kMWh로, 동절기의 절반에도 못 미치는 발전량을 나타냈다.
- 또한, 한국의 기후 특성상 하절기에는 장마철이 있고 흐린 날이 많아 일사획득량이 적을 수밖에 없다. 실제 일사량 계측 결과를 살펴보면, 하절기 1달 동안 계측된 일사량은 50.06kWMm2로, 동절기 1달 동안의 일사량 (110.23kWh/m2)의 절반에 못 미치는 수준으로 나타났다.
- 일사량도 손실 요인이 될 수 있는데, 일정 수준 이상의 일사량 조건에서는 PCS 본래의 변환효율 성능을 나타내지만, 일사 수준이 정격의 15% 이하가 될 경우 PCS의 변환효율은 안정적이지 못하다.5)실제로, 그림 9에서 보이는 바와 같이 분석 기간 동안 PCS 변환효율 및 성능계수는 극히 저조한 일사조건을 나타낸 며칠을 제외하고 대체로 안정적인 분포를 나타냈는데, 이 기간 동안의 PCS 변환효율은 평균 약 86.0%, 성능계수는 약83.6%로 매우 우수한 성능을 나타냈다. 반면, 일사량이 적은 날이 많았던 하절기의 경우, 그림 10에서 보이는 바와 같이 PCS 변환효율은 약 10% 이상 감소하여 평균 76.
- 6%로 매우 우수한 성능을 나타냈다. 반면, 일사량이 적은 날이 많았던 하절기의 경우, 그림 10에서 보이는 바와 같이 PCS 변환효율은 약 10% 이상 감소하여 평균 76.4% 를 나타내었고, 전체 시스템의 PR도 하절기보다 약 8% 감소한 75.0% 수준을 나타냈다. 이는 실제 DC와 AC발전량 분석 결과에서도 확인할 수 있었는데, 하절기 일사량이나 DC 발전량이 동절기 대비 약 45% 수준을 나타낸 반면 AC 발전량의 경우 약 40% 수준을 나타냈다.
- 0% 수준을 나타냈다. 이는 실제 DC와 AC발전량 분석 결과에서도 확인할 수 있었는데, 하절기 일사량이나 DC 발전량이 동절기 대비 약 45% 수준을 나타낸 반면 AC 발전량의 경우 약 40% 수준을 나타냈다. 표1은 이상의 계절 간 발전성능을 비교한 결과이다.
- BIPV시스템의 모니터링 수행 결과, 동절기의 경우 시스템의 성능계수(PR)가 약 83.6% 로 매우 우수한 성능을 나타냈다. 반면, 하절기의 경우 성능계수는 이보다 8% 정도 감소한 75% 수준으로 나타나 하절기 발전량 손실이 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 6% 로 매우 우수한 성능을 나타냈다. 반면, 하절기의 경우 성능계수는 이보다 8% 정도 감소한 75% 수준으로 나타나 하절기 발전량 손실이 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 BIPV 어레이가 건물의 벽면에 수직으로 설치되어 태양의 고도가 높은 하절기 동안 일사획득량이 감소된 데에 원인이 있다.
- 또 다른 원인으로는 한국의 기후 특성상 하절기에 우기가 있고 담천공 상태인 날이 많아 다른 계절에 비해 일사 획득량이 많지 않다는데에 있다. 이렇게 좋지 않은 일사 조건은 부가적 인 손실을 일으켜, PCS의 변환효율에도 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 시스템의 경우, 동절기 평균 86% 수준이었던 PCS 변환효율은 하절기에는 그보다 10% 정도 감소한 76% 수준을 나타내었다.
- 이렇게 좋지 않은 일사 조건은 부가적 인 손실을 일으켜, PCS의 변환효율에도 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 시스템의 경우, 동절기 평균 86% 수준이었던 PCS 변환효율은 하절기에는 그보다 10% 정도 감소한 76% 수준을 나타내었다. 이는 실제 DC 와 AC발전량 분석 결과에서도 하절기 일사량이나 DC발전량이 동절기 대비 약 45% 수준을 나타낸 반면 AC발전량의 경우의 40% 수준을 나타냈다.
후속연구
- 본 논문에서는 간략하지만 BIPV 시스템을 구성하는 전 과정을 다루고 있다. 즉, 모듈 제조 및 모듈 설치 공법, 모니터링 설비구성, 그리고 성능분석까지 다루고 있어, 아직까지는 본격적인 BIPV 보급 시장이 형성되지 않아 참고할만한 사례가 많지 않은 현실에서 BIPV 시스템 보급 확대를 위한 귀중한 참고 자료가 될 것으로 기대된다.
- 아직까지는 모니터링 기간이 1년 미만으로 충분한 자료 수집이 되어 있지 않은 상태이다. 향후 장기적인 모니터링을 통해 온도 및 기타 손실요인들에 대한 복합적 분석을 수행함으로, 보다 다양하고 신뢰성 있는 자료를 제시하고자 한다.
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