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문제 정의
- 건물 생애주기에 걸친 지속가능성에 근간을 두고 건물의 환경부하와 에너지 부하를 줄이는 동시에 생활편의를 도모하고자 하였다. 이를 위해 Zero Energy(건물 효율화(고성능 단열과 창호, 자연환기, 자연채광, 상변환축열재, 옥상녹화)를 통하여 에너지 사용량을 큰 폭으로 저감한 후, 신재생에너지를 통해 사용량 이상의 에너지를 생산하여 에너지 수지를 *0' 또는 '+' 로 유지), Zero Emission, Green IT의 개념을 정의하였으며 , 이 세 가지 개념은 서로 보완작용을 하여 그린투마로우 구현의 틀을 완성하였다.
- 최근 태양광, 연료전지 등 직류 기반의 분산전원 보급의 활성화, 정보화 확산으로 인해 직류를 필요로 하는 정보통신기기의 대폭확대, 전기자동차 보급에 따른 전력 저장장치의 확산, LED와 같은 조명부하의 확대 등 변화된 환경 속에 전체 시스템 에너지 효율화, 전력품질의 개선을 위해 교류(AC)가 아닌 직류(DC)로 공급하는 직류배전의 도입 연구가 진행되고 있다. 본고에서는 미래 직류전력시스템의 예측 및 당사가 2009년 말 그린홈에 직류배전을 구축한 실증사례를 소개하고 현재 조기 상용화를 목표로 기술개발을 진행 중인 그린빌딩 적용을 위한 저압 직류배전기술의 개념 및 구현기술을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 반면 전압을 높이면 안전 문제를 고려하여야 하나 구내배전에 안전상 400V DC까지 가용하다. 220V AC 배선망 및 기존 전자기기를 수정 없이 사용할 수 있도록 220V AC를 정류하여 나오는 300V DC< 적용하였다. 현재 구내 직류배전에서 접지시공방식에 대한 명확한 기준이 없으므로 누전시접지방식 보다 인체에 안전한 비접지 방식을 채택하였다.
- 건물의 전력 에너지 효율을 높이기 위해서 그린투마로우는 국내 최초로 100% 직류배전시스템을 그림 4와 같이 구축하고 가전기기(LED TV, 컴퓨터, 모니터, 프린터, 노트북. 냉장고, 김치냉장고, 세탁기 및 소형 디스플레이 장치), LED조명기기, 조리용기기(스마트 오븐, 인덕션 조리기), 전기차 충전시스템 및 냉난방기기(지열구동 히트펌프, 순환펌프, 급탕, 배수펌프 등) 모두 전기에너지를 사용하는 全電化 주거공간으로 설계되었다. 그린투마로우에서는 조명 에너지 저감을 위하여 고효율의 LED소자를 직류 드라이버로 구동시키고 기구 내 광 손실이 최소화 된 조명기구를 사용하였다.
- 확인하였다. 또한 직류배전의 조기 상용화가 예상되는 그린빌딩의 저압직류배전 개념, 표준전압선정, 계통구성, 계통 보호 및 접지에 관한 기술 제시를 통해 구현기반을 구축하였다. 조만간 건축물에 고효율 컨버터를 설치, 직류를 디지털 전자제품에 직접 공급하는 방식을 통해 에너지변환 손실을 줄여 전기에너지를 절감할 계획이며 직류전원을 기반을 둔 태양광, 연료전지 등 신재생에너지를 통해 생산된 전력을 안정적으로 이용할 수 있게 함으로써 미래 친환경건축물 구현을 선도할 것이다.
- 직류 누전차단기가 상용화 되어 있지 않으므로 절연감시 장치를 통해 기능을 대체하여 준다. 선간 절연 감시 장치를 통해 저항을 측정하고 10k£ 이하일 때 배선용차단기에 신호를 보내어 트립이 되도록 분전반을 구성하였다.
- 연간 운영시의 교류와 직류 간 효율성을 비교하기 위하여 그린투마로우 용량을 기준으로 다양한 환경구성에서 측정된 기초자료를 바탕으로 효율 시뮬레이션을 수행하였다. 교류의 Best-eflbrt(고가 고효율 교류장비) 구성 대비 직류 체계에서 효율은 7.
- 이를 위해 Zero Energy(건물 효율화(고성능 단열과 창호, 자연환기, 자연채광, 상변환축열재, 옥상녹화)를 통하여 에너지 사용량을 큰 폭으로 저감한 후, 신재생에너지를 통해 사용량 이상의 에너지를 생산하여 에너지 수지를 *0' 또는 '+' 로 유지), Zero Emission, Green IT의 개념을 정의하였으며 , 이 세 가지 개념은 서로 보완작용을 하여 그린투마로우 구현의 틀을 완성하였다. 이들 기술 개념은 기술통합과 최적화를 통해 그 가치를 더욱 제고하였다.
- 건물 생애주기에 걸친 지속가능성에 근간을 두고 건물의 환경부하와 에너지 부하를 줄이는 동시에 생활편의를 도모하고자 하였다. 이를 위해 Zero Energy(건물 효율화(고성능 단열과 창호, 자연환기, 자연채광, 상변환축열재, 옥상녹화)를 통하여 에너지 사용량을 큰 폭으로 저감한 후, 신재생에너지를 통해 사용량 이상의 에너지를 생산하여 에너지 수지를 *0' 또는 '+' 로 유지), Zero Emission, Green IT의 개념을 정의하였으며 , 이 세 가지 개념은 서로 보완작용을 하여 그린투마로우 구현의 틀을 완성하였다. 이들 기술 개념은 기술통합과 최적화를 통해 그 가치를 더욱 제고하였다.
- 병렬 8로 시스템을 구축하여 전력 생산의 안전화를 도모하였다. 현장의 일평균 일조시간이 3.5시간 정도임을 고려한 22kWp의 발전용량을 설치하여 그린투마로우의 전체 전력 사용량 100%를 담당하도록 하였다. 적용된 구내 직류배전 시스템은 그림 4와 같이 태양광 모듈에서 생산된 직류전원을 교류로 변환하지 않고 직류로 구내에 직접 급전하는 전력 시스템이며, DC/DC컨버터장치, AC/DC정류장치 그리고 입출력 분배회로와 연결단자로 구성되며 연계된 장치로 태양광모듈’ 리듐이온전지, 계통 연계형 인버터로 구성되어 있다.
대상 데이터
- 그린투마로우에서는 조명 에너지 저감을 위하여 고효율의 LED소자를 직류 드라이버로 구동시키고 기구 내 광 손실이 최소화 된 조명기구를 사용하였다. 일반적인 교류 LED 드라이버와 본 건물에 적용하기 위해 제작된 고안 정도 직류모듈을 제작하였다. 실험결과 교류대비 직류 드라이버는 20W LED모듈 구동 시 교류드라이버에 비해 약13% 향상된 효율을 확인할 수 있었다.
성능/효과
- 6% 개선되었으며, 보편적인 교류체계를 기준으로 하는 경우 22%가 개선되었다.'" 특히 저장 장치의 활용도가 높아질수록 직류 체계의 효율이 더욱 증가하는 것으로 확인되었다. 현실적으로 교류체계의 Best-effort 도입에는 한계가 있으므로 분산전원 및 저장장치가 없는 경우에도 직류체계의 효율 개선효과가 상당히 (빌딩 17.
- 1) IEC61200-413(간접접촉에 의한 보호-전원의 자동차단)은 통전전류 350mA에 0.04초안에 차단을 요구하고 있으며, IEC60479-1에서 요구하는 인체감전의 영향이 없도록 적절한 접지를 통하여 허용접촉전압 이하로 제어되어야 한다.
- 3) 음극 접지와 직류 순환전류는 금속의 부식을 유발하므로 음극 접지를 하지 말아야 하며 , TNFC방식의 채용은 바람직하지 않다.
- 3) 직류시스템의 에너지효율을 7-15% 개선할 수 있음.(안전 한계 내 가능한 높은 DC전압를 사용하는 것이 낮은 전압보다 에너지효율을 올릴 수 있음.
- 4) TT방식은 사고전류가 적어서 고장검출이 매우 어렵다.
- 4) 기존 부품 소자(예: 전해캐패시터)의 정격범위가 400 450V DC로 만족함.
- 5) 적절한 접지를 통해 110V 교류보다 인체에 안전하게 사용가능함.
- 6) IT방식에서 완전 비접지인 Floating접지를 할 경우 가장 인체에 미치는 영향이 없으나 선대지간 운전전압이 일정하지 않다.
- 6) 태양광발전과 전기자동차 충전과의 연계가 용이함.
- 교류의 Best-eflbrt(고가 고효율 교류장비) 구성 대비 직류 체계에서 효율은 7.6% 개선되었으며, 보편적인 교류체계를 기준으로 하는 경우 22%가 개선되었다.'" 특히 저장 장치의 활용도가 높아질수록 직류 체계의 효율이 더욱 증가하는 것으로 확인되었다.
- 장점이 있다. 따라서 직류(300-400V)전류의 크기는 교류(22O230V) 전류보다 항상 작으며 배전선에 발생하는 손실이 직류로 배전 할 때 더 적은 것을 확인할 수 있다.
- 본고에서는 그린홈에 직류배전을 적용, 구현하여 실용 가능성을 실증하였으며 에너지효율 및 전력품질 관점에서 유리함을 확인하였다. 또한 직류배전의 조기 상용화가 예상되는 그린빌딩의 저압직류배전 개념, 표준전압선정, 계통구성, 계통 보호 및 접지에 관한 기술 제시를 통해 구현기반을 구축하였다.
- 일반적인 교류 LED 드라이버와 본 건물에 적용하기 위해 제작된 고안 정도 직류모듈을 제작하였다. 실험결과 교류대비 직류 드라이버는 20W LED모듈 구동 시 교류드라이버에 비해 약13% 향상된 효율을 확인할 수 있었다.
- 220V AC 배선망 및 기존 전자기기를 수정 없이 사용할 수 있도록 220V AC를 정류하여 나오는 300V DC< 적용하였다. 현재 구내 직류배전에서 접지시공방식에 대한 명확한 기준이 없으므로 누전시접지방식 보다 인체에 안전한 비접지 방식을 채택하였다. 직류 누전차단기가 상용화 되어 있지 않으므로 절연감시 장치를 통해 기능을 대체하여 준다.
후속연구
- 따라서 상기와 같은 제약 조건하에서 그린빌딩에 적합한 접지방식은 그림 12와 같이 TN-S에서 중점을 접지하여 고장시 IEC규격 RCD로 자동차단 시키는 방법과 IT방식에 고저항을 삽입하여 인체감전을 영향이 없도록 하는 두 가지 방법을 제시하며 상세한 내용은 별도로 발표할 예정이다.
- 것이다. 따라서 직류전력시스템은 먼저 수용가에 저압 직류배전이 보급 확산되고 점차 대규모 분산전원을 포함하는 직류 송배전망으로 변경된 다음 최종적으로 발전 단에 대규모 직류발전원이 개발되어 적용되어지는 순서로 진행될 것으로 사료된다.
- 따라서 향후 저압 직류배전에서 기존기기의 적용 호환성을 무시하고, 전체 시스템의 에너지효율을 위하여 국제표준화추진 중인 정격전압 400V DC에 대응하는 새로운 시스템 및 전자기기의 개발을 추진하여야 할 것이다.
- 시스템적 관점의 직류계통 보호는 그린빌딩의 계통 시뮬레이션에 의한 보호장치 적정여부를 판단하여야 하므로 설계시 관련 전기계통 해석이 수반되어야 할 것이다.
- 또한 직류배전의 조기 상용화가 예상되는 그린빌딩의 저압직류배전 개념, 표준전압선정, 계통구성, 계통 보호 및 접지에 관한 기술 제시를 통해 구현기반을 구축하였다. 조만간 건축물에 고효율 컨버터를 설치, 직류를 디지털 전자제품에 직접 공급하는 방식을 통해 에너지변환 손실을 줄여 전기에너지를 절감할 계획이며 직류전원을 기반을 둔 태양광, 연료전지 등 신재생에너지를 통해 생산된 전력을 안정적으로 이용할 수 있게 함으로써 미래 친환경건축물 구현을 선도할 것이다.
- 현재 가능한 발전기로는 선박에 성공적으로 설치 운영 중인 다상발전기와 다상정류기를 조합 형태로 대용량 직류전력을 생산할 수 있을 것이다. 한편 수용가측의 3040%에 해당하는 유도전동기 부하는 직류를 직접 공급받을 수 있는 브러쉬가 없는 영구자석전동기 (PM Motor) 로 대체 될 것이다. 미래의 완전한 직류배전시스템은 에너지 절약을 근간으로 안전성, 신뢰성, 안정성, 유연한 전력공급체계로서 점진적으로 교류전력시스템을 대체하여 21세기내 실현될 수 있을 것으로 예측된다.
- 향후 그린빌딩에 직류배전을 보급 확산시키기 위해서는 효율 검증을 통한 친환경건축물 인증제도와 에너지 절약방안의 세부 평가항목 편입이 필수적이라 할 수 있다. 아울러 직류 관련 정부의 정책적 지원, 학계의 고효율 전력변환기기 개발과 전력시스템 해석연구, 업계의 전자기기 표준화, 범용화 및 RCD의 개발, 전기협회의 직류접지Test Bed구축을 통한 직류전기기술기준의 수립, 안전공사의 사용전 검사방법 등이 필요하다.
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