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문제 정의
- 따라서 본 논문은 옥상녹화에 의한 지붕부의온도를 감소 현상과 태양광 발전의 효율성 증가가능성을 확인하고자 모듈의 온도와 발전량을 측정하여 지붕의 옥상녹화와 PV시스템 복합 적용이 PV모듈의 발전량 향상에 미치는 영향을 고찰하기 위한 목적을 가진다.
제안 방법
- 모듈의 온도변화와 발전량의 상관관계 고찰을 위하여 옥상녹화와 비 옥상녹화에 설치한 PV모듈에 TC 센서를 부착하고 일사량계 와 I-V Curve Tracer인 MP-160과 TC selector MI-540, PV selector MI-520으로 발전량과 모듈 본체의 온도를 측정하였으며 사용된 장비의 사양 및 사진은 아래와 같다.
- 본 연구는 옥상녹화와 비 옥상녹화 면에 단결정, 다결정 PV모듈을 설치하고, 주어진 한계 조건에서 TR-71U 온도측정계를 사용하여 표면온도 측정이후, I-V Curve Tracer인 MP-160, TC selector MI-540, PV selector MI-520을 이용하여 발전량 및 모듈본체온도, 변환효율을 실측하여 분석하였으며, 아래와 같이 그 결과를 도출하였다.
- 본 연구의 방법으로는 옥상녹화와 비 옥상녹화 장소에 현재까지 주로 사용되고 있는 단결정 및 다결정 PV 모듈을 각각 설치하고, 1주일간 1시간 단위로 TR-71U 온도 측정계를 이용하여 PV모듈 표면과 본체 온도를 측정하여 변화 차이를 분석했다.
- 아울러 I- V Curve Tracer인 MP-160, TC selector MI-540 , PV selector MI-520을 이용하여 PV모듈(SCM 100W)의 본체 온도와 일사량, 발전량, 변환효율을 측정하여 상호 비교방식으로 분석이 이루어졌다. 실험적 연구 특성상 측정은 단기간으로 한정하여 그 실측값을 이용하였다.
- 아울러 I- V Curve Tracer인 MP-160, TC selector MI-540 , PV selector MI-520을 이용하여 PV모듈(SCM 100W)의 본체 온도와 일사량, 발전량, 변환효율을 측정하여 상호 비교방식으로 분석이 이루어졌다. 실험적 연구 특성상 측정은 단기간으로 한정하여 그 실측값을 이용하였다.
- 이 건물의 녹화 면적은 1300㎡이며, 세덤류를 비롯하여 사철나무, 라일락 등약 30여종의 식물을 식재하여 체계적으로 관리가 이루어지고 있다. 옥상 녹화된 장소와 비녹화된 장소에 각각 단결정, 다결정 100W급 PV모듈을 설치하고(그림 3,4),그 표면과 본체온도를 TR-71U 온도 측정계를 이용하여 1시간 간격으로 측정하였다.
- 총 7일간의 측정 기간 중 청정한 날의 측정 자료를 중심으로 비교·분석이 이루어졌으며, 그 결과에 의한 그래프는 아래와 같다.
대상 데이터
- 본 장은 옥상녹화와 태양광 시스템 복합 적용 시 PV모듈의 표면과 본체의 온도변화를 측정하고 분석·고찰한 내용으로서,2011년 11월 2일부터 8일까지 D시 청사 5층 옥상부에서 진행하였다.
성능/효과
- (1)옥상녹화와 비 옥상녹화에 각각 설치 된PV에서 단결정 모듈의 본체 평균 온도는6.5℃정도의 차이를 보이고 있으며, 다결정모듈의 경우 8.8℃ 차이를 보였다.
- (2)모듈 발전량의 차이로는 옥상녹화에서 단결정 PV가 867.391W를 비옥상녹화면에서821.261W를 생산했고 46.13W의 차이를 확인 할 수 있었으며 옥상녹화의 경우 다결정 PV의 발전량은 928.112W 비옥상녹화는 905.418W로 약 22.69W정도의 차이를 확인할 수 있었다.
- (3)단기간의 실측을 통한 측정 값 만으로 결과를 내는 한계가 있지만, 옥상녹화를 이용하여 태양광 발전의 효율성 증가 가능성을 확인하고자 한 연구 목적처럼, 실측결과 또한 온도 저감효과와 효율 상승이 나타남을 확인 할 수 있었다.
- PV모듈의 열 부하를 감소시키거나 냉각시켜 발전량 변화가 나타난 연구가 수행된 바, 즉 태양전지 온도에 따른 효율에 관한 연구로서 PV의 특성에 따라 모듈 온도를 감소시켜 발전량을 측정하였고 그에 따른 결과로 태양전지 모듈의 앞면의 온도를 감소시킨 경우 발전량이 2.8%증가하였고 본체의 온도를 감소시킨 경우 4.3%의 증가율을 보였다는 것이다.3)
- 결과적으로 태양고도가 낮아지는 가을인데도 불구하고 옥상녹화와 비 옥상녹화 면의 PV모듈 온도 차이는 6~8℃정도로 나타났고 발전량에서도 옥상녹화의 PV모듈이 더 많은 양을 생산했다. 따라서 옥상녹화와 태양광 시스템을 복합 적용한다면 모듈 효율 상승을 가져 올 수 있을 것이며,‘그린홈 100만호’또는 ‘햇살가득홈’과 같이 보급 사업에 있어서도 시스템의 효율 상승뿐만 아니라 대도시에서는 열섬현상 완화 및 도시 미관개선에도 긍정적인 효과가 기대된다.
- 따라서 모듈 별 효율과 발전량에서 약간의 차이가 있지만 다결정의 경우 옥상녹화 상에서 측정되어질 모듈 B는 모듈효율이 더 낮음에도 불구하고 실제 측정에서는 에서 보는바와 같이 옥상녹화의 경우 더 높은 발전량이 측정되었다.
- 위의 <표 5>는 <표 4>와 마찬가지로 다결정 모듈의 발전량과 변환효율을 나타낸 것이다. 옥상녹화의 발전량의 합계는 928.112W이고 비 옥상녹화의 발전량은 905.418W로 22.69W의 차이를 보였으며, 다결정 모듈 본체의 비 옥상녹화 최고 온도는 56.2℃이고 옥상녹화의 온도는 48℃로 약 8.2℃정도의 온도 차이를 보였다.
- 위의 를 보면 옥상녹화에 설치된 PV단결정모듈의 본체 평균온도는 46.28℃, 비 옥상녹화는 52.83℃로 6.55℃의 차이를 보이고 있으며, 옥상녹화에서 다결정의 경우 평균온도는 51.43℃이고 비 옥상녹화는 42.55℃로 8.88℃의 차이로 측정되었다.
- 이 자료를 보면 옥상녹화 부분에서 증발산잠열효과가 있어서 온도가 낮아진다고 판단되는데 실제적인 증발산 잠열효과에 대해서는 측정 장비의 부재로 인해 실측이 이루어지지 못했지만,PV모듈 표면과 본체 온도 측정 결과를 통해 옥상녹화가 콘크리트 지붕보다 온도저감 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
- 태양전지 냉각에 따른 태양광발전 효율 개선에 관한 연구에서는 위의 연구와 마찬가지로 전면과 본체의 온도를 각각 감소시켜 전면의 경우 7.8%의 평균 발생전력 증가율을 나타냈고 본체의 경우 평균 9%의 발생전력을 얻을 수 있었다는 결론을 얻고 있다.4)
후속연구
- (4)따라서 향후 저에너지·저탄소 건축분야에 있어서 옥상녹화효과와 태양광 발전의 장점이 복합적으로 적용된다면 시너지 효과가 클 것으로 판단된다.
- (5)차후 기온이 높은 여름철에 옥상녹화와 비 옥상녹화의 온도변화와 발전량 측정을 비롯한 연중 실측을 계획하고 있고, 그에 따른 안정적이고 객관적인 자료를 확보하고자 한다.
- 따라서 옥상녹화와 태양광 시스템을 복합 적용한다면 모듈 효율 상승을 가져 올 수 있을 것이며,‘그린홈 100만호’또는 ‘햇살가득홈’과 같이 보급 사업에 있어서도 시스템의 효율 상승뿐만 아니라 대도시에서는 열섬현상 완화 및 도시 미관개선에도 긍정적인 효과가 기대된다.
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