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문제 정의
- 본 연구는 양면형 BIPV시스템의 성능을 분석하기 위해 동일한 발전용량의 단면형 BIPV 시스템과 양면형 BIPV 시스템을 설계 및 제작하고 옥외성능 실험을 통하여 온도 특성 및 전력생 산량을 비교 분석하였다. 또한 본 연구는 양면형 BIPV모듈의 발전성능 분석에 있어 셀 배치 및 구조적 영향에 대한 분석은 포함하지 않았다.
- 본 연구는 옥외성능 실험을 통해 양면형 BIPV시스템의 커튼월 적용에 따른 온도 및 발전특성을 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 단면형 결정질 PV모듈을 적용한 BIPV시스템과 양면형 BIPV시스템을 제작하고 옥외성능 비교실험을 통하여 각 시스템의 특성을 분석하였다. 제작된 실험체는 일반적으로 사용되는 120 ㎜ 알루미늄 커튼월 프레임을 사용하였으며, 기존 BIPV 커튼월 시공방법에 따라 제작하였다.
- 이러한 배경으로 본 연구는 단결정 실리콘 양면형 PV모듈을 적용한 BIPV 시스템의 성능 분석을 목적으로 하였다.
가설 설정
- 커튼월 실험체는 그림 5와 같은 형태로 제작 하였으며, 표 1과 같이 기준모델로서 단면형 BIPV시스템 1개와 양면형 BIPV시스템 2개를 제작하였다. 양면형 BIPV시스템의 경우 아스팔트 방수마감과 알루미늄 복합패널 마감을 가정하여 반사율 5%의 검정색과 반사율 72%의연미색의 단열판을 적용하였다. 단열판은 75 ㎜ 두께의 알루미늄 단열패널을 사용하였으며, 서로 인접하는 프레임 사이는 100 ㎜ 단열재를 설치하여 프레임을 통한 열전달을 최소화하였다.
제안 방법
- 19A로 단면형 PV모듈과 유사한 성능을 나타냈다. 또한 제작된 양면형 PV모듈은 셀을 35㎜ 간격으로 배열하여 30% 투과면적을 갖는 반투과형 모듈로 제작하였다.
- 또한, 양면형 BIPV 시스템은 단면형 BIPV 시스템에 사용된 PV모듈과 동일한 발전성능을 갖도록 60 Cell 양면형 PV모듈을 제작하였다.
- 측정 장치 및 센서를 통한 측정값은 데이터 수집장치를 이용해 10초 간격으로 수집하여 실시간 모니터링하고 저장하였다. 생산된 전력량은 최대 입력전력 270W 용량의 마이크로 인버터와 전력량측정기를 통해 실시간 모니터링 하였다.
- 실험유형에 따른 온도 및 발전성능을 분석하기 위해 측정 장치 및 센서를 설치하였다. 양면형 BIPV 시스템의 각 층별 온도 특성을 분석하기 위해 모듈 전면에서부터 단열판 표면까지 온도를 측정하였다. 측정은 그림 7과 같이 전면태양전지, 후면태양전지, 공기층 그리고 알루미늄 단열판 표면에 T타입 온도센서를 부착하여 수행하였다.
- 양면형 BIPV시스템의 발전특성 분석은 단면형 BIPV시스템의 전력생산량과의 비교를 통해 이루어졌다. 그림 9는 실험유형별 시간의 변화에 따른 전력생산량을 나타낸 것이다.
- 양면형 BIPV시스템의 온도특성을 분석하기 위해 단면형 BIPV시스템과 양면형 BIPV 시스템의 각 재료층 별 온도를 분석하였다.
- 또한 실험 외부조건 측정을 위해 외기온도센서 및 일사량계를 설치하였다. 측정 장치 및 센서를 통한 측정값은 데이터 수집장치를 이용해 10초 간격으로 수집하여 실시간 모니터링하고 저장하였다. 생산된 전력량은 최대 입력전력 270W 용량의 마이크로 인버터와 전력량측정기를 통해 실시간 모니터링 하였다.
- 양면형 BIPV 시스템의 각 층별 온도 특성을 분석하기 위해 모듈 전면에서부터 단열판 표면까지 온도를 측정하였다. 측정은 그림 7과 같이 전면태양전지, 후면태양전지, 공기층 그리고 알루미늄 단열판 표면에 T타입 온도센서를 부착하여 수행하였다. 또한 실험 외부조건 측정을 위해 외기온도센서 및 일사량계를 설치하였다.
대상 데이터
- 단면형 BIPV 시스템은 표 2와 같이 일반적으로 사용되는 최대출력 250Wp, 최대전압 31.9V, 최대전류 7.84A를 갖는 단결정 실리콘 태양전지 60개를 적용한 상용화 모듈을 사용하였다. 또한, 양면형 BIPV 시스템은 단면형 BIPV 시스템에 사용된 PV모듈과 동일한 발전성능을 갖도록 60 Cell 양면형 PV모듈을 제작하였다.
- 양면형 BIPV시스템의 경우 아스팔트 방수마감과 알루미늄 복합패널 마감을 가정하여 반사율 5%의 검정색과 반사율 72%의연미색의 단열판을 적용하였다. 단열판은 75 ㎜ 두께의 알루미늄 단열패널을 사용하였으며, 서로 인접하는 프레임 사이는 100 ㎜ 단열재를 설치하여 프레임을 통한 열전달을 최소화하였다.
- 본 연구에 사용된 실험체는 그림 6과 같이 충남 천안시 소재 K대학(위도 36°47', 경도 127°9') 내 건물 옥상에 정남향을 면하도록 수직으로 설치하여 2015년 4월에 실험을 실시하였다.
- 실험 기간 중 수직면 일사량 최대 560 W/ ㎡, 일사가 높고 청명한 날을 선정하여 7시부터 19시 까지 측정된 데이터를 대상으로 분석 하였다. 외기온도는 최저 4.
- 본 연구에서는 단면형 결정질 PV모듈을 적용한 BIPV시스템과 양면형 BIPV시스템을 제작하고 옥외성능 비교실험을 통하여 각 시스템의 특성을 분석하였다. 제작된 실험체는 일반적으로 사용되는 120 ㎜ 알루미늄 커튼월 프레임을 사용하였으며, 기존 BIPV 커튼월 시공방법에 따라 제작하였다.
- 커튼월 실험체는 그림 5와 같은 형태로 제작 하였으며, 표 1과 같이 기준모델로서 단면형 BIPV시스템 1개와 양면형 BIPV시스템 2개를 제작하였다. 양면형 BIPV시스템의 경우 아스팔트 방수마감과 알루미늄 복합패널 마감을 가정하여 반사율 5%의 검정색과 반사율 72%의연미색의 단열판을 적용하였다.
성능/효과
- 따라서 흰색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템은 단면형 BIPV시스템에 비해 17.6% 효율이 향상된 것으로 나타났다.
- (1) 온도특성 분석결과, 양면형 BIPV시스템의 경우 직접적인 일사획득에 의해 단면형 BIPV 시스템보다 중공층 및 단열판 온도상승 현상이 더욱 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 그러나 PV모듈 온도의 경우 온도상승의 효과는 크지 않은 것으로 나타났다.
- (2) 발전성능 분석결과, 양면형 BIPV 시스템의 발전성능은 단면형 BIPV 시스템 대비 반사면의 반사특성에 따라 일간 전력생산량은 5∼21 % 향상되는 것으로 나타났다.
- 온도가 상승하고 하락하는 경향은 실험유형에 따라 유사하게 나타났지만, 모듈 간 온도 상승 폭은 서로 다르게 나타났다. 그 중에서도 검정색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템(bi90_black)의 재료층 별 온도 상승 폭이 가장 컸으며, 그 다음으로 흰색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템(bi90_white), 단면형 BIPV시스템 (mono90) 순으로 나타났다.
- 단열판 유형에 따른 양면형 BIPV시스템의 모듈전면, 모듈후면, 공기층 그리고 단열판 간의 온도를 비교해보면 단열재 표면에서 가장 큰 온도 상승 현상이 나타났다.
- 또한, 실험유형별 일간 전력생산량 분석결과 단면형 BIPV시스템의 일간 전력생산량은 693 Wh이 며, 흰색 단열판 양면형 BIPV시스템은 839Wh, 검정색 단열판을 적용한 경우 728 Wh로 나타났다. 따라서 양면형 BIPV 시스템의 전력생산량은 단면형 BIPV 시스템과 비교하여 결합되는 단열판의 반사율에 따라 다른 것으로 나타났다. 흰색 단열판을 적용한 경우 21.
- (2) 발전성능 분석결과, 양면형 BIPV 시스템의 발전성능은 단면형 BIPV 시스템 대비 반사면의 반사특성에 따라 일간 전력생산량은 5∼21 % 향상되는 것으로 나타났다. 따라서 양면형 BPV시스템을 건물외피로 적용할 경우 반사율이 높은 마감재와 결합하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
- 14℃의 온도 차이로 검정색 단열판을 적용한 유형에 비해 온도변화폭이 작게 나타났다. 또한 검정색 단열판을 적용한 양면형 PV모듈의 후면온도가 평균 30.44℃으로 단면형 PV모듈에 비해 3.14℃높게 나타났으며, 흰색 단열판을 적용한 양면형 PV모듈의 경우도 1.42℃ 높게 나타나 양면형 PV모듈의 온도가 단면형 PV모듈에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 또한 단열판의 색상에 따른 PV모듈 온도 차는 1.
- 연간 발전량은 남측 수직으로 설치한 단면형 PV모듈에 비해 150% 향상된 것으로 나타났다. 또한 남북방향 수직으로 설치된 경우 연간 발전량은 남측 수직 설치된 단면형 PV모듈의 발전량과 비교하여 130% 향상된 발전량을 나타냈다. 이와 같이 양면형 태양전지는 모듈 전면과 후면 양쪽에서 빛을 받아 발전을 하는 것이 중요하며, 동쪽과 서쪽을 향하도록 수직설치 하는 것이 가장 유리한 것으로 나타났다.
- 3% 향상되는 것으로 분석되었다. 또한 단열판의 반사율에 따른 양면형 BIPV시스템의 전력생산량은 흰색단열판을 적용한 경우 검정색 단열판을 적용한 유형과 비교하여 15% 증가된 것으로 분석되었다. 이는 스팬드럴 내부 표면에 반사율이 높은 단열판을 적용할 경우 양면형 PV모듈 후면에 도달하는 일사량이 증가하기 때문이다.
- 42℃ 높게 나타나 양면형 PV모듈의 온도가 단면형 PV모듈에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 또한 단열판의 색상에 따른 PV모듈 온도 차는 1.72℃로 중공층온도와 단열판 표면 온도상승에 미치는 영향과 비교하여 온도상승에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 분석되었다.
- 1℃의 온도 차이를 나타냈다. 또한 흰색 단열판을 적용한 유형은 단열판과 모듈 전면의 온도 차는 2.73℃, 모듈전면과 공기층 사이에서는 약 2.14℃의 온도 차이로 검정색 단열판을 적용한 유형에 비해 온도변화폭이 작게 나타났다. 또한 검정색 단열판을 적용한 양면형 PV모듈의 후면온도가 평균 30.
- 분석결과 일사량이 높은 12시에서 13시 사이각 유형별 최대전력은 흰색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템이 128W, 검정색 단열판을 적용한 BIPV시스템이 113W 그리고 단면형 BIPV시스템이 108W로 나타났다. 또한, 실험유형별 일간 전력생산량 분석결과 단면형 BIPV시스템의 일간 전력생산량은 693 Wh이 며, 흰색 단열판 양면형 BIPV시스템은 839Wh, 검정색 단열판을 적용한 경우 728 Wh로 나타났다. 따라서 양면형 BIPV 시스템의 전력생산량은 단면형 BIPV 시스템과 비교하여 결합되는 단열판의 반사율에 따라 다른 것으로 나타났다.
- 그림 8은 실험유형에 따른 온도 변화를 보여주고 있다. 분석결과 BIPV시스템의 온도는 일사를 받아 발전하기 시작하는 오전 7시 부터 급격히 상승하다 오후 12시에서 13시 사이 가장 높은 온도를 기록하였다. 온도가 상승하고 하락하는 경향은 실험유형에 따라 유사하게 나타났지만, 모듈 간 온도 상승 폭은 서로 다르게 나타났다.
- 분석결과 반사판 구성에 따라 양면형 PV 모듈의 발전성능은 단면형 PV모듈과 비교하여 10∼20% 향상되는 것으로 나타났다.
- 분석결과 일사량이 높은 12시에서 13시 사이각 유형별 최대전력은 흰색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템이 128W, 검정색 단열판을 적용한 BIPV시스템이 113W 그리고 단면형 BIPV시스템이 108W로 나타났다. 또한, 실험유형별 일간 전력생산량 분석결과 단면형 BIPV시스템의 일간 전력생산량은 693 Wh이 며, 흰색 단열판 양면형 BIPV시스템은 839Wh, 검정색 단열판을 적용한 경우 728 Wh로 나타났다.
- 제안된 양면형 PV 모듈은 100㎜ × 100㎜ 크기의 셀을 4 × 10 배열하였으며, 셀 투과면적 비율은 50%이었다. 실험결과 이 양면형 PV모듈은 기존 단면형 PV모듈과 비교하여 37% 이상 발전성능이 향상되는 것으로 분석되었다.
- 실험유형별 발전효율은 식(1)에 의해 양면셀 면적의 총 획득에너지인 일사량에 대한 전력생산량의 비로 계산된다. 실험유형별 평균 효율은 그림 10과 같이 흰색 단열판 양면형 BIPV시스템의 발전효율은 평균 16.7%로 나타났으며, 검정색 단열판 양면형 BIPV시스템의 발전효율이 평균 14.4%, 그리고 단면형 BIPV 시스템의 발전효율이 평균 14.2% 로 나타났다. 따라서 흰색 단열판을 적용한 양면형 BIPV시스템은 단면형 BIPV시스템에 비해 17.
- 또한 남북방향 수직으로 설치된 경우 연간 발전량은 남측 수직 설치된 단면형 PV모듈의 발전량과 비교하여 130% 향상된 발전량을 나타냈다. 이와 같이 양면형 태양전지는 모듈 전면과 후면 양쪽에서 빛을 받아 발전을 하는 것이 중요하며, 동쪽과 서쪽을 향하도록 수직설치 하는 것이 가장 유리한 것으로 나타났다.
- 또한, 양면형 BIPV 시스템은 단면형 BIPV 시스템에 사용된 PV모듈과 동일한 발전성능을 갖도록 60 Cell 양면형 PV모듈을 제작하였다. 제작된 양면형 PV모듈의 사양은 표 3과 같이 전면모듈 기준 최대출력 254Wp, 최대전압 31.01V, 최대전류 8.19A로 단면형 PV모듈과 유사한 성능을 나타냈다. 또한 제작된 양면형 PV모듈은 셀을 35㎜ 간격으로 배열하여 30% 투과면적을 갖는 반투과형 모듈로 제작하였다.
- 중공층 평균온도 분석결과 양면형 BIPV시스템의 중공층 온도는 흰색 단열판의 경우 29℃, 검정색 단열판의 경우 32℃로 단면형 BIPV시스템의 중공층 온도 25℃와 비교하여 평균 4 ∼7℃ 높게 나타났다.
후속연구
- (3) 이와 같은 온도 및 발전 특성 분석을 통하여 기존 BIPV시스템의 효율 향상을 위한 방안으로 양면형 BIPV시스템 적용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 양면형 BIPV시스템 활성화를 위한 유용한 자료로 활용될 수 있다. 그러나 본 연구는 제작 여건상 동일한 형태로 제작하여 단면형 BIPV 모듈과 양면형 BIPV모듈의 성능평가를 실시한 것이 아니기 때문에 셀 간격에 따른 구조적 영향에 대한 한계를 갖고 있다.
- (3) 이와 같은 온도 및 발전 특성 분석을 통하여 기존 BIPV시스템의 효율 향상을 위한 방안으로 양면형 BIPV시스템 적용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 양면형 BIPV시스템 활성화를 위한 유용한 자료로 활용될 수 있다. 그러나 본 연구는 제작 여건상 동일한 형태로 제작하여 단면형 BIPV 모듈과 양면형 BIPV모듈의 성능평가를 실시한 것이 아니기 때문에 셀 간격에 따른 구조적 영향에 대한 한계를 갖고 있다. 향후 셀배치 및 모듈 구조에 대한 추가연구와 양면형 BIPV 시스템의 성능에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 양면형 BIPV시스템의 성능을 분석하기 위해 동일한 발전용량의 단면형 BIPV 시스템과 양면형 BIPV 시스템을 설계 및 제작하고 옥외성능 실험을 통하여 온도 특성 및 전력생 산량을 비교 분석하였다. 또한 본 연구는 양면형 BIPV모듈의 발전성능 분석에 있어 셀 배치 및 구조적 영향에 대한 분석은 포함하지 않았다.
- 그러나 본 연구는 제작 여건상 동일한 형태로 제작하여 단면형 BIPV 모듈과 양면형 BIPV모듈의 성능평가를 실시한 것이 아니기 때문에 셀 간격에 따른 구조적 영향에 대한 한계를 갖고 있다. 향후 셀배치 및 모듈 구조에 대한 추가연구와 양면형 BIPV 시스템의 성능에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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