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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 BIPV 시스템이 실제 건물에 창호(커튼월)과 지붕의 형태로 적용된 경우에 PV를 통하여 생산되는 실제 발전량에 대한 모니터링을 진행하였으며, 외부환경에서 발전에 대한 기준을 잡기 위해서 소규모 옥외시스템을 설치하여 발전량 및 발전특성을 비교 분석하였다.6)
- 본 연구에서는 BIPV 시스템의 국내 연구동향을 분석하여 건물적용에 최적화된 BIPV 모듈 구조를 설계하였다. 이후 실제 건물에 BIPV 모듈을 적용하여 적용 부위별(창호형, 지붕형), 적용 모듈별 발전량을 분석하였다.
- 실제 건물에 적용된 BIPV 시스템 발전 효율을 비교하기 위해 옥외에 소규모 BIPV 시스템을 설치하였으며, 두 경우의 상관관계 분석을 실시하였다. 이를 통해 향후 건물에 적용되는 BIPV 시스템 구성요소별 발전량에 대한 기초연구가 되는 자료를 제공하고자 함이 본 연구의 목적이다.
제안 방법
- (1) 건물의 BIPV 설치형태를 고려하여 45° 고정형(기준), 90° 고정형, 각도 가변형(0～90°)의 각도 가변형 시스템 구축하였다.
- (2) 결정정, 박막형, DSSC(Dye-sensitized solar cell) 모듈성능을 측정하기 위한 I-V sourcemeter를 구축하여 BIPV 모듈의 Isc, Voc, Pmax, FF, 온도의 파라미터 값을 주기적으로 측정하였다.
- (3) 외부환경(풍향풍속계, 대기온도센서, 일사량 등)을 모니터링하는 메인 환경 측정 시스템을 구축하였다.
- 건물에 적용된 BIPV 설치형태(커튼월, 지붕, 등)에 대한 적합한 BIPV 모듈을 찾아내기 위하여 소규모 옥외 실증을 진행하였다. 창호형과 지붕형 BIPV 시스템을 모사하여 45°, 90°의 각도로 설치했으며 다음 Fig.
- BIPV 시스템의 실제 발전량을 모니터링하기 위해서는 BIPV 모듈의 내부환경에 대한 모니터링과 모듈이 설치된 외부환경에 대한 모니터링이 동시에 이루어져야 한다. 결정형(c-Si) 및 박막형(a-Si) 실리콘 BIPV G-to-G 모듈의 초기성능측정에서 광원의 측정조건은 온도 25도를 유지하고, AM 1.5 및 광량 1000 W/m2을 조사하였다. 총 3장의 샘플을 2회 반복 측정을 실시하였다.
- 소규모 옥외실증은 실제 건물적용을 통해 얻어지는 데이터들의 기준값을 얻기 위해서 수행되었고 Table 3의 구성으로 설치되었다. 마이크로인버터로 DC발전량 모니터링을 진행하였다.
- 본 연구는 건물에 적용되는 건물일체형 태양전지(BIPV)에 대한 모듈 종류별, 설치각도별 발전특성에 대한 옥외 실증시험을 통하여 약 1년간의 모니터링 데이터를 기반으로 발전성능을 분석하였으며, 발전성능 분석을 통하여 건물에 적용되는 설치형태(커튼월, 지붕, 등)에 대한 적합한 BIPV 모듈의 종류를 찾아내었다. 또한 실제 건물 실증을 통하여 옥외실증에서 분석된 결과들이 건물 실증에서도 동일한 결과를 나타냄을 검증하였다.
- 실증건물에는 결정질과 박막 형태의 BIPV 모듈이 각각 커튼월(설치각도: 90°), 지붕(설치각도: 0°, 45°)의 형태로 적용되었다.
- 그리고 BIPV 모듈들의 건축적인 성능과 전기적인 성능을 검증하여 건물에 적용했을 때 안전성을 고려해야 한다. 이러한 모듈의 특성을 고려하여 소규모 옥외 시험장에 설치할 BIPV 시스템과, 실제 운영중인 건물에 적용할 BIPV 시스템을 구성하였다.
- 이후 9개월(‘14.07.01~’15.03.31) 동안의 태양광 발전량 모니터링을 실시하였다.
- 건물 실증 BIPV 시스템의 발전량은 설치각도별, BIPV 모듈 종류별, 계절별 발전량 데이터를 취득하였다. 이후 발전량을 상관도 분석을 통하여 건물에 적용된 BIPV 시스템의 성능을 파악할 수 있었다,
- 본 연구에서는 BIPV 시스템의 국내 연구동향을 분석하여 건물적용에 최적화된 BIPV 모듈 구조를 설계하였다. 이후 실제 건물에 BIPV 모듈을 적용하여 적용 부위별(창호형, 지붕형), 적용 모듈별 발전량을 분석하였다. 실제 건물에 적용된 BIPV 시스템 발전 효율을 비교하기 위해 옥외에 소규모 BIPV 시스템을 설치하였으며, 두 경우의 상관관계 분석을 실시하였다.
- 창호(커튼월) 및 지붕형(0°, 45°)에 설치되어있는 박막 및 결정질 BIPV 모듈들은 일사량(수평, 경사), 외기온도, 모듈온도에 따른 각 모듈들의 발전량, 누적발전량, I-V Curve 특성 등을 모니터링을 하였고 시스템은 다음 Fig. 11과 같다.
- 5 및 광량 1000 W/m2을 조사하였다. 총 3장의 샘플을 2회 반복 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- BIPV 시스템이 적용된 실측 건물은 충청북도 음성-진천 충북혁신도시에 위치하고 있으며 지상 2층으로 구성되어있다. 한국건설생활환경시험연구원(KCL)의 건물에너지기술센터에서 실제로 사용하는 공간에 BIPV 시스템을 적용한 형태이다.
- 건물 실증 BIPV 시스템의 발전량은 설치각도별, BIPV 모듈 종류별, 계절별 발전량 데이터를 취득하였다. 이후 발전량을 상관도 분석을 통하여 건물에 적용된 BIPV 시스템의 성능을 파악할 수 있었다,
데이터처리
- 이후 실제 건물에 BIPV 모듈을 적용하여 적용 부위별(창호형, 지붕형), 적용 모듈별 발전량을 분석하였다. 실제 건물에 적용된 BIPV 시스템 발전 효율을 비교하기 위해 옥외에 소규모 BIPV 시스템을 설치하였으며, 두 경우의 상관관계 분석을 실시하였다. 이를 통해 향후 건물에 적용되는 BIPV 시스템 구성요소별 발전량에 대한 기초연구가 되는 자료를 제공하고자 함이 본 연구의 목적이다.
- 실증 건물에서 BIPV 시스템 성능을 확인하기에 앞서 기준이 되는 소규모 옥외실증 시스템에서 BIPV 발전특성을 평가 및 분석하였으며, 옥외 BIPV 시스템의 성능과 실증건물에서의 BIPV 성능을 통계기법인 상관관계 분석을 실시하였다. 소규모 옥외실증은 실제 건물적용을 통해 얻어지는 데이터들의 기준값을 얻기 위해서 수행되었고 Table 3의 구성으로 설치되었다.
성능/효과
- (1) 건물에 적용되는 크기 1.1 x 1.3 m2 의 BIPV 모듈의 초기특성에 있어서, 결정질(c-Si) 모듈의 경우, 개방전압이 27V, 단락전류가 8.6A, 출력전압이 180W 수준의 안정적인 성능을 나타내고, 박막(a-Si)의 모듈의 경우, 개방전압이 148V, 단락전류가 1.1A, 출력전압이 106W 수준의 성능을 가지고 BIPV 모듈을 사용하여, 옥외 필드 시험의 결과를 바탕으로 실제 건물에 BIPV 시스템을 적용하였으며, 그 결과를 비교한 결과, 누적일사량에 따른 누적발전량이 동일한 경향을 나타내었다.
- (2) 누적일사량에 대한 BIPV 발전성능은 옥외실증과 실제 건물 실증에 있어서 동일한 경향을 나타내고 있다. 모듈의 종류에 있어서 결정질(c-Si) 모듈, a-Si 박막 모듈순으로 높은 발전성능을 보이며, 설치 각도에 있어서 45°, 90°, 0°의 설치각도 순으로 높은 발전성능을 나타내고 있다.
- (3) 누적 일사량에 대한 취득된 발전량의 분표에 있어서는 결정질(c-Si) 모듈, a-Si 박막 모듈, DSSC(Dye-sensitized solar cell) 박막 모듈 모두 약 90% 이상의 피어슨 상관계수(R2)를 나타내어 옥외 실증과 건물 실증 모두 안정적인 데이터 취득이 되었다고 분석되고 있다.
- (4) 발전성능 분석결과는 결정질의 경우 설치각도 0°와 45°에서의 BIPV 누적발전량의 차이는 적었으나, 박막 BIPV의 경우, 0°와 45°에서의 누적발전량의 큰 차이가 났다.
- 건축물에 적용되는 BIPV(Building Integrated Photovoltaics) 시스템은 건물의 지붕 및 입면에 외벽마감재를 PV 모듈로 대체하는 시스템으로서 전기 생산 이외의 건축물의 외장재로 사용될 수 있는 시스템이다.1)2) 신축건물은 물론 기존 건물에도 쉽게 적용할 수 있으며 유지보수가 쉬운 장점을 가진다. 또한 나대지가 부족하고 고층건물이 많은 국내 환경에 가장 적합한 시스템으로 각광받고 있다.
- 또한 실제 건물 실증을 통하여 옥외실증에서 분석된 결과들이 건물 실증에서도 동일한 결과를 나타냄을 검증하였다. 결론적으로 BIPV 모듈의 발전성능 분석을 통하여 건축적인 적용형태에 적합한 모듈의 종류를 검증하였다. 이에 대한 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
- 결정질 BIPV와 박막 BIPV 모두 설치각도 45°에서 누적발전량이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 그러나 설치각도 90°에 대한 발전성능 분석 결과에서는 결정질 및 박막 BIPV 시스템 모두 다른 설치각도 대비 비슷한 비율로 감소하는 것으로 나타났다.
- 누적 일사량에 대한 누적 발전량은 결정질 BIPV 모듈이 가장 크게 나타났으며, 박막(a-Si), 박막(DSSC(Dye-sensitized solar cell)) BIPV 모듈이 순서대로 작게 나타났다.
- 본 연구는 건물에 적용되는 건물일체형 태양전지(BIPV)에 대한 모듈 종류별, 설치각도별 발전특성에 대한 옥외 실증시험을 통하여 약 1년간의 모니터링 데이터를 기반으로 발전성능을 분석하였으며, 발전성능 분석을 통하여 건물에 적용되는 설치형태(커튼월, 지붕, 등)에 대한 적합한 BIPV 모듈의 종류를 찾아내었다. 또한 실제 건물 실증을 통하여 옥외실증에서 분석된 결과들이 건물 실증에서도 동일한 결과를 나타냄을 검증하였다. 결론적으로 BIPV 모듈의 발전성능 분석을 통하여 건축적인 적용형태에 적합한 모듈의 종류를 검증하였다.
- 옥외실증 BIPV 시스템의 설치각도별, BIPV 모듈 종류별, 계절별 발전량 데이터를 획득하여 발전량 분석 상관도 분석을 통해 BIPV 시스템의 성능을 파악할 수 있었다.
- )는 대부분 85% 이상으로 상관성이 높은 것으로 나타나고 있다. 특히 결정질 BIPV 모듈의 경우, 각각 98.2%, 99.5%, 99.7%의 강한 상관성으로 박막 모듈 대비 일사량에 따른 태양광 모듈의 발전량 데이터가 안정적으로 수집된다고 분석되었다.
후속연구
- 심미적 관점 및 씨쓰루(See-through) 효과를 만족하기 위해서는 발전량은 조금 떨어지지만 성능구현이 우수한 박막(a-Si) BIPV 시스템에 대한 적용이 요구될 것으로 사료된다. 또한 건물에너지 관점에서는 발전효율이 우수한 결정질(c-Si) BIPV 시스템의 설치가 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.