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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 기 설치된 PV시설의 어레이 표면형태의 조사·분석을 통하여 작금의 시설실태와 거치 구조물 제작 및 설치에 따른 장·단점을 파악한 후, 건축물 PV시설로의 가장 바람직한 어레이 표면형상을 고찰하여 일반화 하고 있는 PV시설 확산에 일조하고자 한다.
- 본 논문은 국내 지붕용 PV시설의 표면형상에 나타나는 평면과 곡면에 대한 이론적 논리와 건축적 관점에 의한 현실적인 사례 조사·분석을 통해 PV시설 효율과의 상관관계와 거치구조물 제작·설치에 따른 장·단점을 파악하고 가장 바람직한 PV 표면형상 고찰을 목적으로 진행되었으며 그 결과는 아래와 같다.
제안 방법
- 본 연구의 대상이 지붕설치 PV시설이고 그 표면형상의 실태를 살펴보는 것으로서, 기본적 전제조건은 기 설치된 PV시설의 현황을 파악하고 분석함이 수반되어야 한다. 그러므로 PV시설의 방문과 전화인터뷰 그리고 인터넷상의 로드뷰 기능을 통하여 첫째, 지붕설치 PV시설의 적용유형과 형상 위주로 파악하였다. 둘째, 해당 시설의 구조물 구성방법 및 형태를 조사·분석하였으며 셋째, 시설에 설치된 PV모듈의 종류를 파악하여 현 시설의 건축물과 조화성에 대해서는 설문을 통하여 그 객관성을 확보하고자 했다.
- 그러므로 PV시설의 방문과 전화인터뷰 그리고 인터넷상의 로드뷰 기능을 통하여 첫째, 지붕설치 PV시설의 적용유형과 형상 위주로 파악하였다. 둘째, 해당 시설의 구조물 구성방법 및 형태를 조사·분석하였으며 셋째, 시설에 설치된 PV모듈의 종류를 파악하여 현 시설의 건축물과 조화성에 대해서는 설문을 통하여 그 객관성을 확보하고자 했다. 아울러 PV효율과 관련된 선행연구와 참고문헌을 통하여 지붕용 PV 시설의 이론적 고찰과 함께 현재의 특성과 문제점 파악에 중점을 두었다.
대상 데이터
- 조사 대상건물의 대부분은 일반 주택으로 약 60%에 해당하며 공공건물이 약 15% 그리고 교육용 건물이 약 25%를 차지한다. 그리고 총 98개의 조사 대상 건물 중, 주택용의 경우 59개 PV시설 전부가 평면형 표면으로 설치된 것으로 조사되었다. 공공기관의 경우 총 15개 대상 중에 7개의 PV시설 어레이 표면이 곡면형상, 8개의 시설이 평면형상으로 나타났다.
- 신재생에너지 보급통계에 의하면 2014년 국내 PV보급용량은 전년 대비 약 75% 증가율을 보이면서 총 보급량은 926,263 kW로 나타났고, Table 2에서와 같이 용도별로는 발전사업용이 대부분을 차지한 가운데 가정용, 공공시설, 교육시설 등의 순서로 나타났다. 따라서 본 연구의 주제에 대한 내용의 대상은 국민의 거주와 관계된 가정용을 비롯한 공공 및 교육시설로 설정하였다.
- 본 연구를 위한 PV 설치유형 조사·분석은 주 대상이 지붕설치 형으로 Table 3과 같이 설치건물의 용도에 따라 일반주택, 공공기관 그리고 교육기관으로 구분하여 진행하였고, 총 98개 건물이 선택되었다. 조사가 이루어진 주 시기는 2014년 5월부터 9월까지였다.
- 본 연구의 대상이 지붕설치 PV시설이고 그 표면형상의 실태를 살펴보는 것으로서, 기본적 전제조건은 기 설치된 PV시설의 현황을 파악하고 분석함이 수반되어야 한다. 그러므로 PV시설의 방문과 전화인터뷰 그리고 인터넷상의 로드뷰 기능을 통하여 첫째, 지붕설치 PV시설의 적용유형과 형상 위주로 파악하였다.
- 그러나 조사된 사례들은 설치 건물의 규모 및 형태와 관계없이 일률적으로 단판 어레이 시스템으로 구성되어 건물상부로 과도하게 돌출됨으로 지상에서 쉽게 인지되는 상황이다. 이에 건물과의 조화에 대한 객관적인 자료 수집을 위해 S대학교 건축공학과 학부생 및 대학원생 62명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 조사대상 PV시설 중 주택용의 경우 어레이 표면형상 59개 PV시설 전부가 평면형상 표면 그리고 공공기관의 경우 총 15개 대상 중에 7개의 PV시설 어레이 표면이 곡면형상, 8개의 시설이 평면형상으로 나타났다. 또한 24개의 교육용시설에서는 14개의 평면형상 어레이 표면과 10개의 곡면형상 표면이 조사·분석 되었다.
- (2) 98개 시설의 거치방법은 41개 시설이 평지붕 거치 형태를 나타내고 경사지붕 접촉거치 형태가 15개 시설, 그리고 3개의 시설이 주택의 케노피로 설치되었고, 공공 및 교육용 시설에서는 한 곳을 제외한 모두가 평지붕 거치식으로 이루어졌다.
- (2) 태양광 건물 지원사업; 위의 주택 지원사업과 동일한 취지로 자가 소비를 위한 50kW이하 고정형 시설에 지원되는 보조금 단가는 일반의 경우 kW당 109만원(2015년 126만원) 그리고 축사 및 축산시설에는 164만원(2015년 176만원)으로 일반건물보다 축사 및 축산시설에 우선 지원됨
- (3) 거치대 고정용 가대는 모두 지붕면에 직접 앙카 고정 후, 콘크리트로 타설되었고 거치대 기둥은 대부분 10x10cm의 형 강관으로 세워지고 상부의 모듈고정 거치대는 U 또는 L형 등의 용융아연도금 형강으로 이루어졌다.
- (3) 공공기관 설치의무화; 학교시설을 포함한 공공기관 건축물의 신축 및 증·개축에 있어 연면적 1,000㎡ 이상일 경우 연간 총에너지 사용량에 대한 일정비율 이상을 신· 재생에너지를 통해 공급토록 규정함(비율은 초기에 10%로 시작하여 12%, 2015년 15% 그리고 2016년 18%로 점차 강화되는 추세)
- (4) 대용량 시설의 일부 공공 및 교육용 시설에 있어서는 대형 거치 시스템으로, 이 경우에는 H(I)형 또는 O형 강재를 사용하고 어레이 표면이 곡면으로 나타나고 있으나 이를 특별한 디자인적 장점으로 내세울 수는 없는 것으로 사료된다.
- (5) 어레이 곡면표면의 경우 곡면특성 상 광선밀도 변화로 PV발전량에 긍정적이지 않음이 이론적으로 확인되었으며, 또한 구조물 제작비용에서도 최소한 10%정도 비싸짐이 견적 조사에서 확인되었다.
- (6) 98개 시설에서 공통적으로 나타나는 대형판형 어레이를 높게 설치하는 거치 구조는 건물옥상의 파라펫 상부로 돌출되기 때문에 건물입면 및 외관과의 조화에 대한 설문분석에서, 낮게 설치되는 병렬 어레이 형태보다 상당히 이질적으로 작용하는 것으로 나타났다.
- (7) 이론적으로 곡면 어레이 형상은 발전량과 디자인 관점에 큰 장점을 보이지 못하면서 구조 및 경제적 관점에서는 단점으로 작용하는 측면이 강한 것으로 판단된다.
- (8) 따라서 고정형 지붕용 PV의 경우 최적의 발전량과 경제적 측면에서 바람직한 PV 어레이 형상은 평면형태이며, 어레이 구성을 지붕면에 펼치는 병렬형으로 낮게 설치할 때, 현 상황과 같은 건물외관의 방해 요소로 작용하지 않고 풍하중 및 적설하중에도 유리할 것으로 판단된다.
- 건물에 설치되는 PV시설은 전력생산이라는 단순 기능뿐만 아니라 설치된 건축물 외관과의 조화여부가 건축적 관점의 성공여부로 부각됨을 인식할 필요가 있는데, 조사된 거치구조물의 일반적 경향은 설치 건물지붕 형상에 전적으로 영향을 받아 그 형태가 결정되는 것으로 판단된다. 그렇기 때문에 평지붕에는 거치형 어레이 시스템이, 그리고 경사지붕에는 지붕경사면을 이용한 접촉거치형 어레이 시스템이 주를 이루고 있다.
- 또한 대형 어레이 구조는 건물옥상 상부로 크게 돌출될 수밖에 없기 때문에 지상에서도 쉽게 인지되고, 이는 기존 건물의 전체 외형에 하나의 이질적인 시설 이미지로 작용하게 되어 건물과의 조화에 도움이 되지 못한다는 점이 설문분석으로 확인 되었다. 이러한 상황은 PV시설이 건물의 완공 후에 부가적으로 설치되거나 또는 계획단계에서 설치건물과의 상호관계에 대한 건축적인 배려 없이 오직 기능적 측면과 시공의 편리성만을 살핀 결과로 여겨진다.
- 우선적으로 평면형 어레이와 곡면형 어레이의 발전량 측면에서 대부분의 주택용에 나타나고 있는 남쪽을 향하고 20~35도의 설치각도를 가진 평면형 고정 어레이의 경우 식 (1) 및 Table 1에서 확인된 최적의 일사량획득 조건을 유지하는 것으로 판단되는 반면, 공공 및 교육용 시설에 일부 나타나는 곡면형 어레이 표면은 곡면 특성상 같은 시간에도 다양한 태양입사각에 의해 입사면 광선 밀도가 부분적으로 달라져 전체 PV 발전량에 부정적인 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 또한 곡면형을 위한 거치대 제작비용이 소형 주택용 기준으로 최소 약 10%5) 정도 더 비싸지는 것으로 나타났다. 따라서 Table 6의 Case 2와 3과 같은 대형구조물 제작경비는 더욱 많이 들 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 고정형 PV시설은 평면형 어레이 표면으로 어레이를 크지 않은 여러 병렬 구성으로 설치하는 것이 지금까지 조사·분석된 다양한 문제를 해소할 수 있는 개선안으로 부각된다고 사료된다.
- 본 연구의 결과 중, 발전량 부분을 좀 더 면밀히 분석하기 위해서는 같은 용량의 평면 및 곡면 PV시설에 대한 연간 발전량 모니터링을 통한 실증적 검증이 필요하고 이를 이론적 내용과 비교·검토함을 추후 연구로 추진코자 한다.
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