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실증 목업의 구축 및 데이터의 통계적 분석을 통한 건물일체형 태양광 발전시스템의 전력발전 향상 설계
BIPV System Design to Enhance Electric Power Generation by Building up a Demonstration Mock-up and Analyzing Statistical Data 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.6, 2018년, pp.587 - 599  

이승준 (한국건설생활환경시험연구원 에너지환경사업본부) ,  이재천 (아주대학교 시스템공학과)

초록
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건물일체형 태양광 발전(BIPV) 시스템은 태양광 모듈을 건축부자재와 결합하여 설치함으로써 주거, 보관, 경제성 요소 등의 건축물 기능을 만족시키면서도 태양광 발전기능을 동시에 수행하기 위한 통합시스템이다. 시스템 통합으로 인해 얻게 되는 장점이 있지만, 태양광 발전기능을 극대화할 수 있는 설계가 필요하다. 선행연구로서 컴퓨터 시뮬레이션과 실증으로 여러 가지 설계요소들이 발전성능에 미치는 영향분석 결과들이 발표되었지만, 발전성능 분석의 부정확성, 설계요소 간의 관계분석의 미흡, 제한된 실증 범위 등이 문제점으로 남아 있다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 먼저 발전성능을 실증으로 평가할 수 있도록 목업 시험동을 설계 및 구축하고, 실증시스템 운영에서 획득한 데이터의 통계분석을 수행한 결과를 바탕으로 설계 방안을 연구한다. 구체적으로 주요 설계요소로서 모듈의 종류(c-Si, a-Si), 설치각도($90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $30^{\circ}$, $15^{\circ}$, $3^{\circ}$), 설치방향(서향, 남서향, 남향, 남동향, 동향) 등을 선택하였다. 선택된 설계요소들의 발전성능에 대한 영향을 분석하기 위해, 1년간의 운영 데이터를 획득하여 통계적인 기법으로 데이터의 유효성을 검증하였으며, 또한 다양한 설계요소들 사이의 관계분석을 통하여 발전성능이 최적화되는 설계안을 제시하였다. 이 연구결과는 향후 BIPV 시스템의 적용성 여부에 대해 판단할 때, 그리고 BIPV 시스템을 설계할 때 설계요소들의 최적 선택에 대한 자료가 될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In building-integrated photovoltaic (BIPV) systems, power generation functions are integrated into building functions by installing solar modules in combination with building materials. While this integration appears to be attractive, a design method is needed to achieve maximum power generation. Pr...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 BIPV 시스템에 대한 설계요소들의 데이터 유효성을 검증하며, 실증 목업 데이터베이스(Data Base)기반으로 BIPV 시스템의 설계요소들에 대한 통계적인 관계분석을 수행하여, 실제 건물적용에서 요구되는 설계요소간의 관계를 정량적으로 도출하여 설계단계에서 태양광 발전성능의 극대화 방안을 제시하고자 한다.
  • 본 논문에서는 BIPV 시스템의 설계 단계에서 설계요소에 대한 태양광 발전성능 분석을 기존대비 효과적으로 수행하고 그 결과를 BIPV 경제성 평가와 적용여부에 대한 의사결정에 판단근거로 활용하기 위해, 목업 실증에서 발전성능 데이터를 1년 동안 수집하여 설계요소들의 발전성능 분석을 수행하였으며, 통계적인 방법을 활용하
    여 설계요소들 간의 관계를 분석하였다
    . 또한, 수집되는 데이터들의 유효성을 통계방법을 활용하여 검증하였으며, 일사량에 따른 발전성능을 건축적으로 해석할 수 있는 영향인자를 도출하고 분석하였다.
  • 현재 BIPV 시스템은 설계단계에서 태양광 발전성능과 경제성 분석이 단순한 전산모사 프로그램의 시뮬레이션을 통한 분석 결과와 제한적인(일부 설치각도, 일부 설치방향) 실증에서의 분석 결과가 활용되고 있지만 실제 BIPV 시스템이 설치되는 장소의 태양광 발전성능(전력 생산), 건축물 성능, 기존 건축자재 대체효과(대체비용) 등에 대한 정확한 데이터 분석이 실시되고 그 결과값이 설계단계에 반영되지 않고 있으며[7], 발주처와 설계사들은 설계단계에서 BIPV 시스템의 적용여부, 설치형태, 경제성 평가 등에 대한 의사결정이 합리적으로 이루어지고 있지 못한 상황이다. 이 문제를 해결하기위하여 본 연구에서는 BIPV 시스템의 설계단계에서 태양광 발전성능을 극대화하는데 크게 영향을 주는 주요 설계요소들 (BIPV 모듈 종류, 설치각도, 설치방향)에 대하여 실제 현장을 모사한 목업(Mock-up) 시험동을 체계적으로 설계 및 구축하는 방안을 제시하였고, 실증시스템 운영에서 획득한 데이터의 통계분석을 수행한 결과를 바탕으로 BIPV 시스템의 설계방안을 연구하였다. 구체적으로 주요 설계요소로서 모듈의 종류(c-Si, a-Si), 설치각도(90°, 75°, 30°, 15°, 3°), 설치방향(서향, 남서향, 남향, 남동향, 동향) 등을 선택하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
건물일체형 태양광 발전(BIPV) 시스템은 무엇입니까? 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 시스템은 태양광 모듈을 건축부자재와 결합하여 설치함으로써 주거, 보관, 경제성 요소 등의 건축물 기능을 만족시키면서도 태양광 발전기능을 동시에 수행하기 위한 통합시스템이다. 시스템 통합으로 인해 얻게 되는 장점이 있지만, 태양광 발전기능을 극대화할 수 있는 설계가 필요하다.
BIPV 시스템의 설계단계에서 고려되는 설계요소들은 무엇입니까? BIPV 시스템의 설계단계에서는 외부환경, 디자인, 건축물 성능, 태양광 발전성능, 경제성 등의 설계요소들이 고려되어지며, 특히 태양광 발전성능은 경제성 향상에 가장 큰 영향을 미치고 건축설계의 방향을 결정하는 가장 중요한 요소라고 할 수 있다[2-3].
태양광 발전시스템의 장점은 무엇입니까? 태양광 발전시스템은 기존의 화력, 수력, 원자력, 등의 발전시스템을 대체하는 신재생에너지 발전시스템 중에 하나로써, 전 세계의 보급량이 2016년 기준 약 75GW가 설치되었으며 누적 설치량이 약 303 GW가 설치되어 다른 신재생에너지 대비 활발하게 보급되고 있다[1]. 또한 건물, 도로, 농지, 철도 등의 시스템과 통합시스템으로 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 특히 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 시스템은 기존 건축시스템에 태양광 발전시스템이 통합되어 건축물 기능과 태양광 발전기능을 만족시키는 대표적인 통합시스템이라고 할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. IEA PVPS, Snapshot of Global Photovoltaic Markets. 2016. 

  2. Seung-Yun Lee, Ah-Young Lee, "A study on BIPV design process based on the BIM for architects", Journal of the architectural institute of korea planning & design, vol. 33, pp. 49-57, Apr. 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.5659/JAIK_PD.2017.33.4.49 

  3. W. Zhaoyu, A. Qian, X. Da, J. Chunanwen, "A Research on Shading and LCOE of Building Integrated Photovoltaic," in Proc. 2011 APPEEC, Wuhan, Chnia, March 25-28, 2011, pp. 1-4. 

  4. T. T. Chow, Z. Qiu, C. Li, "Potential application of "see-through" solar cells in ventilated glazing in Hong Kong," Solar Energy Materials&Solar Cells, vol. 93, pp. 230-238, Oct. 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2008.10.002 

  5. Dong-Su Kim, U-Cheul Shin, Jong-Ho Yoon, "Annual energy yield presiction of building added PV system depending on the installation angle and the location in Korea", KIEAE Journal, vol. 14, pp. 67-74, Feb. 2014. DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2014.14.1.067 

  6. Jong-Ho Yoon, U-Cheul Shin, Jae-Wan Park, "Software development on power and economic analysis of photovoltaic system for building application", Journal of the korean solar energy society, vol. 28, pp. 1-8, Jan. 2008. 

  7. P. Eiffert,, "Guidelines for the Economic Evaluation of Building Integrated Photovoltaic Power Systems." NREL, TP-550-31977, Jan. 2003. 

  8. D. Paul, et al., "Optimization of significant insolation distribution parameters- A new approach towards BIPV system design," Renewable Energy, vol. 35, pp. 2182-2191, Mar. 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.02.026 

  9. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) module-Design qualification and type approval, IEC 61215, 2005. 

  10. Thin-film terrestrial photovoltaic(PV) module- Design qualification and type approval, IEC 61646, 2008. 

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