[논문]국제에너지기구 태양광발전 협력사업의 공동실험 방법에 의한 건물일체형 태양광발전(BIPV) 모듈의 성능 평가 분석

김진희; 안종권; 김준태

doi:10.21218/cpr.2020.8.2.054

국제에너지기구 태양광발전 협력사업의 공동실험 방법에 의한 건물일체형 태양광발전(BIPV) 모듈의 성능 평가 분석
Performance Analysis of a BIPV Module Based on Round Robin Test of IEA PVPS Task 15 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.8 no.2, 2020년, pp.54 - 59

김진희 (그린에너지기술연구소, 국립공주대학교) , 안종권 (에너지시스템공학과, 국립공주대학교) , 김준태 (건축공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Within the IEA (International Energy Agency) PVPS (Photovoltaic Power System) Programme Task 15, 'Enabling Framework for the Acceleration of BIPV,' a round-robin action focusing on the performance of vertical BIPV elements as a facade in different climatic environments was performed. The performance of identical (both, in construction and bill of materials (BOM)) glass-to-glass c-Si BIPV elements was monitored at seven outdoor test sites in 6 different countries in Europe and Asia. In this work, the comprehensive results of the electrical and corresponding meteorological data will be presented and discussed. The monitored data were merged, processed, and filtered for further analysis. The analysis includes the chracteristics of the module temperatures and the in-plane irradiation at the outdoor test locations, mean daily PR per test module, time series of mean daily performance ratio coefficients, and monthly yield.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. BIPV building (Power Tower) in Linz, Austria
표 Table 1. BIPV RRT Participants
표 Table 2. PV module specification for BIPV RRT
그림 Fig. 2. BIPV model details and installation
그림 Fig. 3. Temperature sensors and devices
표 Table 3. Measuring elements of BIPV model
표 Table 4. Climate features of participants
그림 Fig. 4. BIPV temperature characteristics
그림 Fig. 5. Electrical characteristics of BIPV model
그림 Fig. 6. BIPV temperature distribution in different climate
그림 Fig. 7. BIPV electrical characteristics
그림 Fig. 8. PR coefficient of BIPV models

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 IEA PVPS Task 15 RRT 수행에 따라, 국내 기후환경조건에서의 BIPV 시험체의 발전특성을 분석하고 다른 기후환경조건에서의 BIPV 시스템의 성능을 비교하였다.

제안 방법

BIPV RRT 수행을 위한 기본 측정항목은 외부환경조건(외기 온·습도, 풍향·풍속), 일사량(POA; Plane Of Array), BIPV 시험체의 발전특성(Vmp, Imp, Pmax), BIPV 모듈 후면온도(2개소)이며, 온도 센서 위치는 BIPV 모듈 후면의 좌측 상단부, 우측 하단부에 부착되었다(Fig. 3).
. 각 참여기관은 동일한 사양으로 생산된 PV모듈을 이용하여, 제시된 BIPV 제작 가이드라인에 따라 시험체를 제작하였다. 또한, BIPV 시험체 제작과정과 설치 위치, 외부환경조건, 담당자 정보 등을 최초보고서(Initial short report)에 작성하여 공유했으며⁸⁾ BIPV RRT 수행에 따른 측정 데이터는 웹 클라우드를 통해 업로드 및 피드백이 이루어졌다.
각 참여기관은 동일한 사양으로 생산된 PV모듈을 이용하여, 제시된 BIPV 제작 가이드라인에 따라 시험체를 제작하였다. 또한, BIPV 시험체 제작과정과 설치 위치, 외부환경조건, 담당자 정보 등을 최초보고서(Initial short report)에 작성하여 공유했으며⁸⁾ BIPV RRT 수행에 따른 측정 데이터는 웹 클라우드를 통해 업로드 및 피드백이 이루어졌다.
이에 따라 각 참여기관은 BIPV RRT 수행을 위한 측정설비의 정밀도, 정확도 등 기준을 제시하고 사양을 만족하는 측정설비를 구성하였다. 또한, BIPV 시험체의 성능분석을 위한 기본 공통측정 항목을 결정하였다(Table 3).
본 연구는 IEA PVPS Task 15 BIPV RRT 수행을 통해 국내환경에서의 BIPV 모듈의 발전특성을 검토하고 다른 기후환경에서 측정된 BIPV모듈 성능과 비교·분석하였다.
RRT는 실험방법론 측면에서 ‘여러 번 독립적으로 수행되는 실험실 간 테스트(측정, 분석 또는 실험)’로 정의되며 동일한 사양을 갖는 시험장비 및 시험방법으로 수행되어야 한다. 이에 따라 각 참여기관은 BIPV RRT 수행을 위한 측정설비의 정밀도, 정확도 등 기준을 제시하고 사양을 만족하는 측정설비를 구성하였다. 또한, BIPV 시험체의 성능분석을 위한 기본 공통측정 항목을 결정하였다(Table 3).

대상 데이터

BIPV RRT 수행을 위한 참여국은 오스트리아, 프랑스, 네덜란드, 스위스, 이탈리아, 스페인, 한국, 총 7개국으로, UAS, CSTB, SEAC, KNU 등, 11개 기관이 참여했다(Table 1)⁷⁾. 각 참여기관은 동일한 사양으로 생산된 PV모듈을 이용하여, 제시된 BIPV 제작 가이드라인에 따라 시험체를 제작하였다.
BIPV 시험체 제작을 위해, 오스트리아(AIT; Austrian Institute of Technology)에서 사전 체크된 동일한 사양의 PV모듈이 각 참여기관에 전달되었다. PV 모듈은 다결정질 모듈(G/G)로서 정격출력은 227 Wp, 사이즈는 1.
BIPV 시험체 제작을 위해, 오스트리아(AIT; Austrian Institute of Technology)에서 사전 체크된 동일한 사양의 PV모듈이 각 참여기관에 전달되었다. PV 모듈은 다결정질 모듈(G/G)로서 정격출력은 227 Wp, 사이즈는 1.76 m²이며, 자세한 사양은 아래 표와 같다(Table 2).
RRT 수행을 위한 BIPV 모듈사양은 오스트리아 Linz에 위치한 기존 BIPV 건물을 참고하여 설계되었다(Fig. 1). 설계된 BIPV 모듈은 기존 건물에 적용된 모듈과 사이즈만 다르며, 기타구성(통풍 간격 등)은 동일하다.
RRT 수행을 위해 제작된 BIPV 시험체의 사이즈는 1,140mm × 2,000 mm이며, 합판 등의 목재를 이용해 240 mm의 두께로 제작되었다.
RRT 수행을 위해 제작된 BIPV 시험체의 사이즈는 1,140mm × 2,000 mm이며, 합판 등의 목재를 이용해 240 mm의 두께로 제작되었다. 건물 외벽체를 가정하기 위해 PV 모듈 후면에 열전도율 0.04 W/m K, 두께 120 mm의 미네랄울 단열재가 적용되었으며 PV 모듈과 단열재 사이에는 공기층 80 mm가 구성되었다. 또한, 전면 PV 모듈 상·하단부에는 20 mm 공간을 두어 자연환기를 유도하도록 제작되었다.
제작된 BIPV 시험체는 충남 천안의 공주대학교 천안캠퍼스 6공학관 옥상에 수직(90°), 남향으로 설치되었다(Fig. 2).

성능/효과

5개 참여국의 6개 지역에서 빈도는 5% 이하로 낮지만 BIPV 모듈온도는 최고 60~70°C로 나타났다.
PR은 음영의 영향이 없는 조건에서 모두 0.8 이상으로 확인되었으며 PR 값은 네덜란드가 가장 높고 이태리가 가장 낮은 수준으로 확인되었다. 이는 BIPV 시스템의 실제 동작 환경 및 외기조건에 의한 영향으로 기인한다.
분석결과로부터 참여기관별로 동일하게 제작 및 설치된 BIPV 시험체는 일사량 및 BIPV 온도 영향으로 여름철보다 겨울철에 BIPV의 발전량 및 PR이 높은 것으로 확인되었다.
스페인 마드리드 지역과 한국의 가장 높은 빈도의 BIPV 모듈 온도는 30~40°C, 35~45°C로 각각 나타나 10°C의 차이로 나타났으나 두 국가의 BIPV 모듈 온도분포는 유사한 것을 확인할 수 있다.
8 이상으로 분석되었다. 스페인, 네덜란드의 경우 전체 PR은 값이 0.8 이상으로 다른 참여국가에 비해 PR이 높은 것을 알 수 있으며 다음으로 한국, 스위스와 이태리 순으로 나타났다. 이태리와 스위스는 유사한 수준의 PR 값으로 나타났으나 이태리는 0.
앞서 음영에 의한 영향으로 낮은 PR 값을 포함한 분석에서는 네덜란드의 PR 수준이 가장 낮은 것으로 나타났으나 음영의 영향을 제외한 전체의 50% 데이터 분석에서는 네덜란드가 가장 높고 이태리의 PR 이 가장 낮은 것으로 분석되었다. 이는 연평균기온이 가장 높은 이태리와 가장 낮은 네덜란드의 기후조건에 따른 BIPV 모듈온도의 영향으로 판단할 수 있다.
이러한 분석을 통해 BIPV 모듈온도는 각 지역의 기후특성에 따라 유사한 패턴으로 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
8 이상으로 다른 참여국가에 비해 PR이 높은 것을 알 수 있으며 다음으로 한국, 스위스와 이태리 순으로 나타났다. 이태리와 스위스는 유사한 수준의 PR 값으로 나타났으나 이태리는 0.6에 가까운 가장 낮은 PR 값을 갖는 것으로 분석되었다.
참여국가 및 지역의 기후특성에 따라 BIPV 모듈의 온도 수준은 다르게 나타났으며, 해양성, 지중해성, 아열대 기후별로 BIPV 모듈온도 특성은 유사한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나 BIPV 시스템이 작동되는 일사량 및 외기온도 등 기후환경 조건에 의해 동일한 설치조건에서도 서로 다른 성능수준을 나타내는 것이 확이 되었다. 따라서 다양한 환경조건에서 BIPV 시스템의 성능평가 및 RRT가 수행되어야하며 지속적인 데이터 확보를 통해 기후특성에 따른 분석이 수행되어야 할 것이다.
6 이하 또는 1 이상의 PR 값도 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 구름에 의한 음영, 비 등 기상변화 및 온도에 의한 영향으로 판단되며 향후 명확한 원인분석이 필요할 것으로 판단된다. Gaisberger의 발표⁶⁾에 따르면 네덜란드(M17 02288)에서, 매일 일정 시간 동안 BIPV 모듈이 부분적으로 음영이 발생하였으며 이로 인해 PR이 낮아졌다고 밝혔다.
이에 따라, BIPV RRT 수행에 따른 다양한 기후환경에서의 데이터 확보뿐만 아니라, 실제 사용조건에서의 온도특성과 발전성능 비교, 가속노화에 따른 성능평가(자연 노화와 비교) 등, 다양한 분석이 지속적으로 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BIPV 시스템의 발전성능에 영향을 주는 조건	BIPV 시스템의 발전성능은 기존 PV 시스템과 달리 BIPV 모듈의 후면 레이어구성과 단열조건, 이에 따른 BIPV 모듈의 온도 특성, 설치 각도, 운용환경조건 등에 따라 다르게 나타난다2). 특히, 동일한 사양을 갖는 모듈이라도 실제 설치환경조건에서의 발전특성은 다르게 나타날 수 있다3,4).
	스페인 마드리드 지역과 한국의 BIPV 모듈 온도분포가 유사한 이유	스페인 마드리드 지역과 한국의 가장 높은 빈도의 BIPV 모듈 온도는 30~40°C, 35~45°C로 각각 나타나 10°C의 차이로 나타났으나 두 국가의 BIPV 모듈 온도분포는 유사한 것을 확인할 수 있다. 이는 스페인 마드리드 지역의 경우, 계절별 온도변화가 큰 우리나라 기후와 다른 지중해성 기후특성을 갖고 있으나 여름철 고온의 유사한 기후특성 때문으로 판단된다.
	아열대 습윤기후란?	또한, 대륙이나 해안에 비해 풍속이 강하게 나타난다. 스위스와 이탈리아는 아열대 습윤기후(Humid subtropical climate)로서 여름철에 덥고 습하며 겨울은 온화하거나 서늘한 특징을 보인다. 스페인(CIEMAT)의 경우, 지중해성 기후특성을 가지고 있어 여름에는 고온건조하고 겨울에는 온난하며 주로 비가 내린다.

참고문헌 (9)

International Energy Agency, IEA PVPS Task 15: Compilation and Analysis of User Needs for BIPV and its Functions, Technical Report, IEA, 2019.
Lau, S. K., Zhao, Y., Shabunko, V., Chao, Y., Lau, S. S. Y., Tablada, A., Reindl, T., "Optimization and evaluation of naturally ventilated BIPV facade design," 12th International Photovoltaic Power Generation and Smart Energy Conference & Exhibition, Energy procedia, Vol. 150, pp. 87-93, 2018.
Salameh, T., Assad, M. E. H., Tawalbeh, M., Ghenai, C., Merabet, A., Oztop, H. F., "Analysis of cooling load on commercial building in UAE climate using building integrated photovoltaic facade system," Solar Energy, Vol. 199, pp. 617-629, 2020.

상세보기
Akata, A. M. E. A., Njomo, D., Agrawal, B., "Assessment of building integrated photovoltaic (BIPV) for sustainable energy performance in tropical regions of Cameroon," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 80, pp. 1138-1152, 2017.

상세보기
D'Orazio, M., Di Perna, C., Di Giuseppe, E., "Experimental operating cell temperature assessment of BIPV with different installation configurations on roofs under Mediterranean climate," Renewable Energy, Vol. 68, pp. 378-396, 2014.

상세보기
Gaisberger, L., Rechberger, P., Eder, G. C., Berger, K. A., Gusztav, U., Illich, P., Moor, D., Boddaert, S., Valckenborg, R., Bonomo, P., Lopez, C. S. P., Buono, M. D., Chivelet, N. M., Mejuto, E., Martinez, A. S., Machado, M., Kim, J. T., Ritzen, M., "BIPV Round Robin Action of IEA PVPS Task 15," Europe Photovoltaic Science and Engineering Conference (EU-PVSEC), pp. 1-7, 2019.
Eder, G. C., Maul, L., Illich, P., Folkerts, W., "BIPV research teams & BIPV R&D facilities an international mapping," IEA PVPS report, (2017).
Ahn, J. G., Kim, J. H., Kim, J. T., Initial Phase Short Report, Kongju National University, 2017.
Grieser, J., Beck, C., Rubel, F., "World map of the Koppen-Geiger climate classification updated," Meteorologische Zeitschrift, Vol. 15, pp. 259-263, 2006.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증