[논문]반투과형 태양전지를 이용한 창호형 BIPV 건물의 환경성능 분석

정민희

doi:10.5804/lhij.2020.11.1.087

반투과형 태양전지를 이용한 창호형 BIPV 건물의 환경성능 분석
Comparison assessment of semi-transparent solar cell for BIPV windows 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.11 no.1, 2020년, pp.87 - 94

정민희 (중앙대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

To implement the planning of zero-energy buildings, their energy performance must be improved, and renewable energy applications must also be included. To accelerate the use of renewable energies in such buildings, BIPVs should be actively used in windows and on roofs. Window-type BIPVs are being developed in various forms depending on the size, composition, area ratio of the window, specification of glass, and so on. To analyze the applicability of various solar cells as window-type BIPVs, in this study, we evaluated their applicability, at the current development level, by analyzing the indoor illuminance, heat gain and heat loss; the cooling, heating, and lighting energy levels; and the generation performance of the various solar cells. To enhance the future applicability of window type BIPV, we analyze the overall energy performance of the building, according to changes in visible light transmittance and generation efficiency. The main research results are as follows. The area ratios above the standard illuminance, based on the window type and according to the VLT, were in order of low-e glazing, a-Si window, DSSC window, and c-Si window. The heat gain of the semi-transparent solar cell winodw was remarkably low. The energy consumption of buildings was highest in the order of c-Si window, DSSC window, a-Si window, and clear low-e window. However, in the case of including the power generation performance of the solar cell, the energy consumption was found to be high in order of DSSC window, c-Si window, a-Si window, and clear low-e window. In the future, if a window-type BIPV is developed, we believe that improvement in power generation performance and improvement in visible light transmittance will be needed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. (a) Semi-transparent c-Si module, and (b) an application example
그림 Fig. 2. Semi-transparent a-Si module, and (b) an application example
그림 Fig. 3. (a) Dye sensitized solar module, and (b) an application example
그림 Fig. 4. Simulated office building model
표 Table 1. Description of office building model
그림 Fig. 5. Schematic of the PV window
표 Table 3. The result of daylighting analysis
표 Table 2. Window properties
그림 Fig. 6. Zone windows total heat gain rate
그림 Fig. 7. Zone windows total heat loss rate
그림 Fig. 8. Monthly total energy consumption
표 Table 4. The monthly lighting, heating, and cooling energy consumption(unit: kWh)
표 Table 5. The annual net site energy (kWh/m²)

AI 본문요약
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문제 정의

, 2019). 따라서 본 논문에서는 태양전지의 종류에 따른 창호형 BIPV의 적용가능성 분석을 위하여 사무소 건물에 투광형 태양 전지 적용에 따른 조도 분석, 이에 따른 냉방, 난방 및 조명 에너지 분석, 그리고 발전성능을 분석하였다. 태양 전지의 성능은 현재 개발된 수준에서의 적용가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 창호형 BIPV의 태양전지 종류에 따른 빛 환경 성능과 에너지 성능 분석을 실시하였다. 빛 환경성능은 자연채광 가능성 평가를 위하여 창호의 종류에 따른 조도 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 태양전지의 종류에 따른 환경성능 분석을 위해 기존 투명로이창호와의 빛환경 및 에너지 성능 비교 분석을 실시하였다. 태양전지의 종류는 c-Si, a-Si, DSSC로 설정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
따라서 본 논문에서는 태양전지의 종류에 따른 창호형 BIPV의 적용가능성 분석을 위하여 사무소 건물에 투광형 태양 전지 적용에 따른 조도 분석, 이에 따른 냉방, 난방 및 조명 에너지 분석, 그리고 발전성능을 분석하였다. 태양 전지의 성능은 현재 개발된 수준에서의 적용가능성을 평가하였다.

가설 설정

기존 모델로 투명창호를 설정하였고, 태양 전지의 종류에 따라 c-Si, a-Si, DSSC 창호로 설정하였다. 창호의 열관류율은 건축물의 에너지절약설계기준에 따라 중부2 지역의 열관류율 1.5W/m2K를 만족하는 것으로 설정하였다. 투명 로이창호는 현재 상용화된 제품의 성능 기준을 참조하여 가시광선 투과율(VT)과 일사획득계수 (SHGC)를 각각 0.

제안 방법

건물의 에너지 성능분석에서는 창호의 성능 변화에 따른 냉방, 난방, 조명 사용량만을 대상으로 분석하였다. 그 외의 에너지 사용에 대해서는 창호의 성능 변화에 영향이 거의 없는 부하는 본 연구에서 제외하였다.
2 참조). 기존 모델로 투명창호를 설정하였고, 태양 전지의 종류에 따라 c-Si, a-Si, DSSC 창호로 설정하였다. 창호의 열관류율은 건축물의 에너지절약설계기준에 따라 중부2 지역의 열관류율 1.
본 연구에 적용된 창호의 유형은 총 4가지를 설정 하였다(Table 2 참조). 기존 모델로 투명창호를 설정하였고, 태양 전지의 종류에 따라 c-Si, a-Si, DSSC 창호로 설정하였다.
본 연구에서는 태양전지의 종류에 따른 건물의 빛 환경, 발전성능, 에너지소비량 등 종합 환경성능 분석을 실시하였다. 창호형 BIPV는 태양전지의 발전성능 뿐만 아니라 가시광선 투과율이나, 일사획득계수, 열관류율 등 열/광학적 성능에 의해 건물의 에너지 소비에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
빛 환경성능은 자연채광 가능성 평가를 위하여 창호의 종류에 따른 조도 분석을 실시하였다. 에너지 성능 분석은 냉방/난방/조명 에너지소비량과 발전성능을 종합하여 건물의 총 에너지 소비량을 비교하였다.
그 외의 에너지 사용에 대해서는 창호의 성능 변화에 영향이 거의 없는 부하는 본 연구에서 제외하였다. 소비 및 생산에너지는 최종에너지로 계산하였다.
빛 환경성능은 자연채광 가능성 평가를 위하여 창호의 종류에 따른 조도 분석을 실시하였다. 에너지 성능 분석은 냉방/난방/조명 에너지소비량과 발전성능을 종합하여 건물의 총 에너지 소비량을 비교하였다.
DidonS와 Wagner(2013) 은사 무소 건물의 창호타입별 BIPV의 성능 평가를 실시하였다. 유리의 타입은 단층유리, 이중유리, 로이이중유리, organic PV, a~Si thru PV로 설정하였으며, 유리 종류에 따른 조명, 냉방, PV에너지 생산량을 비교하였다. Cheng et.
자연채광 기준일과 시간은 태양의 고도가 가장 낮은 12월 21일 동지 12시로 설정하였으며, 청천공과 담 천공 시 빛환경 분석을 실시하였다.
창호의 열환경 성능 분석은 창문을 통한 열획득과 열 손실을 비교하였다(Fig. 6~7). 열환경 분석은 빛환경과 마
창호의 종류에 따른 자연채광성능 분석을 위해 3층의 중간에 위치한 사무실을 선정하여 주광률 및 조도 분석을 실시하였다. 자연채광 기준일과 시간은 태양의 고도가 가장 낮은 12월 21일 동지 12시로 설정하였으며, 청천공과 담 천공 시 빛환경 분석을 실시하였다.
전기를 생산하는 태양전지 이다. 창호형 BIPV로는 단 결정 태양전지가 처음으로 사용되었고, c-Si 태양 전지 모듈은 실리콘 기판을 약 200皿정도로 잘라 전후면에 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 부착하여 투명 유리에 붙여 창호형 BIPV 모듈을 제작하였다(Fig. 1). 결정질 실리콘 태양 전지의 최대발전효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 현재 26.
5W/m2K를 만족하는 것으로 설정하였다. 투명 로이창호는 현재 상용화된 제품의 성능 기준을 참조하여 가시광선 투과율(VT)과 일사획득계수 (SHGC)를 각각 0.690, 0.620으로 설정하였다. 반투과형 태양 전지가 적용된 PV window의 구성은 Fig.

대상 데이터

건물의 단열성능은 2018년 개정된 건물 에너지 절약 설계 기준을 적용하였다. 난방 및 냉방 열원장치는 중소규모 업무시설에 많이 적용되는 팬코일유닛으로 선정하였다.
대상건물은 대한민국 서울에 위치한 중규모의 업무 시설로 설정하였으며, 건물 형상 및 개요는 Fig. 4와 Table 1과 같다. 건물의 단열성능은 2018년 개정된 건물 에너지 절약 설계 기준을 적용하였다.
본 연구에서 창호형 BIPV에 적용가능한 태양 전지의 종류는 기존에 주로 사용된 태양전지인 결정질 실리콘 태양 전지와 비결정질 실리콘 태양전지(Jelle et al., 2012) 과 최근 개발되고 있는 염료감응 태양전지를 대상으로 한정하였다.
찬가지고 3층의 사무실 1개를 선정하여 비교하였다. 창을 통한 열획득은 Fig.

이론/모형

4와 Table 1과 같다. 건물의 단열성능은 2018년 개정된 건물 에너지 절약 설계 기준을 적용하였다. 난방 및 냉방 열원장치는 중소규모 업무시설에 많이 적용되는 팬코일유닛으로 선정하였다.
대상 건물의 빛환경, 열환경, 그리고 에너지 성능 분석을 위해 Energyplus 기반의 건물에너지해석 프로그램인 Designbuilder(V.5.0.1.024)를 사용하였다.

성능/효과

1) 빛환경 분석결과, 청천공에서 기준조도 400 lux 이상인 면적은 투명로이창호, a-Si window, DSSC window, c-Si window순으로 나타났다. 특히 a-Si window는 기준조도 이상인 면적이 20.
2) 창호를 통한 열획득과 열손실을 비교한 결과 열 획득은 반투과형 태양전지가 현저히 낮아지는 것으로 나타났지만, 열손실의 경우 4개의 창호가 거의 유사한 것으로 나타났다. 반투과형 태양전지 창호 적용 시, 열손실보다는 열 획득 저하에 의한 난방부하 증가가 발생할 것으로 판단된다.
3) 건물의 에너지소비는 c-Si window > DSSC window > a-Si window > 투명로이창호 순으로 높은 것으로 나타났다. 그러나 태양전지의 발전성능을 포함할 경우, 최종 에너지소비량은 DSSC window > c-Si window > a-Si window > 투명로이창호 순으로 나타났다.
발전량을 고려한 건물의 최종 에너지 성능은 a-Si, c-Si window, DSSC 순으로 최종 에너지 소비량이 많아지는 것을 알 수 있다. c- Si window는 낮은 가시광선 투과율로 인해 가장 많은 에너지를 소비하는 것으로 나타났으나, PV를 통한 에너지 생산량이 3개의 반투과형 태양전지 중 가장 많아, 최종 에너지 소비 량은 DSSC보다 적게 소요되는 것으로 나타났다.
5와 같다. c-Si window의 발전성능이 14%로 건물 에너지 소비량의 18%를 차지하였으며, a-Si window와 DSSC window는 각각 9%, 11%로 나타났다. 발전량을 고려한 건물의 최종 에너지 성능은 a-Si, c-Si window, DSSC 순으로 최종 에너지 소비량이 많아지는 것을 알 수 있다.
(2019)는 태양 전지와 유리의 열전달을 줄이고 일사획득을 조절하여 실 내 열 환경을 개선하기 위한 BIPV-vacuum system을 제안하였다. 그 결과 기존의 BIPV-double glazinge 비교하여 실내 열쾌적을 개선하였다. 다양한 형태의 창호형 BIPV 개발이 진행되고 있다.
Al(2018)은 창호에 a-Si tym의 태양전지 적용 시 최적의 투과율과 창면적 비 (WWR, Window Wall Ratio)를 산정하기 위하여 자연채광성능과 이에 따른 에너지 성능 평가를 계산하였다. 그 결과 최적의 투과율와 WWR는 50~60%, 40~50%인 것으로 나타났다. Ghosh et.
a-Si window의 경우 c-Si window나 DSSC window보다 가시광선 투과율이 높아, 조명에너지 소비량이 적게 나타났다. 그러 나, 겨울철 창을 통한 열획득이 DSSC window보다 낮아, 겨울철 에너지 소비 량이 DSSC window보다 많은 것으로 나타났다. 그러나 여름철에는, 조명에너지와 열 획득량이 모두 DSSC window보다 적어 a-Si window의 에너지 소비량이 적은 것으로 나타났다.
그러 나, 겨울철 창을 통한 열획득이 DSSC window보다 낮아, 겨울철 에너지 소비 량이 DSSC window보다 많은 것으로 나타났다. 그러나 여름철에는, 조명에너지와 열 획득량이 모두 DSSC window보다 적어 a-Si window의 에너지 소비량이 적은 것으로 나타났다.
담청공 조건에서의 자연채광 분석 결과 투명로이유리를 설치한 경우 평균 주광율은 3.3%로 나타났으며, 기준조도 이상의 면적은 23.5%로 남측 창호 주변에서는 담 천공임에도 불구하고, 자연채광이 가능한 것으로 나타났다. 그러나 반투과형 태양전지 창호의 경우 평균주광율이 1% 이하로 나타났으며, 기준조도 이상의 면적도 거의 없는 것으로 나타났다.
그러나 태양전지의 발전성능을 포함할 경우, 최종 에너지소비량은 DSSC window > c-Si window > a-Si window > 투명로이창호 순으로 나타났다. 따라서 현재의 기술수준이라면 창호에는 오히려 태양전지를 설치하지 않는 것이 건물의 에너지 소요량을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다.
8% 로 CIBSE에서 제시하는 주광율 5%이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 기준조도 4001ux를 넘는 면적 이 60.6% 로 사무실 공간의 상당부분에서 인공조명 이 필요하지 않은 것으로 나타났다. 반투과형 태양전지를 적용할 경우, 평균 주광율이 2.
이는 빛환경에서 분석한 것과 마찬가지로, 유리의 가시광선 투과율이 낮아짐에 따라 조명에너지 소비량이 증가였으며, 조명 에너지 사용 증가에 따라 냉방에너지 소비량 역시 증가한 것으로 나타났다. 또한 난방에너지소비는 조명 사용증가에 의해 줄어들지만, 창을 통한 열획득이 줄어들어 두 요인의 복합 작용으로 인해 난방에너지 일부 증가하는 것으로 나타났다. a-Si window의 경우 c-Si window나 DSSC window보다 가시광선 투과율이 높아, 조명에너지 소비량이 적게 나타났다.
6% 로 사무실 공간의 상당부분에서 인공조명 이 필요하지 않은 것으로 나타났다. 반투과형 태양전지를 적용할 경우, 평균 주광율이 2.0~2.5%로 투명창호에 비해 매우 낮아지는 것을 볼 수 있었으며, 기준조도 이상의 면적 역시 3.6-20.3% 로 나타났다. 특히 c-Si window의 경우 4001ux이상이 3.
특히 반투과형 태양전지 창호를 적용한 경우, 에너지소비 비율은 조명, 난방, 냉방 에너지 순으로 나타났다. 이는 빛환경에서 분석한 것과 마찬가지로, 유리의 가시광선 투과율이 낮아짐에 따라 조명에너지 소비량이 증가였으며, 조명 에너지 사용 증가에 따라 냉방에너지 소비량 역시 증가한 것으로 나타났다. 또한 난방에너지소비는 조명 사용증가에 의해 줄어들지만, 창을 통한 열획득이 줄어들어 두 요인의 복합 작용으로 인해 난방에너지 일부 증가하는 것으로 나타났다.
창호형 BIPV는 태양전지의 발전성능 뿐만 아니라 가시광선 투과율이나, 일사획득계수, 열관류율 등 열/광학적 성능에 의해 건물의 에너지 소비에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히, 향후 건물에 적용가능한 창호형 BIPV를 개발할 경우 발전성능개선 뿐만 아니라 가시광선 투과율의 향상이 필요할 것으로 판단된다.
빛환경 성능 분석 결과는 Table 3과 같다. 청천공 조건에서 투명로이유리를 설치한 경우 평균 주광율이 12.8% 로 CIBSE에서 제시하는 주광율 5%이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 기준조도 4001ux를 넘는 면적 이 60.
window순으로 나타났다. 특히 a-Si window는 기준조도 이상인 면적이 20.3%로 나타나, 반투과형 태양전지 중 가장 좋은 성능을 나타내었다. 그러나, 담천공 조건에서는 기준조도 이상인 면적이 1%이하로, 인공조명의 사용이 필수적이었다.

후속연구

창호형 BIPV는 태양전지의 발전성능 뿐만 아니라 가시광선 투과율이나, 일사획득계수, 열관류율 등 열/광학적 성능에 의해 건물의 에너지 소비에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히, 향후 건물에 적용가능한 창호형 BIPV를 개발할 경우 발전성능개선 뿐만 아니라 가시광선 투과율의 향상이 필요할 것으로 판단된다.

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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].

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