[논문]건물일체형 태양광발전시스템의 특성 분석

강기환; 소정훈; 박경은; 김현일; 유권종; 김준태

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강기환 (한국에너지기술연구원 태양광시스템연구센터) , 소정훈 (한국에너지기술연구원 태양광시스템연구센터) , 박경은 (공주대학교 건축공학과) , 김현일 (한국에너지기술연구원 태양광시스템연구센터) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양광시스템연구센터) , 김준태 (공주대학교 건축공학과)

The PV arrays were designed as sunshade devices at the building in the KIER(Korea Institute of Energy Research). The arrays are shaded by the above placed devices. In this paper, it was analyzed that the performance and characteristic of the BIPV system by partial shading could reliably be calculated with Solar Pro.

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문제 정의

본 논문에서는 음영에 의해 나타나는 BIPV 시스템의 발전성능에 영향율 시뮬레이션을 통하여 분석하고 연간 발전전력량을 예측하였다.

제안 방법

음영에 의해 발전성능에 영향을 받는 BIPV시스템의 특성을 분석하기 위하여, 시뮬레이션 툴인 Solar Pro를 이용하여 실제 건물과 유사하게 모델링을 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 보다 정확한 모델링을 위해 일사량, 온도 및 기타 입력 조건들은 실제 계측된 데이터를 이용하였다.
음영을 고려한 ZEDT 건물의 연간 발전전력량을 예측하였다. 차양형과 벽면 일체형이 각각 77°와 90°로 모두 경사각이 크게 설치되어있고, 인접건물이나 외부 장애물에 의한 그림자가 아니고 건물자체의 작은 요소에 의해 음영이 발생하는 경우이므로, 일년 중 태양의 고도가 낮은 동절기에는 rt림자의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다.

대상 데이터

연구 대상으로 선정한 대상 건물은 대전광역시 유성구에 소재한 한국에너지기술연구원 내에 2003년에 조성된 제로에너지 실증타운(Zero Energy Itemonstration Town ; ZEDT)의 신축 건물이다. 계획 초기 단계부터 PV 시스템의 적용을 고려하여 설계, 시공한 국내 최초의 BIPV건물로, 연구 및 주거를 위한 건물로 사용되고 있다.
것이다. 대상건물에는 60W급 모듈 232매를 이용하여 16직렬 8 병렬 1군, 18직렬 1병렬 5군 그리고 1직렬 4병렬 4군으로 어레이를 구성하여 설치하였다. 또한, IkW PCS 5대 8kW PCS 대 그러고 0.
본 연구의 대상이 되는 ZEDT 건물의 경우, PV 어레이를 외장재를 대신하여 건물에 일체화시키기 위해 디자인 적인 측면에서 고려가 되었다. 또한, PV시스템을 건물에 일체화시킬 때 지상용 등의 다른 적용기법에서와는 달리 온도가 발전성능에 영향을 미치는 중요한 요소가 된다.
또한, PV시스템을 건물에 일체화시킬 때 지상용 등의 다른 적용기법에서와는 달리 온도가 발전성능에 영향을 미치는 중요한 요소가 된다. 따라서 본 대상 건물에서는 PV 어레이와 건물 벽면 사이에 자연통풍이 이루어질 수 있는 공간을 두고 계획하였다(그림 2, 3 참고). 차양형의 경우, 전력발전, 디자인 외에도 자연채광 조절 장치로서의 기능까지 하는 건물요소로 설계되었다.
수행하였다. 보다 정확한 모델링을 위해 일사량, 온도 및 기타 입력 조건들은 실제 계측된 데이터를 이용하였다.
본 연구의 대상이 되는 건물에 적용된 PV 어레이는 외장재로서 건물에 일체화되도록 설계 초기 단계부터 계획되었다. 그러나 실제로 건물이 지어진 후 어레이 자체가 음영 요소가 되어 BIPV 시스템의 발전성능을 저해시키는 것으로 나타났다.

성능/효과

그림 7과 표 3은 60W모듈이 16직렬 8 병렬로 구성되어 있는 8kW 차양형 PV 어레이에, 상부구조물에 의해 부분 음영이 생긴 상태를 시뮬레이션 한결과이다. 부분적인 음영으로 인해 전류가 감소되었고, 부분 음영이 없을 때 7146.50W였던 최대 출력이 부분음영이 발생한 뒤에 4759.66W까지 현저하게 감소되었다. 표 4는 60W모듈이 18직렬 1병렬로 구성되어 있는 IkW 벽면일체형 PV 어레이에 상부의 작은 돌출부에 의해 부분 음영이 생긴 경우이다.
표 4는 60W모듈이 18직렬 1병렬로 구성되어 있는 IkW 벽면일체형 PV 어레이에 상부의 작은 돌출부에 의해 부분 음영이 생긴 경우이다. 이 경우에도 부분 음영으로 인해 음영이 없을 때 1097.64W였던 최대 출력이 부분 음영 발생 후 830.16까지 감소하는 것으로 나타났다.
차양형과 벽면 일체형이 각각 77°와 90°로 모두 경사각이 크게 설치되어있고, 인접건물이나 외부 장애물에 의한 그림자가 아니고 건물자체의 작은 요소에 의해 음영이 발생하는 경우이므로, 일년 중 태양의 고도가 낮은 동절기에는 rt림자의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 그러나 그림 8과 9에서 나타난 것과 같이 태양의 고도가 높은 하절기의 경우, 음영 발생이 BIPV시스템의 발전 성능에 상당한 영향을 미치는 것을 나타났다.
그러나 실제로 건물이 지어진 후 어레이 자체가 음영 요소가 되어 BIPV 시스템의 발전성능을 저해시키는 것으로 나타났다. 이에 대한 시뮬레이션 분석을 수행한 결과 부분 음영에 의해 전체 발전성능이 현저하게 저하되는 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 방법들이 당장에 적용이 되기는 어렵더라도 향후 실증 연구 둥을 통해 반드시 이루어져야 할 연구라고 사료된다.

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