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문제 정의
- 국내에서는 후면환기에 따른 PV모듈의 발전성능 평가3), 3kW급 연계형 태양발전 시스템의 성능평가4)등의 결정계를 대상으로 한 연구가 활발히 진행되고 있지만 건축가들이 선호하는 건축창을 대체할 수 있는 투명 박막전지의 창호화 연구 및 건물 적용 사례는 최근에 초기 연구가 착수된 실정이다. 따라서 본 연구는 건축창호를 대체할 수 있는 박막 태양전지를 이용한 PV 복층창 시스템을 대상으로 해석 프로그램을 이용하여 박막 태양전지의 경사각과 방위각별 연간 발전량 정략적 데이터를 수립하는데 주목적이 있다.
- 본 연구에서는 건축창호를 대체하여 발전 및 채광, 창호의 기능을 복합적으로 발휘할 수 있는 BIPV 모듈인 투명 박막 PV모듈의 설치각도별 연간 발전성능을 평가 분석하였으며 다음과 같은 주요 결과를 도출하였다.
제안 방법
- Mock-up모델을 대상으로 투명 박막태양전지를 라미네이션(Lamination)한 PV단판모듈을 복층화하여 설치하였다. 1년동안 모니터링을 실시하고 연간발전량을 산출하였다. 연간발전량의 실측데이터를 바탕으로 해석프로그램으로 경사각별 방위각별 PV 모듈의 연간 발전량을 수행하였다.
- 실물스케일에 적용된 PV 모듈의 발전성능평가를 위해서 먼저 Mock-up 모델을 설계·시공하였다. Mock-up모델을 대상으로 투명 박막태양전지를 라미네이션(Lamination)한 PV단판모듈을 복층화하여 설치하였다. 1년동안 모니터링을 실시하고 연간발전량을 산출하였다.
- 또한 설치각도 Slope_30˚의 PV 모듈을 대상으로 실측된 연간 단위 출력당 발전량 1,060kWh/kWp과 해석프로그램의 연간 단위 출력당 발전량 977kWh/kWp의 오차율을 비교·분석하였다. 그 결과 오차율이 8.5%로 나타나 오차 범위내의 결과 값으로 판단하여 설치 조건에 따른 발전량의 변화를 분석하기위한 해석프로그램을 구동하기로 하였다.
- 또한 설치각도 Slope_30˚의 PV 모듈을 대상으로 실측된 연간 단위 출력당 발전량 1,060kWh/kWp과 해석프로그램의 연간 단위 출력당 발전량 977kWh/kWp의 오차율을 비교·분석하였다.
- 실물스케일에 적용된 PV 모듈의 발전성능평가를 위해서 먼저 Mock-up 모델을 설계·시공하였다.
- 실측실험에서는 정남향을 기준으로 한정된 경사각도(Slope_90˚, Slope_30˚ , Slope_0˚)에 따른 발전량만 비교분석하였고, 해석프로그램 통하여 추가로 Slope_70˚, Slope_50˚, Slope_10˚의 경사각도별 발전성능 시뮬레이션을 시행하였으며 월별 발전량 분석결과를 Fig. 4에 나타냈다. 그 결과 정남향을 기준으로 경사각별 월별 변화는 Slope_30˚이내 범위의 낮은 경사각도에서 6kWh 이상의 발전성능을 나타냈고, Slope_50˚이상의 경사각도에서는 6kWh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다.
- 1년동안 모니터링을 실시하고 연간발전량을 산출하였다. 연간발전량의 실측데이터를 바탕으로 해석프로그램으로 경사각별 방위각별 PV 모듈의 연간 발전량을 수행하였다.
- 투명 박막 PV 모듈을 적용하기 위해서 가로 8m, 세로 5m, 높이 3.5m, 30° 경사지붕 및 평지붕이 복합된 형태로 Mock-up 모델을 Fig. 2 와 같이 설계·시공하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 PV모듈에 적용된 투명 아몰포스 실리콘 박막태양전(Thin-film Solar Cell)는 단판 모듈로 국내에서 생산이 되지 않아 일본에서 생산된 A사의 제품을 수입하였으며, 이를 국내에서 복층창화하여 PV모듈화 하였다.
- 본 연구에서는 Table.1 과 같은 전기적 특성을 갖는 투명 박막 PV 모듈을 대상으로 해석프로그램을 실시하였다. Fig.
- 2 와 같이 설계·시공하였다. 야간 및 오류 데이터를 제외하고 최종 선별된 데이터는 56개 변수에 대한 총 12,254,312개의 데이터를 대상으로 통계 분석을 수행하였다. 한편 본 연구의 실측결과는 인버터가 설치되지 않고 저항으로 부하를 처리한 경우의 직류 발전량에 대한 분석결과이다.
이론/모형
- 본 연구에서 구동된 해석프로그램은 미국 위스콘신 대학교 SEL에서 개발한 TRNSYS를 이용하였다. TNSYS는 태양열 시스템 뿐만 아니라 태양광 시스템의 발전량, 일사량, 온도, 풍속등의 시간별 데이터를 산출할 수 있는 전 세계적인 프로그램으로 인정받고 있다.
성능/효과
- (1) PV모듈의 실측과 시뮬레이션의 연간 발전성능 보정결과 오차율 범위 내인 8.5%로 나타났고, 시뮬레이션을 통해 분석된 경사각별 연간 단위출력당 발전량은 정남향을 기준으로 Slope_30에 설치된 PV 모듈이 977kWh/kWp(100)로 가장 우수하였고, Slope_10, 50, 70, 90은 각각 954(98%), 890(88%), 633(65%), 357kWh/kWp(37%)의 순으로 발전성능을 보여 분석된 경사각에 따라 발전성능은 평균 24%, 최대 63%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
- (2) 시뮬레이션을 통해 분석된 방위각별 연간 단위출력당 발전량은 Slope_30을 기준으로 정남향 (South)에 설치된 PV모듈이 가장 우수하였다. 남서 30은 967kWh/kWp로 정남향 대비 99%의 발전성능을 보였고 남동 30, 남서 60, 남동 60, 정서향, 정동향은 각각 은 937(96%), 907(93%), 858(88%), 812(83%), 759kWh/kWp(78%)의 순으로 방위각에 따라 PV모듈의 발전성능은 평균 11%, 최대 22%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
- 분석된 방위각 변화에서 Slope_30˚에 설치된 PV모듈의 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났고, Slope_90˚에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 방위각 변화에도 가장 저조한 것으로 분석되었다. Slope_30˚를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30˚(Azimuth 30˚)은 99%, 남동 30˚(Azimuth 330˚)은 96%, 남서 60˚(Azimuth 60˚)은 93%, 남동 60˚ (Azimuth 300˚)은 88%, 정서향(Azimuth 90˚)은 83%, 정동향(Azimuth 270˚)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다. 또한 PV 모듈의 연간 발전량이 일부 방위각도에서 Slope_30˚까지는 서서히 증가하다가 이후 경사각도에서는 감소하는 경향을 보였다.
- 4에 나타냈다. 그 결과 정남향을 기준으로 경사각별 월별 변화는 Slope_30˚이내 범위의 낮은 경사각도에서 6kWh 이상의 발전성능을 나타냈고, Slope_50˚이상의 경사각도에서는 6kWh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다. 또한 Fig.
- (2) 시뮬레이션을 통해 분석된 방위각별 연간 단위출력당 발전량은 Slope_30을 기준으로 정남향 (South)에 설치된 PV모듈이 가장 우수하였다. 남서 30은 967kWh/kWp로 정남향 대비 99%의 발전성능을 보였고 남동 30, 남서 60, 남동 60, 정서향, 정동향은 각각 은 937(96%), 907(93%), 858(88%), 812(83%), 759kWh/kWp(78%)의 순으로 방위각에 따라 PV모듈의 발전성능은 평균 11%, 최대 22%까지 격차가 나타나는 것으로 판명되었다.
- 그 결과 정남향을 기준으로 경사각별 월별 변화는 Slope_30˚이내 범위의 낮은 경사각도에서 6kWh 이상의 발전성능을 나타냈고, Slope_50˚이상의 경사각도에서는 6kWh미만의 발전성능 보이는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 5와 같이 연간 단위 출력당 발전성능 분석결과 Slope_30˚이 977kWh/kWp로 가장 높게 나타났고 Slope_90˚이 357kWh/kWp로 Slope_30˚에 비해 37%의 발전량을 나타내 분석된 경사각도중에서 가장 낮게 나타났다. 그다음으로 Slope_10˚는 954kWh/kWp, Slope_0˚는 890kWh/kWp, Slope_50˚는 860kWh/kWp, Slope_70˚ 633kWh/kWp 순으로 나타났다.
- Slope_30˚를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30˚(Azimuth 30˚)은 99%, 남동 30˚(Azimuth 330˚)은 96%, 남서 60˚(Azimuth 60˚)은 93%, 남동 60˚ (Azimuth 300˚)은 88%, 정서향(Azimuth 90˚)은 83%, 정동향(Azimuth 270˚)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다. 또한 PV 모듈의 연간 발전량이 일부 방위각도에서 Slope_30˚까지는 서서히 증가하다가 이후 경사각도에서는 감소하는 경향을 보였다. 특히 Slope_60˚부터는 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.
- 6에 도식하였다. 분석된 방위각 변화에서 Slope_30˚에 설치된 PV모듈의 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났고, Slope_90˚에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 방위각 변화에도 가장 저조한 것으로 분석되었다. Slope_30˚를 기준으로 방위각별 연간 발전량은 분석된 방위각 중에서 정남에 설치된 PV 모듈의 발전성능이 가장 우수하였으며 정남(South)을 기준으로 남서 30˚(Azimuth 30˚)은 99%, 남동 30˚(Azimuth 330˚)은 96%, 남서 60˚(Azimuth 60˚)은 93%, 남동 60˚ (Azimuth 300˚)은 88%, 정서향(Azimuth 90˚)은 83%, 정동향(Azimuth 270˚)은 78%의 순으로 발전성능을 나타났다.
- 즉 경사각이 증가할 수 록 PV전면에 부착되어 있는 유리의 특성 때문에 태양투과율(Tsol)이 큰 입사각도에서는 현저히 감소하게 되고 이것은 PV 모듈 발전량에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 판명되었다.
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