[논문]건물일체형 투명 PV복층창의 설치조건에 따른 단위출력당 발전특성 분석연구

안영섭; 송종화; 김석기; 이성진; 윤종호

문제 정의

국내에서는 후면환기에 따른 PV모듈의 발전성능 평가2), 3kW급 연계형 태양발전 시스템의 성능평가3)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 건축 창호를 대체할 수 있는 박막 태양전지를 이용한 PV 복층창 시스템의 실제 건물 적용모델을 대상으로 장기간에 걸친 경사각별 발전성능의 모니터링을 수행하여 정량적 실측데이터를 정립하는데 주 목적이 있다.
본 연구에서는 건축창호를 대체하여 발전 및 채광, 창호의 기능을 복합적으로 발휘할 수 있는 BIPV 모듈인 투명 박막 PV복층창의 설치각도별 연간 발전성능을 평가 분석하였으며 다음과 같은 주요 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 투명 박막태양전지를 라미네이션Lamination) 한 PV 모듈의 발전 특성을 분석하기 위하여 PV 모듈의 제작, 실험을 위한 Mock-up모델의 경사각별 설계 및 시공, 장기모니터링 및 PV모듈의 발전특성 분석 등의 순서로 연구를 진행하였다.

제안 방법

그림 3에 도식한 바와 같이 Mock-up 모델은 가로 8m, 세로 5m, 높이 3.5m, 30° 경사 지붕 및 평지붕이 복합된 형태로 계획하였다. 일사 수혜가 가장 양호한 남향으로 계획하였다.
박막 PV복층창의 실험을 위한 단위 공간은 평면도에서 보는 바와 같이 가로 4m, 세로 3m, 높이 2.7m의 독립된 공간으로 A실의 창문에 적용된 박막 PV복층창을 대상으로 발전성능 평가를 실시하였으며 설치 경사각도에 따른 비교성능을 위해 30° 경사면 및 0° 수평지붕면에도 박막 PV복층창을 각각 설치하였다.
본 연구에 적용된 투명 아몰포스 실리콘 박막 태 양전지 (Thin-film Solar Cell)는 단판 모듈로 국내에서 생산이 되지 않아 외국제품을 수입하였으며, 이를 국내에서 복층창화하여 PV모듈화 하고, 건물에 적용하기 위해서 실물 스케일 Mock-up 모델을 설계 시공하였으며, Mock-up 모델이 완공된 후 9개 월간모니터링하고 발전특성 결과를 통계 . 분석하는 방법으로 연구를 진행하였다.
본 장에서는 Mock-up 모델의 시공 후 모니터링 시스템의 보정과정을 거쳐 도출된 2006년 11월부터 2007년 8월까지 9개월 동안 90°수직면 (SLOPE_90), 30°경사면 (SLOPE_ 30), 0°수평면(SLOPE_0)의 전일사량과 PV 발전량 측정결과에 대한 통계처리 분석을 수행 하였다.
본 절에서는 측정 기간 통한 설치각도별 통계처리한 월별 일사량과 발전량을 비교 . 분석하였으며 그림 7에 나타내었다.
분석하는 방법으로 연구를 진행하였다. 특히 PV모듈의 연간 발전량 도출을 위해서 측정되지 않은 3개월간의 데이터를 30년 표준기상 데이터의 월별 일사량을 근거로 발전량을 산출하여 연간 발전성능을 비교 분석하였습니다.
PV모듈 제작은 원자재 (ASI Thin-Film Cell)에 EVA 필름과 투명유리 5mm 를 라미네이션하면 10mm두께의 PV 단판모듈이 제작된다. 이후에 복층화를 위해서 12mm 공기층과 5mm 두께의 투명유리를 후면에 연속부착하여 총 27mm의 복층창을 제작하였다.
투명 박막 PV 모듈을 복층창화하여 Mock-up에 적용하기 위하여 그림1과 같은 과정을 거쳐 PV모듈 제작하였다. PV모듈 제작은 원자재 (ASI Thin-Film Cell)에 EVA 필름과 투명유리 5mm 를 라미네이션하면 10mm두께의 PV 단판모듈이 제작된다.
분석하는 방법으로 연구를 진행하였다. 특히 PV모듈의 연간 발전량 도출을 위해서 측정되지 않은 3개월간의 데이터를 30년 표준기상 데이터의 월별 일사량을 근거로 발전량을 산출하여 연간 발전성능을 비교 분석하였습니다.

대상 데이터

저장하였다. 야간 및 오류 데이터를 제외하고 최종 선별된 데이터는 56개 변수에 대한 총 12, 254, 312개의 데이터를 대상으로 통계 분석을 수행하였다.

데이터처리

분석방법은 일별로 계측된 데이터를 월별로 1차 그룹하고, 2차로 분별데이터를 그룹하고, 3차로 분별데이터를 시간별 평균 내어 그룹화 한후 산술평균 및 표준편차, 최대 및최소값에 대한 통계처리와 그래프의 형태로 분석을 수행하였다.

성능/효과

. 월별 PV복층창을 통한 발전량 및 발전효율은 태양복사의 입사각에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 연평균 발전효율은 최적 설치 각도인 SLOPE_30 3.19%, SLOPED 2.61%, SLOPE_90 1.77%로 분석되었다.
SLOPE_0의 일사량 분석결과 연간 적산 일사량이 1, 238.9 kWh/m'yr를 수열하는 것으로 나타났다. 연평균 발전량의 경우 2.
SLOPE_90의 경우에 다른 설치각도에 비해 연간 적산 일사량이 가장 작은 949.6 kWm! yr를 수열하였으며, 월별 변화는 다른 설치 각도와 반대로 12월에 115 kWh/month로 가장 많은 일사량을 수열하였고, 7월에 52.5 kWh/month를 수열하는 것으로 나타났다. 단위 출력당 연간발전량은 431.
・PV모듈을 통한 발전량 산출 이론 해석 시 태양전지 전면의 유리 투과율에 대한 입사각별 입사각 수정계수 고려 가 매우 중요한 변수인 것으로 나타났다.
그 결과 그림 6에 나타낸 것과 같이 12시를 기준으로 각 설치각별 평균 발전량도 SLOPE_30이 19.9W로 가장 높게 나타났고, SLOPE_0은 15.7W, SLOPE_90은 8.6W로 나타났다.
6 kWh/kWp.년으로 나타나 가장 우수한 경사면 대비 수평면 80%, 수직면 41%의 발전성능을 발휘 하는 것으로 평가되었다.
19 kWh/month로 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 단위 출력당 연간발전량으로 환산 할 경우 1, 060.0 kWh/kWp.yr의 발전성능을 발휘하는 것으로 평가되었다.
47 kWh/month의 발전성능 보였고, 태양고도가 낮은 12월에 가장 낮은 발전성능을 보이는 것으로 평가되었다. 단위 출력당 연간발전량으로 환산 할 경우 844.4 kWh/kWp.yr의 발전성능을 발휘하는 것으로 평가되었다.
따라서 설치각도별 연적산 일사량 분석 결과 가장 우수한 경사면인(SLOPE 30) 대비 수평면(SLOPE 0) 92%, 수직면(SLOPE 90) 71% 의 일사량을 수열하는 것으로 나타났고, 단위 출력당 연간발전량의 경우 경사면 대비 수평면 80%, 수직면 41%의 발전성능을 발휘 하는 것으로 분석되었다.
3 kWh/month로 가장 낮게 수열하였다. 발전량 분석결과 연평균 발전량은 3.62 kWh/year로 측정되었으며, 6월에 5.19 kWh/month로 발전성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 단위 출력당 연간발전량으로 환산 할 경우 1, 060.
9 kWh/m'yr를 수열하는 것으로 나타났다. 연평균 발전량의 경우 2.89 kWh/year로 측정되었고, 월별 변화를 살펴보면 6월에 가장 많은 5.47 kWh/month의 발전성능 보였고, 태양고도가 낮은 12월에 가장 낮은 발전성능을 보이는 것으로 평가되었다. 단위 출력당 연간발전량으로 환산 할 경우 844.
이를 통해 PV모듈의 발전효율 변화는 태양고도 및 방위각 변화 즉, 입사각 변화에 따라 큰 영향을 받음을 확인할 수 있다. 또한 하절기 수직면 PV모듈의 급격한 효율저하 원인은 유리의 태양복사 투과특성이 입사각 60° 이상에서 급격한 투과율 감소를 나타내기 때문에 PV 태양전지 전면의 유리 영향에 의해 이와 같은 결과가 발생된 것으로 평가된다.

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