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표제지

목차

국문요약 10

I. 서론 14

1. 연구배경 및 목적 14

2. 연구 내용 및 방법 17

II. 이론고찰 19

1. 건물일체형 태양광발전시스템 19

1) 건물일체형 태양광발전시스템의 개요 19

2) 건물일체형 태양광발전시스템의 건물 통합 방법 21

3) 건물일체형 태양광발전시스템의 건축적 고려사항 26

2. 태양전지의 종류 및 현황 28

1) 결정질 실리콘 태양전지 28

2) 염료감응형 태양전지 29

3) CIGS 박막 태양전지 30

3. 루버형 태양광발전시스템 31

1) 차양 장치의 개요 31

2) 차양 장치의 종류 32

3) 루버형 태양광발전시스템의 선행 연구 33

III. 실험을 통한 루버형 BIPV시스템의 음영과 발전영향 분석 34

1. 실험 장비를 활용한 직사광 조건의 음영 영향 분석 34

1) 실험 장비 개요 34

2) CIGS 박막 태양전지의 음영 영향 분석 35

2. 실험 장비를 활용한 확산광 조건의 음영 영향 분석 43

IV. 이론해석을 통한 루버형 BIPV 시스템의 음영과 발전영향 분석 49

1. 실험을 통한 실측 데이터와 해석프로그램 데이터 비교 분석 49

2. 루버형 BIPV 시스템의 연간 음영율 및 음영패턴 분석 51

1) 해석프로그램을 활용한 연간 월별 대표일의 음영율 분석 51

2) 해석프로그램을 활용한 계절별 음영패턴 분석 55

3. 해석프로그램의 결과에 따른 음영율과 발전성능의 관계 분석 58

4. 루버형 BIPV 시스템의 연간 발전성능 비교 분석 65

1) 슬랫의 높이에 따른 해석프로그램 발전성능 관계 분석 65

2) 루버형 BIPV 시스템의 슬랫 각도별 연간 발전성능 비교 분석 75

V. 종합토의 및 결론 84

참고문헌 88

ABSTRACT 91

표목차

표 1. 건물일체형 태양광발전시스템 유형 21

표 2. BIPV 모듈의 디자인적 고려요소 27

표 3. 분석 연구 CIGS 박막 태양전지의 전기적 특성 35

표 4. 실험 조건에 대한 측정 변수 36

표 5. Cell 단위 음영에 따른 CIGS 모듈의 특성 분석 조건 및 결과 38

표 6. 직렬 방향 음영에 따른 CIGS 모듈의 특성 분석 조건 및 결과 39

표 7. 병렬 방향 음영에 따른 CIGS 모듈의 특성 분석 조건 및 결과 40

표 8. 복합 방향 음영에 따른 CIGS 모듈의 특성 분석 조건 및 결과 41

표 9. 슬랫 설치각도 0도 발전 효율 특성 분석 조건 및 결과 45

표 10. 슬랫 설치각도 30도 발전 효율 특성 분석 조건 및 결과 46

표 11. 슬랫 설치각도 60도 발전 효율 특성 분석 조건 및 결과 47

표 12. 직사광 조건과 확산광 조건에서의 발전량 감소율 분석 48

표 13. 실험을 통한 음영율과 발전성능 분석 49

표 14. 해석프로그램 결과에 따른 음영율과 발전성능 분석 50

표 15. 중간기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(0도) 59

표 16. 하절기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(0도) 60

표 17. 중간기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(30도) 61

표 18. 하절기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(30도) 62

표 19. 중간기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(60도) 63

표 20. 하절기 대표일의 음영율과 발전량의 관계 분석 결과(60도) 64

표 21. Equivalent One-Diode Model의 분석을 위한 요소 68

표 22. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석(모듈 폭 높이) 71

표 23. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석(10mm 높이) 72

표 24. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석(2000mm 높이) 74

표 25. 슬랫의 설치 각도 0도 발전성능 분석 76

표 26. 슬랫의 설치 각도 30도 발전성능 분석 78

표 27. 슬랫의 설치 각도 60도 발전성능 분석 79

표 28. 슬랫의 설치 각도 90도 발전성능 분석 81

표 29. 월별 슬랫 최적 설치각도 발전량 분석 82

표 30. 음영 유무에 따른 설치각도별 연간 발전량 비교 분석 83

그림목차

그림 1. 연구 흐름도 17

그림 2. 건물일체형 태양광발전시스템의 사례 19

그림 3. 건물일체형 태양광발전시스템 개념도 20

그림 4. 창호일체형 태양광시스템 22

그림 5. 지붕일체형 태양광시스템 23

그림 6. 외벽일체형 태양광시스템 24

그림 7. 루버일체형 태양광시스템 25

그림 8. 발코니일체형 태양광시스템 25

그림 9. 결정계 태양전지 29

그림 10. 염료감응형 태양전지 30

그림 11. CIGS 박막 태양전지 31

그림 12. PV Analyzer I-V Curve Tracer 34

그림 13. Cell 단위 음영에 따른 발전효율 분석 결과 그래프 37

그림 14. CIGS 모듈의 부분 음영에 따른... 41

그림 15. 확산광 실험을 위한 장비 설치 모습 43

그림 16. 확산광 음영 실험 예시 44

그림 17. 직사광 조건과 확산광 조건에서의 발전량 감소율... 48

그림 18. 루버형 BIPV시스템의 설치각도 0도 음영율 분석 52

그림 19. 루버형 BIPV시스템의 설치각도 30도 음영율 분석 53

그림 20. 루버형 BIPV시스템의 설치각도 60도 음영율 분석 54

그림 21. 춘분 기준 음영 패턴 분석 55

그림 22. 하지 기준 음영 패턴 분석 56

그림 23. 동지 기준 음영 패턴 분석 57

그림 24. EnergyPlus 65

그림 25. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석... 72

그림 26. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석... 73

그림 27. 슬랫의 높이에 따른 발전량 관계 분석... 74

그림 28. 슬랫 설치 각도 0도 발전성능 분석 그래프 77

그림 29. 슬랫 설치 각도 30도 발전성능 분석 그래프 78

그림 30. 슬랫 설치 각도 60도 발전성능 분석 그래프 80

그림 31. 슬랫 설치 각도 90도 발전성능 분석 그래프 81

그림 32. 음영 유무에 따른 설치각도별 연간 발전량... 83

초록보기

태양광 발전 시스템의 유형 중 건물일체형태양광발전시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)은 기존의 건물 외피 마감재를 대신하여 PV Module을 활용하는 것으로 비용 절감과 태양광 발전 설비를 위한 부지가 필요 없고 건물에 하이테크(High-Tech)한 이미지 부여가 가능하게 된다. 커튼월, 천창, 차양, PV지붕타일 등 매우 다양한 형태로 개발되어지고 있어, 건물 외관 디자인 요소로써 활용도도 높아지고 있다. 특히 심각한 도심밀집화로 인한 대지 면적이 부족한 우리나라 상황에 가장 적합한 시스템이라고 할 수 있다.

이 중 슬랫에 태양전지를 설치한 루버형(차양형) 태양광발전시스템은 직사일광에 의해 전력을 생산하는 융합 채광장치로 최근 다양한 형태로 개발되고 있는 저용량 마이크로 태양발전장치의 하나라 할 수 있다.

이러한 건축물에 설치하는 루버형 태양광발전시스템은 구조적 안정성과 시공 편의성을 위해 경량화가 요구되고 있는 상황이다. CIGS 박막 태양전지는 기존의 유리기판 기반의 태양전지에 비해 가볍고 두루마리 형태의 제품화가 가능하기 때문에 부피가 작고 설치가 용이한 장점이 있다. 따라서 루버형 태양광시스템에 CIGS 박막 태양전지를 적용한다면 경량화와 시공편의성을 모두 잡을 수 있다. 그리고 기존 유리기판 기반의 태양전지와 달리 박막형태로 파손이나 내구성에서도 더욱 효과적이다.

하지만 루버형 태양광발전시스템은 슬랫의 각도에 따라 위 슬랫에 의한 아래 슬랫의 음영이 반드시 발생할 수밖에 없다.

이러한 배경 하에 본 연구의 목적은 CIGS 박막 태양전지를 적용한 루버형 태양광발전시스템에서 루버의 슬랫 각도에 따라 발생하는 음영의 음영율, 패턴 등을 분석하여 발전시스템에 미치는 영향에 대해 규명 하는데 있다.

실측 실험을 통한 CIGS 박막 태양전지의 음영에 따른 발전 특성을 분석하고, 실험을 토대로 해석프로그램에 적용하여 루버형 BIPV 시스템의 음영율과 음영패턴 및 연간 발전량을 분석하였다.

본 연구를 통해 도출된 주요 연구결과는 다음과 같다.

1) 실험을 통한 루버형 BIPV 시스템의 음영과 발전영향 분석

① 직사광 조건에서의 음영 영향 분석에서는 직렬 방향 음영의 경우 음영 면적 비율 10 %에서 발전효율 11.76 %, 음영 70 %에서 발전효율 0.55 %, 음영 80 %에서 0.08 %, 음영 90 ~ 100 %에서 발전효율 0.0 %가 산출되어 음영 면적이 70 % 이상일 경우 모듈의 발전 기능이 상실되는 것으로 분석되었다. 병렬 방향 음영의 경우 음영 면적 비율 10 ~ 100 %까지 선형적인 발전효율 감소를 보였다. 복합 방향 음영의 경우 직렬 방향 음영과 비슷한 발전효율 감소를 보였으나, 음영 면적 비율이 40 % 이상일 경우부터 직렬 방향 음영보다 낮은 발전효율을 나타냈다. 직렬 방향과 마찬가지로 음영 면적이 70 % 이상일 경우 모듈의 발전 기능이 상실되는 것으로 분석되었다.

② 확산광 조건에서의 음영 영향 분석에서는 음영이 0 ~ 100 %까지 선형적으로 발전량이 감소하는 모습을 보였다. 같은 음영 조건에서 직사광 조건과 확산광 조건을 비교하여 발전량 감소율의 차이를 보았을 때, 3.95 ~ 15.85 %의 차이를 보였다. 두 발전량 감소율의 차이가 확산광의 유무 차이를 나타내고 있다.

2) 이론해석을 통한 루버형 BIPV 시스템의 음영과 발전영향 분석

① 해석프로그램을 활용한 연간 월별 대표일의 음영율 분석에서는 상부 슬랫 대비 하부 슬랫에 발생하는 음영 면적 비율을 분석하였다. 음영은 고도각이 높아지는 여름철에 집중적으로 발생하고, 고도각이 낮은 겨울철에는 음영의 발생 빈도가 매우 적다. 앞선 실험에서 직사광을 기준으로 모듈의 발전성능이 상실하는 구간인 면적의 약 70 %이상인 구간은 연간으로 보았을 때 설치 각도 0도에서 약 25.68 %, 설치각도 30도에서 약 25.34 %, 설치 각도 60도에서 약 21.58 %로 나타났다.

② 해석프로그램 결과에 따른 음영율과 발전성능의 관계 분석에서는 설치각도에 따른 음영 면적 대비 발전량 감소율의 관계를 보았다. 중간기에는 전반적으로 음영이 적게 발생하고 상부 슬랫 대비 하부슬랫의 발전량은 0도에서는 20.0 ~ 36.3 %, 30도에서는 31.6 ~ 46.2 %, 60도에서는 30.9 ~ 39.5 % 감소하였다. 연중 고도각이 가장 높은 하절기에는 70 % 이상 음영이 발생하는 구간이 대부분으로 발전량 감소율도 대부분 70 %를 밑돌거나 그 이상으로 나타났다. 60도 각도에서는 다른 각도보다 영향을 덜 받아 49.0 ~ 60.4 % 정도 감소하는 모습을 보였다.

③ 슬랫 각도별 연간 발전성능 분석에서는 해석프로그램을 활용하여 슬랫의 설치각도에 따른 연간 발전성능을 비교 분석하였다. 슬랫의 각도별 연간 발전량은 0도 기준 총발전량은 379.58 kWh, 설치용량으로 환산한다면 474.48 kWh/kWp, 연평균 발전시간은 1.30 h, 30도 기준 총발전량은 543.54 kWh, 설치용량으로 환산한다면 679.42 kWh/kWp, 연평균 발전시간은 1.86 h, 60도 기준 총발전량 578.80 kWh, 설치용량으로 환산한다면 723.50 kWh/kWp, 연평균 발전시간은 1.98 h, 90도 기준 총발전량은 581.81 kWh, 설치용량으로 환산한다면 727.27 kWh/kWp, 연평균 발전시간은 1.99 h으로 나타났다.

최적각도의 연간 발전량을 분석하였을 때, 총발전량은 580.47 kWh, 설치용량으로 환산한다면 725.59 kWh/kWp, 연평균 발전시간은 1.99 h으로 90도 각도의 연간 발전량과 매우 흡사하게 나타났다.

슬랫 10장을 기준으로 음영유무에 따른 연간 발전량 감소량은 0도에서 44.9 %, 30도에서 42.5 %, 60도 각도에서 35.1 %, 90도 각도에서 0.0 %로 나타났다. 음영의 영향이 없는 경우에는 30도 각도가 발전량이 가장 많았지만, 음영의 있는 경우에는 60도 각도가 발전량이 더 많았고 90도 각도보다는 적었다.

분석 결과를 통해 연간 최적각도 발전량과 연간 수직면 발전량이 매우 흡사한 것을 알 수 있었다. 향후 연구에서는 CIGS 박막 태양전지의 장기적 실험 데이터의 모니터링을 통해 실제 모듈의 연간 발전량 분석이 필요할 것으로 판단된다.

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