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표제지

국문요약

Abstract

목차

기호설명 20

제1장 서론 22

1.1. 연구 배경 및 목적 22

1.2. 연구방법 및 범위 25

1.3. 연구동향 28

제2장 태양광발전 및 BIPV 시스템의 이론적 고찰 31

2.1. 태양 에너지 32

2.2. 태양전지 38

2.2.1. 태양전지의 발전원리 38

2.2.2. 태양전지의 기술분류 40

2.2.3. 태양전지의 전기적 특성 43

2.3. PV 모듈 48

2.3.1. PV 모듈의 기술분류 48

2.3.2. PV 모듈의 발전효율 가감 요인 51

2.4. PCS(Power Conditioning System) 65

2.5. BIPV 시스템의 개요 68

2.5.1. BIPV 시스템의 적용 기법 69

2.5.2. BIPV 시스템의 잠재량 74

제3장 기후환경을 고려한 BIPV 시스템의 성능평가 및 설계 82

3.1. 개요 82

3.2. 기후환경을 고려한 BIPV 모듈의 성능평가 83

3.2.1. 실험방법 및 조건 85

3.2.2. 실험결과 및 고찰 87

3.3. BIPV 시스템의 설계 90

3.3.1. 모듈 및 어레이 설계 91

3.3.2. 인버터 설계 100

3.3.3. 발전성능 계수 102

3.4. 소결 104

제4장 BIPV 시스템 발전량 예측을 위한 모델링 106

4.1. 개요 106

4.2. BIPV 모듈의 비정상상태 해석 모델링 106

4.2.1. PV 모듈 전면 부분 109

4.2.2. 태양전지 부분 111

4.2.3. PV 모듈 후면 부분 111

4.2.4. 초기 및 경계조건 112

4.2.5. 열전달 계수 113

4.3. BIPV 모듈의 발전성능 모델링 116

4.3.1. 모듈의 성능을 계산하기 위한 단락전류 118

4.3.2. 모듈의 성능을 계산하기 위한 개방전압 119

4.3.3. 모듈의 성능을 계산하기 위한 FF 119

4.3.4. 모듈의 성능을 계산하기 위한 최대 출력 121

4.3.5. 발전량 모델링 검증 123

4.4. 소결 130

제5장 BIPV 시스템의 발전성능 측정 및 분석 132

5.1. 개요 132

5.2. 후면부재에 따른 BIPV 모듈 성능 132

5.2.1. PV 모듈의 광학적 특성 132

5.2.2. 실험방법 및 조건 133

5.2.3. 실험결과 및 고찰 141

5.3. BIPV 시스템의 발전성능 분석 149

5.3.1. 발전성능 측정 방법 및 조건 149

5.3.2. 발전성능 측정 결과 및 분석 154

5.4. 시뮬레이션 분석 162

5.4.1. 개요 162

5.4.2. 시뮬레이션 방법 162

5.4.3. 시뮬레이션 결과 167

5.5. 소결 169

제6장 사례연구 : BIPV 공동주택 171

6.1. 개요 171

6.2. 발전성능 시뮬레이션 분석 173

6.2.1. 공동주택 적용을 위한 BIPV 시스템 173

6.2.2. 시뮬레이션 방법 및 조건 176

6.2.3. 시뮬레이션 결과 및 고찰 179

6.3. 경제성 분석 187

6.3.1. 개요 187

6.3.2. 경제성 분석을 위한 고려 요소 188

6.3.3. 적용단지 경제성 분석 190

6.4. 소결 194

제7장 결론 196

참고문헌 199

부록 205

표목차

표 2-1. 모듈 및 태양전지 효율 42

표 2-2. 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지 비교 43

표 2-3. PV 모듈용 표면유리의 일반 특성 50

표 2-4. 설치조건에 따른 일사량 분포(대전지역) 54

표 2-5. 결선방법에 따른 음영 영향 비교 58

표 2-6. 모듈 종류별 온도계수 60

표 2-7. 태양광 인버터의 시스템적 분류에 따른 비교 66

표 2-8. BIPV 시스템의 디자인 패턴 70

표 2-9. 세계 주요 녹색도시 사례 75

표 2-10. 주택타입별 건설된 총 주택 수 78

표 2-11. 설치된 계통연계형 PV설치량 및 신축 주택 BIPV 잠재량 79

표 3-1. 국내외 적용구격 84

표 3-2. PV 모듈별 적용 시험 항목 87

표 3-3. 초기 전기적 특성 시험 결과 87

표 3-4. 초기 절연저항 시험 결과 88

표 3-5. 환경시험 항목별 전기적 출력 88

표 3-6. 환경시험 전후의 절연저항 비교 89

표 3-7. 설치면적에 따라 PV 모듈 선정 92

표 3-8. 설치용량에 따라 PV 모듈 선정 93

표 3-9. 20년간 계절별 평균 최저기온(1988~2007) 94

표 3-10. 건물 수직부에 PV 모듈 설치 시 경사각별 모듈 간 이격거리 비교 97

표 3-11. 건물 수평부에 PV 모듈 설치 시 경사각별 모듈 간 이격거리 비교 98

표 3-12. 설치경사각에 따른 발전량 및 비용 절약 비교 100

표 4-1. PV 모듈 구성재료의 물성치 108

표 4-2. 모듈 규격 및 어레이 구성 123

표 4-3. 발전성능 모델링 보정계수 129

표 5-1. PV 모듈의 구조 및 초기출력 135

표 5-2. PV 모듈의 열저항 부하 135

표 5-3. AC모듈(인버터) 규격 139

표 5-4. PV 모듈의 출력 142

표 5-5. PV 모듈의 출력 143

표 5-6. 초기 전기적 특성 실험 결과 144

표 5-7. 모듈 규격 및 어레이 구성 151

표 5-8. Sunny boy SWR 850 inverter 규격 151

표 5-9. Sunny boy SWR 850 inverter 효율 152

표 5-10. 모니터링 데이터 측정항목 153

표 5-12. 각각의 PV 어레이 전력 비교 169

표 6-1. 적용 대상 건물 정보 176

표 6-2. 대상건물에 적용한 BIPV 모듈 사양 179

표 6-3. 적용 대상 건물별 BIPV 모듈 설치 용량 179

표 6-4. A동 시뮬레이션 결과 180

표 6-5. B동 시뮬레이션 결과 181

표 6-6. C동 시뮬레이션 결과 183

표 6-7. D동 시뮬레이션 결과 184

표 6-8. E동 시뮬레이션 결과 186

표 6-9. 공동주택 BIPV 시스템(G to G) 초기 투자비용 189

표 6-10. 공동주택 BIPV 시스템(Back sheet) 초기 투자비용 189

표 6-11. 주택용 고압 요금 190

표 6-12. 공동주택 BIPV 시스템(G to G)의 설치비용 191

표 6-13. 공동주택 BIPV 시스템(Back sheet)의 설치비용 192

표 6-14. 절약 가능한 연간 전기요금 192

표 6-15. 경제적 효과 분석 193

부록표목차

표 부록-1. 경제성 분석(A동) 208

표 부록-2. 경제성 분석(B동) 209

표 부록-3. 경제성 분석(C동) 210

표 부록-4. 경제성 분석(D동) 211

표 부록-5. 경제성 분석(E동) 212

그림목차

그림 1-1. 에너지 사용 비중 23

그림 1-2. 연구 흐름도 27

그림 2-1. 태양광발전시스템 기본 구성도 31

그림 2-2. 태양 광선의 분광 분포 33

그림 2-3. 대기 노정 34

그림 2-4. 경사면에 따른 태양 위치에 관한 기하학 35

그림 2-5. 북반구 남측 경사면의 위도, 경사각, 입사각의 관계 36

그림 2-6. n형과 p형 반도체 39

그림 2-7. p-n 접합 39

그림 2-8. 재료에 따른 태양전지의 분류 41

그림 2-9. 4-파라미터 등가회로 44

그림 2-10. 곡선인자 46

그림 2-11. 파라미터 등가회로 46

그림 2-12. 직렬 저항 성분의 증가에 따른 I-V 특성의 변화 47

그림 2-13. 병렬 저항 성분의 감소에 따른 I-V특성의 변화 47

그림 2-14. 온도 변화에 따른 I-V 특성의 변화 48

그림 2-15. 일사량 변화에 따른 I-V 특성의 변화 48

그림 2-16. 태양전지 스트링 구성 49

그림 2-17. 일반 지상용 PV 모듈 구조 49

그림 2-18. 설치조건에 따른 일사량 분포 53

그림 2-19. 일사량에 따른 PV 모듈 I-V 및 P-V 곡선 55

그림 2-20. 음영 발생 요인 56

그림 2-21. 외부 장애물에 의한 부분음영의 영향 (I-V 및 P-V 곡선) 57

그림 2-22. 어레이 결선도 58

그림 2-23. 음영에 의한 I-V 곡선 비교 58

그림 2-24. PV 시스템의 에너지 흐름 59

그림 2-25. 온도변화에 따른 PV 모듈 I-V 및 P-V 곡선 60

그림 2-26. BIPV 적용 방법에 따른 에너지 손실 61

그림 2-27. 동일한 전기적 특성을 가진 태양전지의 직·병렬연결 62

그림 2-28. 전류특성이 다른 태양전지의 직·병렬연결 63

그림 2-29. 전압특성이 다른 태양전지의 직·병렬연결 64

그림 2-30. 스트링 내의 불량한 태양전지 65

그림 2-31. 계통연계형 태양광 인버터의 시스템 분류 66

그림 2-32. 결정질 BIPV 모듈 69

그림 2-33. 박막 BIPV 모듈 69

그림 2-34. 지붕일체형 태양광주택 설치사례 71

그림 2-35. BIPV 커튼월 개념도 73

그림 2-36. DPG 공법 73

그림 2-37. 세계 태양전지 시장 규모 및 예측(2006~2013) 76

그림 2-38. 세계 BIPV 시장 규모 및 예측(2009~2016) 77

그림 2-39. 태양광주택의 잠재량 80

그림 3-1. PV 모듈의 성능평가 흐름도 85

그림 3-2. PV 모듈의 외형 및 개념도 86

그림 3-3. 외관 변형(하부 금속패널 도막 박리(좌), 단열재 파손(우)) 90

그림 3-4. 건물 수직부분 PV 모듈 간 이격거리 96

그림 3-5. 설치경사각에 따른 수직부분 PV 모듈 간 이격거리 97

그림 3-6. 건물 수평부분 PV 모듈 간 이격거리 98

그림 3-7. 설치경사각에 따른 수평부분 PV 모듈 간 이격거리 99

그림 3-8. 설치경사각에 따른 연간 출력전력량 99

그림 4-1. PV 모듈 개념도 107

그림 4-2. PV 모듈 열교환 개념도 110

그림 4-3. PV 어레이 발전성능 시뮬레이션 흐름도 117

그림 4-4. 기상데이터 : 일사 및 외기온도 124

그림 4-5. PV 어레이 출력 비교(동지) 124

그림 4-6. 일사강도에 따른 PV 어레이 출력 비교(동지) 125

그림 4-7. PV 어레이 출력 간의 상관관계(동지) 125

그림 4-8. PV 어레이 출력 비교(하지) 126

그림 4-9. 일사강도에 따른 PV 어레이 출력 비교(하지) 126

그림 4-10. PV 어레이 출력 간의 상관관계(하지) 127

그림 4-11. PV 어레이 출력 비교(추분) 127

그림 4-12. 일사강도에 따른 PV 어레이 출력 비교(추분) 128

그림 4-13. PV 어레이 출력 간의 상관관계(추분) 128

그림 4-14. PV 어레이 출력 간의 상관관계 130

그림 5-1. Zero-depth concentration effect 133

그림 5-2. PV 모듈 설치 전경 136

그림 5-3. BIPV 모듈 설치 전경 137

그림 5-4. BIPV 모듈의 온도센서 위치 138

그림 5-5. BIPV 모듈의 온도센서 위치 138

그림 5-6. AC모듈의 발전성능 결과 140

그림 5-7. 출력전류 센싱 가공 회로 141

그림 5-8. 후면부재별 반사율 141

그림 5-9. 후면부재 따른 I-V 곡선 142

그림 5-10. PV 모듈 후면 온도 143

그림 5-11. A Model_3 모듈의 레이어 별 온도 변화(동절기) 145

그림 5-12. A Model_3 모듈의 레이어 별 온도 변화(하절기) 145

그림 5-13. B Model_3 모듈의 레이어 별 온도 변화(동절기) 146

그림 5-14. B Model_3 모듈의 레이어 별 온도 변화(하절기) 146

그림 5-15. 전면 Metal 부 온도 비교(동절기) 147

그림 5-16. 전면 Metal 부 온도 비교(하절기) 147

그림 5-17. A Model_3과 B Model_3의 출력 비교(동절기) 148

그림 5-18. A Model_3과 B Model_3의 출력 비교(하절기) 149

그림 5-19. 발코니형 BIPV 시스템 전경(좌), BIPV 모듈 상세(우) 150

그림 5-20. 발코니형 BIPV 시스템의 기본설계구성 150

그림 5-21. 측정 장비 153

그림 5-22. 연간 일사량 분포 154

그림 5-23. 동절기 수평면 일사량 155

그림 5-24. 동절기 수직면 일사량 155

그림 5-25. 월별 PV 어레이 발전량 156

그림 5-26. 월별 시스템 발전량 156

그림 5-27. PV 어레이 및 시스템 변환효율 157

그림 5-28. 월별 성능계수(PR) 158

그림 5-29. 월별 성능결과 159

그림 5-30. 월별 등가 PV 어레이 가동시간 160

그림 5-31. 월별 등가 시스템 가동시간 161

그림 5-32. 월별 PV 시스템 등가 가동시간 161

그림 5-34. 음영분석_하지 163

그림 5-35. 음영분석_춘·추분 163

그림 5-36. 음영분석_동지 164

그림 5-37. 기후 데이터 입력 165

그림 5-38. PV 모듈 특성 입력 165

그림 5-39. 인버터 특성 입력 166

그림 5-40. 인버터 변환효율 입력 166

그림 5-41. PVSYST에 의한 월별 PV 어레이 발전량 167

그림 5-42. PVSYST에 의한 월별 시스템 어레이 발전량 168

그림 5-43. 각각의 PV 어레이 전력값 비교 168

그림 6-1. BIPV 공동주택의 개념 171

그림 6-2. 적용 대상 건물(B동) 입면도 및 적용 상세도 172

그림 6-3. 공동주택 BIPV 시스템 적용 사례_1 174

그림 6-4. 공동주택 BIPV 시스템 적용 사례_2 174

그림 6-5. 공동주택의 주요 주동형태(상: 판상형, 하: 탑상형) 175

그림 6-6. 적용 대상건물 배치도 177

그림 6-7. 적용 대상건물 모델링 178

그림 6-8. A동 성능계수 180

그림 6-9. B동 성능계수 182

그림 6-10. C동 성능계수 183

그림 6-11. D동 성능계수 185

그림 6-12. E동 성능계수 186

그림 6-13. 공동주택 BIPV 시스템의 연간 발전량 191

부록그림목차

그림 부록-1. BIPV 적용사례_상부 205

그림 부록-2. BIPV 적용사례_상부 205

그림 부록-3. BIPV 적용사례_수직부 206

그림 부록-4. BIPV 적용사례_수직부 206

그림 부록-5. BIPV 적용사례_구성요소 207

그림 부록-6. BIPV 적용사례_구성요소 207

초록보기

화석연료가 고갈되고 대기오염이 심각해짐에 따라, 이를 해결하기 위한 노력으로 전 세계적으로 그린에너지 붐이 일어나고 있다. 이에 신재생에너지 중에 하나인 태양광발전(photovoltaic ; PV) 시장이 2000년 이후로 연간 약 52%씩 확대되고 있으며, 삶의 질이 높아지면서 건물부문의 에너지소비량이 증가함에 따라 건물일체형 태양광(BIPV)시스템의 시장 또한 급속도로 커지고 있다.

BIPV 시스템은 본래의 기능인 전기에너지 생산은 물론 건물의 구성요소 즉, 지붕자재, 창호, 파사드 그리고 차양 등에 이용이 가능하다. 또한 건물부문에 BIPV 시스템을 적용할 경우 생산된 전력을 송배전에 의한 손실 없이 직접 사용할 수 있다.

기존의 가정용 3㎾급 roof-top 시스템이나 대규모 발전소 단위의 태양광시스템의 경우 설계 프로세스가 비교적 용이하나, BIPV 시스템의 경우 한정된 면적에 서로 다른 분야를 접목시켜 설치해야하므로, 시스템 용량에 따라 PV 모듈을 선택하거나, PV 모듈 설치 유효면적에 따라 시스템 용량을 조절해야하는 경우가 발생한다. 그러기 위해서는 기본적으로 건축물 설계자가 본인이 의도하는 설치부분에 디자인 요소 및 액티브시스템으로써 설치되는 PV 시스템이 전기적·건축적 기능 모두를 충분히 수행할 수 있는지를 확인할 수 있어야만, 그렇지 않을 경우 즉각적인 수정이 가능할 것이다.

이에 본 논문에서는 BIPV 시스템의 발전성능에 영향을 끼치는 외부환경(일사강도, 외기온도, 음영 등) 인자와 PV 모듈의 자체 성능(PV 모듈의 균일한 전기적 성능 및 건축재료로써의 내구성) 인자에 대한 분석을 통해 BIPV 시스템의 발전성능 분석과 신뢰성 평가를 수행하여, BIPV 시스템 설계를 위한 기초자료로 사용하고자 한다.

BIPV 모듈의 전기적·건축적 성능분석을 위해서는 국내 KS C IEC 61215 규격 하에 가속 노후화 시험을 수행하여 열적 부정합, 피로 및 기타 스트레스에 대한 모듈의 내구성을 검토하였으며, 본래의 기능인 전기에너지 생산전원으로써의 성능을 실험 전·후의 전기적 지표로 하여 그 결과 값을 비교·검토하였다. PV 모듈은 환경조건에 따라 발전 특성이 다르게 나타나므로, PV 모듈의 발전성능은 국내외에서 기준조건으로 사용하고 있는 표준 시험조건 하에서 평가하였다. 이 평가는 물론 PV 모듈의 환경적 시험은 국내 PV 모듈 인증시험기관인 한국에너지기수연구원에서 수행하였다.

상이한 기후조건하에 BIPV 시스템의 발전성능 예측부분은 Matlab 프로그램을 작성하여 예측하였다. 흡수된 태양에너지 중 전기에너지로 변환되지 못한 에너지가 열에너지로 전환되면서 태양전지의 효율을 저감시킴으로 환경조건에 따른 PV 모듈의 온도변화를 비정상상태의 열평형 방정식을 통해 유한차분법으로 분석하였다. BIPV 모듈을 전면유리, 태양전지 및 후면부재를 나누어, 노드 사이에 복사, 대류 그리고 전도 교환 이득과 환경이 열에너지 평형획득에 적용되며, 방정식을 간단히 하기 위해 저항 대신하여 컨덕턴스 G를 채택했다. 또한 BIPV 시스템의 발전성능에 영향을 미치는 전기적 설계 파라미터 즉, 일사량에 따른 단락전류 ISC, 온도에 따른 개방전압 VOC, 곡선인자 FF 그리고 최대출력 Pmax등을 계산하여 PV 모듈 또는 어레이의 최대전력점 MPP(maximum power point) 계산방법을 도출하였으며, 이론 해석 결과의 검증을 위해 실측결과와 모델링 결과의 상관관계를 분석하고 보정계수를 산출하였다.

건물의 파사드 부분에 장기간 설치되어있는 발코니 BIPV 시스템의 성능 및 신뢰성 분석은 실측 데이터를 이용해 수행하였으며, 그 결과를 토대로 건물의 파사드에 적합한 발코니형 BIPV 시스템을 대상건물에 적용하여, 그 적용타당성과 발전량 예측 그리고 그에 따른 에너지 수급효과를 추계하였다.

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