BIPV 시스템의 발전성능 분석 및 신뢰성 평가에 관한 연구 = Study on the Performance Analysis and Reliability Assessment for BIPV System

국문 초록 (Abstract)

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 를 채택했다. 또한 BIPV 시스템의 발전성능에 영향을 미치는 전기적 설계 파라미터 즉, 일사량에 따른 단락전류 , 온도에 따른 개방전압 , 곡선인자 그리고 최대출력 등을 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.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구방법 및 범위 4
• 1.3 연구동향 7
• 제 2 장 태양광발전 및 BIPV 시스템의 이론적 고찰 10
• 2.1 태양 에너지 11
• 2.2 태양전지 17
• 2.2.1 태양전지의 발전원리 17
• 2.2.2 태양전지의 기술분류 19
• 2.2.3 태양전지의 전기적 특성 22
• 2.3 PV 모듈 27
• 2.3.1 PV 모듈의 기술분류 27
• 2.3.2 PV 모듈의 발전효율 가감 요인 30
• 2.4 PCS(Power Conditioning System) 44
• 2.5 BIPV 시스템의 개요 47
• 2.5.1 BIPV 시스템의 적용 기법 48
• 2.5.2 BIPV 시스템의 잠재량 53
• 제 3 장 기후환경을 고려한 BIPV 시스템의 성능평가 및 설계 61
• 3.1 개요 61
• 3.2 기후환경을 고려한 BIPV 모듈의 성능평가 62
• 3.2.1 실험방법 및 조건 64
• 3.2.2 실험결과 및 고찰 66
• 3.3 BIPV 시스템의 설계 69
• 3.3.1 모듈 및 어레이 설계 70
• 3.3.2 인버터 설계 79
• 3.3.3 발전성능 계수 81
• 3.4 소결 83
• 제 4 장 BIPV 시스템 발전량 예측을 위한 모델링 85
• 4.1 개요 85
• 4.2 BIPV 모듈의 비정상상태 해석 모델링 85
• 4.2.1 PV 모듈 전면 부분 88
• 4.2.2 태양전지 부분 90
• 4.2.3 PV 모듈 후면 부분 90
• 4.2.4 초기 및 경계조건 91
• 4.2.5 열전달 계수 92
• 4.3 BIPV 모듈의 발전성능 모델링 95
• 4.3.1 모듈의 성능을 계산하기 위한 단락전류 97
• 4.3.2 모듈의 성능을 계산하기 위한 개방전압 98
• 4.3.3 모듈의 성능을 계산하기 위한 FF 98
• 4.3.4 모듈의 성능을 계산하기 위한 최대 출력 100
• 4.3.5 발전량 모델링 검증 102
• 4.4 소결 109
• 제 5 장 BIPV 시스템의 발전성능 측정 및 분석 111
• 5.1 개요 111
• 5.2 후면부재에 따른 BIPV 모듈 성능 111
• 5.2.1 PV 모듈의 광학적 특성 111
• 5.2.2 실험방법 및 조건 112
• 5.2.3 실험결과 및 고찰 120
• 5.3 BIPV 시스템의 발전성능 분석 128
• 5.3.1 발전성능 측정 방법 및 조건 128
• 5.3.2 발전성능 측정 결과 및 분석 133
• 5.4 시뮬레이션 분석 141
• 5.4.1 개요 141
• 5.4.2 시뮬레이션 방법 141
• 5.4.3 시뮬레이션 결과 146
• 5.5 소결 148
• 제 6 장 사례연구 : BIPV 공동주택 150
• 6.1 개요 150
• 6.2 발전성능 시뮬레이션 분석 152
• 6.2.1 공동주택 적용을 위한 BIPV 시스템 152
• 6.2.2 시뮬레이션 방법 및 조건 155
• 6.2.3 시뮬레이션 결과 및 고찰 158
• 6.3 경제성 분석 166
• 6.3.1 개요 166
• 6.3.2 경제성 분석을 위한 고려 요소 167
• 6.3.3 적용단지 경제성 분석 169
• 6.4 소결 173
• 제 7 장 결론 175
• 참고문헌 178
• 부록 184