工學碩士學位 請求論文

외주부 환경 개선을 위한태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템 응용

AAAppppppllliiicccaaatttiiiooonnnooonnnBBBIIIPPPVVV SSSyyysssttteeemmm FFFuuunnnccctttiiiooonnneeedddaaasssSSSooolllaaarrrCCCooolllllleeeccctttooorrrfffooorrrEEEnnnvvviiirrrooonnnmmmeeennntttIIImmmppprrrooovvveeemmmeeennnttt

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2007 2007 2007 2007 年年年年 8 8 8 8 月月月月

仁荷大學校 大學院

建築工學科(計劃專攻)

閔 聖 惠

工學碩士學位 請求論文

외주부 환경 개선을 위한태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템 응용

AAAppppppllliiicccaaatttiiiooonnnooonnnBBBIIIPPPVVV SSSyyysssttteeemmm FFFuuunnnccctttiiiooonnneeedddaaasssSSSooolllaaarrrCCCooolllllleeeccctttooorrrfffooorrrEEEnnnvvviiirrrooonnnmmmeeennntttIIImmmppprrrooovvveeemmmeeennnttt

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2007 2007 2007 2007 年年年年 8 8 8 8 月月月月

指導敎授 徐 承 稷

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

이 論文을 閔 聖 惠의 碩士學位 論文으로 認定함.

2007年 8月

主審 :

副審 :

委員 :

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국문 요약

태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템 제안 및외주부 환경 개선을 위한 연구

仁荷大學校 大學院建 築 工 學 科閔 聖 惠

세계적으로 유가의 급등,교토의정서 발효에 따라 석유 수입 의존율이 높고,일인당 에너지 소비량이 우리보다 3배 이상인 일본,독일의 소비량보다 더 큰 우리나라는 에너지 절약과 에너지 전환을 위한 신재생에너지 개발이 시급하다.하지만 발코니 확장법안의 통과로 외주부가 외부에 버퍼존(BufferZone)없이 노출됨으로써 열적 측면에서 전 분야 에너지 소비의 약15%를 차지하는 주거부분의 소비량이 이로써 오히려 더 증가될 것으로 보인다.한편 국토 면적이 작은 우리나라에서 초고층 건물의 건설이 점차 증가하고 있는 가운데 시공 공법에 따른 외피 경량화로 열적 취약부분인 외주부의 보강이 불가피하다.즉,재실자의 온열환경 개선을 위해 더 많은 에너지를 소비해야 하며,또는 보강하는 설비시설을 추가하고 있다.

대체에너지 개발에 있어서 태양을 이용하는 방법을 빼놓을 수 없다.특히 우리나라 전기 생산에 있어서 화석연료 석유와 원자력 에너지에 의존하고 있지만 수십 년 안에 고갈될 것이다.우리나라 인천과 전남 무안 그리고 경기도 등에 태양광발전소를 설치하고 계획하고 있다.하지만 1인당 전기

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소비량이 7285kWh,즉 서울에서 필요로 하는 양만하여도 728억 kWh이다.한국의 경우 태양광발전기 1kW에서 연평균 1000kWh의 전기가 생산되므로728억 kWh의 전기를 생산하기 위해서 필요한 태양전지의 면적은 728km2로서울 면적 605.40km2를 넘는다.또한 국토면적이 작은 나라로써 많은 땅을발전소로 쓸 수만은 없기 때문에 건물에 PV를 설치하는 BIPV방식이 필요하다.

본 연구에서는 태양광으로부터 PV를 통하여 전기를 생산하고,이 시스템의 효율의 극대화를 위해 PV 발열을 실내로 들여 사용하고 태양열의이용까지 결합하여 건물 외벽면에 사용할 수 있는 신재생에너지 시스템을제안하였고,Fortran언어와 IES-VE Suncast프로그램을 사용하여 건물에적용하기 위한 시스템의 응용 위한 연구를 수행하였다.

- iii -

Abstract

AAAppppppllliiicccaaatttiiiooonnnooonnnBBBIIIPPPVVV SSSyyysssttteeemmm FFFuuunnnccctttiiiooonnneeedddaaasssSSSooolllaaarrrCCCooolllllleeeccctttooorrrfffooorrrEEEnnnvvviiirrrooonnnmmmeeennntttIIImmmppprrrooovvveeemmmeeennntttiiinnnPPPeeerrriiimmmeeettteeerrrZZZooonnneee

GraduateSchoolofInhaUniversityArchitecturalEngineering

SunghyeMin

According to the extremely increasing oilprice and Kyotoprotocol,Koreashouldtrytodeveloprenewableenergyanditssystemsfor decreasing energy consumption and energy reconversion,becauseKoreahaveasignificantamountofenergyconsumption incomparisontoJapanorGerman. However,Koreapassedabillwhichmakespeoplewholiveinapartmentpossibletomergetheirinteriorroom andbalcony,whichisbufferzonetoavoidadjoiningexteriordirectly.Thus,energyamountusedinhomeisabout15% oftotalenergyconsumptionandwillincrease bigger and bigger.Also,due to progressing multi-storiedbuildingsandskyscrapers,perimeterzonehasbeenreinforcedbyactivesystems,suchasfan-coilunits,becauseitcausesanincreaseinheatingand cooling loads,dew condensation in winter,or discomfort withcold-draft to residents in buildings, through poor insulation bylight-weighedskin.

Wecannotignoresolarenergyinrenewableenergydevelopment.Especially,althoughKoreacountsonfossilfuelandnuclearenergy,theyaregoingtobeexhaustedinsomedecades.Therefore,recently,KoreabuildedsunpowerplantsinYoungheung,IncheonandMuan,Chunnamandhavemoreplanstoconstructthem,suchasinKyungkido.However,

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yearly Korea'selectricity consumption perperson is7285kWh,thatisneeded728billionkWhinSeoul.AsanamountofgeneratedpowerfromPV 1kW(10m2area)forayearis1000kWhinKorea,728km2isneeded,butSeoulareaisonly605.40km2.Plus,Koreaisthenationwithsmalllandmass,soitcannotinstallthePV system onlandtogenerateenergytheyneed,becauseitwouldconsumetoomuchpreciousland.Therefore,itisinevitabletodevelopBIPV system.

Thus,IproposedBIPV system functionedassolarcollectorwhichcan substituteactivesystem.In thisstudy,heatbalanceequation insteady-stateby Fortranwasusednotonly forpre-heating effectandelectricpowercapacity during theday inwinter,butalsoforelectricpowercapacity during day in summerandsky radiation effectduringnightinsummer.Especially,weshouldhaveconsideredshadingonPVbyIESSuncast,sinceevenalittlebitofitmakestheefficiencytoolowforthePV towork.Still,whenthefluxofpre-heatedairwasincreasedtomakeair-barrier,itstemperaturewasnotenoughtomakeitbecausethespeedofheatexchangewastoofasttowarm uptheair,sothecapacitytomeettheconditionwasevaluated,andelectricpowerfrom PVwasmadeusedforit.

Asaresult,insummerday,thePV panelshouldbetiledin70degreestogain themostelectricpower.During programming,itwasfoundoutthatlastmodelhadtoomuchshadingtobeeffectiveandthenitwasrevised.ItshouldbeconsiderednotonlysolaraltitudebutalsoitsazimuthtoavoidshadingwhichmakesPV modulesinefficient.Moreover,inwinterday,wecouldverifythatthismodelmakeshighertemperatureandheatfluxunder0.02m/s.Ontheotherhand,thePV hadthehighefficiencywithhighvelocitybecauseofcoolingeffectbehindthePV.

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---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서론론론

111---111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

111---222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

제제제 222장장장 BBBIIIPPPVVV 시시시스스스템템템 동동동향향향 및및및 기기기술술술에에에 관관관한한한 고고고찰찰찰

222---111현현현재재재의의의 BBBIIIPPPVVV 시시시스스스템템템 동동동향향향 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․5

222---222BBBIIIPPPVVV 시시시스스스템템템 동동동향향향 및및및 기기기술술술에에에 관관관한한한 고고고찰찰찰 ․․․․․․․․․․․․․8

222---333BBBIIIPPPVVV의의의 중중중요요요성성성 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․9

제제제 333장장장 시시시스스스템템템 개개개요요요

333---111시시시스스스템템템 구구구성성성 요요요소소소 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․113-1-1태양열 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․113-1-2태양광․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․123-1-3루버 (Louver)․․․․․․․․․․․․․․․․․․․13

333---222시시시스스스템템템 기기기준준준 모모모델델델 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․143-2-1여름철 주야간 운영․․․․․․․․․․․․․․․․․143-2-2겨울철 주야간 운영․․․․․․․․․․․․․․․․․15

제제제 444장장장 시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 개개개요요요

444---111기기기본본본 모모모델델델 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16

444---222에에에너너너지지지 평평평형형형 방방방정정정식식식 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․17

444---333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 기기기본본본 가가가정정정 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․18

- vi -

444---444 각각각 종종종 계계계수수수와와와 변변변수수수 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․194-4-1외부 대류 열전달 계수 [W/m2K] ․․․․․․․․․194-4-2유체의 대류 열전달 계수 [W/m2K] ․․․․․․․․․194-4-3천공온도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․194-4-4열에너지량과 PV모듈에 의한 발전량 ․․․․․․․․204-4-5효율 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․20

444---555 시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 조조조건건건 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․21

444---666시시시스스스템템템 적적적용용용 시시시 건건건물물물 모모모델델델 ․․․․․․․․․․․․․․․․․22

제제제 555장장장 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

555---111겨겨겨울울울 주주주간간간 운운운영영영 모모모드드드 분분분석석석․․․․․․․․․․․․․․․․․․․23

555---222여여여름름름 주주주간간간 운운운영영영 모모모드드드 분분분석석석․․․․․․․․․․․․․․․․․․․26

555---333여여여름름름 야야야간간간 운운운영영영 모모모드드드 분분분석석석․․․․․․․․․․․․․․․․․․․31

555---444시시시스스스템템템 적적적용용용 시시시 분분분석석석 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․32

제제제 666장장장 결결결론론론 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․34

참참참고고고문문문헌헌헌․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․37

부부부록록록 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․39

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---표표표 목목목차차차 ---

[표 4-1]시뮬레이션 환경 조건 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․21

[표 4-2]PV 성능표 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․21

---그그그림림림 목목목차차차 ---

[그림 1-1]인천 영흥 태양광 발전소 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․2

[그림 1-2]연구 흐름도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․4

[그림 2-1]독일의 친환경 도시 Freiburg의 solartower ․․․․․․․․․․6

[그림 2-2]일본이 공동 참여한 베이징 BIPV 프로젝트 설치 건물 그림 ․․․6

[그림 3-1]10MW급 태양열 발전 시스템 ․․․․․․․․․․․․․․․․11

[그림 3-2]광주 조선대 기숙사 태양광 시설 ․․․․․․․․․․․․․․․12

[그림 3-3]루버 설치와 사용의 예 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․13

[그림 3-4]여름 주야간 운용모드에 대한 개념도 ․․․․․․․․․․․․․14

[그림 3-5]겨울 주야간 운용모드에 대한 개념도 ․․․․․․․․․․․․․15

[그림 4-1]기본 모델 (겨울철 주간) ․․․․․․․․․․․․․․․․․․16

[그림 4-2]발코니 확장 평면 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․22

[그림 5-1]일사량 700W/m2에서 유량에 따른 유체의 출구속도와 HeatFlux․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․23

- viii -

[그림 5-2]일사량 변화에 따른 Heatflux,전기에너지와 각각의 경우에 따른효율 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․24

[그림 5-3]유량에 따른 출구 공기온도와 효율 ․․․․․․․․․․․․․․25

[그림 5-4]출구 온도의 사분위수 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․26

[그림 5-5]Gap=0.45m에서 음영 외 시간의 일사량 ․․․․․․․․․․․․27

[그림 5-6]기존안(좌)과 수정안(우) ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․27

[그림 5-7]기존안(상)과 수정안(하)의 PV모듈 면적에 대한 일사면적 비율의 예(경사각 25도) ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․28

[그림 5-8] Gap0.45m(좌)와 Gap58m(우)음영비교(기울기 75도 6월 21일 AM 10:00) ․․․․․․․․․․․․․․․28

[그림 5-9]Gap=0.45m모델과 Gap=0.58m모델 간 비교 ․․․․․․․․․․29

[그림 5-10] 6월과 9월의 총 일사량과 PV에 영향을 미친 일사량 비교(Gap=0.58m) ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․30

[그림 5-11]70도 경사면의 월별 일사량과 PV 전력 생산량 비교․․․․․․․․․․․․․․․․․․․31

[그림 5-12]6,7월 야간 천공복사에 의한 HeatFlux변화 ․․․․․․․․․32

[그림 5-13]건물 입면 적용 예 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 33

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---기기기호호호 설설설명명명 ---

Cp :공기의 비열 [J/kgK]

Epv :PV 발전량 [W/m2]

H :기준 모델 채널의 높이 [m]

hrcopvgl :집열판과 외피(PV와 유리)사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hrcow :집열판과 벽 사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hrglam :유리와 외기 사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hrglco :유리와 집열판 사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hrpvam :PV와 외기 사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hrpvco :PV와 집열판 사이 복사 열전달 계수 [W/m2K]

hvout :외부 대류 열전달 계수 [W/m2K]

hvf1 :채널 1의 대류 열전달 계수 [W/m2K]

hvf2 :채널 2의 대류 열전달 계수 [W/m2K]

k :열전도율 [W/mK]

L :기준 모델 채널의 가로 [m]

m˙ :질량유량 [kg/s]

Nu :Nusselt수

q :열에너지량 [W]

S :일사량 [W/m2]

- x -

Tam :외기 온도 [K]

Tf :채널 내 유체 온도 [K]

Tol :채널의 출구 유체 온도 [K]

Tsky :천공 온도 [K]

Tco :집열판 온도 [K]

Tgl :유리 온도 [K]

Tpv :PV 모듈 온도 [K]

Tw :벽체 온도 [K]

vout :실외 풍속 [m/s]

vfl :채널 1의 유속 [m/s]

vf2 :채널 2의 유속 [m/s]

W :기준 모델 채널의 폭 길이 [m]

:PV의 흡수율

:유리의 흡수율

:열에너지의 효율 [%]

:열에너지와 전기에너지 합의 효율 [%]

:PV의 실효율 [%]

:밀도 [kg/m3]

τ :투과율

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제제제 111장장장 서서서 론론론

111---111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

전 세계적으로 1970년대 초 오일파동이후 에너지에 대한 관심은시작되었다.최근 예상을 뛰어넘는 유가의 급등과 화석연료의 배출가스에의한 지구온난화를 막기 위해 발효된 교토의정서는 대체에너지의 필요를절실하게 한다.곧 있을 오일피크(OilPeak)로 또 다시 불어올 오일파동은20년 이내에 올 것이고 우리나라가 의존하고 있는 원자력 에너지의 핵심인 우라늄도 50년 안에 고갈될 것이라는 전망이다.하지만 여전히 우리나라는 지구온난화와 핵폐기물로 인한 외부비용(추가적으로 드는 비용)이크고 곧 고갈을 앞두고 있는 원료에 여전히 의존하고 있다.물론 올해 완공한 인천 영흥과 전남 무안의 태양광 발전소와 앞으로 더 많은 태양광발전소를 건설하겠다고 하지만 일인당 연간 전기생산량이 7285kWh,즉서울에서 필요로 하는 양만하여도 728억kWh이다.우리나라는 태양광발전기 1kW에서 연평균 1000kWh의 전기를 생산할 수 있고 1kW를 생산하기위해서는 10m2이 필요하다.즉,728억 kWh의 전기를 생산하기 위해서 필요한 태양전지의 면적은 728km2로 서울 면적 605.40km2를 모두 PV로 덮는다 하여도 부족하다.또한 국토면적이 작은 나라로써 많은 땅을 발전소부지로 사용하는 것은 부적합하므로 건물에 PV를 설치가 불가피 하며 이러한 방법 중에서도 건설에서 외장재로 사용되어 건설비용과 설치비를 절약하는 BIPV가 더욱 경제적이라 본다.

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그림 1-1 인천 영흥 태양광 발전소

이 뿐만 아니라.석유 수입 의존률이 높고,일인당 에너지 소비량이 우리나라 국민 소득이 3배 이상 높은 일본,독일 등 보다 더 큰 우리나라는 에너지 절약과 에너지 전환을 위한 신재생에너지 개발이 시급하다.하지만 발코니 확장법안의 통과로 외주부가 외부에 버퍼존 없이 직접노출됨으로써 총 에너지 소비의 약 15%를 차지하는 주거부분의 에너지소비가 오히려 더 증가하게 되었다.이는 발코니의 중요성을 모른 채 주거자들이 침실,거실 등의 실 사용면적을 늘리기 위해 발코니를 없애기때문이다.또한 초고층 건물은 건설함에 있어서 외피를 경량으로 사용함으로써 에너지 면에서 더욱 취약해진 외주부를 보강이 불가피하여 팬코일유닛 등을 사용한 설비를 사용한다.이는 재실자의 온열환경 개선을 위해더 많은 에너지를 소비해야 함과 이로 인한 화석연료의 사용증가는 앞으로 오는 에너지 부족에 반하는 것이며,사용으로 인한 이산화탄소는 지구온난화를 가속화하며 그로 인하여 기후재난을 더욱 가져오게 된다.

대체에너지 개발에 있어서 태양을 이용하는 방법을 빼놓을 수 없다.이 방법에는 크게 두 가지로 태양광을 통한 전기에너지 생산과 태양열을 통한 열에너지 사용이다.본 연구에서는 이 두 가지를 부합하는 시스템을 제안함으로써 태양광의 효율을 높이기 위해 발열을 실내로 태양열

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과 함께 유입함으로써 외주부의 열적 취약을 개선하고자 하였다.계절별주야간 운영에 따른 시스템 설계와 성능에 관련하여 건물적용을 위한 연구를 수행하였다.따라서 이와 같은 시스템의 개발과 응용은 친환경 건축을 실현하는 유일한 방법으로써 앞으로의 에너지 전쟁과 지구 온난화에의한 기후 재난을 피하는데도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

111---222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구는 태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템을 고안함으로써,시스템 운영에 필요한 에너지를 태양열로부터 얻어 열적으로 취약한 외주부 보강하고 건물의 열손실을 줄여 건물의 전체 시스템용량과 에너지 소비량을 감소시키고 기존 주 에너지원,화석에너지를 통한 온실효과와 이상기후를 막을 수 있는 방법을 제안하였다.또한,BIPV는 태양광으로부터 전기를 발전시켜 그 전기에너지를 건물에서 사용할 수 있도록하였고,특히 BIPV는 건설시 외장재를 PV로 대신하고,국가적으로는 그PV면적만큼의 발전소 부지를 필요로 하지 않으므로 경제적으로도 효과를기대한다.

겨울 주간 운용 방법에서 열적 효과와 PV 발전량을 산정하고,여름 야간 운용방법에서는 천공복사에 의한 열적 효과를 검토하기 위해CompaqVisualFortran6에서 Fortran언어로 코딩하여 정상 상태로 각운영 모드별 분석을 하였다.또한,여름 주간에 PV 발전량을 극대화하기위해 IES-VE의 Suncast로 음영분석을 통하여 PV모듈 간 간격을 조절하고,실제 일사량 데이터를 적용하여 음영을 제외한 시간에서의 효과를 분석하였다.

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연구목적연구목적연구목적연구목적

외주부 보강을 위한

대채에너지 시스템 고안

자료조사자료조사자료조사자료조사

우리나라 에너지

사용량 및 대책 조사

건물에 적용 가능한

신재생에너지 조사

연구범위 연구범위 연구범위 연구범위 설정설정설정설정

태양열 집열기

BIPV (벽면)

시스템 시스템 시스템 시스템 모델 모델 모델 모델 및 및 및 및 변수설정변수설정변수설정변수설정

시스템의 모듈 크기 설정

PV 위 음영고려

프로그램 프로그램 프로그램 프로그램 및 및 및 및 시뮬레이션 시뮬레이션 시뮬레이션 시뮬레이션 분석분석분석분석

태양열과 PV발열에 의한

열에너지

태양광에 의한

전기에너지

천공온도에 의한

냉각효과

결과 및 고찰

결론

그림 1-2. 연구 흐름도

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제제제 222장장장 BBBIIIPPPVVV 시시시스스스템템템의의의 이이이용용용 현현현황황황 및및및 기기기술술술 고고고찰찰찰

222---111현현현재재재의의의 BBBIIIPPPVVV 시시시스스스템템템의의의 이이이용용용 현현현황황황

BIPV (BuildingIntegratedPhotovoltaics)는 태양광 발전 모듈을따로 발전소 부지 또는 일정 부분에 따로 설치하는 것이 아니라 건축물건설에 있어서 외피 마감재료로 사용하는 것이다.즉,태양전지를 건축자재와 결합시킨 형태로써 기존 태양광 시스템의 경우 태양광 모듈 설치를위해 건물 옥상 또는 넓은 평지가 필요한데 비해 이는 건축 마감재로 사용되는 강화유리 속에 태양광 모듈을 내장하여 태양광 발전을 위한 부지를 따로 마련하지 않아도 되는 경제적인 시스템이다.또한 지붕면 외에도파사드,차양장치 심지어는 창에도 PV설치가 가능하기 때문에 다방면으로 적용 가능하여 설계 시 다방면으로 응용할 수 있다.따라서 지상의 설치 가능면적이 부족한 우리나라의 지형적 특성을 감안할 때,매우 유용하게 활용될 수 있는 기술이다

세계적으로 이미 30여년 앞선 독일과 일본 업체들에 이어 미국시스템업체들이 한국으로 들어오고 있다.반면 한국 수준은 걸음마 수준으로 600여개의 소규모 사업체들로 정리되지 않은 채 어지럽다는 평이다1).독일은 PV 산업에서 최근 유럽이 미국을 앞지르고 일본에 이어 2위로 올라서도록 하는데 지대한 공헌을 했다.독일은 90년대 1000만 호SolarRoofTop계획을 시작으로 BIPV 분야에 있어서 꾸준한 노력을 기울이고 있다.

1) 태양광, bbiruru의 블로그 (http://blog.naver.com/bbiruru/100033794701), 2007.01

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그림 2-1 독일의 친환경 도시

Freiburg의 solar tower

국내 태양광 업계에서는2010년 세계시장 7%점유,30억불 수출목표 달성으로 세계 제 3의 태양광 산업 강국으로 도약하려 계획하고 있다.이성호 신재생 에너지 센터 소장에 의하면 국내 태양광 산업은 한국이 가진 세계 최고의 반도체 기술을 활용해 차세대 수출 산업으로 육성해야 한다며 비전을 제시하였다.2012년 까지 주택용,건물용,산업용 태양광 발전 설비 1300MW를 보급하고 시스템 단가는 2010년 까지 kW당600만원으로 낮출 것이라 하였다.세계에서는 태양전지 생산량이 2005년기준 1818MW 로 전년대비 45% 증가하여 큰 성장세를 보이고 있으며,2010년에는 6GW,360억 달러 시장으로 성장할 것이라는 전망도 나와 있다.국내 태양광 업계 역시 잇따른 신규 및 증설 계획 등을 발표하며 세계시장 공략에 나서고 있다.또한 2008년 이후 결정질 실리콘 태양전지분야의 소재 국산화가 이뤄지면 서재에서 시공까지 전체 태양광 산업구조가 안정적으로 구축돼 국산제품의 가격경쟁력이 강화될 것이라 전망한다2).그리고 우리나라의 이건 창호에서는 창,발코니 등에 사용하는 태양2) 태양광 차세대 수출산업 육성, 한국에너지신문 2007.02.16 (507호)

그림 2-2 일본이 공동 참여한 베이징 BIPV

프로젝트 설치 건물

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광 창호 ‘솔라윈’을 개발하였고,전라남도가 시행하는 ‘섬진강 토산 어류생태관’에 일일 발전량 165kW,연간 20만kW가량의 전력을 자체 생산하도록 계획하고 있다.서울시는 에너지 절약과 이용 효율화,신재생에너지확대,기후변화 적극 대응 등을 주요내용으로 하는 “서울 친환경 에너지선언”을 발표하고,지난 4월 2일 청계천 태양광 발전시설 준공식을 가졌다.

그러나 전기 1kW를 생산하는데 드는 비용이 태양광은 무려 670~710원 으로써 석유 84원,수력 88원,무연탄 95원,약화천연가스(LNG)210원과 비교하면 국제 원유가격이 많이 올랐다고 하여도 석유는 싸고 사용하기 편리한 에너지임에 틀림없고 따라서 현재 주력에너지로 쓰이고 있다.한편 석유보다 깨끗하고 값싼 에너지가 있다면 원자력으로써 1kW의발전단가가 30원에 불과하다.화석연료에서 배출되는 오염물질도 없어서경제성만 따진다면 모든 발전소를 원자력으로 대체해야 할 것이다.이 때문인지 정세균 산업자원부 장관이 작년(2006년)말 국가 에너지위원회 출범에 맞춰 원자력 이용 확대에 대한 공론화 필요성을 제기하였고,현재우리나라는 7개 이상의 원자력 발전소 계획하고 있다.그러나 발전소로건설에서 끝나는 것이 아니라 추후에 핵폐기물로 인한 외부비용(추가적으로드는 비용)이 크다는 것과 우라늄의 고갈도 멀지 않았다는 것을 간과하였다 볼 수 있다.즉 한국이 국가에너지위원회를 출범 시 원전확대를 주장한 것과 대조적으로 독일은 2000년 에너지청을 신설할 당시 2025년까지원전을 폐쇄하기로 한 사실을 놓쳐서는 안 될 것이다.따라서 그동안은경제성장을 바라보고 값싼 에너지를 공급하기에 급급하였다면 이러한 산업사회의 모습을 벗고 후기 산업사회로 들어서기 위해 이제 우리나라는일본,독일과 같이 높은 가격이지만 효율을 극대화하는 환경보전과 에너지 절약형사회로 발돋움하기 위해 노력해야 할 것이다.

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222---222BBBIIIPPPVVV SSSyyysssttteeemmm의의의 전전전망망망

한국공학한림원에서 미래의 기술적 성장가능성과 산업의 규모,전략적 측면,사회적 영향을 기준으로 발표한 우리나라가 미래를 선도할 만한 유망기술 25가지 중 여러 공학 분야에 걸쳐 신재생에너지와 반도체 기술 그리고 지속가능한 건축 시스템이 포함되어 있다.이에 따라 한국은올해 3000억 달러 수출을 처음 돌파해 40여 년간의 빠른 성장을 해 왔지만 선진국보다 원천 기술이 크게 부족하다.25가지 유망기술은 한국이 한단계 도약하려면 반드시 확보해야 할 것들이다.3)

현재 국내 공공기관의 경우 지열 시스템을 채택하는 경우가 많다.그러나 최근 태양광 발전의 신뢰성 및 발전 효율이 높아지고 있어 태양광의 비중이 커질 것으로 기대할 수 있다.따라서 우리나라는 현재 PV의경우 태양광발전소를 건설하고 있는 추세이다.하지만 앞에서 언급한 바와 같이 영토가 작은 우리나라의 실정상 태양광발전소를 건설하는 것은앞으로 부족해질 에너지를 대체하기에는 마땅치 않을 뿐 아니라 그 부지를 다른 용도로 사용할 수 없기에 큰 손해가 아닐 수 없다.그러므로 건축물과의 조화로 미적 측면에서도 우수하여 건축가와 건물주로부터 환영받고 있는 BIPV시스템의 보급이 국가적 차원에서 공공기관 건설에 있어서 급속히 증가할 것이다.또한 우리나라보다 앞서 먼저 기술을 발전시키고 자국과 세계에서 성공을 거두고 있는 독일의 Conergy (SunTechnics),일본의 타이요코교사 등이 우리나라에 들어옴으로써 대중화에기여하기 위해 사업을 시작하고 있다.

앞으로 태양전지 기술이 더 발달해서 효율이 지금보다 두 배 가량 높아지면,같은 면적에서 생산할 수 있는 전기의 양은 두 배로 늘어난다.2030년경에 효율이 25% 되는 태양전지가 보급된다면,건물 지붕에만3) 한국 먹여 살릴 기술 25가지, 중앙일보 2006.12.18

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태양전지를 설치해도 현재 우리에게 필요한 전기의 대부분을 얻을 수 있는 것이다.

222---333BBBIIIPPPVVV SSSyyysssttteeemmm의의의 중중중요요요성성성

태양광 발전은 특별한 유지관리,공해 및 재료의 부식 없이 간단하게 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 기술로 다양한 응용 분야가 있지만 그중에서도 특히 PV를 건축물의 외피 마감 재료로 대체하는 건물통합형 또는 건물 일체화 PV (BIPV)에 대한 기술 개발이 전 세계적으로활발히 진행되고 있다.

건물의 외피를 구성하는 요소로 통합된 PV시스템은 전력생산이라는 본래의 기능에,건물의 외피재료로서의 새로운 기능을 추가함으로서PV시스템의 설치에 드는 비용을 절감하는 이중 효과를 기대할 수 있다.또한 기존의 독립형 PV시스템과 같이 설치공간을 위한 별도의 부지 확보가 필요 없기 때문에 더욱 경제성 측면에서 유리한 기술이다.

PV모듈을 건축에 일체화하여 적용할 수 있는 건물 구성요소는커튼월 ,천장,차양,PV 지붕타일 ,투명 PV 창호 등 매우 다양하며,그특성에 따라 자연채광이나 차양에도 이용 가능하여 건물의 전체적인 에너지 성능 및 쾌적성을 향상시킬 수 있다.그리고 수명이 20~30년 정도로길고,강화유리 및 내부식성 금속으로 제작돼 오히려 일반적인 마감재 보다 내구성이 더 높다.특히 반투명 태양전지를 사용하면 실내 자연채광이가능해 전기생산은 물론 낮 동안의 조명부하를 줄이는 등의 종합적인 에너지 절약 솔루션을 제공할 수 있다.

설치 시 고려할 점으로는 방위와 경사각 인접 건물과의 거리 식생 등이 있다.

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제제제 333장장장 시시시스스스템템템 개개개요요요

333---111...요요요소소소 기기기술술술에에에 대대대한한한 고고고찰찰찰

본 시스템 구성을 위한 요소기술은 다음과 같다.

333---111---111...태태태양양양열열열

태양열을 이용한 기술은 태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하도록 한다.태양열 이용시스템은 집열부,축열부,이용부로 구성되어있다.태양열에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별,시간별 변화가 심한 에너지이므로 집열과 축열기술이 가장 기본되는기술이다.그림 3-1는 미국 캘리포니아의 태양열 발전 시스템이다.

그림 3-1 10MW급 태양열 발전 시스템

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333---111---222...태태태양양양광광광

태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로써햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전을 하는 방식이다.태양광 발전시스템은 태양전지(solarcell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성되어 있다.태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한다.금속과 반도체의 접촉을 이용한것으로는 셀렌광전지,아황산구리 광전지가 있고,반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있다.

장점으로는 에너지원이 청정·무제한이며 필요한 장소에서 필요량발전가능하고 유지보수가 용이,무인화 가능하다는 것,또한 긴 수명(20년이상)을 들 수 있다.반면,단점은 전력생산량이 지역별 일사량에 의존하고,에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요하며,설치장소가 한정적,시스템비용이 고가이기에 초기투자비와 발전단가 높다는 것이다.그림 3-2은 광주 조선대 기숙사에 53kWp 태양광 시설을 설치한 예다.

그림 3-2 광주 조선대 기숙사 태양광 시설

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333---111---333루루루버버버 (((LLLooouuuvvveeerrr)))

루버는 폭이 좁은 판을 비스듬히 일정 간격을 두고 수평으로 배열한 것으로,밖에서는 실내가 들여다보이지 않고,실내에서는 밖을 내다보는 데 불편이 없는 것이 특징인데,채광(採光)·일조조정(日照調整)·통풍 ·환기(換氣)등의 목적으로 사용된다.빛에 관해서 이것을 사용하면 광원면(光源面)은 그다지 밝게 보이지 않게 하고,작업면만 밝게 할 수 있으며,광선에 지향성을 갖게 하여 실내의 조도분포(照度分布)를 균일화할 수있고,직사 일광을 겨울철에는 실내에 들어오게 하고 여름철에는 차단하여 일조를 조정할 수 있다.따라서 루버는 이상의 여러 가지 조건을 만족시키면서 밖에서는 실내가 들여다보이지 않고,실내에서는 밖을 내다보는데 불편이 없는 것이 특색이다.다음 그림 3-3는 루버 설치의 예다.

그림 3-3 루버 설치와 사용의 예

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333---222시시시스스스템템템 기기기준준준 모모모델델델

본 시스템은 PV와 태양열 집열기를 남측면 외피에 그리고 루버를 창면에 통합시킨 자연형 시스템으로써 분석 모델의 크기는 가로(L)1.2m,높이(H)1.8m,채널 폭(W)0.2m이다.

333---222---111여여여름름름철철철 주주주야야야간간간 운운운영영영

그림 3-4 여름 주야간 운용모드에 대한 개념도

태양 고도가 높은 여름 주간에는 태양광의 입사각을 고려하여 최대한의 수급효과를 보기 위해 PV패널을 위치시키고,또한 PV에서의 발열로 인하여 생기는 과열을 막기 위해 그 배후면이 밀폐되지 않도록 하였다.창면의 루버의 경우 열과 빛을 모두 포함한 직사광을 차단하고 산란광을 실내로 들이고,동시에 재실자의 시야는 확보하도록 한다.

야간에는 채널 앞부분의 루버를 최대한으로 열어 천공복사를 통하여 열전도율이 낮은 집열판의 온도를 떨어뜨리도록 하여 그 안쪽에 냉

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각된 공기를 실내로 유입시킨다.창면의 루버는 야간에는 닫아 이중외피의 효과로써 실내와 실외의 열관류율을 낮춰 열전도를 줄이고자 하였다.

333---222---222겨겨겨울울울철철철 주주주야야야간간간 운운운영영영

그림 3-5 겨울 주야간 운용모드에 대한 개념도

태양의 고도가 낮은 겨울철에는 채널의 PV패널을 닫고,배후면의발열과 유리면을 통하여 집열판에 들어온 일사에 의한 태양열을 실내로들여 외주부의 취약한 열을 보충한다.팬을 통한 강제대류로써 열적으로외부에 가장 노출된 유리면 안쪽으로 열을 넣어 공기층을 형성함으로써외부로의 열 흐름과 유리면에 생기는 결로현상을 막는다.창 앞 루버는재실자의 시환경 또한 고려하여 태양이 실내로 입사되도록 한다.

야간에는 유리면과 채널의 모든 루버와 패널을 닫아 밀폐시킨다.이로써 그 사이에 밀폐공간을 두어 이중외피의 효과로써 실외와 실내의열전달을 최소화한다.

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제제제 444장장장 시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 개개개요요요

444---111...기기기본본본 모모모델델델

그림 4-1 기본 모델 (겨울철 주간)

본 시스템 채널부의 겨울철 주간 시 열평형 방정식을 위한 열전달 메커니즘을 형상화한 그림이다.1번 채널로 유입된 공기는 PV의 발열과 태양열을 통한 집열판의 열로부터 대류 열교환을 하고 그 후 다시 2번채널로 들어가 집열판과 다시 한 번 열교환 한 후 실내로 유입된다.외피와 집열판 그리고 벽체 사이의 열교환은 복사를 통한다.

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444---222...에에에너너너지지지 평평평형형형 방방방정정정식식식

(식 4-1)

(3)

(식 4-2)

PV 모듈에 들어온 일사량은 (식 4-1),유리면에 들어온 일사량은(식 4-2)와 같이 열교환 한다.

(식 4-3)

유리와 PV로 이루어진 외피의 온도는 (식 4-3)으로 산정하였다.

(식 4-4)

유리를 투과한 일사는 집열판에 흡수되고 이 에너지는 (식 4-4)와같이 주변과 열교환 한다.

- 17 -

∙

(6)

(식 4-5)

∙

(식 4-6)

채널안의 유체가 얻은 에너지는 대류 열교환 한 것과 같으므로(식 4-5),(식 4-6)과 같다.채널 안 유체는 Hirunalabhetal4)이 제안한전 충전 흐름(fullydevelopedflow)으로 가정하였다.

444---333...시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션의의의 기기기본본본가가가정정정

본 연구에서는 다음의 가정을 바탕으로 가로방향의 열전달만을고려한 1차원 정상상태로 해석하였다.

(1)채널과 실내사이 벽체 통한 열전달은 없다.(2)채널의 외피온도는 유리와 PV의 산술평균값을 사용한다.(3)유체의 평균온도는 입구와 출구 사이의 3:1되는 지점에서의 값을사용한다.4)

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444---444각각각 종종종 계계계수수수와와와 계계계산산산식식식

444---444---111외외외부부부 대대대류류류 열열열전전전달달달 계계계수수수 [[[WWW///mmm222KKK]]]

McAdams5)가 제안한 (식 4-8)을 사용하였다.

(식 4-7)

444---444---222유유유체체체의의의 대대대류류류 열열열전전전달달달 계계계수수수 [[[WWW///mmm222KKK]]]

∙ (식 4-8)

444---444---333천천천공공공온온온도도도

Swinbank6)이 제안한 (식 4-9)을 사용했다.

×

(식 4-9)

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444---444---444열열열에에에너너너지지지량량량과과과 PPPVVV모모모듈듈듈에에에 의의의한한한 발발발전전전량량량

∙∙ (식 4-10)

∙∙∙ (식 4-11)

(식 4-10)의 q는 겨울 주간에 본 시스템을 통과한 유체가 얻은 열에너지량이고,(식 4-11)에서 Epv는 주간에 일사량 세기에 따라 얻을 수있는 전기에너지량이다.

444---444---555효효효율율율

∙∙

(식 4-12)

∙∙

(식 4-13)

(식 4-12)는 수급 일사에 대한 열에너지의 효율이고,(식 4-13)는시스템에서 유체가 얻은 열에너지와 PV발전량의 합에 대한 효율이다.

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444---555...시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 조조조건건건

겨울 여름기간 11월 -2월 6월 -8월

외기온 0 25풍속 2 2유체 입구 온도 외기온 외기온

일사량 2004년 인천광역시 일사량 자료

표 4-1. 시뮬레이션 환경 조건

NOTC ℃ ℃

Mono-Si 13.0 45 0.40 :표준 온도 시 PV 모듈의 효율NOTC:일반 발전 시 Cell온도 :온도 변수

표 4-2. PV 성능표

PV 발전량을 산정하기 위해 설정한 PV 모듈은 Mono-Si로써 표2와 같고,PV의 실효율()은 식 (1)로 산정했다.

(식 4-1)

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444---666 시시시스스스템템템 적적적용용용 건건건물물물 모모모델델델

그림 4-2 발코니 확장 평면의 예

그림 4-2는 1.5m 길이의 발코니를 확장한 65평 아파트 평면의 예이다.이러한 평면을 갖는 계산실형 5층 아파트에 본 시스템을 설치 할경우 각 가구당 남면에 약 18m의 길이 즉,본 연구에서 분석한 기본모듈의 15배 크기를 설치할 수 있다.본 시스템을 통한 에너지 절약과 발전된전기에너지의 효과를 비교하였다.시스템의 효과는 기존 연구의 결과를기준으로 하여,여름 주간 운영 시 PV 발전량,겨울 주간 운영 시 수급가능한 PV발전량 및 열에너지로부터 경제적 효과를 산정하였다.

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제제제 555장장장 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

555---111겨겨겨울울울 주주주간간간 운운운영영영 시시시 분분분석석석

채널 안 유량 변화에 따른 시스템 효과의 변화를 산정하였다.시스템제안 단계로써 본 시스템의 에너지 수급 정도와 그에 따른 타당성을 보고자 하였다.먼저,시스템 제안 단계에서 본 시스템의 에너지 수급 정도와그에 따른 타당성을 검토하기 위해 채널 안 유량 변화에 따른 시스템 효과의 변화를 정상상태로 산정하였다.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

air flow rate[m^3/s]

velo

city

[m/s

]

0

100

200

300

400

500

600

700

Flu

x[W

]

W=0.2 W=0.3 W=0.2 W=0.3

그림 5-1 일사량 700W/m2에서 유량에 따른 유체의 출구속도와 Heat Flux

그림 5-1에서 각 너비에 따른 출구 유속도 함께 비례하여 증가하지만,HeatFlux는 점차 그 기울기가 더욱 완만해짐을 볼 수 있다.특히

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0.02m3/s에서 그래브가 꺾이는 것을 볼 수 있는데 이는 분석 결과 레이놀즈 수가 2300을 기점으로 꺽이는 것을 볼 수 있었고,즉 유체가 각 유량에 따라 이동할 때 층류와 난류로 변화가 생겼기 때문이다.

0

100

200

300

400

500

600

300 400 500 600 700 800 900 1000

Solar Intensity [W/m^2]

Ene

rgy

(Hea

t flu

x, E

lec

pow

er)

[W]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Effi

cien

cy [%

]

HeatFlux ElecPower Heat Effi Heat + Epv Effi

그림 5-2 일사량 변화에 따른 Heat flux, 전기에너지와 효율

그림 5-2에서 보면 일사량이 증가함에 따라 시스템의 효율 모두가 점차적으로 감소하지만,실제 얻는 열에너지와 전기에너지는 모두 증가함을 볼 수 있다.PV는 일사가 증가하면 열에너지 또한 증가해서 실효율은 감소한다.따라서 전체적으로는 그 기울기가 완만하게 증가하는 것을 볼 수 있다.

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0

2

4

6

8

10

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

AIR FlOW RATE [m^3/s]

TE

MP

ER

AT

UR

E [d

egre

e C

]

10

20

30

40

50

EF

FIC

IEN

CY

[%]

Average (w=0.2) Average (w=0.3)effi. (w=0.2) effi. (w=0.3)

그림 5-3 유량에 따른 출구 공기온도와 효율

그림 5-3에서 각 너비에 따른 유량이 증가함에 따라 출구의 공기온도는 감소하였고,효율 즉,HeatFlux는 증가하지만 그 기울기가 점차완만하였다.특히,0.02[m3/s]이하의 값은 그 이후보다 훨씬 높은 온도를갖고 효율도 증가하였다.

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0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

AIR FLOW RATE [m 3̂/s]

Temperature[degree C]

그림 5-4 출구 온도의 사분위수

유량 0.02[m3/s]일 때 배출공기의 평균 온도는 약 6℃로 실내에직접 사용하기에는 충분치 않아 보이지만 그림 4-4와 같이 그 분포는 최고 13℃,제 1사분위수는 약 8℃이다.본 시뮬레이션은 100% 신선외기를실내로 유입시킨 경우로,기존 HVAC시스템처럼 15~20%의 신선 외기와 85~80%의 실내공기를 함께 순환시키거나,PV에서 얻어진 전력을이용하여 더 높은 온도의 공기를 실내로 유입할 수 있다고 사료된다.

555---222여여여름름름철철철 주주주간간간 운운운영영영 시시시

PV 모듈(Module)에서 직렬연결 된 셀(Cell)들 중 하나라도 그림자가 생길 경우 그 효율이 크게 줄어든다.따라서 IES-VESuncast로 음영분석을 통하여 음영을 고려한 시스템의 효과를 확인하였다.기존 모델,즉 PV 모듈 간의 간격(이 후 Gap이라 함)이 0.45m인 모델을 분석한 결

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과,음영시간이 많아 총 일사량에 비해 수급가능한 일사량이 매우 적음을그림 4-5에서 볼 수 있다.

0

300

600

900

1,200

1,500

1,800

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

ANGLE [degree]

TIME [hour]

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

TOTAL[Wh/m^2]

Time [hour]

Total S [Wh/m^2]Tatal S (shade)[Wh/m^2]

그림 5-5 Gap=0.45m에서 음영 외 시간의 일사량

따라서 기존 디자인에서 더 나은 효과를 위하여 그림 5-6의 오른쪽 디자인으로 수정하였다.수정안은 PV간의 간격을 조정하여 모듈을 4개에서 3개로 하였다.

그림 5-6 기존안(좌)과 수정안(우)

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그림 5-7 기존안(상)과 수정안(하)의 PV모듈 면적에 대한 일사면적

비율의 예 (경사각 25도)

그림 5-8 Gap 0.45m(좌)와 Gap58m(우) 음영비교

(기울기 75도 6월 21일 AM 10:00)

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또한,그림 5-7과 5-8은 IES-VESuncast에서 음영 분석 결과의한 부분이다.그림 5-7은 기존안과 수정안 간의 PV 모듈의 면적에 대하여 일사를 받는 면적의 비율을 각 달의 21일 기준으로 비교하고 있다.Gap=0.45m에서 보다 Gap=0.58m에서 음영이 지지 않는 시간이 크게 증가한 것을 볼 수 있다.그림 5-8은 기울기가 75도,즉 여름철 PV의 후면에서 과열을 막기 위해 최소한의 공간을 두었을 때에도 PV간의 간격이0.45m의 경우에는 음영이 생긴다.하지만 0.58m의 경우 음영이 PV 위 면이 아닌 프레임 위에만 생김을 볼 수 있다.

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

ANGLE (degree)

TOTAL[Wh/m^2]

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400TIME[hour]

Tatal S (shade, 0.45m) Tatal S (shade, 0.58m)Time (shade, 0.45m) Time (shade, 0.58m)

그림 5-9 Gap=0.45m모델과 Gap=0.58m모델 간 비교

그림 5-9는 각도에 따른 일사량,음영이 없는 시간,그리고 그에따른 일사량의 변화를 비교하고 있다.태양고도의 법선 기울기에서 일사의 세기가 가장 크기에 약 30도 내외에서 결과를 기대할 수 있지만,위그래프에서 보듯 30~60도에서 음영이 많아 70도가 최적 수급각임을 알수 있다.

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0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

ANGLE [degree]

TOTAL[Wh/m^2]

JUN S [Wh/m^2]SEP S [Wh/m^2]JUN S (shade) [Wh/m^2]SEP S (shade) [Wh/m^2]

그림 5-10 6월과 9월의 총 일사량과 PV에 영향을 미친 일사량 비교

(Gap=0.58m)

그림 5-10에서 9월의 경우 음영이 지지 않기 때문에 모든 일사에대해서 영향을 받지만,6월 기울기 60도 이전에서는 높은 고도로 인하여음영시간이 커 그 일사의 영향을 거의 받을 수 없었다.즉,9월에는 태양의 고도가 상대적으로 낮아 음영을 피할 뿐 아니라 청명한 날씨로 인하여이때의 일사가 시스템에 미치는 영향이 더 크다고 사료된다.

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0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

Jun Jul Aug Sep

TOTAL S[Wh/m^2]

0

2000

4000

6000

8000

PV Output[Wh/unit]

TOTAL S PV Output

그림 5-1170도 경사면의 월별 일사량과 PV전력 생산량 비교

6월은 일사량에 비해 음영이 많이 생겨 발전량은 크지 않음을 볼수 있다.7월은 우리나라 특성상 장마가 있어 총 일사량이 오히려 적어그에 따른 PV발전량도 가장 작다.

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555---333여여여름름름철철철 야야야간간간 운운운영영영 시시시 분분분석석석

여름 오후 7시 이후에는 일사가 있다 하여도 그 일사의 세기가 너무 작아 주간 모드에서 시스템의 효과를 보기 어렵다.따라서 이때가 야간 모드로 바뀌는 시점으로 하였다.

0

5

10

15

20

25

30

35

19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6Time

℃℃℃℃

166

168

170

172

174

176

178

W/m^2JUN Tam [c] JUL Tam [c]JUN Tout [c] JUL Tout [c]JUN HeatFlux [W/m^2] JUL HeatFlux [W/m^2]

그림 5-12 6, 7월 야간 천공복사에 의한 Heat Flux 변화

일몰 후 외기온은 점차 떨어지고 그에 따라 천공 온도도 감소한다.선행 연구4),5)에서와 같이 외기 온도의 감소에 따른 천공온도의 변화에따라 HeatFlux가 약 170~177[W/m2]의 분포를 보이고 있다.이로 인하여 냉각된 공기의 온도는 실외의 온도보다 약 5~6[oC]감소함을 볼수 있다.

4) 1. 민성혜 외 3명, 외주부 환경 개선을 위한 태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템 제안,

대한건축학회 2005 추계학술발표대회.

5) 민성혜, 서승직, 태양열 집열기 기능의 BIPV시스템을 이용한 외주부 환경 개선에 관한 연구,

KSES 2006 춘계학술발표대회.

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555---444시시시스스스템템템 적적적용용용 시시시

남측 벽면에 본 시스템을 설치하였을 때,그림 5-13과 같이 본 시스템은 기준 모듈을 기준으로 그 크기를 늘리고 줄일 수 있을 뿐 아니라층고의 높낮이 변화에 따라서도 적용이 가능하다.따라서 입면에는 PV와창 또는 루버가 보이는 형태로 설치되어 건물의 외장재를 대신하여 입면을 디자인할 수 있고,각 운영 시에 따라 본 시스템이 열고 닫힘으로써건물의 외관이 변화하는 모습에서 심미적 효과를 볼 수 있다 .태양열 집열기와 PV는 정남에서 ±20도 내에서는 효율이 크게 변하지 않으므로 설치에 유연성 또한 있다.

그림 5-13 건물 입면 적용 예

앞서 언급한 65평 10가구의 건물에 여름 주간 운영 시 연구에 따른 최적각 70도로 설치하면 이 건물은 PV로부터 1,860kWh의 발전량을얻게 된다.태양광 발전소의 PV 6m2 즉 연간생산량 600kWh당 석유250L의 절감이 가능하므로,여름 운영에 있어서 석유 약 800L절감의 효

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과를 볼 수 있다.겨울 주간 운영시는 본 시스템을 통하여 건물에서 총 71,000kW의

열에너지 습득과 3,270kWh의 전기에너지를 얻을 수 있다.태양열 장치에서 얻은 2,000kwh열에너지는 석유 250L를 사용하는 양이므로 8,875L의 석유를,그리고 태양광 전기발전으로부터 2,700L의 석유를 절감할 수있다.

이는 하절기 3개월(6월-8월),동절기 3개월(12월-2월)을 기준으로한 양으로써 간절기의 효과까지 고려한다면 배의 효과를 얻을 것으로 예상한다.또한 원유 사용의 절감 뿐 아니라 태양광의 경우 앞에서 언급한바와 같이 태양광 발전소를 건설함으로써 다른 용도로 사용하지 못할 땅을 위의 에너지를 생산할 면적만큼 줄일 수 있는 의미가 있으므로 더욱경제적이라 하겠다.뿐만 아니라 석유 사용량을 줄인다 하는 것은 앞으로다가올 에너지 고갈 문제의 해결책이 되며,환경적으로 우리를 위협하는온난화 현상,기후 변화 등을 일으키는 주 원인인 CO2의 양을 직접적으로줄이는 것이 되므로 큰 의미가 있다.따라서 아직은 PV셀이 10%내외의효율을 갖고 있어 그 양이 태양으로부터 받는 에너지에 비해 적지만,앞으로 PV셀 연구가 진행됨에 따라 발전효율이 증가되면 같은 면적에서 더많은 에너지를 얻을 수 있기에 전망이 크다.

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제제제 666장장장 결결결론론론

본 시스템의 연구는 태양열,태양광,복사냉각을 이용한 각 운용모드 별 분석을 통하여 시스템 제안과 가능성을 검토하고.소개와 가능성을확인하고 자 했다.특히 여름 주간 운용모드에서 태양광을 최적으로 받기위한 각도를 찾아 그 효과를 높이고자 하였으며,겨울 주간의 운용모드의열에너지와 PV로부터 얻은 전기에너지의 수급효과를 중심으로 분석하였다.

본 연구에 대한 내용을 정리하면 다음과 같다.

1)외주부의 환경개선을 위해 필요한 에너지를 자연형 에너지로 대체할뿐 아니라, 외주부를 보강함으로 써 중앙 HVAC의 설비용량과 에너지까지 절감할 수 있을 것으로 기대한다.

2)건물의 입면에 설치되는 이 시스템은 재질로 인한 다양함과 창 크기와 위치에 따른 시스템 크기의 융통성 그리고 운용모드에 따른 변화로 인해 건축의 심미적 효과로써 파사드 디자인에 기여한다.

3)겨울 주간에는 유량 증가에 비례하여 유속은 증가하지만,HeatFlux는 유량 0.02m3/s보다 작을 때 더 큰 효과를 볼 수 있다.

4)겨울 주간 취출온도는 외기온을 100%실내로 유입 시 폭이 작고 유량이 적을수록 유체는 약 8℃이상 예열된다.하지만 열류의 입장에서 볼 때채널 폭이 작으면 취득열량을 작을 수밖에 없다.

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5)일사량이 증가함에 따라 효율을 떨어지지만 HeatFlux는 크게,전기발전량은 약간씩 증가한다.

6)겨울 주간 유속에 따라 HeatFlux가 증가하지만 취출온도는 반비례한다.따라서 유량 0.02m3/s가 임계점으로 볼 수 있으며,이 때,취출 온도는 외기를 100%실내로 유입 시 평균 약 6℃이상 예열되고,HeatFlux는 219,030[Wh/m2],PV발전량은 30,246[Wh/m2]로 각각 26%,30%의 효율을 보인다.

7)PV 사이의 Gap이 0.58[m]인 시스템에서 그 기울기가 70도일 때 그수급량이 최대였다.시스템의 그 이하인 경우 음영 시간이 커 일사를 받기에 부적합하고,기울기가 그 이상이면 일사의 법선에서 멀어지기 때문이다.

8)6월에는 음영이 하루의 일사 90%가 집중되는 때(오전9시-오후3시)에주로 분포한 반면 9월은 태양의 고도가 낮아 음영이 지는 시간이 거의 없어 가장 많은 PV전기를 생산할 수 있다.

9)여름 주간 PV 발전량은 17,222[Wh/m2]로 그 효율은 5.6%이다.

10)여름철 야간 천공 복사에 의해 냉각된 공기의 취출구 온도는 실온보다 약 5-6℃낮아 23-13℃의 온도와 170-177[W]의 냉각에너지수급 분포를 나타내었다.

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본 연구에서는 재생에너지 사용에 있어서의 효과를 통하여 시스템의 타당성을 보여주었다.건물에 적용될 때에는 본 연구에서 실시한 재생에너지 측면에서는 PV면적과 시스템 전체의 면적에 대해 비례할 것이나 이 외에도 그 건물의 조건에 따라 겨울철 결로를 막기 위한 적절한 취출 속도와 온도 그리고 이에 따른 외기와 실내기의 적정 혼합비율 또는PV에서 생성된 에너지를 통한 열교환기의 필요 열량 등을 생각하여 시스템의 세부 사항을 조절한다면 외주부 환경 개선에 더욱 효과적일 것으로기대한다.

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[[[참참참고고고문문문헌헌헌]]]

1.민성혜 외 3명,외주부 환경 개선을 위한 태양열 집열기의 기능을 갖는 BIPV시스템 제안,대한건축학회 2005추계학술발표대회.

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---부부부 록록록 111---

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---부부부 록록록 222---

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1. 서론1-1 연구 배경 및 목적1-2 연구 방법 및 범위

2. BIPV 시스템 동향 및 기술에 관한 고찰2-1 현재의 BIPV 시스템의 이용 현황2-2 BIPV System의 전망2-3 BIPV System의 중요성

3. 시스템 개요3-1 요소 기술에 대한 고찰3-1-1 태양열3-1-2 태양광3-1-3 루버(Louver)

3-2 시스템 기준 모델3-2-1 여름철 주야간 운영3-2-2 겨울철 주야간 운영

4. 시뮬레이션 개요4-1 기본 모델4-2 에너지 평형 방정식4-3 시뮬레이션의 기본 가정4-4 각 종 계수와 계산식4-4-1 외부 대류 열전달 계수 [W/m²K]4-4-2 유체의 대류 열전달 계수 [W/m²K]4-4-3 천공온도4-4-4 열에너지량과 PV모듈에 의한 발전량4-4-5 효율

4-5 시뮬레이션 조건4-6 시스템 적용 건물 모델

5. 결과 및 고찰5-1 겨울 주간 운영 시 분석5-2 여름철 주간 운영 시5-3 여름철 야간 운영 시 분석5-4 시스템 적용 시

6. 결론[참고문헌]부록부록 1부록 2