도심지 주변환경을 고려한 BIPV 시스템의 설계 및 실증에 관한 연구 :Design and Experimental Study of BIPV System considering Macro-environment in Downtown Area

이안기

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이안기 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 김재철

발행연도: 2018

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2019

음영 및 일사량을 고려한 도심지 복합시설 BIPV시스템 분석

이안기 , 황민수 , 이주철 외 1명 한국조명·전기설비학회 학술대회논문집 2019.05 학술대회자료

2018

도심지 복합시설 BIPV 모듈의 특성을 고려한 태양광발전시스템 어레이설계 실증 연구

이안기 , 김재철 , 최옥만 외 1명 전기학회논문지 2018.03 학술저널

도심지 주변환경을 고려한 BIPV 시스템의 설계 및 실증에 관한 연구

이안기 전기공학과 2018.01 학위논문

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산업 사회의 고도화에 따른 경제성장이 진행되면서 전력수요가 증가하고 세계적으로 전기공급에 소요되는 사회적 비용이 급증하고 있으며, 이에 따라 에너지자원과 지구환경의 제약이 중요하게 거론되어 기후 협약이나 탄소배출권 문제가 국제적 이슈로 대두 되고 있다. 이에 일환으로 전 세계 195개국은 2015년 12월 파리 협정을 채택하여 신기후 체제에 돌입하였으며, 2030년까지 국가별 온실가스 감축계획을 수립했다. 우리나라는 2016년 12월 ‘제 1차 기후변화대응 기본계획’과 ‘2030 국가온실가스감축 로드맵‘을 발표하여 2030년 국·내외 배출전망치(BAU) 대비 37%를 절감하기로 계획했다.
2017년 12월 산업통산자원부에서 발표한 재생에너지 3020 이용 계획안에 따르면 2030년까지 전체 발전량의 20%를 재생에너지로 대체하고 재생에너지 설비 누적 용량을 63.8[GW]까지 보급할 계획이다. 그 재생에너지 신규 설비용량의 95% 이상을 태양광과 풍력 등 청정에너지로 공급할 예정이다. 이에 따라 2017년말 5.7[GW]의 태양광 설비용량을 2030년까지 36.6[GW]로 확대 보급한다는 정책에 의해 30.6[GW]를 신규로 설치할 계획이다. 태양광(Photovoltaic, PV) 발전 기술은 신재생에너지 활용 기술로서 세계적으로 널리 활용되고 있으며, 국내에서도 태양광 보급 확대를 위하여 정부는 중장기 로드맵을 설정하고 RPS(Renewable Portfolio Standard)등의 제도를 시행하고 있다. 현재 태양광 활용 방안으로 대지에 PV 모듈로 발전소를 지어 전기를 공급하는 방안이 주를 이루고 있으나, 제한적 토지이용의 한계로 인해 정부는 태양광의 건물 적용 부문 REC(Renewable Energy Certificate) 가중치 및 설치 형태에 따른 보정계수의 도입을 통해 건물 부문으로 태양광의 활용을 유도하고 있다. BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 태양광발전 시스템은 건물의 외장재를 대체하여 PV를 적용하는 시스템으로서 별도의 설치 면적이 필요 없고, 건축 외피로서의 기능도 수행하는 태양광 활용 기술로서 각광을 받고 있다. 이에 최근 공공기관 및 도심지를 중심으로 건물에너지 절감을 위한 신·재생에너지 활용 방안으로 BIPV 시스템의 활용이 확대되고 있는 현황이다. 현재 시중에 BIPV 시스템에 적용되는 모듈의 종류는 실리콘계 결정형 모듈과 박막형 모듈이 대표적이다.
본 연구는 도심지 건축물에 설치되는 결정형 BIPV 시스템에 대해 제약조건과 의무사항 등을 충족하는 설계 고려요소를 도출하고, 설계 프로세스를 정립하였다. 또한 실증대상 복합시설에 대한 PVIB(Photovoltaic In Building)와 BIPV의 적정 설치 용량을 산정 하였으며 음영 및 일사량 분석 등 실증대상 주변 환경 분석과 설치비용 검토를 통한 실증대상 설계 적합화 방안을 도출하였다. 그리고 BIPV 모듈의 전기적 특성과 건축 입면 특성을 고려한 BIPV 어레이 구성 설계방안을 제시 하였으며, 설치 사례 분석을 통해 설치비 대비 발전량을 극대화하는 구성안을 선정하였다. 끝으로 태양광발전 시뮬레이션을 통한 발전량을 예측하고 실측 발전 데이터와 비교 분석하여 BIPV 설치안의 적정성과 타당성을 검증하였다. 이는 BIPV 태양광발전시스템 설계시 가이드라인으로서 활용되어 BIPV 시스템의 보급·활성화에 기여할 것으로 기대한다.

Due to the high growth of the industrial society, the social costs of supplying electricity to the world are increasing rapidly, and climate conventions restricting the use of energy resources are emerging. Accordingly, 195 countries adopted the Paris Agreement in December 2015. In December 2016, the Republic of Korea announced the "1st Plan for Response to Climate Change" and the "2030 National Greenhouse Gas Reduction Plan" to reduce the emission estimate by 37%. According to the government''s plan to use renewable energy in December 2017, 20% of total power generation will be replaced by renewable energy by 2030, and the cumulative capacity of the plant will be increased to 63.8GW. Of these, more than 95% are clean energy such as sunlight and wind power. As a result, 30.6GW of photovoltaic power generation facilities will be built by 2030. Currently, photovoltaic power generation is mostly powered by PV modules built on land. However, The government is encouraging the use of photovoltaics in the building sector through Renewable Energy Certificate (REC) because of land limitations.
BIPV (Building Integrated Photovoltaic) is a system that replaces the exterior of buildings and applies PV. This is solar power generation technology that functions as a building exterior and does not require a separate installation area. Recently, the use of BIPV system has been expanding to utilize renewable energy for building energy saving for public institutions and downtown areas. The types of modules applied to the BIPV system are silicon crystal type module and thin film type module.
This study established BIPV design consideration factors and processes to satisfy the constraints and obligations for the crystalline BIPV system installed in downtown buildings. The optimal capacity of PVIB and BIPV for this building was calculated, and the optimization method was derived by reviewing installation costs and macro-environment conditions such as shading and solar radiation. Also, the array was designed considering the electrical and architectural features of the BIPV module and maximized power generation efficiency through installation case analysis. Finally, the propriety and validity of the BIPV installation method was verified by analyzing the power generation simulation data and the actual data. This study is expected to be used as a guideline in the design of a crystalline BIPV system and contribute to the dissemination.

국문초록 xi
영문초록 xiv
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 4
1.3 연구의 필요성 및 논문의 구성 9
제 2 장 BIPV 시스템 12
2.1 BIPV 시스템 구성요소 12
2.1.1 태양광 모듈 12
2.1.2 접속반 14
2.1.3 인버터 15
2.2 BIPV 시스템 설치시 고려요소 16
2.3 설치형태에 따른 분류 16
제 3 장 BIPV시스템의 설계 알고리즘 18
3.1 BIPV 설계 프로세스 및 고려요소 18
3.2 BIPV 용량 산정 19
3.2.1 에너지절약계획서 19
3.2.2 녹색건축인증 20
3.2.3 녹색설계기준 21
3.3 BIPV 설계 알고리즘 도출 24
제 4 장 설계 적합화 알고리즘 및 모델 분석 26
4.1 실증대상모델 주변환경 분석 및 용량 산정 26
4.1.1 태양광설치 실증대상 모델 분석 개요 26
4.1.2 대상 모델 태양광 설치용량 산정 27
4.1.3 대상 모델 옥상 PVIB 설치 용량 검토 29
4.2 BIPV 설치 제약조건 및 사례 분석 31
4.2.1 BIPV 설치 제약조건 31
4.2.2 BIPV 설치 사례안 32
4.3 BIPV 음영분석 및 일사량 분석 38
4.3.1 BIPV 음영 산출 방법 38
4.3.2 BIPV 실증대상 음영분석 및 시뮬레이션 38
4.3.2.1 춘분(3월 21일) 실증대상 음영분석 시뮬레이션 39
4.3.2.2 하지(6월 21일) 실증대상 음영분석 시뮬레이션 42
4.3.2.3 추분(9월 23일) 실증대상 음영분석 시뮬레이션 45
4.3.2.4 동지(12월 22일) 실증대상 음영분석 시뮬레이션 48
4.3.3 BIPV 일사량 산출식 51
4.3.4 남측면 월별 음영 및 일사량 분석 52
4.3.5 동측면 월별 음영 및 일사량 분석 63
4.3.6 서측면 월별 음영 및 일사량 분석 71
4.3.7 PVIB 및 BIPV 발전량 분석 80
4.4 BIPV 설치안 비교 분석 81
4.5 BIPV 어레이 구성 적합화 설계안 88
제 5 장 BIPV 출력 측정 및 비교 분석 90
5.1 BIPV의 월별 발전량 예측 90
5.2 실증데이터 측정, 비교분석 및 검증 91
5.2.1 3월 출력 데이터 비교 분석 91
5.2.2 4월 출력 데이터 비교 분석 94
5.2.3 5월 출력 데이터 비교 분석 97
제 6 장 결 론 101
참고문헌 102

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