옥상녹화시스템의 기온조절효과와 태양광발전효율간의 상호연관성 규명을 위한 전산해석연구
A St udyonComput erSi mul at i ont oI nvest i gat eCorrel at i onsbet ween Temperat ureCont rol l i ngEf f ectofGreenRoofSyst em andt he
Phot ovol t ai cPowerGenerat i onEf f i ci ency
김태한* †․박성은* *
Ki m,TaeHan* † ․Par k ,SungEun* *
( Submi tdat e:2013.5.3. ,J udgmentdat e:2013.5.8. ,Publ i c at i onde ci dedat e:2013.7.23. )
Abstract :
The s edayc i t i e se xpe r i e nc es e r i ousc l i mat i cc hange sduet oe nvi r onme nt all oadc aus e dbydi s t ur banc e i nt hec i r c ul at i ons ys t e msofwat e rr e s our c e sande ne r gy.Ast e c hnol ogi c ali mpr ove me ntt or e s pondt ovar i ous c l i mat i cc hange sanddi s as t e r sar eal s or e que s t e di nt hef i e l dofc ons t r uc t i on,i nt e r -di s c i pl i nar ys t udi e sl i nke dt o t hee s t abl i s hme ntofs us t ai nabl ee nvi r onme nt alc ont r olande ne r gys ys t e msi sr e qui r e di nac ons i l i e ntpe r s pe c t i ve . Thi ss t udyai mst oi nf e rc or r e l at i onsi nt hei mpac tofe nvi r onme nt alc hange sc aus e dbyr oof t opgr e e ni ngs ys t e m ont hephot ovol t a i cpowe rge ne r at i one f f i c i e nc yt hr oughc omput e rs i mul at i oni na ni nt e gr at e dpe r s pe c t i ve .Bydoi ng s o,i ts e e kst opr ovi debas i cs t udyf orde ve l opi ngaphot ovol t ai cs ys t e m i nt e gr at e dwi t hbui l di ngr e ve ge t at i ont hat i ss us t ai nabl ei ne nvi r onme nt alandr e s our c eas pe c t s .A s i mul at i ons howe dt hat ,i nt hec as eofs uns hi nehour si n J une ,t hegr e e ns ur f ac ei ndi c at e dt e mpe r at ur el owe r i nge f f e c t sof9 . 1 9 ° C onave r agec ompar e dt ot henon-gr e e n s ur f ac eandt e mpe r at ur ewas9 . 81 ° Cl owe r .Duet os uc hgr e e ni nge f f e c t s ,att hehi ghe s ts unl i ghtt i me poi nti nJ une , Pmppi mpr ove d1 1 9W andhe atl os sr at edr oppe d7 . 8%.
Key Words：건축물통합형태양광시스템(
BI PV) ,옥상녹화( Gr e e nRo of ) ,식생캐노피모델( Pl a ntc a no pymode l ) , 전열유동( He a tt r a ns f e rf l ui d) ,일사분석( So l a ra c c e s sa na l ys i s ) ,전산해석( Comput e rSi mul a t i o n)
*†김태한( 교신저자):상명대학교 환경조경학과
E-mai l ：t aehanki m@smu. ac. krTel ：041-550-5303,
**박성은 :계원예술대학교 라이프스타일군
*†Kim, Tae Han (corresponding author) : Dept. of Enviornmental Landscape Architecture, Sang Myung University, Tel: 041-550- 5303
E-mail : [email protected]
** Park, Sung Eun : Life Style Faculty, KayWon School of Art
& Design [논문] 한국태양에너지학회 논문집
Journal of the Korean Solar Energy Society
Vol. 33, No. 4, 2013
IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1
http://dx.doi.org/10.7836/kses.2013.33.4.070
기 호 설 명
:식생층 전열유동
:토양층 전열유동
:식생층 현열유동
:토양층 현열유동
↓ :총유입 단파복사량(W/m2)
↓ :총유입 장파복사량(W/m2)
:토양 표면열전도도(W/m․K)
:식생층 잠열유동
:토양층 잠열유동
↓ :총유입 단파복사량(W/m2)
↓ :총유입 장파복사량(W/m2)
:엽면 온도(Kelvin)
:지표면 온도(Kelvin)
:토양깊이(m)
:식생캐노피 알베도
:식생캐노피 방사율
:지표면 방사율
∙
:슈테판 볼츠만 상수(5.67x10-8W/m2․K4)
:식생피복비율(FVC)
:태양 입사각(degree)
:주변지형지물에서 발생되는 음영면적(m2)
:천공 가시율(%)
:직달 태양일사량(W/m2)
:산란 태양일사량(W/m2)
:총 일사량(W/m2)
:모듈면적과 연동된 PV 효율
:단위면적당 유입태양복사에너지(W/m2)
:주변기온(°C)
:태양전지표면온도(°C):태양광 모듈의 열손실인자(W/m2·K)
:모듈의 단열정도에 따른 손실인자
:풍속에 의한 손실인자
:풍속(m/s) :태양복사 흡수계수
:외기에서 유발되는 대류계수(W/m2K)
:주변기온(Kelvin)
:토양표면온도(Kelvin)
:토양표면과 내부표면간의 온도차(K)
:외기풍속(m/s)
:토양의 열전도도(W/mK)1.서 론
최근 과도한 개발행위로 인한 현대도시의 생태적 기능성 결여를 제고하려는 노력은 건 설관련학계의 공통된 화두로 자리 잡고 있다.
이 중 저영향개발( LI D:Lo w I mp a c tDe ve l o p me nt ) 은 건설부문을 포괄하며 지속 가능한 도시개 발 및 재생에 대한 개념적 기반을 제공하고 있다.특히 진보된 조경기술을 통해 우수유출 조절을 유도하는 통합관리방안 ( I MPs :I nt e gr a t e d Manage me ntPr ac t i c e s ) 은 조경,건축,환경을 포괄하는 융합산업부문으로 지속적인 기술개 발이 예상되는 분야이다.여기서 옥상녹화시스템 은 우수유출저감은 물론 도심미기상측면의 열섬 저감효과,도심 종다양성 제고 등 환경적 순기능 을 제공하는 통합관리방안기술 중 하나이다.
현대도시의 또 다른 주요환경부하 요인은 화석에너지 사용으로 인한 온실가스 발생에 있다.이에 대한 대안으로 기술측면의 재생에 너지원 연구가 활발한 반면 효율적인 설계적 용연구는 건축부문의 건 축통합형 태양광시스 템( BI PV:Bui l di ngI nt e gr at e dPhot ovol t ai c s ) 에 국한하여 이루어지고 있는 상황이다.최근 융합적 관점에서 태양전지의 물리적 특징과 환경조건을 연동하여 효율을 최적화하는 연구 경향이 보고되고 있다.일반적으로 태양전지 시장의 약 80 %이상을 차지하는 경질형 실리 콘 계열은 고온으로 인한 전력변환효율저하가 현저한 특성을 가진다.이를 보완하여 주변기 온저감효과를 기대할 수 있는 옥상녹화와 연 계된 통합형 시스템이 선진국에서 실용화되고 있으며 국내에도 이와 같은 학문간 연계 연구 가 필요한 시점이다.
이와 관련연구로는 녹화공간과 주변대기간
의 온열환경 기능성을 정량화하고자 지피류로
인한 온도저감효과를 모니터링하여 수종별 계
량화를 시도한 연구
1)가 있었으며,기상조건과 발전량의 상관관계를 분석하고 기후변화에 의 한 환경조건과 연동된 고효율 모듈산정방안을 제시한 연구
2),옥상공간의 녹화면과 비녹화면 에 각각 PV모듈을 설치하여 온도변화에 따른 전력생산 모니터링에 대한 실험적 연구
3)등을 확인할 수 있었다.
이상의 선행 연구들은 대부분 옥상녹화와 태양광발전 시스템의 개별적인 환경요인을 모 니터링하거나 시스템의 물리적 특성 규명에 목적이 설정되어 있다.환경요인과 시스템 간 의 상호 연관성을 수치해석 및 전산해석을 통 해 정량화하는 국내연구는 현재 보고되고 있 지 않다.따라서 본 연구는 통합적 관점의 전 산해석을 통해 옥상녹화의 미기상조절효과가 태양광발전효율에 미치는 영향을 수치화하고자 한다.이로써 환경적,자원적 측면에서 지속 가능한 건축물녹화 통합형 태양광발전시스템 개발을 위한 기초연구를 제공하고자 한다.
2.이론적 고찰
2. 1옥상녹화시스템의 전열교환 현상 녹화된 건물 옥상 주변 미기상은 태양복사 유입으로 인하여 토양,식생,대기 간의 전열 교환현상이 유발되어 상호열적평형을 이루게 된다.이러한 전열교환은 식물과 토양의 기작 에 의한 매우 복합적인 물리현상이다.미국 에 너지성( DOE) 에서 개발된 Ene r gyPl us 는 옥상 녹화시스템의 에너지평형을 해석하기 위해 Fr anke ns t e i n,S & G.Koe ni g( 200 4) 에 의해 제안된 FASST( Fa s tAl lSe a s o nSo i lSt r e ngt h) 모델을 사용한다.
4)FASST는 식물고에 따라 두 가지 모델로 구분되며 Ene r gyPl us 에는 저 관리형 옥상녹화시스템에 적합한 저식물고 모델 ( Low Ve ge t a t i onMode l ) 이 적용된다.이 모델
은 발생되는 잠열 및 현열유속과 관련하여 다 양한 매개변수를 포괄하고 식생층( Ff ) 과 육성 층( Fg) 으로 구분된 서로 다른 두 개의 산출방 정식을 동시에 제공한다.식생층에서 발생하 는 전열교환현상은 현열과 잠열의 형태로 이 루어지며 다음 산식( 1 ) 과 같이 정리된다.
5)6) ↓ ↓
( 1)
↓ ↓
( 2)
반면 토양층의 전열교환해석에 적용되는 열 유동 모델 또한 FASST의 저식물고 모델을 통해 산출되며 이러한 순열유동에 대한 물리 적 현상은 다음 산식( 2) 와 같이 정리할 수 있 다.
7)이와 같이 Ene r gyPl us 는 자연지반을 대 상으로 한 FASST의 두 가지 유형모델 중에 서 복합적인 옥상녹화환경을 수렴하는 저식물 고 모델이 적용되어 옥상공간의 미기상해석방 안을 제공하고 있다.
2. 2건축물 일사환경 해석
대상지에 건전한 태양광발전시스템을 유치 하기 위해 최대 일사량 확보를 가능하게 하는 적지분석은 필수적인 요소이다.주변 지형지 물을 연동하여 대상면에 수반되는 일사량을 예측함으로써 최적지를 유추할 수 있으며 한 지점에 도달하는 총 일사량은 다음 산식( 3) 과 같이 유추할 수 있다.
8)9)d
× cos × ×
( 3)
여기서 일사량은 태양 입사각에 따라 유입 되는 에너지량이 변화하며 c osi nel aw가 적 용된다.이는 글레이징입사,일반입사의 두 가지 유형으로 구분할 수 있으며 입사각이 75° 인 글레이징 입사의 경우 수평면에 총 에 너지 대비 약 26%의 에너지를 전달하고 15°
의 일반입사는 전체의 96%가 표면에 도달한 다.따라서 태양광발전시스템의 설치는 대상 지의 위도,경도 및 주변 환경에 따른 분석이 선행되어 전력변환 효율을 극대화하는 것이 필요하다.
2. 3태양광발전시스템
효율적인 태양광 환경평가와 현실적인 태양 광발전 설비설계를 위해 스위스 제네바 대학 에서 개발된 PVs ys t
10)는 태양광 발전설비의 총체적인 연구,설계를 위한 시스템의 전산해 석 및 분석을 제공한다.또한 현재 시장에 유 통되는 태양전지모듈,인버터 등 시스템 구성 요소의 데이터베이스가 폭넓게 구축되어 있 다.더불어 다양한 형태의 기상자료 사용 및 변환이 가능하며 자립형,계통 연계형 등 전력 망 연동구조에 따른 연산이 가능하다.그리고 전력변환손실을 열손실( The r malLos s ) ,저항 배선손실( Ohmi cWi r i ngLos s ) ,모듈품질손실 ( Mo dul eQua l i-t yLo s s ) ,부정합손실( Mi s ma t c h Los s ) ,입사각손실 ( I nc i de nc eAngl eModi f i e r Los s )등을 설정할 수 있다.여기서 PVs ys t 는 주 요 전력변환손실요소인 열손실을 태양광모듈 온도와 대기온도의 상호관계를 다음 산식( 4 ) 와 같이 정리하고 있다.
11) ∙ ∙ ∙
( 4 )
PVs ys t 에서는 일반적으로 태양전지의 태양
복사 흡수계수를 0 . 9로 정의하고 있으며,태양 전지효율은 표 1과 같이 실리콘 결정의 균질 도에 따라 다르나 10 %정도로 제시하고 있다.
보다 구체적인 물성치 보정은 태양광 모듈의 데이터베이스 구축과정에서 반영할 수 있어 현실적인 해석이 가능하다.
PV mo dul et ype ηr ( %) NOCT( ° C) βp( %/ ℃) Mo no -s i 1 3 . 0 4 5 0 . 4 0
Po l y-s i 1 1 . 0 4 5 0 . 4 0 a -s i 5 . 0 5 0 0 . 1 1 CdTe 7 . 0 4 6 0 . 2 4 CI S 7 . 5 4 7 0 . 4 6 Tabl e.1Phy s i c alPr oper t i esofSol arCel l
1)열손실인자 는 태양광 발전시스템에서 발생하는 부정형적인 열손실인자의 보정방정 식으로 산식( 5) 와 같이 표현할 수 있다.
∙
( 5)
일반적으로 외부에서 발생하는 기류는 유동적 이고 마찰부위에 따라 균질하지 않아 일정한 값 산정에 어려움이 있다.따라서 PVs ys t 에서는 이러한 물리적 한계를 다양한 모니터링을 통해 손실인자들을 교정하고 있다.
3.연구의 내용 및 방법
3. 1대상건물개요
본 연구를 통해 설계되는 Te s t be d가 적용
되는 대상건물은 상명대학교 천안캠퍼스 상록
관으로 19 84년 6월 2 9일 준공한 천안캠퍼스
설립 초기에 세워진 4층 벽돌조의 강의 및 교
수연구동이다.
Fi g.1Sangmy ungUni ver si t y ,CheonanCampus
지하 1 층,지상 4 층,총 3 , 6 0 0 m
2규모이며 외 벽은 적벽돌 치장쌓기,천정은 텍스,바닥은 인조석물갈기로 마감되었다.2 006 년 이래로 건물의 보수 공사는 총 13회 이루어졌으며, 20 11년에는 간호학과 이전으로 난방기기 및 실습실 공사가 이루어졌다.그리고 같은 해 4 월에는 벽체 보수공사,201 2년 1 월에는 외벽 보수공사가 마무리되었다.건물은 중심축이 진북에서 1 2 °동편으로 기울어져 있으며 맞은 편에는 상록관과 유사한 3 층 벽돌조의 청록관 이 위치해 있다.
3. 2대상지 기후현황
태양광발전해석을 위해 사용되는 PVs ys t 는 Me t e onor m,USTMY2 / 3 ,EPW,NASA-SSE, WRDC,Re t Sc r e e n등 다양한 기후자료를 지 원한다.
Lat i t ude 36 . 8° N Longi t ude 1 27 . 1° E Ti mez one UT+9
Al t i t ude 2 1m Gl obalI r r adi at i on 1 4 0. 3kWh/ ㎡ Di f f us eI r r adi at i on 85 . 2kWh/ ㎡
Te mpe r at ur e 20 . 5° C Wi ndVe l oc i t y 2 . 9 7 m/ s Tabl e.2Sol arAc c es s i bi l i t yPr oper t i es( CheonAn, J une)
본 연구에서는 각기 다른 유형의 전산해석을 진행하기 위해 DOE에서 제공하는 I WEC자료를 공통으로 적용하였다.I WEC기후자료는 국내의 경우 인천,광주,강릉,울산 등 4 개 주요도시 만이 제공되고 있으며 PVs ys t내의 변환과정을 통해 사 용된다.국내기후자료 중에서 전산해석 대상지인 천안시와 가장 인접한 인천지역자료를 채택하여 대상지의 위도,경도,해발고도 등의 위치자료를 수정하고 대상지 기후현황 분석을 실시하였다.
3. 3전산해석조건 ( 1) 전산해석과정
본 연구는 다음과 같이 옥상녹화와 태양광발 전효율의 상관관계 유추를 목적으로 체계적인 전산해석을 진행하기 위해 대상지 환경분석, 적지분석,태양광발전해석,녹화 및 비녹화면 의 비교분석을 순차적으로 수행하였다.해석과 정은 그림 2 와 같으며 이를 위해 Ene r gyPl us , Ec ot e c tAna l ys i s ,PVs ys t등의 전산해석 프로 그램이 사용되었다.
Fi g.2Si mul at i onpr ocess
( 2)전산해석조건
전산해석에 적용되는 기본 Ge ome t r y구축을 위해 공통적으로 Aut oCAD가 사용되었으며 이 는 개별 전산해석 프로그램에 적용되었다.그림 3 에서와 같이 녹화 및 비녹화면 표면온도해석 을 위한 Ene r gyPl us ,일조환경분석이 진행되는 Ec o t e c tAn a l ys i s 에 도입되었다.표면온도분석은 추후 다른 전산해석결과와의 연동을 고려하여 1 0 m ×1 0 m ×3 . 5 m의 가상건물을 모델링하였 고 외피는 국토해양부고시 “ 친환경 주택의 건 설기준 및 성능” 에 부합하는 열관류율을 적용 하였다.
Fi g.3Basi csi mul at i onmodelf orEner gy Pl usand Ecot ectAnal y si s
자세한 녹화 및 비녹화면의 각 구성층에 대한 물성치와 열관류율은 다음 표 3 과 같다.
Laye r Gr e e nRoof Co nve nt i o na lRo o f 1 Gr eenRoofSyst em:
0. 400W / m․K, 10cm no 2 Aer at edConcr et eSl ab:0. 160W/ m․K,20cm 3 Ext r udedPol yst yr ene:0. 040W/ m․K,15cm U-Val ue 0 . 18 6W/ m
2․K 0 . 19 5 W/ m
2․K
Tabl e.3Pr oper t i esofCons t r uc t i onLay er
반면에 일조환경분석은 대상지인 상록관 옥 상을 CAD3 차원 모델링 후에 Ec o t e c tAna l ys i s 에서 전산해석을 수행하였으며 일사에 대한
차폐여부만을 고려하여 외피에 물성치는 부여 하지 않았다.Ec o t e c tAna l ys i s 는 친환경분석 프 로그램으로 특히 일사환경 및 자연채광에서 수렴 가능한 신뢰도를 보이고 있다.마지막으 로 태양광 발전 해석은 그림 4와 같이 녹화면, 비녹화면으로 구분하여 진행되었으며 이를 통 해 태양광 발전효율에 대한 비교분석을 수행 하였다.
Gr eenRoof Conv ent i onalRoof Fi g.4Cr os sSec t i onofGr een/ Conv ent i onalRoof
Mode l HI S-S250MG( Hyundai ) Si z e 0. 9 83x1 . 6 4 5㎡
Nomi nalPower ( atSTC) 2 50 Wp R s hunt 3 00 ohm R s e r i emode l 0 . 10 ohm
Gamma 1. 3 0
I oRe f 6 4 nA muVoc -1 39 mV/ de gC
Ti l t 3 0de g Az i mut h 1 2de g Tabl e.4Phot ovol t ai cModul ePer f or mance
태양전지모듈은 현대중공업의 HI S-S250 MG 모델이 사용되었고 자세한 물성치는 표 4 와 같다
4.결과 및 고찰
4. 1표면온도분석
본 연구는 대상지의 미기상 해석을 일사에
따른 지표면과 대기 간의 복합적인 전열교환현
상을 전제로 하여 진행하였다.따라서 옥상녹화
RoofType Gr e e nRoof Conve nt i onalRoof Dayl i ghtTi me( h) 0 6 : 0 0~ 2 0: 0 0 1 2: 0 0~ 14 : 00 06 : 00~2 0 : 0 0 12 : 00~1 4 : 0 0 Conduc t i vi t y( W/ mK) 0. 0 83 7( I SO1 0 45 6 ) 0 . 0 6 83( I SO10 4 56 ) Me anofI nc i de ntSol arRadi at i on( W/ m
2) 31 1 . 0 0 5 4 8. 0 1 3 11 . 00 5 48 . 01
Conve c t i onCoe f f i c i e nt( W/ m
2K) 2 . 67 2 . 8 1 2. 6 7 2. 8 1 Wi ndVe l oc i t y( m/ s ) 3 . 28 3 . 6 9 3. 2 8 3. 6 9
Thi c kne s s( m) 0. 4 5 0 . 35
Me anofExt .Sur f ac eTe mpe r at ur e( ° C) 2 4. 5 4 27 . 90 2 8 . 8 9 3 7 . 0 9 Me anofI nt .Sur f ac eTe mpe r at ur e( ° C) 3 1. 2 2 32 . 86 3 1 . 3 4 3 2 . 9 2 Me anofAi rTe mpe r at ur e( ° C) 2 4. 0 8 27 . 57 2 8 . 7 1 3 7 . 3 8
Tabl e6.Sur f aceHeatFl uxCal cul at i onofConvent i onalandGr eenRoof( Si mul at i onPer i od:June)
시스템의 순열유동을 이해하기 위해 식생과 육 성층의 현열,잠열로 인한 건물 내외부 표면 온 도 해석이 FASST 모델을 통해 선행되었다.
He i ghtofpl ant( c m) 4 0
LAI 4 . 13
Le afr e f l e c t i vi t y( al be do) 0 . 22 Le afe mi s s i vi t y 0 . 95 Mi ni mum s t omat alr e s i s t anc e( s / m) 1 80
Tabl e.5Pl antI ndexPr oper t i es
여기에 표 5 의 식생지표를 적용하여 식생에 의한 기작이 고려된 해석이 가능하였고 비녹화 면과의 비교를 통해 녹화의 주변 기온저감효과 를 유추할 수 있었다.반면 대지와 대기 간에
형성되는 열유동 방정식을 적용하여 녹화,비 녹화로 인한 주변대기온도 해석을 진행하였다.
해석된 녹화,비녹화면의 건물 내외부 표면온 도가 균일하고 항구적이라는 조건 하에 대류에 너지와 대기,지표면에 대한 온도차 사이에 대 한 열평형 방정식이 Ga ut hi e rC.등 ( 1 9 9 7 ) 에 의해 다음 산식( 6 ) 과 같이 정리하고 있다.
( 6 )
는 외기에서 유발되는 대류계수로써 Mo s t r e l M.& Gi voniB.( 19 82) 에 의해 다음과 산식 ( 7 )같이 정의된다.
( 7)
이상의 해석과정을 거쳐 도출된 녹화,비녹화 면의 내외부 표면온도와 외기온도는 표 6 과 같 다.해석기간은 일 년 중 가장 일조환경이 우수 한 6 월로 한정하였으며,균일한 온도조건을 도 출하기 위해 평균온도를 산출하였다.해석단위 시간은 1 5 시간의 총 일조시간과 1 2 시에서 1 4 시 까지를 일조집중 시간으로 구분하여 전산해석 을 진행하였다.여기서 태양일사가 직접적인 영 향을 미치는 지붕과 천정면은 전체 가상건물면
적 1 0 0 m
2에서 외벽을 제외한 8 8 . 3 6 m
2이다.해
석결과,총 일조시간 동안에 녹화면은 비녹화면
에 비해 평균적으로 4 . 3 5 ° C가 낮은 표면온도분
포를 보였으며 기온은 4 . 2 6 ° C가 낮게 해석되었
다.반면 일조집중시간에는 녹화면은 비녹화면
대비 평균 9 . 1 9 ° C가 저감된 표면온도분포를 기
록하였으며 기온 또한 9 . 2 7 ° C 낮은 냉각효과를
보였다.이에 따른 월간 녹화면과 비녹화면 표
면온도변화추이는 그림 5 과 같다.
Fi gur e5 .Sur f ac eTemper at ur eSi mul at i onofConv ent i onalandGr eenRoof( Si mul at i onPer i od:J une)
4. 2일조환경분석
일조환경분석은 Aut oCAD로 구축된 3 차원 모델을 통해 Ec ot e c tAnal ys i s 내에서 활성화 하여 대상지 건물옥상의 분석을 수행하였다.
분석 대상면을 1m 격자로 구분하여 총 7 32개 의 일사측정지점을 설정하고 전산해석을 진행 한 결과 연간 평균 일사에너지는 1 , 0 6 6 . 5 0 kWh 를 기록하였다.
Fi g.6Sol arRadi at i onAnal y si si nt heRoofAr ea
그림 6 에서와 같이 대상지 좌측 상단의 최대 일사에너지 수반지점은 1 , 2 0 5 . 6 7 kWh로 산출되 었으며 우측하단에서는 1 , 2 0 4 . 7 5 kWh가 가장 우 수한 일사에너지 확보지점으로 도출되었다.반 면 좌측상단 계단실 입구 좌측은 일사가 가장 미치지 못하는 지역으로 연평균 2 3 7 . 9 3 kWh를 기록하였다.따라서 총 실제 옥상면적 6 7 0 . 9 0 m
2중에서 최적전력변환이 가능한 태양광발전시스 템의 설치지역은 좌측상단의 7 6 . 8 4 m
2와 우측하 단의 3 6 . 8 9 m
2로 연평균 일사에너지 1 , 2 0 0 kWh 이상이 확보되는 곳으로 유추되었다.
4. 3태양광발전효율해석
옥상공간에서 녹화유무에 따른 기온차이는 PV모듈의 열손실로 연계되어 전력변환효율 에 영향을 미친다.이를 규명하기 위해 녹화 및 비녹화면에 대한 표면온도와 주변기온해석 을 통해 도출된 결과를 적용하여 전 일조시간 과 일조집중시간대에서 25 0W급 태양광 모듈 의 설계효율을 PVs ys t 로 해석하였다.
일조집중시간의 경우 월평균 일사량은 5 4 8 . 0 1
W/ m2 으로 기록되었으며 녹화면 기온은 2 7 . 5 7 ° C
로 이에 따른 Pmp p( Po we ro fMa xi mum Po we r
Po i nt ) 는 7 0 6 W,모듈온도로 인한 손실율은 1 1 . 5 %
를 나타냈다.반면 비녹화면 기온은 3 7 . 3 8 ° C로
산출되었으며 Pmpp는 6 69W,모듈온도 손실
율은 1 6. 1%로 산정되었다.해석기간인 6 월 중
최대 일사량을 기록한 시점은 6 월 7일 1 3시로
9 99. 12 W/ m2으로 산출되었으며 녹화면 기온
은 31 . 8 3° C로 Pmpp는 118 4W,모듈온도 손실
율은 21 . 3 %를 나타냈다.한편 비녹화면 기온
은 4 8 . 3 2 ° C를 나타냈고 이에 따른 Pmp p 는 1 0 6 5 W,
모듈온도 손실율은 2 9 . 1 %를 보였다.이에 대한
태양전지모듈의 성능곡선은 그림 7 과 같다.
Gr e e nRoof ( J une7,a t13: 00)
Conve nt i ona lRoof ( J une7,a t13: 00)
Gr e e nRoof ( Ave r a geMont hl y i nJ une12: 00~14: 00)
Conve nt i ona lRoof ( Ave r a geMont hl y i nJ une12: 00~14: 00)
Fi g.7Pmppar r ayr es ul tr es pec tont emper at ur el os sef f ec t
5.결 론
옥상녹화의 주변 기온저감 효과와 태양광 발전시스템의 전력변환효율은 최근 국내 외 연구를 통해 상호연계관계가 규명되고 있다.이를 산업적 측면에서 극대화하기 위해 시스템간의 상호보완적 적용을 통해 효율을 극대화하는 모델개발이 필요한 시 점이다. 본 연구는 환경ㆍ에너지 관점에 서 건전한 태양광발전시스템 제시를 목적 으로 경질형 태양전지의 물리적 특성을 감 안하여 녹화ㆍ비녹화면에 대한 미기상조 건 및 전력변환효율 산출을 위해 체계적인 전산해석 과정을 수행하였다.결과는 다음 과 같이 정리된다.
( 1)녹화면과 비녹화면의 표면온도를 해석한 결과 6 월의 총 일조시간에 유발되는 녹화 면의 평균 표면온도저감효과는 4 . 3 5° C로 기록되었으며 주변기온은 평균 4 . 6 3° C가 저감되었다.반면 일조집중시간에는 9 . 1 9 ° C 의 평균 표면온도저감효과와 9. 81° C의 주 변기온저감효과가 도출되었다.
( 2 )대상 건물인 상록관 옥상의 일조환경분석 결과 연간 평균 일사량은 1, 0 66. 50kWh를 기록하였으며,최적 태양복사량 1, 2 0 0kWh 이상을 확보할 수 있는 면적은 좌측상단 의 경우 7 6 . 8 4 m2 ,우측하단의 경우 3 6 . 8 9 m2 로 산출되었다.
( 3 )일조집중시간동안 녹화면과 비녹화면에 적 용되는 태양광발전시스템의 Pmpp는 녹화 면에서 37 W의 성능향상을 가져왔으며 이 로 인한 열손실율은 4 . 6 %가 저감되었다.
반면 6월 중 최대 일사량을 보인 6월 7 일 13시의 경우 1 19W의 성능향상과 7 . 8 %의 열손실율 감소를 기록했다.
본 연구는 체계적인 전산해석과정을 제공함 으로써 국내 기후환경과 연동된 옥상녹화와 태양광발전이 융합된 시스템을 개발하기 위한 기초연구로 활용될 것으로 사료된다.하지만 녹화ㆍ콘크리트면과 주변대기 간의 대류 및 열 교환부문에서 보다 정교한 모델이 적용되지 않 아 현실적인 결과도출에 한계를 지니고 있으며 이는 후속연구를 통해 보완되어야 할 것이다.
사 사
본 연구는 환경부의 20 12년도 차세대 에코
이노베이션기술 개발사업 ‘ 인공지반부 도시생
태계 적응,관리 기술개발( 과제번호 :4 1 6 -1 1 1 -0 1 6 ) ’
의 지원으로 수행되었습니다.
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