KR101023167B1 - 교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템 - Google Patents

교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 벽체의 개구부에 설치되는 창호프레임(100); 상기 창호프레임(100)의 전면부에 설치되는 외부창(200); 및, 상기 창호프레임(100)의 후면부에 탈착 가능하게 설치되며 상기 외부창(200)과 이격되어 공간부(11)를 형성하는 내부창(300);을 포함하여 구성되되, 상기 내부창(300)은 상기 공간부(11)에 접하는 제2유리(320); 상기 제2유리(320)와 접합되는 제3유리(330); 상기 제2유리(320)와 상기 제3유리(330) 사이에 배열되어 상기 제2유리(320) 및 상기 제3유리(330)와 함께 접합되는 태양전지셀(310); 및, 상기 제3유리(330)와 이격되어 중공층(22)을 형성하도록 상기 제3유리(330)에 접합되어 상기 제3유리(330)와 함께 페어글래스를 형성하는 제4유리(340);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템에 관한 것이다.

Description

교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템{Easily Replaceable Multi Functional BIPV Window System}
본 발명은 태양전지모듈이 건물의 창짝 시스템과 일체를 이루는 태양광 발전 창짝 시스템에 관한 것으로서, 태양광의 유입량을 증가시켜 발전 효율을 높임과 동시에 태양전지모듈에서 발생되는 열이 실내로 유입되는 것을 효과적으로 차단하며, 태양전지모듈의 교체시 작업의 안전성과 편의성을 제공할 수 있는 구조의 창짝 시스템을 제시한다.
최근 태양광(PV)은 가장 주목받는 경제적인 신재생에너지원의 하나인데 구체적인 특성과 장단점들을 살펴보면 다음과 같다.
옥상부 적용 일반적 PV 특성 :
건물에 있어 PV는 일반적으로 옥상부에 적용되었고, 일사의 입사각을 90°에 가깝게 시공하여 효율을 높이기 위해 PV모듈의 경사를 30°내외로 맞추어 시공한다. 건물이 높지 않고, 옥상면이 넓다면 PV의 옥상부 적용면적을 확대하여 태양광 발전으로 전기생산을 높이며, 이를 통해 건물의 에너지소비량을 부분적으로 충당하게 된다. 이렇게 시공되는 PV는 건물과 PV는 독자적 구조를 가지게 됨으로 일반적인 Photovoltaic 시스템이라 하며, 건물에 있어서 대부분 옥상부에서 공사가 이루어지며, 또한 모듈이나 어레이상의 전기적 문제가 발생하면 쉽게 대응이 가능하다.
수직 벽면에 적용되는 BIPV 개요 및 특성 :
국내와 같이 높은 밀도의 개발이 요구되는 현장에서는 옥상부 시공가능한 면적이 상대적으로 감소하기 때문에 건물의 높이 증가에 넓어지는 벽면의 PV 적용잠재력에 대한 관심이 높아졌다. 하지만 벽면은 옥상부에서와는 달리 수직면으로 인해 태양입사각을 최적화할 수 없기 때문에 약 70%의 효율이 발생하는 단점이 있고, 또한 옥상부와는 달리 PV가 건물과 별도의 구조체로서 존재할 수 없다는 단점이 있다. 그러므로 벽면에서 발생하는 구조적 문제점을 극복하기 위해 PV는 건물과 통합되어야 하며, 이는 일반적인 PV와는 다르게 정의하여 Building Integrated Photovoltaic이라고 일컫는다.
하지만 벽면에 적용되는 BIPV 건축설계 초기단계에서부터 디자인, 디테일, 배선 등에 대한 문제를 면밀하게 검토되어야 한다. 이는 BIPV의 효율의 문제와도 관련되며, 예를 들어 10개의 모듈이 묶여지는 하나의 어레이에서 모듈 하나가 고장이 나면 전체 어레이가 작동하지 않기 때문이다. 또한 BIPV는 고장시 문제의 발생부위의 확인과 이에 대한 유지관리나 교체가 일반적인 옥상부 PV에 비해 매우 어렵기 때문이다. 이에 설계단계에서부터 세심한 주의가 요구된다.
고층건물 적용 BIPV의 내구연한에 따른 교체상 문제점:
이런 맥락에서 벽면에 적용되는 BIPV는 저층부에 적용될 경우에 비해 특히 일사의 조건이 양호한 고층건물의 경우 더욱 문제는 심각하게 발생할 수 있다. 통상 건물외피의 벽면부(spendrel) 적용으로 인해 교체의 작업은 외부에서 크레인을 가동하여 교체하게 된다. 그러므로 모듈 하나의 교체를 위해 인건비와 높은 장비비가 소요되며, (초)고층부의 경우는 크레인으로 올라갈 수 있는 높이의 한계로 인해 교체가 불가능하다고 해도 과언이 아니다. 무엇보다도 최근 고층건물은 높은 품질을 가지며, 이에 따라 건물외피의 내구성은 최대 100년까지 보장되고, 이에 반해 PV에 적용되는 실리콘계열을 비롯한 모든 cell의 내구성은 최대 20~30년 내외임으로 결국 고층건물의 생애주기상에서 PV는 3~4회 교체되어야 하는 문제가 있다. 이런 맥락에서 PV를 고층건물의 벽면에 적용하는 BIPV의 실현은 현실적으로 일사의 입사에서는 매우 유리하나 적용상 난이한 과제였고, 현재까지 적용되지 못한 숙제 중 하나였다. 하지만 단위면적당 에너지소비량이 많은 고층건물의 에너지소비를 화석연료로부터만 공급받아 해결한다고 하면, 이는 시대적 패러다임에 맞지 않을 뿐만 아니라, 고층건물은 에너지 과소비에 무방비로 노출되게 된다.
초고층에 적용되는 BIPV 장점 :
일반적으로 초고층은 다음과 같은 이유에서 BIPV를 적용하기 좋은 조건이다.
- 도심지내 초고층 시공시 지상부에 비해 공기중 미세먼지가 적음으로 초고층의 하단부보다 상단부로 갈수록 측정일사량은 더 높아 출력효율을 높일 수 있다.
- 초고층은 주변에 방해물이 없기 때문에 BIPV 설치시에 따른 음영에 대한 영향에 덜 민감하다.
- 특히 초고층은 고층이라는 장점으로 인해 도시에서 가장 먼저 일사가 발생하는 위치임으로, 이는 동이 트는 오전 이른 시간에부터 PV면에 90°에 가까운 태양 입사가 발생하며, 또한 이런 현상은 오후 해가 지는 경우에도 동일하며, 이는 전기생산시 효율을 높일 수 있다.
- 이에 따라 일반적인 저층부에 적용되는 옥상부 PV는 합리적 전기생산이 가능한 시간대가 초고층부에 비해 짧고, 남향에 비교적 의존적 효율이 발생하지만, 초고층부 BIPV는 물론 남향에서 최고의 효율이 있지만, 동동남에서 서서남까지 효율이 발생할 수 있는 유리한 조건이다.
- 상시 바람이 많음으로 일사에 따른 PV표면부의 온도상승을 바람에 의한 대류열손실을 높일수 있어 초고층 하단부보다 표면온도상승효과를 다소 억제함으로 PV효율 저하를 다소 예방할 수 있다.
초고층에 적용되는 BIPV 단점 :
하지만 기존의 방식으로 BIPV를 초고층에 적용시 다음과 같은 문제점이 있다.
- 대부분 벽면부에 적용함으로 유지관리와 교체가 난이하다. 특히 1개 모듈의 고장시 진단 및 이의 보수도 어렵다.
- 초고층 건물외피의 최대수명 100년 대비 생산되는 모든 PV의 수명은 20~30년으로 PV교체시기가 매우 빠르고, 또한 PV교체시 외장공사가 동반되어야 함으로 막대한 비용이 소요된다.
PV는 초고층건물에서 필수적인 신재생기술이지만, 유지관리와 교체의 원천적 문제를 해결과 이에 따라 부수적으로 발생할 수 있는 비용의 문제를 극복할 수 없었기에 현재까지 초고층건물의 외벽에 사용하지 못하는 문제점이 있었다.
상기한 문제점들을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 개념이 적용된 새로운 구조의 창짝 시스템을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
둘째, 유지관리 및 교체가 용이한 BIPV 시스템을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
셋째, 다양한 종류의 태양전지 타입을 다양하게 적용할 수 있는 BIPV 시스템을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
넷째, 태양광 발전과 함께 삼중유리 이상의 고단열 창호를 실현함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
다섯째, 미래지향적인 디자인을 추구하는 BIPV 시스템을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 건물 벽체의 개구부에 설치되는 창호프레임(100); 상기 창호프레임(100)의 전면부에 설치되는 외부창(200); 및, 상기 창호프레임(100)의 후면부에 탈착 가능하게 설치되며 상기 외부창(200)과 이격되어 공간부(11)를 형성하는 내부창(300);을 포함하여 구성된다.
상기 내부창(300)은 상기 공간부(11)에 접하는 제2유리(320); 상기 제2유리(320)와 접합되는 제3유리(330); 상기 제2유리(320)와 상기 제3유리(330) 사이에 배열되어 상기 제2유리(320) 및 상기 제3유리(330)와 함께 접합되는 태양전지셀(310); 및, 상기 제3유리(330)와 이격되어 중공층(22)을 형성하도록 상기 제3유리(330)에 접합되어 상기 제3유리(330)와 함께 페어글래스를 형성하는 제4유리(340);로 이루어진다.
본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째, BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 개념이 포함된 새로운 구조의 창짝 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 내부창(300)을 구성하는 제2유리(320)와 제3유리(330) 사이에 태양전지셀(310)이 삽입되어 함께 접합되는 구조로서 일반적으로 외벽이나 옥상부에 설치되는 태양광 발전과는 그 개념을 달리 하는 새로운 구조의 창짝 시스템을 제공하게 된다.
둘째, 유지관리 및 교체가 용이한 BIPV 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 태양전지셀(310)이 제2유리(320)와 제3유리(330)와 함께 접합되어 보호될 수 있으며, 고장 등으로 교체가 필요한 경우에는 내부창(300)을 간단하게 분리하여 교체함으로써 안전하고 편리하게 작업을 완료할 수 있다.
셋째, 다양한 종류의 태양전지셀을 함께 적용할 수 있는 BIPV 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 제2유리(320)와 제3유리(330) 사이에 태양전지셀(310)을 접합하게 되며 태양전지셀(310)의 종류에 상관없이 실리콘 계열, 염료 감응형, 또는 갈륨-안티몬 계열 등을 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다.
넷째, 태양광 발전과 함께 고단열 창호를 실현할 수 있다.
다시 말하면, 제3유리(330)와 제4유리(340)로 중공층(22)이 형성된 페어글래스를 구성하고, 제4유리(340)에 로이코팅 처리를 함으로써 고단열 창호를 실현할 수 있다.
다섯째, 미래지향적인 디자인을 추구하는 BIPV 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 외벽이 아닌 내부창(300)에 BIPV 시스템을 적용함으로써 건물의 외적 미감을 높일 수 있다.
개발기술의 초고층 적용 가능성 :
본 개발기술은 초고층 건물에서 BIPV를 벽면부에 사용할 경우 발생하는 교체와 유지관리상의 문제점을 개선함으로 초고층건물에서도 BIPV를 쉽게 적용할 수 있는 대안으로서 유지관리/교체의 용이성을 확보하며, 이에 따른 비용적 문제를 원칙적으로 해결할 수 있는 대안기술이다. 특히 본 개발기술은 초고층의 벽면의 요소 중 창호부에 BIPV를 설치함으로서 기존 초고층 BIPV의 문제점을 개선하며, 그리고 일반적으로 단열성능이 떨어지는 창호부의 단열성능을 추가적으로 해결할 수 있는 대안이다.
따라서 본 개발기술의 장점은 다음과 같다.
- 단열성능이 저하되는 창호부에 삼중유리효과를 통해 추가적 단열성능 확보로 창의 기본기능인 고단열 창호 실현
- 고층부 BIPV 근본적 문제인 유지관리 및 교체의 용이성 확보
- 최소비용으로 유지관리 및 교체가 가능한 시스템 확보
- 결정질, 비결정질, 박막형 등 모듈의 종류에 상관없이 다양한 PV모듈을 적용가능한 시스템 확보
- 전면 저철분유리 적용으로 감소하는 일반효율을 미세먼지 농도가 적어 표면입사 일사량이 높은 초고층 적용으로 효율감소 개선
- 기존 적용대상인 벽이 아닌 투과부인 창호를 활용하여 미래지향적 디자인적 접근성 확보
도1은 태양전지셀의 종류에 따른 일사 스펙트럼상에서의 반응영역을 도시하고 있다. 좌측은 일반적으로 적용되는 실리콘 계열의 태양전지셀이고, 우측은 갈륨-안티몬 계열의 태양전지셀인데 실리콘 계열은 갈륨-안티몬 계열에 비하여 가시광선대에서 효율이 높은 장점이 있고, 반응영역은 실리콘 계열에 비하여 갈륨-안티몬 계열이 훨씬 넓은 장점이 있다.
도2는 서울을 기준으로 향과 각도에 따라 태양입사량을 백분율로 나타낸 것이다. 남측면 기울기 45°를 전후하여 태양입사율 100%로 기준할 경우, 남측 수직면의 경우 약 70% 그리고 동서측면 수직면은 50% 수준이다. 아래의 그림은 동(좌), 남(중간),서향(우)에 따른 일일 시간대별 일사량을 나타낸 것이다. 동, 서향은 일일 중 오전 또는 오후에만 일사량이 발생하나, 남측면의 경우 일일 중 대부분의 시간대에 일사량이 발생하는 장점이 있어 효율이 높음을 알 수 있다.
도3은 본 발명이 적용된 태양광모듈을 다양하게 적용할 수 있음을 보여주는 사례이다. 입면상에서 실리콘 계열의 태양전지가 좌측부의 프로젝트창 형식으로 적용되거나, 또는 갈륨-안티몬 계열의 태양전지가 중간영역 및 우측 영역에 적용될 수 있음을 예시로 보여준다. 이는 본 발명이 창호부에 있어 태양광이 얼마나 다양하게 적용가능한지를 보여주는 부분이다.
도4는 외부창(200)이 프로젝트창 형식으로 개폐되는 부분의 단면도이다.
도5는 외부창(200)이 고정된 부분의 단면도이다.
도6은 도4의 상단부 상세도인데, 외부창(200)을 구성하는 프레임과 창호프레임(100) 사이에 가스켓(130)이 밀착되는 구조임을 알 수 있다.
도7은 도5의 상단부 상세도이인데, 도6과는 달리 외부창(200)을 구성하는 프레임이 창호프레임(100)에 코킹 처리되어 고정됨을 알 수 있다.
도8은 내부창(300)이 분리된 상태의 단면도이다. 기존의 창호 또는 벽면부 적용 태양광은 교체시 크레인을 타고 외부에서 태양광모듈 전체가 탈거됨과 동시에, 내부뿐만 외부에서도 코킹마감 처리되는 복잡한 공정이 소요되었지만, 본 발명은 내부에서 탈거할 수 있고, 동시에 교체작업이 용이하게 이루어지는 장점이 있어, 시공성뿐만 아니라 교체비용까지도 최소화할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도3은 본 발명이 적용될 수 있는 다양성을 표현한 입면도로서, 실리콘 계열의 태양전지나 갈륨-안티몬 계열의 태양광모듈을 다양하게 적용할 수 있음을 보여주고, 도4는 외부창(200)이 프로젝트창 형식으로 개폐되는 부분의 단면도이고, 도5는 외부창(200)이 고정된 형식의 단면도이고, 도6은 도4의 상단부 상세도이고, 도7은 도5의 상단부 상세도이고, 도8은 내부창(300)이 분리된 상태의 단면도이다.
창호프레임(100)은 창호프레임(100)은 도3 내지 도7에 도시된 바와 같이 건물 벽체의 개구부에 설치되어 외부창(200)과 내부창(300)이 설치될 공간을 제공하게 된다.
창호프레임(100)의 외형이나 단면 구조는 첨부도면에 도시된 형태로만 한정되는 것은 아니며 건물의 형태에 맞추어 다양한 설계변경이 가능하다.
외부창(200)은 창호프레임(100)의 전면부에 코킹처리되어 고정설치되며, 경우에 따라서는 외부창(200)의 일부 영역은 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 프로젝트창 형식으로 개폐가 가능하게 설치될 수도 있는데 구체적인 회동 구조는 일반적인 프로젝트창의 구조와 동일한 바 별도의 도면으로 상세 도시는 생략한다.
또한 외부창(200)은 고층에서의 풍압에 충분히 견딜 수 있는 강도를 유지할 수 있어야 한다.
아울러 태양광 발전 효율을 높이기 위하여 보다 많은 빛이 투과(투과율 90 퍼센트 이상)될 수 있도록 외부창(200)을 구성하는 유리는 저철분 유리가 적용되어야 한다.
내부창(300)은 창호프레임(100)의 후면부에 탈착 가능하게 설치되며 외부창(200)과 이격되어 공간부(11)를 형성하게 된다.
이러한 내부창(300)은 제2유리(320), 제3유리(330), 제4유리(340) 및 제2유리(320)와 제3유리(330) 사이에 접합되는 태양전지셀(310)로 구성된다.
제2유리(320)는 공간부(11)와 접하는 곳에 위치하여 외부창(200)과 마주보게 된다.
제3유리(330)는 제2유리(320)와 접합되어 일체를 형성하는데, 태양전지셀(310)이 제2유리(320)와 제3유리(330) 사이에 배열되어 제2유리(320) 및 제3유리(330)와 함께 접합된다.
태양전지셀(310)은 실리콘 계열의 결정질 셀(cell)뿐만 아니라 염료감응형 또는 갈륨-안티몬 계열의 셀도 자유롭게 선택되어 사용될 수 있다.
제4유리(340)는 제3유리(330)와 이격되어 중공층(22)을 형성하도록 제3유리(330)에 접합되어 제3유리(330)와 함께 페어글래스를 형성한다.
이러한 제4유리(340)의 일측면(주로 중공층(22)에 접하는 내부면)은 로이(low-e) 코팅 처리되어 태양전지셀(310)에서 발생된 열이 실내로 유입되는 것을 차단하게 된다.
즉, 태양전지셀(310)에서 발생되는 열의 대부분은 제3유리(330), 중공층(22), 및 로이 코팅된 제4유리(340)에 의하여 효과적으로 차단된다.
이러한 내부창(300)은 도8에 도시된 바와 같이 분리가 가능하여 태양전지셀(310)의 교체가 필요한 경우 창호프레임(100)의 분해가 외부에서의 작업이 전혀 필요 없으며, 실내에서 내부창(300)만 분리하여 교환하면 된다.
이러한 내부창(300)은 도8에 상세히 도시된 바와 같이 캡수용홈부(110), 내부창조립캡(120) 및 가스켓(130)을 이용하여 탈착식으로 조립된다.
캡수용홈부(110)는 창호프레임(100)의 후면부 테두리를 따라 입구가 좁고 내부가 넓은 단면 형태로 형성된 홈통을 말하며, 여기에 내부창조립캡(120)의 삽입돌출부(121)가 결합된다.
내부창조립캡(120)은 캡수용홈부(110)에 삽입되는 삽입돌출부(121)가 일측면을 따라 형성되어 있는데, 삽입돌출부(121)의 단부에는 걸림돌기(122)가 형성되어 캡수용홈부(110)에 결합된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
내부창조립캡(120)의 다른 일면(내부창조립캡(120)이 창호프레임(100)의 캡수용홈부(110)에 결합된 상태에서 내부창(300)을 향하는 표면)에는 가스켓고정홈(123)이 형성되어 있는데 내부창(300)의 테두리를 압착지지하는 가스켓(130)이 가스켓고정홈(123)에 삽입되어 결합된다.
가스켓(130)은 내부창조립캡(120)의 가스켓고정홈(123)에 결합되어 내부창(300)을 안정적으로 압착지지하게 된다.
따라서 태양전지셀(310)의 교체가 필요한 경우에는 내부창조립캡(120)을 캡수용홈부(110)에서 이탈시키면 내부창(300)을 손쉽게 탈거하여 교체가 가능하다.
또한 첨부도면에 별도로 도시하지 않았으나 외부창(200)와 내부창(300) 사이의 하단부에는 결로 발생시 결로수가 외부로 배출될 수 있도록 배출구멍을 만들 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
100:창호프레임
110:캡수용홈부
120:내부창조립캡
121:삽입돌출부
122:걸림돌기
123:가스켓고정홈
130:가스켓
200:외부창
300:내부창
310:태양전지셀
320:제2유리
330:제3유리
340:제4유리
11:공간부
22:중공층

Claims (5)

  1. 건물 벽체의 개구부에 설치되는 창호프레임(100);
    상기 창호프레임(100)의 전면부에 설치되는 외부창(200); 및,
    상기 창호프레임(100)의 후면부에 탈착 가능하게 설치되며 상기 외부창(200)과 이격되어 공간부(11)를 형성하는 내부창(300);
    을 포함하여 구성되되,
    상기 내부창(300)은,
    상기 공간부(11)에 접하는 제2유리(320);
    상기 제2유리(320)와 접합되는 제3유리(330);
    상기 제2유리(320)와 상기 제3유리(330) 사이에 배열되어 상기 제2유리(320) 및 상기 제3유리(330)와 함께 접합되는 태양전지셀(310);
    상기 제3유리(330)와 이격되어 중공층(22)을 형성하도록 상기 제3유리(330)에 접합되어 상기 제3유리(330)와 함께 페어글래스를 형성하는 제4유리(340);
    상기 창호프레임(100)의 후면부 테두리를 따라 입구가 좁고 내부가 넓은 단면 형태로 형성된 캡수용홈부(110);
    상기 캡수용홈부(110)에 삽입되는 삽입돌출부(121)가 일측면을 따라 형성되고, 상기 내부창(300)의 제4유리(340)를 향하는 표면에는 가스켓고정홈(123)이 형성된 내부창조립캡(120); 및,
    상기 내부창조립캡(120)의 가스켓고정홈(123)에 결합되어 상기 내부창(300)의 제4유리(340)를 압착지지하는 가스켓(130);
    을 포함하여 구성되며,
    상기 내부창(300)의 제4유리(340)의 일측면은 로이(low-e) 코팅 처리되고,
    상기 외부창(200)을 구성하는 유리는 투과율이 90퍼센트 이상인 저철분유리인 것을 특징으로 하는 교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템.
  2. 제1항에서.
    상기 외부창(200)의 일정 영역은 프로젝트창 형식으로 외부를 향하여 개방이 가능한 것을 특징으로 하는 교체가 용이한 다기능성 태양광 발전 창짝 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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