KR101027773B1

KR101027773B1 - 교체가 용이한 태양광발전 패널시스템

Info

Publication number: KR101027773B1
Application number: KR1020100129216A
Authority: KR
Inventors: 이건호; 장대희; 송영학
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2030-12-16

Abstract

본 발명은 BIPV에서 건물 외피를 구성하기 위한 태양광발전 패널시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PV모듈의 유지관리 및 교체시 작업의 안전성과 편의성을 제공할 수 있는 태양광발전 패널시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템은, 건물 외피의 개구부에 고정 설치되는 것으로 전면에서 들어간 위치에서부터 차례로 프레임본체에 제1돌출턱, 제2돌출턱, 제3돌출턱이 서로 이격하게 마련된 패널프레임; 상기 패널프레임의 제1돌출턱 전면에 고정 설치되는 유리패널;상기 패널프레임의 제1돌출턱과 제2돌출턱 사이에 탈착 가능하게 설치되는 PV모듈패널; 및, 상기 패널프레임의 제2돌출턱과 제3돌출턱 사이에 탈착 가능하게 설치되는 단열패널;을 포함하여 구성되되, 상기 패널프레임은 제2돌출턱과 제3돌출턱이 프레임본체와 탈착 가능한 비드프레임으로 마련되는 한편 제1돌출턱의 후면과 제2돌출턱의 전·후면 및 제3돌출턱의 전면에 가스켓이 설치되도록 마련된 것이며, 상기 PV모듈패널과 단열패널은 상기 패널프레임에 마련된 가스켓에 압착 지지되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

교체가 용이한 태양광발전 패널시스템{Easily Replaceable BIPV Panel System}

본 발명은 BIPV에서 건물 외피를 구성하기 위한 태양광발전 패널시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PV모듈의 유지관리 및 교체시 작업의 안전성과 편의성을 제공할 수 있는 태양광발전 패널시스템에 관한 것이다.

태양광(PV)은 가장 주목받는 경제적인 신재생 에너지원의 하나인데, 구체적인 특성과 장단점들을 살펴보면 다음과 같다.

옥상적용 PV 특성

PV는 일반적으로 건물의 옥상부에 적용하여 PV모듈의 경사를 30°로 맞추어 가능한 높은 효율을 발휘할 수 있도록 시공한다. 낮은 건물에서 넓은 옥상이 있는 경우 PV의 옥상부 적용면적을 확대할 수 있다. 이와 같이 PV가 건물로부터 독자적 구조로 서게 될 경우 통상적으로 Photovoltaic(PV) 시스템이라 한다. 이러한 옥상부 PV는 모듈이나 어레이상의 전기적 문제가 발생하여 유지보수가 필요할 경우 쉽게 대응할 수 있는 장점이 있다.

수직면 적용 BIPV 특성

한편, 밀도가 높은 도심지에 건물이 지어질 때 현장은 옥상부 시공면적이 벽면부 시공면적에 비해 상대적으로 감소한다. 이에 따라 건물 높이의 상승으로 인해 잉여되는 벽면에 대한 PV의 적용 잠재력이 높아지고 있다. 하지만 벽면부에 적용되는 PV는 옥상부 대비 태양입사각이 높아 전기적 효율이 70% 수준에 이르며, 또한 옥상과는 달리 PV가 별도의 구조체로 시공되기 어려운 단점이 있다. 이에 따라 벽면부 적용 PV는 건물과 통합되어야 함으로써 이를 일반적인 PV와는 다르게 정의하여 Building Integrated Photovoltaic(BIPV)이라고 부르고 있다. 그럼에도 불구하고 벽면에 적용되는 BIPV의 가장 큰 장점은 PV설치면적의 확보가 어려운 도심 내에서 PV 설치면적을 확대할 수 있다는 것이다. 그러므로 벽면부 적용 BIPV는 낮은 효율에도 벽이라는 잉여 면적에 적용면적을 넓게 확대할 수 있다는 측면에서 도심지에 BIPV를 효율적으로 활용할 수 있는 대안이 될 수 있다. 또한 높은 건물에서 미활용되는 벽면부가 PV 설치를 위한 잉여면적으로 창출된다는 관점에서 잠재력이 매우 높다고 해야 할 것이다.

하지만 벽면적용 BIPV 건축설계 초기단계에서부터 디자인, 디테일, 배선 등에 대한 문제를 면밀하게 검토되어야 한다. 이는 BIPV 효율의 문제뿐만 아니라, 유지관리상의 문제와도 연관된다. 예컨대 10개 모듈로 이루어진 하나의 어레이에서 모듈 하나의 고장은 전체 어레이에 영향을 미쳐 전력생산이 이루어 지지 않기 때문이다. 특히 벽면 BIPV는 오류발생시 고장부위의 진단 및 이의 교체가 건물의 외부에서 이루어지게 되어, 접근이 용이한 옥상부에 시공된 PV에 비해 관리가 매우 어렵다. 이런 맥락에서 벽면에 적용되는 BIPV는 저층부에 적용될 경우에 비해 특히 일사의 조건이 양호한 고층건물에 적용 시 유리관리 상 문제는 심각할 수 있다.

통상 건물 외피의 벽면부(spandrel) 적용 시 교체작업이 실내에서 실시되지 못함으로써 외부에서 크레인 또는 곤돌라를 이용한다. 이는 고장난 모듈 하나의 교체를 위해 높은 인건비와 높은 장비비가 소요되며, (초)고층부의 경우는 크레인으로 올라갈 수 있는 높이의 한계로 인해 교체가 불가능할 뿐만 아니라 매우 위험하여 자칫하면 인명피해로 이어질 수 있다. 그러므로 이에 합리적으로 대응하기 위해서는 설계단계에서부터 면밀한 검토가 요구되나, 외부에서 유지관리 및 교체가 이루어져야 하는 고층부 BIPV는 이와 같은 문제점으로 인해 적용이 꺼려지고 있다.

건물의 내구연한 및 BIPV 내구연한이 상이함에 따른 문제점

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 생애주기 상에서 BIPV는 3~4회 교체되어야 한다. 이에 따라 PV를 고층건물 벽면(Spandrel)에 적용하는 BIPV는 고층부에서 일사의 활용이라는 측면에서는 매우 유리하나 유지관리상의 난제로 인해, 현재까지 적용되지 못하고 있다. 이로 인해 단위면적당 에너지소비량이 많은 고층건물의 에너지자립도를 개선하는 데에 한계가 존재하였다.

초고층 적용 BIPV 장점

일반적으로 초고층은 다음과 같은 이유에서 BIPV를 적용하기 좋은 조건이다.

첫째, 도심지 내 초고층 시공 시 지상부에 비해 공기 중 미세먼지가 적음으로 초고층의 하단부보다 상단부로 갈수록 측정일사량은 더 높아 출력효율을 높일 수 있다.

둘째, 초고층은 주변에 방해물이 없기 때문에 BIPV 설치 시에 따른 음영에 대한 영향에서 비교적 자유로울 수 있다. 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 동일함으로 합리적 설계에 의해 BIPV의 이용 잠재력을 확대할 수 있다. 이에 따라 일반적인 저층부에 적용되는 옥상부 PV는 전기 생산이 가능한 시간대가 초고층부에 비해 짧고, 남향에 비교적 의존적 효율이 발생하지만, 초고층부 BIPV는 물론 남향에서 최고의 효율이 있지만, 동동남에서 서서남까지 효율이 발생한다. 이에 따라 통상 옥상부에 한정된 공간에서 적용되는 PV를 고층건물의 벽면을 활용함으로 BIPV의 적용면적을 확대할 수 있는 큰 장점이 있다.

셋째, 상시 바람이 많음으로 일사에 따른 PV표면부의 온도상승을 바람에 의한 대류 열손실을 높일 수 있어 초고층 하단부보다 표면온도상승효과를 다소 억제함으로 PV 효율 저하를 다소 예방할 수 있다.

초고층에 적용되는 BIPV 단점

도 5는 종래 태양광발전 패널시스템의 일례로 공개특허 제2008-17121호에 따른 것인데, 보는 바와 같이 PV모듈이 전면 유리와는 물론 프레임과 일체로 결합하는 구조를 가진다. 이러한 종래의 패널시스템으로 BIPV를 초고층에 적용한다면 다음과 같은 문제점이 따른다.

첫째, 유지관리와 교체가 어렵다. 다시 말해 PV모듈이 외측면에서 시공되기 때문에 PV모듈의 문제발생 시에 유지관리 내지 교체 시공을 위한 장비(곤돌라, 크레인 등) 수급이 이루어져야 하므로 신속하게 대응하는 것이 어렵다.

둘째, 초고층 건물외피의 최대수명 100년 대비 생산되는 PV모듈의 수명은 20~30년으로 PV모듈의 교체 시기가 매우 빠르고, 또한 PV모듈의 교체 시에 외장공사가 동반되어야 함으로써 막대한 비용이 소요된다.

이와 같이 BIPV는 초고층건물에서 필수적인 신재생 기술이지만, 유지관리와 교체의 원천적 문제와 이에 따라 부수적으로 발생할 수 있는 비용의 문제를 극복할 수 없었기에 현재까지 초고층건물의 외벽에 적극적으로 사용하지 못하는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)에서 PV모듈의 설치 문제를 개선하고자 개발된 것으로 다음과 같은 기술적 과제를 갖는다.

첫째, 초고층 건물에도 BIPV를 쉽게 적용할 수 있도록 PV모듈을 실내에서 탈착 가능하게 설치할 수 있도록 구성한 BIPV용 패널시스템을 제공하고자 한다.

둘째, 외부에서는 투명 유리에 의한 미적 외관 향상을 도모할 수 있고 실내에서는 벽면의 기능을 확보하면서 단열성능을 개선할 수 있는 BIPV용 패널시스템을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 건물 외피의 개구부에 고정 설치되는 것으로 전면에서 들어간 위치에서부터 차례로 프레임본체에 제1돌출턱, 제2돌출턱, 제3돌출턱이 서로 이격하게 마련된 패널프레임; 상기 패널프레임의 제1돌출턱 전면에 고정 설치되는 유리패널; 상기 패널프레임의 제1돌출턱과 제2돌출턱 사이에 탈착 가능하게 설치되는 PV모듈패널; 및, 상기 패널프레임의 제2돌출턱과 제3돌출턱 사이에 탈착 가능하게 설치되는 단열패널;을 포함하여 구성되되, 상기 패널프레임은 제2돌출턱과 제3돌출턱이 프레임본체와 탈착 가능한 비드프레임으로 마련되는 한편 제1돌출턱의 후면과 제2돌출턱의 전·후면 및 제3돌출턱의 전면에 가스켓이 설치되도록 마련된 것이며, 상기 PV모듈패널과 단열패널은 상기 패널프레임에 마련된 가스켓에 압착 지지되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 교체가 용이한 태양광발전 패널시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명에 따른 패널시스템은 BIPV에서 PV모듈의 유지관리 및 교체를 실내에서 간단하고 안전하게 실시할 수 있다. 특히 외부의 유리패널과 내부의 PV모듈이 구분되고 내부의 PV모듈이 실내에서 탈착식으로 시공되는 구조로 구성되기 때문에 PV모듈에 문제가 발생할 경우 실내에서 신속하게 대응할 수 있고, 이때 별도의 장비(곤돌라, 크레인 등)를 사용하지 않아도 되기 때문에 고층 건물에도 저렴한 비용으로 PV모듈의 유지관리 및 교체가 가능해진다.

둘째, 건물 외피에서 창호가 아닌 외벽으로 처리되는 부분에 적용할 수 있기 때문에 통상 잉여면적으로 남아 있는 벽면을 최대한 활용할 수 있어 고층건물에서의 PV적용면적을 확대할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 패널시스템은 외부에서는 창호로 인식되는 한편 내부에서는 벽으로 인식되기 때문에 건물의 미적 외관을 향상시킬 수 있고 아울러 실내에서는 PV셀에 의한 전경의 시각적 훼손을 차단할 수 있으며, 나아가 유리패널과 PV모듈패널 및 단열패널 사이에 적절히 중공층을 형성하기 때문에 단열성능을 개선할 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템이 설치된 건물 외피의 정면이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템의 설치 상세도이다.
도 5는 종래 태양광발전 패널시스템을 보여준다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템이 설치된 건물 외피의 정면을 보여준다. 도 1은 태양광발전 패널시스템이 창호시스템 하부에 설치된 예이고, 도 2는 태양광발전 패널시스템이 창호시스템 좌우에 설치된 예이다.

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템의 설치 상세도로서 도 1 및 도 2에서 'A' 부분에 대한 단면도이다. 보는 바와 같이 본 발명에 따른 태양광발전 패널시스템은 탈착식으로 구성된다. 구체적으로 본 발명은 패널프레임(100), 유리패널(210), PV모듈패널(220), 단열패널(230)로 구성되며, 특히 PV모듈패널(220)과 단열패널(230)이 탈착식으로 구성된다.

패널프레임(100)은 건물 외피의 개구부에 고정 설치되는 것으로, 전면에서 들어간 위치에서부터 차례로 프레임본체(110)에 제1돌출턱(120), 제2돌출턱(130), 제3돌출턱(140)이 서로 이격하게 마련된다. 커튼월 건물에서는 커튼월 프레임이 곧 패널프레임(100)이 된다. 특히 본 발명에서는 패널프레임의 제2돌출턱(130)과 제3돌출턱(140)이 프레임본체(110)와 탈착 가능한 비드프레임으로 마련할 것을 제안한다.

도 3 및 도 4에서는 제1돌출턱(120)이 프레임본체(110)와 일체로 마련되는 한편, 제2,3돌출턱(130, 140)이 결합돌기(131, 141)가 돌출 형성된 비드프레임으로 마련되어 프레임본체(110)에 형성된 제1,2비드결합홈(113, 114) 각각에 탈착식으로 설치되고 있다. 나아가 제1돌출턱(120)의 후면, 제2돌출턱(130)의 전·후면, 제3돌출턱(140)의 전면 각각에 가스켓결합홈(122, 132, 142)이 형성되고 있다. 특히 제2돌출턱(130)은 전·후면에 가스켓결합홈(132)이 형성됨에 따라 더블 비드프레임으로 마련되는 반면, 제3돌출턱(140)은 전면에만 가스켓결합홈(142)이 형성됨에 따라 싱글 비드프레임으로 마련되고 있다. 이러한 패널프레임(100, 프레임본체(110), 제1,2,3돌출턱)은 금속 내지 플라스틱 프로파일로 마련하면 적당하다.

한편 패널프레임(100)은 제1돌출턱(120) 후면과 제2돌출턱(130) 전·후면, 그리고 제3돌출턱(140)의 전면 각각에 가스켓(150)이 마련되는데, 이는 PV모듈패널(220)과 단열패널(230)을 압착지지하면서 고정 설치하기 위함이다. 도 3과 도 4에서는 결합돌기(151)가 돌출 형성된 가스켓(150)이 가스켓결합홈(122, 132, 142)에 탈착 가능하게 설치되고 있는 것을 확인할 수 있다.

유리패널(210)은 패널프레임의 제1돌출턱(120) 전면에 코킹처리되어 고정 설치된다. 유리패널(210)은 실질적으로 건물 외피를 구성하는 외장재가 되어 건물의 미관을 향상시키는 역할을 하며, 다만 외장재의 기본적인 성능인 누수 방지 및 기밀 확보에 주의하면서 설치될 수 있도록 한다. 유리패널(210)은 고층에서의 풍압을 충분히 견딜 수 있는 강도의 구조용 유리를 채택하도록 하며, 가령 6mm 두께의 단판유리가 있다. 나아가 태양광발전 효율을 높이기 위해 더욱 많은 빛이 투과(투과율 90% 이상)될 수 있도록 저철분 유리가 바람직하다.

PV모듈패널(220)은 패널프레임의 제1돌출턱(120)과 제2돌출턱(130) 사이에 탈착 가능하게 설치되는데, 이는 비드프레임으로 마련된 제2돌출턱(130)이 프레임본체(110)에 탈착 가능하게 설치됨에 따라 가능해진다. 전술한 바와 같이 PV모듈패널(220)은 제1돌출턱(120)과 제2돌출턱(130) 사이에서 가스켓(150)에 압착 지지되면서 고정 설치된다.

도 3과 도 4에서는 제1판유리(221)와 제2판유리(222) 사이에 PV셀(223)이 배열되어 함께 접합된 PV모듈패널(220)을 확인할 수 있다. 여기서 PV셀(223)은 실리콘 계열의 결정질 셀(cell)뿐만 아니라 염료감응형 또는 갈륨-안티몬 계열, 비결정질, 박막형 등의 다양한 셀을 자유롭게 선택할 수 있다.

단열패널(230)은 패널프레임의 제2돌출턱(130)과 제3돌출턱(140) 사이에 탈착 가능하게 설치되며, PV모듈패널(220)과 마찬가지로 가스켓(150)에 압착 지지되면서 고정 설치된다. 단열패널(230)은 일사가 PV셀(223)에 도달할 때 발생하는 온도상승이 실내로 전달되는 것을 최소화하는 역할을 한다.

한편 PV모듈패널(220)과 단열패널(230)은 각각 제1돌출턱(120)과 제2돌출턱(130)에 의해 자연스럽게 유리패널(210)과 PV모듈패널(220)에 이격하게 설치되는데, 이에 따라 유리패널(210)과 PV모듈패널(220) 사이 그리고 PV모듈패널(220)과 단열패널(230) 사이에는 빈 공간의 중공층이 마련되기 때문에 이에 의한 단열효과를 기대할 수 있다.

상기와 같은 패널시스템은 건물 외피의 개구부에 패널프레임(100)을 설치하고, 건물 외부에서 유리패널(210)을 코킹처리하면서 설치하고, 건물 내부에서 PV모듈패널(220), 제2돌출턱(130)으로 마련된 비드프레임, 단열패널(230), 제3돌출턱(140)으로 마련된 비드프레임을 차례로 설치하는 과정으로 설치 시공하면 된다. PV모듈패널(220)의 유지관리 내지 교체의 요구가 발생하면 설치 순서와는 반대로 제3돌출턱(140), 단열패널(230), 제2돌출턱(130), PV모듈패널(220)을 차례로 탈락시키는 과정으로 분해하면 된다.

이상과 같이 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었다. 하지만 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

100: 패널프레임
110: 프레임본체
113, 114: 비드결합홈
120: 제1돌출턱
130: 제2돌출턱
140: 제3돌출턱
150: 가스켓
131, 141, 151: 결합돌기
122, 132, 142: 가스켓결합홈
210: 유리패널
220: PV모듈패널
221, 222: 판유리
223: PV셀
230: 단열패널

Claims

건물 외피의 개구부에 고정 설치되는 것으로, 전면에서 들어간 위치에서부터 차례로 프레임본체(110)에 제1돌출턱(120), 제2돌출턱(130), 제3돌출턱(140)이 서로 이격하게 마련된 패널프레임(100);
상기 패널프레임의 제1돌출턱(120) 전면에 고정 설치되는 유리패널(210);
상기 패널프레임의 제1돌출턱(120)과 제2돌출턱(130) 사이에 탈착 가능하게 설치되는 PV모듈패널(220); 및,
상기 패널프레임의 제2돌출턱(130)과 제3돌출턱(140) 사이에 탈착 가능하게 설치되는 단열패널(230);을 포함하여 구성되되,
상기 패널프레임(100)은, 제2돌출턱(130)과 제3돌출턱(140)이 프레임본체(110)와 탈착 가능한 비드프레임으로 마련되는 한편, 제1돌출턱(120)의 후면과 제2돌출턱(130)의 전·후면 및 제3돌출턱(140)의 전면에 가스켓(150)이 설치되도록 마련된 것이며,
상기 PV모듈패널(220)과 단열패널(230)은 상기 패널프레임(100)에 마련된 가스켓(150)에 압착 지지되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 교체가 용이한 태양광발전 패널시스템.
제1항에서,
상기 패널프레임(100)은,
프레임본체(110);
상기 프레임본체(110)와 일체로 마련된 제1돌출턱(120);
상기 제2,3돌출턱 위치의 프레임본체(110)에 형성된 제1,2비드결합홈(113, 114);
결합돌기(131, 141)가 돌출 형성되어 상기 프레임본체의 제1,2비드결합홈(113, 114) 각각에 탈착 가능하게 설치되는 제2,3돌출턱(130, 140);
상기 제1돌출턱(120)의 후면, 제2돌출턱(130)의 전·후면 및 제3돌출턱(140)의 전면에 형성된 가스켓결합홈(122, 132, 142);
결합돌기(151)가 돌출 형성되어 상기 가스켓결합홈(122, 132, 142)에 탈착 가능하게 설치되는 가스켓(150);
을 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 교체가 용이한 태양광발전 패널시스템.
제1항 또는 제2항에서,
상기 PV모듈패널(220)은,
제1판유리(221); 제2판유리(222); 상기 제1판유리와 제2판유리 사이에 배열되어 함께 접합되는 PV셀(223);을 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 교체가 용이한 태양광발전 패널시스템.
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