KR101979659B1 - 건물일체형 태양광·태양열 시스템 - Google Patents

건물일체형 태양광·태양열 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 시스템에 관한 것으로서, 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 저장하기 위한 전력 저장 장치, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하기 위한 집열장치 및 상기 전력 저장 장치에 저장된 전기 에너지와 상기 집열장치에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 관리장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 효율적으로 태양에너지를 활용할 수 있다는 효과가 있다.

Description

건물일체형 태양광·태양열 시스템 {Building Integrated Photovoltaic and Thermal system}
본 발명은 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화로 인해 환경 보존에 대한 관심이 증대됨에 따라 이산화탄소 배출을 억제하는 기술에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전기 에너지 생산 분야에서는 태양광 발전, 조력, 풍력 등의 신 재생에너지 필요성이 크게 대두되고 있다.
최근 들어서 태양에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전설비의 사용이 점차 보편화되고 있다. 이러한 태양에너지를 이용하는 태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한대의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
현재에는 태양광발전소 이외에 태양광 발전 기술을 건축물에 접목한 건물 일체형 태양광 발전 시스템(Building Integrated Photovoltaic system, BIPV)이 각광받고 있다.
건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV)은 기존의 태양광 발전(PV)기술을 건축물에 접목하여 태양전지 모듈 자체가 곧 건물 외장재로서 기존 건축물의 마감재를 대체하면서 전기를 발전하는 다기능 복합 시스템을 의미하는 것으로, 건축물의 창호, 지붕, 외벽, 발코니 등 건물의 외관에 태양광 발전 모듈을 장착해 자체적으로 전기를 생산하여 건축물에서 활용할 수 있다.
태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하여 건설 비용을 줄이고 건물의 가치를 높이는 디자인 요소로도 사용된다.
태양에서 지구로 오는 빛에너지를 원하는 에너지로 바꾸어 수확하는 방법은 크게 두 가지가 있는데, 하나는 태양광모듈을 이용하여 태양에너지를 전기로 변환시키는 방법이고, 다른 하나는 집열판을 이용하여 태양에너지를 온수 등의 열에너지로 변환시키는 방법이다.
종래에는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 기술과 열에너지로 변환하는 기술이 별도로 개발되어 활용되었으며, 태양광을 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용하는 기술은 존재하지 않았다.
그리고, 종래 태양광 모듈에서 태양빛이 반사판에 유도되어 중앙에 있는 태양전지에 집광되면 태양전지의 표면온도가 상당히 상승하게 되는데, 이 열을 빠른 속도로 제거하지 않으면 태양전지의 전력변환 효율이 급격하게 떨어진다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 10-1306299
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용할 수 있는 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal, 이하 'BIPVT'라 함) 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양전지의 표면온도의 상승을 억제할 수 있는 태양광·태양열 모듈을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 BIPVT 시스템은 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 저장하기 위한 전력 저장 장치, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하기 위한 집열장치 및 상기 전력 저장 장치에 저장된 전기 에너지와 상기 집열장치에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 관리장치를 포함한다.
상기 BIPVT 모듈은 다수의 벽돌 형태의 BIPVT 단위 모듈이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 BIPVT 단위 모듈은, 태양광이 들어오는 전면에 위치하고, 표면을 보호하기 위해 강화유리로 구성되는 전면부, 상기 전면부를 통해 들어오는 태양광이 입사되도록 반사시키기 위한 태양광 입사 반사판, 상기 태양광 입사 반사판을 통해 입사된 태양광이 내부의 태양전지로 집광되도록 유도하기 위한 태양광 유도 반사판 및 상기 태양광 유도 반사판에 연결되어 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 태양전지와, 상기 태양전지 후면에서 열을 배출하기 위한 냉각부로 구성되는 태양전지 및 냉각부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 태양전지는 CIGS 박막 태양전지(Copper indium gallium selenide thin-film solar cells)로 구현될 수 있다.
본 발명에 의하면, 건물에 부착된 태양광 및 태양열 패널을 통해 태양광으로부터 전력과 열에너지를 동시에 생산할 수 있어서, 건물에서 태양광을 이용하여 전력뿐만 아니라 온수 등의 열 에너지도 얻을 수 있으므로, 효율적으로 태양에너지를 활용할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 건물일체형 태양광·태양열 시스템은 기존 건물의 외벽에 태양광·태양열 모듈을 장착하는 방식이기 때문에, 용이하게 구현 가능하고 생산비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 태양광·태양열 모듈이 적용되는 태양광 발전 기술은 지속 가능한 에너지원을 확보할 수 있고, 이산화탄소를 줄일 수 있는 청정에너지로서 그 가능성과 잠재력이 무한하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 단위 모듈의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 단위 모듈의 측단면 투시도에서 집광배율을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 구성도이다.
도 7 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 태양열 시스템의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal, 이하 'BIPVT'라 함) 시스템에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 BIPVT 시스템은 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용하는 시스템으로서, BIPVT 모듈(100)을 건물의 외벽 또는 지붕에 장착하여, 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환하고, 이를 건물 내부의 전력 저장 장치(200)와 집열장치(300)로 보내어 사용할 수 있도록 하는 시스템이다.
또한, 본 발명의 BIPVT 시스템은 관리장치(400)에서 전력 저장 장치(200)에 저장된 전기에너지와 집열 장치(300)에 저장된 열에너지를 부하(10)에 보내어 사용하게 하고, 전력의 저장과 사용 현황, 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고, 제어한다. 그리고, 관리장치(400)는 전력 저장 장치(200)에서 전력을 저장하고 남은 전력을 전력계통(20)으로 보낼 수도 있다.
BIPVT 모듈(100)은 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 역할을 한다.
전력 저장 장치(200)는 BIPVT 모듈(100)로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 역할을 한다.
집열 장치(300)는 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하는 역할을 한다.
관리장치(400)는 전력 저장 장치(200)에 저장된 전기 에너지와 집열장치(300)에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 모듈의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 BIPVT 모듈(100)은 다수의 BIPVT 단위 모듈(110)로 구성된다. 보다 구체적으로 BIPVT 모듈(100)은 벽돌 형태의 BIPVT 단위 모듈(110)을 결합시켜서 제작한다.
예를 들어, BIPVT 단위 모듈(110)의 크기가 10cm×20cm×10cm의 벽돌 형태라고 할 때, 이러한 BIPVT 단위 모듈(110) 50개를 모아서 도 3과 같은 형태로 BIPVT 모듈(100)을 제작할 수 있다. 도 3에서는 10행 5열의 구조로 되어 있는 BIPVT 모듈로서, 100cm×100cm×10cm 크기이다.
본 발명에서 BIPVT 모듈(100)의 표면을 투명한 강화유리로 제조할 수 있으며, 건축자재로의 기능도 포함하고 있으므로, 건물의 외벽을 아름답게 장식할 수 있는 기능도 구현할 수 있다. 즉, 기존에는 실리콘 태양전지가 그대로 보이는 상용화된 태양광모듈을 건물의 외벽 또는 지붕 위에 그대로 올리는 방식으로 건물일체형 태양광 모듈을 사용하였으므로 건물 외관을 아름답게 할 수 있는 방법이 상당히 제한적이었으나, 본 발명의 BIPVT 모듈(100)에서는 표면의 전면부를 강화유리로 구현하여, 아름다운 디자인과 색상을 표현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 단위 모듈의 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 BIPVT 단위 모듈(110)은 전면부(111), 태양광 입사 반사판(112), 태양광 유도 반사판(113), 태양전지 및 냉각부(114), 측면보호부(115), 후면보호부(116)를 포함하여 이루어진다.
전면부(111)는 태양광이 들어오는 전면에 위치하여 표면을 보호하는 역할을 하며, 강화유리 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
태양광 입사 반사판(112)은 전면부(111)를 통해 들어오는 태양광이 입사되도록 반사시키는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 태양광 입사 반사판(112)은 전면부(111)에 수직인 방향으로 다수 설치될 수 있다.
태양광 유도 반사판(113)은 태양광 입사 반사판(112)을 통해 입사된 태양광이 내부의 태양전지로 집광되도록 유도하기 위한 반사판이다. 본 발명의 일 실시예에서 태양광 유도 반사판(113)은 일단이 태양광 입사 반사판(112)에 연결되고 타단이 태양전지에 연결되는 구조로 형성될 수 있다.
태양전지 및 냉각부(114)는 태양광 유도 반사판(113)에 연결되어, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 태양전지 후면에서 열을 배출하는 냉각부로 이루어진다.
측면 보호부(115)는 측면을 보호하기 위한 격벽이다.
후변 보호부(116)는 후면을 보호하기 위한 격벽이다.
도 4에서 보는 바와 같이, BIPVT 모듈(100)이 건물의 남쪽을 향한 벽에 부착된다면, 태양이 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 동안 입사되는 빛이 모듈 내부에 있는 반사판을 통해 유도되어, 태양의 위치와 고도에 큰 상관없이 모듈의 중앙에 위치한 태양전지 쪽으로 집광될 수 있는 구조이다.
태양광이 반사판을 통해 유도되어 중앙에 있는 태양전지에 집광되면 태양전지의 표면온도가 상당히 상승하게 되는데, 이 열을 빠른 속도로 제거하지 않으면 태양전지의 전력변환 효율이 급격하게 떨어진다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서 태양전지는 온도계수가 작은 박막태양전지를 사용할 수 있다. 온도계수가 작은 박막태양전지는 표면온도가 상승해도 전력변환 효율이 상대적으로 작게 떨어지도록 설계되어 있다. 특히, 40~50μm의 아주 얇은 스테인리스 강판 위에 만들어진 CIGS 박막태양전지를 사용하면 열을 후면으로 배출하는 속도를 극대화시킬 수 있다. 참고로, Si 단결정 셀의 온도계수는 -0.45 %/℃이고, CIGS 셀의 온도계수는 -0.33 %/℃이며, 여기서 온도계수는 셀의 온도가 1℃ 상승할 때 셀의 전력변화효율 저하를 의미한다.
CIGS 박막 태양전지(Copper indium gallium selenide thin-film solar cells)는 태양광을 전기에너지로 변환하는 데 사용되는 박막형 태양 전지로서, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 화합물 유리나 플라스틱 등의 기판에 얇은 막으로 쌓아올린 차세대 전지이다.
본 발명에서 BIPVT 모듈(100)을 사용함으로써, 태양전지에서 전력을 생산하여 건물의 전력저장장치(200)로 보내고, 후면 냉각부에서 열에너지를 수집하여 건물의 집열장치(300)로 보낸다. 그리고 건물에서는 전력저장장치(200)와 집열장치(300)를 통해 전력과 열에너지를 사용할 수 있고, 관리장치(400)에서 전력과 열에너지의 수집, 저장, 사용 상태를 확인하여 모니터링할 수 있으며, 건물 외벽(또는 지붕)에 부착된 BIPVT 모듈(100)의 작동상태를 확인하여 모니터링할 수 있으며, 불량한 모듈이 발견되면 그 위치를 파악하여 교체 보수가 가능하다.
본 발명에서 BIPVT 모듈(100)은 남쪽을 향하는 건물벽면에 설치되어 발전하고 집열함으로써, 태양으로부터 에너지를 수집하게 된다.
BIPVT 단위 모듈(110)은 태양광 유도 반사판(113)을 이용하여 태양의 고도, 움직임에 큰 영향을 받지않고, 전반적으로 높은 발전 효율을 얻을 수 있도록 구조화되어 있다. 하지만 반사판의 각도에 따라 태양광의 반사 횟수가 달라져서 이에 따른 발전효율의 변화가 있을 수 있다. 그래서, 본 발명에서는 BIPVT 단위 모듈(110)의 내부에 장착되는 태양광 유도 반사판(113)의 각도를 변화시키면서 배율을 1부터 10까지 조정하며 발전효율을 조사한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 단위 모듈의 측단면 투시도에서 집광배율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 (a)는 집광배율이 10배인 경우의 BIPVT 단위 모듈 형태이고, (b)는 집광배율이 5배인 경우의 BIPVT 단위 모듈 형태이다.
이처럼, 본 발명에서는 집광배율에 따라 하루에 얻어지는 전력을 산출하고, 배율에 따른 발전량을 측정하여, 시험을 통해 보다 많은 발전량을 얻기 위한 배율을 알아낸다. 그리고, BIPVT 단위 모듈에서 발전되는 발전량을 최대화하기 위한 태양광 유도 반사판의 배율을 최적화시킨다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 BIPVT 시스템은 BIPVT 모듈(100), 접속반(610), 태양광 인버터(620), 배전반(630), 순환펌프(640), 열교환기(650), 온수탱크(660), 보조 보일러(670)를 포함한다.
도 6에서 접속반(610), 태양광 인버터(620), 배전반(630)은 BIVPT 시스템에서 태양광을 전기 에너지로 변환하여 사용하기 위한 태양광 시스템의 구성요소이고, 순환펌프(640), 열 교환기(650), 온수 탱크(660), 보조 보일러(670)는 태양광을 열에너지로 변환하여 사용하기 위한 태양열 시스템의 구성요소이다.
접속반(610)은 BIPVT 모듈(100)에서 나오는 전선을 하나로 통합하여 직류전류를 태양광 인버터(620)에 전달시켜주는 역할을 한다.
태양광 인버터(620)는 접속반(610)으로부터 전달받은 직류형태의 발전전력을 교류로 변환시킨다.
배전반(630)은 건물에 전력을 공급하는 역할을 하며, 전력 공급원(한전계통)과도 전력을 송전·수전한다.
도 7 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 태양열 시스템의 구성도이다. 즉, 도 7 내지 도 15는 도 6의 BIPVT 시스템에서 태양열을 활용하기 위한 태양열 시스템 측의 구성만 도시한 것이다.
도 7 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 태양열 시스템은 BIPVT 모듈(100), 순환펌프(640), 열 교환기(650), 온수 탱크(660), 보조 보일러(670)를 포함하여 이루어진다.
BIPVT 모듈(110)은 태양광을 수집하여 열 에너지를 발생시킨다.
순환펌프(640)는 물을 순환시키는 펌프이다.
열 교환기(650)는 각 설비에 부착된 온도센서로부터 감지된 온도에 따라 열 교환이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하며, 시간에 따라 유량, 유속을 조절한다.
온수 탱크(660)는 온수를 저장하기 위한 탱크이다.
보조 보일러(670)는 온수 탱크(660)의 온수를 건물에 공급하는 역할을 한다.
이 외에도, 태양열 시스템은 각 장치들을 이어주는 배관, 각 장치에 부착되는 온도센서(T_pvt_room, T_pvt_in, T_pvt_out, T_tank, T_t in, T_t out), 유량계(F_pvt, F_tank), 일사량계(P_pvt), 순환펌프(P_pvt, P_tank), 급수라인 등으로 구성되어 있다.
태양열 시스템에서 BIPVT 모듈(100)은 반사판을 이용하여 열을 일정 부분으로 모아 집열시키는 방식으로, 모듈 내부에는 집중된 집열공간으로 열 에너지를 효과적으로 전달받을 수 있는 관이 설계되어 있다. 그리고 BIPVT 모듈(100)에는 일사량계(P_pvt)와 온도계(T_pvt)가 각각 설치되어 있고, 내부관의 입·출구에 각각 온도센서(T_pvt_in, T_pvt_out)가 설치되어 있다.
온수 탱크(660)는 충분한 용량을 산정하여 설치되고, 전달받은 열 에너지를 장기간 사용할 수 있도록 하고, 또한 각 입구와 출구에 온도센서가 부착되어 온도정보가 수집되고, 급수관과 연결하여 태양열 시스템으로의 물 공급과 동시에 열 에너지를 충분히 받은 온수를 배급할 수 있도록 한다.
이제 태양열 시스템의 태양열 순환 방식의 구동 순서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9를 참조하면, 센서와 순환펌프의 자동제어를 통해 상대적으로 저온의 유체가 BIPVT 모듈(100)에 전달되고, BIPVT 모듈(100)의 집열장치를 유체가 통과하면서 열 에너지를 충분히 전달받고, 고온으로 방출된다(①).
그리고, 도 10을 참조하면, BIPVT 모듈(100)의 집열장치를 통해서 고온으로 방출된 유체가 열교환기(650)를 지나가면서 열에너지를 온수탱크(660)로 열전달을 수행하고(②), 유체는 다시 저온이 되어 도 7의 ①의 과정을 반복한다.
그리고, 도 11을 참조하면, 급수라인으로부터 온수 탱크(660)를 거쳐 저온의 급수를 열교환기(650)까지 공급하고, 열교환기(650)에서 집열장치로부터 나온 고온의 유체로부터 열에너지를 전달받아 고온으로 변화한 상태에서 온수탱크(660)에 저장한다(③).
그리고, 도 12를 참조하면, 건물에서는 태양열 시스템을 통하여 온수 탱크(660)에 저장되어 있는 고온의 물을 용도에 맞게 바로 사용하거나, 부족한 온도는 보조 보일러(670)을 통해 가열하여 공급하도록 한다(④).
이와 같은 방식을 기반으로 하여 본 발명의 태양열 시스템에서는 온도계, 일사량계, 유량계 등으로부터 센싱하여 얻어진 정보를 통해 환경적 조건이 계절마다 다르고, 따라서 온수 탱크(660)의 급수부분의 펌프조절과 BIPVT 모듈(100) 부분의 펌프를 조절하여 유속들을 적절히 조절함으로써, 목표하는 온도를 얻어낼 수 있다.
도 13은 여름철의 태양열 시스템의 개요도이다.
도 13에서 보는 바와 같이, 가장 더운 여름철에는 일사량뿐만 아니라 기온 자체도 높기 때문에, 집열이 잘 이루어지고 열 매체가 고온이 될 수 있으므로, 유속을 높여 비교적 빠른 순환을 통해 목표로 하는 온도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 25℃의 유체를 집열을 통해 30℃까지 끌어올려 열교환기(650)를 통해 급수계통으로 열을 전달하여, 급수로 공급되는 약 20℃의 물을 22℃까지 가열하는데 사용하고, 열 매체는 다시 26℃가 되어 반복 순환하는 방식으로 동작한다. 반복순환을 통해 열 매체의 출구온도는 최대 55℃까지 올라가도록 순환속도를 조절하고 축열조의 최대 온도는 99℃를 넘지 않도록 제어한다.
반면, 가장 추운 겨울철에는 여름철에 비해 기온 자체가 낮으므로 열 매체의 기초 온도가 낮다.
도 14는 겨울철의 태양열 시스템의 개요도이다.
도 14에서 보는 바와 같이, 겨울철에는 센서들로부터 수집한 정보를 토대로 펌프를 조절하여 상대적으로 느린 유속을 통해 목표로 하는 온도를 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 겨울철의 약 5℃되는 열 매체를 집열을 통해 10℃까지 끌어올려 열교환기(650)를 통해 급수계통으로 열을 전달해서, 건물내부 배관의 8℃ 정도의 물을 가열하여 10℃까지 끌어올리고, 열 매체는 다시 낮은 온도로 돌아가며, 반복 순환할 수 있도록 한다. 반복 순환을 통해 열매체의 출구 최대온도는 50℃ 이하가 되도록 제어하고, 축열조의 온도는 최대 99℃ 이하가 되도록 제어한다.
한편, 겨울철이 되면 기온이 현저하게 낮아져서 영하로 지속될 때가 많은데, 이 때에 일반적인 물을 사용한다면 PVT 설치 구조상 유체가 흐르는 관이 외기에 직접적으로 노출되므로, 관이 얼게 되어 설비가 고장나거나 심하게는 동파가 될 가능성이 존재한다. 따라서, 이러한 겨울철에 대비한 설비가 요구된다.
도 15는 겨울철에 대비한 태양열 시스템의 개요도이다.
도 15를 참조하면, 이러한 겨울철 동파를 방지하기 위하여 기온이 낮은 시간대에 건물 내부의 열로만 보호하기 어려운 부분인 패널쪽 배관을 통과하는 열 매체로 부동액을 이용한다. 부동액은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등 다른 화학 물질과 물을 혼합하여, 어느점을 일반 물보다 현저히 낮게 함으로써, 겨울철 어는 것을 방지할 때 사용하는 액체이다.
이렇게 집열장치 내부로 부동액이 포함된 물이 열전달 매체로 사용되어, 열 매체가 통과하면서 가열되도록 구성하고, 가열된 열 매체가 열 교환되는 열 교환기(650) 및 집열장치 등에 배관을 구성하도록 한다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 BIPVT 모듈 110 BIPVT 단위 모듈
200 전력 저장 장치 300 집열장치
400 관리장치

Claims (4)

  1. 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈;
    상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 저장하기 위한 전력 저장 장치;
    상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하기 위한 집열장치; 및
    상기 전력 저장 장치에 저장된 전기 에너지와 상기 집열장치에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 관리장치를 포함하고,
    상기 BIPVT 모듈은 다수의 벽돌 형태의 BIPVT 단위 모듈이 결합되어 구성되며,
    상기 BIPVT 단위 모듈은,
    태양광이 들어오는 전면에 위치하고, 표면을 보호하기 위해 강화유리로 구성되는 전면부;
    상기 전면부를 통해 들어오는 태양광이 입사되도록 반사시키기 위해, 상기 전면부에 수직인 방향으로 다수 설치되어 있는 태양광 입사 반사판;
    상기 태양광 입사 반사판을 통해 입사된 태양광이 내부의 태양전지로 집광되도록 유도하기 위한 태양광 유도 반사판; 및
    상기 태양광 유도 반사판에 연결되어 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 태양전지와, 상기 태양전지 후면에서 열을 배출하기 위한 냉각부로 구성되는 태양전지 및 냉각부를 포함하여 이루어지고,
    상기 태양광 유도 반사판은 일단이 상기 태양광 입사 반사판의 일단에 연결되고, 타단이 상기 태양전지에 연결되는 구조로 다수 설치되며,
    상기 태양전지에서 변환된 전기에너지가 상기 전력저장장치로 전송되고, 상기 냉각부에서 수집된 열에너지가 상기 집열장치로 전송되며,
    상기 관리장치는 전기에너지 및 열에너지의 수집, 저장, 사용 상태를 확인하여 모니터링하고, 다수의 BIPVT 단위 모듈의 작동상태를 확인하여 모니터링하고, 이중에서 불량한 BIPVT 단위 모듈이 있으면, 해당하는 불량 BIPVT 단위 모듈의 위치를 화면에 표시하도록 하고,
    상기 관리장치는 상기 전력저장장치에 전력을 저장하고 남은 전력을 전력계통에 전송하는 것을 특징으로 하는 BIPVT 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지는 CIGS 박막 태양전지(Copper indium gallium selenide thin-film solar cells)인 것임을 특징으로 하는 BIPVT 시스템.
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