KR20070074439A

KR20070074439A - 건축외장용 일체형 복층유리 pv

Info

Publication number: KR20070074439A
Application number: KR1020060065352A
Authority: KR
Inventors: 오민석; 김회서
Original assignee: 오민석; 김회서
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2007-07-12

Abstract

본 발명은 건축 외장재 중 커튼월 시스템을 위한 것으로서 건축물의 외피를 태양전지(PV:Photovoltaic)와 일체화시켜 전기에너지 발생은 물론 별도의 마감재를 필요로 하지 않아 자재와 공간 및 비용의 과다투입을 방지할 수 있는 건축외장용 일체형 복층유리 태양전지(PV)에 관한 것이다.

본 발명은 종래의 태양전지(PV)와 달리 태양전지(PV)를 건축물의 외피 마감재로 대체 및 일체화시킬 뿐만 아니라 건축자재화에 있어서 요구되는 성능을 만족시키는데 그 목적이 있다.

일체형 복층유리 PV, 건축자재화, 외피마감재, 열관류율, 단열층, 태양전지(PV:Photovoltaic), BIPV(Building Integrated Photovoltaics)

Description

건축외장용 일체형 복층유리 PV{omitted}

도 1a는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 개념도

도 1b는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 구상도

도 2는 종래 기술에 따른 샌드위치 글래스 PV 의 구상도

도 3는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 규격도

도 4a는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 제작 디테일(A-A')

도 4b는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 제작 디테일(B-B')

도 4c는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 결합 디테일

도 5는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 의 적용도(수직 외벽면 적용)

도 6a는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 와 기존의 샌드위치 글래스 PV의 수직면 일사량에 따른 발전효율 비교도

도 6b는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 와 기존의 샌드위치 글래스 PV의 외표면 온도의 변화와 발전효율 비교도

도 6c는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 와 기존의 샌드위치 글래스 PV의 공기층 온도의 영향과 발전효율 비교도

도 6d는 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV 와 기존의 샌드위치 글래스 PV의 내표면 온도의 변화와 발전효율 비교도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100a, 100b : 판유리 101 : 태양전지(PV) 셀

103 : 실내측 판유리 104 : 전기배선

105 : 간봉(Spacer)

106 : 단열층(공기층, 아르곤가스층, 크립톤가스층, 진공층)

107 : 폴리이소부틸렌(Polyisobutylen) 108 : 흡습제(Desiccant)

201, 202, 203, 204, 205 : 알루미늄 창호의 구성 철물

301 : 수직면평균일사량 302 : 외부표면온도

303 : 단열층(공기층)의 온도 304 : 내부표면온도

310 : 본 발명에 따른 일체형 복층유리 PV의 효율

320 : 기존의 샌드위치 글래스 PV의 효율

태양광발전은 태양전지(PV:Photovoltaic)를 이용하여 직접 전기를 생산하는 기술로 다양한 응용분야가 있지만 그 중에서도 태양전지(PV)를 건축물의 외피 마감 재로 사용하는 건물 일체화 (BIPV: Building Integrated Photovoltaic) 개발기술은 21세기 유망 신기술로서 근래 전세계적으로 상당히 주목받고 있다. 건물 일체화 기술은 기존의 건축물 외피를 단순히 외적자극의 보호의 개념으로 바라보는 관점에서 탈피하여 에너지 창출의 도구로 바라보는 보다 적극적인 기술로서, 태양전지(PV) 모듈의 건축자재화를 통해 기존 외피가 가져야하는 요구성능을 만족함과 동시에 자체 전력발생을 통해 건축물 전력 수급의 일익을 담당할 수 있어 기존의 태양전지(PV) 시스템 설치에 드는 비용을 절감하는 이중효과를 기대할 수 있다. 이중 태양전지(PV) 시스템의 자재화 요구성능 중 가장 중요한 요소는 단열성능이다. 외피 마감재의 단열성능에는 냉·난방부하를 절감하여 에너지를 절약하기 위한 것과 결로방지를 위한 것이 있다. 일사, 외기, 전열 등에 의해 실내로 침입하면 일부는 공기를 가열하여 실온을 상승시키고 나머지는 건축물 구조체에 축열된 후 서서히 실내 공기를 상승시킨다. 이때 실온을 상승시킨 열은 부하에 해당하며 건축물의 냉·난방 부하에 큰 영향을 미치는 중요한 요소로 작용한다. 한편으로 태양전지(PV)는 열에 노출될수록 발전효율이 저하되는 성질이 있으므로 발명된 시스템의 성능을 검증하여야 한다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 건축물의 벽체 또는 지붕과 같은 외피 자재를 일체형 복층유리 PV 시스템으로 대체하여, 기존의 건축물 외피를 에너지 창출의 도구로 활용하며 태양전지(PV)의 건축자재화를 통해 건축물의 외피가 가져야하는 요구성능을 만족함과 동시에 자체전력발생을 통해 건축 물 전력 수급의 일익을 담당할 수 있어 기존의 태양광 발전시스템 설치에 소요되는 자재와 공간 및 비용을 절감하면서 종래의 건물 일체화 제품(샌드위치 글래스 PV)들이 갖추지 못한 건축자재로서의 단열성능을 확보하는데 그 목적이 있다. 또한, 일사량과 PV 모듈의 주위의 온도와 변환효율의 관계를 실험하여 본 발명의 성능을 검증 하고자 한다.

샌드위치 글래스 PV에 공기층과 후면유리의 추가하면 간단하게 열성능을 향상시킨 새로운 조합을 만들 수 있으며, 이는 국내 외피의 단열성능 기준에도 적합하다. 본 발명의 일체형 복층유리 PV 의 구상도 및 개념도는 [도 1a], [도 1b]와 같다.

[도 1a]과 [도 1b]에 도시된 바와 같이, 일체형 복층유리 PV의 제작은 상호 마주하게 복층된 2장의 4mm 판유리(100a),(100b)와 태양전지(PV) 셀(101)로 구성된 태양전지(PV)모듈(110)의 뒷면에 12mm 단열층(106)과 6mm판유리(103)를 배치한다. 태양에 면한 전면의 판유리(100a)는 투광성이 높고 열에 강하며 입사하는 태양에너지가 태양전지(PV) 셀(101)에 잘 도달할 수 있도록 화이트 글라스로 제작되어야 한다. 또한 낙뢰방지를 위해 저철분 유리로 제작되어야 한다. 실내측의 유리(103)는 반사유리를 사용하거나 Low-E코팅이 가능하다. 반사유리를 사용하면 가시광선은 투과량은 줄어드나 시환경 차원에서 불균일하며 지나치게 과다한 태양광으로부터 일사차폐의 효과가 있어 재실자의 쾌적감을 높여준다.

태양전지(PV) 셀(101)은 결정계실리콘 태양전지(PV) 셀 혹은 비정질형(아몰 포스계통) 혹은 박막형 태양전지(PV) 셀을 사용 할 수 있다. 결정계의 실리콘 태양전지(PV) 셀(101)을 사용 할 경우 기계적 강도를 위하여 0.3mm∼0.5mm의 두께로 제작한다. 태양전지(PV) 셀(101)을 정착시키기 위한 재료로는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)라는 매우 투명한 수지(102)가 사용된다. EVA(102)는 태양전지(PV) 셀(101)의 발전효율에 영향을 미치지 않도록하기 위하여 매우 투명하여야 한다. 태양전지(PV) 모듈의 배선(104)은 뒷면 단열층(106)의 배선박스(104)를 거쳐 간봉(Spacer)을 관통하여 알루미늄 프레임의 공극에 관통하여 가장자리에서 뽑아낸다.

단열층(106)은 공기로 구성되어지며, 아르곤가스, 크립톤가스, 진공상태로도 구성가능하다.

유리사이의 단열층(106)을 유지하기 위하여 두장의 판유리(100b),(103) 사이에 간격유지를 위한 12mm의 알루미늄 간봉(Spacer)(105)를 배치한다. 이 때 단열층(106)에 누수방지를 위하여 알루미늄 간봉(Spacer)(105)과 각각의 판유리(100b), (103)간의 접착면에 폴리이소부틸렌(107) 이라는 누수방지 접착제를 사용하여 바깥쪽은 실리콘(109)으로 접착하여 마무리 한다. 알루미늄 간봉(Spacer)(105)는 유리의 간격을 유지하며 흡습제(108)의 용기가 되는 재료로 공동형으로 사용한다(이음 용접부는 1군데이어야 한다). 알루미늄 간봉(Spacer)(105)은 속이 비어있어 그 공간에 흡습제(Desiccant)(108)를 넣는다. 이는 단열층(106)에 습기 침투를 방지하기 위한 장치이다.

[도 3]는 본 발명이 적용된 커튼월(Curtain Wall) 벽체에서의 일체형 복층유리 PV 의 규격도이며, AA'와 BB'단면도는 [도 4a], [도 4b]와 같이 구성되며 세로 로 자른 면[도 4a]는 가로로 자른 면[도 4b]에 비해 유리의 무게를 견디도록 지지대(205)가 들어있는 특징이 있다. 커튼월의 프레임(멀리언과 트렌섬)은 전변에 돌출된 길이가 적어 자체의 음영이 모듈에 미치지 않도록 한다.

수직 외벽면의 적용은 [도 5]와 같으며 지붕 및 경사면에도 사용 가능하다. 본 발명의 일체형 복층유리 PV를 커튼 월에 적용 시 비젼(Vision) 부분과 스팬드럴(Spandrel) 부분에 모두 사용되어 질 수 있으며 이때 서로 다른 두께의 기존외피(유리)와의 조합도 용이하다. 알루미늄 프레임은 단열바가 포함된 제품을 이용하면 실(室)의 단열성능에 보다 유리하다.

열성능을 규정한 국내의 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙(건설교통부령 제 328호, 일부개정 2002.08.31), 제 21조 건축물의 열손실방지에 의한 기준에 의하면 건축물이 외기에 직접 면하는 창은 연관류율의 값이 중부지방 3.30kcal/㎡h℃, 남부지방 3.60kcal/㎡h℃, 제주도 4.50kcal/㎡h℃ 이하로 하여야 한다. 일체형 복층유리 PV 의 시제품과 기존의 샌드위치 글래스 PV의 열관류율은 하단의 표 5와 같이 계산된다. 중부지방과 남부지방의 경우 샌드위치 글래스 PV는 적합하지 않으며 그에 따른 해결방안이 요구된다. 또한, 본 발명의 일체형 복층유리 PV의 경우 그 대안이 될 수 있다.

표,1 일체형 태양전지(PV)의 구성과 열관류율

이런 단열성능을 평가하는 지표로서 열관류율을 사용한다.

여러 재료로 구성된 구조체를 통한 열전달에 있어 모든 요인들을 혼합한 하나의 값으로 나타낸 것을 열관류율(U-Value)이라고 한다. 단위는 W/㎡℃(㎉/㎡h℃)로 표면적이 1㎡인 구조체를 사이에 두고 온도차가 1℃일 때 구조체를 통한 열류율을 와트로 측정한 것이다. 열관류율이 낮을수록 단열성능이 좋음을 의미한다. 또한, 열관류율은 구조체의 각 부분을 구성하고 있는 재료들의 열 저항값으로부터 계산되어진다. 벽과 같은 건축물의 부위에 있어 각 재료의 층과 표면을 통과하는 열전달율은 서로 다르며, 이러한 차이는 열저항으로 설명된다. 열저항은 건축물의 부위에 있어서 특정한 구성성분이 열류에 저항하는 능력에 대한 척도로 단위는 ㎡h℃/㎉(=㎡h℃/W)가 된다. 그 부위의 열저항(R)은 재료의 두께(d)를 재료의 열전도율(k)로 나눈 값이 된다.

수학식 1

R = d / k

R : 그 부위의 열저항 (㎡h℃/㎉)

d : 재료의 두께 (m)

k : 재료의 열전도율 (㎉/mh℃)

일반적으로 열관류율(U)은 모든 성분의 열저항의 합(=열관류 저항)의 역수로 계산한다.

수학식 2

U = 1 / [Ri + R1 + R2 + ..... + Ro]

U : 열관류율 (㎉/㎡h℃)

Ri : 실내표면의 열저항

Ro : 실외표면의 열저항

R1, R2, ..... : 구성재료의 열저항

만일, 벽체 또는 다른 구조체가 서로 다른 열관류율값을 가진 다층 구조로 이루어져 있다면 전체 단열성능은 다층 구조의 상대적인 면적에 의해 결정된다. 이러한 경우 평균 열관류율을 이용하여 구해야 하는데 일반적인 공식은 아래와 같다

수학식 3

U = [a1×U1 + a2×U2 + .....] / [a1 + a2 + .....]

U : 평균 열관류율 (㎉/㎡h℃)

a1 : 1의 면적

U1 : 1의 열관류율

한편으로 태양전지(PV)는 열에 노출될수록 효율이 떨어지는 성질이 있으므로 추가된 디테일의 형상이 모듈의 온도와 변환효율에 어떤 영향을 미치는지 알아볼 필요가 있다. 따라서 기존의 샌드위치 글래스 PV와 본 발명의 일체형 복층유리 PV 를 같은 조건에서 비교하여 모듈 및 주변의 온도와 변환효율의 관계를 파악하여 본 발명의 실용화를 위한 검증자료로 삼았다.

본 발명의 일체형 복층유리 PV와 기존의 샌드위치 글라스 PV를 건물 옥상에 경사각도 90°로 정남향으로 설치하여 발전량과 PV모듈 및 주변온도를 측정하였다. 측정기간은 6, 7, 8월의 일사량이 최대가 되는 시기로 하였으며 이는 PV모듈의 온도가 일사에 의해 최대로 높아지는 시기의 데이터 값의 측정을 위한 것이다. 측정대상기간 중의 기온이 높고(평균 기온 30°이상) 일사량이 많은 쾌청한 날씨의 결과를 취합하여 평균한 것과 수직면의 평균일사량은 [도 6a]와 같다.

수직면 일사량(301)과 본 발명의 일체형 복층유리 PV의 발전량(310), 기존의 샌드위치 글래스 PV의 발전량(320)의 변환효율을 측정한 결과이다.

측정실험의 결과 샌드위치 글래스 PV과 단열 복층유리 PV 모두 변환효율에서 유사한 패턴을 보이며 이와 같은 결과로 추가된 디테일의 형상이 모듈변환효율에 거의 영향이 없음을 알 수 있다.

추가적으로 같은 시기에 [도 6b], [도 6c], [도 6d]는 전면유리의 외부표면 온도(302)와 단열층(공기층)의 온도(303) 그리고 내표면 온도(304)와 본 발명의 일체형 복층유리 PV의 발전량(310)과 기존의 샌드위치 글래스 PV의 발전량(320)의 측정결과를 정리한 그래프이다. 측정결과 PV모듈의 온도와 변환효율은 전면재료를 통한 온도의 전달이 그 주된 원인임을 판단할 수 있으며 따라서 전면에 동일한 두께의 상판을 가진 두 제품의 변환효율은 같은 결과를 가져온다. 따라서 본 시스템은 기존의 샌드위치 글래스 PV 에 비해 변환효율의 성능상 문제가 없으며 단열성능에 서 보다 우수하다.

본 발명은 건축 외장재 중 커튼월 시스템을 위한 것으로서 태양전지(PV:Photovoltaic)를 건축물의 외피 마감재로 대체 및 일체화시킬 뿐만 아니라 건축자재화에 있어서 요구되는 건물 외피의 단열성능을 만족시키는데 그 목적이 있다.

본 발명은 기존의 건축물 외피를 에너지 창출의 도구로 활용하여 건축물의 외피가 가져야하는 요구 성능을 만족함과 동시에 자체 전력발생을 통해 건축물 전력 수급의 일익을 담당할 수 있어 기존의 태양광발전시스템 설치에 소요되는 자재와 공간 및 비용을 절감함은 물론이요 건축 외장재로서의 성능을 충족하는 다중효과를 기대할 수 있다.

단열성능의 향상은 냉·난방부하의 저감과 특히, 여름철의 건축물의 냉방 등 전력 수급량이 최대가 되는 피크부하에 대응하여 전력회사로부터 수전량의 증가를 억제하는 피크 컷의 부수적인 기능도 가지고 있다.

본 발명은 기존의 샌드위치 글래스 PV 에 비해 변환효율의 성능상 문제가 없으며 단열성능에서 보다 우수하다.

Claims

태양전지(PV:Photovoltaic)를 일체화시킨 건축외장재에 있어서,

태양전지(PV) 셀(101)을 사이에 두고 양면에 두 장의 판유리(100a)(100b)로 구성되어진 태양전지(PV) 모듈(110)의 디테일을 포함하며,

상기 태양전지(PV) 모듈(110)에 공기로 이루어진 단열층(106)을 두어 이격하고,

상기 단열층(106)의 후면에 또 한 층의 판유리(103)가 추가된 것을 특징으로 하는 건축외장용 일체형 복층유리 PV.
제 1항에 있어서,

상기 단열층(106)으로 아르곤가스를 적용한 것을 특징으로 하는 건축 외장용 일체형 복층유리 PV.
제 1항에 있어서,

상기 단열층(106)으로 크립톤가스를 적용한 것을 특징으로 하는 건축 외장용 일체형 복층유리 PV.
제 1항에 있어서,

상기 단열층(106)으로 진공상태를 적용한 것을 특징으로 하는 건축 외장용 일체형 복층유리 PV.