KIEAE Journal

폴리카보네이트의 충격강도는 유리의 250배의 강도를 가지며, 굴곡강도 및 인장강도가 우수한 것으로 보고되고 있다. 열적특성 역시 -50℃에서 140℃까지 물성의 특성이 유지되는 우수한 수지로써 어디서나 안전하게 사용할 수 있다. 광학적 특성은 가시광선영역에서 폴리카보네이트는 82~92%의 빛을 투과시키는 것으로 보고되고 있다.³⁾

Fig. 1. 
Light Transmission Ratio of Polycarbonate

Fig. 2. 
Polycarbonate Coating Tests

경량발전 블라인드에 적용되는 폴리카보네이트의 표면코팅 방법을 다양한 코팅조건에서 분석하였다. 코팅실험은 대표적 코팅방법인 폴리비닐, 히알루론산, 아크릴수지 및 니트로셀룰로오스 등 코팅재료를 사용하여 각 조건에 따른 투과율 및 반사율 변화를 헤이즈투과율계(HM-150)를 이용하여 측정하였다. 분석결과 폴리비닐 계열의 코팅방법이 투과율 73.7(%)로 자외선 차단 및 긁힘 방지재료로 적합한 것으로 분석되었다.

Fig. 3. 
Manufacturing Process of Light-weight PV

강화유리 대신 폴리카보네이트를 활용한 경량발전 블라인드를 제작하기 위해서는 폴리카보네이트의 내열온도(140℃)에 맞추어 라미네이션(Lamination) 공정온도 낮 낮추고 공정시간을 늘린 제작공정이 필요하다. 또한, 비부식성 폴리비닐계 실리콘 코팅을 통하여 전기 절연성 향상과 정전기 억제가 필요하다.

경량발전 블라인드 제작은 1.5(mm)와 2.0(mm)의 투명 폴리카보네이트 시트를 패널 보호재 및 백 시트(back sheet)를 사용하여 라미네이션 공정 중 발생할 수 있는 발전모듈의 휘어짐(bowing 현상)을 방지하였다. 제작은 라미네이션 온도 135(℃)의 저온에서 펌프 타임(pump time)을 기존 5분에서 12분으로 설정하여 모듈 내 공기층(bubble) 발생을 방지하였다. 또한 헤이즈(haze)를 방지하기 위해 홀드타임(hold time)은 기존 8분에서 15분으로 공정시간을 길게 유지하였다.

경량발전 블라인드를 설치한 소규모사무실의 조건은 (Fig 4)와 같다. 사무실(5.0mX4.2mX2.7m)은 남 측면에 2개의 창호(1.45mX 1.35m)가 설치되었다. 창호에 설치가능성과 태양전지의 규격을 고려하여 블라인드의 발전슬랫의 크기를 폭 1,080mm 그리고 깊이 120mm로 설정하였다. 이 때, 발전슬랫의 두께는 20mm로 설정되었다.

Fig. 4. 
Office Model and PV Blind

Fig. 5. 
PV Blind System Design

Fig. 6. 
PV Blind Mock-up

각각의 발전슬랫은 모두 8개의 경정질계 태양전지를 설치하여 최대출력 11.4(Wh), 개방전압 3.9(V), 개방전류 1.5(mA) 그리고 정격전압 2.78(V) 및 정격전류 4.11(mA)로 설정되었다. 또한 각 창에 설치되는 블라인드는 모두 4개의 발전슬랫으로 구성되어 총발전량은 최대 47.6(Wh)로 설정되었다.

제안된 경량발전 블라인드는 알루미늄으로 제작된 창호 거치대에 정착할 수 있도록 계획하였다. 이 때, 전동모터를 사용하여 발전슬랫의 설치각도를 제어할 수 있는 가변형으로 제작하여 태양고도 변화에 대응할 수 있도록 계획하였다. 슬랫의 제어각도는 최소 3°에서 최대 20°까지 변화시킬 수 있다.

Fig. 7. 
Generating Efficiency Tests

Fig. 8. 
Concept of Practical Use Tests

Fig. 9. 
Dielectric Tests

제작된 경량발전 블라인드의 발전효율 평가실험은 한국산업규격 KS C IEC 60904-9⁴⁾ 규정에서 제시된 기준 방사조도(100 Wm-2)에서 실시되었다. 방사조도는 기준조도의 ±2(%) 그리고 광원 균일도 역시 ±2(%)로 설정하였고 발전모듈의 개방전압(Voc), 단락전류(Isc), 최대전압(Vmax), 최대전류(Imax), 최대출력(Pmax), 곡선율(F.F) 및 효율(eff)을 평가하였다.

발전효율 평가결과 4개의 발전모듈의 정격출력은 각각의 모듈에 따라 11.28∼11.54(Wh)로 평균 11.45(Wh), 개방전압은 3.89∼3.91(V)로 평균 3.9(V) 그리고 개방전류는 1.47∼1.67(A)로 평균 1.56(A)로 분석되었다. 또한, 정격전압은 2.75∼2.81(V)로 평균 2.78(V)이고 정격전류는 4.03∼4.14(A)로 평균 4.11(A)로 분석되었다. 그러므로 정격출력에 대한 발전효율은 1.85∼1.99(%)이며 평균 1.88(%)로 분석되었다.

제작된 경량발전 블라인드의 실용성 평가는 KS C IEC 61215 규정⁵⁾에 따라 자외선 시험(UV test)를 실시하여 발전모듈의 저항력 및 보호능력 그리고 박리, 백화, 크랙 등의 발생여부를 평가하였다. 이때, 평가조건은 자외선 방사 중 모듈온도 60±5(℃), 모듈온도 정밀도 ±2(℃), 자외선 방사량 ±15(%) 정밀도 및 측정범위 280∼385(nm) 파장 그리고 방사량 15(㎾h․㎡)에서 실시하였다.

실용성 평가는 먼저 자외선 방사에 의한 경량발전 블라인드의 이상여부에 대해 육안시험을 실시하였다. 시험결과 자외선 방사로 발전모듈에 균열, 절곡, 비틀림 및 태양전지 셀의 파손, 셀과 폴리카보네이트 사이의 기포발생 및 점착성과 투과정도 저하 등에 시각적 결함이 발견되지 않는 것으로 분석되었다.

경량발전 블라인드의 출력단자와 패널 또는 접지단자 사이의 절연여부를 평가하는 절연저항 평가결과 자외선 방사에 따른 절연파괴 또는 균열이 없는 것으로 분석되었다. 또한, 0.1(㎡) 이하 면적에서 40(MΩ) 이상의 절연저항을 보이는 것으로 분석되어 절연기능을 만족시키는 것으로 분석되었다.

최대 전력시험은 자외선 방사량 700~1,500(Wㆍ㎡)에서 셀 온도 25~50(℃)를 유지하며 실시하였다. 시험결과 자외선 방사에 따른 최대출력의 변화는 0.5~0.9(%)로 ±1(%)의 평가기준을 만족시키는 것으로 분석되었다. 또한, 환경온도의 불규칙한 반복에서 구조 및 재료간의 열전도 및 열팽창률에 의한 내구성을 평가하는 온도 사이클 시험결과 발전출력 95(%) 이상으로 만족스러운 것으로 분석되었다.

습윤누설전류시험은 정선박스를 제외한 발전모듈을 침수시킨 상태에서 경량발전 블라인드의 절연성능(물기침투)을 평가하였다. 시험은 저항특성 3,500 (Ω㎝) 이하, 모듈온도 22±3(℃) 및 직류연결조건에서 전압 500(V)를 5분 이상 유지한 상태에서 실시하였다. 시험결과 자외선 조사와 관계없이 모듈면적 1(㎡) 이상에서 평가기준 400(MΩ) 이상으로 측정되어 습윤누설전류시험을 만족시키는 것으로 분석되었다.

Fig. 10. 
Current Leakage Tests under Wet Conditions

경량발전 블라인드의 음영분석은 ECOTEC 프로그램을 이용하여 춘추분, 하지 및 동지에서 실시하였다. 시뮬레이션을 통한 음영분석은 오전 8시20분부터 오후 12시 50분에서 30분 간격으로 각 조건에서 10회 실시하여 음영율을 분석하였다. 이때, 발전슬랫의 제어조건은 고정각도(수평, 30°, 45°, 60°)와 가동각도(슬랫각도 30°~70°로 제어)에서 실시하였다. 이때, 이동각도에 따른 제어횟수는 3회부터 14회로 모두 5가지 경우로 설정하였다.

Fig. 11. 
Comparison of Simulations Field Tests

시뮬레이션에서 발생할 수 있는 오차를 보정하기 위해 현장실험 결과와의 차이를 비교ㆍ분석하여 보정율을 산정하였다. 현장실험은 2012년 8월 28일과 29일에 발전슬랫의 설치각도 30°와 60°로 각각 고정하여 실시하였다. 그 결과는 같은 조건의 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

분석결과 현장실험 음영률은 33.3~39.5(%)로 그리고 시뮬레이션 음영률은 30.3~35.3(%)로 현장실험 음영률이 높은 것으로 분석되었다. 이때, 두 실험결과의 음영률 차이는 최소 10.5(%)에서 최대 14.8(%)로 분석되었고 평균 12.3(%)를 시뮬레후기 및 참고문헌 영ㅈ이션 결과의 보정률로 산정하였다.

Fig. 12. 
Examples of Simulation and Field Test

시뮬레이션을 활용하여 발전슬랫 각도(수평, 30°, 45°, 60°)에 따른 음영분석은 하지, 동지 및 춘추분을 기준으로 실시하였다. 발전슬랫을 수평(0°)으로 설정한 경우의 평균보정 음영율은 동지는 음영부분이 없고 춘추분에 전체 발전모듈 면적의 13.6(%) 그리고 하지에 49.6(%)로 태양고도가 높을수록 커지는 것으로 분석되고, 계절에 따른 평균 음영율은 21.0(%)로 분석되었다.

발전슬랫 각도 30°의 평균보정 음영율은 동지 6.71(%), 춘추분 21.6(%), 하지 46.3)%)로 분석되었다. 발전슬랫 각도 45°의 평균보정 음영율은 동지 3.85(%), 춘추분 17.0(%), 하지 47.8(%)로 분석되었다. 그리고 발전슬랫 각도 60°의 평균보정 음영율은 동지는 음영부분이 없소 춘추분 23.8(%), 하지 49.6(%)로 분석되었다. 그러므로 발전슬랫 각도에 따른 음영율은 수평(0°)에서 21.0(%)로 가장 낮고 45°, 60° 그리고 30°의 순서로 분석되었다.

Fig. 13. 
Simulation Examples of Fixed Blind Angles

시뮬레이션을 활용하여 태양발전 블라인드 발전슬랫 각도를 태양고도 변화에 따라 제어하는 경우의 음영율은 (표 8과) 같다. 음영분석은 하지, 동지 및 춘추분을 기준으로 실시하였고 발전슬랫의 이동각도는 30°~70°로 설정되었다.

제어횟수에 따른 평균보정 음영율 변화는 23.3~23.7(%)로 실제적으로 제어횟수에 따른 음영율 변화는 미비한 것으로 분석되었다. 대표적 음영분석으로 제어횟수가 가장 적은 3회의 음영분석 결과는 (표 9)와 같다. 보정 음영율은 동지에 4.6(%)로 가장 낮으며 춘추분 21.9(%), 하지 43.6(%)로 증가하여 태양고도가 높을수록 커지는 것으로 분석되었다. 계절간 평균 보정 음영율은 23.6(%)로 분석되었다.

Fig. 14. 
Simulation Examples of Moved Blind Angles

태양발전 블라인드의 슬랫 각도조건에 따른 음영율 분석결과 슬랫각도를 고정한 경우의 변화 폭이 21.0~24.8(%)로 가동형 보다 크며 수평(0°)와 45°에서 가동형 보다 유리한 것으로 분석되었다. 가동형의 경우 음영율이 비교적 일정(변동 폭 0.4%)하며 이는 발전슬랫이 태양고도에 따라 변화하여 슬랫사이의 음영면적이 일정하게 유지되기 때문인 것으로 사료된다.