Literature Review Study for SHGC Performance Evaluation Methods of Semi-transparent BIPV System

Jonggwon Ahn; Jinhee Kim; Juntae Kim

doi:10.7836/kses.2023.43.1.035

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Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 28 February 2023. 35-47
https://doi.org/10.7836/kses.2023.43.1.035

Literature Review Study for SHGC Performance Evaluation Methods of Semi-transparent BIPV System

투광형 건물일체형태양광(BIPV) 시스템의 SHGC 성능 평가를 위한 문헌 분석 연구

Jonggwon Ahn¹

Jinhee Kim²

Juntae Kim³^*

안 종권¹

김 진희²

김 준태³^*

¹Postdoctoral Researcher, Green Energy Technology Research Center, Kongju National University

²Research Professor, Green Energy Technology Research Center, Kongju National University

³Professor, Dept. of Green Smart Architectural Engineering/Graduate School of Energy Systems Engineering, Kongju National University

¹공주대학교 그린에너지기술연구소, 박사후연구원

²공주대학교 그린에너지기술연구소, 연구교수

³공주대학교 그린스마트건축공학과/에너지시스템공학대학원, 교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

A building-integrated photovoltaic (BIPV) system is a renewable energy system that generates electricity and functions as a building envelope for zero energy buildings (ZEBs). BIPV can be applied to roofs, façades, and window systems. In particular, a semi-transparent BIPV applied to window systems is designed to satisfy the thermal performance requirements of national standards. The solar heat gain coefficient (SHGC) is used to estimate the solar radiation that passes through the glass relative to the amount of solar radiation hitting the glass. The SHGC of a semitransparent BIPV system change with the PV cell ratio, design, and electrical performance of the system. However, studies on the performance evaluation of SHGC for semitransparent BIPV systems are scarce. In this study, a method for evaluating the SHGC of a semitransparent BIPV system was investigated. The results indicate that SHGC values for the semi-transparent BIPV system should be studied for different operating conditions as indicated by maximum power point (MPP) and open circuit (OC) values. This is because the SHGC of the system changes with the power generation of the PV cells.

Keywords

Building integrated photovoltaic

Solar heat gain coefficient

Operating condition

Test method

키워드

건물일체형태양광

태양열 취득률

운용조건

성능평가법

MAIN

1. 서 론
2. 투광형 BIPV 시스템 SHGC 성능평가 필요성
2.1 창호 시스템의 태양열 취득률(SHGC)
2.2 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능 특성
3. 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 동향
3.1 투광형 BIPV 시스템 SHGC 관련 표준
3.2 투광형 BIPV 시스템 SHGC 성능
4. 결 론

기호 및 약어 설명

$B I P V$ : 건물일체형태양광

$S H G C$ : 태양열 취득률

$Z E B$ : 제로에너지건축물

$A_{s}$ : 시험편 면적(m²)

$E_{s}$ : 일사량(W/m²)

$Q_{A U X}$ : 실내 공급열량(W)

$Q_{f l}$ : 보정 열량(W)

$Q_{f l u i d}$ : 열교환장치로 인한 제거 열량(W)

$Q_{s}$ : 총 실내 도달 열량(W)

$Q_{s o l a r}$ : 총 일사 열량(W)

$Q_{s p}$ : 보호판 손실열량(W)

$Q_{U_{f a c t o r}}$ : 실내외 온도차에 따른 관류 열량(W)

$Q_{w a l l}$ : 벽체 손실열량(W)

1. 서 론

2021년도 유엔환경계획(UNEP: The United Nations Environment Programme)에서 발표한 전 세계 에너지 현황보고서(Global status report for buildings and construction)에 따르면, 전 세계 에너지 소비의 36%, 이산화탄소 배출량의 37%를 건물 부분이 차지하고 있다¹⁾. 국내에서는 2014년 7월에 작성된 ‘제로에너지건축물(ZEB; Zero Energy Building) 조기 활성화 방안’을 토대로 2020년부터 본격적으로 제도를 시행하고 있으며, 건축연면적 1,000 m² 이상 공공건축물을 대상으로 신·증축 또는 개축 시, 예상 에너지사용량의 일정비율 이상을 신재생에너지로 공급하도록 하고 있다²⁾. 국회에서는 2021년 12월, 신재생에너지 공급의무비율을 2026년 25%까지 상향하는 시행령 개정안이 의결되어, ZEB 보급 및 활성화에 대한 요구가 커지고 있는 상황이다³⁾.

ZEB 달성을 위해서는 고단열, 고기밀, 채광기술 등 패시브(Passive) 기술을 통해 건물에서의 에너지사용량을 최소화하고, 고효율 냉난방 설비, 신재생에너지 기술 등 액티브(Active) 기술을 통해 건물에서 요구되는 에너지를 자체적으로 생산해야 한다. 건물일체형태양광(BIPV; Building Integrated Photovoltaic) 시스템은 전력 생산과 동시에 건물 외피를 대체하는 신재생기술로써, ZEB 달성을 위한 핵심기술로 주목받고 있다. BIPV 시스템은 창호, 지붕, 외벽 등 다양한 형태로 통합 적용할 수 있는데, 건물 옥상에 지지대 형태로 설치되는 태양광(Rooftop PV)이나 건물 외피에 부착형태로 설치되는 태양광(BAPV; Building Attached PV) 시스템과 달리, BIPV 시스템은 건자재로서 요구되는 건축성능을 만족해야 한다. 특히, 주로 커튼월 건물에 설치되는 투광형 BIPV 시스템의 경우, 창호 시스템으로서 요구되는 단열수준을 만족하도록 설계된다.

일반 창호의 경우, 유리창을 통한 일사량의 획득 정도를 나타내는 태양열 취득률(SHGC; Solar Heat Gain Coefficient)과, 구조체를 기준으로 양쪽 온도 차에 의한 면적 당 열량 흐름의 비율을 나타내는 열관류율(U-value)을 통해 건물 내부로 전달되는 열을 종합적으로 평가할 수 있다. 투광형 BIPV 시스템의 경우, PV셀의 배치형태나 셀 면적비, PV셀의 발전성능, 발전 운용조건 등에 따라 시스템의 SHGC 값이 달라질 수 있어, 이에 따른 에너지성능평가가 요구된다. 그러나 투광성을 갖는 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가에 관한 연구는 아직 미진한 실정이다. 이에 본 연구에서는 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 동향을 분석하였으며, 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 방법론을 논의하고자 한다.

2. 투광형 BIPV 시스템 SHGC 성능평가 필요성

2.1 창호 시스템의 태양열 취득률(SHGC)

태양열 취득률(SHGC)은 창호에 수직으로 입사되는 일사 열량과 창호를 통과 후 실내로 전달되는 취득 열량의 비율로 정의된다⁴⁾(Fig. 1)⁵⁾. 창호의 SHGC 값이 커질수록 여름철 건물에서 발생하는 냉방부하가 높아지는 문제가 있으나, 반대로 겨울철에는 난방 부하 측면에서 유리한 부분이 있다.

특히, 커튼월 건물의 경우, 창호가 차지하는 면적이 다른 유형(철골구조, 철근콘크리트 구조 등)의 건물대비 크며, 창호 시스템의 SHGC 성능 치에 따라 건물의 냉·난방 부하에 큰 영향을 미치게 된다. 통상적으로 상업용 건물의 경우, 주로 일사량이 많은 낮 시간대에 사용빈도가 높고, 실내 기기에 따른 발열, 유동 인구 등에 따라 난방부하 보다 냉방부하가 높은 특징이 있어, 상대적으로 SHGC 값이 낮은 창호 시스템이 에너지 절약 측면에서 유리하다⁶⁾. 반면, 주거용 건물은 아침 및 저녁 시간대의 사용빈도가 높으며, 상대적으로 SHGC 값이 큰 창호 시스템이 적용될 수 있다.

창호 시스템의 SHGC 값은 해당 면에 수직으로 입사되는 일사열량( $Q_{s o l a r}$ ) 대비, 실내 취득열량( $Q_{s}$ ) 값의 비율로 산출될 수 있다. 이때, 실내 취득열량에서 실내·외 온도 차에 의해 실내로 전달되는 관류열량( $Q_{U_{f a c t o r}}$ )은 제외된다(식(1)).

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Fig. 1

Schematic diagram of Solar Heat Gain Coefficient⁵⁾

(1)

S H G C = \frac{Q_{s} - Q_{U_{f a c t o r}}}{Q_{s o l a r}}

2.2 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능 특성

건물 외피를 대체하는 BIPV 시스템은 전력 생산뿐만 아니라, 건자재로서 요구되는 성능을 만족해야 한다. 특히 BIPV 시스템의 단열성능은 BIPV의 온도특성과 발전효율, 건물의 냉난방 부하에 영향을 미치게 되며, 투과율을 갖는 투광형 BIPV 시스템의 경우, 투과 열량에 의한 실내 열 특성도 고려되어야 한다.

ZEB 달성 요구 및 신재생공급의무비율이 증가함에 따라, 건물에서 BIPV 시스템이 차지하는 설치면적이 점차 증가하고 있다. 투광형 BIPV 시스템의 경우, 건물적용 시 단열조건으로서 창호의 열관류율 성능을 만족하게 되어있으나, SHGC 값은 크게 고려되지 않고 있다⁷⁾.

일반 창호 시스템과 달리, 투광형 BIPV 시스템은 PV셀과 투명유리, 전극(Bus bar) 등으로 구성된다. 이에, 각 구성부가 차지하는 면적과 광학특성(투과-흡수, 반사율 등)에 따라 시스템의 SHGC 값이 달라질 수 있으며, 특히 PV셀이 차지하는 면적(셀 면적비)에 따라 SHGC 성능 차이가 크게 나타나게 된다. 이는 셀 면적비 따라 입사에너지 대비 PV발전량과, 투광부 면적에 의해 총 투과 열량이 결정되기 때문이다(Fig. 2)⁸⁾.

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Fig. 2

Relation of transmittance and power generation by PV cell ratio⁸⁾

또한, 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능은 PV셀의 종류와 발전조건에 따라 다르게 나타날 수 있다. 시스템에 적용된 PV셀의 종류에 따라 전면의 광학 및 발전특성이 달라지기 때문이다. 투광형 BIPV 시스템에 입사되는 일사에너지의 일부가 전력으로 생산되면 시스템 후면으로 전달되는 열에너지량이 감소하고, 결과적으로 BIPV 시스템의 온도 및 열전달 특성이 달라진다(Fig. 3)⁹⁾. 이에 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능은 적용된 PV셀의 발전효율과도 관련이 있다고 추론할 수 있다. BIPV 시스템에 적용된 PV 셀의 발전효율이 높을수록, 시스템 후면으로 전달되는 열에너지량이 감소하게 된다.

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Fig. 3

Schematic of silicon solar cell based semi-transparent type PV glazing⁹⁾

3. 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 동향

3.1 투광형 BIPV 시스템 SHGC 관련 표준

투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능은 솔라시뮬레이터(Solar simulator)를 활용한 실내시험과 자연광을 이용한 실외시험으로 구분하여 평가될 수 있다. 실내시험의 경우, 조사량과 환경조건을 일정하게 유지하도록 설정하여 안정화 상태(Steady state condition)에서 SHGC 성능평가가 가능하나, 실제 설치환경에서의 SHGC 성능과는 차이가 있다. 실외시험의 경우, 실제 환경에서의 SHGC 성능을 평가할 수 있으나, 수시로 변화하는 외부환경 조건에 따라 재현성이 떨어져 객관적 평가가 어려운 단점이 있다. 이에 실내시험과 실외시험을 통해 측정된 결과를 다각도로 분석하여 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능을 평가하는 것이 요구된다.

(1) 실내시험에 의한 투광형 BIPV SHGC 성능평가법

국내·외적으로 투광형 BIPV 시스템을 위한 SHGC 성능평가 표준은 아직 제정되지 않았으며, 일반 창호 시스템의 SHGC 실내성능평가 표준인 ISO 19467 (Thermal performance of windows and doors — Determination of solar heat gain coefficient using solar simulator)을 기반으로 평가될 수 있다¹⁰⁾.

ISO 19467 표준에서는 실내에서 솔라 시뮬레이터(Solar simulator)를 이용하여 창호의 SHGC 성능시험을 수행하게 된다. 솔라 시뮬레이터에서 조사된 일사에너지는 외부창을 거쳐 시험편(Test specimen)에 도달하고, 투과 및 방사를 통해 실내로 에너지가 전달된다. 실내에 전달된 열에너지는 냉각 판(Cooling plate)으로 제거되며, 이때 열류계(HFM; Heat flow meter)를 통해 제거 열량을 측정, 산출 식을 통해 시험편의 SHGC 성능 값을 도출하게 된다(Fig. 4). 해당 표준에서는 ISO 15099 (Thermal performance of windows, doors and shading devices — Detailed calculations)을 기반으로 SHGC 성능시험을 위한 환경조건(겨울철, 여름철)을 아래 표(Table 1)와 같이 제시하고 있으며, 건물에너지성능평가 관련 표준인 ISO 52022-3 (Energy performance of buildings — Thermal, solar and daylight properties of building components and elements — Part 3: Detailed calculation method of the solar and daylight characteristics for solar protection devices combined with glazing)에서 제시하는 환경조건을 인용하여 평가하는 것도 인정된다.

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Fig. 4

Indoor SHGC testing facility of glazing system in ISO 19467¹⁰⁾

Table 1

Recommended environmental conditions for SHGC test in ISO 19467

Element	Based on ISO 15099		Based on ISO 52022-3
Element	Summer	Winter	Summer	Reference
Internal temp. (°C)	25	20	25	20
External temp. (°C)	30	0	25	5
Internal surface coefficient of heat transfer (W/m²K)	8	8	8	8
External surface coefficient of heat transfer (W/m²K)	14	24	14	23
Density of heat flow rate of incident radiation (W/m²)	500	300	500	300

ISO 19467에서는 표준의 적용 범위에 BIPV 시스템을 포함하고 있으며, Annex F (Measuring method and example of measurement of active solar fenestration systems)를 통해 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 평가 시 고려사항을 제시하고 있다. 해당 Annex에서는 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 값이 가장 크게 나타나는 개방회로(OC; Open circuit) 조건과 SHGC 값이 가장 낮게 나타나는 최대전력점(MPP; Maximum power point) 조건에서 각각 평가하도록 제시하고 있다. 이는 동일한 환경에서 투광형 BIPV 시스템이 전력을 생산하지 않을 때 SHGC 값이 가장 크고, 반대로 최대치로 발전하는 조건에서 SHGC 값이 가장 낮기 때문이다. 결과적으로 투광형 BIPV 시스템 SHGC 성능의 최댓값, 최솟값을 제시할 수 있다.

이에, 기존 창호 시스템의 SHGC 측정설비 외에 투광형 BIPV 시스템의 MPP조건을 조성할 수 있는 인버터와 발전량을 측정하기 위한 모니터링 프로그램, 전기 배선 등, 전력 관련 설비가 추가로 조성되어야 한다. 이때, 추가되는 설비는 BIPV 시스템의 SHGC 성능에 영향을 미치지 않는 별도의 공간에 설치되어야 한다.

상동 표준의 Annex C (Correction of measured solar heat gain coefficient to reference conditions)에서는 BIPV 시스템과 같이, 전면구성에 따라 다른 광학 특성을 갖는 시험편의 SHGC 값을 계산하기 위한 산출식을 제시하고 있다(식(2)). 여기서, 투광형 BIPV 시스템의 흡수율( $α_{λ, s p}$ ) 값은 시험편의 반사( $ρ_{λ, s p}$ ), 투과( $τ_{λ, s p}$ ) 및 시스템의 발전효율( $η$ )을 제외하고 산출하도록 하고 있으며, OC 조건에서는 발전효율( $η$ ) 값이 0으로 설정되어야 한다.

(2)

α_{λ, s p} = 1 - ρ_{λ, s p} - τ_{λ, s p} - η

2021년도에 제정된 ISO 19467-2 (Thermal Performance of windows and doors - Determination of solar heat gain coefficient using solar simulator - Part 2: Centre of glazing) 표준에서는 커튼월 창호의 열적 취약부인 창호 중심부(Center of glazing)의 SHGC 성능을 평가하는 시험방법을 명시하고 있으며, 특히, 솔라 시뮬레이터의 위치를 조절하여 다양한 입사각도(Off-normal irradiance)에 따른 시험편의 SHGC 성능을 평가할 수 있도록 제시하고 있다(Fig. 5)¹¹⁾. 이에 따라 시험편 전면에 수직으로 입사되는 일사 조건에서의 SHGC 값뿐만 아니라, 실제 설치환경을 고려한 입사 각도에서 창호 시스템의 SHGC 성능을 평가할 수 있다. 특히 투광형 BIPV 시스템의 경우, 일사의 입사각에 따라 발전특성 및 SHGC 성능이 변화하고, 실제 건물의 외벽(Facade)이나 천창(Skylight) 등에 다양한 경사로 설치되므로, 해당 시험방법을 활용하면, 입사각의 변화에 따른 투광형 BIPV 시스템의 발전 및 열적 특성을 종합적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 5

Influence of beam divergence of the incident irradiation in ISO 19467-2¹¹⁾

(2) 실외시험에 의한 투광형 BIPV SHGC 성능평가법

미국창호등급위원회(NFRC; National Fenestration Rating Council)에서 개발한 NFRC 201-2020 (Procedure for Interim Standard Test Method for Measuring the Solar Heat Gain Coefficient of Fenestration Systems Using Calorimetry Hot Box Methods) 표준에서는 실내시험뿐만 아니라, 실외시험을 통한 창호 시스템의 SHGC 성능평가법을 제시하고 있다¹²⁾. 기본적으로 측정데이터(열량)를 통한 SHGC 값의 산출방법론은 실내시험과 동일하나, NFRC 표준에서는 창호 시스템의 SHGC 성능을 상대적으로 다양한 조건에서 평가할 수 있는 시험방법을 제시하고 있다. NFRC 표준에서 제안하는 시험설비는 태양 추적형(Tracking)이나 고정형(Stationary)으로 구성되어, 시험목적에 따라 동적(Dynamic) 또는 안정화(Steady state) 상태에서도 평가될 수 있다(Fig. 6).

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Fig. 6

Outdoor SHGC testing facility of glazing system in NFRC 201-2020¹²⁾

NFRC에서 제시하는 시험설비는 기본적으로 칼로리미터 셀(Calorimeter cell)과 보호판(Surround panel), 열 교환 장치(Interior heat exchanger), 열 측정 장치(Thermal loop) 등으로 구성된다. 외부 일사 에너지로부터 시험편을 통해 실내(칼로리미터 셀)로 도달하는 열에너지는 열 교환 장치를 통해 제거되며, 실내 환경조건을 유지하게 된다. 칼로리미터 셀의 벽체는 열관류율이 0.04 W/m² K를 넘지 않은 균질한 재료를 이용해 구성해야 하며, 벽체의 외부는 일사흡수율이 낮은 재료로 덮거나, 흰색과 같이 일사흡수율이 낮은 색상의 페인트를 덧칠하여 직달 일사의 영향을 최소화하도록 해야 한다.

표준에서 제시하고 있는 실외 안정화(Steady state condition for outside) 시험조건은 아래와 같다(Table 2). 시험편에 입사되는 일사량의 변화치는 평균 일사량의 5% 이내여야 하며, 외기온도는 5℃, 실내온도 변화는 2℃ 이내여야 한다. 실내의 경우, 내부 공기 온도의 성층화(Stratification)가 발생할 수 있는데, 수직 벽체로부터 75 mm 떨어진 지점을 측정기준으로, 상부로의 온도 차이가 2℃/m 이내로 유지되어야 한다. NFRC 표준에서 제시하는 조건은 시험이 진행되는 동안 시험환경의 안정화 상태를 유지하기 위한 것이며, ISO 19467 표준과는 달리 실내·외 시험환경조건(설정 온도, 일사 조건 등)을 따로 제시하지는 않고 있다.

Table 2

Steady state condition of outdoor SHGC test for glazing system

Index	Test condition (variation)
Irradiation	Not vary from the average value by more than 5%
Ambient Temp.	±5°C
Indoor Temp.	±2°C
Indoor temp. stratification	less than 2°C/m
Indoor air flow	less than 0.3 m/s
Exterior Wind Conditions	Measuring
Determination of Stead-State Condition	Met 5 continuous time constant (1 minute intervals)

실외실험을 통한 시험편의 SHGC 값은 아래 수식으로 도출될 수 있다. $Q_{s}$ 는 시험편을 통해 실내에 도달한 열량을 나타내며, $Q_{U_{f a c t o r}}$ 는 실내·외 온도 차에 의해 전달된 관류열량을 나타낸다. $A_{s}$ 는 시험편의 면적이며 $E_{s}$ 는 시험편에 도달한 면적당 일사량 값이다. 시험편을 통해 실내에 도달한 열량은 칼로리미터 셀의 벽체( $Q_{w a l l}$ )와 보호판을 통해 실내로 전달된 열량( $Q_{s p}$ ), 측정치에 대한 보정열량( $Q_{f l}$ ), 열교환을 통해 제거된 열량( $Q_{f l u i d}$ ), 실내 조건 유지를 위해 공급된 열량( $Q_{A U X}$ )의 관계식을 통해 산출될 수 있다(식(3), (4)).

(3)

S H G C = \frac{Q_{s} - Q_{U_{f a c t o r}}}{A_{s} E_{s}}

(4)

Q_{s} = Q_{w a l l s} + Q_{s p} + Q_{f l} + Q_{f l u i d} + Q_{A U X}

실외시험을 통해 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능을 측정하는 경우, 실제 시스템의 운용환경과 동일한 환경을 모사하여 실질적인 SHGC 성능 치를 도출할 수 있으며, 특히 다양한 외부조건에 따른 시스템의 열전달, 온도 및 발전특성 등을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2 투광형 BIPV 시스템 SHGC 성능

투광형 BIPV 시스템은 전면 PV의 발전유무에 따라 SHGC 성능이 달라진다. 앞서 언급했듯이 BIPV 시스템은 전면 PV발전에 의해 시스템으로 입사되는 일사에너지의 일부가 전력으로 생산되므로, 최대전력점(MPP) 조건에서 측정된 SHGC 값이 해당 BIPV 시스템이 갖는 최솟값, 그리고 발전하지 않는 개방회로조건(OC)에서 측정된 SHGC 값이 해당 BIPV 시스템의 최댓값으로 예측할 수 있다. 이와 관련하여, 프라운호퍼 연구소(Fraunhofer ISE)에서는 결정질계 투광형 BIPV 시스템의 발전유무(MPP, OC)에 따른 SHGC 값을 산출했으며 PV셀 면적비 92%, 일사량 500 W/m², 모듈온도 25℃ 환경조건에서 MPP조건 대비, OC 조건일 때 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 값이 약 10 ~ 15% 높게 나타나는 것을 확인하였다(Fig. 7)¹³⁾.

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Fig. 7

SHGC values of OC and MPP condition for semi-transparent BIPV¹³⁾

또 다른 연구에서는 시험조건에 따른 결정질계 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능 민감도 분석을 수행하였다¹⁴⁾. 실험 결과에 따르면, 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 값은 스펙트럼 불일치(Spectrum mismatch)와 반사율의 영향이 크나, 실외 온도와 일사량의 변화에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 또한, 입사각에 대한 SHGC 성능변화는 크게 나타났는데 입사각이 0° (수직) ~ 45° 일 때 시스템의 SHGC 값은 약 5% 감소하였으나, 45° ~ 70° 일 때, 최대 20% 이상 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 8). 발전 유무(MPP, OC)에 따른 SHGC 값은 약 3 ~ 6% 정도 차이로 나타났다(Table 3).

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Fig. 8

SHGC changes with solar irradiance and incident angles¹⁴⁾

Table 3

SHGC of specimens across various angles with and without electrical load

Index	0°			45°			60°			70°			Avg
Index	NL	WL	RR	NL	WL	RR	NL	WL	RR	NL	WL	RR	RR
1	0.310	0.289	-6.8%	0.309	0.282	-8.7%	0.275	0.261	-5.1%	0.232	0.217	-6.5%	-6.0%
2	0.422	0.413	-2.1%	0.398	0.385	-3.3%	0.369	0.357	-3.3%	0.317	0.298	-6.0%	-3.7%
3	0.304	0.298	-2.0%	0.282	0.276	-2.1%	0.265	0.255	-3.8%	0.251	0.245	-2.4%	-2.5%
4	0.161	0.154	-4.3%	0.157	0.156	-0.6%	0.131	0.128	-2.3%	0.102	0.098	-3.9%	-2.7%
5	0.127	0.123	-3.1%	0.115	0.114	-0.9%	0.088	0.081	-8.0%	0.053	0.049	-7.5%	-4.9%

NL = No load, WL = with load, RR = relative reduction

화합물계(CdTe) BIPV 시스템의 경우, 입사각에 따른 SHGC 값의 변화가 결정질 실리콘 BIPV 시스템과 유사하게 나타났다. 입사각이 0° ~ 50° 일 경우, 시스템의 SHGC 값이 상대적으로 큰 변화가 없었으며¹⁵⁾, 또 다른 연구¹⁶⁾에서도 입사각이 55° 이상으로 커질 때, BIPV 시스템의 SHGC 값이 급격히 낮아지는 것으로 나타났다(Fig. 9). 일사의 입사 각도가 약 12 ~ 55° 일 때, SHGC 값은 0.18 ~ 0.2로 나타났으며, 입사각이 55 ~ 80° 일 때 0.1까지 낮아지는 것으로 분석되었다. 이에 계절별 입사각의 변화에 따라, 여름철과 겨울철 SHGC 성능차이는 최대 70%까지 나타나는 것으로 확인되었다.

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Fig. 9

SHGC changes of CdTe BIPV system with incident angles¹⁶⁾

4. 결 론

본 연구에서는 SHGC 성능평가표준과 관련 연구 분석을 통해, 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 현황을 분석하였다.

투광형 BIPV 시스템은 전면 PV 셀의 발전 유무에 따라 SHGC 값이 달라지므로 운용조건(MPP, OC)에 따른 SHGC 성능을 각각 제시할 필요가 있다. 또한, 입사각에 따라 BIPV 시스템의 SHGC 성능 변화가 크게 나타나므로 실제 운용환경에서의 입사각에 따른 성능평가가 요구된다.

이에 다양한 조건에서 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가를 수행하여 실제 운용환경에서의 BIPV SHGC 성능 값을 반영하면, 투광형 BIPV 시스템이 적용된 건물의 에너지해석 시뮬레이션 성능 및 경제성 분석 등의 정확도를 효과적으로 높일 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능을 효율적으로 평가하기 위해, 발전성능(전기효율), PV셀 면적 비 등 다양한 환경요소에 따른 SHGC 민감도 분석 연구가 필요하다고 판단된다.

향후 다양한 환경조건에서의 투광형 BIPV 시스템의 SHGC 성능평가 연구가 진행될 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원과, 교육부(MOE)의 재원으로 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행된 연구 과제입니다(No. 20223B10100020), (NRF-2021R1A2C2092760).

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Journal of the Korean Solar Energy SocietyISSN:1598-6411(Print) 2508-3562(Online)한국태양에너지학회

Preview

Literature Review Study for SHGC Performance Evaluation Methods of Semi-transparent BIPV System

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Schematic diagram of Solar Heat Gain Coefficient5)

(1)

Fig. 2

Relation of transmittance and power generation by PV cell ratio8)

Fig. 3

Schematic of silicon solar cell based semi-transparent type PV glazing9)

Fig. 4

Indoor SHGC testing facility of glazing system in ISO 1946710)

Table 1

Recommended environmental conditions for SHGC test in ISO 19467

(2)

Fig. 5

Influence of beam divergence of the incident irradiation in ISO 19467-211)

Fig. 6

Outdoor SHGC testing facility of glazing system in NFRC 201-202012)

Table 2

Steady state condition of outdoor SHGC test for glazing system

(3)

(4)

Fig. 7

SHGC values of OC and MPP condition for semi-transparent BIPV13)

Fig. 8

SHGC changes with solar irradiance and incident angles14)

Table 3

SHGC of specimens across various angles with and without electrical load

Fig. 9

SHGC changes of CdTe BIPV system with incident angles16)

Acknowledgements

References

Schematic diagram of Solar Heat Gain Coefficient⁵⁾

Relation of transmittance and power generation by PV cell ratio⁸⁾

Schematic of silicon solar cell based semi-transparent type PV glazing⁹⁾

Indoor SHGC testing facility of glazing system in ISO 19467¹⁰⁾

Influence of beam divergence of the incident irradiation in ISO 19467-2¹¹⁾

Outdoor SHGC testing facility of glazing system in NFRC 201-2020¹²⁾

SHGC values of OC and MPP condition for semi-transparent BIPV¹³⁾

SHGC changes with solar irradiance and incident angles¹⁴⁾

SHGC changes of CdTe BIPV system with incident angles¹⁶⁾