SysML기반 M&S기법을 활용한 BIPV 전력 발전 시스템의 설계 및 최적화

Abstract

BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 시스템은 건축물에 태양광 발전시스템이 통합되어 건축물 기능과 태양광 전력발전 기능을 만족시키는 대표적인 통합시스템이다. BIPV 시스템은 건축물 외피의 기능을 수행하면서 동시에 태양광 전력발전 기능을 수행할 수 있다는 장점이 있지만, 건축물 설계 프로세스의 개념설계 단계에서부터 태양광 발전기능이 통합되어야 하고, 동시에 전력발전을 극대화할 수 있는 태양광 전력발전 시스템의 설계 및 최적화가 필요하다. 지금까지 BIPV 시스템의 주요 설계 요소들에 대한 결과물은 발표되었지만, 시스템의 통합 요구사항을 기본설계 단계에서 반영할 수 있는 시스템의 아키텍처, 구조 및 거동이 설계되지 못하였으며, BIPV 시스템의 전력발전을 극대화하는 통합 설계를 평가할 수 있는 기반구축과 최적화 모델이 명확하게 제시되지 못하였다. 본 연구에서는 이러한 문제 들을 해결하기 위하여 기존 문서기반의 BIPV 시스템 설계 프로세스를 개선하고, 설계요소에 대한 성능평가 기반을 구축하여, 전력발전 시스템의 최적 모델의 제시 및 신뢰성 검증을 연구목표로 설정하였다. 연구목표를 달성하기 위하여 BIPV 시스템의 통합 설계 요구사항을 체계적으로 식별하여 시스템의 모델기반 통합 설계 프로세스를 생성하고, 통합 설계요소들의 전력발전 성능을 평가할 수 있는 실증 목업 실험동을 설계 및 구축하였다. 또한, 설계요소들 사이의 통계적 관계분석을 수행하여 전력발전 성능이 극대화되는 최적 수치 모델을 제시하였으며, 모델기반 예측 시뮬레이션이 가능하도록 SysML기반 모델(Parametric diagram)을 제시하였다. 마지막으로 실제 BIPV 시스템이 적용된 건물에서 M&S(Modeling and Simulation) 결과를 분석함으로서 전력발전 최적화 모델의 신뢰성 검증 및 실제 업무에서의 활용성을 평가하였다. 본 연구결과는 BIPV 시스템의 통합 설계요소들의 최적화를 통하여 전력발전을 극대화하는 M&S 방법을 제시함으로써 계획설계 단계에서 경제성 평가의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 또한 기본설계 단계에서 BIPV 시스템의 통합 요구사항을 반영하는 모델기반 설계 프로세스를 제시함으로써, 실제 BIPV 시스템에서 전력발전 성능의 개선을 통합적으로 수행할 수 있는 적용 가능성을 보였다.