Semi-transparent Photovoltaic (PV) can produce electricity and also has the properties that transmit the light. Therefore, semi-transparent PV has the great potential for substitute of window system due it is not just generating energy but also acquiring solar heat gain and daylighting. Specially, Dye- Sensitized Solar Cell (DSSC) which we suggest has the advantage with uniform distribution of light penetration and small loss of conversion efficiency due to temperature fluctuation. Thus, when DSSC window is applied in the building system, applicability of energy output which are heating, cooling, lighting and PV energy should be evaluated.
In this study, first, the window performance properties optimization is analyzed. Window optical prop-erties such solar heat gain coefficient, visible transmittance, and U-value, window wall ratio, and orientation by variation of climate change is tested and plotted. Second, applicability of semi-transparent PV in the building window system is simulated. Based on American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) standard buildings envelop properties and lab scale DSSC conversion efficiency, the coverage ratio of substituting current window system and optimal window properties are plotted by variation of global climate conditions. According to ASHRAE climate zone classification, Miami (zone 1), Sao Paulo (zone 2), Sydney (zone 3), New York (zone 4), Seoul (zone 4), Berlin (zone 5), and Moscow (zone 6) are selected. WWR varies from 25% to 100%, 4 orientation and 4 types of DCCS are inserted as input variables. As a result, on the condition of passive house envelope regulation and doubled lab scale conversion efficiency (13%), especially New York and Seoul (zone 4) appears most efficiently in applicability test. As 100% WWR, installing DSSC window having 13% conversion efficiency at south face shows the best performance and it covers about 19.9% and 25.9% of total building energy load respectably. However, in Miami which have extremely high dry-bulb temperature and solar radiation and Moscow which have extremely low dry-bulb temperature and solar radiation, the effect DSSC window on energy saving seems relatively inadequate.
반 투광 태양 전지는 전기를 생산할 수 있으며, 또한 빛을 투과하는 성질이 있다. 따라서 자연채광과 일사열의 취득을 가능하게 하며, 건물의 창호 시스템에 적용되었을 때 건물의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있다. 특히 본 연구에서 제안하는 염료감응형 태양전지(DSSC)는 보다 균일한 분포로 빛을 투과시킬 수 있고 온도 상승에 따른 효율저하가 작다. 따라서 건물의 외피에 적용되었을 때 창호의 대체재로 열적, 광학적 성능을 보완하면서 동시에 태양광을 통한 에너지 생산을 통해 건물에서의 에너지 소비를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 가능성에도 불구하고 투광형 태양전지의 건물적용 효과에 관한 연구는 아직까지 다양하게 진행되지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 연구에서는 첫 번째로, 건물에너지 저감에 영향을 미치는 창호의 요소인자의 분석을 진행하였다. 기후대 별로 다르게 나타나는 창 면적 비, 일사취득계수 및 투과도, 그리고 열관류율의 특성을 알아보고 최적화를 통하여 적정 창호성능을 알아보았다.
두 번째로는 염료감응형 태양 전지의 태양 전지의 특성과 건물에 적용되었을 때 에너지 절약 가능성에 대한 연구를 진행하였다. 염료감응형 태양 전지는 내부 TiO2의 두께가 변화함에 따라 투과도(Visible Transmittance)와 일사취득계수(SHGC), 그리고 변환효율이 상대적으로 변화하는데, 이런 특성에 따라 건물에 적용하였을 때, 건물에 냉방, 난방 및 조명 부하에 변화가 생긴다. 또한 건물에서 상대적인 창의 크기 비율, 방위, 기타 외피의 성능변화, 그리고 기후대 별로 그 영향이 다양하게 달라지는 바, 이런 변수에 따른 반 투광 태양전지의 적용에 따른 성능평가를 실시하였다.
기후대를 미국공조냉동공학회(ASHRAE)의 분류 방식에 따라 분류하고 미국의 마이에미, 브라질의 상파울루, 호주의 시드니, 미국의 뉴욕, 대한민국의 서울, 독일의 베를린, 그리고 러시아의 모스크바 지역으로 설정하였다. 창호의 상대적 면적비(Window Wall Ratio)는 25%에서 100%까지 25% 간격으로 변화시켰으며 기타 건물의 외피 또한 ASHRAE 기준과 패시브하우스 기준으로 구분하여 건물에너지 시뮬레이션에 적용해 보았다.
결과적으로 패시브하우스에 준하는 외피기준, 그리고 변환효율을 두배로 가정한 상황에서, 특히 뉴욕과 서울 지역 (ASHRAE zone #4)에서는 태양광 창호의 설치를 통한 투광형 태양전지의 건물 적용가능성이 가장 크게 나타나는 것으로 확인된다. 6.5%의 변환효율을 가지는 염료감응형 태양 전지를 건물 남쪽에 100%의 비율로 설치하였을 경우 상대적으로 가장 좋은 성능 절약을 보여주며, 태양전지를 통한 발전량이 전체 에너지 부하의 약 19.9%, 25.9%가량 절감할 수 있는 것으로 나타난다. 그러나 태양광 일사가 강하고 외부온도가 높은 마이에미 지역이나 일사가 약하고 외부온도가 낮은 모스코바 지역에서는 투광형 태양전지의 창호 적용에 관한 효과는 상대적으로 미비하게 (각각 약 15.8%, 6.1% 저감) 나타난다.
