SysML기반 M&S기법을 활용한 BIPV 전력 발전 시스템의 설계 및 최적화
Design and Optimization of BIPV Electrical Power Generation System Utilizing SysML-Based M&S Methods
초록/요약
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.
more목차
제1장 서 론 1
제1절 연구의 배경 및 목표 1
제1항 연구 배경 1
제2항 연구 목표 3
제2절 연구의 범위 및 방법 5
제1항 연구 범위 5
제2항 연구 방법 7
제3절 연구 공헌 및 논문의 구성 8
제1항 연구 공헌 8
제2항 논문의 구성 10
제2장 선행 연구 및 문제 정의 11
제1절 BIPV 시스템의 예비적 고찰 11
제1항 기본 개념 및 건축물 적용 형태 분석 11
제2항 전력발전 시스템의 예측 모델 분석 17
제2절 태양광(BIPV) 시스템의 연구 동향 및 분석 22
제1항 건축기반 BIPV 시스템 설계 프로세스 22
제2항 태양광(BIPV) 전력발전 설계 모델 분석 24
제3항 BIPV 시스템의 국제표준 설계 요구사항 분석 30
제3절 모델기반 시스템 설계의 중요성 분석 34
제1항 모델기반 설계 접근의 필요성 분석 34
제2항 SysML기반 시스템 설계 프로세스 분석 36
제3항 SysML기반 전력발전 시스템 설계의 모델링 39
제4절 문제 정의 43
제1항 기존 BIPV 시스템 설계의 한계 43
제2항 전력발전 시스템의 최적화 모델 설계의 필요성 45
제3항 최적화 모델 검증 및 활용방안 제시 46
제3장 모델기반 BIPV 시스템의 통합 설계 프로세스 모델링 48
제1절 SysML기반 BIPV 시스템의 설계 프로세스 구축 48
제1항 모델기반 시스템 설계 방법 48
제2항 SysML기반 BIPV 시스템 설계 프로세스 49
제2절 BIPV 시스템의 통합 요구사항 모델 생성 및 기능 식별 50
제1항 요구사항 및 운영 시나리오 개념 정의 50
제2항 운영 시나리오 및 요구사항 생성 53
제3항 시스템의 요구사항 및 기능 식별 59
제3절 BIPV 시스템의 아키텍처 모델 설계 64
제1항 기능 아키텍처 모델 설계 64
제2항 물리 아키텍처 모델 설계 67
제4절 전력발전 서브시스템의 구조 및 거동 설계 모델링 71
제4장 BIPV 시스템의 실증 목업 설계 및 구축 79
제1절 시스템의 통합 설계요소 식별 79
제1항 물리적 아키텍처에서 통합 설계요소 식별 79
제2항 실증 목업기반 통합 설계요소의 평가 설계 81
제2절 실증 목업의 설계 및 구축 82
제3절 전력발전 데이터베이스의 구축 및 운영 85
제1항 모니터링 시스템의 설계 및 구축 85
제2항 데이터베이스의 구축 및 운영 87
제5장 전력발전 프로세스 모델링 및 최적화 89
제1절 M&S의 최적화 수행 절차 89
제2절 실험데이터에 대한 통계분석의 수행 절차 90
제3절 실험데이터의 데이터 신뢰성 검증 91
제4절 전력발전 최적화 설계 모델 생성 95
제1항 통계적 분석을 통한 설계요소들의 관계 분석 95
제2항 전력발전 최적화 설계의 수치 모델 생성 99
제3항 실증 목업에서의 수치 모델 검증 103
제5절 M&S의 최적화 수행을 위한 Parametric model 생성 104
제1항 설치각도 모델 생성 105
제2항 설치방향 모델 생성 105
제3항 설계 변수값의 확정을 위한 통합 모델 생성 107
제6장 사례 연구 110
제1절 대상시스템의 개요 : BIPV 전력발전 시스템 실증 건물 110
제2절 대상시스템의 M&S 설계 모델 생성 113
제1항 설계 사양의 모델 생성 113
제2항 설계 파라미터의 정의 116
제3절 전력발전 최적화 설계 모델의 검증 119
제1항 전력발전 최적화 모델의 분석 방법 119
제2항 최적화 모델의 시뮬레이션 및 분석 결과 120
제4절 전력발전 M&S의 활용성 평가 123
제7장 결 론 126
제1절 연구결과 요약 126
제2절 연구 공헌 128
참고문헌 129
Abstract 133
