1. 서 론
2. BIPV 및 BIPVT 시스템 구축
2.1 적용대상 및 시스템 개요
2.2 측정요소 및 기본 사양
3. 실험 결과
3.1 측정 기간
3.2 집열 및 발전 효율 산정식
3.3 BIPVT 및 BIPV 시스템의 온도 측정 결과 비교
3.4 BIPVT 시스템의 집열 성능
3.5 BIPVT 및 BIPV 시스템의 발전 성능 비교
4. 결 론
기호 및 약어 설명
T : Temperature (℃)
A : Surface area of the panel (m2)
I : Current (A)
V : Voltage (V)
G : Solar radiation (W/m2)
Cp : Specific heat of air at constant pressure (J/kg·K)
ṁ : Mass flow rate (kg/s)
하첨자 설명
th : Thermal energy
el : Electrical energy
BIPVT : BIPVT
BIPV : BIPV
avg : Indoor average
out : Outside
1. 서 론
최근 전 세계적으로 지구 온난화로 인한 환경문제가 심각해지면서 이를 해결하기 위해 각국은 더욱 갖은 노력을 기울이는 추세다. 특히 온실가스의 대표적인 구성요소인 이산화탄소(CO2), 더 나아가 탄소를 감축하기 위한 여러 시도가 이루어지고 있다. 2021년 국토교통부는 ‘국토교통 탄소중립 로드맵’을 발표해, 2050년 탄소중립을 최종 목표로 우선 30년까지 18년 탄소 총배출량 대비 40% 감축을 목표로 설정하였음을 전하였고1), 2024년 산업통상자원부에서 발표한 ‘2024 에너지 통계 연보’에 따르면 국내 전체 최종에너지 소비량 중 가정 및 상업·공공용 건물 부문이 약 22.3%의 비중을 차지하였다2). 즉, 탄소 배출이 에너지 소비로부터 기인한 것인 만큼, 건물 부문이 탄소중립 실현이라는 목표에 큰 영향을 끼칠 것이라고 예상할 수 있다. 따라서 건축 분야에서도 기존의 화석연료를 기반으로 하는 구조를 지양하고 친환경 및 신재생에너지의 적극적인 도입과 활용으로 건물의 에너지 효율을 제고, 탄소 배출은 저감하는 것이 필수적인 과제로 제시되고 있다.
신재생에너지 중 태양광을 활용한 태양광 발전(Photovoltaics, PV) 시스템은 태양이라는 자원의 무한함, 다른 신재생에너지에 비해 저렴한 초기 투자비 등 다양한 장점이 있다. 그러나 PV 시스템의 한계는 일정 수준 이상으로 태양광 패널의 온도가 올라가면 시스템 자체의 성능이 저하되고 그 과정에서 생긴 열에너지가 낭비된다는 것이다. 이를 극복하기 위해 나온 것이 태양광을 사용해 전기를 생산함과 동시에 태양열을 모을 수 있는 태양광/태양열 발전(Photovoltaics Thermal, PVT) 시스템이다. PVT 시스템은 PV 모듈 후면에 공기나 물과 같은 유체를 흐르게 해 전면의 cell에서 발생하는 열을 흡수하게끔 만든 시스템이다. 발전 과정에서 패널의 온도 상승과 그에 따른 성능의 저하를 억제하고, 유체를 통해 흡수된 열에너지를 활용하여 실내 난방이나 급탕에 사용하므로 기존의 PV 시스템과 비교해 더 많은 에너지를 생산할 수 있어 현재 관련된 많은 연구가 진행 중이다.
근래에 들어서는 인구 밀집에 따른 건물의 고층화로 인하여 건물일체형 태양광·열(Building-Integrated Photovoltaic Thermal, BIPVT) 시스템이 주목받고 있다3). 높은 인구 밀도로 인해 증가한 건물의 부피만큼 PVT 시스템의 필요 설치 면적과 에너지 생산량도 증가해야 하는데, 이를 건물의 벽이나 지붕과 같은 외피를 대신해 PVT 시스템을 사용함으로써 해결한 것이다. 기존의 건물일체형 태양광 발전(Building-Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템은 cell에서 발생하는 열로 인한 성능 저하와 열에너지 낭비라는 PV 시스템의 한계점을 극복하지 못하였다. Choi et al. (2008)4)는 PV 모듈 온도와 발전 효율 간의 관계에 대해 모듈 온도가 25℃ (NOCT, Nominal Operating Cell Temperature) 에서 1℃ 상승할 때마다 약 0.5% 정도의 효율 감소를 초래한다는 사실을 밝히며, 시뮬레이션을 통한 BIPV의 온도 특성 분석으로 PV 모듈 온도가 50℃에 달하면 25℃일 때에 비해 약 15%의 발전량 감소가 발생한다고 평가하였다. Yoon et al. (2012)5)는 커튼월의 스팬드럴 부분에 투광형 BIPV 및 고단열 후면 마감재를 적용한 해석 모델을 제작하여 실험과 시뮬레이션을 통해 PV cell의 표면 온도가 1℃ 상승할 때마다 개방 전압이 6.2%씩 감소하여 결과적으로 전력량의 감소를 유도한다고 평가하였다. 이러한 BIPV의 한계점을 극복하기 위한 대처 방안으로써 BIPVT 시스템이 많은 주목을 받는 실정이다.
BIPVT 시스템의 성능을 기존의 BIPV 시스템의 성능과 비교하였을 때, 얼마만큼 우수한 성능을 보여줄 수 있는가에 관해서는 관련된 연구들이 많이 진행되고 있다. Kim (2011)6)는 공기식 BIPVT 시스템을 건물의 지붕과 통합한 실험 모델을 제작하여 실험과 시뮬레이션 모델링을 통해 성능을 분석하였다. 그 결과 BIPVT 시스템은 BIPV 시스템보다 월별 5% 향상된 전기효율과 연간 6% 증진된 전력 생산량을 나타내는 걸 확인하였고 이 수치는 시스템의 모듈에 알루미늄 또는 구리로 이루어진 금속 핀을 부착함으로써 더 향상될 수 있다고 평가하였다. Calise et al. (2020)7)은 액체식 BIPVT 시스템과 BIPV 시스템에 소형 송풍기를 결합한 동적 시뮬레이션 모델을 개발하여 시뮬레이션을 통해 두 시스템의 성능을 분석하였다. 이 경우 BIPVT 시스템의 전체 재생 가능 전력 생산량은 BIPV 시스템보다 약 9% 높았으며 이에 더해 약 3% 높은 1차 에너지 절감 효과가 있는 것으로 평가되었다. Javadijam et al. (2023)8)은 수학적 모델링과 해석을 통해 공기식 BIPVT 시스템이 BIPV 시스템보다 연간 1.08 MWh의 전력을 더 생산할 수 있고, 81.96 MWh의 건물 열부하를 부담할 수 있는 것을 확인하였다. 그리고 총 효율 측면에서도 BIPVT 시스템이 연평균 1.69%의 더 높은 효율을 보인다고 평가하였다.
이처럼 두 시스템의 성능을 대조해 가며 분석한 연구가 활발히 이루어지고 있지만 같은 기상 조건에서 실험을 통하여 BIPVT 및 BIPV 시스템의 성능을 동시에 비교 분석한 연구는 충분하지 않다. 따라서 본 연구에서는 우선 공간 자체를 하나의 열 회수 장치로 활용할 수 있는 새로운 구조의 공기식 BIPVT 시스템 실험 모델과 유사한 구조의 BIPV 시스템 실험 모델을 제작하여 같은 기상 조건에서 동시에 실험을 진행하였다. 그 후 실험 결과를 바탕으로 겨울철 공기식 BIPVT 시스템의 열적·전기적 성능을 BIPV 시스템에 대조해 정량적으로 평가하였다.
2. BIPV 및 BIPVT 시스템 구축
2.1 적용대상 및 시스템 개요
실험은 경기도 수원시 영통구에 있는 경기대학교 옥상(위도 37.3°, 경도 127.04°)에서 진행되었다. 본 연구에서는 ‘실험동’이라는 하나의 공간 자체를 BIPVT 시스템의 열 회수 장치로써 활용하기 위해 PV 모듈을 부피 4.62 m3의 실험동 외벽에 수직으로 부착하였다(Fig. 1). PV 모듈이 부착된 전면의 하단에는 송풍기(소비전력 30W)를 설치하여 외부에서 내부로 공기의 유입을 유도하였다. 지속된 태양광 발전으로 PV 모듈 온도가 상승하여 발생한 열에너지는 실내로 전달된 후 내부 공기 온도를 상승시킨다. 외부에서 유입된 차가운 공기는 실 내부를 순환하면서 뜨거운 공기와 혼합되어 열교환을 통해 따뜻해지게 된 후 실험동의 후면 상단에 천공된 개구부로 빠져나오도록 하였다(Fig. 2). 최종적으로는 개구부에서 추출된 공기를 추후 겨울철 실내 난방 및 급탕에 활용할 수 있는지에 대한 가능성의 평가를 목적으로 이 실험 모델을 설계하였다. BIPV 시스템의 경우에는 똑같이 PV 모듈을 실험동의 외벽에 부착하였지만, 송풍기와 개구부를 포함한 열 회수에 필요한 요소를 제외하였다. 그렇기에 태양광 발전으로 인해 실내로 전달된 열에너지는 내부를 순환하며 서서히 축적되어 갈 뿐, 외부로 배출되지 않기에 결과적으로 BIPV 실험 모델을 통해서는 전기 에너지만을 생산할 수 있게 된다. 이러한 조건들로부터 본 연구의 BIPV 실험 모델은 일반적인 BIPV 시스템의 특징을 표현하였다고 볼 수 있다.
2.2 측정요소 및 기본 사양
BIPVT 시스템의 열적·전기적 성능을 평가하기 위해 실내로 유입된 외부 공기의 열 흡수에 따른 집열효율과 PV 모듈의 온도 상승 억제에 따른 발전량 증가를 분석하고 나란히 설치된 BIPV 시스템과 동일한 조건에서 측정을 진행하여 열 및 전기 에너지의 변화를 비교하였다. 두 시스템에 부착된 PV 패널은 정남향으로 실험동의 외벽과 수직을 이루도록 하였고 패널 면적은 동일하게 1.48 m2 (1,000 mm × 1,480 mm)이다. 모든 데이터 측정을 위해 각 실험동에 인버터와 데이터 로거를 설치하였다. 전기 데이터는 인버터를 통해 전류와 전압을 측정하였으며, 일사 데이터 측정을 위해서 일사계를 BIPV 실험 모델의 외벽에 수직으로 설치하였다. 열 데이터는 온도 측정을 위한 각각의 위치(실험동 외부, BIPV 및 BIPVT 패널 표면, 입·출구, 실 내부)에 열전대를 설치하여 데이터 로거로 측정하였다(Fig. 3).
본 실험에서의 측정기기 및 항목은 Table 1 및 Table 2와 같다. 측정은 모든 데이터에 대해 1초 간격으로 이루어졌으나, 외부 요소에 의한 오차가 발생하는 것을 고려하여 온도를 측정한 결과는 10분간의 평균을, 발전과 집열에 관한 결과는 1시간의 평균을 적용하여 분석하였다.
Table 1
Equipment specification
Table 2
Measurement items
3. 실험 결과
3.1 측정 기간
BIPVT 및 BIPV 시스템의 성능을 측정하기 위한 실험은 2025년 12월 24일부터 2026년 2월 24일까지 63일간 진행되었다. 이 중 일조가 풍부한 3일(26.01.27. ~ 26.01.29.)을 선정한 후 우리나라 겨울철의 일출과 일몰 시각을 고려해 09:30 ~ 16:30까지 7시간 동안의 측정 결과를 분석하였다.
3.2 집열 및 발전 효율 산정식
Kim et al. (2022)9)이 제작한 PVT 실험 모델과 같이 기존의 PVT 실험 모델들은 해당 시스템의 집열효율을 측정하기 위하여 PV 모듈 후면에 유체가 지나가는 길의 입·출구에 온도 센서를 부착하여 그 차이를 측정하였다. 하지만 본 연구에서 제작한 BIPVT 실험 모델의 경우 태양광 발전을 통한 패널로부터의 열전달로 내부 공간이 가열되는 특성이 있다. 이때 공간을 구성하는 구조체(벽체, 천장, 바닥 등)를 통한 열 손실이 발생하게 되는데 개구부에서 측정한 출구 온도로 집열효율을 산정하게 되면 앞서 말한 열 손실을 반영하기가 어려워진다. 이에 더해 출구 온도를 측정하는 센서의 위치상 외기에 직접 면하게 되므로 바람과 같은 기상 조건에 영향을 많이 받게 된다. 입구 온도의 경우 외기가 유입되는 입구인 송풍기 부근에 설치된 센서를 통해 측정하였기에 송풍기 자체 발열의 영향을 받아 온도 측정에 오차가 발생할 것으로 판단하였다. 본 연구에서 제작한 BIPVT 실험 모델을 통해 시스템의 집열효율을 측정하려면 실내에서, 유입된 외기가 얼마만큼 가열되었는지를 파악해야 하기에 출구 온도를 대신하여 실내 공기 온도의 평균을, 입구 온도를 대신하여 외기온도를 적용해 산정하는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단하였다. 결과적으로 BIPVT 시스템의 집열효율을 산정하는 식은 다음과 같이 정의할 수 있다10).
위 식에서 사용된 질량 유량에는 송풍기의 유량인 0.04135 kg/s (원형 단면, 지름 7.5 cm, 송풍기의 평균 풍속 7.8 m/s)를 사용하였고 공기의 정압비열은 보편적으로 사용되는 1,005 J/kg·K로 가정하였다. BIPVT 시스템과 BIPV 시스템의 발전 효율을 산정하는 식은 다음과 같이 정의할 수 있다11).
3.3 BIPVT 및 BIPV 시스템의 온도 측정 결과 비교
Fig. 4(a)는 대상 실험 모델에서 측정된 일사량과 외기온도를 Fig. 4(b)는 BIPVT 시스템의 입·출구 온도를 나타낸다. 동절기에 3일간 측정된 일사량은 각각 4,612 Wh, 4,732 Wh, 4,726 Wh로 평균 약 4,690 Wh였으며, 외기온도는 최고 0℃, 최저 –10.8℃로 측정되었다.
BIPVT 시스템의 출구 온도는 기상 조건에 의한 오차를 줄이기 위해 서로 가까운 세 곳의 지점에 센서를 설치하여 측정하였다. 측정 결과, 세 개의 센서로부터 측정된 출구 온도는 거의 동일한 형상을 보였고 3일간 최대 1.6℃, 최저 –9.5℃로 나타났다. 입구 온도와의 차이는 최대 3.2℃, 최저 –0.2℃로 이른 아침에 입구 온도가 출구 온도보다 높은 시간대가 있는 것으로 확인되었다. 이는 겨울철 새벽의 찬 공기로 인해 실험동 내부가 냉각되는 것에 더해 야간에는 일사에 의한 PV 모듈의 발전이 저조해지기에 실내로 전달되는 열에너지가 적기 때문으로 판단된다.
Fig. 5에는 BIPVT 패널의 표면 온도를 BIPV와 비교해 나타내었다. 3일간 일사에 의해 발전이 이루어지는 시간대에 측정된 BIPVT의 패널 표면 온도는 BIPV와 비교해 최대 약 2.9℃ 낮았으며, 전체 시간대에 대해서는 평균 0.8℃ 감소하였다. 반면 BIPVT 실험 모델의 실내 평균 온도는 BIPV 실험 모델과 비교해 최대 3.7℃, 평균 1.7℃ 감소로 패널 표면 온도의 비교 결과보다 더 큰 폭의 감소를 나타냈다(Fig. 6). Fig. 5에 관한 결과만을 분석해 보았을 때, 두 시스템 간의 패널 표면 온도의 감소 폭이 크지 않아 cell의 온도 변동에 큰 영향을 받는 발전 효율의 효과적인 개선을 기대하기는 어려울 것으로 예상된다. 하지만 본 실험에서는 외기 측 패널 표면 온도만을 측정하여 비교하였기에 cell의 전체적인 온도를 판단하기에는 무리가 있고, 실험동 내부에서 BIPVT의 실내 평균 온도가 BIPV보다 낮게 측정되었다는 것으로부터 실내 측(패널 후면)에서의 냉각이 이루어지고 있을 것으로 판단된다. 실내 측(패널 후면)의 온도 측정에 대해서는 추가적인 검증이 필요하며 그렇기에 현시점에서 발전량 및 발전효율에 있어 개선을 기대하기 어렵다고 결론 짓기에는 한계가 있다.
3.4 BIPVT 시스템의 집열 성능
Fig. 7(a)은 BIPVT 실험 모델 내부에서 공기의 열교환을 통해 취득한 집열량을, Fig. 7(b)은 집열량과 일사량 사이의 상관관계를 나타낸다. 실험 모델의 실내 평균 온도와 외기온도의 차이 및 질량 유량과 공기의 정압비열을 통해 산정한 집열량은 3일간 최대 98.3 W, 평균 69.3 W의 열에너지를 생산할 수 있는 것으로 나타났다. 일사량과의 상관관계를 분석하기 위해 도출한 선형회귀식에서 결정계수는 0.9574로 일사량과 집열량이 상호 간에 밀접한 상관관계를 가지고 있으며 집열 효과를 개선하기 위해서는 취득할 수 있는 일사 에너지의 양이 더욱 중요할 것으로 판단된다.
BIPVT 시스템의 집열효율은 3일간 최대 11.4%, 평균 8.3%로 측정되었으며 데이터 양상이 실내 평균 온도와 외기온도의 차이와 유사한 것으로 나타났다(Fig. 8). 두 그래프 모두 정오부터 오후 13시 사이의 시점에 하향 추세를 보이는 것이 확인된다. 이에 대한 원인으로는 BIPVT 시스템 내부에서 공기 사이의 열교환과 ‘실험동’이라는 건물의 열용량으로 인해 실내 온도 상승이 더딘 한편 외기온도는 일사 에너지로 인해 상승하는 폭이 크기 때문으로 판단된다.
3.5 BIPVT 및 BIPV 시스템의 발전 성능 비교
공간을 활용한 공기식 BIPVT 시스템의 전기적 성능을 BIPV 시스템과 비교해 정량적으로 평가하고자 발전량 및 발전 효율을 비교하였다. Fig. 9(a)과 같이 동기간 BIPVT 시스템의 발전량은 최대 178.4 W, 평균 109.5 W로 BIPV 시스템과 비교해 최대 38.5 W, 평균 16.6 W의 전기 에너지를 더 생산할 수 있는 것으로 나타났다. 3일간 두 시스템으로부터 생산된 전체 전력량을 비교해보았을 때 BIPVT는 2626.9 Wh로 BIPV보다 396.8 Wh만큼의 전력을 더 생산한 것으로 나타났으나, 여기서 3일간 송풍기로 인해 소비한 전력을 고려하게 되면 BIPVT의 총 전력량은 BIPV보다 적어진다(Fig. 9(b)). 이러한 결과는 BIPVT 실험 모델에 부착된 패널 하나에 한 대의 송풍기가 배정되어 있기에 도출된 것이다. 추후 실제 건물에 적용될 때에는 여러 개의 패널에 송풍기 한 대를 배정할 계획으로 송풍기의 소비전력은 일정하나, 패널의 면적이 증가함에 따라 발전량은 증가할 것이기에 실용성에 있어서 충분히 효과적일 것으로 판단된다.
각 시스템의 발전량과 일사량 간의 상관관계를 분석해 보았을 때, 일사량에 대한 발전량의 증가율을 산정하면 겨울철 3일간 BIPVT 시스템은 BIPV 시스템에 비해 약 22.6% 증가한 수치를 나타낸다(Fig. 10(a)). Fig. 10(b)에는 두 시스템 간의 발전 효율에 대해 일사량의 상관관계를 분석하여 증감률을 산정하여 비교하였다. 결과적으로 BIPVT 시스템은 BIPV 시스템과 비교해 동일한 일사량에 대해 18% 더 높은 발전 효율을 나타내었고, 산정된 결정계수로부터 BIPVT 시스템이 BIPV 시스템보다 일사량에 대해 더 밀접한 상관관계를 가진 것으로 판단된다. Fig. 11로부터 3일 동안 태양에너지를 활용하여 생산한 전기·열 에너지의 효율은 약 8%의 집열효율과 12.6%의 발전 효율을 지닌 BIPVT 시스템이 10.7%의 발전 효율만을 가진 BIPV 시스템보다 9.9% 더 높은 것으로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 PV 패널 후면의 유로를 통해 열을 회수하던 기존의 BIPVT 시스템과 구조적으로 차별점을 두어, ‘실험동’이라는 하나의 공간을 열 회수 장치로 활용할 수 있는 새로운 구조의 공기식 BIPVT 시스템 실험 모델과 유사한 구조의 BIPV 시스템 실험 모델을 제작하였다. 그 후 겨울철 공기식 BIPVT 시스템의 열적·전기적 성능을 BIPV 시스템에 대조해 정량적으로 평가하였다. 이는 추후 공간 자체를 하나의 공조 시스템으로 확장하기 위한 기초 연구로써 실제 건축물에서의 적용 가능성의 검토를 목적으로 진행되었다. 비교 분석을 위해 두 시스템의 일사량에 대한 발전 및 집열 성능을 측정하여 데이터를 정리하였다.
연구 결과, 실내에서 혼합된 공기로부터 얻을 수 있는 열에너지는 3일간 최대 98.3W로, 평균 8.3%의 효율로 생산할 수 있는 것을 확인하였다. 그 과정에서 일사량과 생산되는 열에너지가 밀접한 상관관계를 가지고 있어 집열 효과를 개선하기 위해서는 시스템의 모듈이 더 많은 양의 태양에너지를 받을 수 있게 하는 것이 중요한 것으로 파악되었다.
하강한 실내 평균 온도로부터 BIPVT 시스템은 BIPV 시스템과 비교하면 최대 38.5W, 평균 16.6W의 전기 에너지를 추가로 생산할 수 있는 것을 확인하였다. 일사량에 대한 발전량의 증가율은 BIPVT 시스템이 22.6% 더 높은 수치를 보였다. 양 시스템의 발전 효율에 대한 선형회귀식을 분석하여 BIPVT 시스템이 동일한 일사량에 대해 18% 높은 발전 효율과 더 밀접한 상관관계를 나타낸다는 것을 파악하였다. 총 전력 생산량에 있어서 송풍기의 소비전력으로 인해 BIPVT 시스템이 BIPV 시스템보다 낮게 나오는 결과가 도출되었으나, 현재 하나의 패널에 한 대의 송풍기가 배정되어 있어서 나온 결과로, 추후 건물에 적용될 때에는 패널의 면적은 증가하지만, 송풍기 소비전력은 일정할 것이기에 실용성에 있어서 큰 영향은 없는 것으로 판단된다.
BIPVT 실험 모델과 BIPV 실험 모델을 비교했을 때, BIPVT의 패널 표면 온도의 감소 폭보다 실내 평균 온도가 더 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 외기 측 패널 표면 온도만을 측정하여 비교하였기에 실내 온도 감소로 인한 내부에서의 냉각 효과를 반영하지 못하였기 때문으로 판단된다. 앞서 BIPVT 시스템의 발전량 및 발전 효율이 BIPV 시스템과 비교해 개선되었다는 것을 확인하였기에 추후 확실한 냉각 효과의 증명을 위해 실내 측(패널 후면)의 온도에 대한 검증이 필요하다.
이번 연구에선 두 시스템의 실험 모델에 동일한 사양의 PV 모듈을 부착하여 실험을 진행하는 것으로 비교의 공정성을 확보하고자 하였다. 그러나 개별 모듈 간 미세한 성능 편차가 결과에 미칠 영향을 고려하지 못하였으므로 초기 조건 확인을 위해 향후 진행될 연구에 앞서 동일한 조건에서의 PV 성능 비교를 수행해야 할 필요가 있다.
향후 진행될 연구에서는 이번에 제안한 BIPVT 시스템의 실험 모델을 실제 구조물에 적용하였을 때, 다양한 조건에서의 연간 성능 평가를 하기 위해 시뮬레이션 및 실증 실험을 통한 검토가 필요하다. 또한 하나의 공간을 열 회수 장치로 활용하는 방안이 구조물에 적용될 경우 여름철 및 겨울철에 회수한 열에너지로부터 야기될 수 있는 다양한 현상(난방, 축열 효과)에 대처할 방안을 마련해야 할 필요성이 있다.
