Performance Evaluation of Air-Type PVT with Dual Channels and Semi-Circular Turbulence Promoters According to Air Mass Flow Rate

Byeong-hwa An; Seong-bhin Kim; Kwang-am Moon; Kwang-hwan Choi

doi:10.7836/kses.2024.44.6.065

Preview

Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 December 2024. 65-77
https://doi.org/10.7836/kses.2024.44.6.065

Performance Evaluation of Air-Type PVT with Dual Channels and Semi-Circular Turbulence Promoters According to Air Mass Flow Rate

이중 채널 및 반원형 난류 촉진체를 가진 공기식 PVT의 공기 유량에 따른 성능 평가

Byeong-hwa An¹

Seong-bhin Kim¹

Kwang-am Moon¹

Kwang-hwan Choi²^*

안 병화¹

김 성빈¹

문 광암¹

최 광환²^*

¹Dr. Candidate, Graduate School of Refrigeration and Air-Conditioning Engeneering, Pukyong National University

²Professor, Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engeneering, Pukyong National University

¹부경대학교 냉동공조공학과 대학원, 박사과정

²부경대학교 냉동공조공학과, 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution NonCommercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

A photovoltaic thermal collector (PVT) is a system that regulates the temperature of photovoltaic (PV) module cells by means of a certain fluid flowing underneath them, thereby preventing their electricity efficiency from decreasing. Through this process, the fluid abducting heat from the PV module cells can also produce useful thermal energy. However, air-type PVTs have lower thermal efficiency than those of other types owing to the low thermal conductivity of air; hence, to improve their performance, various methods, such as attaching turbulence promoters or adding air channels, have been proposed. The system proposed in this study was evaluated by applying three different mass flow conditions, i.e., 0.0455, 0.0899, and 0.1189 kg/s, under actual weather conditions. Results showed that both the thermal and electrical efficiencies improved with increasing airflow rate. The highest average overall efficiency, i.e., 84.8% at an airflow rate of 0.1189 kg/s, was achieved by considering the thermal and electricity efficiencies. As the airflow rate increased, the average overall efficiency improved by 44.5%, from a minimum of 58.7% to a maximum of 84.8%. Overall, the PVT system with the turbulence promoter and dual-channel structure improves the thermal and electricity efficiencies as the airflow increases.

Keywords

Photovoltaic thermal collector

Turbulence promoter

Dual channels

Air-type collector

Experiment

키워드

태양광열 집열기

난류 촉진체

이중 채널

공기식 집열기

실험

MAIN

1. 서 론
2. 실험 장비 및 실험 방법
2.1 실험 장비
2.2 실험 방법
2.3 데이터 분석
3. 결과 및 고찰
3.1 기상 조건
3.2 PVT 열성능
3.3 PVT 전기성능
3.4 PVT 총 효율
4. 결 론

기호 및 약어 설명

$A$ : Area (m²)

$C_{p}$ : Specific heat capacity (J/kg℃)

$G$ : Solar radiation (W/m²)

$I$ : Ampere (A)

$Q$ : Heat transfer rate (W)

$T$ : Temperature (℃)

$V$ : Voltage (V)

$W$ : Power (W)

$e$ : Height of semi-circular turbulence promoters (m)

$h$ : Height of air channel (m)

$\dot{m}$ : Mass flow rate (kg/s)

$p$ : Pitch of semi-circular turbulence promoters (m)

$e / h$ : Relative height of semi-circular turbulence promoters (m)

$p / e$ : Relative pitch of semi-circular turbulence promoters (m)

그리스 기호 설명

$α$ : Increase ratio of semicircular turbulence promoters (-)

$η$ : Efficiency (-)

하첨자 설명

$a i r$ : Air

$c$ : Collector

$e l$ : Electrical energy

$i n$ : Inlet

$o$ : Overall

$o u t$ : Outlet

$p v$ : Photovoltaic

$t h$ : Thermal energy

1. 서 론

기후 변화와 산업 발전으로 인해 에너지 수요가 급증함에 따라 에너지 효율성을 높이고 지속할 수 있는 에너지를 찾는 것이 중요해지고 있다. 이를 바탕으로 신재생에너지의 사용이 급증하고 있으며, 그 중의 설치가 쉽고 구조가 간단한 태양광(Photovoltaic, PV) 모듈이 널리 활용되고 있다. 그러나 PV는 약 10 ~ 20%의 낮은 태양 에너지 변환 효율을 보이며, PV 온도 상승에 따라 전기효율이 저하되는 문제를 가진다^1,2). 이러한 한계를 해결하기 위해 Wolf³⁾가 태양광열 집열기(Photovoltaic thermal collector, PVT)을 제안하였다.

PVT는 유체를 통해 PV를 냉각하여 전기효율 저하를 방지하면서, 회수된 열을 활용할 수 있는 이점을 가진다. PVT는 유체의 종류에 따라 액체식과 공기식으로 구분되며, 공기식 PVT는 상대적으로 제작 단가가 저렴하고 유지·보수가 용이하지만, 액체식에 비해 열효율이 낮다는 단점을 가진다. 이에 종래 연구^4,5)에서는 공기식 PVT의 성능을 향상시키기 위해 난류 촉진체를 부착하여 난류를 촉진하여 공기의 열전달 계수를 증가시키거나, 공기 채널을 추가하여 열 전달 면적을 증가시키는 방안이 제시되었다.

Yadav와 Bhagoria는 흡수판에 정삼각형⁶⁾과 정사각형⁷⁾ 형상을 가진 난류 촉진체를 부착하여 공기식 PVT의 2차원 전산 유체 해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 진행하였고, 상대 설치 간격, 상대 설치 높이, 그리고 공기 유량에 따른 열전달 및 마찰 저항의 영향을 분석하였다. 난류 촉진체의 높이가 증가할수록 유동 저항이 커지며, 동시에 열전달 성능이 향상된다는 결론을 도출하였다. Choi et al.⁸⁾는 삼각형 난류 촉진체를 적용한 단일 채널형 공기식 PVT를 실제 기상 조건에서 공기 질량 유량 조건에 따른 성능 평가를 수행하였다. 그 결과, PVT의 열효율과 총 에너지 효율은 공기 유량이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인하였다.

Kim et al.⁹⁾는 PVT 내 난류 촉진체의 형상에 따른 성능을 CFD 분석을 통해 평가하였다. 연구에서는 삼각형, 사각형, 반원형의 세 가지 난류 촉진체 형상에 대해 분석을 수행하였으며, 난류 촉진체 증가비에 따른 성능을 비교하였다. 분석 결과, 열전달 성능계수(Thermo-hydraulic performance, THP)를 기준으로 반원형, 삼각형, 사각형 순으로 성능이 높은 것으로 확인하였다. 이는 반원형 형상이 가장 효과적으로 난류를 유도하여 열전달을 촉진시키면서도 압력 강하를 상대적으로 적게 발생시키기 때문이다. Kim et al.¹⁰⁾는 PVT 내 반원형 난류 촉진체의 유동 조건과 난류 촉진체 형상 조건에 따른 성능을 CFD로 평가하였다. 연구를 통해 반원형 난류 촉진체의 유동 조건과 형상 조건이 열전달 및 압력 강하 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 기반으로 상관관계식을 제시하였다.

위 논문들에서 제시된 바와 같이 난류 촉진체를 설치함으로써 PVT의 성능이 향상됨을 확인하였다. 그러나, PVT의 성능을 증가시키는 다른 방안으로는 유체의 흐름을 변경하거나 추가적인 유로를 생성하는 방식 또한 존재한다. 공기가 상부 채널로 유입되어 하부 채널로 배출되는 이중 채널형 PVT의 성능을 평가한 이전 연구들이 존재한다^11,12,13). 연구 결과, 단일 채널 형태의 PVT에 비해 이중 채널 형태의 PVT가 열 성능이 더 우수함을 확인하였다.

선행 연구들은 PVT의 성능을 향상시키기 위해 난류 촉진체를 설치하거나 공기 유로를 추가하여 이중 채널 구조를 도입하는 연구가 각각 단독으로 수행되었으나, 이 두 가지 방안을 동시에 적용한 연구는 부족하였다. 최근, An et al.¹⁴⁾은 반원형 난류 촉진체를 적용한 단일 채널 PVT와 이중 채널 PVT의 성능을 실험적으로 평가하였다. 반원형 난류 촉진체의 적용을 통해 PVT 효율이 향상됨을 확인하였으며, 이중 채널 구조에서는 종합적인 성능이 우수함을 보고하였다. 그러나 PVT의 성능은 유량에 따라 크게 변하는 것으로 사전 연구 등을 통하여 확인되었지만, 이 연구에서는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 반원형 난류 촉진체와 이중 채널을 동시에 적용한 공기식 PVT를 대상으로 공기 유량을 변경하면서 열적 및 전기적 성능을 실험적으로 평가하고자 하였다.

2. 실험 장비 및 실험 방법

2.1 실험 장비

Fig. 1은 제작한 PVT 시스템의 개략도를 나타내었다. 해당 PVT 시스템은 PV 모듈, 반원형 난류 촉진체, 하부 공기 채널, 그리고 강화 유리로 형성된 상부 채널로 구성하였다. 반원형 난류 촉진체는 PV 모듈의 뒷면에 부착되어 하부 채널 내 공기의 난류를 유도함으로써 열전달 계수를 증가시키고, 이를 통해 PVT 시스템의 열전달 성능을 효과적으로 향상시키는 역할을 한다는 점이 선행 연구¹⁴⁾를 통해 확인되었다. 또한, 본 연구에서 사용된 PV 모듈의 후면에는 구리판을 적용하여 열전달 성능을 향상시키고자 하였다. 하부 공기 채널은 스테인리스 스틸 재질의 덕트를 사용하여 제작되었으며, 외부 공기와의 단열을 위해 10 mm 두께의 단열재를 외부에 부착하였다. 상부 채널을 형성하는 유리는 태양광 투과율이 높은 저철분 강화 유리를 사용하였다. 제작된 PVT 시스템의 PV모듈 성능은 Table 1에 요약되어 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F1.jpg

Fig. 1

Schematic of the dual channels PVT coupled with semi-circular turbulence promoters

Table 1

Specifications of PV in standard conditions

Parameters	Value
Module size (mm)	1900 × 993 × 9
Electrical efficiency (%)	18.0
Temperature coefficient (% / ℃)	-0.27
Maximum output power (W)	340
Output voltage at maximum power (V)	36.56
Output current at maximum power (A)	9.24

Fig. 2는 이중 채널 및 반원형 난류 촉진체가 적용된 PVT의 측면 개략도를 나타낸다. 본 연구에서 제작한 PVT의 전체 폭, 길이, 높이는 각각 1000 mm, 2000 mm, 200 mm로 설계되었다. 상부 및 하부 공기 채널의 높이는 각각 70 mm, 50 mm로 설정되었다. 난류 촉진체는 반원형 형상을 가지며, 높이(e) = 8 mm 및 설치 간격(p) = 141 mm의 기본값 조건은 선행 연구¹⁰⁾를 기반으로 설정하였다. 여기서 증가비(α)는 난류 촉진체의 높이(e)와 설치 간격(p)를 이전 열의 설치 조건에 비해 일정 비율만큼 증가시키는 것을 의미한다. 난류 촉진체의 형상 조건은 무차원화하여 상대 높이(e/h)와 상대 설치 간격(p/e)을 바탕으로 제작을 하였으며, Table 2에는 PVT 및 반원형 난류 촉진체의 형상 조건이 요약되어 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F2.jpg

Fig. 2

Side view of the dual channels PVT coupled with semi-circular turbulence promoters

Table 2

Geometric conditions of the PVT and semi-circular turbulence promoters

Parameters		Value
PVT	Width (mm)	1000
	Length (mm)	2000
	Total height (mm)	200
	Upper channel height (mm)	70
	Lower channel height (mm)	50
Turbulence promoters	α ( - )	1.11
	e/h ( - )	0.116
	p/e ( - )	17.94

2.2 실험 방법

Fig. 3에 제시된 바와 같이, 본 연구에서는 총 4대의 PVT 시스템을 설치하였다. 이 중 1대는 공기 유량 변화에 따른 PVT 성능을 평가하기 위한 목적으로 설치되었으며, 나머지 3대는 공기 난방 시스템의 구성 요소로 활용하기 위해 설치되었다. 실험 장치용 PVT 시스템은 3가지 공기 질량 유량 조건(0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s)에서 평가하고자 하였다.

실험 장치는 부경대학교 용당캠퍼스(위도 35°6.98', 경도 129°5.39')에 설치되었으며, PVT의 설치 각도는 21°로 설정하였다. 공기 유입은 외부 공기를 이용하였으며, 실험은 매일 10시 30분부터 14시 30분까지 총 4시간 동안 수행되었다. 각 유량 조건에 대한 PVT의 성능 평가는 유사한 기상 조건에서 3일간 진행되었다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F3.jpg

Fig. 3

Actual view of air type PVT

Fig. 4는 실험 장치에 부착된 측정 장비의 위치를 나타낸 개략도이다. 본 실험에서 PVT 시스템의 성능을 평가하기 위해 외기 공기 온도, PV 모듈 표면 온도, PVT 출구 공기 온도, 일사량, 그리고 PV 모듈에서 생성된 전기의 전압 및 전류 등을 측정하였다. PV 모듈의 동작 전압을 환경적 요인에 맞추어 최적화하고 시스템의 효율을 안정적으로 하기 위해 MPPT (Maximum Power Point Tracking)를 사용하였다. 각 측정 장비의 상세한 사양을 Table 3에 나열하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F4.jpg

Fig. 4

Schematic of the experimental setup and the measuring device locations

Table 3

Specification of the measuring devices

Device	Model	Range	Uncertainty
Pyranometer	MS-802	0 ~ 4000 W/m²	±2%
Thermocouple	T-type	-281 ~ 370℃	±1℃
Voltmeter	MT4Y-DV-43	0-50 V	±0.56%
Ampere meter	MT4Y-DA-43	0-5 A	±0.56%
Anemometer	Kanomax 6531-2G	0.01 ~ 9.99 m/s	±2%

2.3 데이터 분석

공기식 PVT의 열 성능을 평가하는 열효율은 아래 식(1)으로 구하였다.

(1)

η_{t h} = \frac{Q_{a i r}}{G A_{c}} = \frac{\dot{m} C_{p} (T_{o} - T_{i})}{G A_{c}}

공기식 PVT의 전기 성능을 평가하는 전기효율은 아래 식(2)으로 구하였다.

(2)

η_{e l} = \frac{W_{p v}}{G A_{c}} = \frac{I_{p v} V_{p v}}{G A_{c}}

공기식 PVT 종합적인 성능을 평가하는 총 효율은 열효율과 전기효율의 합이며, 아래 식(3)으로 구하였다.

(3)

η_{o} = \frac{W_{p v} + Q_{a i r}}{G A_{c}} = \frac{I_{p v} V_{p v} + {\dot{m}}_{a i r} C_{p} (T_{o} - T_{i})}{G A_{c}}

3. 결과 및 고찰

3.1 기상 조건

Fig. 5에는 세 번의 실험 동안 측정된 일사량과 외기 온도의 변화를 나타내었다. 첫 번째 실험에서는 공기 유량을 0.0455 kg/s로 설정하여 수행하였으며, 이때 일사량은 801.3 W에서 1061.9 W까지 변동하였고, 외기 온도는 25.7℃에서 27.6℃ 사이에서 측정되었다. 두 번째 실험에서는 공기 유량을 0.0899 kg/s로 설정하여 수행하였으며, 일사량은 793.7 W에서 1057.8 W까지, 외기 온도는 25.8℃에서 27.4℃까지 측정되었다. 마지막으로, 세 번째 실험에서는 공기 유량을 0.1189 kg/s로 설정하여 수행하였으며, 이때 일사량은 764.4 W에서 1077.2 W까지 변동하였고, 외기 온도는 25.8℃에서 28.7℃ 사이에서 측정되었다. 모든 실험은 유사한 기상 조건 하에서 공기 유량의 변화를 중심으로 수행되었으며, 이를 통해 공기 유량이 PVT 시스템의 열적 성능에 미치는 영향을 일관되게 분석하고자 하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F5.jpg

Fig. 5

Ambient temperature and solar radiation during test period

3.2 PVT 열성능

Fig. 6에서는 세 가지 공기 유량 조건(0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s)에 따른 PV 모듈의 표면 온도와 PVT 시스템의 입출구 공기 온도 차이를 나타내었다. PV 모듈의 표면 온도는 각각의 공기 유량 조건에서 58.5℃에서 67.6℃, 52.3℃에서 59.4℃, 45.1℃에서 52.9℃의 범위를 보였다. 세 가지 유량 조건 순서에 따라 평균 PV 모듈 표면 온도는 각각 65.1℃, 57.4℃, 50.5℃이다. 공기의 질량 유량이 증가함에 따라 PV 모듈의 온도가 감소하는 경향이 확인하였다. 이는 공기 질량 유량의 증가로 인해 강제 대류가 촉진되고, 이에 따라 열전달량이 증가했기 때문이다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F6.jpg

Fig. 6

PV surface temperature and inlet-outlet temperature difference by PVT according to air mass flow rate

또한, PVT 시스템의 공기의 입출구 온도차는 공기 유량 조건인 0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s에서 각각 15.1℃에서 19.9℃, 8.6℃에서 14.4℃, 6.5℃에서 12.9℃의 범위를 나타내었다. 운전 중 평균 입출구 공기 온도차는 공기 유량 조건에 따라 0.0455 kg/s에서 18.6℃, 0.0899 kg/s에서 12.6℃, 0.1189 kg/s에서 10.9℃로 측정되었다. 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 입출구 온도차는 최대 7.7℃까지 감소하였다. 일사량이 증가함에 따라 출구 공기 온도가 상승하다가, 일사량이 감소함에 따라 온도가 다시 감소하는 경향이 확인하였다. 또한, 공기 유량이 증가함에 따라 입출구 공기 온도차는 감소하였는데, 이는 공기의 유량이 증가함에 따라 열용량 또한 증가하게 되기 때문이다.

Fig. 7에서는 세 가지 공기 유량 조건(0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s)에 따른 PVT 시스템의 열획득량과 열효율을 나타내었다. 공기 유량 조건별 공기의 열획득량은 각각 0.0455 kg/s에서 680.57 W에서 899.2 W, 0.0899 kg/s에서 769.1 W에서 1281.7 W, 0.1189 kg/s에서 780.3 W에서 1559.7 W의 범위로 관찰되었다. 세 유량 조건에서의 평균 열획득량은 각각 839.3 W, 1118.9 W, 1310.2 W 이며, 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 열획득량이 최소 839.3 W에서 최대 1310.2 W로 56.1% 향상된 것으로 나타났다.

또한, 공기 유량 조건인 0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s에서의 열효율은 각각 42.5%에서 48.3%, 50.9%에서 68.6%, 53.7%에서 78.7%의 범위로 관찰되었다. 평균 열효율은 44.6%, 59.2%, 68.9%로 이며, 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 열효율이 최소 44.6%에서 최대 68.9%로 54.5% 향상됨을 확인하였다. 위 결과로부터 공기의 질량 유량이 증가할수록 평균 열획득량 및 열효율이 모두 증가하는 경향성을 확인할 수 있었다. 이는 공기 유량 증가에 따라 강제대류가 촉진되어 대류 열전달 계수가 증가하게 되고, 이로 인해 PV 모듈 표면과 공기 사이의 열교환량이 증가하기 때문이다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F7.jpg

Fig. 7

Heat gain and thermal efficiency of PVT according to air mass flow rate

3.3 PVT 전기성능

Fig. 8에서는 세 가지 공기 유량 조건(0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s)에 따른 PVT 시스템의 발전량과 전기효율을 나타내었다. 공기 유량 조건별 발전량은 각각 0.0455 kg/s에서 184.3 W에서 243.6 W, 0.0899 kg/s에서 187.7 W에서 257.9 W, 0.1189 kg/s에서 189.2 W에서 272.0 W의 범위를 보였다. 세 유량 조건에서의 평균 발전량은 각각 220.9 W, 232.6 W, 244.5 W 이며, 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 발전량이 최소 220.9 W에서 최대 244.5 W로 10.7% 향상된 것으로 나타났다.

또한, 공기 유량 조건인 0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s에서 전기 효율은 각각 12.9%에서 14.9%, 13.6%에서 15.6%, 14.0%에서 16.6%의 범위를 보였다. 평균 전기효율은 각각 14.1%, 14.8%, 15.8% 이며, 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 전기효율이 최소 14.1%에서 최대 15.8%로 12.1% 향상된 것을 확인하였다. 위 결과로부터 공기의 질량 유량이 증가할수록 평균 발전량 및 전기효율이 모두 증가하는 경향성이 확인되었으며, 이는 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 공기 유량의 증가에 따라 PV 온도가 감소하고, 그 결과 PV의 발전 성능이 향상되는 것으로 판단된다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F8.jpg

Fig. 8

Power generation and electrical efficiency of PVT according to air mass flow rate

3.4 PVT 총 효율

Fig. 9에는 세 가지 공기 유량 조건에 따른 PVT 시스템의 총 효율을 나타내었다. 공기 유량 조건인 0.0455 kg/s, 0.0899 kg/s, 0.1189 kg/s에서의 평균 총 효율은 각각 58.7%, 74.0%, 84.8%로 나타났다. 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 총 효율이 58.7%에서 84.8%로 최대 44.5% 향상된 것으로 나타났다.

또한, 본 연구에서 제작된 시스템과 동일한 시스템 구성을 가진 사전연구¹⁴⁾의 실험 데이터와 비교하여 난류 촉진체의 부착으로 인한 PVT의 성능 또한 비교하였다. 사전연구에서 동일한 유속조건인 0.0899 kg/s에서 난류 촉진체를 적용하지 않은 이중 채널 PVT 시스템의 평균 총 효율은 62.9% 였다. 이는 본 연구에서 제시된 PVT와 성능을 비교할 시 난류촉진체의 부착으로 인해 약 17.65% 의 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 공기 유량이 증가함에 따라 열 효율이 향상되고, PV 모듈의 표면을 효과적으로 냉각함으로써 전기 효율 또한 증가하여 총 효율이 향상된 것으로 평가할 수 있다. 이러한 결과는 난류 촉진체와 이중 채널 구조의 결합이 난류를 촉진시키고, 열 전달 계수를 높임으로써 PVT 시스템의 전반적인 에너지 효율성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kses/2024-044-06/N0600440606/images/kses_2024_446_65_F9.jpg

Fig. 9

Overall efficiency of PVT according to air mass flow rate

4. 결 론

본 연구에서는 이중 채널 및 반원형 난류 촉진체를 적용한 공기식 PVT 시스템을 설치하여 공기 유량 조건에 따른 전기성능 및 열성능을 실제 기상 조건에서 실험적으로 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 공기 유량이 증가함에 따라 PV 모듈의 온도가 유의하게 감소하였으며, 이는 PV 모듈의 열 관리가 향상되어 전기 변환 효율이 증가함을 확인할 수 있었다. 특히, 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 PV 온도는 최대 14.6℃ 감소하였고, 이에 따른 전기 효율은 최대 12.1% 향상되었다.

(2) 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라, 평균 PVT 입출구 온도차는 최대 7.7℃ 감소하였으나, 공기가 단위 시간당 운반할 수 있는 열량이 증가함에 따라 평균 열 효율이 최소 44.6%에서 최대 54.5% 향상되었다.

(3) 공기 유량이 0.0455 kg/s에서 0.1189 kg/s로 증가함에 따라 평균 총 효율은 약 58.7%에서 84.8%로 최대 44.5% 향상되었다. 또한, 사전연구의 데이터를 바탕으로, PVT에 난류 촉진체를 적용한 경우 62.9%에서 74.0%로 약 17.65%의 향상을 보였다.

본 연구는 PVT 시스템에서 공기 유량의 최적화가 에너지 효율성 향상에 중요한 역할을 한다는 점을 시사한다. 향후 PVT 시스템의 운영 전략을 수립할 때, 최적화된 공기 유량 관리와 구조적 개선을 통해 시스템의 에너지 효율성을 더욱 높일 수 있을 것이며, 이를 통해 지속 가능한 에너지 공급에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

Acknowledgements

본 논문은 안병화의 2024년도 박사 학위논문에서 발췌 하였으며, 부경대학교 자율창의학술연구비(2023년)에 의하여 연구되었음.

References

Piliougine, M., Oukaja, A., Sidrach-de-Cardona, M., Spagnuolo, G., Temperature Coefficients of Degraded Crystalline Silicon Photovoltaic Modules at Outdoor Conditions, Prog. Photovoltaics Res. Appl., Vol. 29, pp. 558-570, 2021. https://doi.org/10.1002/pip.3396.

10.1002/pip.3396

Cui, Y., Zhu, J., Zhang, F., Shao, Y., and Xue, Y., Current Status and Future Development of Hybrid PV/T System with PCM Module: 4E (Energy, Exergy, Economic And Nvironmental) Assessments, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 158, 112147, 2022. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112147.

10.1016/j.rser.2022.112147

Wolf, M., Performance Analyses of Combined Heating and Photovoltaic Power Systems for Residences, Energy Convers. Manag., Vol. 16, No. 1-2, pp. 79-90, 1976. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/0013-7480(76)90018-8.

10.1016/0013-7480(76)90018-8

Kim, S. M., Kim, J. H., and Kim, J. T., An Experimental Study on Thermal and Electrical Performance of an Air-type PVT Collector, J. Korean Sol. Energy Soc., Vol. 39, No. 2, pp. 22-33, 2019. https://doi.org/10.7836/kses.2019.39.2.023.

10.7836/kses.2019.39.2.023

Kim, K. H. and Choi, Y. J., Seasonal Analysis of Solar Energy Utilization Effect of Air-based PVT System by Comparing with Photovoltaic System, J. Korean Sol. Energy Soc., Vol. 42, No. 4, pp. 69-78, 2022. https://doi.org/10.7836/kses.2022.42.4.069.

10.7836/kses.2022.42.4.069

Yadav, A. S. and Bhagoria, J. L., A CFD Based Thermo-Hydraulic Performance Analysis of an Artificially Roughened Solar Air Heater Having Equilateral Triangular Sectioned Rib Roughness on the Absorber Plate, Int. J. Heat Mass Transf., Vol. 70, pp. 1016-1039, 2014. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.074.

10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.074

Yadav, A. S. and Bhagoria, J. L., A Numerical Investigation of Square Sectioned Transverse Rib Roughened Solar Air Heater, Int. J. Therm. Sci., Vol. 79, pp. 111-131, 2014. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.01.008.

10.1016/j.ijthermalsci.2014.01.008

Choi, H. U. and Choi, K. H., Performance Evaluation of PVT Air Collector Coupled with a Triangular Block in Actual Climate Conditions in Korea, Energies, Vol. 15, No. 11, 4150, 2022. https://doi.org/10.3390/en15114150.

10.3390/en15114150

Kim, S., Kim, J., An, B., Kim, Y., Son, C., Yoon, J., and Choi, K., Heat Transfer Performance and Pressure Drop Analysis According to Shape Conditions of Turbulent Promoters and Flow Conditions in Air-Type PV/T Collectors, J. Korean Sol. Energy Soc., Vol. 42, No. 1, pp. 87-101, 2022. https://doi.org/10.7836/kses.2022.42.1.087.

10.7836/kses.2022.42.1.087

Kim, J., Kim, S., An, B., Choi, H., and Choi, K., Evaluation of Heat Transfer Performance Depending on Semicircular Turbulence Promoter Shape Conditions and Flow Conditions in the Air-Type PV/T Collector, J. Korean Sol. Energy Soc. Vol. 42 No. 3, pp. 47-61, 2022. https://doi.org/10.7836/kses.2022.42.3.047.

10.7836/kses.2022.42.3.047

Sopian, K., Yigit, K. S., Liu, H. T., Kakaç, S., and Veziroglu, T. N., Performance Analysis of Photovoltaic Thermal Air Heaters, Energy Convers. Manag., Vol. 37, No. 11, pp. 1657-1670, 1996. https://doi.org/10.1016/0196-8904(96)00010-6.

10.1016/0196-8904(96)00010-6

Raman, V. and Centre, G. N. T., A Comparison Study of Energy and Exergy Performance of a Hybrid Photovoltaic Double-Pass and Single-Pass Air Collector, Int. J. Energy Res., Vol. 33, pp. 605-617, 2009. https://doi.org/10.1002/er.1494.

10.1002/er.1494

Kumar, R. and Rosen, M. A., Performance Evaluation of a Double Pass PV/T Solar Air Heater with and without Fins, Appl. Therm. Eng., Vol. 31, No. 8-9, pp. 1402-1410, 2011. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.12.037.

10.1016/j.applthermaleng.2010.12.037

An, B. H., Kim, S. B., Choi, H. U., and Choi, K. H., Performance Evaluation of Air-Based Photovoltaic Thermal Collector Integrated with Dual Duct and Semicircular Turbulator in Actual Climate Conditions, Energies, Vol. 17, No. 11, 2752, 2024. https://doi.org/10.3390/en17112752.

10.3390/en17112752

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

Preview

Performance Evaluation of Air-Type PVT with Dual Channels and Semi-Circular Turbulence Promoters According to Air Mass Flow Rate

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Schematic of the dual channels PVT coupled with semi-circular turbulence promoters

Table 1

Specifications of PV in standard conditions

Fig. 2

Side view of the dual channels PVT coupled with semi-circular turbulence promoters

Table 2

Geometric conditions of the PVT and semi-circular turbulence promoters

Fig. 3

Actual view of air type PVT

Fig. 4

Schematic of the experimental setup and the measuring device locations

Table 3

Specification of the measuring devices

(1)

(2)

(3)

Fig. 5

Ambient temperature and solar radiation during test period

Fig. 6

PV surface temperature and inlet-outlet temperature difference by PVT according to air mass flow rate

Fig. 7

Heat gain and thermal efficiency of PVT according to air mass flow rate

Fig. 8

Power generation and electrical efficiency of PVT according to air mass flow rate

Fig. 9

Overall efficiency of PVT according to air mass flow rate

Acknowledgements

References