기호 및 약어 설명

a1 : 집열기 1차 열손실계수[W/m²K]

a2 : 집열기 2차 열손실계수[W/m²K²]

A : 집열기 전면적[m²]

b0 : 1차 입사각 수정계수[-]

b1 : 2차 입사각 수정계수[-]

Tin : 집열기 입구 온도[K]

Tout : 집열기 출구 온도[K]

Ta : 외기온[K]

Tm : 집열기 입․출구 평균온도[K]

V˙ : 체적유량[m³/s]

θ : 입사각[°]

θl : 이중 진공관형 집열기 종축 입사각[°]

θt : 이중 진공관형 집열기 횡축 입사각[°]

η0 : 집열기 무손실효율[-]

1. 서 론

국내 태양열시스템의 용도별 보급현황¹⁾을 살펴보면 급탕 및 난방이 대부분을 차지하고 있으며 산업공정열과 같은 중․고온 분야는 전무한 상태로, 이에 적용되는 태양열집열기는 액체식 평판형 집열기와 진공관형 집열기로 한정되어 있다. 일반적으로 평판형의 경우 구조가 간단하고 유지보수가 용이하며, 비교적 저렴한 제작단가로 대규모 설치에도 적합한 반면, 진공관형은 상대적 경량구조에 효율이 높고 단열성능이 뛰어나나 과열 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 2021년 기준 국내 누적 총 집열기 설치면적은 1,932천 m²로, 이 가운데 평판형 집열기가 1,486천 m²로 77%의 높은 비중을 보이고 있으나, 2014년 이후 2021년까지 신규 설치되는 집열기는 진공관형이 62%를 차지하고 있다. 이와 같은 보급추세의 변화는 거의 동일한 용도의 태양열시스템 보급이 지속적인 유럽지역에서 평판형 집열기가 시장 지배적인 점과 비교할 때 상당히 다른 양상으로 인식된다. 유럽에서 2021년 설치된 신규 태양열 집열기 5,808천 m² 중 72.4%가 평판형인 것으로 나타났다^2,3). 태양열시스템 설계 단계에서 매우 상이한 두 유형 집열기의 성능특성이 고려되어야 하나, 태양열 집열기의 적합성 판단을 할 수 있는 구체적인 국내 성능 기준이나 지침 등은 제시되지 않고 있다.

태양열집열기의 열성능 특성에 관련한 국내 연구 동향을 살펴보면, Yoon and Kim (2005)⁴⁾은 1.2 m²의 이중진공관형 태양열집열기와 138 liter의 축열조로 구성된 성능시험 장치를 대상으로 2003년 9월 4일부터 43일 동안 실험을 실시하였다. 실제운전 조건에서 집열기의 순간 집열효율은 50 ∼ 63% 범위로 평균 집열효율은 57%로 나타났다. 이어 Kim et al. (2007)⁵⁾은 평판형 집열기 12개 모델 및 단일 진공관형 집열기 3개 모델, 이중 진공관형 집열기 4개 모델에 대한 KS 성능시험 결과를 투과면적 기준으로 제시하였다. 다양한 시험조건을 통해 저온영역에서는 평판형 집열기의 효율이 우수하지만, 고온영역으로 갈수록 진공관형 집열기의 효율이 높은 것으로 나타났다. 한편 Kim et al. (2010)⁶⁾은 2 m²의 평판형 집열기로 구성된 태양열 실험장치를 대상으로 30일간 외기조건에서 집열 및 효율특성을 파악하였다. 그 결과 1,000 W/m²의 일사에서 평균 집열량은 8.37 kJ/m²min로 나타났으며, 일평균 단위면적당 생산열량은 1.74 kWh/m²로 분석되었다. 또한 Kim et al. (2014)⁷⁾은 평판형 집열기의 연간 성능특성을 시뮬레이션 연구를 통하여 제시하였다. 2013년도 서울지역의 기상자료를 기반으로 해석한 결과 하루 평균 집열 효율은 10월이 37.5%로 가장 높고 7월이 10.6%로 가장 낮았으며, 이에 따른 일 평균 집열량은 3.6 MJ와 0.5 MJ로 각각 나타났다. 상기와 같이 평판형 및 진공관형 집열기의 성능특성에 대한 연구가 개별적으로 수행되었으나, 정확한 시스템 사양 및 부하조건이 부재한 상태에서 특정 시험조건에 한정되거나 단기 성능분석에 국한되어 정확한 열성능을 파악하기 어려운 실정이다. 이에 따라 평판형과 진공관형 집열기의 시스템 성능을 비교할 수 있는 구체적인 실증결과는 전무한 상태이다.

따라서 본 연구에서는 집열기의 적합성 판별 실증자료를 확보하기 위한 일환으로 동일한 시험조건에서 두 집열기의 동적거동과 열성능 특성을 분석하였다. 실증대상은 만감류 재배 온실에 설치된 태양열 난방시스템으로 여기에는 평판형 집열기와 진공관형 집열기가 동시에 적용되었으며, 원격 모니터링 시스템 구축을 통해 장기간의 실증자료를 확보하였다.

2. 태양열 집열기 성능

2.1 순간효율

KS B 8295⁸⁾에 따른 액체식 태양열집열기(평판형, 진공관형, 고정집광형)의 순간 효율, η를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

식(1)에 따른 집열기의 순간 출력, Q˙는 다음과 같다.

2.2 입사각 수정인자

입사각 수정인자(Incident angle modifier, IAM), K(θ)는 법선면으로 입사되는 일사강도 대비 투과체를 실제로 투과하는 일사강도의 비를 의미하며, 입사각, θ에 따라 증가하는 유리 투과체의 반사에 주로 기인한다. 따라서 투과체로 실제 투과되는 일사, GT는 다음 식(3)과 같다.

평판형 집열기에 대한 일사 성분별 입사각 수정인자는 식(4)와 같이 주어진다.

Fig. 1과 같이 진공관형 집열기의 입사각 수정인자는 종축(Longitudinal) 및 횡축(Transverse) 입사각, θl와 θt에 대한 입사각 수정인자의 곱으로 식(5)와 같이 주어진다⁹⁾.

Fig. 1.

Incident angle modifier for evacuated tube collector from Theunissen and Beckman (1985)¹⁰⁾

3. 실증시스템

3.1 태양열 난방시스템

본 연구에서는 포항지역 만감류 재배 온실에 적용된 태양열난방시스템을 대상으로 태양열집열기 어레이의 동적거동 및 열성능을 실시간 분석하였다. Fig. 2는 온실의 전경을 나타낸 것이다. 온실 면적은 총 3,855 m²로 만감류(한라봉 및 망고)를 재배하고 있으며, 1중 폴리에틸렌 필름의 외피를 갖는 반 밀폐형 구조로 동절기 열손실을 줄이기 위하여 온실 내부의 상부와 측면에 개폐 가능한 단열커튼이 설치되어있다.

Fig. 2.

Greenhouse view

주변 차폐물에 의해 음영이 발생하지 않는 온실의 기계실 지붕에 방위각 56°에 45°의 경사각으로 평판형 집열기 54매(전면적기준 총 설치면적 108 m²)와 이중진공관형 집열기는 42매(전면적기준 총 설치면적 96 m²)가 각각 설치되었다.

Fig. 3은 실증모델의 태양열시스템 계통도와 여기에 설치된 측정센서 및 그 위치를 표시한 것이다. 평판형 집열기와 진공관형 집열기가 350 m³의 계간축열조(Seasonal storage tank)와 100 m³의 버퍼탱크(Buffer tank)에 각각 연결되었다. 난방공급이 이루어지는 동절기에는 집열라인 별로 독립 운전되며 비 동절기에는 평판형에 의해 예열된 열매체가 진공관형에 의해 승온되어 계간축열조에 저장된다.

한편 각 집열라인에 4개의 열매체 온도센서와 2개의 유량계가 열교환기 고온 및 저온측 배관라인에 설치되었으며, 외기온 및 습도 측정을 위한 백엽상과 2개의 일사계를 일사가 차폐되지 않는 집열기 주변에 배치하였다. 본 연구에서는 엣지 컴퓨팅 (Edge computing)방식으로 데이터 서버를 구축하고, 장치 및 센서 노드(Node) 통합과 데이터베이스(Database)에 연계가 가능한 오픈소스 플랫폼 openHAB (Open Home Automation Bus)¹¹⁾을 사용하여 원격 모니터링시스템을 설계하였다.

모니터링 데이터를 기반으로 한 실측 집열량, Q˙m은 식(6)과 같이 계산되며,

집열기의 성능지표로서 실측 순간효율, ηm는 식(7)과 같다.

Fig. 3.

System schematic and experimental setup

본 연구에서는 인증효율 대비 실측 순간효율의 차이를 입사각 손실율(Incident angle loss rate), γ로 식(8)과 같이 정의하였다.

한편 외기에 노출된 집열라인의 열매체는 동파를 방지하기 위해 물과 프로필렌글리콜(Propylene glycol)이 6 : 4로 혼합된 부동액으로 온도에 따른 밀도, ρ와 비열, Cp은 식(9)와 식(10)으로 각각 추정할 수 있다¹²⁾.

3.2 태양열 집열기

온실에 적용된 집열기는 국내 인증제품으로 전면적 기준 각 집열기의 효율은 Table 1과 같으며, Fig. 4는 이를 효율곡선으로 나타낸 것이다. 두 집열기의 효율곡선이 교차하는 (Tm-Ta)/G=0.08을 기준으로 상대적 저온 작동영역(Field of low temperature operation)과 고온 작동영역(Field of high temperature operation)을 구분할 때¹³⁾, 두 집열기의 상이한 열적 성능을 확인할 수 있다. 저온영역의 경우 평판형이, 고온영역에서는 진공관형이 높은 효율을 보이고 있다. 한편 인증 성능품질 기준에 따른 집열량(판정기준: 1일 일사량 21 MJ/m²과 작동온도: 30℃ 조건에서 전면적 기준 집열량 7.647 MJ/m² 이상)을 살펴보면 진공관형이 10.16 MJ/m²day로 평판형의 8.61 MJ/m²day에 비해 18% 이상 많은 것으로 나타났다.

Fig. 5는 평판형 및 진공관형 집열기의 입사각 수정인자를 나타낸 것이다. 평판형 집열기나 진공관형 집열기의 종축 성분은 입사각 증가에 따라 입사각 수정인자가 감소하나, 횡축 성분은 일부 영역(20 ~ 70°)에서 커지는 것을 알 수 있다.

Fig. 4.

Solar collector efficiency curves

Fig. 5.

Incident angle modifier

4. 태양열시스템 동적 거동 및 열성능 분석

본 연구에서는 2023년 1월부터 12월까지 1분 간격의 모니터링 시스템을 통해 확보된 실측자료를 기반으로 집열기의 동적거동 및 열성능을 분석하였다. 여기서 계간축열이 이루어지는 비 난방기간은 6월 5일부터 12월 20일까지이며 나머지 기간은 난방모드로 설정되었다.

Figs. 6과 7은 난방공급이 이루어지는 2023년 1월 10일부터 1월 29일까지 20일간의 평판형 집열기와 진공관 집열기의 분별 순간효율을 표시한 것이다. 평판형 집열기의 경우 0.033 ~ 0.066의 저온 작동영역(Operating range)에서 순간효율은 50 ~ 20%까지 분포하고 있다. 모든 영역에서 인증효율(Certification efficiency)에 비해 낮은 효율이 지속되었으며, 이는 입사각 수정인자에 따른 실질 투과 일사가 저하되기 때문이다¹⁴⁾. 이와 같은 입사각 손실(Incident angle loss)은 (Tm-Ta)/G이 커질수록 점차 증가하고 있다. 이 기간 인증효율 대비 평균 입사각 손실율은 31.2%로 이에 따른 평균 순간효율은 40.9%로 나타났다. 진공관형의 작동은 저온 영역 내에서 0.026 ~ 0.064로 다소 확대된 상태에서 평판형과 매우 상이한 동적거동을 보이고 있다. 동일 작동조건((Tm-Ta)/G)에서 인증효율에 비해 높고 낮은 효율구간이 구분되며, 이는 전술한 진공관의 횡축 입사각 수정인자의 증가(Incident angle gain)에 기인하기 때문이다. 진공관 집열기의 평균 입사각 손실율은 17.0%로 평판형에 비해 감소하였으나, 평균 순간효율은 34.9%로 이에 비해 15% 낮게 분석되었다.

Fig. 6.

Instantaneous efficiency of flat plate collector in Winter

Fig. 7.

Instantaneous efficiency of evacuated tube collector in Winter

Fig. 8은 동일 기간의 집열기 단위면적당 일별 집열량을 비교한 것이다. 기상조건이 양호한 14일간의 평판형 집열기 일별 평균 집열량은 2.16 kWh/m²로 진공관형의 1.78 kWh/m²에 비해 21.2% 높았다.

Fig. 8.

Daily solar heat gain of collectors in Winter

Figs. 9와 10은 계간축열이 이루어지는 2023년 7월 14일부터 8월 2일까지 20일간의 평판형 및 진공관 집열기의 분별 순간효율을 표시한 것이다. 하절기의 평판형 집열기의 작동은 0.024 ~ 0.055로 저온측으로 조금 더 이동하였으며, 동일 작동조건에서 확산된 형태의 순간효율을 보이고 있다. 이 기간 평균 입사각 손실율은 26.1%로 동절기에 비해 감소되었고, 평균 순간효율은 46.0%로 12.5% 높았다. 평판형 집열라인에 의해 예열된 열매체가 유입되는 진공관형의 작동은 0.031 ~ 0.062로 고온측으로 이동하였으나, 여전히 저온영역에서 작동하였다. 고온측으로 이동할수록 인증효율 보다 높은 순간효율의 발생 빈도수가 더욱 증가된 상태로. 평균 입사각 손실율은 9.5%로 크게 감소하였으며 평균 순간효율은 37.1%로 나타났다.

Fig. 9.

Instantaneous efficiency of flat plate collector in summer

Fig. 10.

Instantaneous efficiency of evacuated tube collector in summer

Fig. 11은 동일 기간의 일별 집열량을 비교한 것이다. 기상조건이 양호한 18일간의 평판형 집열기 일별 평균 집열량은 2.40 kWh/m²로 진공관형의 1.92 kWh/m²에 비해 24.8% 높았다.

Fig. 12는 연간 평균효율과 월별 집열량을 비교한 것이다. 모든 기간 평판형 집열기의 평균효율과 집열량이 진공관형에 비해 높고 많은 것을 알 수 있으며, 이는 본 태양열 난방시스템의 작동이 저온영역에 한정된 것을 의미한다. 4월 평판형 및 진공관형의 집열량은 각각 60.4 kWh/m²와 48.9 kWh/m² 가장 많았으며, 가장 적은 2월이 26.0 kWh/m²와 23.1 kWh/m²로 나타났다. 연간 총 집열량은 평판형이 542.0 kWh/m²로 진공관형의 451.9 kWh/m²에 비해 약 20% 높았으며, 연 평균효율은 각각 41.7%와 35.8%를 기록하였다.

Fig. 11.

Daily solar heat gain of collectors in Summer

Fig. 12.

Monthly solar heat gain of collectors

5. 결 론

저온분야의 태양열 시스템 설계 과정에서 평판형이나 진공관형 집열기에 대한 열성능 측면의 적합성을 판단할 수 있는 국내 성능 기준이나 지침 등이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 포항지역 온실의 태양열 난방시스템에 동시에 적용된 두 유형 집열기의 장․단기 동적거동 및 성능특성을 비교․분석하였다. 1분 간격의 연간 측정자료를 기반으로 분석된 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 계간축열을 갖는 태양열 난방시스템의 연간 작동은 저온영역에 한정되었다.

(2) 진공관형 집열기의 인증효율 대비 입사각 손실 즉 효율 저하는 9.5 ~ 17.0%로 평판형 집열기의 26.1 ~ 31.2%에 비해 적게 발생하였으나, 평균 순간효율은 평판형이 높은 것으로 나타났다.

(3) 이에 따른 연간 총 집열량은 평판형 집열기가 542.0 kWh/m²로 진공관형의 451.9 kWh/m²에 비해 약 20% 높았으며, 연 평균효율은 각각 41.7%와 35.8%로 나타났다.

상기와 같이 인증 성능품질시험 결과(일일 집열량 기준)에도 불구하고 실증 열성능은 평판형 집열기가 진공관형 집열기에 비해 우수한 것으로 나타났다. 향후 태양열시스템 설계과정에서 작동영역에 따른 집열기 선정이 이루어져야 할 것으로 판단된다.