1. 서 론
2. 공기식 PVT 컬렉터 디자인 및 실험
2.1 공기식 PVT 컬렉터 디자인
2.2 공기식 PVT 컬렉터 실험방법
3. 실험결과 및 분석
3.1 열 특성
3.2 전기 특성
4. 결 론
1. 서 론
신재생 3020 이행계획으로 태양광발전분야의 용량 확대가 필요하며 설치면적 확보 측면에서 건물일체형 태양광발전(BIPV; Building-Integrated Photovoltaic) 시스템이 활성화되고 있다. BIPV 시스템은 태양에너지를 전기로 변환하여 에너지를 생산하는 건물 외피 기술이지만, 전기에너지를 생산하고 나머지 태양에너지는 열로 전달되어 BIPV 모듈 후면의 온도를 상승시키며, 전기효율을 감소시키는 문제가 발생한다. 반면 PVT (Photovoltaic Thermal) 컬렉터는 PV 모듈에서 전기를 생산하고 동시에 컬렉터 내 공기층으로 전달된 열을 이용하는 장치이다. 따라서 냉 · 난방 부하가 필요한 건물에서 PVT 시스템은 전기 및 열에너지를 모두 사용할 수 있으므로 기존 BIPV 시스템보다 설치면적 대비 태양에너지 이용률이 높다.
최근까지 연구된 공기식 PVT 컬렉터의 전기 효율과 열효율은 각각 9 ~ 12%, 40 ~ 60%로 분석되었고1), 컬렉터의 열 및 전기효율을 상승시키기 위해 수치해석 모델링이 수행되고 있으며 실내 · 외 실험을 통해 컬렉터 자체의 성능을 평가하는 연구가 수행되고 있다.
국내의 경우 Park et al.2)은 폐열회수 환기시스템과 연계하기 위해 환기 구조를 갖는 공기식 PVT 컬렉터를 시제작하여 옥외에서 성능 평가하였다. 240 m3/h의 유량에서 열효율은 22%, 전기효율은 16%로 나타났다. Choi et al.3)은 공기와 액체를 동시에 가열할 수 있는 복합형 컬렉터를 유량(0.0203 ~ 0.1262kg/s) 제어하여 옥외 실험하였으며, 이후 컬렉터의 출구 공기를 리턴 시켜 가열공기로 유입하는 시스템의 성능을 평가하였다4). Kim et al.5)은 개발한 공기식 PVT 컬렉터를 유량(100, 150, 200 m3/h) 조건을 달리하여 실험하였으며, 결과로 입 · 출구 온도 차 8℃, 전기효율 15.5%, 열효율 32.56%로 분석하였다. Kim et al.6)은 열 성능을 향상시키기 위해 베플을 적용한 새로운 공기식 PVT 컬렉터를 개발하고, 옥외에서 ISO 9806 시험표준에 근거하여 실험하였다. 실험 조건은 입구 유량(60, 100, 160, 200 m3/h)이며, 컬렉터의 열 및 전기효율은 37.99%, 16.21%로 확인되었다.
Suffa et al.7)는 다양한 종류의 PVT 시스템의 전기 및 열 성능에 영향을 미치는 매개 변수의 연구를 하였다. 매개 변수로는 PVT 컬렉터 내부를 순환하는 최적 유량, 흡열판의 유무, 공기층 두께로 설정하였으며, 특히 흡열판이 PVT 시스템의 열효율에 가장 영향을 미치는 것으로 분석되었다. Tomar et al.8)은 실외에서 팬의 유무와 PV 모듈의 종류에 따른 PVT 컬렉터의 계절별 성능을 측정하였으며, 수치해석과 실험의 결과 값을 비교분석하였다. Saygin et al.9)은 공기식 PVT 컬렉터의 높이에 따른 성능 실험을 진행하였으며, 높이가 낮을수록 열 성능이 높게 나타났다. Franklin et al.10)은 PV 모듈 후면의 핀의 유무에 따른 성능을 수치해석과 실험을 통해 분석하였다. 유량 조건은 0.181, 0.215, 0.232 kg/s로 설정하였고, 핀이 있는 컬렉터의 열 에너지가 최대 3배 증가, 전력 생산량은 7 ~ 25% 증가하였다. Fudholi et al.11)는 ∇형태의 흡열판이 적용된 컬렉터의 성능을 평가하였으며, 유량 조건을 0.0069 ~ 0.0491 kg/s로 달리하여 수치해석과 실험을 통해 엑서지 성능을 평가하였다. Delisle et al.12)은 새로 개발한 곡면형 베플이 적용된 공기식 PVT 컬렉터를 ISO 9806의 기준에 따라 실내외 성능평가를 진행했으며, 실외 실험에서 유량 조건은 55, 200, 350 kg/h로 변경하여 진행하였다. Jha et al.13)은 물결형태의 흡열판이 적용된 공기식 PVT 컬렉터의 성능평가를 실험을 통해 다양한 유량 조건(0.0047 ~ 0.0165 kg/s)에서 열효율과 엑서지 효율을 분석하였다. 이처럼 현재 다양한 유량 조건을 통한 공기식 PVT 컬렉터의 성능평가가 이뤄지고 있지만, 국내 · 외 공기식 PVT 컬렉터의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 표준은 없는 실정이다.
본 연구는 새로운 디자인의 타공형 베플판이 적용된 공기식 PVT 컬렉터의 열 성능평가를 위해 ISO 9806 Solar energy-Solar thermal collectors-Test methods의 열 성능 실험 조건(700 W/m2 이상의 일사량, 균등하게 분포한 3개의 유량 값)으로 옥외 실험하여 열 및 전기 성능 특성을 분석하였다. 공기층 내 적용되는 타공형 베플판은 사전에 열 성능을 향상시키기 위해 CFD 시뮬레이션 분석을 통해 최적 설계하였다. 따라서 본 연구는 옥외 실험을 통해 열 성능 실험을 진행하였으며, 동시에 전기 성능을 측정하였다. 또한, 컬렉터의 입구 유량, 일사 강도 그리고 PV 모듈 후면 온도에 따른 열 및 발전 특성을 분석하였다.
2. 공기식 PVT 컬렉터 디자인 및 실험
2.1 공기식 PVT 컬렉터 디자인
본 연구의 공기식 PVT 컬렉터는 G to B (Glass to Back-sheet) type PV 모듈, 공기층, 단열부로 구성되고, 사이즈는 1013 × 1672 × 32 mm이다(Fig. 1). PV 모듈은 60개의 단결정 셀이 전면의 유리와 투명 백시트 사이에 구성되어 있으며, 제작된 PV 모듈의 상세 규격은 Table 1과 같다. 컬렉터 내 공기는 하단의 입구를 통해 유입되어, 상단의 출구를 통해 배출된다. 컬렉터의 공기층은 PV 모듈과 후면 단열부 사이에 위치하며, 열 흡수와 베플의 역할을 하는 타공 된 흡열판이 있다. 흡열판(베플)은 공기층 내 유동에서 난류를 발생시키며, 열전달 성능을 높이기 위한 요소로 사용된다. 또한 흡열판을 타공함으로 PVT 컬렉터의 무게를 감소시킬 수 있는 장점이 있고, 흡열판의 타공된 형태로 인해 열 성능을 저하시키는 dead space와 압력강하를 적게 발생시켜 컬렉터 내 공기 흐름을 균일하게 할 수 있다.
Table 1.
이전 연구14)에서, 공기식 PVT 컬렉터의 열성능을 향상을 위해 타공된 흡열판 디자인에 대한 CFD 모델링 분석 연구가 수행되었다. 분석 결과, 타공된 흡열판은 베플의 절곡 각도 60°, 공기층 높이에 대한 베플의 높이 비 0.8, 베플판의 절곡된 상부 길이 280 mm, 흡열판 면적에 대한 타공된 개구율 34%로 최적 설계 되었으며 외기온도 5℃, 일사량 700 W/m2 조건에서 공기식 PVT 컬렉터의 열효율이 42.5% (506.7 Wth)로 가장 높은 성능을 나타냈다.
2.2 공기식 PVT 컬렉터 실험방법
공기식 PVT 컬렉터는 ISO 9806의 태양열 집열기 실험 표준에 기초하여 옥외성능평가가 수행되었다. PVT 컬렉터는 천안 소재 K대(36.85 N, 127.15 E) 건물 옥상에 설치되었고, 수평(0° ~ 160°)과 수직(15° ~ 90°)으로 조절이 가능한 2축 트래커에 설치되어, 법선 면으로 일사를 유입하도록 각도를 조정하여 실험하였다(Fig. 2). 공기식 PVT 컬렉터의 열 및 전기 성능을 평가하기 위하여 컬렉터의 입 · 출구 온도 및 유량, 전력량, PV모듈 후면 온도(10개), 일사량, 외기온도, 풍향 · 풍속이 측정되었다. 데이터 실측 기간은 ‘20년 4~5월’에 진행되었으며, ISO 980615)의 실험방법에 따라 공기식 PVT 컬렉터 경사면 일사 강도가 700 W/m2 이상과 균등한 간격의 3가지 컬렉터 입 · 출구 유량(100, 150, 200 m3/h)에서 측정하였다. 실험데이터는 입 · 출구 유량 및 온도, 외기온도가 정상상태일 때 10분 동안 수집 및 분석하였으며, 정상상태는 Table 2에 주어진 범위의 편차를 유지하는 조건으로 간주하였다.
Table 2.
3. 실험결과 및 분석
공기식 PVT 컬렉터의 성능 특성은 컬렉터의 100, 150, 200 m3/h의 입구 유량별 일사량에 따른 열 및 전기 효율로 분석되었다. 컬렉터 입구로 유입되는 유량과 PV 모듈에 입사되는 일사량은 공기식 PVT 컬렉터의 출구 온도에 영향을 미치고, 이에 따른 열 성능을 분석하였다. 또한 모듈 전면에 입사되는 일사량에 따라 모듈 후면 온도는 영향을 받고, 모듈 후면 온도 상승에 따른 전기 효율 저감을 포함한 전기 성능을 분석하였다. 실험 기간의 평균 외기온도는 24.78℃, 평균 풍속은 1.39 m/s, 일사량은 716 ~ 958 W/m2로 나타났다.
3.1 열 특성
공기식 PVT 컬렉터의 열 성능을 평가하는 열효율은 다음 식(1)15)과 같이 산정된다.
: 열효율, : 유효 획득 열량(W), : 공기식 PVT 면적(m2), : 일사량(W/m2), : 출구 유량(kg/h), : 출구 공기 비열(J/kg℃), : 출구 공기 온도(℃), : 입구 유량(kg/h), : 입구 공기 비열(J/kg℃), : 입구 공기 온도(℃), : 외기 비열(J/kg℃), : 외기온도(℃)
공기식 PVT 컬렉터의 열 특성은 일사량과 입구 유량에 따른 열효율과 입 · 출구 온도차를 통해 분석하였다. Fig. 3은 일사량에 따른 입구 유량 별 열효율을 분석한 그래프이며, 분석결과 일사량이 800 W/m2에서 950 W/m2으로 증가함에 따라 PVT 컬렉터의 평균 열효율은 유량 100 m3/h은 28.1%, 150 m3/h은 37.9%, 200 m3/h은 47%로 분석되었다. 또한 입구 유량이 100 m3/h에서 200 m3/h로 높을수록 열효율이 높았고, 일사량이 약 950 W/m2일 때 열효율은 유량 100 m3/h에서 34.7%, 150 m3/h에서 41.2%, 200 m3/h에서 49.9%로 분석되었다.
반면 입 · 출구 온도 상승폭은 입구 유량이 증가함에 따라 점점 작아지는 것으로 분석되었다(Fig. 4). 공기식 PVT 컬렉터 공기층 내 유량의 증가는 공기층 내 유속이 증가하게 되어 PV 모듈 후면과 공기층, 타공된 베플판에서 열전달 시간이 짧아지기 때문에, 컬렉터의 입 · 출구 온도 상승폭이 감소된다. 하지만 동일 유량에서 일사량이 증가할수록 온도 상승폭은 증가하는 것으로 나타났다. 입구 유량 100 m3/h일 때, 최소 9.79℃에서 최대 17.11℃로 나타났으며, 입구 유량이 증가할수록 일사량 별 최소 6% (850 W/m2)에서 최대 16% (950 W/m2)까지 감소되는 것으로 분석되었다.
3.2 전기 특성
공기식 PVT 컬렉터의 전기성능을 평가하는 전기 효율은 다음 식(3)16)과 같이 산정되며, 은 전기효율, 은 최대전류(A),은 최대전압(V), 은 최대전력(W)을 나타낸다.
Fig. 5는 일사량에 따른 PV 모듈의 전력과 PV 모듈 후면 온도를 분석한 그래프이다. 외기온도가 22.83℃ ~ 30.89℃일 때, 공기식 PVT 컬렉터는 일사량이 증가할수록 PV 모듈의 출력 전력은 217.33 Wp에서 262.53 Wp까지 증가하는 것으로 나타났다. 해당 외기 조건에서 PV 모듈 후면온도는 44.04℃ ~ 51.97℃로 나타났고, 일사량이 증가함에 따라 PVT 컬렉터의 입 · 출구 온도 상승폭은 증가하지만 PV 모듈 후면온도는 크게 증가하지 않는 추세로 나타났다. 이는 PV 모듈 후면과 공기층에서 유동으로 열전달이 발생하기 때문에, PV 모듈 후면에서 냉각효과가 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 공기식 PVT 컬렉터로 유입되는 일사에 의해 PV 모듈 후면 온도는 증가하지만 PV 모듈의 발전량의 감소가 완화될 수 있다는 장점이 있다.
Fig. 6은 PV 모듈 후면 온도에 따른 PVT 컬렉터의 전기효율을 나타낸 그래프이며, PV 모듈 온도가 상승함에 따라 전기효율은 감소하는 추세로 나타났다. PV 후면 온도가 42℃에서 58℃로 16℃증가할 때 PV 전기 효율은 16.74%에서 15.75%로 감소했다. 이는 해당 실험조건(평균 외기온도는 24.78℃, 일사량은 716 ~ 958 W/m2)에서 PV 모듈 1℃상승 시 전기효율은 0.381%씩 감소하는 것으로 분석되었다.
4. 결 론
본 연구는 타공된 베플판이 적용된 새로운 형태의 공기식 PVT 컬렉터를 제작하여, ISO 9806의 기준에 따른 옥외성능평가 실험을 수행하였다. 컬렉터의 입구 유량, 일사량 그리고 PV 모듈 후면 온도에 따른 공기식 PVT 컬렉터의 열 및 발전 특성을 분석하였다.
개발된 공기식 PVT 컬렉터는 일사량이 800 ~ 950 W/m2의 조건에서 컬렉터의 열효율은 유량 100 m3/h에서 평균 28.1%, 유량 200 m3/h에서 평균 47%로 나타났으며, 유량이 증가함에 따라 컬렉터 내부의 열매체 이동을 증가시켜 열효율은 40% 증가되었다. 입 · 출구 온도 차는 유량이 증가함에 따라 감소하는 추세로 나타났으며, 100 ~ 200 m3/h 유량으로 갈수록 일사량에 따른 입 · 출구 온도 차도 감소하는 것으로 확인되었다.
열 성능을 측정한 동시조건에서 일사량이 증가함에 따라 개발된 공기식 PVT 컬렉터의 전기효율은 16.06 ~ 16.55% (217.33 ~ 262.53 Wp)로 증가하였다. 하지만 공기층 유동에 의한 PV 모듈 후면의 냉각효과로 인해, 일사량이 증가함에도 불구하고 PV 모듈 후면 온도는 크게 상승하지 않는 것으로 확인되었다. 또한, 평균 외기온도 24.78℃, 일사량 716 ~ 958 W/m2의 시험 조건에서 모듈 후면 온도가 1℃ 상승할 때 –0.381%로 확인되었다.
따라서 새로운 형태의 타공 베플이 적용된 공기식 PVT 컬렉터는 외기온도와 일사량(950 W/m2)이 동일한 조건에서 유량 100 m3/h일 때 열효율과 전기효율은 각각 34.7%, 16.1%, 유량 200 m3/h일 때 각각 49.9%, 16.39%로 확인되었다.
따라서 공기식 PVT 컬렉터를 건물에 적용할 시 건물 난방 부하에 필요한 전력량, 열량(컬렉터의 출구 온도)을 파악하여 최적 유량을 설정하는 것이 필요하다.