기호 및 약어 설명

A : Area [m²]

Cf : Thermal equivalent coefficient

Cp : Specific heat at constant pressure [J/kg·℃]

G : Solar intensity [W/m²]

H : Height [mm]

I : Electric current [A]

L : Length [mm]

m˙ : Mass flow rate [kg/s]

P : Pitch [mm]

Q˙ : Thermal output [W]

t : Thickness [mm]

T : Temperature [℃]

V :Voltage [V]

W : Width [mm]

W˙ : Electrical output [W]

그리스 기호 설명

η : Efficiency [-]

하첨자 설명

f : Fin

in : Inlet

LA : Lower air channel

O : Obstacle

out : Outlet

PVT : Photovoltaic thermal

UA : Upper air channel

1. 서 론

환경 문제가 심화됨에 따라 재생에너지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이 중 태양광(PV) 시스템은 설치가 간편하고 비용 효율성이 높아 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 그러나 태양광 시스템은 태양 복사 에너지로 인해 패널 온도 상승이 발전 효율을 저하시키는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 제안된 시스템이 태양광열(PVT: Photovoltaic Thermal) 시스템이다. PVT 시스템은 공기 또는 물과 같은 유체를 이용해 모듈의 열을 제거함으로써 발전 효율을 향상시키고 유용한 열에너지를 생산하는 시스템이다. 이 중 공기를 이용한 PVT 시스템은 설치비가 저렴하고 유지 관리가 수월한 장점이 있으나, 열 성능이 낮다는 단점을 갖는다. 따라서 공기식 PVT 시스템의 열효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 현재까지 진행됐다.

열효율을 향상시키기 위한 유용한 방법 중 하나는 PVT 공기 채널에 핀 등을 활용하여 열전달 면적을 확장시키는 것이다. Kumar and Rosen (2011)¹⁾은 핀이 있는 더블 패스 PVT와 핀이 없는 더블 패스 PVT를 비교하고, 핀 설치로 열 및 발전 효율 모두 증가하는 것을 확인하였다. Hussain et al. (2013)²⁾은 단일 통로형 공기식 PVT 시스템에 Honeycomb 구조의 열전달 면적 증가 장치를 설치하고 실험을 통해 일반적인 PVT 시스템보다 더 높은 열효율을 얻을 수 있음을 확인했다. Mojumder et al. (2016)³⁾은 무창형(unglazed) 공기식 PVT 시스템에서 핀의 수, 풍량, 일사량의 변화에 따른 열 및 발전 성능을 실험적으로 분석하고 열효율 최대 56.19%, 발전 효율 최대 13.75%를 나타내었다고 보고하였다. 이 외에도 핀 설치 개수 변화에 따른 열 및 전기 성능⁴⁾, 루버형 핀 적용에 따른 성능 평가 등 다양한 연구가 진행됐다⁵⁾.

열효율 향상을 위한 다른 방법은 전열면에서 열전달계수를 향상시키는 방식이다. Kim et al. (2019)⁶⁾은 곡면 형태의 열 흡수판을 일정 간격으로 배치한 PVT 시스템을 제안하고, 여러 풍량조건에 대해 실험을 수행하여 제안된 구조에서 약 26 ~45%의 열효율을 얻을 수 있다고 보고하였다. Kim et al. (2020)⁷⁾은 PVT 내 배플을 설치하고, 배플의 길이와 각도가 PVT 성능에 미치는 영향을 분석하여 최적 조건을 제시하였다. Nghana et al. (2023)⁸⁾은 건물 일체형 PVT 시스템의 공기 채널 내 열전달계수 향상을 위해 사각형, 삼각형, 원형, 반원형의 4가지 리브(Rib) 형상이 설치된 시스템의 수치모델을 제작하여 비교 분석하였고, 열 및 전기적 측면에서 삼각형 리브가 가장 우수하다고 보고하였다. Aspetakis et al. (2025)⁹⁾은 PVT 시스템의 냉각 효율 향상 위해 매끄러운 V-배플(Smooth V-baffles)을 적용하고, 이를 수치적, 실험적으로 분석하였다. 결과적으로, 제안한 배플을 적용하면 기존 직선형 배플보다 최대 22% 높은 성능을 얻을 수 있다고 보고하였다.

이 외에도, 공기 유로 형상 변경 역시 성능 개선에 효과적인 방법이 될 수 있다. Amori and Abd-AIRaheem (2014)¹⁰⁾는 PVT에서 공기가 PV 하부만 유동하는 경우, 상부를 지나 하부로 유동하여 취출되는 경우, 상하부 동시에 공기가 유입되어 유출되는 경우를 비교하고, PV 상하부에 공기가 동시에 유입되어 다시 취출되는 SPDF (Single-Pass Double-Flow) 방식이 열효율과 전기 효율 모두에서 가장 우수하다고 보고하였다.

종래 연구를 통해 PVT 시스템의 열전달 성능 향상은 핀을 통한 열전달 면적 확장 혹은 배플·리브 등 저항체를 이용한 열전달계수 증가, 공기 유로 변경 등을 통해 얻어질 수 있음을 확인할 수 있다. 하지만 대부분의 연구는 PV 하부에 열전달 면적 확장이나 열전달계수 향상 방식 둘 중 하나를 적용하여 성능 평가를 수행하였다. 특히 성능이 우수하다고 보고된 SPDF 방식의 집열기에서 열전달 성능 향상 장치가 적용된 시스템의 성능에 관한 연구는 아직 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SPDF 방식의 공기 유로를 갖는 PVT 시스템에 열전달 면적 확장뿐만 아니라, 전열 표면에서의 열전달계수를 동시에 증진시킬 수 있도록 핀과 저항체를 함께 결합한 시스템을 제안하고, 실제 기상 조건에서 해당 시스템의 열 및 전기 생산 성능을 평가해 보고자 하였다. 또한, 팬 소모 동력을 고려한 순 에너지 획득량을 기반으로 제안한 시스템의 유용성을 검증하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

Fig. 1에는 본 연구에서 사용된 PVT 분해도의 개략도를 나타내었으며, 상부 유리, PV 패널, 핀과 저항체를 결합한 열전달 향상 장치, 단열재, 알루미늄 덕트로 구성되어 있다.

Fig. 1

Exploded schematic view of the proposed PVT

Fig. 2에는 PVT에 설치된 열전달 향상 장치를 좀 더 상세히 나타내었다. 해당 장치는 종방향의 핀과 정사각형 형상의 저항체가 합쳐진 구성으로 이루어져 있으며, PV 패널 밑에 설치되어 공기의 유로를 구성한다. 따라서 PV에 흡수된 열이 핀을 통해 전도되고, 핀 채널 내부를 유동하는 공기로 열이 전달되게 된다. 이때 저항체는 핀 표면에서 공기로의 열전달계수를 증가시키는 역할을 수행한다.

Fig. 2

Schematic of a heat transfer enhancement device

Fig. 3에는 PVT의 전면도와 측면도를 나타내었다. 전면도에서 확인할 수 있듯이, PV 패널 하부에 핀이 부착되어 있으며, 핀 사이에 정사각형 저항체가 결합되어 열전달 향상 장치가 구성된다. 또한 측면도에서 확인할 수 있듯이, 제안된 PVT는 유리와 PV 패널 사이의 상부 유로와 열전달 향상 장치를 갖는 PV 패널 하부 유로로 이루어진 이중 공기 유로 구조를 갖는다. 공기는 이중 유로를 단일 방향으로 통과하며 열을 획득하는 방식으로 구성되어 있다.

Fig. 3

(a) Front view and (b) Side view of a proposed PVT

PVT의 전체 치수는 길이(L_PVT) 1,670 mm, 폭(W_PVT) 980 mm, 높이(H_PVT) 145 mm이다. 내부 핀 채널과 저항체 형상은 종래 연구의 결과를 토대로 결정하였다¹¹⁾. 상부 공기 채널 높이(H_UA)는 30 mm, 하부 공기 채널 높이(H_UA) 39 mm이며, 설치 핀은 폭(W_f) 39 mm, 높이(H_f) 40 mm로 설계되었다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이, PV 패널 하부에는 총 23개의 L자형 핀이 설치되어 있으며, 이를 통해 22개의 공기 유로가 형성된다. 정사각형 저항체의 치수는 길이(L_O) 9 mm, 높이(H_O) 39 mm, 두께(T_O) 9 mm이고, 핀 채널마다 250 mm 간격(P_O)으로 6개가 설치되어 총 132개가 PVT에 설치되어 있다. Fig. 4에는 PVT에 설치된 열전달 향상 장치의 실제 모습을 나타내었다. 또한, Table 1에는 PVT 제작에 사용된 PV 패널의 사양을 나타내었고, Table 2에는 제안 PVT와 열전달 향상 장치의 치수를 좀 더 상세히 나타내었다.

Fig. 4

Actual view of fins and obstacles: (a) Fin combined with PV panel, (b) Proposed obstacles, (c) PV panel combined with fins and obstacles

2.2 실험 방법

Fig. 5에는 실제 실험 장치를 나타내었다. 장치는 전라남도 여수시 전남대학교 여수캠퍼스 1공학관 옥상(34° 46.6038'N, 127° 41.9976'E)에 설치되었으며, 송풍기에 의해 PVT의 전면부에서 외기가 유입되어 상하부 공기 유로를 지난 뒤, 덕트를 통해 취출된다.

Fig. 5

Actual view of experimental apparatus

Fig. 6에는 성능 평가를 위한 실험 장치와 데이터 측정 위치에 대한 개략도를 나타내었다. 유입 일사량은 PVT 실험 장치 상부에 설치된 일사계(MS-80)를 통해 측정하였고, 공기 입·출구 온도는 T-Type 열전대를 통해 측정하였다. PV 생산 전압 및 전류는 각각 전압계(MT4Y-DV-43)와 전류계(MT4Y-DA-43)를 사용하여 측정하였고, 송풍기 소모 동력은 전력계(PW3337)를 통해 측정하였다. 주변 풍속은 3컵 풍속계(ZTS-3000-FSJT-I20)를 통해 측정하였고, 모든 측정 데이터는 데이터 수집 장치(Agilent 34972A)에 저장하였다. 풍량은 대한설비공학회의 덕트풍량 측정 방법 표준(SAREK 표준 201-2013)¹²⁾을 참고하여 측정하였고, 풍속 측정에는 풍속계(TSI-9565-P-NB)가 사용되었다. 실험은 3가지 공기 풍량 조건에 대해 각기 다른 3일간 오전 9시부터 오후 4시까지 수행하였다. Table 3에는 실험 조건을 나타내었고, Table 4에는 측정에 사용된 계측기의 모델과 정확도를 나타내었다.

Fig. 6

Schematic of the experimental setup with data measuring points

2.3 성능 인자

본 연구에서는 PVT의 성능 평가를 위해 공기 풍량에 따른 열 획득량, 열효율, 발전량, 발전효율, 팬 소모 동력을 고려한 순에너지 효율을 비교 분석하였다. 이때, 열 획득량은 아래 식을 통해 구하였다.

열효율은 획득한 열량과 유입된 일사의 비로써 다음 식을 통해 구하였다.

발전량은 PVT에서 생성된 전압과 전류를 통해 산출되었으며, 식은 다음과 같다.

발전 효율은 PVT의 발전량과 PVT에 유입된 일사의 비로 다음 식을 통해 구하였다.

본 연구에서는 PVT의 유용성 평가를 위해 팬 소모 동력을 고려한 순에너지 효율을 분석하였다. 이때, 일반적으로 전기에너지가 열에너지에 비해 더 높은 품질을 가지므로 종래 연구를 참고하여 열효율, 순 전기생산량, 열 등가 계수를 함께 고려한 효율 값을 구하였으며, 이는 아래 식과 같다¹³⁾.

Cf는 열 등가 계수로 종래 문헌을 참고하여 0.38로 하였다¹⁴⁾.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 기상 조건

Fig. 7은 실험 시간 동안 측정된 일사량, 주변 온도 및 주변 풍속 값을 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 실험 기간 동안 일사량, 주변 온도 및 주변 풍속은 유사한 양상을 보였다. 또한, 풍량별로 일사량은 평균 795.07 W/m², 815.68 W/m², 814.20 W/m², 외기온도는 33.69℃, 31.59℃, 32.55℃, 주변 풍속은 1.81 m/s, 2.11 m/s, 2.03 m/s를 보여 유사한 환경에서 실험이 수행되었음을 알 수 있다.

Fig. 7

Variations of solar irradiation, ambient temperature, and wind speed for three experimental days

3.2 열성능

Fig. 8은 공기식 PVT 시스템의 출구 온도와 입·출구 온도차를 나타낸 것이다. 실험 결과, 출구 온도는 풍량 0.0227 kg/s, 0.0449 kg/s, 0.0732 kg/s일 때, 최대 60.49℃, 49.92℃, 44.82℃, 평균 54.96℃, 45.93℃, 41.78℃를 기록하였다. 입·출구 온도차는 풍량 순으로 최대 26.07℃, 17.93℃, 11.84℃, 평균값은 21.26℃, 14.34℃, 9.23℃로 확인되었다. 또한 실험 중 온도 변화 값은 일사가 낮은 오전, 오후에 낮은 값을 보였고, 일사가 가장 높은 정오경 가장 높은 값을 보이며 일사 변화 양상과 유사한 패턴을 나타내었고, 풍량에 따른 온도차 값의 경우 높은 풍량일수록 열용량률 증가로 인해 상대적으로 낮은 값을 나타내었다.

Fig. 8

Comparison of (a) Outlet temperature and (b) Temperature difference

Fig. 9은 실험 중 PVT의 열 획득량과 열효율을 나타낸 것이다. 실험 결과, 열 획득량은 풍량 증가에 따라 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 일반적으로 풍량 증가에 따라 공기채널 내 유속 증가로 열전달 성능이 향상되며, 앞선 경향은 이에 따른 결과로 판단되었다. 실험 중 열 획득량은 풍량 순으로 최대 약 600 W, 812 W, 876 W, 평균값은 약 489 W, 649 W, 682 W로 확인되었다. 실험 중 저풍량 운전이 수행된 날의 일사량이 중간 풍량 조건으로 실험이 수행된 날보다 평균 20.61 W/m² 더 낮은 것을 감안하더라도, 열획득량 차이가 평균 160 W(약 97.78 W/m²)로 나타나, 풍량에 의한 차이가 유의함을 알 수 있었다. 또한, 이에 따라 열효율도 풍량 증가에 따라 상승하는 양상을 보였으며, 풍량 순으로 최대 41.16%, 53.08%, 58.49%, 평균값은 37.55%, 48.42%, 51.05%로 확인되었다.

Fig. 9

Comparison of (a) Thermal output and (b) Thermal efficiency

3.3 발전 성능

Fig. 10은 실험 중 PVT 시스템을 통해 생성된 발전량과 전기효율을 나타낸 것이다. 실험 결과, 발전량은 풍량 증가에 따라 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 풍량 증가에 따라 열 회수량이 증가하면서 PV 냉각효과가 상승했기 때문이다. 실험 중 발전량은 풍량 순으로 최대 약 189 W, 209 W, 205 W, 평균값은 약 158 W, 169 W, 171 W로 확인되었다. 전기효율 또한 풍량 증가에 따라 상승하는 경향을 보였으며, 풍량 순으로 최대 12.74%, 13.23%, 13.36%, 평균값은 12.13%, 12.58%, 12.79%로 확인되었다.

Fig. 10

Comparison of (a) Power output and (b) Electrical efficiency

3.4 순에너지 효율

Fig. 11에는 PVT의 팬 소모 동력을 고려한 순에너지 효율을 나타내었다. 풍량 증가에 따라 열성능 및 발전성능이 모두 증가하여, 팬 동력을 고려하여도 순에너지 효율 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 순에너지 효율 값은 풍량 순으로 운전 중 최대 70.93%, 82.76%, 86.60%, 평균값은 66.52%, 77.31%, 77.55%로 확인되었다. 다만, 일부 시간대에서 팬 소모 동력 고려로 고풍량인 0.0732 kg/s 조건에서 중간풍량인 0.0449 kg/s의 경우보다 더 낮은 성능을 보였다. 이는 열 및 전기 효율 향상보다 팬 소모 동력의 증가 비중이 컸기 때문으로, 향후 최적 풍량을 모색할 필요가 있을 것으로 사료되었다. 또한, 종래 SPDF를 이용한 연구 중 Hegazy (2000)¹⁵⁾에서는 전기효율 6.85 – 8.1%에서 열효율은 29 – 55%를 보였고, Al-Damook et al. (2021)¹⁶⁾의 연구는 저항체가 없는 경우 최적화된 SPDF의 성능은 전기효율 10.5%에서 열효율 50.1%를 보이는 것으로 보고되었다. 본 연구에서 얻어진 효율은 팬동력을 고려하더라도, 이전 연구보다 높은 값을 보여서 핀과 저항체의 부착이 PVT 성능 향상에 유의미한 영향을 미쳤음을 확인할 수 있었다.

Fig. 11

Comparison of net energy efficiency for each experimental condition

Fig. 12에는 제안된 PVT의 일일 열 생산량, 발전량, 팬 소모 동력을 비교하였다. 풍량이 증가할수록 열 및 전기 생산량이 증가하였지만, 팬 소모 동력도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 열 생산량과 전기 생산량의 합에 팬 소모 동력을 제외한 총 생산량은 2.777 kWh/m², 3.494 kWh/m², 3.586 kWh/m²로 풍량 증가에 따라 증가하였다. 따라서 팬 소모 동력을 고려하더라도 더 높은 풍량에서 더 높은 에너지 생산량을 나타내었다. 다만 팬 소모 동력 증가 비율은 큰 반면, 열 및 전기 생산량 증가 비율은 상대적으로 적었다. 따라서, 앞서 확인한대로, 향후 더 넓은 범위에서 최적 풍량 조건 모색이 필요함을 확인할 수 있었다.

Fig. 12

Comparison of daily energy output for each experimental condition

4. 결 론

본 연구에서는 이중 유로 방식과 핀 및 저항체를 적용한 공기식 PVT 시스템을 제안하고, 실험을 통해 실제 운전 성능을 확인해 보았으며, 그 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 실험 중 제안된 PVT의 평균 취출 온도는 풍량 순으로 54.96℃, 45.93℃, 41.78℃, 입·출구 평균 온도차는 21.26℃, 14.34℃, 9.23℃를 나타내었고, 풍량 증가에 따라 감소하는 모습을 보였다.

(2) 열 획득량 및 열효율은 풍량 증가에 따라 증가하는 모습을 나타내었고, 풍량에 따라 열 획득량은 평균 489.63 W, 649.57 W, 682.24 W 값을 보였으며, 열효율 평균은 37.55%, 48.42%, 51.05%을 나타내었다.

(3) 제안된 PVT에서 발전량 및 전기 효율도 풍량 증가에 따라 그 값이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 각 풍량 조건에서 발전량은 158.64 W, 169.04 W, 171.70 W 값을 보였으며, 발전 효율은 평균 12.13%, 12.58%, 12.79%을 보였다.

(4) 팬 소모 동력을 고려한 순에너지 효율은 각 풍량 조건에서 평균 66.52%, 77.31%, 77.55%를 보여, 핀 및 저항체 설치로 종래 연구된 SPDF PVT 보다 더 우수한 성능을 나타내었다. 또한 일일에너지 생산량은 풍량 조건에 따라 2.777 kWh/m², 3.494 kWh/m², 3.586 kWh/m²을 보였으며, 팬 동력을 고려하더라도 높은 풍량 조건에서 더 높은 에너지 생산량을 나타내었다.

본 연구에서는 실제 기상 조건에서 제안된 PVT의 성능을 확인해보았다. 이를 통해 핀과 저항체 설치가 SPDF PVT 시스템의 성능향상에 유의미한 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 다만, 핀과 저항체 각각이 PVT 성능 향상 기여하는 정도, 적절한 설치 조건 등에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구 결과를 기반으로, 해당 시스템의 유용성 입증을 위해 향후 연구에서는 각 파라미터의 영향도 평가, 압력손실과 팬 소비동력 변화를 고려한 열전달 향상 장치의 최적 설치 조건 및 시스템의 최적 운전 조건, 타 시스템과 연계를 통한 에너지 절감 및 경제적 효과 분석 등을 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다.