1. 연구 배경 및 목적
최근 화석연료 사용으로 인해 발생하는 지구온난화 문제와 원자력 발전의 위험성 등으로 신재생에너지 이용에 관한 관심이 높아지고 있으며 1992년 유엔기후변화협약(UNFCCC) 이후 지구의 평균 상승온도를 억제하려는 노력을 진행 중이다. 이에 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 오는 2100년까지 지구 평균기온의 상승을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 감축하고 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 목표를 제시했다. 세계 각국은 2016년부터 온실가스 감축 목표를 자발적으로 제시하고 장기 저온실 가스 감축 전략(LED)과 국가 온실가스 감축목표(NDC) 제시에 합의했다. 에너지 공급과 산업, 교통, 건물 등 분야별로 적합한 전략을 제시하고, 특히 신재생에너지를 이용한 온실가스 배출 최소화 노력이 이어지고 있다. 다양한 신재생에너지 중 태양광 활용에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있는 이유에는 무한한 에너지원, 시스템 설치의 용이성, 정비 우수성 등이 있다.
PV (Photovoltaics, 태양광 발전) 시스템은 다양한 적용성 등 장점이 많음에도 불구하고 낮 시간대에만 발전할 수 있고 남은 전력을 저장하려면 비싼 배터리가 필요하며 이 때문에 건설 현장 등 산업현장에 대한 보급이 지연되고 있다. 따라서 태양광을 사용해 전기를 생성하는 동시에 태양열을 수집할 수 있는 PVT (Photovoltaics/Thermal, 태양광/태양열 복합 발전) 시스템에 관한 관심과 연구가 증가하고 있다. PVT시스템은 태양광 패널 후면에 상대온도가 낮은 액체나 공기를 통과시켜 패널 온도 상승으로 인한 발전 효율 감소를 통제하고 온도가 높아진 용매를 활용하여 건물 내 온수 공급이나 난방으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
PVT에 관해 진행한 연구와 연관된 국내외 문헌들을 참고하였다. Nazri et al.1)는 최대 태양에너지 이용 효과는 공기 기반 PVT 시스템에 의해 최대 80.3%까지 가능하며 PVT 시스템은 기존 PV 시스템보다 더 나은 발전 효율을 가지고 있다고 평가했다. 공기 기반 PVT 시스템에 대한 또 다른 연구로서 Ozakin and Kaya2)는 시뮬레이션 검토를 통해 패널 아래 공기를 통과시켜 패널 표면 온도가 약 10 ~ 15℃ 감소했으며, 풍속의 증가로 인해 효율이 약 15% 상승한다는 연구 결과를 발표하였다. Abdulla et al.3)의 연구에서는 액체 PVT 시스템을 적용함으로써 기존의 PV에 비해 패널 표면 온도가 약 5 ~ 9℃ 감소하여 발전 효율이 증가하는 결과를 얻었다. Vittorini et al.4)는 분당 2L의 냉각수를 공급함으로써, PV패널의 온도 상승을 억제하였고, 그 결과 기존 PV에 비해 발전 효율을 약 33% 높인 결과를 얻었다. Lee et al.5)의 연구에서는 공기식 PVT 집열기의 유동 해석을 진행하여 가로형 배치구조에서 가장 큰 냉각 효과를 얻을 수 있고 이를 통해 누적 발전량을 증대시킬 수 있다는 결과를 얻었다5).
또한 건물의 에너지 소비를 최소화하는 방법으로 PVT 시스템을 사용하는 것에 관한 다양한 연구가 수행되고 있다. Kang et al.6)의 연구에서는 PVT의 적용 유형별 성능 비교를 통하여 외벽 적용보다 지붕 등 일사 획득에 유리한 장소에 설치하는 것이 에너지 생산 측면에서 약 23.4% 유리하다는 결과를 얻었다. Hengel et al.7)는 PVT 시스템과 열펌프를 연계해 시스템의 효율성을 높이는 방법을 검토하였으나, 높은 초기 투자 비용 발생으로 인해 손익분기점을 달성하기 위한 추가 연구가 필요함을 제시하였다. Ramos et al.8)의 연구에서는 액체 PVT 시스템과 열펌프를 결합함으로써 시스템의 성능을 개선할 수 있으며, 냉각에 사용되는 전력 소비를 줄일 수 있다는 결과를 얻었다.
상기 기술한 바와 같이 PVT 시스템의 적용 가능성과 이용 방법에 관한 다양한 연구가 수행되고 있지만 같은 조건에서 PV와 PVT의 동시 측정을 통한 계절별 성능 비교에 관한 연구는 충분하지 않다. 따라서 본 연구에서는 같은 기상 조건에서의 PV와 PVT 시스템의 성능을 비교하고 계절별로 PVT의 집열성능을 확인하여 공기 기반 PVT 시스템의 태양에너지 활용 효과를 검토한다.
2. 측정 조건
경기도 수원시에 있는 경기대학교 옥상(위도 37.30°, 경도 127.04°)에서 측정이 이루어졌다. 이번 실험에서는 기존 PV 패널 하부에 공기를 통과시켜 태양광 패널 온도감소에 따른 전력발생량 증가와 통과하는 공기의 온도 상승에 따른 집열효율을 조사하고 기존 PV 패널과 본 연구의 대상인 PVT 패널을 나란히 설치하여 동일한 조건에서 온도 및 발전 변화를 하절기, 동절기로 구분하여 비교하였다. 대상 패널은 남쪽을 향하며 30도 각도로 설치하였고 모든 대상 패널의 면적은 1.52 m2 (1,600 mm × 950 mm)이다. 이 실험에 사용된 패널의 개념도는 Fig. 1에서 설명하고 있으며 실제 설치된 모습은 Fig. 2와 같다. PV 패널은 일반적인 패널 하부에 단열재를 부착하였고 PVT 패널은 일반적 패널 하부에 공기 이동이 가능한 공간을 만들었으며 팬을 이용해 공기의 이동을 제어하였다. PV 패널과 PVT의 패널 출력은 300 W로 서로 같으며 PV 패널 하부에 공기를 통과시켜 패널 상·하부의 온도변화를 조사하기 위해 패널 입구 온도센서, 상·하부 표면 온도센서, 패널 출구 온도센서를 설치하여 일사량(경사면 30°), 전류, 전압을 측정 및 비교하였다. 이 실험의 측정 기기 및 측정 항목은 Table 1 및 Table 2와 같으며 측정은 1초 간격으로 실시하였고 외부 여건에 따른 변동을 고려하여 10분간의 평균 결과를 나타내었다.
Table 1
Equipment specification
Table 2
Measurement items
3. 측정 결과
3.1 온도 결과의 비교
이 실험은 2021년 8월 16일부터 2022년 3월 25일까지 진행되었다. 이 중 맑은 날이 2일 이상이며 각 계절의 특징이 잘 나타나는 하절기 3일(’21.08.18. ~ 20.) 및 동절기 3일(’22.03.21. ~ 23.)간의 측정 결과를 기반으로 데이터를 해석하였다. Fig. 3은 하절기와 동절기의 대상 패널(경사각 30°)에서의 일사량과 외기 온도를 나타낸다. 하절기 패널 면에서의 일사량은 3일간 각각 3,351 Wh, 5,618 Wh, 4,019 Wh로 평균 약 4,329 Wh를 나타냈으며, 외기 온도는 최저 24.8℃, 최고 37.1℃로 측정되었다. 동절기 패널 면에서의 일사량은 3일간 각각 5,638 Wh, 4,823 Wh, 4,019 Wh로 평균 약 4,827 Wh를 나타냈으며, 외기 온도는 최저 영하 7.6℃, 최고 15.0℃로 측정되었다.
공기가 패널 하부를 통과할 수 있는 PVT 패널의 경우 하절기 패널 상단의 온도가 기존 PV에 비해 최대 7.6℃ 감소했으며 평균 온도는 해당 기간 약 2.7℃ 감소하였고 동절기는 최대 11.3℃, 평균 2.1℃ 감소하였다(Fig. 4). 반면 패널 하부온도의 경우 하절기 최고 1.8℃, 평균 0.5℃, 동절기 최고 0.6℃, 평균 0.1℃로 온도변화가 상대적으로 미미한 것으로 나타났다(Fig. 5).
PVT 패널을 통과하는 공기의 온도는 패널과 열 교환을 통해 증가한다. 태양 복사열로 가열된 패널의 통과 공기 온도는 하절기 최대 4.8℃, 평균 3.3℃의 온도 상승 및 동절기 최대 4.9℃, 평균 1.8℃의 온도 상승을 보였다(Fig. 6). 이 같은 대기 온도의 상승은 일사량과의 상관관계가 높은 것으로 판단된다. 일사량이 증가함에 따라 출구 온도 또한 상승하므로 패널에 들어오는 태양광의 각도를 조절하여 최대의 일사량을 얻을 때 최적의 효율을 나타낼 것으로 판단된다(Fig. 7).
Fig. 8에는 PVT 패널을 통과하는 공기 온도 증가로 인한 집열 효과가 표시된다. 이 실험에서 적용된 팬에 의해 발생한 공기의 부피는 4.82 m3/min (원형 덕트, 지름 9 cm, 풍속계를 이용하여 측정한 덕트 내 평균 풍속 12.63 m/s)이다. 패널 입구와 출구의 온도 차이, 공기량 및 공기 비열로 계산된 최대 집열량은 하절기 684.4 W이고 평균 326.0 W였으며 동절기 최대 집열량은 .695.5 W이고 평균 359.6 W였다. PVT 패널 하부를 통과하는 공기를 통해 표면 온도가 감소하고 발전량이 증가하며 추가로 열에너지를 수집할 수 있는 것으로 나타났다.
3.2 발전량 변화 비교
공기 기반 PVT 시스템에 의한 표면 온도 저감을 통하여 PVT 패널의 발전 증가 효과를 조사하기 위해 기존 PV 패널과 PVT 패널의 계절별 발전량을 비교했다. Fig. 9와 같이 공기가 통과할 수 있는 PVT 패널의 최대 발전량은 하절기에 11.0 W, 동절기에 19.5 W 증가했다. 다만 일사량 변화에 따른 전력량 변화를 정량적으로 분석하기는 어려우므로 본 연구에서는 PV와 PVT의 각 패널에 대한 일사와 발전 사이의 관계를 분석하였다. Fig. 10과 같이 태양광과 발전의 상관관계에서 PVT의 수치는 해당 기간의 PV에 비해 하절기 약 5.1%, 동절기 약 14.3% 증가한 것으로 나타났다.
PV와 PVT 패널의 발전 효율은 측정된 일사와 발전량에 기초하여 계산되었다. Fig. 11과 같이 PVT 패널의 발전 효율은 하절기 19.0%, 동절기 20.3%이며 PV의 발전 효율은 하절기 18.0%, 동절기 18.7%였다. 이를 통해 패널 아래 공기 흐름으로 인한 발전 효율의 상승 폭은 약 8.6%인 것을 확인하였다. 또한 Fig. 12와 같이 PVT의 경우 연평균 약 47.7%의 집열 효과를 얻음으로써 PVT에 의한 태양에너지 이용 효율은 67.2%로 PV의 18.3%에 비해 매우 증가했다. 단, PVT의 적용을 위해서는 발전량 증가뿐만 아니라 대상 건물의 열부하와의 상관관계 분석 및 요구온도 제어 조치(최적 덕트 구경 및 덕트 내 풍속 제어)의 검토가 필요하다고 판단된다.
4. 결 론
이번 연구에서는 신·재생에너지 중 건물 내 사용성이 가장 높고 유지관리가 유리한 태양광 중 기존 PV 시스템과 PVT 시스템의 발전 및 집열 성능을 측정 및 분석하였다.
본 연구의 목표 시스템은 공기 기반 PVT 시스템으로, 기존 PV 패널의 낮은 부분을 통해 외부 공기를 유입시켜 패널의 표면 온도를 낮추고 태양광 발전 효율을 연평균 약 8.6% 증가시킨다. 또한 통과하는 공기의 온도 상승으로 인하여 열에너지를 연평균 약 47.5% 획득하였으며 이는 건물의 난방 및 온수 공급 등에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
외기 온도가 상대적으로 높은 하절기에 측정한 데이터와 동절기의 데이터를 비교 분석해 본 결과 외기온이 높은 여름철의 경우, 강제 공기 유동에 따른 패널 온도 하강 효과가 상대적으로 낮았다. 따라서 향후 실외온도 변화에 따른 패널의 냉각 효과와 발전 효율 변화에 관한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다. 아울러 건물 내 높아진 공기 온도를 효과적으로 활용하기 위해서는 공기 흡입 팬의 회전속도 조절을 통하여 요구온도를 충족하는 방법과 건물 내 이용 방법 및 효과 등에 대한 추가 검토가 필요하다.
