2.1 에너지 시뮬레이션 개요

본 연구에서 제안하는 태양광열 시스템은 태양광 패널과 태양열 흡수기를 결합하여 열과 전기를 동시에 생산할 수 있으며, 생산된 열에너지를 저장할 수 있는 축열조를 이용하여 생산된 열을 효율적으로 이용할 수 있다. Fig. 1은 에너지 시뮬레이션에서 이용된 태양광열 시스템의 개요도를 나타낸다. 본 연구에서 구축한 태양광열 시스템은 기상모델, 태양광열 모듈, 순환펌프, 축열조 및 급탕부하모델로 구성되어있다. 태양광열 모듈은 설정된 지역의 기상데이터를 바탕으로 열과 전기를 생산하며 생산된 열은 축열조에 저장되고 급탕 부하모델에 입력된 급탕 프로파일에 의해 이용된다. 에너지 시뮬레이션에서 구축된 각 컴포넌트(Component)는 축열조 내부 설정온도, 급탕 프로파일에 의해 운전을 수행한다.

Fig. 1 Schematic diagram of the PVT system.

본 연구에서 이용된 태양광열 시스템의 On/Off 운전제어는 태양광열 모듈의 입․출수 온도차($\Delta T$) 시그널(Signal)에 의해서 수행된다. 태양광열 모듈의 입․출수 온도차($\Delta T_{on}$)가 5℃ 이상 일 때 시스템이 작동되며 반면, 태양광열 모듈의 입․출수 온도차($\Delta T_{off}$)가 1℃ 이하 조건에서는 시스템 운전이 중단된다. 한편, 축열조 내부 온도는 태양광열 모듈에서 출수되는 온도가 축열조 내부온도 보다 높을 경우 태양광열 모듈을 이용하여 축열조를 가열하게 되며, 태양광열 모듈을 이용할 수 없거나 모듈의 출수온도가 축열조 내부온도 보다 낮을 경우에는 축열조 내부에 설치되어 있는 보조열원(Auxiliary)을 이용하여 축열조를 가열한다.

2.2 에너지 시뮬레이션 조건

본 연구에서는 에너지 시뮬레이션인 TRNSYS 17을 이용하여 다양한 설계인자(Design Factor)에 따른 태양광열 시스템의 성능예측을 수행하였다. 태양광열 모듈과 축열조를 연계한 시스템 제어수법을 구축하고, 시스템의 열효율과 발전효율 그리고 태양열 이용률(Solar Fraction)을 정량적으로 분석하였다.

Table 1은 에너지 시뮬레이션에서 이용된 각 컴포넌트 조건을 나타낸다. 태양광열 모듈은 Unglazed 타입 으로 크기는 1.937 m×0.994 m로 설정하였으며, 모듈은 Case 조건에 따라 2장, 3장, 4장까지 연결하였다. 흡수기 (Absorber)는 외경 0.0127 m, 내경 0.0109 m의 동관재질로 구성되어 있으며 모듈의 연결개수에 따라 5개, 10개, 20개까지 설치하였다. 흡수기의 열전도도는 재료의 열물성을 참고하여 236.9 W/m․K로 설정하였다. 또한, 태양광 패널의 전력효율은 STC(Standard Test Condition) 조건에서 16.1%, 최대발전량은 290 W로 설정하였다.

축열조는 소규모 주택의 일일 급탕량과 소규모 주택에서 이용되고 있는 축열조 용량을 참고하여 설계용량은 0. 5m3로 구축하였다. 축열조 내부 설정온도는 45℃에서 Case 조건에 따라 50℃, 55℃로 구성된다. 또한, Base Case의 순환펌프 유량은 50 lpm으로 입력하였으며, 소비전력은 10 W로 설정하였다.

Fig. 2는 시간별 급탕 프로파일을 나타낸다. 급탕 프로파일은 경기도 소재 11개의 공동주택을 대상으로 연간 급탕량 및 열소비특성을 분석한 선행연구를 참고하여 시간별 급탕부하 프로파일을 나타내었다.⁽¹²⁾ 급탕부하는 오전 9시부터 12시에 가장 많이 발생되었다. 한편, 급탕 프로파일에서 일일 급탕량은 300 l/day로 입력하고, 1시간 최대 급탕량은 31.5 l/hour로 설정하였다.

Fig. 2 Profile of the daily DHW.(12)

Table 2는 Case study 조건을 나타내고, 순환수 유량의 괄호안의 수치는 Module 단위 유닛의 유량으로서, Case에 따라 5 kg/hr씩 증가하여 분석하였다. 다양한 선행연구에서는 연계 시스템에 대해 태양광열 모듈의 설계용량에 따른 시스템의 열과 전기적 성능분석을 수행하고 있으나, 설계인자에 따른 시스템의 연간 열효율, 발전효율 및 태양열 이용률에 대한 명확한 분석이 수행되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 축열조 연계 태양광열 시스템을 대상으로 다양한 설계인자에 따른 성능분석을 공학적 접근방법을 통해 수행하고자 하였다.

3.1 태양광열 시스템 성능예측 방법

본 연구에서는 에너지 시뮬레이션을 이용하여 다양한 설계인자에 따른 태양광열 모듈의 열 생산량과 전력 생산량을 분석하였다. 모듈의 열 및 전력 생산량은 TRNSYS 17 Mathematical Reference에서 제공되고 있는 수학적 알고리즘 해석방법을 참고하였다. 이 알고리즘은 Duffie and Beckman⁽¹³⁾에 의해서 제안되었으며 태양광열 모듈의 열생산량은 식(1)을 통해 계산할 수 있다.

태양광열 모듈의 열 생산량($Q_{PVT}$)은 태양광열 모듈의 면적($A$)과 흡수기의 열제거 효율계수($F_{r}$) 및 열손실율 ($U_{L}$) 그리고 모듈에 흡수된 일사량($S$)을 통해 계산된다. 한편, 태양광열 모듈의 전력 생산량은 모듈의 전력 효율과 일사량에 의해 많은 영향을 받으며 전력 생산량과 전력 효율은 식(2)와 식(3)을 통해 계산할 수 있다.

한편, 태양광열 모듈의 전력 생산량은($P_{PVT}$) 모듈의 투과율-흡수율($\tau\alpha$), 모듈의 입사각($IAM$), 전천일사량($G_{t}$)과 모듈의 전력효율($\eta_{PVT}$)을 통해 계산된다. 전력효율은 모듈의 효율전과 모듈의 온도함수($X_{t}$) 및 태양 복사함수 ($X_{r}$)을 통해 산출할 수 있다. 식(1)과 식(2)을 이용하여 연간 열효율과 전기효율을 식(4)와 식(5)와 같이 나타낼 수 있으며, 연간 태양열 이용률을 급탕열량과 보조열원의 열량을 통해 식(6)과 같이 계산할 수 있다.

3.2 Base Case 성능분석

Fig. 3은 Base case(Case 1-15)의 태양광열 시스템 연간 열효율, 발전효율 및 태양열 이용률을 나타낸다. 하절기(8월 15일)과 동절기(12월 11일) 대표일을 대상으로 효율분석을 수행하였다. 하절기의 열효율은 약 43.3%, 발전효율은 12.2%, 태양열 이용률은 91.7%로 확인되었다.

Fig. 3 Daily thermal and electric efficiency of the representing day.

이에 반해, 동절기의 열효율은 29.3%, 발전효율은 13.1%로 하절기 보다 열효율은 47.7% 감소하였다. 그러나 발전효율은 7.2% 향상되었으며 이는 하절기의 과도한 일사량과 높은 외기온도에 의해 태양광열 모듈의 온도가 상승하여 발전효율이 감소되는 것으로 판단된다. 한편, 동절기의 태양열 이용률은 68.9%로 하절기 보다 33% 감소되었다. 이를 통해 열효율 측면에서는 하절기에 우위에 가지는 것을 확인하였다.

Fig. 4는 Base case의 월간 태양열 이용률 및 태양광열 시스템의 생산전력량을 나타낸다. 월간 열효율은 8월에 가장 높게 확인되었으며 열효율이 가장 낮은 12월 보다 약 3.6배 차이를 나타냈다. 이는, 태양광열 모듈의 열획득 측면에서 하절기가 동절기 보다 우위에 있기 때문인 것으로 판단되며 외기온도와 일사량의 차이에 의해 열효율 차이가 발생된 것으로 사료된다. 한편, 연간 열효율은 30.8%, 연간 발전효율은 12.6%, 연간 태양열 이용률은 47.5%로 확인되었다.

Fig. 4 Montly solar fraction and power production of the PVT module.

3.3 순환수 유량 및 흡수기 개수에 따른 성능분석

Fig. 5는 태양광열 시스템의 열효율, 전기효율 및 태양열 이용률을 나타낸다. 태양광열 모듈의 순환수 유량 5 kg/hr 조건에서는 태양열 흡수기가 5개, 10개, 20개 증가함에 따라 시스템 열효율이 각각 19.3%, 20.7%, 21.1%로 나타났다. 순환수 유량이 15 kg/hr 조건에서는 각각 26.0%, 29.5%, 30.6%로 확인되었으며, 순환수 유량을 30 kg/hr까지 증가하더라도 열효율의 변화는 비슷하게 나타났다. 한편, 태양열 흡수기의 개수가 5개이고 순환수 유량이 15 kg/hr 조건은 흡수기 개수가 10개, 20개인 조건과 열효율을 비교하였을 때 열효율이 각각 3.5%, 4.6% 감소된 결과를 나타냈다. 이는, 순환수 유량은 충분하나 흡수된 태양열을 효과적으로 활용하지 못하는 것으로 사료된다.

Fig. 5 Efficiency and solar fraction according to absorber and mass flow rate.

시스템 전기효율의 변화양상 또한 열효율과 비슷하게 확인되었으며, 순환수 유량이 15 kg/hr 조건에서 흡수기 개수에 따라 각각 12.31%, 12.47%, 12.52%로 확인되었다. 순환수 유량이 15 kg/hr 이상 증가하더라도 시스템의 전기효율은 극적인 변화를 나타내지 않았으며, 태양열 흡수기가 10개 이상 확보되었을 경우 흡수기를 더 많이 설치하더라도 전기효율의 향상은 크지 않은 것으로 확인되었다.

태양열 이용률은 순환수 유량 15 kg/hr 조건에서 태양열 흡수기 개수에 따라 각각 40.0%, 45.5%, 47.2%로 확인되었으며, 태양열 흡수기 개수에 따라 최대 7.2%의 차이를 나타냈다. 시스템 열효율과 전기효율과 같이 순환수 유량 15 kg/hr, 태양열 흡수기 개수 10개 이상이 확보된 조건에서는 순환수 유량과 흡수기 개수를 증가 하여도 태양열 이용률은 크게 향상되지 않았다. 이를 통해, 태양광열 모듈 설계 시 순환수 유량 15 kg/hr, 태양열 흡수기 10개 이상 조건이 충족될 경우 시스템 열효율과 전기효율은 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

3.4 태양광열 모듈 개수와 축열조 설정온도에 따른 성능분석

Fig. 6은 태양광열 모듈 개수와 축열조 설정온도에 따른 시스템의 열효율, 전기효율 및 태양열 이용률을 나타낸다. 태양광열 모듈 개수가 증가함에 따라 시스템 열효율은 각각 30.84%, 25.95%, 23.89%로 나타났다. 한편, 시스템 전기효율은 각각 12.56%, 12.37%, 12.58%로 확인되었으며 열효율과는 다르게 태양광열 모듈 개수가 증가해도 전기효율의 변화는 향상되지 않았다.

Fig. 6 Efficiency and solar fraction according to PVT module and HST.

축열조 설정온도에 따른 시스템 열효율과 전기효율은 크게 변화하지 않았다. 그러나, 시스템의 태양열 이용률은 설정온도가 증가함에 따라 각각 69.82%, 59.78%, 51.22%로 확인되었으며 점점 감소하는 변화를 나타냈다.

4.1 초기투자비용 산정

본 연구에서는 태양광열 시스템과 기존 공기열원 냉난방 공조 시스템의 초기투자비용에 대한 비교분석을 통해 경제성 평가를 실시하였다. 신재생에너지센터에서 신재생에너지 원별 기준단가를 공고하고 있으나 태양광 모듈 및 태양열 집열기에 대한 설치비용만 제시하고 있으며 태양광열 모듈에 대한 명확한 단가는 제시되고 있지 않다. 또한 모듈과 집열기에 대해 실제 제작업체와 설치비용 차이를 나타냈다.

따라서 본 연구에서는 태양광열 시스템과 기존 공기열원 난방 시스템의 초기투자비용에 대해 조달청의 나라장터와 H사, E사에서 제공하고 있는 납품단가 및 견적서를 참고하였다.

4.2 경제성 비교분석 결과

주거용 건축물에서 PVT 시스템의 도입 타당성 검토를 위해 초기투자비용 및 운전비용을 산출하여 기존 급탕설비와 비교․분석하였다. 경제성 분석은 기존 급탕설비 대비 PVT 시스템의 초기투자비용 회수기간을 활용하여 수행되었다. 동적 시뮬레이션 결과, Case 3-1이 시스템 측면에서 태양열 이용률이 69.82%로 가장 우수하였기 때문에 경제성 비교 모델로 선정하였다. PVT 시스템의 초기투자비용은 PVT 시스템 시공 업체의 견적서를 참고하여 4,248천 원으로 산출하였으며, 운전비용은 펌프 및 보조열원에 의한 소요동력을 고려하여 산출하였다. 운전비용 산정을 위해 K사의 전기온수기 축열조 용량 500 l, 정격소비전력 5 kw 사양을 선정하였으며 소요동력은 한국전력공사의 주택용전력(저압)을 적용하였다. 또한, PVT에서 생산되는 전력을 전력거래소의 계통한계가격(System Marginal Price, SMP)을 통해 판매하는 것으로 가정하였으며, 판매 단가는 2018년 평균 SMP인 95원을 적용하였다. PVT 시스템의 운전비용과 생산전력의 판매로 인한 수익은 각각 250천 원, 229천 원으로 산출되었다. 즉, PVT 시스템은 전력판매로 인한 수익으로 인해 연간 약 22천 원의 비용이 소요되는 것으로 나타났다. 기존 급탕설비는 G사의 효율 80%인 경유보일러로 가정하여 초기투자비용을 1,500천 원으로 산정하였다. 운전비용 산출을 위해 경유가격은 한국석유공사에서 공시하는 2018년 평균가를 참고하였으며, 기존 급탕설비의 연간 운전비용은 355천 원으로 산출되었다.

PVT 시스템과 기존 급탕설비의 초기투자비용과 운전비용을 산정한 결과, 초기투자비용은 PVT 시스템이 더 높았지만, 운전비용은 기존 급탕설비보다 상당히 저렴한 것으로 나타났다. Fig. 7은 25년 기준으로 한 시스템별 LCC를 분석한 결과이다. PVT 시스템은 높은 초기투자비용을 보였지만 상대적으로 적은 운전비용과 전력 판매로 기존급탕설비 대비 11년의 투자비 회수기간을 보였다.

Fig. 7 The result of life cycle cost.