기호설명

1. 서 론

전 세계적으로 에너지소비가 증가하면서 지구 환경과 에너지 위기가 가속화되고 있다.⁽¹⁾ 이런 위기를 극복하기 위한 솔루션으로 재생에너지 개발과 활용이 필수적이며 태양에너지는 풍부하고 지속가능한 에너지원으로 하나의 대안이다.⁽²⁾ 태양에너지를 활용한 재생에너지는 태양광, 태양열 기술이 대표적이고 최근 태양광열(Photovoltaic and thermal, PVT) 집열기에 대한 전기 및 집열 성능 관련 연구가 활발히 진행중에 있다.⁽³⁾ 특히, 설치면적이 제한적인 건물에서의 탄소중립을 위해서 동일 면적에서 전력과 열을 동시에 생산할 수 있어, 태양광 및 태양열시스템보다 단위면적당 에너지생산량이 높은 PVT 시스템의 적용이 주목받고 있다. 하지만, 기존 PVT 시스템은 PV 시스템과 달리, 열 집열부와 배관이 추가되므로 외벽 설치 시 무게 증가와 공간 제약이 발생하며, 조인트와 배관 연결부가 많아 누수 위험이 있다. 또한, 열 성능을 유지하기 위해 단열 및 열손실 관리가 필요하므로 설치가 복잡한 특징이 있다. 무엇보다 기존 PVT시스템은 전면유리, 태양광 패널, 집열부, 단열재를 고정하기 위한 프레임으로 구성되어 있어, 건물일체형 태양광패널(Building-integrated photovoltaic, BIPV)과 같이 건물의 벽면에 적용하기 어려운 조건에 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존 BIPV와 같이 건물 벽면의 커튼월에 설치할 수 있는 형태의 건물일체형 태양광패널(Building-integrated photovoltaic and thermal panel, BIPVT)을 제안하고, 목업실험설비에서의 실험을 통해 제안된 BIPVT의 열 및 전기적성능을 분석하였다.

일반적으로 태양광 모듈의 출력은 온도가 1℃ 올라갈 때마다 0.3%에서 0.5%까지 감소하는 것으로 보고되고 있다.⁽⁴⁾ BIPV의 온도변화에 따른 출력 영향에 대한 많은 선행연구도 수행되었다. Radziemska⁽⁵⁾은 PV 모듈은 일사의 흡수로 모듈의 온도가 80도 까지 상승했으며 발전량은 0.65%/K, 발전효율은 0.08%/K 감소하는 것을 확인하였다. Maturi et al.⁽⁶⁾은 BIPV 모듈의 온도에 따른 발전성능을 실험한 결과 일사량이 1000 W/㎡이고 풍속이 1 m/s 일 때 동일한 c-Si 모듈은 일사량과 모듈의 온도간 상관관계가 Glass-Glass 모듈은 0.033 K ㎡/W ~ 0.037 K ㎡/W, Glass-Tedlar 모듈은 0.029 K ㎡/W ~ 0.032 K ㎡/W 차이가 있는 것으로 분석하였다.

PV의 온도를 낮추기 위해 PV에 집열 장치를 장착한 PVT 또는 BIPVT 선행연구 결과에서 Soltani et al.⁽⁷⁾ 은 PV 모듈 후면의 온도저감 방법에 따른 성능을 비교 실험하였으며 SiO2 열매체를 이용한 물 순환 집열 방식이 자연냉방(natural cooling) 방식 보다 PV의 발전량 54.29%, 발전효율 3.35% 가 향상되었다고 밝혔다.

Fudholi et al.⁽⁸⁾과 Ibrahim et al.⁽⁹⁾은 PVT 집열기의 흡수판과 유로 형상에 따른 열성능 분석을 수행하였으며, Herrando et al. ⁽¹⁰⁾은 무창형 PVT는 50℃ 이하의 저온의 열은 생산하고, 생산된 저온의 열은 히프펌프의 열원으로 사용하는 것을 제시하였다. Dannemand et al.⁽¹¹⁾은 주택의 급탕을 공급하기 위한 무창형 PVT와 히트펌프가 연계된 시스템 최적화 연구를 수행하였다.

기존 연구는 다양한 BIPVT 시스템의 집열부 형태에 따른 열 및 발전 성능을 비교하는 연구가 제한적이며, 특히 벽면 적용 시의 성능 차이에 대한 체계적인 분석이 부족하다. 따라서 본 연구에서는 기존 BIPV 대비 열 회수 기능을 추가한 액체식 BIPVT의 성능을 비교하여 최적의 집열기 구성을 도출하기 위해 세 가지의 집열기 구성을 선정하고 실증을 통해 집열 및 발전 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 세 가지 시스템은 각각 다른 집열 및 열교환 방식으로 구성되었으며, 집열기 구성에 다른 세 가지 타입의 액체식 무창형 BIPVT 집열기와 이를 실험할 수 있는 실물크기의 목업설비를 구축하여 실험을 진행하였다. Case 1은 기존 서펜타인 집열기 구성, Case 2와 Case 3은 판형 히트파이프를 사용하면서 다른 매니폴드 구성으로 설계되어, 열전달 방식에 따른 집열 효율을 비교하였다. 이를 바탕으로 BIPVT집열기의 집열기 구성에 따른 열성능과 온도에 따른 발전성능을 분석하였다.

2. 연구방법

본 연구는 개발한 무창형 BIPVT 집열기의 열 및 전기 성능을 평가할 수 있도록 실물크기의 커튼월 목업설비로 구축하였다. 목업설비는 건물일체형이 가능한 커튼월 구조에 동일한 PV모듈과 집열 방법이 다른 PVT집열기 3가지 모델로 설계/제작 하였다. PV모듈의 종류 및 크기, 집열방법 등은 설계 요소는 시뮬레이션 분석과 간이 열/전기실험을 통해 수행하였다. 본 연구에서는 BIPVT를 개발중인 단계로 설계 방법에 대한 내용은 다루지 않았다.

Fig. 1과 같이, 본 연구에서 개발한 BIPVT 설계 주안점은 크게 3가지로 커튼월 건물에 적용 가능하며, 누수를 최소화하고, 건물에서 사용되는 난방 및 급탕을 위한 히트펌프의 열원공급을 목적으로 하였다. 이에 45 ℃이하의 저온의 열을 생산할 수 있는 무창형 PVT로 제작하였다. 무창형 PVT는 유창형 PVT와 달리 커버유리가(유리)가 없어 열손실이 크지만, 상대적으로 투과율이 높고 생산 가능한 열 온도대가 낮아(PV 손실 최소화) PV 발전량이 높은 장점이 있다. 또한, 히트파이프를 활용하여 PV후면의 열을 집열하고, 집열된 열을 하나의 긴 파이프라인으로 열을 수송하도록 하였다. 이는 각 BIPVT panel간 연결부를 최소화하여 건물 외벽에 적용한 경우, 추후 발생할 수 있는 누수를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 이때 PV 후면의 히트파이프와 배관사이의 열은 매니폴드를 통해 전달된다.

Fig. 1 Overview of BIPVT.

개발한 무창형 BIPVT집열기의 크기는 약 너비(W) 1,100 mm 높이(H) 2,100 mm이며, PV는 레퍼런스(Ref.) 모델인 BIPV와 동일한 용량 (365W)과 제품(c-Si type)을 적용하였다. PV후면의 열전달 형태 및 집열기 구성에 따라 일반적인 서펜타인 방식의 흡수판과 동관을 적용한 Case (1)과 히트파이프와 매니폴드를 적용한 Case (2), Case (3)로 구분하였다. 매니폴드의 형태에 따라 Case (2)는 파이프(pipe)를 접촉시켜 열전달하는 구조이며, Case (3)은 매니폴드 홀(hole)을 이용하여 직접 열전달하는 구조로 구분된다. Case (1)은 기존 PVT에서 사용되는 서펜타인 집열기 구성은 넓은 열교환 면적으로 높은 집열 효율을 가지는 것을 특징으로 한다. 반면, 각 집열기 사이에 조인트로 인해 누수가 발생할 수 있다는 단점이 있다. Case (2)은 히트파이프로 1차 집열 후 매니폴드를 통해 집열된 열을 회수하는데, 파이프와 매니폴드를 접촉시켜 여러장의 BIPVT를 연결하면서도 패널 간 조인트를 제거하여 누수 위험을 최소화할 수 있어 건물 외벽 적용에 적합한 설계를 목표로 한다. Case (3)은 Case (2)와 동일한 구조이나 매니폴드의 열전달효과를 높이기 위해 파이프를 접촉하는 방식이 아닌 매니폴드에 직접 구멍을 내어 유체를 순환시켜 집열효율이 높일 수 있도록 구성하는 것을 목표로 하였다. 하지만, 이러한 방식도 조인트로 인한 누수가 발생할 수 있는 단점이 있다. 세 가지 Case 의 집열면적은 1 m²로 동일하게 구성하였다. Table 1에서는 각 Case별 구성요소 상세를 정리하였다.

3. BIPVT 목업(Mockup) 설비

3.1 실험설비 개요

BIPVT 주요 단면은 외부에서 보면 크게 무창형 PVT와 PVT단열재, 공기층, 내부단열 순으로 구성된다. PVT집열기의 단열재는 열전도율은 0.033 W/mK을 갖는 고무발포(FEF, Flexible Elastomeric foam) 20 mm를 적용하였고, 커튼월 건물의 스팬드럴(Spandrel) 부분을 고려한 목업 설비의 내부단열재는 열전도율 0.029 W/mK을 갖는 압출법보온판(XPS, Extruded PolyStyrene) 50 mm를 적용하였다. PVT집열기와 내부단열 사이에는 약 30 mm의 공기층으로 구성되어 있다.

실물크기의 BIPVT 목업설비는 동일한 설치조건에서 개발한 PVT집열기간의 성능을 비교할 수 있으며, 동일한 PVT를 다른 설치조건에서 비교/평가할 수 있도록 구축하였다. Fig. 2(a)는 목업 설비의 외부 전경 모습이고, Fig. 2(b)는 BIPVT시제품면 단면 구성도를 나타낸 것이다.

Fig. 2 Mockup test facility of BIPVT.

3.2 구성도 및 측정센서

개발한 BIPVT집열기의 집열성능과 발전성능을 파악하기 위한 목업 설비의 구성도는 Fig. 3과 같다. 커튼월 공법을 이용한 건물 외벽의 마감재를 건물일체형으로 적용하는 구조로 각각의 시제품은 정남향 수직면에 각각 설치하여 열과 전기 성능을 비교할 수 있도록 제작하였다.

BIPVT의 열 및 전기성능을 비교하기 위한 주요 측정요소는 온도와 유량, 전력량, 일사량 등이 있으며, 각각의 사양은 Table 2와 같다. 배관 내 온도와 시제품의 표면온도는 각각 RTD(Resistance Temperature Detector)방식의 PT100과 Thermocouple T-type를 사용하였고, 유량계는 미소 유량을 측정할 수 있는 SV4204모델을 사용하였다. PVT집열기의 AC전력측정을 위해 마이크로 인버터(LM320KS-A2)와 전력량계(GEMS3500)를 사용하였으며, 일사량계는 ISO 9060 spectrally flat Class A등급의 SMP21를 사용하였다.

Fig. 3 Configuration of mockup test facility.

Table 2 Specification of measuring sensors

Items		Model	Measuring range
Electrical	Inverter	LM320KS-A2	Operating voltage : 20 ~52 V
	Power meter	GEMS3500	Voltage : Max. 690 VAC Current : 0.05 ~ 600 A/CH
Thermal	Temperature	RTD, PT100 Ω 3wire	0~200℃
		Thermocouple, Omega (T-type)	-200~300℃
	Flow meter	Vortex (SV4200)	1~20 LPM
	Pyranometer	Kipp & Zonen (SMP11)	0~4000 W/m2

4. 분석 결과

4.3 BIPVT 집열 성능

BIPVT집열기의 열 성능을 알아보기 위해 연속된 7일간의 분별데이터 442,860개를 분석하였다. Fig. 4(a)는 BIPVT집열기 순간 열 효율과 탱크온도는 나타낸 것으로, 열 효율은 Case (1)이 가장 높고, Case (2), Case (3) 는 비슷한 수준으로 다소 낮게 나타났다. Fig. 4(b)는 BIPVT 흡수판 후면(단열재 전단)에 부착된 중앙부 표면온도와 일사량, 외기온도를 나타낸 것이다. BIPVT 후면 표면온도는 열효율(열생산량)이 높은 Case (1) 가장 낮고, Case (2)와 Case (3) Ref. 순서로 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 4 Test operation profile of BIPVT.

Fig. 5 Thermal characteristic curves of BIPVT.

분석기간 7일간의 연속된 일누적 일사량과 생산열량을 바탕으로 일일 열효율을 산정하면, Case (1)은 21.2~32 %, Case (2)는 7.6~13.6 %, Case (3)은 3.7~9.4 % 수준으로 나타났다. 일별 열효율은 탱크의 온도 즉, BIPVT집열기의 입수온도와 일사량에 따라 열성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 목업설비의 BIPVT는 전술한 바와 같이 수직면에 설치되었고, 커버유리가 없는 무창형 PVT집열기로 열손실이 많아 저일사에서는 입사각 수정계수 및 열손실량에 의해 집열량이 크지 않는 것으로 파악되었다.

4월 7일 데이터를 기준으로 무손실효율은 Case (1)은 0.5085, Case (2)는 0.2271, Case (3)으로 0.2092로 Fig. 5와 같다. 무손실효율은 Case (1)이 Case (2), Case (3)보다 약 2.2 ~ 2.4배 높은 것으로 나타났다. 운전조건에 따라 열성능에 큰 영향을 미치는 열손실계수는 Case (1)은 7.3309 W/m²K, Case (2)은 2.8446 W/m²K, Case (3)은 4.4207 W/m²K로 나타났다. Case (1)의 열교환 면적은 흡수판과 동관이 접촉되는 넓은 면적을 가지므로 열 회수 효율이 높은 것으로 나타났다. Case (1)의 집열부와 Case (2) 및 (3)의 히트파이프 면적은 1m²로 동일하므로 집열면적은 같으나, Case (2)와 (3)은 히트파이프를 이용한 간접 열전달 방식이므로 열 손실이 더 컸다고 볼 수 있다. 유체와 열전달되는 면적은 Case (1)은 집열부 전체이며, Case (2)와 (3)은 히트파이프와 매니폴드의 열전달과 매니폴드와 배관간 열전달이 일어나므로 집열효율의 차이를 보인 것으로 파악되었다.

4.4 발전 성능

Fig. 6(a)와 같이 일사에 따른 발전성능도 Case (1)의 발전량이 BIPV(Ref.) 및 BIPVT 실험품에 비교하여 가장 높게 나타났다. 일사량이 증가할수록 발전량은 비례적으로 상승하였다. 일사량이 550 W/m²일 때 발전량은 Case (1) 이 Ref. 보다 평균 4% 향상되었으며 Case (2) 보다 8.6%, Case (3) 보다 3.2% 높은 것으로 나타났다. 반면, Case (2)와 Case (3)의 발전 성능은 Ref. BIPV에 비해 낮게 나타났다. 이처럼 BIPVT 집열방법에 따라 PV 모듈의 온도를 낮추어 발전성능을 향상시키는 한편, PV모듈의 온도가 높아져 효율이 저하될 수 있다. 특히 Case (2)는 Case (3) 보다 유량의 입구와 출구온도 차이가 컸음에도 불구하고 모듈의 발전성능이 가장 낮게 나타났다.

일사량이 좋았던 7일간의 연속 데이터를 이용하여 발전성능과 집열성능을 합하여 분석한 전체 효율을 Fig. 6(b)에 나타냈다. 전체 효율은 발전효율 보다 집열 효율에 의해서 큰 차이는 보였으며 Case (1) 34.8%, Case (2) 19.8%, Case (3) 17.2%, Ref. 10.9% 순으로 높게 나타났다. 4.1절에서 검증한 것 같이 Case (1) 이 우수한 집열 성능으로 인해서 다른 Case에 비해서 월등히 높은 집열 효율을 보였다. 발전 효율은 큰 차이를 보이지는 않았지만 Case (1) 가장 높았다. 이 결과는 토대로 BIPVT 의 전체 효율은 발전성능 보다 집열성능에 의해서 더 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 PV 모듈의 발전량만을 측정하였고, 펌프의 에너지 소비는 제외하였다. 이는 3개의 각각 다른 집열기를 하나의 펌프로 병렬구조로 운영되고 있어, 실제 BIPVT의 펌프운전과는 상이한 조건을 가지고 있기 때문이다. 향후 연구에서는 펌프 소비 에너지를 고려한 효율 분석이 필요하다.

Fig. 6 Power output and combined efficiency of BIPVT.

5. 결 론

본 연구에서는 집열 구성이 다른 액체식 무창형 BIPVT집열기와 커튼월 구조를 같은 목업설비를 제작하여 열 및 전기 성능을 평가하였다. 분석방법은 개발한 PVT집열기 3가지와 이를 비교하기 위한 기준 모델인 BIPV를 포함한 총 4개의 모델을 목업설비에 정남향 수직면에 동일하게 설치하여 생산열량 및 발전량, 유량에 따른 열/전기 성능 등의 평가를 수행하였다.

동일한 실험 조건에서 PV모듈 후면의 표면온도가 BIPVT 보다 BIPV에서 높게 나타났다. 이는 건물일체형 태양에너지시스템에서 통기시스템이 없거나 잘 작동하지 않을 경우, BIPVT시스템이 BIPV시스템 보다 전기성능 측면에서도 유리할 수 있음을 의미한다. 또한, 개발한 BIPVT시스템에서 집열기 구성에 따라 열성능의 차이가 크게 나타났다. 이는 PV와 흡수판 또는 히트파이프의 열전달 매체는 같지만, 히트싱크와 동관 및 매니폴드의 재질 및 두께와 열전달 방식에 따른 열손실 영향으로 분석되었다. 건물에 적용된 액체식 무창형 BIPVT집열기에서 생산되는 열을 40℃이하의 저온 혹은 난방 및 급탕용 히트펌프의 열원으로 운영할 수 있다면 열생산량 증대와 함께 전기생산량에도 긍정적 영향을 주어, 종합효율에서 보다 높은 시스템 효율을 보일 것으로 판단된다.

본 연구를 통해 Case (1)의 구성이 가장 좋은 종합효율을 나타내었다. 하지만, Case (1)과 같은 기존 PVT의 경우 패널간 배관연결시 조인트가 발생하여 겨울철 누수가 발생할 우려가 크다. 이에 반해 Case (2)는 여러 패널간 연결시 하나의 배관으로 가능하므로, 누수의 위험이 적어 건물 외벽에 적용시 유리한 장점이 있고, 효율 또한, 19.8%로 건물 에너지효율 증대에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

이와 같이 BIPVT집열기는 집열기 구성에 따라 열 및 발전성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이번 실험결과를 바탕으로 BIPVT의 효율을 개선하기 위해 매니폴드 및 히트파이프, 열교환 면적, 길이 등을 보완하여 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.