서 론
연구의 목적
연구의 방법
액체식 태양광·열 시스템(L-PVTs)
액체식 태양광·열 시스템의 개요
L-PVTs의 구성요소
에너지생산 효율에 미치는 환경변수
L-PVTs 구성요소에 따른 에너지생산량 분석
구성요소의 설정
구성요소에 따른 에너지생산량 분석
환경변수에 따른 L-PVTs 최적안의 에너지생산량 분석
최적 L-PVTs 제안 및 환경변수 설정
환경변수에 따른 L-PVTs의 에너지생산량 분석
제안된 L-PVTs의 적용 및 평가
대상건물 선정 및 변수
대상건물의 에너지해석 및 L-PVTs 용량 산정
L-PVTs의 적용 및 분석
결 론
서 론
연구의 목적
최근 지구온난화현상의 영향으로 전 세계적으로 기상이변이 속출하고 있다. 이에 세계 각국은 온난화의 주범인 온실가스 발생을 억제하기 위하여 교토의정서 파리기후협약 등을 통해 노력하고 있다. 이에 우리나라도 온실가스 발생의 주범인 화석연료 사용을 줄이고자 신재생에너지 보급 확대를 위하여 2005년부터 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’을 실시하였으며, 동법 시행령 ‘공공기관 신재생에너지 설치의무화 제도’에 따라 공공기관 건물은 예상에너지사용량의 일정 비율이상을 신재생에너지원으로 대체하여 공급하도록 하고 있다.
화석연료의 대체 에너지원 가운데 무한한 청정에너지이며, 소음 등 공해가 발생하지 않아 특히 주목받는 태양에너지를 이용하는 태양광, 태양열시스템을 복합 적용하여 개발된 태양광·열 시스템(PVT : Photovoltaic Thermal, 이하 PVT)은 기존 개별 시스템에 비하여 설치면적 대비 에너지생산량이 높고 전기, 열에너지를 동시에 생산하는 장점이 있어, 설치면적이 제한적이고 에너지사용 형태가 다양한 건물에 효율적이다.
그러나 현재까지 PVT시스템에 관한 연구는 기계적 성능향상과 검증을 위한 연구가 주로 진행되어 기존 신재생에너지시스템 보다 우수한 성능은 여러 차례 검증되었으나 건물적용에 관한 연구가 부족하여 상용화에 어려움이 있는 것으로 판단된다.
이에 본 연구는 건물에 PVT시스템의 최적 적용과 상용화를 위하여, PVT시스템의 에너지생산량을 분석하고 건물적용 사례분석을 실시하여, 국가정책 수행의 일환으로 신재생에너지 보급촉진을 위하여 시행중인 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’에 반영할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다..
연구의 방법
본 연구는 전기와 열에너지를 동시에 생산하며, 설치면적이 작아 건물에 효율적인 PVT시스템의 에너지생산량을 에너지해석을 통해 분석하고 건물적용 사례연구를 실시하고자 하였으며, 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다.
1) 선행연구 분석을 통하여 PVT시스템의 구성요소와 에너지생산에 영향을 미치는 환경변수를 조사하였다.
2) TRNSYS를 이용하여 액체식 PVT시스템 구성요소별 에너지생산량을 산출하여 비교·분석하고 그 가운데 가장 효율이 우수한 구성요소를 조합하여 최적의 PVT시스템을 제안하였다.
3) PVT시스템의 에너지생산 효율에 영향을 미치는 외기온도와 일사량 및 유입수온도에 따른 에너지해석을 실시하여 에너지생산량을 비교·분석하였다.
4) 대상건물을 선정하고 제안한 PVT시스템을 적용한 후 TRNSYS를 이용하여 PVT시스템의 계절별 에너지생산량을 분석하였다.
액체식 태양광·열 시스템(L-PVTs)
액체식 태양광·열 시스템의 개요
액체식 태양광·열 시스템(Liquid type Photovoltaic Thermal System, 이하 L-PVTs)은 Figure 1과 같이 PV모듈과 태양열 집열장치를 결합한 형태로 구성되며, 열흡수판은 PV모듈을 순환매체인 액체를 이용하여 태양광 패널의 온도를 낮추어 전기성능을 개선하고, 열에너지를 집열하는 기능을 갖는다. 따라서, 전기와 열에너지를 동시에 생산하며 기존 PV시스템에 태양열 집열기가 결합되어 태양광시스템과 태양열 집열기를 개별적으로 설치하는 것에 비하여 설치면적을 줄일 수 있어 기존 시스템의 설치면적대비 에너지생산 효율을 증가시킬 수 있는 신재생에너지시스템이다.
L-PVTs의 구성요소
선행연구 및 문헌을 통하여 제품으로 출시되었거나 시제작하여 실험 및 연구를 실시한 L-PVTs를 조사하여, 시스템을 구성하고 있는 각 부위의 다양한 요소를 조사하여 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1. Components of L-PVTs
L-PVTs의 유리커버는 철의 함유량이 매우 적어 투과율이 높은 유리를 사용하며 커버의 유·무에 따라 glazed형과 non-glazed형으로 구분된다. 흡열판의 재질은 구리와 알루미늄 그리고 두랄루민으로 열전도율이 높은 구리가 많이 사용되나 해외의 제품 가운데 두랄루민을 사용하는 경우도 있으며, 하부 단열재는 글라스울과 경질우레탄폼을 사용하는 것으로 나타났다.
에너지생산 효율에 미치는 환경변수
L-PVTs는 높은 일사량과 주변온도 등의 영향을 받아 표면온도가 상승하게 되면, 후면에 부착된 흡열판 및 열교환기에 의해 열이 흡수되고 PV모듈은 냉각되어 전기효율이 개선된다. 선행연구를 살펴보면 강준구 외 3인은 평판형 액체식 Glazed PVT 모듈을 설계, 제작하고 성능실험을 실시하여 모듈 성능에 영향을 주는 요소 중 유입수온도와 외기온도가 집열성능에 큰 영향을 미치며, 전기성능은 일사량에 지배적인 영향을 받는 것으로 분석하였다.
또한, L-PVTs의 전기효율(𝜂el)은 집열면적(Aput)의 일사량(G)에 대한 전기에너지생산량(Im·Vm)의 비율로 산출되며, 열효율(𝜂th)은 집열매체의 비열(Cp)과 유량() 그리고 집열매체의 유입수온도(Ti)와 유출수온도(To)의 차이에 비례하며 다음 식 (1)~(4)와 같이 산출된다.
| $$Q_1=A_{put}\times G$$ | (1) |
| $$Q_2=\overset\cdot{\mathrm m}C_p(T_o-T_i)$$ | (2) |
| $$\eta_{th}=Q_2/Q_1=\overset\cdot{\mathrm m}C_p(T_o-T_i)/A_{put}\times G$$ | (3) |
| $$\eta_{el}=(I_mV_m)/(A_{put}G)$$ | (4) |
선행연구와 L-PVTs의 전기 및 열효율 산출식을 통하여 L-PVTs의 에너지생산 효율에 미치는 환경변수는 다양하나 그 가운데 외기온도와 유입수온도 그리고 일사량이 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
L-PVTs 구성요소에 따른 에너지생산량 분석
구성요소의 설정
L-PVTs의 기본모델은 Table 2와 같으며, 앞서 조사된 L-PVTs의 구성요소 중 유리커버는 Low-iron (3.2 ㎜), 흡열판은 구리(Cu, 3 ㎜), 보온재는 글라스울(Gw, 0.3 m)을 기준으로 설정하고 Table 3과 같이 Type.1은 유리커버의 유·무, Type.2는 흡열판의 재질, Type.3은 보온재의 재질을 변수로 설정하였다. 에너지해석을 위하여 지역 기상 변수는 남부지역에 해당하는 울산 기상데이터를 적용하였으며, 연간에너지생산량을 산출하여 비교·분석하였다.
Table 2. Basic types of L-PVTs
Table 3. Setting the elements of L-PVTs by type
구성요소에 따른 에너지생산량 분석
L-PVTs의 구성요소에 따른 월 평균 에너지생산량은 TRNSYS17 에너지해석 프로그램에서 제공하는 PVT모듈 ‘Type560’ 모델을 이용하여 Table 4와 같이 산출하였으며, 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월), 겨울(12~2월)로 구분하여 계절에 따른 에너지생산 특성을 비교·분석하였다.
Table 4. Energy production according to components (Wh)
유리커버 유·무(Type.1)
유리커버 유·무에 따른 L-PVTs의 계절별 에너지생산량은 Figure 2와 같이 산출되었다.
Low-iron 강화유리커버가 적용되었을 때 계절별 전기에너지생산량(Wh)은 봄 2,604, 여름 2,061, 가을 2,447, 겨울 2,385이며, 열에너지생산량(Wh)은 봄 10,535, 여름 20,707, 가을 12,100, 겨울 5,839이다.
또한 유리커버가 적용되지 않은 경우 전기에너지생산량은 봄 2,609, 여름 2,063, 가을 2,452, 겨울 2,391이며, 열에너지생산량은 봄 10,070, 여름 20,537, 가을 11,684, 겨울 5,420으로 유리커버의 유·무는 봄과 가을부터 겨울까지 외기온이 낮을수록 열에너지생산 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
연간전기에너지생산량은 Non-glazed가 약 0.2% 많은 것으로 나타났으나 연간열에너지생산량은 Low-iron 강화유리가 적용되었을 때 약 3% 에너지생산량이 많은 것으로 나타났다.
흡열판 재질(Type.2)
흡열판 재질에 따른 L-PVTs의 계절별 에너지생산량은 Figure 3과 같이 산출되었다.
흡열판의 재질로 구리가 적용되었을 때 계절별 전기에너지생산량(Wh)은 봄 2,604, 여름 2,061, 가을 2,447, 겨울 2,385이며, 열에너지생산량(Wh)은 봄 10,403, 여름 20,707, 가을 12,100, 겨울 5,839이고, 흡열판의 재질을 알루미늄으로 적용했을 때 전기에너지생산량은 봄 2,601, 여름 2,058, 가을 2,444, 겨울 2,383이며, 열에너지생산량은 봄 10,403, 여름 20,448, 가을 11,949, 겨울 5,767이다.
또한, 두랄루민 적용 시 전기에너지생산량은 봄 2,599, 여름 2,056, 가을 2,441, 겨울 2,381이며, 열에너지생산량은 봄 10,282, 여름 20,210, 가을 11,809, 겨울 5,700으로 산출되어 흡열판의 재질은 외기온이 높아 열전도가 활발한 여름철의 열에너지생산에 영향을 미치는 것으로 나타나 흡열판의 재질은 외기온이 높은 여름철에 L-PVTs의 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
연간전기에너지생산량은 구리 적용 시 두랄루민을 적용하였을 때보다 약 0.2% 많고, 연간열에너지생산량은 약 2.4% 많은 것으로 나타나 구리 적용 시 L-PVTs의 에너지생산효율이 가장 우수한 것으로 나타났다.
보온재 재질(Type.3)
보온재 재질에 따른 L-PVTs의 계절별 에너지생산량은 Figure 4와 같이 산출되었다.
보온재 재질에 따른 계절별 전기에너지생산량은 변화가 없었으며, 열에너지생산량(Wh)은 글라스울 적용 시 봄 10,535, 여름 20,707, 가을 12,100, 겨울 5,839이며, 경질우레탄폼 적용 시 봄 10,514, 여름 20,650, 가을 12,073, 겨울 5,831로 산출되어 보온재의 재질은 계절에 따른 에너지생산량과 연간전기에너지생산량에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났고, 연간열에너지생산량은 약 0.2% 차이로 글라스울의 효율이 우수한 것으로 나타났다.
환경변수에 따른 L-PVTs 최적안의 에너지생산량 분석
최적 L-PVTs 제안 및 환경변수 설정
환경변수에 따른 L-PVTs의 에너지생산량을 분석하기 위하여 앞선 L-PVTs 구성요소 가운데 최적의 L-PVTs를 다음 Table 5와 같이 제안하였다.
Table 5. Suggested optimal L-PVTs model
또한, 액체식 L-PVTs의 환경변수에 따른 에너지생산량을 분석하기 위하여 에너지해석변수를 신재생에너지설비심사 세부기준인 ‘KS B ISO 9806 태양열집열기 열효율시험’을 참고하여 Table 6과 같이 설정하였다. 유입수온도는 (C-1)과 같이 10~70℃범위에서 5℃간격으로 설정하였고, 외기온도는 (C-2)와 같이 5~40℃범위에서 5℃간격으로, 일사량은 (C-3)과 같이 300~1,000 W/㎡범위에서 50 W/㎡간격으로 설정하였다.
Table 6. Variable settings for energy analysis
환경변수에 따른 L-PVTs의 에너지생산량 분석
유입수온도 변화 시(C-1)
유입수온도 변화에 따른 L-PVTs의 전기, 열에너지생산량은 Figure 5와 같이 산출되었으며, 전기에너지생산량은 유입수온도가 10℃일 때 383 W, 70℃일 때 305 W로 각각 최대, 최소값으로 산출되어 유입수온도가 5℃씩 증가함에 따라 생산량은 약 6.5 W 감소하였다.
열에너지생산량은 유입수온도가 10℃일 때 1,515 W, 60℃일 때 131 W로 각각 최대, 최소값으로 산출되어 유입수온도가 5℃씩 증가함에 따라 생산량은 약 138 W 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 유입수온도가 65℃이상 일 때는 유출수온도가 유입수온도보다 낮아 에너지가 손실되는 것으로 나타났다.
외기온도 변화 시(C-2)
외기온도 변화에 따른 에너지생산량은 Figure 6과 같이 산출되었으며, 전기에너지생산량은 외기온도가 5℃일 때 371 W, 40℃일 때 359 W로 각각 최대, 최소값으로 산출되어 외기온도가 5℃씩 증가함에 따라 1.7 W 감소하는 것으로 나타났다.
열에너지생산량은 외기온도가 5℃일 때 1,185 W, 40℃일 때 1,647 W로 각각 최소, 최대값으로 산출되었으며, 외기온도가 5℃씩 증가함에 따라 66 W 증가하는 것으로 나타났다.
일사량 변화 시(C-3)
일사량 변화에 따른 에너지생산량은 Figure 7과 같이 산출되었으며, 전기에너지생산량은 일사량이 300 W/㎡일 때 124 W, 1,000 W/㎡일 때 409 W로 각각 최소, 최대값으로 산출되어 일사량이 50 W/㎡씩 증가함에 따라 20 W 증가하는 것으로 나타났다.
열에너지생산량은 일사량이 300 W/㎡일 때 252 W, 1,000 W/㎡일 때 1,416 W로 각각 최소, 최대값으로 산출되었으며, 일사량이 50 W/㎡씩 증가함에 따라 83 W 증가하는 것으로 나타났다.
제안된 L-PVTs의 적용 및 평가
L-PVTs 건물적용 시 다양한 환경, 기상조건에 따른 에너지생산량을 알아보고자 대상 건물을 선정 후, 대상건물의 에너지사용량에 따라 L-PVTs의 용량을 산정하고 국내 남부지역에 해당하는 울산의 기상데이터를 적용하여 연간에너지생산을 산출하고 비교·분석하였다.
대상건물 선정 및 변수
대상건물은 ‘공공기관의 신재생에너지 설치의무화 제도’에 준하여 공공업무시설로 선정하였으며, 건축면적 약 5,000 ㎡인 중규모 업무시설 건물로, 기본모델의 구성과 운영조건은 Figure 8 및 Table 7과 같다.
Table 7. Configuration overview and the operation conditions of the subject structure
대상건물의 에너지해석 및 L-PVTs 용량 산정
대상건물의 총예상에너지사용량은 8,560,854 kWh이며, 조명과 환기를 포함한 연간 전기사용량은 총예상에너지사용량의 60%로 나타났고, 난방에너지의 비율은 16%, 냉방 20%, 급탕 4%로 산출되었다. 업무시설의 에너지사용특성은 Figure 9와 같이 전기사용량이 많고 비교적 일정하며, 급탕에너지의 사용비율은 매우 낮은 것으로 나타났다.
대상건물의 신재생에너지 의무설치량은 ‘공공기관의 신재생에너지 설치의무화 제도’에 준하여 2018년 기준 총예상에너지사용량의 24%인 2,054,605 kWh이며, 이를 L-PVTs로 충당하기 위한 설치용량은 Figure 5의 제안한 최적 L-PVTs 모델에 우리나라 평균 유입수온도(원수온도, 20℃)와 외기온도(10℃) 그리고 일사량(900 W/㎡)을 적용했을때 총에너지생산량인 1,620 W(전기에너지:369 W, 열에너지:1,251 W)와 일평균 시스템운영시간(3.3시간)을 기준으로 연간 단위에너지생산량 1.951 kWh/㎡·yr을 산출하였다.
따라서 대상건물의 L-PVTs 설치용량은 건물의 설치가능면적을 고려하지 않고 신재생에너지 의무설치량에 대한 L-PVTs 단위에너지생산량의 비로 산출하여 1,075 ㎡으로 산정하였다.
L-PVTs의 적용 및 분석
대상건물에 1,075 ㎡의 L-PVTs를 적용 후, 에너지해석을 실시하여 월평균 에너지생산량이 Figure 10과 같이 산출되었다.
대상건물에 적용된 L-PVTs의 전기에너지생산량은 기온이 높고 강수량이 많은 여름철 중 7월 중순에서 8월 중순까지 608 ~ 830 kWh로 에너지생산효율이 낮은 것으로 나타났으나 이를 제외한 월평균생산량은 1,013 ~ 1,188 kWh로 비교적 일정한 것으로 나타났다.
열에너지생산량은 외기온도에 많은 영향을 받아 여름철에 월평균 6,683 ~ 8,828 kWh로 효율이 가장 좋고 겨울철은 월평균 1,695 ~ 2,537 kWh로 효율이 가장 낮았으며, 기상변화에 따른 에너지생산 변화폭이 매우 큰 것으로 나타났다.
대상건물의 에너지사용 용도별 신재생에너지 의무공급량과 L-PVTs의 전기, 열에너지 생산량을 Figure 11과 같이 비교하였다. 여름철 L-PVTs의 전기에너지생산량이 85,419 kWh로 가장 낮으나 열에너지생산량이 664,145 kWh로 타 계절에 비하여 약 2.3배 높아 L-PVTs의 총에너지생산량은 대상건물 신재생에너지 의무공급량보다 33%초과한 것으로 나타났다. 이는 여름철 높은 외기온과 일사량의 영향으로 L-PVTs의 집열효율이 높기 때문인 것으로 사료된다. 겨울철은 열에너지생산량이 175,209 kWh로 타 계절 평균보다 62% 낮은 것으로 나타나 L-PVTs 총에너지생산량이 의무공급량의 51%로 사계절 중 시스템 효율이 가장 낮은 것으로 나타났다. 환경변수에 의한 L-PVTs의 전기에너지생산량은 비교적 일정하나 열에너지생산량은 외기온에 많은 영향을 받기에 계절별 편차가 매우 큰 것으로 나타났다.
업무시설인 대상건물은 전기사용량이 총에너지사용량의 60%로 높고 난방 및 급탕의 사용량은 20%로 낮은 에너지사용 특성으로 외기온이 높아 열효율이 높은 여름철은 건축물에서 요구되는 난방 및 급탕에너지가 매우 낮으며, 겨울철은 외기온이 낮아 열에너지생산량이 낮으나 난방 및 급탕에너지요구량은 높다. 따라서 다양한 건물의 에너지사용 특성에 따라 계획적인 L-PVTs의 설치가 필요할 것으로 사료된다.
또한 대상건물 L-PVTs의 연간 전기에너지생산량은 390,563 kWh, 열에너지생산량은 1,547,063 kWh으로 대상건물의 신재생에너지 의무공급량인 2,054,605 kWh를 약 5.7% 충족시키지 못하는 것으로 나타났다. 이는 대상건물 에너지해석 시 실제 기상데이터가 적용되어, 외기온도와 일사량 외에 L-PVTs의 효율에 영향을 미치는 태양복사열, 강수량 등 다양한 기상요소가 작용한 요인으로 사료된다.
결 론
본 연구는 L-PVTs의 구성요소와 환경변수에 의한 에너지생산량을 분석하고 최적의 L-PVTs를 제안한 후 대상건물을 선정하여 최적의 L-PVTs를 적용한 에너지생산량을 분석한 연구로써 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 국내·외 선행연구와 문헌을 통해 L-PVTs의 구성요소를 조사하여, 유리커버는 Low-iron강화유리, 흡열판은 구리와 알루미늄 그리고 두랄루민, 단열재는 글라스울과 경질우레탄폼을 많이 사용하는 것으로 나타났다. 또한 L-PVTs의 에너지생산에 영향을 미치는 환경변수는 외기온도와 유입수온도 그리고 일사량인 것으로 조사되었다.
(2) L-PVTs의 각 구성요소에 따른 에너지생산량을 산출하여 비교분석한 결과 유리커버가 적용되었을 때 겨울철 열에너지생산효율을 증가시키며, 흡열판은 여름철 전기와 열에너지생산효율에 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 보온재는 에너지생산효율에 영향이 낮은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 구리 흡열판, 글라스울 보온재, Low-iron 강화유리가 적용된 최적 L-PVTs를 제안하였다.
(3) 최적 L-PVTs의 에너지생산량을 분석하기 위하여 유입수온도와 외기온도 그리고 일사량을 대상으로 변수를 설정하여 TRNSYS를 이용한 에너지해석을 실시하였으며, L-PVTs의 전기에너지생산량은 유입수온도가 5℃씩 증가함에 따라 6.5 W 감소하고, 외기온도가 5℃씩 증가함에 따라 1.7 W 감소하며 일사량이 50 W/㎡씩 증가함에 따라 20 W 증가하였다. 열에너지생산량은 유입수온도가 5℃씩 증가함에 따라 138 W 감소하였으며, 외기온도가 5℃, 일사량이 50 W/㎡씩 증가함에 따라 각각 66 W, 83 W 증가하는 것으로 산출되었다.
(4) 대상건물에 제안된 최적 L-PVTs를 적용 후, 에너지해석을 실시하였으며, 연간 전기에너지생산량은 강수량이 많고 기온이 높아 패널의 온도가 상승하여 PV패널 효율이 낮은 7월 중순에서 9월 중순을 제외하면 월평균 생산량은 1,013 ~ 1,188 kWh로 비교적 일정한 것으로 나타났다. 연간 열에너지생산량은 여름철은 월평균 683 ~ 8,828 kWh이며, 겨울철은 월평균 1,695 ~ 2,537 kWh로 기상변화에 따른 에너지생산 변화폭이 매우 큰 것으로 나타났다.
(5) 계절별 L-PVTs의 전기에너지생산량은 비교적 일정하였으나, 열에너지생산량은 연평균 386,776 kWh에 비하여 여름철은 72% 높았으며, 겨울철은 45%낮은 것으로 나타났다. 또한 L-PVTs의 총에너지생산량은 대상건물의 신재생에너지 의무공급량보다 약 5.7% 미흡한 것으로 나타났으며, 이는 대상건물 에너지해석 시 실제 기상데이터가 적용되어 다양한 기상요소가 작용한 요인으로 사료된다.
추후, L-PVTs에서 생산되는 에너지의 효율적인 사용을 위한 축열조, ESS 및 Heat pump 등을 추가 연계하여 건축물용도에 따라 최적 적용할 수 있는 설계지침 개발을 위하여 L-PVTs의 건축물 최적 적용에 대한 연구가 필요한 것으로 사료된다.
