서 론
연구의 목적
연구의 방법
CW.L-PVTs의 개요
흡열판 재질 선정 및 실험 환경 분석
흡열판 재질 선정
실험 환경 분석
실측실험에 따른 효율 분석
흡열판 재질에 따른 모듈 표면온도 분석
흡열판 재질에 따른 전기효율 분석
흡열판 재질에 따른 열효율 분석
결 론
서 론
연구의 목적
세계 각국은 온난화의 주범인 온실가스 발생을 억제하고자 교토의정서와 파리기후협약 등을 통해 노력하고 있다. 이에 우리나라 정부는 탄소중립위원회를 설립하여 국가 온실가스 감축 목표(Nationally Determined Contribution; NDC)를 2018년 대비 40% 감축하는 것을 목표로 설정하였으며, 이에 따라 건물 분야의 탄소 감축 목표치는 약 32.8%이다. 또한, 국토교통부는 2020년부터 ‘제로에너지건축 의무화 2030’을 시행하여 2030년까지 500㎡ 이상의 모든 건축물의 제로에너지건축 의무화를 목표로 하고 있다.
이에 따라 단열과 기밀성능 향상을 통해 에너지소비를 최소화하는 패시브(Passive)건축과 태양광과 지열 등 신재생에너지를 생산하는 액티브(Active)건축이 주목받고 있으며, 이 가운데 태양광을 이용한 신재생에너지시스템이 가장 유망한 화석연료의 대체 에너지원으로 인식되고 있다.
하지만, 태양광 발전은 패널 과열 시 효율이 저감되는 단점이 있으며 전기 생산에 국한되어 대안이 요구된다. 따라서 다른 대안 중 하나로 Kern and Russell (1978)에서 처음 제안된 PV패널 후면에 열에너지를 흡수하는 태양열 집열기를 부착하여 전기와 열을 동시에 생산하는 Photovoltaic Thermal System (PVT)이 주목을 받고 있다.
이에 본 연구의 선행연구 Kim and Hwang (2020)은 건축물 외벽면에 커튼월 방식으로 설치가 적합하도록 커튼월형 액체식 태양광·열시스템(Curtain Wall-Type Liquid-type Photovoltaic Thermal System; CW.L-PVTs)을 개발하였다. 하지만 제작된 CW.L-PVTs의 중량이 1개의 모듈당 약 40 kg으로 커튼월 방식으로 설치하기에 무리가 있을 것으로 판단되었으며, 이 가운데 대부분은 3 ㎜ 두께의 구리로 제작된 흡열판의 중량인 것으로 나타나 흡열판의 재질 변경이 필요한 것으로 판단되었다.
따라서, 본 연구는 CW.L-PVTs의 경량화를 위해 흡열판의 재질을 변경하고 이에 따른 효율 변화를 분석하기 위한 연구로서 흡열판 재질에 따른 실측실험을 실시하고 효율 변화를 최소화하기 위한 방안을 도출하였다.
연구의 방법
본 연구는 선행연구에서 개발된 CW.L-PVTs의 상용화를 위하여 경량화를 목적으로 흡열판의 재질을 변경하고 실측실험을 통하여 재질에 따른 모듈 표면온도 변화와 열 및 전기효율을 산출하여 비교 분석한 연구로서 연구의 순서와 방법은 다음과 같다.
1)CW.L-PVTs의 원리와 구성 그리고 상세 제원에 대하여 분석하였다.
2)국내외 PVT의 흡열판 재질의 종류와 열전도율 그리고 밀도를 조사·분석하여 연구에서 개발된 CW.L-PVTs의 경량화에 적합한 흡열판 재질을 선정하고 경량화된 CW.L-PVTs를 시제작 하였다.
3)기존 구리 흡열판으로 제작된 모듈과 알루미늄으로 제작된 모듈을 ISO9806 집열기 열 성능 시험방법 기준에 적합하도록 옥외에 구축된 실험장치를 이용하여 실측을 실시하였다.
4)실험장치를 이용하여 수집된 데이터를 이용하여 흡열판 재질에 따른 모듈 표면온도와 열 및 전기효율을 비교 분석하여 경량화된 CW.L-PVTs의 성능을 평가하였다.
CW.L-PVTs의 개요
CW.L-PVTs는 Figure 1과 같이 PV모듈과 태양열 집열장치가 결합된 형태로 구성된다. PV모듈 후면에 부착된 흡열판은 순환매체인 액체를 이용하여 PV모듈의 온도를 낮춰 전기성능을 개선하고, 열에너지를 생산하는 기능을 갖는다. 따라서, L-PVT는 기존 PV모듈에 태양열 집열기를 결합하였기에 PV모듈과 태양열 집열기를 개별적으로 설치하는 것에 비하여 설치면적을 효과적으로 줄일 수 있어 기존 시스템의 설치면적에 비해 에너지생산 효율이 높은 신재생에너지시스템이다.
커튼월형 L-PVTs (CW.L-PVTs)는 수직면 기준 15°로 1Set 당 24개의 PV Cell이 적용되었으며 후면에는 열매체(냉각수)가 흐르는 8 ㎜의 동관이 동일한 간격으로 8line이 적용되었다. 제작된 모듈 CW.L-PVTs의 Case와 PV모듈 그리고 흡열판은 Figure 1과 같이 제작되었으며 제원 상세는 Table 1과 같다.
Table 1.
Specification details of the CW.L-PVTs
흡열판 재질 선정 및 실험 환경 분석
흡열판 재질 선정
CW.L-PVTs의 흡열판은 3 ㎜의 구리 재질로 이루어져 있으며, 중량은 약 21 kg이다. CW.L-PVTs의 총 무게는 약 40 kg으로 모듈의 중량 중 흡열판의 중량이 약 50%를 차지하여 모듈의 경량화를 위해서는 흡열판의 경량화가 필요한 것으로 판단되었다.
Dai (2009)에 따르면 국내·외 액체식 PVT의 흡열판은 크롬, 티타늄, 알루미늄, 구리로 제작되는 것으로 조사되었으며, 각 재질의 열전도율과 밀도는 Table 2와 같다.
Table 2.
Thermal conductivity and density by absorber plate material
| Material |
Thermal conductivity (W/m·K) = (A) |
Density (g/㎤) = (B) | (A) / (B) |
| Chrome (Cr) | 93.7 | 7.19 | 13.0 |
| Titanium (Ti) | 230 | 4.51 | 51.0 |
| Aluminum (Al) | 237 | 2.70 | 87.8 |
| Copper (Cu) | 401 | 8.96 | 44.8 |
TRNSYS 에너지해석을 이용하여 흡열판의 두께가 동일한 것으로 가정했을 경우 각 흡열판의 재질별 에너지생산량의 차이는 최대 약 3% 내외로 산출되었다. 이에 흡열판은 열전도율도 중요하나 두께도 에너지생산효율에 영향을 미칠 것으로 예상하였다.
하지만 구리는 두께가 3 ㎜ 이하로 얇아질 경우 강성과 열 내구성이 낮아 레이저용접을 이용한 냉각수관의 부착과 흡열판과 모듈의 접착이 어렵다.
Table 2의 재질 중 크롬과 티타늄 그리고 알루미늄은 강성이 높아 성형이 자유로운 장점이 있다. 따라서, 본 연구는 밀도대비 열전도율이 가장 높은 알루미늄을 선정하여 흡열판으로 제작하였으며, 제작된 알루미늄 흡열판은 0.3 ㎜로 기존 3 ㎜에 비하여 두께가 90% 감소되었다. 이를 이용하여 제작된 CW.L-PVTs는 Figure 2와 같고 중량은 기존 Cu흡열판으로 제작된 모듈보다 38% 감소된 약 25 kg이다.
실험 환경 분석
실측실험을 위한 환경은 대구광역시 K대학의 건물 옥상에 구축하였으며, CW.L-PVTs의 운전을 위해 구축된 실험장비는 ASHRAE (1991)과 KS B ISO 9806 (Korean Standards Association, 2016)의 시험방법에 적합하도록 Kim et al. (2009)의 연구를 참고하여 Figure 3과 같이 열매체의 온도를 제어하는 칠러 열교환기 그리고 유량을 제어하는 순환 펌프로 구성되었다. 실측 장비는 Table 3과 같이 기상변수를 측정하는 일사계와 온도계가 설치되었으며, 모듈에 유입되는 유량을 측정하는 유량계와 유입수와 유출수의 온도를 측정하는 RTD센서 그리고 모듈 표면의 온도를 측정하는 써모커플이 설치되었고 실측 장비에서 측정된 데이터를 수집하는 데이터로거와 파워미터를 설치하였다.
Table 3.
Specifications of the measurement equipment
CW.L-PVTs를 설치하기 위한 거치대는 모듈이 총 3대 거치되며 수직(90°) 각도부터 수평(180°) 각도까지 설정이 가능하고 좌우로 45°씩 각도 설정이 가능하도록 제작되었으며, 정남향으로 설치되어 남서향부터 남동향까지 설정이 가능하도록 설치하였다.
실측실험에 따른 효율 분석
흡열판 재질에 따른 모듈 표면온도 분석
흡열판 재질에 따른 모듈의 표면온도 변화를 비교 분석하기 위하여 Figure 4와 같이 모듈 후면 동관의 경로를 고려하여 동관이 직접적으로 영향을 주는 2곳과 동관과 동관 사이에 간접적으로 영향을 주는 2곳 그리고 모듈의 중앙 1곳 총 5곳의 측정점을 선정하였다.
흡열판의 재질에 따라 열흡수와 전달 그리고 방출량이 달라 표면온도의 차이가 분명할 것으로 예상하였으나 실측일의 일간 표면온도 측정결과 Figure 4에 선정된 측정점 간의 차이는 매우 적은 것으로 나타나 Table 4와 같이 시간별 평균 모듈 표면온도를 산출하여 비교하였다.
Table 4.
Average module surface temperature by material (℃)
평균 모듈 표면온도는 외기온과 일사량이 높아지는 12시~16시 사이에 Cu재질의 흡열판보다 Al재질의 흡열판으로 제작된 PVT모듈의 표면온도가 평균 2.3% 낮은 것으로 나타났다.
일간 평균 모듈 표면온도는 Cu재질이 16.2℃이고 Al 재질은 16.0℃로 Al 재질이 Cu 재질보다 약 1.3% 낮은 것으로 나타났다.
따라서, 모듈의 온도 차이는 낮아 전기효율의 차이는 적을 것으로 판단되지만 Al 재질의 흡열판이 Cu재질보다 모듈의 열을 빠르게 제거하여 열효율의 차이는 다소 있을 것으로 판단되었다.
흡열판 재질에 따른 전기효율 분석
흡열판 재질에 따른 전기에너지생산 효율을 분석하기 위하여 일사량상관계수에 따른 각 모듈의 전기에너지생산 효율을 산출하여 Figure 5와 같이 나타냈다. 또한, 선형 그래프에 대한 수식을 (1), (2)와 같이 도출하여 효율계수(η)와 획득계수(ζ)를 비교하였다.
흡열판 재질이 구리(Cu)인 경우 전기효율계수()는 0.12이고 전기손실계수()는 +0.08로 산출되었고 알루미늄(Al)인 경우 는 0.12이고 는 0.18로 산출되었다.
Cu와 Al의 전기효율계수는 약 0.12로 Al의 전기효율계수가 Cu에 비하여 약 1% 높은 것으로 분석되었으나 전기손실계수가 +0.08과 +0.18로 Al은 Cu보다 일사량상관계수가 증가함에 따른 전기에너지획득이 125% 높은 것으로 나타났다.
따라서, Al 흡열판의 경우 외기온과 일사량이 높아 일사량상관계수가 클수록 전기에너지생산 효율이 Cu 흡열판 보다 높아지는 것으로 나타났으며 이는 Al의 경우 Cu보다 열전도율은 낮으나 두께가 0.3 ㎜로 얇기에 열전도가 빨라 PV셀의 열을 신속하게 제거하여 Al 흡열판의 CW.L-PVTs가 효율이 더 높은 것으로 판단된다.
: Solar radiation of slope (W/㎡)
: Inlet fluid temperature (℃)
: Outlet fluid temperature (℃)
: Fluid mean temperature (()/2) (℃)
흡열판 재질에 따른 열효율 분석
흡열판 재질에 따른 모듈의 열에너지생산 효율은 Figure 6과 같이 나타났고 선형 그래프에 대한 수식은 (3), (4)와 같이 도출되었다.
흡열판 재질이 구리(Cu)인 경우 열효율계수()는 0.34이고 열손실계수()는 4.88로 산출되었고 알루미늄(Al)인 경우 는 0.36이고 는 5.34로 산출되었다.
Cu와 Al의 열효율은 0.02 차이로 Al의 열효율이 Cu에 비하여 약 6% 높은 것으로 나타났고, 열손실계수는 0.46차이로 Al이 Cu보다 일사량상관계수가 증가함에 따른 열에너지획득이 약 9.4% 높은 것으로 나타났다.
Al 흡열판으로 제작한 CW.L-PVTs 모듈은 Cu에 비하여 외기온도와 일사량이 높을수록 열에너지생산 효율이 향상될 것으로 예상되었으나 Figure 6과 같이 일사량상관계수에 크게 관계없이 Al 흡열판의 CW.L-PVTs가 효율이 약 6% 높은 것으로 나타났다.
이는 일사량과 외기온도의 영향으로 높아진 PV모듈의 열을 Cu 흡열판보다 빠르게 흡수하기 때문인 것으로 판단되며, CW.L-PVTs의 열에너지생산은 PV모듈에 비하여 일사량에 영향을 적게 받기에 일사량상관계수 증감과 관계없이 일정하게 Al 흡열판으로 제작된 CW.L-PVTs모듈의 효율이 높은 것으로 판단된다.
: Solar radiation of slope (W/㎡)
: Inlet fluid temperature (℃)
: Outlet fluid temperature (℃)
: Fluid mean temperature (()/2) (℃)
결 론
본 연구는 건축물 외벽면의 커튼월에 설치가 적합하도록 제안 및 개발된 커튼월형 액체식 태양광열시스템(CW.L-PVTs)의 경량화를 위하여 3 ㎜의 구리 흡열판을 0.3 ㎜의 알루미늄 흡열판으로 대체하여 시제작하고 옥외 실험장치를 이용하여 ISO9806 태양열집열기 열효율 시험방법에 따라 실측실험을 실시하고 각 재질별 열 및 전기효율을 비교 분석한 연구로서 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)기존 CW.L-PVTs 모듈은 약 40 kg이고 그 가운데 구리재질로 제작된 흡열판의 중량이 약 21 kg으로 CW.L-PVTs의 경량화를 위해서는 흡열판의 경량화가 중요하다고 판단되었다. 따라서 국내외 선행연구 조사를 통해 PVT의 흡열판 재질과 열전도율 및 밀도를 분석하여 구리 흡열판의 대체 재질로 가볍고 성형이 간편한 알루미늄을 선정하였다.
(2)Al 재질의 흡열판을 제작하고 CW.L-PVTs에 적용하여 기존 Cu 재질의 흡열판이 적용된 CW.L-PVTs와 열 및 전기효율을 비교하기 위하여 옥외 실험장치에 동시에 설치하여 ISO9806 시험방법에 따라 실측실험을 실시하였다.
(3)Cu와 Al의 전기효율계수는 약 0.12로 Al의 전기효율이 Cu에 비하여 약 1% 높은 것으로 분석되었으나 전기손실계수가 +0.08과 +0.18로 Al은 Cu보다 일사량상관계수가 증가함에 따른 전기에너지획득이 125% 높은 것으로 나타났다. 이는 Al 재질의 경우 Cu보다 열전도율은 낮으나 두께가 0.3 ㎜로 얇기에 PV셀의 열을 신속하게 제거하여 Al 재질의 CW.L-PVTs 효율이 더 높은 것으로 판단된다.
(4)Cu와 Al의 열효율계수는 0.34와 0.36으로 Al의 열효율이 Cu보다 약 6% 높은 것으로 나타났고, 열손실계수는 0.46차이로 Al이 Cu보다 일사량상관계수가 증가함에 따른 열에너지획득이 약 9.4% 높은 것으로 나타났다. 또한, CW.L-PVTs의 열에너지생산은 PV모듈에 비하여 일사량에 영향을 적게 받기에 일사량상관계수 증감과 관계없이 Al 재질 흡열판으로 제작된 CW.L-PVTs모듈의 효율이 Cu 재질보다 일정하게 높은 것으로 판단된다.
본 연구의 실험 결과를 정리하면 Al흡열판의 경우 Cu흡열판에 비하여 열전도율이 낮아 열 및 전기성능의 저하를 예상하였으나 Al흡열판은 성형이 자유로워 두께를 0.3 ㎜로 제작하였기에 Cu흡열판에 비하여 열을 신속하게 전도하여 열 및 전기성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 모듈의 중량이 Cu흡열판 대비 38% 감소한 25 kg으로 경량화하였다.
추후, 본 연구에서 개선된 CW.L-PVTs의 커튼월 설치를 위한 커튼월 프레임과 결착 방법과 부속품에 따른 모듈의 외형 개선과 냉각수관의 설계를 하고 Prototype의 CW.L-PVTs을 제작하여 커튼월 설치에 따른 시공성과 안전성 그리고 다수의 모듈 설치에 따른 에너지성능을 면밀하게 분석할 필요가 있다고 판단된다.
