서 론
연구의 목적
연구의 방법
태양에너지시스템의 개요
태양광 시스템(Photovaltic system; PV)
태양열 시스템(Solar Thermal system; ST)
태양광·열 시스템(Photovoltaic Thermal System; PVT)
대상건축물 선정 및 개요
대상건축물 선정
대상건축물의 운영스케줄
TRNSYS를 이용한 에너지해석
대상건축물의 모델링과 태양에너지시스템 설치 면적 산출
각 시스템의 기본 모델 선정 및 에너지생산량
태양에너지시스템별 성능 비교 분석
대상건축물의 에너지요구량
태양에너지시스템별 건축물에너지 분담률 비교 분석
결 론
서 론
연구의 목적
최근 지구온난화 현상의 영향으로 전세계적으로 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(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2005)’을 실시하였으며, 동법 시행령 ‘공공기관 신재생에너지 설치의무화 제도’ 에 따라 공공기관 건축물은 예상에너지사용량의 일정 비율이상을 신재생에너지원으로 대체하여 공급하도록 하고 있다.
화석연료의 대체 에너지원 가운데 무한한 청정에너지이며, 소음 등 공해가 발생하지 않아 특히 주목받는 태양에너지를 이용하는 태양광시스템(Photovoltaics System; PV), 태양열시스템(Solar Thermal System; ST)을 복합 적용하여 개발된 태양광·열시스템(Photovoltaic Thermal System; PVT)은 기존 개별 시스템에 비하여 설치면적 대비 에너지생산량이 높고 전기, 열에너지를 동시에 생산하는 장점이 있어, 설치면적이 제한적이고 에너지사용 형태가 다양한 건축물에 효율적이다.
이에 본 연구는 건축물의 난방, 급탕에 직접 사용가능한 열원을 생산하는 액체식 태양광열시스템(Liquid type Photovoltaic Thermal System; L-PVTs)과 PV 그리고 ST의 에너지생산량 및 건축물에너지 분담률을 비교하고자 건축물에 설치된 PV와 ST 그리고 L-PVTs시스템의 에너지생산량과 건축물 에너지요구량을 TRNSYS18을 이용해 산출하고 태양에너지시스템별 건축물에너지 분담률을 산출하여 비교·분석하고자 한다.
연구의 방법
본 연구는 에너지해석프로그램을 이용하여 건축물에 적용된 태양에너지시스템(태양광, 태양열, L-PVTs)의 에너지 생산량과 건축물에너지 분담률을 분석함으로서 L-PVTs의 건축물적용 성능을 판단하고자 하였으며, 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다.
1) 선행연구 분석을 통하여 태양광과 태양열 그리고 L-PVTs의 구성요소와 재질 그리고 에너지생산 원리를 조사하였다.
2) 공공업무시설을 대상건축물로 선정 후 모델링을 실시하여, 태양에너지시스템의 설치 가능 면적을 산출하였다. 또한, 각 시스템의 에너지생산특성 분석을 위해 에너지해석 변수를 설정하고 TRNSYS18을 이용한 에너지해석을 실시하여 계절별 에너지생산량을 산출하고 비교 분석하였다.
3) 대상건축물에 3가지의 태양에너지시스템을 적용 후 에너지해석을 통한 계절별, 월별건축물에너지요구량과 태양에너지시스템의 에너지생산량을 산출·비교하여 PV, ST, L-PVTs의 건축물에너지 분담률을 분석하였다.
태양에너지시스템의 개요
태양광 시스템(Photovaltic system; PV)
한국, 중국, 독일 등 국내·외 상용 PV중 단결정(Single crystal) 및 다결정(Poly crystal) 실리콘 태양전지는 전체 시장의 약 80% 이상을 점유하고 있는 것으로 조사되었으며, 이는 PV셀 제조에 단결정실리콘이 가장 먼저 사용되었고 에너지 변환효율이 높기 때문이다. 박막형(Thin film)은 전기를 발생시키기 위한 활성층으로 실리콘 대신 유리 등의 위에 박막을 증착한 것으로 PV패널 제작에 필요한 반도체 재료의 양을 줄여 생산비용이 낮은 이점이 있다. 양면형(Double sided)은 얇은 초박막 강화유리에 PV셀을 가공하여 빛을 직접 받는 전면과 지면 반사광을 이용하는 후면을 전부 이용하여 발전하는 시스템이다.
본 연구는 Table 1과 같은 태양광 시스템 종류 중 단결정 셀을 적용한 시스템을 대상으로 선정하였으며, 단결정 태양광시스템은 Figure 1과 같이 구성된다.
Table 1. Domestic and International Commercial PV
태양열 시스템(Solar Thermal system; ST)
태양열 시스템은 전 세계적으로 가장 보편화된 신재생에너지시스템이며 주택용 온수기, 중규모 온수급탕시설에 활용될 뿐아니라 현재 제로에너지를 실현하기 위한 방안으로 적극 활용되고 있다. 태양열을 적극 활용하고 있는 나라 중 중국의 경우 진공 유리관이 이중으로 되어 흡수된 열의 방출을 효율적으로 막는 이중진공관형 태양열 시스템 위주로 보급되고 있으며 미국, 독일, 터키 등 다수의 국가는 효율은 진공관형보다 낮으나 생산비용이 저렴하고 관리가 편리한 평판형 위주로 보급되고 있다.
본 연구는 Table 2와 같은 태양열 시스템 중 보편적으로 많이 사용하며 PV와 시스템 구성이 비슷한 평판형을 대상으로 선정하였으며, 평판형 태양열 시스템은 Figure 2와 같이 구성된다.
Table 2. Domestic and International Commercial ST
태양광·열 시스템(Photovoltaic Thermal System; PVT)
Sandeep et al. (2018) 등 국외 논문에 따르면 태양광열 시스템은 현재 개발연구가 활발한 시스템으로 중국과 미국, 독일 등은 상용제품이 있어 보급단계에 있으나 국내는 아직 개발연구 단계인 것으로 조사되었다.
PVT의 종류는 Table 3과 같이 열매체에 따라 공기식과 액체식으로 나누어지며 공기식은 시공이 간단하고 운영비용이 저렴하며 가열된 공기를 실내 난방에 이용할 수 있는 장점이 있다. 액체식은 공기식에 비하여 시공이 복잡하고 온수탱크, 펌프 등 장비가 필요하나 생산된 온수를 급탕, 난방, 제습식 냉방 등 사용범위가 매우 넓은 장점이 있다.
Table 3. Domestic and International Commercial PVT
액체식 태양광·열 시스템은 Figure 3과 같이 PV모듈과 태양열 집열장치를 결합한 형태로 구성되며, 열흡수판은 PV모듈을 순환매체인 액체를 이용하여 태양광 패널의 온도를 낮추어 전기성능을 개선하고, 열에너지를 집열하는 기능을 갖는다.
대상건축물 선정 및 개요
대상건축물 선정
건축물의 에너지사용 패턴에 따른 태양에너지시스템의 에너지생산량과 이용 효율을 분석하고자 ‘공공기관 신재생에너지 설치의무화 제도’에 따라 2019년 기준 총예상에너지요구량의 27%에 해당하는 신재생에너지시스템을 의무적으로 설치해야하는 공공건축물을 대상으로 선정하였으며 상세개요는 Table 4와 같다.
Table 4. Details on Subject Building
대상건축물의 운영스케줄
대상건축물의 설정온도는 Table 5와 같이 산업통상자원부가 고시한 ‘공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정’에 따라 동절기 18℃, 하절기 28℃로 설정되며, 건축물 운영스케줄은 일요일은 근무가 없어 운영되는 실이 없고 토요일은 부분근무로 1~2층이 오전 9시부터 오후 3시까지 운영되고 월~금요일은 전체 오전 8시부터 오후 6시까지 운영되는 것으로 조사되었다.
Table 5. Set Temperature and Operation Schedule
| Duration | Set Temperature | |
| Winter (12~2) | 18℃ | |
| Summer (6~8) | 28℃ | |
| Day of week | Value | |
| Sunday | X | |
| Saturday | 1~2 Floor | 09:00 ~ 15:00 |
| 2~5 Floor | X | |
| Monday - Friday | 08:00 ~ 18:00 | |
TRNSYS를 이용한 에너지해석
대상건축물의 모델링과 태양에너지시스템 설치 면적 산출
대상건축물의 태양에너지시스템 설치 가능 면적을 산출하기 위하여 Figure 4와 같이 모델링을 실시하였다. 태양에너지시스템이 설치 가능한 곳은 Figure 4에 표시된 곳과 같이 옥상층 784.08 ㎡과 2층 일부 174.24 ㎡, 총 958.32 ㎡으로 산출되었으나 대상건축물은 남서향 건축물로 2층의 옥상층은 3~4층의 음영으로 인한 시스템 효율이 저하될 것으로 판단되어 4층의 옥상층 784 ㎡를 태양에너지시스템 설치 가능 면적으로 산정하었다.
또한, Choi (2009)을 참고하여 태양에너지시스템의 어레이 간의 그늘을 고려한 설치 유효면적을 산출하였으며, 이는 설치된 어레이의 수직높이(L)에 따라 생긴 그림자의 길이(Ls)와 방위각(a)을 고려하여 수직높이에 따른 그림자 길이의 비율(R)를 다음 식 1과 같이 계산하였으며 태양입사각(θ)은 그림자가 가장 긴 동지를 기준으로 29.5°로 설정하여 어레이의 이격 거리가 0.8 m로 산출되었으며 대상건축물의 태양에너지시스템 설치 유효면적은 392 ㎡로 산출되었다.
| $$R=\frac{Ls}L=\cot(\theta)\times\cos(\alpha)$$ | (1) |
L: 설치된 어레이의 수직높이(m)
Ls: 그림자의 길이(m)
θ: 태양 입사각(°, 동지 29.5°)
α: 설치 방위각(°)
각 시스템의 기본 모델 선정 및 에너지생산량
건축물에 적용할 각 시스템의 기본 모델을 선정하고 TRNSYS18을 이용하여 계절별 에너지생산량을 산출하고 비교 분석하였으며 각 시스템의 에너지생산 특성을 도출하였다.
각 시스템의 에너지해석은 대한민국의 서울 기상데이터를 적용하였으며 기상데이터의 형식은 TMY2를 이용하였다.
PV의 기본모델은 국내에서 보편적으로 상용되고 있는 H사의 단결정 PV셀을 적용한 모듈을 선정하여 Table 6과 같이 설정하였으며, TRNSYS18의 Type103 컴포넌트를 이용하여 Figure 5, Table 7과 같이 계절별 전기에너지생산량을 산출하였다.
Table 6. PV Basic model
Table 7. Seasonal Energy Production of PV System (Wh)
| Winter | Spring | Summer | Fall | |
| Maximum daily | 678.1 | 1002.7 | 994.2 | 770.6 |
| Minimum daily | 49.2 | 56.3 | 68.9 | 55.1 |
| Average daily | 294.1 | 551.3 | 474.8 | 368.9 |
대상건축물에 적용된 PV시스템의 일 평균 전기에너지생산량(Wh)은 겨울철에 294, 봄철 551, 여름철 475, 가을철 369로 산출되어 강수량과 운량이 적고 일사량이 많은 봄철의 에너지생산량이 타 계절보다 약 76~257 많은 것으로 산출되었다.
또한 계절별 일 최대 전기 에너지생산량(Wh)은 겨울철 678, 봄철 1,003, 여름철 994, 가을철 771로 산출되어 높은 일사량의 영향으로 PV셀의 일 최대 에너지생산량(Wh)은 봄철이 타 계절보다 약 9~325 많은 것으로 산출되었다.
ST의 기본모델은 PV, L-PVTs와 동일한 형태를 갖는 평판형 집열기를 Table 8과 같이 선정하였으며, TRNSYS18의 Type 1b 컴포넌트를 이용하여 입구온도는 상수온도(연중 10~11℃)로 설정하였고 유량은 100 kg/hr로 고정하여 Figure 6, Table 9와 같이 계절별 에너지생산량을 산출하였다.
Table 8. ST Basic model
Table 9. Seasonal Energy Production of ST System (Wh)
| Winter | Spring | Summer | Fall | |
| Maximum daily | 5,644.7 | 5,795.3 | 5,436.9 | 5,669.5 |
| Minimum daily | 6.4 | 171.9 | 817.8 | 0.1 |
| Average daily | 2,113.6 | 3,302.6 | 2,850.8 | 2,577.1 |
대상건축물에 적용된 ST 시스템의 계절별 일일 에너지생산량(Wh)은 Figure 6과 같이 겨울철 일 평균 2,114, 봄철 3,303, 여름철 2,851, 가을철 2,577로 산출되어 일사량이 많은 봄철에 타 계절보다 약 452~1,189 많이 생산되는 것으로 나타났으며, 일 최대 에너지생산량(Wh)과 일 최소 에너지생산량(Wh)은 각각 겨울철 5,644와 6, 5,795와 171, 5,436와 817, 5,669와 0.13로 산출되어 일사량의 지배적인 영향으로 인하여 봄철의 일 최대 에너지생산량(Wh)이 타 계절보다 약 126~359 많이 생산되는 것으로 나타났고 여름철 외기온의 영향으로 최저 에너지생산량이 타 계절보다 약 646~816 많이 생산되는 것으로 나타났다.
L-PVTs의 기본모델은 선행연구 Kim et al.(2019)에서 제안된 투과율 93.5%의 유리커버와 열전도율 401 W/mK의 구리 흡열판, 열저항 7.41 m2·K/W의 글래스울 하부 보온재 그리고 구리 튜브 직경 8 mm의 Table 10과 같은 모델을 선정하였으며, TRNSYS18의 PVT 모듈 중 Type 560 컴포넌트를 이용하여 에너지해석을 실시하였다.
Table 10. L-PVTs Basic model
대상건축물에 적용된 L-PVTs의 계절별 일일 전기 및 열에너지생산량은 Figure 7 및 Table 11과 같이 산출되었으며, 일 평균 전기 및 열에너지생산량(Wh)은 각각 겨울철 526, 1,280 봄철 678, 2,263, 여름철 508, 2,344, 가을철 549, 1,583로 산출되어 전기에너지생산량은 봄철이 타 계절보다 약 129~170 많이 생산되었으며 열에너지생산량은 여름철이 타 계절보다 약 81~1,303 많이 생산되는 것으로 나타났다.
Table 11. Seasonal Energy Production of L-PVTs System (Wh)
또한 일 최대 전기에너지생산량(Wh)은 겨울철이 1,280로 타 계절보다 약 3~234 많이 생산되었으며, 열 에너지생산량은 봄철이 4,466로 타 계절보다 약 50~1,026 많이 생산하는 것으로 나타났다. 일 최소 전기에너지생산량(Wh)은 봄철이 44로 타 계절보다 약 4~21 많이 생산되는 것으로 나타났으며, 최저 열에너지생산량은 봄과 여름철에 0으로 기상조건에 따라 에너지가 생산되지 않는 날이 있는 것으로 나타났다.
각 태양에너지시스템의 계절 평균과 연간 누적 에너지생산량을 Table 12와 같이 L-PVTs를 기준으로 비교하였다.
Table 12. Comparison of Seasonal Average Energy Production by System
PV의 계절 평균 전기 에너지생산량(Wh)은 봄철 16,908로 가장 많고 겨울철 8,824로 가장 낮았으며, ST의 계절 평균 열 에너지생산량은 봄철 101,281로 가장 많고 겨울철 63,408로 가장 낮은 것으로 나타났다. L-PVTs의 계절 평균 전기 에너지생산량(Wh)은 봄철 20,787로 가장 많았으며 여름철 15,588로 가장 낮게 나타나 PV에 비하여 에너지생산량이 봄철은 23% 높았고 여름철은 7% 높은 것으로 산출되었다. 또한 열 에너지생산량(Wh)은 여름철 71,889로 가장 많았으며 겨울철 31,235로 가장 낮게 나타나 ST에 비하여 에너지생산량이 여름철은 18% 낮았고 겨울철은 51% 낮은 것으로 산출되었다.
연간 누적 생산량(Wh)은 PV가 154,449, ST가 990,855, L-PVTs가 전기와 열에너지를 각 206,418, 661,656로 나타나 L-PVTs는 PV에 비하여 전기에너지를 34% 많이 생산하며, ST에 비하여 열에너지는 33% 적게 생산하는 것으로 나타났다.
태양에너지시스템별 성능 비교 분석
대상건축물의 에너지요구량
대상건축물의 연간 총예상에너지요구량은 1,685 MWh이며, 조명과 환기를 포함한 연간 전기요구량은 1,001 MWh로 총예상에너지요구량의 59%로 나타났고, 난방에너지는 281 MWh로 17%, 냉방에너지는 323 MWh로 19%, 급탕에너지는 80 MWh로 5%인 것으로 산출되었다.
월별 에너지요구량은 Figure 8과 같이 나타났으며, Table 4와 같이 사무용기기를 고려하여 전기요구량과 냉방에너지요구량이 많고 급탕에너지의 비율은 매우 낮은 것으로 나타났다.
태양에너지시스템별 건축물에너지 분담률 비교 분석
건축물에 따라 냉난방에 이용되는 에너지의 종류가 전기, 온수, 가스 등으로 나뉘어지나 본 연구는 건축물 초기 설계단계의 각 태양에너지시스템 성능을 평가하였기에 환기, 조명, 사무기기 그리고 냉방에너지를 전기에너지로 대체하는 것으로 가정하였으며, 급탕과 난방에너지를 열에너지로 대체하는 것으로 가정하여 각 태양에너지시스템이 생산하는 에너지가 분담 가능한 건축물에너지요구량을 Table 13~14와 같이 비교하였다.
Table 13. Electric Energy Demand for the Building and Energy Production and Energy Share Factor of PV and L-PVTs (Unit : MWh, (Share Factor) : %)
Table 14. Thermal Energy Demand for the Building and Energy Production and Energy Share Factor of ST and L-PVTs(Unit : MWh, (Share Factor) : %)
대상건축물의 전기에너지요구량(MWh)은 여름철인 8월에 161.1로 가장 많고 PV와 L-PVTs의 전기에너지생산량(MWh)은 8월에 각 6.5, 7.4로 요구량의 4%와 4.6%를 분담할 수 있는 것으로 나타났으며, PV와 L-PVTs의 생산량은 봄철인 4월에 각 8.7, 10.7로 나타나 4월의 건축물에너지요구량인 102.6의 8.4%, 10.5%를 분담 할 수 있는 것으로 나타났다. 연간 전기에너지요구량(MWh)은 1,323.7이며, PV와 L-PVTs는 각 75.6, 101를 생산하여 5.7%, 7.6% 분담 가능한 것으로 산출되었다.
열에너지요구량(MWh)은 겨울철인 1월에 69.9로 가장 많았으나 ST와 L-PVTs의 열에너지생산량(MWh)은 각 31.2, 15.4로 요구량의 44.7%, 22.1%를 분담 할 수 있는 것으로 나타났으며, ST의 생산량은 가을철인 9월에 43.8, L-PVTs는 여름철인 8월에 35.9로 가장 많이 생산되었으나 열에너지요구량은 8, 9월에 각 3.2, 5.5로 낮게 나타나 분담율이 100%를 초과하는 것으로 나타났다. 연간 열에너지요구량은 361.1이며, ST와 L-PVTs가 각485.3, 324.3를 생산하여 134.4%, 89.8% 분담 가능한 것으로 산출되었다.
대상건축물의 총에너지요구량(MWh)은 1,685이며, 태양에너지시스템의 에너지생산량(MWh)은 PV가 75.6, ST가 485.3, L-PVTs가 425.3로 대상건축물의 에너지를 각 4.4%, 29%, 25% 분담가능 한 것으로 산출되어 2019년 기준 신재생에너지의무설치량 27%는 ST만 충족하는 것으로 나타났으나 열에너지가 요구량에 비하여 134.4%로 과다하게 생산되어 에너지 이용측면에서 효율은 낮은 것으로 판단된다.
결 론
본 연구는 건축물에 적용된 태양광 및 태양열시스템과 L-PVTs의 에너지생산량 및 건축물에너지요구량에 따른 태양에너지시스템의 분담률을 TRNSYS 에너지해석프로그램을 이용하여 산출하고 비교 분석한 연구로써 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 선행연구 및 조사를 통하여 국내·외에서 상용되는 PV와 ST 그리고 L-PVTs의 구성요소와 재질 및 에너지생산원리를 분석하였다. PV는 단결정 및 다결정 실리콘이 전체 시장의 80% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, ST는 중국은 이중진공관형, 중국을 제외한 국가들은 평판형이 주로 보급되는 것으로 나타났다. PVT는 열매체에 따라 공기식과 액체식으로 분류되며, 국내는 아직 보급되고 있는 제품은 없으나 시제품 개발은 활발한 것으로 조사되었다.
(2) 공공업무시설을 대상건축물로 선정하고 모델링을 실시하여 태양에너지시스템이 설치가능한 면적과 시스템 어레이 간의 그늘을 고려한 설치 유효면적을 산출하였다. 1 ㎡의 시스템이 설치각도 40°일 때 어레이의 이격 거리는 0.8 m로 산출되어 총 설치 유효면적은 392 ㎡이며 1 ㎡의 시스템은 총 490개 설치 가능한 것으로 산출되었다.
(3) PV는 강수량과 운량이 적고 일사량이 많은 봄철에 일평균 551W, 일 최대 1,003W생산되는 것으로 나타났으며 여름철은 높은 기온으로 인해 효율 저하를 예상하였으나 일평균 475W, 일 최대 994W로 산출되어 온도보다 일사량과 태양고도가 지배적인 영향을 갖는 것으로 판단된다. ST 또한 봄철 일사량에 따른 복사에너지의 영향으로 일평균 3,303W로 가장 많이 생산되는 것으로 산출되었다. L-PVTs는 봄철에 일평균 전기 및 열에너지생산량이 678W, 2,263W로 가장 많이 생산되어 PV의 일평균 전기에너지생산량보다 약 23% 많이 생산되었으며, ST의 일평균 열에너지생산량보다 약 33% 적게 생산된 것으로 산출되었다.
(4) 각 시스템의 건축물에너지 분담률을 산출하여 성능 및 효율을 분석하기 위해 대상건축물의 에너지요구량을 산출하였다. 대상건축물의 총예상에너지요구량은 1,685 MWh이며 이 가운데 조명과 환기를 포함한 연간 전기요구량은 총예상에너지요구량의 59%이고 난방에너지는 17%, 냉방에너지는 19%, 급탕에너지는 5%이며 신재생에너지설치 의무량은 27%인 471.8 MW로 산출되었다.
(5) 대상건축물의 전기에너지요구량은 총 1,323.7 MWh이며 PV와 L-PVTs는 각 75.6 MWh, 101 MWh를 생산하여 5.7%, 7.6% 분담 가능하였으며, 전기에너지생산량이 가장 많은 봄철에 PV는 최대 8.4%, L-PVTs는 최대 11.6%까지 분담 가능한 것으로 나타났다. 대상건축물의 열에너지요구량은 총 361.1 MWh이며 ST와 L-PVTs가 각 485.3 MWh, 324.3 MWh를 생산하여 134.4%, 89.8% 분담가능 한 것으로 나타나 ST는 34.4% 초과하여 생산하는 것으로 나타났으며, 월별 열에너지요구량 대비 여름철 최대 ST는 1,334%, L-PVTs는 1,130% 초과 생산되는 것으로 나타났다.
대상건축물의 총예상에너지요구량 대비 각 태양에너지시스템의 총 에너지생산량은 PV가 4.4%, ST가 29%, L-PVTs가 25%로 산출되어 ST가 2019년 기준 신재생에너지의무설치비율 27%를 충족하는 것으로 나타났으나 계절별 건축물에너지요구량에 따른 분담 효율이 매우 낮은 것으로 판단된다.
추후, 각 태양에너지시스템이 생산하는 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 축열조, ESS 및 Heat pump 등을 추가로 연계하고 냉난방 등 기기효율을 고려한 건축물에너지소요량과 건축물에너지 사용패턴에 따른 태양에너지시스템의 에너지 분담률을 비교 분석하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
