서 론

연구의 목적

최근 건물에 적용이 용이한 신재생에너지시스템 중 태양에너지를 이용하는 태양광시스템(Photovoltaic; PV)과 태양열시스템(Solar thermal; ST)을 복합하여 개발된 액체식 태양광열시스템(Liquid type Photovoltaic Thermal System; L-PVTs)의 연구와 시제품 개발이 활발해지고 있다. 또한, 신재생에너지시스템의 설치면적이 제한적인 건축물에 보다 많은 신재생에너지를 공급하기 위하여 건축물 외벽면을 활용하는 사례가 많아지고 있다.

본 논문의 선행연구는 건축물 외벽면에 설치가 적합한 커튼월형 액체식 태양광열시스템(Curtain Wall-Type Liquid-type Photovoltaic Thermal System; CW.L-PVTs)을 개발하고 ASHRAE (1991)과 Kim (2009)를 참고하여 옥외실측실험을 통해 단일 모듈의 성능을 검증하였다. 또한, 다수의 CW.L-PVTs 모듈을 연계하여 설치했을 때의 성능을 실측실험으로 분석하여 개별 성능과 비교하여 최적 설치안을 도출하는 실험연구가 필요한 것으로 판단하였다.

이에 본 연구는 CW.L-PVTs 배열에 따른 성능 실측실험의 선행연구로서 TRNSYS18 에너지해석 프로그램을 이용해 모듈의 배열 방법에 따른 에너지생산 성능을 분석하고 실측실험을 위한 기초데이터와 변수를 도출하고자 하였다.

연구의 방법

본 연구는 건축물 외벽면에 설치 시 에너지생산에 유리하도록 제안된 CW.L-PVTs의 모듈 배열방법에 따른 에너지생산량의 변화를 에너지해석을 통해 비교분석하고 실측실험을 위한 기초데이터를 도출하는 연구로서 연구의 방법은 다음과 같다.

1) 건축물 외벽에 설치되는 커튼월 공법과 적용이 용이하도록 제안된 CW.L-PVTs의 구조와 원리에 대해 분석하였다.

2) CW.L-PVTs의 모듈 배열방법 변수를 설정하고 이에 따른 에너지생산량을 분석하기 위한 TRNSYS 에너지해석프로그램의 환경변수를 설정하였다.

3) 에너지해석을 통하여 배열방법에 따른 에너지생산량을 외기온도와 일사량에 따라 에너지생산량과 모듈 표면온도 및 유출수온도를 비교분석하였다.

커튼월형 액체식 태양광·열 시스템(CW.L-PVTs)

건축물 외벽의 커튼월 공법

건축물 외벽에 설치되는 커튼월은 공장에서 생산된 부재로 구성되는 비내력 외벽으로 수직하중이 없고 가벼워 경제적이며 외형이 미려한 건축물의 외피공사 방식으로 알려져 있다.

기본적으로 커튼월은 건축물의 입면 형태에 따라 Mullion, Spandrel, Grid, Theath 4가지 방식으로 나뉜다. Mullion방식은 수직지지대 사이에 Panel을 끼워 수직지지대가 노출되는 방식이며, Spandrel 방식은 창과 수평 조합으로 구성되며, Grid 방식은 격자모양으로 외관을 표현하고, Theath 방식은 구조체를 Panel로 은폐하여 구조체가 외부로 노출되지 않도록 시공하는 방식이다.

본 연구는 Figure 1과 같이 모듈의 배열방법에 따라 냉각수가 흐르는 관을 자유롭게 설치가 가능하며 지지대 또는 프레임 내부로 매립하여 외부로 노출되지 않도록 설치가 가능한 Grid 방식을 CW.L-PVTs에 가장 적합한 커튼월 공법으로 선정하였다.

Figure 1.

Grid-type curtain wall method and detailed basic structure

CW.L-PVTs

선행연구 Kim (2020) 제안하고 제작된 CW.L-PVTs는 수직면 기준 15°의 각도로 1 Set 당 24개의 PV Cell이 적용되고 후면에는 열매체가 흐르는 8 ㎜의 동관이 균일한 간격으로 8line 적용하여 설계되었으며, 이에 따라 제작된 모듈 CW.L-PVTs의 케이스와 PV모듈 그리고 흡열판은 Figure 2와 같은 도면으로 Figure 3과 같이 제작되었으며, 각 구성요소 및 제원 상세는 Table 1과 같다.

Figure 2.

Drawing for fabrication of prototype CW.L-PVTs

Figure 3.

Front and interior of the prototype CW.L-PVTs

배열방법 변수설정 및 에너지해석 환경

CW.L-PVTs 배열방법 변수

Kim (2019)를 참고하면 유체가 흐르는 유로의 길이에 따라 PV모듈의 효율과 유체의 온도 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서, CW.L-PVTs는 건축물 외벽면에 배열하여 설치 시 유체가 흐르는 유로의 계획에 따라 외관은 변하지 않으나 CW.L-PVTs의 모듈배열에 따라 하나의 유로가 지나는 PV모듈의 개수가 변하게되어 유체온도, 유속이 다르고 이에 따라 PV모듈의 효율이 변할 것으로 판단된다.

따라서, 본 연구는 1 set의 CW.L-PVTs를 Figure 4와 같이 총 9 set 설치하는 것으로 설정하고, Table 2와 같이 수평 직렬형과 수직 직렬형 그리고 독립형으로 배열방법에 따른 변수를 설정하였다.

Figure 4.

Module arrangement suggestion for CW.L-PVTs

Table 2.

Module arrangement method variable setting

Vertical serial type (C1)	Horizontal serial type (C2)	Independent type (C3)

에너지해석 환경 설정

배열방법에 따라 각 모듈의 에너지생산량 그리고 모듈의 온도가 상이할 것으로 판단하였으며, 이를 비교 분석하기 위하여 에너지해석프로그램 TRNSYS18을 이용하였다.

CW.L-PVTs의 TRNSYS 모델링은 PVT 컴포넌트 중 셀 온도에 대한 PV셀의 효율과 입사 태양 복사와 관련된 선형 계수에 의하여 효율이 도출되는 Type 560 모듈에 Table 1의 모듈구성 정보를 입력하여 구현하였으며, 이를 Table 2의 3가지 배열방법 변수에 따라 변하는 냉각수의 Inlet과 Outlet을 설정하여 3가지 에너지해석을 실시하였으며, 유속은 0.02 kg/s㎡로 설정하였다.

다만, 중력과 유체관의 마찰에 따른 유속의 손실은 본 에너지해석에서 구현이 불가능하여 제외하였다.

또한, 에너지해석에 적용된 기상데이터는 Meteonorm에서 제공하는 대한민국 서울 데이터를 사용하였으며, 1년간 1시간 단위의 에너지해석을 실시하여 각 모듈의 일누적 전기 및 열에너지생산량(W)과 일평균 출구온도 (℃)그리고 일평균 모듈표면온도(℃) 데이터를 수집하였다.

모듈 배열에 따른 에너지해석

연간에너지생산량 비교

모듈 배열에 따른 연간 총 전기에너지생산량은 Figure 5~6과 같이 C1과 C2가 동일하게 33.4 kWh이고, C3는 33.7 kWh로 산출되었으며, 연간 총 열에너지생산량은 C1과 C2가 동일하게 145.1 kWh이고, C3는 157.9 kWh로 산출되었다.

Figure 5.

Comparison of electric and thermal energy production between array configurations according to outdoor temperature

이는 Figure 2와 같이 단일 모듈의 냉각수 관의 길이는 약 8.2 m이고 이때 냉각수가 영향을 미치는 모듈의 크기는 가로 1,058 ㎜, 세로 695 ㎜으로 면적이 약 0.74 ㎡이므로 C1과 C2는 배열이 직렬과 병렬로 구성이 다르더라도 냉각수가 흐르는 관의 길이와 냉각수가 영향을 미치는 셀의 면적이 각 24.6 m와 2.22 ㎡로 동일하기에 에너지생산량 또한 동일한 것으로 나타났다.

외기온도 변화에 따른 전기 및 열에너지생산량을 비교하면 Figure 5와 같으며, 외기온도의 변화에 따라 열에너지생산량이 비례하여 증감하는 것으로 나타났고, 외기온도가 높을수록 C3의 열에너지생산효율이 C1와 C2보다 높은 것으로 나타났다. 또한, 외기온도가 높을수록 전기에너지생산량은 낮아지는 것으로 나타났다.

수평면일사량에 따른 전기 및 열에너지생산량은 Figure 6과 같으며, 수평면일사량의 변화에 따라 전기에너지생산량이 비례하여 증감하는 것으로 나타났으나, 열에너지생산량은 수평면일사량보다 외기온도에 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.

Figure 6.

Comparison of annual electric and thermal energy production between array configurations according to horizontal irradiance

기상변수에 따른 모듈표면온도 비교

외기온도와 수평면일사량 변화에 따른 모듈표면온도를 비교하기 위하여 모듈배열에 따라 에너지생산량 변화폭이 큰 6~8월 중 일평균 외기온도가 최고인 6월 7일과 일평균 수평면일사량이 최대인 8월 18일을 선정하였으며, 수평면일사량이 최대인 하루의 일평균 수평면일사량과 외기온도는 각 2,250 W/㎡과 18.7℃이고, 외기온도가 최대인 하루는 1,259 W/㎡과 28.8℃이다.

또한, Figure 5, 6의 분석 결과를 살펴보면 수직 직렬형(C1)과 수평 직렬형(C2)의 경우 모듈 배열 구성은 상이하나 에너지생산량은 동일하고, 독립형(C3)의 경우 각 모듈에 작용하는 기상변수와 유입수온도 등 변수가 동일하다.

따라서, C3의 경우 M1~M9 모듈의 에너지생산량이 모두 동일하기에 M1과 M2 그리고 M3의 모듈 배열별 에너지생산량을 나열하면 M1(C1=C2=C3), M2(C1=C2(M4)), M3(C1=C2(M7))인 것을 알 수 있다. 이에 본 에너지해석의 측정대상으로 M1과 M2 그리고 M3를 선정하여 일사량과 외기온도 및 모듈표면온도를 측정해 Figure 7, 8과 같이 나타냈다.

Figure 7.

Changes in daily module surface temperature according to weather variable (highest daily average solar radiation day)

Figure 8.

Changes in daily module surface temperature according to weather variable (highest daily average outdoor temperature day)

일평균 최대 일사량일의 경우 일평균 모듈표면온도가 M1은 12.7℃, M2는 13.4℃, M3는 14℃이며, 일평균 최고 외기온도일의 경우 M1은 14℃, M2는 15.8℃, M3는 17.4℃로 일평균 최대 일사량일에 비하여 일평균 외기온도가 약 10℃높은 일평균 최고 외기온도일의 모듈온도가 M1은 약 10%, M2는 약 18%, M3는 약 24% 높은 것으로 나타났다.

일평균 최대 일사량일의 경우 일사량이 최대 3,468 W/㎡까지 상승하였으며, 이때 모듈의 표면온도는 M1은 15.4℃, M2는 18.6℃, M3는 21.5℃로 나타나 모듈표면온도가 최저일때에 비하여 M1은 약 30%, M2는 약 67%, M3는 약 100% 증가한 것으로 나타났다.

또한 일평균 최고 외기온도일의 경우 일사량이 최대 2,573 W/㎡까지 상승하였으며, 이때 모듈의 표면온도는 M1은 16.5℃, M2는 20.7℃, M3는 24.5℃로 나타나 모듈표면온도가 최저일때에 비하여 M1은 약 26%, M2는 약 50%, M3는 약 70% 증가하는 것으로 나타나 외기온도가 높을수록 수평면일사량에 따른 모듈표면의 온도 변화폭은 작은 것으로 나타났다.

수평면일사량과 외기온도가 모듈표면온도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 Figure 9, 10과 같이 상관도를 나타냈다.

Figure 9.

Correlation between horizontal irradiance and module surface temperature

Figure 10.

Correlation between outdoor temperature and module surface temperature

수평면일사량에 따른 모듈표면온도의 상관관계는 Figure 9와 같이 수평면일사량이 증가함에 따라 M1의 모듈표면온도는 약 0.2%, M2는 약 0.3%, M3는 약 0.4% 증가하는 것으로 산출되었으며, 상관도 R값은 약 96%로 산출되어 수평면일사량이 모듈표면온도에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.

또한, 외기온도에 따른 모듈표면온도의 상관관계는 Figure 10과 같으며, 외기온도가 증가함에 따라 M1의 모듈표면온도는 약 22%, M2는 약 42%, M3는 약 61% 증가하는 것으로 산출되었고 상관도 R값은 약 59%로 산출되어 외기온도가 모듈표면온도에 미치는 영향은 수평면일사량이 미치는 영향보다 작은 것으로 나타났다.

모듈표면온도와 유출수온도 비교

앞서 분석된 기상변수에 따라 증감하는 모듈표면온도는 10℃의 냉각수로 냉각된 후의 모듈표면온도이므로 모듈에 의하여 가열된 유출수와 비교하여 모듈표면온도와 유출수온도의 변화를 Figure 11과 같이 분석하였다.

Figure 11.

Comparison of module surface temperature and outlet fluid temperature

10℃의 냉각수에 직접 영향을 받는 M1의 경우 일평균 모듈표면온도가 14.4℃일 때 일평균 유출수온도는 16.3℃이며, M2의 경우 16.6℃일 때 18.3℃, M3의 경우 18.7℃일 때 20.2℃로 일평균 유출수온도는 모듈표면온도에 따라 M1은 약 13%, M2는 약 10%, M3는 약 8% 상승하는 것으로 나타났다.

유입수온도가 증가함에 따라 유출수온도의 상승폭은 낮아지는 것으로 나타나 M1의 모듈냉각효율이 가장 우수하지만 유출수온도가 최대 18.1℃로 비교적 낮고, M3의 경우 유출수가 최대 23.7℃까지 상승하는 것으로 나타나 모듈 냉각 효율은 M1에 비해 낮지만 유출수의 최대 온도가 약 5.6℃ 더 높은 것으로 나타났다.

결 론

본 연구는 건축물 외벽면에 설치 시 에너지생산에 유리하도록 제안된 CW.L-PVTs의 배열방법에 따른 에너지생산량과 각 모듈의 출구온도 그리고 모듈 표면온도의 변화를 에너지해석을 통해 비교분석하고 실측실험을 위한 기초데이터를 도출한 연구로서 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1) CW.L-PVTs의 배열에 따라 유체가 흐르는 유로가 변함에 따라 생산되는 온수의 온도와 PV모듈의 효율이 변할 것으로 판단되어 모듈의 배열을 수평 직렬형과 수직 직렬형 독립형으로 분류하여 변수로 설정하고 TRNSYS18 프로그램을 이용하여 에너지해석을 실시하였다.

(2) 모듈의 배열에 따른 연간에너지생산량은 수직 직렬형(C1)이 수평 직렬형(C2)와 동일하게 전기에너지는 33.4 kWh, 열에너지는 145.1 kWh로 산출되어 모듈의 배열이 다르더라도 냉각수 관의 길이와 냉각수가 영향을 미치는 셀의 면적이 같다면 에너지생산량은 동일한 것으로 판단되었다. 또한, 독립형(C3)은 전기에너지가 33.7 kWh, 열에너지가 157.9 kWh로 C1, 2보다 전기에너지는 약 1%, 열에너지는 약 9% 많이 생산하는 것으로 나타났다.

(3) 에너지해석 기간 중 일평균 최대 일사량일의 시간당 최대 수평면일사량은 3,468 W/㎡이었으며 이때 모듈표면온도는 M1이 15.4℃, M2가 18.6℃, M3가 21.5℃로 나타났다. 또한, 일평균 최고 외기온도일의 시간당 최대 수평면일사량은 2,573 W/㎡까지 상승하였으며, 이때 모듈의 표면온도는 M1은 16.5℃, M2는 20.7℃, M3는 24.5℃로 외기온도가 높을수록 각 모듈의 표면온도가 전체적으로 균일하게 높아지는 것을 알 수 있었으며, 수평면일사량이 높을수록 각 모듈의 표면온도차이가 커지는 것을 알 수 있었다.

(4) 모듈표면온도와 유출수온도 변화를 분석하면 10℃의 유입수에 직접 영향을 받는 M1의 경우 일평균 모듈표면온도가 14.4℃일 때 일평균 유출수온도는 16.3℃이며, M2의 경우 16.6℃일 때 18.3℃, M3의 경우 18.7℃일 때 20.2℃로 나타나 직렬형의 후위에 있는 모듈일수록 유출수의 온도 상승폭이 낮은 것으로 나타났다.

(5) 일사량과 외기온도에 따른 모듈표면온도와 유출수온도의 변화를 분석하면 M1의 모듈냉각효율이 가장 우수한 것으로 도출되었으나 유출수온도가 최대 18.1℃로 비교적 낮고, M3의 경우 모듈냉각효율은 M1에 비해 낮지만 유출수가 최대 23.7℃까지 상승하는 것으로 나타나 수평 및 수직 직렬형 배열이 독립형보다 높은 온도의 온수를 생산하지만 10℃의 유입수에 직접영향을 받는 C1으로 이루어진 독립형이 생산하는 열에너지생산량과 전기에너지생산량이 많은 것으로 나타났다.

본 연구는 에너지해석 결과를 살펴보면 직렬형과 병렬형의 모듈 배열이 상이함에도 불구하고 에너지생산량이 동일 한 것으로 나타났다. 이는 에너지해석 프로그램에서 유체관 내 마찰과 중력에 의한 유속 변화와 모듈과 모듈을 연결하는 관의 열손실 등을 고려할 수 없다는 한계점 때문인 것으로 판단된다.

따라서 추후, 본 연구의 모듈 배열 변수와 에너지해석 데이터를 기초로 실측실험 계획 시 옥외 실측실험 환경에 따른 모듈 배열 변수 별 유출수온도와 전기에너지생산량 그리고 모듈 표면온도를 측정함과 동시에 각 모듈의 유입수와 유출수의 유속을 측정하여 관의 유속 손실에 의한 성능 변화도 면밀하게 분석하여 CW.L-PVTs의 최적 배열 방법과 효율을 분석 할 필요가 있다고 판단된다.