Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. December 2020. 779-790
https://doi.org/https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200066

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 목적

  •   연구의 방법

  • CW.L-PVTs

  •   커튼월 공법

  •   CW.L-PVTs의 특성

  •   CW.L-PVTs 제작

  • 실측실험 환경 및 변수

  •   실측실험 환경

  •   변수 설정

  • CW.L-PVTs의 성능 분석

  •   일사량상관계수에 따른 열 및 전기성능 분석

  •   일사량에 따른 열 및 전기성능 분석

  •   외기온도에 따른 열 및 전기성능 분석

  • 결 론

서 론

연구의 목적

최근 태양에너지를 이용하는 신재생에너지시스템 중 태양광과 태양열시스템을 복합하여 개발된 액체식 태양광열시스템(Liquid type Photovoltaic Thermal System; L-PVTs)의 연구와 시제품 개발이 활발해지고 있다. 이와같이 태양에너지를 이용하는 신재생에너지시스템은 보편적으로 에너지생산에 가장 유리하도록 옥상층에 남향으로 약 30~35°각도로 설치된다. 하지만 건축물에 보다 많은 신재생에너지를 공급하기 위해서는 건축물 외벽면에 설치해야하기에 수직 설치에 적합한 벽면형 L-PVTs가 개발되어야 할 것으로 판단된다.

이에 본 연구는 건축물 외벽면에 설치가 적합하도록 제안된 커튼월형 액체식 태양광열시스템(Curtain Wall-Type Liquid-type Photovoltaic Thermal System; CW.L-PVTs)을 시제작하고 ISO9806 집열기 열효율 시험방법에 따른 옥외 실험장치에 시제품을 설치하여 실측실험을 실시하였으며, 실측자료를 비교 분석해 실측 환경변수와 유입수온도에 따른 CW.L-PVTs의 에너지생산 특성을 도출하였다.

연구의 방법

본 연구는 건축물 외벽면에 설치 시 에너지생산에 유리하도록 제안된 CW.L-PVTs의 성능평가를 위해 유입수온도를 변수로 선정 후 ISO9806 집열기 열성능 시험방법에 따라 옥외 실측실험을 실시하여 일사량과 외기온도에 따른 열에너지와 전기에너지생산 특성 도출 및 성능평가를 실시한 연구로서 연구의 방법은 다음과 같다.

1)건축물 외벽면에 설치 시 에너지생산에 적합하도록 선행연구에서 제안된 CW.L-PVTs의 원리와 에너지생산 특성에 대해 분석하였다.

2)CW.L-PVTs의 상세 제원과 옥외 실험장치 및 환경조건을 설명하고 성능실험의 변수를 설정하였다.

3)ISO9806 집열기 열성능 시험방법에 따른 기상환경과 유입수 온도에 따른 옥외 실측실험을 실시하였다.

4)유입수 온도와 실측환경에 따른 일사량과 외기온도 등에 따른 에너지생산량을 분석하고 CW.L-PVTs의 전기와 열효율을 산출하여 성능을 평가하였다.

CW.L-PVTs

커튼월 공법

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

커튼월 재료로 알루미늄 프레임에 유리가 주로 사용되지만 건축물의 디자인, 시공성, 에너지측면 등 다양한 요구에 적합한 커튼월을 적용하기 위하여 PC콘트리트, 석재, 금속패널, 루버, 환기구, 유리창 등 다양한 재료로 구성되어 시공되고 있다.

기본적으로 커튼월은 건축물의 입면 형태에 따라 Figure 1과 같이 4가지 방식으로 나뉜다. Mullion방식은 선대방식으로 불리며 수직지지대 사이에 Panel을 끼워 수직지지대가 노출되는 방식이며, Spandrel 방식은 창과 수평 조합으로 구성되어 수평선을 강조하며, Grid 방식은 격자모양으로 외관을 표현하고, Theath 방식은 구조체를 Panel로 은폐하여 외부로 구조체를 보이지 않도록 하는 방식이다.

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Figure 1

Classification of curtain walls by building elevation

또한, 커튼월을 조립방식으로 분류하면 Figure 2와 같이 3가지로 분류할 수 있다. 먼저 Stick Wall 방식은 구성 부재를 현장에서 조립, 연결하여 구성하는 형식으로 현장 적응력이 우수하며, Unit Wall 방식은 구성 부재를 공장에서 건축 모듈을 기준으로 시공이 가능한 크기로 가공하여 현장에 납품되기에 시공속도가 우수하고, Window Wall 방식은 Stick Wall 방식과 유사하지만 창호 주변이 Panel로 구성되어 창호의 구조가 Panel Truss에 연결된다는 차이점이 있다.

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Figure 2

Classification of curtain walls by the method of assembly

CW.L-PVTs의 특성

현재 상용 또는 개발 중인 PVT모듈은 건축물과 구조물의 지붕, 옥상에 설치되어 30~35°의 각도로 설치되는 것이 일반적이며, 벽면에 설치되는 경우 건물일체형으로 개발되어 수평면 기준으로 수직방향으로 설치되기 때문에 옥상에 설치했을 때에 비하여 받을 수 있는 직달일사량이 매우 적어 에너지생산량이 매우 낮은 것으로 조사되었다.

이에 본 연구의 선행연구 Kim (2019)에서 제안된 최적 L-PVT를 응용하여 외벽면에 다양한 커튼월 공법에 적용하여 설치하고자 한다. 이에 Figure 3과 같이 PV Cell이 부착되는 모듈의 일부에 각도를 설정하여 많은 직달일사를 받도록 설계하였으며, 각도에 따라 PVT모듈이 크게 돌출되어 디자인과 시공성 및 안전성을 해치지 않도록 1개의 모듈을 다수의 Set로 나누어 Figure 4와 같은 모듈을 제안하였다.

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Figure 3

Basic model of CW.L-PVTs

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Figure 4

Basic model of CW.L-PVTs according to the number of sets

CW.L-PVTs 제작

선행연구에서 제안된 CW.L-PVTs는 수직면 기준 15°의 각도로 1Set 당 24개의 PV Cell이 적용되고 후면에는 열매체가 흐르는 8 ㎜의 동관이 균일한 간격으로 8line 적용하여 Figure 5와 같이 설계되었다.

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Figure 5

Blueprint of CW.L-PVTs

설계에 따라 제작된 모듈 CW.L-PVTs의 케이스와 PV모듈 그리고 흡열판은 Figure 6과 같이 제작되었으며, 각 구성요소 및 제원 상세는 Table 1과 같다.

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Figure 6

Casings, PV modules, and collector plates for CW.L-PVTs

Table 1.

Specification details of CW.L-PVTs

Description Value
Collector length (mm) 700
Collector width (mm) 1100
Transmittance of the glass cover (%) 93.5
Thickness of the glass cover (㎜) 5
Absorber plate thickness (㎜) 3
Thermal conductivity of the absorber (W/mK) 401
Number of tubes (line) 8
Tube diameter (㎜) 8
Thermal conductivity of the heat insulating material (W/mK) 0.05
Thickness of the heat insulating material (m) 0.3
PV efficiency at reference condition (%) 17
Module Angle (°) 15°
PV cells per set 24
Number of Modules 3

실측실험 환경 및 변수

실측실험 환경

실측실험을 위한 환경은 대구광역시 K대학 내에 위치한 건물 옥상에 구축하었으며, L-PVTs의 에너지생산에 영향을 미치는 요인과 이에 따른 에너지생산량을 분석하기 위하여 Figure 7와 같은 계통으로 열매의 온도를 제어하는 칠러 열교환기와 유량을 제어하는 순환펌프, 그리고 기상변수를 측정하는 일사계와 온도계 등이 설치되었고, 장비는 회전형 Tracker와 일체형으로 Figure 8와 같이 제작되었다.

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Figure 7

System diagram of experimental equipment

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Figure 8

Rotating tracker all-in-one equipment

변수 설정

각 모듈의 다양한 환경변수에 따른 에너지생산량을 분석하기 위하여 실험환경은 ASHRAE (1991)Kim (2009)를 참고하여 태양열집열기 성능시험방법 ISO 9806에 따라 Table 2와 같이 옥외 실측실험을 실시하였고 Lee (2011)의 연구에 따르면 유입수 온도에 따라 PVT 전력효율의 차이가 있으므로 이를 참고하여 일사량과 외기온 등 기상변수 외에 유입수의 온도를 10℃, 20℃, 30℃ 3가지 변수로 설정하였다.

Table 2.

The testing environmental standard for ISO 9806 solar thermal collector performance test method

Description Standard Tolerance
Wind speed 1~4 m/s 1 m/s
Solar radiation 700 W/㎡ ~ 50 W/㎡
Inlet flowrate 0.02 kg/s·㎡ 1%
Diagonal angle ~ 20° -

유입수 유량은 0.02kg/s㎡로 고정하여 실측을 실시하였으며, 실측기간은 10월 5일 부터 10월 26일까지 21일간 실시하였고 실측기간 중 외기온도는 약 10~19℃로 측정되었다.

CW.L-PVTs의 성능 분석

기본적으로 PVT의 성능은 식 (1)~(4)와 같이 열효율과 전기효율을 산출하여 일사량상관계수인 (Tm-Ta)/G에 의한 열, 전기효율과 손실계수를 산출하여 PVT의 성능을 도출한다(Kim, 2011).

PVT의 열효율은 식 (3)과 같이 집열판에서 얻어지는 총 획득에너지인 Q1에 대한 집열기 자체의 획득에너지 Q2의 비율로서 산출하였으며, 전기효율은 집열면적의 일사량에 대한 전력생산량의 비율로 산출되며 전력생산량은 출력최대전압(V)과 출력최대전류(A)의 곱으로 식 (4)와 같이 계산된다.

(1)
Q1=Apvt×G
(2)
Q2=m˙Cp(Ti-Ta)
(3)
ηth=Q2Q1=m˙Cp(Ti-Ta)Apvt×G
(4)
ηel=Im×VmApvt×G

Apvt :Area of module

m˙ :Inlet flowrate (kg/hr)

Cp :fluid specific heat (J/kg℃)

Im :Maximum current (A)

G :Solar radiation of slope (W/㎡)

Vm :Maximum voltage (V)

Ti :Inlet fluid temperature (℃)

ηth :Thermal efficiency

Ta :Outlet fluid temperature (℃)

ηel :Electrical efficiency

Tm :fluid mean temperature ((Ta-Ti)/2)(℃)

일사량상관계수에 따른 열 및 전기성능 분석

CW.L-PVTs의 일사량상관계수에 따른 열효율은 Figure 9와 같이 분석되어 열효율 관계식은 유입수온도가 10℃일때 yT1=0.43+2.71((Tm-Ta)/G)로 열효율계수는 0.43이고, 열손실계수는 +2.71로 분석되었고 20℃일때는 yT2=0.47-3.8((Tm-Ta)/G)로 열효율계수는 0.47, 열손실계수는 –3.8이며, 30℃ 일때는 yT3=0.72-19.8((Tm-Ta)/G)로 열효율계수는 0.72, 열손실계수는 –19.8로 분석되었다.

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Figure 9

Thermal performance analysis according to the Solar radiation correlation coefficient

또한, 전기효율은 Figure 10과 같이 유입수온도가 10℃일때 yE1=0.1+2.56((Tm-Ta)/G)로 나타나 전기효율계수는 0.1이고, 전기손실계수는 +2.56으로 분석되었고 20℃일때는 yE2=0.1+1.6((Tm-Ta)/G)로 전기효율계수는 0.1, 전기손실계수는 +1.6이며, 30℃ 일때는 yE3=0.1-0.7((Tm-Ta)/G)로 전기효율계수는 0.1, 전기손실계수는 +0.7으로 분석되었다.

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Figure 10

Analysis of electrical performance according to the Solar radiation correlation coefficient

전체 열효율은 x축 일사량상관계수의 실험조건하에 평균 38%로 나타났으며, 전기효율은 평균 12%로 분석되었다.

일사량에 따른 열 및 전기성능 분석

유입수온도별 일사량에 따른 CW.L-PVTs의 열성능은 Figure 11과 같이 유입수온도가 10℃일때 일사량이 증가함에 따라 열효율이 약 0.18×10-2% 감소하는 것으로 나타났으며, 20℃일때는 약 0.17×10-1%, 30℃일때는 약 0.3×10-1% 감소하는 것으로 나타났다.

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Figure 11

Thermal efficiency analysis according to Solar radiation

전기성능은 Figure 12와 같이 유입수온도가 10℃일때 일사량이 증가함에 따라 전기효율이 약 0.6×10-2% 증가하는 것으로 나타났으며, 20℃일때는 약 0.7×10-2% 증가하였으나 30℃일때는 전기효율이 약 0.2×10-3%감소되는 것으로 나타났다.

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Figure 12

Electrical efficiency analysis according to Solar radiation

전체적으로 일사량이 증가함에 따라 열효율은 감소하는 것으로 나타났으며, 전기효율은 증가하는 것으로 나타났다. 열 및 전기효율 변화폭을 고려할 때 일사량은 열효율보다 전기효율 증감에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

외기온도에 따른 열 및 전기성능 분석

유입수온도별 외기온도에 따른 CW.L-PVTs의 열성능은 Figure 13과 같이 유입수온도가 10℃일때는 외기온도가 증가함에 따라 열효율이 약 2.61% 감소하는 것으로 나타났으며, 20℃일때는 약 0.56% 감소하였으나 30℃일때는 열효율이 약 0.02% 증가하는 것으로 나타났다.

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Figure 13

Analysis of thermal efficiency according to outside temperature

전기성능은 Figure 14와 같이 유입수온도가 10℃일때 외기온도가 증가함에 따라 전기효율이 약 0.32% 감소하는 것으로 나타났으며, 20℃일때는 약 0.17%, 30℃일때는 약 0.12% 감소되는 것으로 나타났다.

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Figure 14

Analysis of electrical efficiency according to outside temperature

열 및 전기효율 변화폭을 고려했을 때 외기온도는 전기효율보다 열효율 증감에 영향을 미치는 것으로 분석되었으나 유입수온도 변수에 따라 열효율이 상이하게 나타나 열효율보다 영향은 적게 받지만 전기효율이 외기온도와 상관성은 더 높은 것으로 판단된다.

결 론

본 연구는 건축물 외벽면에 설치가 적합하도록 개발된 커튼월형 액체식 태양광열시스템(CW.L-PVTs)을 시제작하고 ISO9806 태양열집열기 열효율 시험방법에 따라 실측실험을 실시하였으며, 실측자료를 비교 분석해 환경변수와 유입수온도에 따른 CW.L-PVTs의 성능을 분석한 연구로써 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)수직면 기준 15°의 각도로 1Set 당 24개의 PV Cell이 적용되고 후면에는 8 ㎜의 동관이 균일한 간격으로 8line 적용된 CW.L-PVTs를 설계하고 시제작하였다.

(2)기상환경변수 외에 유입수온도를 변수로 설정하여 ISO 9806 시험방법에 따라 옥외 실측실험을 약 31일간 실시하였다.

(3)유입수온도가 10℃, 20℃, 30℃일 때 열효율계수는 각 0.43, 0.47, 0.72로 산출되었으며, 열손실계수는 각 +2.71, -3.8, -19.8로 산출되었고, 전기효율계수는 모두 0.1로 산출되었으며, 전기손실계수는 각 +2.56, +1.6, +0.7으로 산출되었다. 유입수온도가 10℃로 낮을때는 열손실보다 열획득이 많았으며, 유입수온도가 높을수록 열손실이 많아지고 전기효율도 낮아지는 것으로 분석되었다.

(4)일사량이 증가함에 따라 열효율은 감소하는 것으로 나타났으며, 전기효율은 증가하는 것으로 나타났다. 열 및 전기효율 변화폭을 고려할 때 일사량은 열효율보다 전기효율 증감에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

(5)외기온도에 따른 열 및 전기효율 변화폭을 고려했을 때 외기온도는 전기효율보다 열효율 증감에 영향을 미치는 것으로 분석되었으나 유입수온도 변수에 따라 열효율이 상이하게 나타나 열효율보다 영향은 적게 받지만 전기효율이 외기온도와 상관성은 더 높은 것으로 판단된다.

추후 기존 개발 또는 상용되고 있는 PV와 액체식 PVT, 개발된 CW.L-PVTs를 동시에 실측실험을 실시하여 기상환경과 설치각도에 따른 열 및 전기 성능을 비교 분석하여 기존 모듈과 차이점을 분석할 필요가 있다고 판단되며 기상환경에 의한 오차를 줄이기 위하여 실험기간을 늘려야 할 필요가 있다고 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2019R1A2C2006605).

References

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Kim, J.H. (2011). The Experimental Performance of an Unglazed PV-Thermal Module with Fully Wetted Absorber. KIEAE Journal, 11(3), 69-73.
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