KIEAE Journal

1990년대 이후 지구온난화 및 에너지 문제에 대한 관심이 증가함에 따라, 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV), PVT시스템 등과 같은 건축에서의 태양에너지 이용에 관한 연구가 급격히 증가하였다.

초기의 PVT관련 연구로서, A.A Hegazy et al.¹⁾ (2000)는 열전달계수에 따라 4가지의 공기식 PVT 모듈을 이용하여 열, 전기, 유압 등의 종합적인 성능에 대한 연구를 수행하였다. 또한, Y. Tripanagnostopoulos et al.²⁾ (2002)은 액체식과 공기식 PVT, 그리고 유리커버의 유·무에 따른 4가지의 모델을 디자인하여 실외 실험을 통하여 시스템의 열적, 전기적인 에너지 효율을 각각 비교분석하였다. M.J.M jong et al.³⁾ (2002)은 가정에서 이용될 수 있는 PVT 패널을 이용하여 전기 생산, 공기를 예열원으로 하는 환기시스템, 히트펌프를 결합한 서로 다른 3가지의 시스템에 대하여 시뮬레이션(TRNSYS)을 통해 에너지 성능과 경제성을 비교 분석하였다. 한편, PVT의 전기 및 열효율에 있어 유체가 이동하는 집열부의 형상이나 열교환 방식은 중요한 성능인자가 된다. H.A Zondag et al.⁴⁾ (2003)는 Sheet-and-tube, channel, free flow, two-absorber(insulated) type 등의 7가지 디자인의 PVT컬렉터를 제안하고, 실험을 통해 각각 PVT컬렉터의 에너지 성능을 비교분석하였다. 그 결과로, two-absorber(insulated) type에서 가장 높은 평균 열효율 39%를 보였고, 평균 전기 효율은 커버가 하나인 sheet-and-tube type이 7.6%로 가장 높은 결과를 얻었다. J.S Coventry et al.⁵⁾ (2005)는 단결정 태양전지와 2개 중심축의 추적장치와 함께 파라 볼릭의 형태로 집광률을 높인 CHAPS 컬렉터를 개발하여 성능 실험을 하였다. M.Y Othman et al.⁶⁾ (2006)은 개발된 태양열을 이용한 건조 시스템 4가지 디자인(V-groove 태양열 집열기, double-pass 태양열 집열 저장고, 태양열 제습 시스템, PVT 시스템)에 대하여 각각의 디자인과 성능에 대하여 소개하고 농업 발전을 위한 PVT시스템의 활용 대하여 소개하였다. 한편, T.T Chow et al.⁷⁾ (2007)는 아열대 기후에 적용이 가능한 새로운 액체식 PVT(태양광-열사이펀)컬렉터에 대한 실험 및 경제성 평가를 실시하였고, 또한 유리 커버의 유·무에 따른 PVT시스템에 에너지 성능을 열역학적 관점에서 여섯 가지 작동 파라미터들의 영향에 대해 연구하였다⁹⁾ (2009). J.K Tonui et al.⁸⁾ (2007)는 공기식 PVT 컬렉터를 일반, 이중 시트와 방열 핀이 설치된 3가지 모델을 대상으로 실험하여 에너지와 엑서지 성능을 비교분석하였고, 그 중 방열 핀을 공기층 부분에 부착하여 냉각효과를 높이고 또한 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. Table 1에 해외의 PVT시스템 연구동향을 정리하여 나타냈다.

대부분의 연구들은 지역 기후나 설치 조건에 적합한 시스템 사양 개발을 위한 실험적 연구에 주목하고 있으나, 최적 설계를 위한 해석적 연구는 드물다.

국내에서도 최근 BIPV시스템과 함께 PVT시스템에 대한 관심이 증가하고 있으며 다양한 연구가 진행되고 있다. Table 2는 국내의 액체식 PVT시스템의 연구동향을 나타냈다.

Kang et al.¹⁰⁾ (2009)은 평판형 액체식 Glazed PVT 복합모듈을 설계 및 제작하고 성능에 영향을 주는 요소 중 입구온도, 외기온도, 일사량에 변화에 따른 시스템의 에너지 성능을 분석하였다. 그 결과, 유수입구온도와 외기온도가 시스템의 집열 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났고, 전기성능은 일사량에 지배적인 영향을 받지만 PV모듈 후면온도를 결정하는 주요 원인은 유수입구온도와 외기온도라고 분석되었다. Kim Jin-Hee et al.^11)-12) 는 액체식 PVT시스템에 관한 다년간의 연구를 통해 PVT복합모듈을 설계 및 시제작하고 성능실험을 수행하여 모듈의 열적, 전기적 성능에 대한 효율을 정량적으로 분석하였다. 연구 결과에 따르면, 집열 성능에서 Unglazed PVT 집열기는 Glazed PVT 집열기에 비해 평균 열효율이 매우 낮아 국내의 동계 기후와 같이 외기가 낮아 열손실이 큰 조건에서는 매우 불리한 것으로 나타났다.

한편, Park et al.¹⁶⁾ (2013)는 태양전지 후면의 환기 구조를 갖는 공기식 PVT 컬렉터를 옥외에 설치하여 송풍팬의 환기 시, PV모듈 후면과 공기층 온도, 취출 온도 및 시스템의 성능 등을 분석하였다. 또한, Bang et al.¹⁷⁾ (2013)은 PVT컬렉터에서 기존의 BIPV시스템보다 전기적 성능이 1% 높게 나타난다고 분석하였다. 또한 Park et al. (2012) 는 건물에 설치된 폐열회수 환기시스템과의 적용을 위한 공기식 PVT컬렉터를 제작하여 전기성능 및 집열 성능을 분석하였고, Kim et al. ¹⁸⁾ (2008)는 공기식 PVT지붕시스템 모형을 설계 및 시제작하고 집열 효율을 높이기 위해 PV모듈에 방열 동 핀과 방열 알루미늄 핀을 부착한 개선유형에 대해 에너지 성능을 비교분석하였다.

공기식 PVT의 해석적 연구로서 Park et al.¹⁹⁾ (2012)은 TRNSYS17을 이용하여 모델링을 수행하고 동절기 동안 외기를 도입하는 일반적인 폐열회수 환기시스템과 PVT 컬렉터를 예열원으로 이용하는 환기시스템에 대해 각각 실내 공급온도 및 온도 효율을 비교분석하고, 예열원으로 적용된 공기식 PVT컬렉터의 에너지성능을 분석했는데, 겨울철 공기식 PVT로부터 데워진 외부공기 열원으로 실내공급 측 온도를 높일 수 있으며, 공기식 PVT 컬렉터로부터 예열원을 받는 환기시스템이 평균 7% 높은 효율을 가져온다고 나타났다. 또한, Na et al.²⁰⁾ (2013)은 PVT모듈과 히트펌프를 융합한 형태의 PVT-히트펌프 통합기술을 제시하였다. PVT 모듈의 전기와 열 생산량은 인공태양으로 조성한 실험 조건에서 측정하고, EES(Engine-ering Equation Solver) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 하이브리드 시스템의 성능을 예측 및 분석하였다. 실험 결과, 공기식 PVT 시스템의 성능은 아래 표와 같으며, PVT-히트펌프 통합기술은 PVT 모듈을 열원으로 활용하면 공기열원히트펌프의 COP가 1.58% 향상하고, PVT에서 생산된 전력을 자급하면 시스템의 COP는 기존 대비 13.56%가 향상한다고 분석되었다.

최근에는 PVT의 건물적용에 초점을 둔 건물일체형 태양광열복합시스템 (BIPVT: Building Integrated PhotoVoltaic/Thermal system)나 타 열원에너지 시스템과 결합하여 시스템 효율향상을 도모하는 태양광열-지열(Geo-PVT) 하이브리드 시스템에 대한 연구가 보고되고 있다. 하지만 이러한 연구들은 실험적 레벨에 그치고 있으며, 실제 건물 적용을 위해서는 동적에너지 시뮬레이션에 근거한 최적설계수법이 정립되어야 한다. 특히, 타 열원시스템과의 활용도가 높은 액체식 PVT시스템에 대해서는 시스템 설계를 위한 해석적 연구가 드물다. 따라서 본 연구에서는 PVT시스템의 최적 설계 수법을 개발하기 위해 동적 에너지 시뮬레이션을 이용한 성능 특성 분석을 실시하였다.

Fig. 2는 액체식 PVT 시스템의 시뮬레이션 모델링 개요로서 PVT 컬렉터와 축열조, 차온제어 시스템, 펌프 등으로 구성된다.

Fig. 2. 
PVT system of simulation modeling

PVT 컬렉터는 유리커버가 없는 Unglazed형으로서 높이는 1.644m, 넓이는 0.992m, 두께는 0.04m로 설정하였고, 흡열판은 알루미늄 재질로(두께 0.003m, 열전도율 238W/mK) 하였다. 축열조는 태양열 시스템에서 급탕 및 난방부하에 사용하는 소형 모델로서 용량은 300L이고, 축열조의 온도 계산포인트(node)는 0.1m 간격으로 6개로 설정하였고 부하 측 공급온도는 60℃로 설정하였다. 또한 순환수의 차온제어는 집열기 출구온도와 집열기 입구부측 온도가 10℃ 이상이 되면 펌프가 작동하여 유체가 흐르고, 온도차이가 2℃ 일 경우는 작동을 멈춰 유체를 흐르지 않게 제어하도록 설정하였다. 펌프는 최대 유량 100kg/hr, 동력 소비량은 60kg/hr로 하였고, 순환탱크의 최기온도는 20℃로 설정하였다. 시뮬레이션에서 이용된 액체식 PVT시스템 주요 컴퍼넌트의 설정 조건은 아래 Table 5와 같다.

식 (1) ~ (4)는 PVT시스템의 전기효율 및 열효율 계산식을 나타낸다. PVT시스템의 전기효율은 식 (2)처럼 PVT모듈 집열면적의 일사량에 대한 전력생산량의 비율로 계산된다.

한편, PV 모듈의 효율 및 취득열량은 식(5) ~ (8)에 의해 결정된다.

G : 일사량 [W/m²]
η_th : 열효율
η_el : 전기효율
η_pυ : PV cell의 효율
A_pυt : 집열기의 면적 (m²)
T_i : 집열매체의 입구온도 (℃)
T_o : 집열매체의 출구온도 (℃)
m˙ : 집열매체의 유량 (kg/h)
C_p : 집열매체의 비열 (J/kg℃)
I_m : 최대 전류 [A]
V_m : 최대 전압 [V]

본 연구에서는 표준기상 조건하의 PVT시스템 성능특성 분석을 위해, 서울 지역의 표준기상데이터를 이용하여 연간 시뮬레이션을 실시하였다. 또한, 시스템 성능 검토에서는 전기 효율과 집열 효율로 구분하여 평가하였고, 집열 효율의 경우, 신재생에너지 설비심사 세부기준인 KS B ISO 9806 태양열집열기 열효율시험을 참고하여 일사량 300~1000W/㎡의 범위에서의 집열효율을 산출하여 평가하였다. 결과 값으로 PTV모듈의 표면온도, 입/출구온도, 유체평균온도와 열획득량, PV전력생산량, 전기효율, 집열효율, 외기온도, 일사량 등을 산출하였으며, 계절별 대표일별로 또한 월별로 에너지 성능 특성을 비교분석하였다.