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문제 정의
- 본 연구에서는 PVT-s,PV-m,SC를 이용, 단일 태양에너지 이용 시스템 대비 실험 조건및 변수 등에 의한 집열 및 집광 효율의 비교·분석을 통해,PVT-s의 성능 검증을 수행하고,열 및 전기 효율을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 태양에너지 이용 시스템의 전기 및 열 성능 비교 연구 및 효율 분석이 수행되었다.
제안 방법
- 9월 1일에 UnglazedPVT-s의 성능 실험이 수행되었으며,이를 위해 유리커버가 제거된 상태로 GlazedPVT-s와 동일한 실험 방법에 의해 성능 검증이 진행되었다.
- GlazedPVT-s와 PV-m의 일사량의 변화에 따른 전기효율 실험은 7월 20일 7시 30분부터 12시 40분까지,일사량이 312W/㎡에서 945W/㎡까지 변화되는 동안 수행되었다(그림 14).
- 02㎏/s등의 조건을 고려하여,최소 4개 이상의 유체 입구 온도(30℃,45℃,60℃,75℃)에 대해 각각의 온도에 해당되는 독립된 데이터(총 16개)가 측정 되었다.또한,시험에 필요한 각각의 작동유체 입구온도를 일정하게 유지하기 위해 20℃에서 120℃까지 조절이 가능한 자동온도조절히터를 이용하였으며,GlazedPVT-s내부를 통과하면서 온도가 상승된 작동유체는 외부로 배출되었다.작동유체의 최초 입구온도는 외기온도의±3℃ 범위 이내,최대 온도 80℃ 이하를 만족 하였으며,정상상태에 도달하는 시간은 각 시스템 시간정수의 약 4배(약 10분)로 하여,공급 되는 열매체 온도를 일정하게 유지하였으며, 표 4에 주어진 범위 이내일 경우,정상상태에서 작동된 것으로 간주되었다.
- 열효율 시험은 지식경제부에서 주관하는 신재생에너지 설비 중 태양열 집열기 설비심사 세부기준7)을 근거로 수행되었으며,실험 조건에 의해,정오를 기점으로 ±2시간 범위 내에서 일사량 강도 900W/㎡,평균 풍속 3m/s ± 1m/s,단위면적당 유속 약 0.02㎏/s등의 조건을 고려하여,최소 4개 이상의 유체 입구 온도(30℃,45℃,60℃,75℃)에 대해 각각의 온도에 해당되는 독립된 데이터(총 16개)가 측정 되었다.
- 온도 측정은 각 부에 설치된 열전대를 이용,데이터로거에 1분 단위로 수집되었으며, 일사량,외기온도,풍속,습도 등의 데이터는 기상관측장치에 의해,1분 간격으로 측정·수집되었다.
- 온도측정을위해K-type의열전대(Thermocouple)를 이용하였으며,설치된 위치는 PVT-s및 SC의 입구 및 출구,축열탱크의 내부,PV-m 의 후면커버로,측정되는 각각의 온도를 시간 단위로 수집하기 위해 데이터로거의 각 채널에 연결하였다.
- 2011년 8월 31일에 GlazedPVT-s의 성능 실험이 수행되었다.전기 및 열 성능에 영향을 주는 기상데이터(그림 6)인 일사량,외기온도, 습도,풍속을 측정하였다.일사량은 10시 10분 이후에 구름이 없는 청명한 날씨를 보여,12시 47분에 최대 954W/㎡까지 상승하였으며,외 기온도는 일사량에 비례하여 상승하여,10시 39분 이후로 30℃ 이상을 유지하였다.
- 특히,PVT-s의 제작을 위해,(주)경원의 태양광 모듈제조 공장을 방문하여,집열판 및 태양광판을 열전도성이 우수한 에폭시 계열의 접착제를 사용,PF를 약 0.8로 하여,그림 1과 같이 접합·일체화하였다.
대상 데이터
- 여기서,태양광판(EVA,PET,PVF)및 접착층(Epoxybonding)을 제외한 구성은 SC와 동일하고,유리커버만 제외할 경우 Unglazed PVT-s의 구성과 동일하다.Insulationmaterial 의 재질은 WhiteGlasswool로 두께 30㎜,열 전도율 0.0395W/m℃이며,프레임은 알루미늄이 사용되었다.
- PVT-s및 SC 내부를 흐르는 작동유체는 물(H2O)을 사용하였고,유량은 제인상사(주) 에서 제작된 태양열집열기의 사양에 의해 최대권장량인 약 0.09㎏/s로 결정되었으며,흐름 방향은 하부에서 상부로 하여,유체가 흡수관 내부를 가득 채워 흐르게 하였다.또한, 축열탱크 내부 및 시스템을 순환하는 작동유체의 총 부피는 71.
- PVT-s의 구성은 그림 2와 같으며,유리커버와 태양광판 사이에 약 1㎝ 간격의 중공층 (Airgap)을 두어 열성능이 고려되었으며,태양광판 뒷면의 내부는 PolyethyleneTerephthalate (PET),외부는 PolyvinylFluoride(PVF)가 사용되었다.
- 기상관측장치(WatchDog 2800,Spectrum Technologies,Inc.,Plainfield,IL,USA)는 측방 약 10m 지점,축열탱크 및 펌프(PH-045M 및 PW-200SMA,윌로펌프(주),대한민국)는 후방 약 1m 지점에 설치되었으며,데이터수집 장치인 데이터로거(GL800,Graphtech,JAPAN) 는 각 시스템으로부터 전선이 연결되는 단자대 등이 강수에 영향을 받지 않도록 방수 케이스 내에 고정 설치되었다.그림 4는 PVT-s 를 포함하는 실험장치의 구성을 나타내고 있다.
- 본 실험에 사용된 PVT-s는 평판형, 액체 식, Glazed,sheetandtubedesign이며,구성된 주요 시스템은 기본적으로 빛에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 태양광판,흡수관 내부를 순환하는 작동유체를 통해 열에너지를 흡수할 수 있는 집열판,생산된 작동유체의 열을 저장할 수 있는 축열(蓄熱)장치(Storage tank)등으로 구성된다.추가적으로 태양광판의 냉각 및 집열판의 열을 전달하는 작동유체 (Workingfluid),작동유체의 순환을 위한 펌프 등으로 구성된다.
- 본 실험은 PV-m(KW-250M,(주)경원,대한민국),SC(JH-F,제인상사(주),대한민국), PVT-s(KW-250M,(주)경원,JH-F,제인상사(주),대한민국)등 3종류의 시스템을 이용 하였다.
- 성능 비교 실험이 수행된 기간은 2011년 8월 31일(GlazedPVT-s성능 실험)과 9월 1일(UnglazedPVT-s성능 실험)총 2일 간이며,일출부터 일몰간의 데이터를 수집하였다. 또한,각 시스템의 작동 및 정지를 동시에 하였으며,PVT-s의 집열 효율은 SC와,PVT-s 의 전기 효율은 PV-m과 비교·분석되었다.
이론/모형
- PV-m 및 PVT-s내 태양광판의 기초 성능 시험은 (주)경원에 의해 수행되었으며, PhotovoltaicModuleTestingSystem(SPI-SUN SIMULATOR,SpireSolarcorporation,USA)이 이용되었다.시험 결과를 통한 PV-m 및 PVT-s내부에 설치된 태양광판의 사양은 표 2와 같다.
성능/효과
- )/G에 대한 열효율 변화를 나타내었다.(Tin - Ta )/G가 0일 때,SC및 Glazed PVT-s의 열효율은 각각 71.5%와 57.9%로나타났으며,(Tin - Ta )/G가 0.05일 때,각각 48.1%와 11.0%로 나타났다.
- PV-m 및 GlazedPVT-s의 전력은 일사량에 비례,상승하여 약 12시 48분과 40분에 각각 249.60W,228.84W까지 상승하였으며,약 10시 이전 및 약 17시 10분 이후에 일사량의 급속한 변화에 의해 전력 발생의 불규칙성이 나타났다(그림 8).이는 GlazedPVT-s에 설치된 유리커버에서 발생되는 태양복사에너지의 흡수·반사와 더불어,유리커버로 인해 발생되는 온실효과에 의한 PVT-s내부에 설치된 태양광판의 온도 상승으로 인해,PVT-s 의 전력 발생이 PV-m 대비 평균 12.
- PV-m 및 PVT-s의 전력은 일사량에 비례, 상승하여 약 12시 51분에 각각 243.55W, 244.96W까지 상승하였으며,약 10시 이전 및 12시 25분~14시 48분에 일사량의 급속한 변화에 의해 전력 발생의 불규칙성이 나타났다 (그림 11).여기서,UnglazedPVT-s는 유리판에 의한 태양복사에너지 흡수·반사가 발생 되지 않고,시스템을 순환하는 작동유체에 의한 냉각 작용이 발생되어,전력발생량이 PV-m 대비,평균 4.
- 그림 7과 10을 통해,UnglazedPVT-s는 유리커버가 제거됨으로 인한 외기와의 대류 열손실이 상승되고,일사 반사율 감소 및 작동유체의 냉각효과에 의해,SC의 작동유체온도와의 격차가 GlazedPVT-s에 비해 평균 3.9℃ 높게 나타났다.
- 또한,각 시스템의 작동 및 정지를 동시에 하였으며,PVT-s의 집열 효율은 SC와,PVT-s 의 전기 효율은 PV-m과 비교·분석되었다.
- 본 연구를 통해,Glazed및 UnglazedPVT-s 의 열 및 전기 성능 실험과 더불어 Glazed PVT-s의 입구온도에 따른 열효율 시험 및 일사량에 따른 전기효율 시험을 수행하였으며,단위 면적당 총 효율은 GlazedPVT-s가 가장 높게 나타난 것으로 분석되었다.
- 0℃ 이상을 유지하였다.습도는 최초 87.9%에서 점차 감소하여,11시 34분 이후에 50.0% 이하를 유지하였으며,평균 풍속은 실험 시간 동안약 0.165㎧로 나타났다.
- 일사량은 10시 10분 이후에 구름이 없는 청명한 날씨를 보여,12시 47분에 최대 954W/㎡까지 상승하였으며,외 기온도는 일사량에 비례하여 상승하여,10시 39분 이후로 30℃ 이상을 유지하였다.습도는 최초 89.9%에서 점차 감소하여,11시 39분 이후에 50.0% 이하를 유지하였으며,평균 풍속은 실험 시간 동안 약 0.183㎧로 나타났다.
- 여기서,UnglazedPVT-s는 유리판에 의한 태양복사에너지 흡수·반사가 발생 되지 않고,시스템을 순환하는 작동유체에 의한 냉각 작용이 발생되어,전력발생량이 PV-m 대비,평균 4.43W 높게 나타났다.
- 열효율은 (Tin - Ta )/G가 0일 때,SC 및 Glazed PVT-s의 열효율은 각각 71.5%와 57.9%로 나타났으며,(Tin - Ta )/G가 0.05일 때,각각 48.1%와 11.0%로 나타났다.즉,작동유체의 입구온도가 30℃에서 75℃로 상승 하였을 때,SC및 GlazedPVT-s의 열효율이 각각 23.
- 외기온도(30℃)와 동일한 작동유체의 온도 (Zeroreducedtemperature),일사량 900W/㎡±50W/㎡의 조건을 만족하는 SC및 Glazed PVT-s의 열효율은 각각 71.5%,57.9%이며, 일사량 900W/㎡±50W/㎡의 조건을 만족하는 PV-m 및 GlazedPVT-s의 전기효율은 각각 12.5%,15.2%로 GlazedPVT-s,SC,PV-m 의 총 효율은 각각 70.4%,71.5%,15.2%로 산출되었다.
- 0%로 산출되었다.이를 통해,총 효율을 고려할 경우,GlazedPVT-s가 SC대비 1.1% 낮은 반면,에너지 축적 효율을 고려할 경우,GlazedPVT-s가 SC대비 19.3% 높게 나타나는 것을 확인할 수 있으며,이를 통해, GlazedPVT-s의 단위면적당 태양에너지 축적률이 가장 높은 것을 알 수 있다.
- 일사량에 대한 전기효율은 Glazed PVT-s가 PV-m 대비 평균 3.2% 낮게 나타났으며,이는 GlazedPVT-s에 설치된 유리 커버에 의한 태양복사에너지의 흡수·반사 및 온실효과로 인한 GlazedPVT-s내부의 태양광판의 온도 상승으로 인해,PV-m 대비 효율이 낮게 나타났으며,온도상승의 영향보다 일사량에 큰 영향을 받아 전기효율이 상승되는 것으로 사료된다.
- 전기 및 열 성능에 영향을 주는 기상데이터(그림 6)인 일사량,외기온도, 습도,풍속을 측정하였다.일사량은 10시 10분 이후에 구름이 없는 청명한 날씨를 보여,12시 47분에 최대 954W/㎡까지 상승하였으며,외 기온도는 일사량에 비례하여 상승하여,10시 39분 이후로 30℃ 이상을 유지하였다.습도는 최초 89.
- 작동유체의 최초 입구온도는 외기온도의±3℃ 범위 이내,최대 온도 80℃ 이하를 만족 하였으며,정상상태에 도달하는 시간은 각 시스템 시간정수의 약 4배(약 10분)로 하여,공급 되는 열매체 온도를 일정하게 유지하였으며, 표 4에 주어진 범위 이내일 경우,정상상태에서 작동된 것으로 간주되었다.
- 2℃ 낮은 집열 성능을 나타내었다.전력은 최대 228.84W 까지 상승하여,PV-m 대비 20.76W 낮았으며,평균 12.69W 낮은 출력 성능을 나타내었다.
- 1℃ 낮은 집열 성능을 나타내었다.전력은 최대 244.96W까지 상승하여,PV-m 대비 1.41W 높았으며, 평균 4.43W 높은 출력 성능을 나타내었다.이는 유리커버가 제거되어,일사 반사율의 감소에 의한 PV-m 대비 전기 성능 향상 및 외기에 의한 대류열손실 상승에 의한 작동유체가 냉각되어 SC대비 작동유체 온도 차이가 크게 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 0%로 나타났다.즉,작동유체의 입구온도가 30℃에서 75℃로 상승 하였을 때,SC및 GlazedPVT-s의 열효율이 각각 23.4%,46.9% 감소한 것으로 나타났다. 이는 GlazedPVT-s의 집열 면적의 약 80%를 차지하는 태양광판이 접합된 면적을 통해서는 오로지 전기 생산 과정에서 발생되는 열및 태양광판에 흡수된 태양복사에너지의 전도열전달이 발생되며,일사 흡수는 나머지 20%의 면적에서만 발생되기 때문에,작동유체 입구온도 상승에 따른 GlazedPVT-s의 효율감소폭이 SC 대비 크게 나타났다.
- 총 효율은 Glazed PVT-s 70.4%,SC 71.5%,PV-m 15.2%로 산출되었으며,에너지 축적 효율은 GlazedPVT-s90.8%,SC71.5%, PV-m 40.0%로 산출되었다.이를 통해,총 효율을 고려할 경우,GlazedPVT-s가 SC대비 1.
- 2%를 나타내었다. 평균 전기효율은 GlazedPVT-s가 PV-m 대비 약 3.2% 낮게 나타났다.
후속연구
- 이에,전기 및 온수의 동시 공급을 요하는 분야에서는 PVT-s의 적용이 유리한 것으로 판단되며,이에 대한 경제성 분석이 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 태양광열 복합 시스템(Photovoltaic / Thermal hybridsolarsystem, PVT-s)은 태양열 집 열기(Solarcollector, SC)의 집열판(collector plate)상에 태양광판(PV plate)을 접합한 형태로,전기 및 열에너지의 동시 생산이 가능하다.특히 태양광판의 전기 생성 과정에서 발생되는 열의 흡수가 용이하여,온도상승에 따른 효율감소 문제점 등의 보완과 동시에 단위 면적당 에너지의 효율적 활용을 통한 성능 향상이 가능하다.
- 향후,PVT-s의 작동유체의 물성,유량,흡수관의 형태·재질·개수,유리판 특성,Packing Factor,PVT-s內 PV-m의 종류(실리콘,화합물 반도체,염료감응 등),집광 방식,설치 경사·방위각,추적 시스템 연계 등,각각의 실험 변수 및 디자인 등에 따른 열전(熱電)성능 검증이 진행되어야 하며,열적 또는 전기적 성능의 일방적 상승 현상을 완화할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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