[논문]PV Thermal 복합시스템의 국내외 연구 개발 동향

김진희; 이강록; 양연원; 김준태

PV Thermal 복합시스템의 국내외 연구 개발 동향
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김진희 (공주대학교 대학원 건축학부) , 이강록 (공주대학교 공학연구원) , 양연원 (공주대학교 대학원 건축학부) , 김준태 (공주대학교 건축학부)

PV Thermal combined system produces the electricity and thermal energy which are needed for buildings. The system removes heat from PV module through air or liquid, so that its efficiency will be improved. The heat as the forms of hot air or hot water can be utilized for building use, like space heating and hot water. This paper describes the concept of PV Thermal combined system and its research and development trend at local and international levels. This materials can be used as a fundamental study source about PV Thermal combined system to apply fur building space heating.

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문제 정의

본 연구에서는 PV모듈을 통해 발생되는 열을 건물난방에 활용하기 위한 기초자료로서, PV Thermal 복합시스템의 사례에 대해 알아보고 국내외 연구동향을 자세히 살펴보았다.
중이다. 이 연구는 Solar wall 입면에 태양광모듈을 부착해 Solar wall을 통해 데워진 공기는 실내로 흡입하고 온도가 저하된 태양광모듈의 전기적 효율특성을 분석하는 것이다.
이러한 배경으로 본 연구에서는, 태양광과 태양열을 동시에 활용한 PV Thermal 복합시스템에 대해 알아보고, 이와 관련된 국내외 연구 동향에 대해 자세히 살펴보았다. 국내에 PV Thermal 복합시스템을 건물난방 및 온수공급에 적용하기 위한 시스템 개발의 기초 연구자료로 활용이 가능하다.
최근 IEA SHC에서는 Task35가 새롭게 만들어져 PV Thermal에서 열을 적극적으로 활용하는 연구가 계속적으로 이루어지고 있다. 제조업체와 함께 제품으로 상용화된 다양한 PV Thermal 컬렉터에 대해 소개하고 있다.

제안 방법

PV 후면에 물 파이프와 공기채널을 적용한 모듈을 각각 실험모델을 통해 성능을 비교 평가하였다. 최근 Tonui(2006)는 Tripanagnostopoulos와 함께 집열효율을 높이기 위해 공기채널 후면에 핀(fin)이 부착되는 등 개선된 PV Thermal 컬렉터를 제안하였다.
Bhargava(1991) 와 Prakash(1994)는 Hybrid PV Thermal시스템에 있어 공기유동, 공기채널 깊이, 길이 그리고 흡수판의 영향에 따른 결과를 발표하였다. 공기식 PV Thermal 시스템의 효율에 영향을 미치는 요소와 열적 손실과의 관계를 포함하여 전체 시스템의 효율에 대한 관련성을 규명하였다. Takashima(1994) 는 공기층 간격을 통한 PV Thermal 시스템의 냉각효과와 함께 시스템을 제안하기도 하였다.
최근 Tonui(2006)는 Tripanagnostopoulos와 함께 집열효율을 높이기 위해 공기채널 후면에 핀(fin)이 부착되는 등 개선된 PV Thermal 컬렉터를 제안하였다. 또한 Bakker는 PV패널 후면에 히트파이프를 부착시켜 완전한 PV 와 Solar collector가 합쳐진 시스템을 히트펌프에 연동하는 복합시스템의 열적 전기적 성능을 평가하였다.
이 시스템은 PV 모듈 후면에 통풍간격을 두고 그 밑면에 태양열 흡수판을 두어 후면의 더운 공기를 실내로 끌어들이는 방식의 시스템이다. 또한 모델링을 통해 연간 건물 부하 대비 열과 전기적 성능을 평가하였으며, 시스템의 열적 경제성도 함께 평가하여 발표하였다.
또한 반사판을 이용한 태양광, 열 복합패널이 제안되어, 그 성능이 실험결과를 통해 발표되었다. 이 연구에서 서유진 외(2005)는 반사판을 이용한 태양광, 열 복합패널의 열적 전기적 성능 특성을 기존의 태양광 및 태양열 시스템과 비교하여 설명하였다.
평가하였다. 또한 열 획득을 시뮬레이션을 통해 나타냈으며(2005년), 열 획득을 알아보기 위해 새로운 TRNSYS Type77을 개발하였으며, 기존 Type73과 연동하여 열 획득량을 평가하였다.
이 시스템은 완전히 통합된 PV 지붕구조에 공기채널과 셔터를 두어 여름철에는 지붕을 환기시켜 냉방부하를 줄이고 겨울에는 더워진 공기를 히트펌프 보일러의 난방열원으로 이용하는 것이다. 모델링을 통해 PV와 유동 공기의 온도를 외부조건과 함께 정략적으로 나타냈으며, 자연대류에 의해 냉각된 지붕후면의 온도와 데워진 공기의 온도차를 비교하여 평가하였다.
여기서는 환기 공기의 예열, 시스템의 순환공기 등 4가지의 모델이 제안되어 ESP-r과 TRNSYS에 의해 새로운 모듈타입을 개발하였으며, 시스템의 에너지 부하에 따른 열적 전기적 성능을 평가하였다.
이 연구를 통해 PV Thermal 복합시스템의 다양한 활용방안이 정리되었고 몇몇 제조업체와 함께 시장 잠재성에 대해 소개하였다. 이어 2002년 Morgan Baziliane BIPV시스템의 성능에 영향을 미치는 온도와 관련하여 수치해석 모델링과 실험적 연구를 수행하여 PV Thermal 복합시스템의 전기적 열적 성능에 대한 수치해석 모델링을 제시하였다.
나타냈다. 이에 따라 발생되는 전기효율과 열적 효율을 함께 실험을 통해 성능을 평가하고, 최적화된 모델을 제시하였다.

대상 데이터

이후 IEA PVPS 내의 Task 7을 통해 Esbensen Consulting(DK)는 대규모 PV Thermal 시스템에 대한 연구와 개발을 실행하였고 Ecofys(NL)사의 PV Thermal 시스템에 대한 기술적 재검토를 통한 관련 기술의 진보로 상업적 이용 가능성이 제시되었다. PV Thermal 시스템은 최초에 통풍이 되는 PV 입면 (Solarwall, CAN)과 같이 열교환 매체로서 공기를 사용하였다. 다른 방법으로 열 교환 매체로서 물을 사용하였으며 일반적으로 주거용 건물에서는 PV 패널과 함께 온수시스템으로 사용되었다.

후속연구

자세히 살펴보았다. 국내에 PV Thermal 복합시스템을 건물난방 및 온수공급에 적용하기 위한 시스템 개발의 기초 연구자료로 활용이 가능하다.

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