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태양E 적용가능성 확대방안 논의

‘2021년 설비공학회 동계학술발표대회 태양에너지전문위원회 특별세션’ 개최



대한설비공학회(회장 김민수)가 11월19일 세종대 컨벤션센터에서 개최한 ‘2021년 설비공학회 동계학술대회 태양에너지전문위원회 특별세션’에서는 태양에너지의 활용성을 높이기 위한 방안에 대한 논의가 이뤄졌다. 

세션은 △태양열원 하이브리드 데시컨트 냉방시스템의 고장대응방안 및 실증실험(박준석 경희대 학생) △원예시설 냉방공급 및 태양열기반 계간축열시스템 시운전 분석(김민휘 한국에너지기술연구원 선임연구원) △오일필터를 이용한 태양광패널 냉각시스템 개발(송민수 고려대 학생) △고효율 직접흡수형 태양열집열기(DASC)용 SiO·ITO 하이브리드 나노유체의 광열변환 성능평가(김혜민 조선대 학생) 등 순으로 진행됐다. 

안정적 태양열활용 대안 제시
박준석 경희대 학생은 ‘태양열원 하이브리드 데시컨트 냉방시스템의 고장대응방안 및 실증실험’ 발표를 진행했다. 

동절기 부하량에 맞춰 태양열시스템을 설계하게 되면 하절기의 시스템과열로 이어지는 경우가 발생한다. 이를 해결하기 위해 저온열원으로 구동할 수 있는 데시컨트 냉방시스템 도입이 제안됐다. 

데시컨트 냉방시스템은 제습로터를 재생하는 것이 중요하며 최적 재생온도는 50~85℃지만 태양열의 경우 태양일사와 대기상태에 영향을 받아 지속적으로 변화한다. 집열량이 과다할 경우 고열로 인한 제습로터의 파손이 우려되며 일사가 없는 경우 제습로터 재생이 불가능하다. 

박준석 경희대 학생은 “연구를 통해 태양열원을 활용하는 데시컨트 냉방시스템의 문제상황에 대해 대안을 제시할 수 있었으며 집열량이 과다한 경우를 대비해 부하측 배관에 바이스패스 봬관을 추가해 부하측 배관의 유량을 낮추고 방열기를 설치해 축열조 온도를 제어하는 방식이 도출됐다”라며 “일사가 없는 경우 축열조 온도에 따라 온수공급을 제어한다면 안정적으로 제습로터 재생이 가능하다”고 밝혔다. 

시설원예 태양열 효율향상 핵심 ‘계간축열’
김민휘 에너지기술연구원 선임연구원은 ‘원예시설 냉방공급 및 태양열기반 계간축열시스템 시운전 분석’ 발표를 통해 푸르메 여주팜에 구축되고 있는 원예시설에 냉열 및 온열을 공급하기 위해 태양열 및 TTES, PVT 및 BTES 등을 적용하는 실증현황을 소개했다. 

2016년기준 농림어업분야 에너지소비는 332만toe로 국내 에너지소비의 1.5%를 차지하고 있으며 전력부문 소비량이 가파르게 증가하고 있다. 특히 시설원예 경영비 중 30% 이상이 난방비가 차지하고 있으며 난방비 절감을 위한 연구가 요구되고 있다. 

시설원예의 경우 층고가 높고 낮은 수준의 단열이 이뤄지기 때문에 에너지효율을 높이는 것이 중요하다. 최근 해외에서는 계간축열식 태양열시스템을 이용하는 사례가 증가하고 있다. 

푸르메 여주팜에는 겨울철 난방을 위한 태양열 및 TTES, PVT 및 BTES 등이 구성되고 TTES, BTES의 열원과 공기식 열원을 혼합 사용할 수 있는 하이브리드 히트펌프가 적용됐다. 이와 함께 보조열원으로 지열히트펌프가 설치됐다.

김민휘 선임연구원은 “시운전을 통해 운전효율 및 운전환경을 확인했으며 시운전 기간 하루 일사량은 최대 3,183kWh로 집열효율은 최대 66%를 달성했다”라며 “계간축열조 온도가 높아짐에 따라 집열효율은 낮아졌으나 계간축열조의 온도가 60℃ 이상을 상승하더라도 최대 51%의 집열효율을 달성했다”고 밝혔다. 

이어 “난방공급 시작 직전인 10월초 계간축열조의 평균온도는 최대 66℃도를 나타냈으며 향후 난방공급과 각 열원의 히트펌프 운영에 따른 효율분석을 진행할 계획”이라며 “냉방의 경우 냉방공급에 따른 실내온도 변화, 적정 공급온도설정 및 시스템 운영에 따른 성능분석, 휴작기 절감에 따른 농가소득향상을 장기간 실증을 통해 검증할 예정”이라고 덧붙였다. 

오일필터 적용통한 태양광 효율유지
송민수 고려대 학생은 ‘오일필터를 이용한 태양광패널 냉각시스템 개발’을 발표했다. 

신재생에너지 활용이 강조되면서 설비도입, 운용이 용이한 태양광 적용이 확대되고 있다. 그러나 태양광발전은 기존 발전방식대비 낮은 발전효율이 단점으로 꼽히며 이는 태양광패널의 온도가 상승함에 따라 발전효율이 감소하기 때문이다. 

태양광패널은 가시광성과 적외선 영역 중 특정한 파장만 흡수할 수 있으며 태양광패널의 온도가 1℃ 상승할 경우 패널의 효율은 0.4~0.65% 감소하게 된다. 이에 따라 특정 파장영역대를 투과해 패널온도상승을 방지하는 시스템 마련이 필요하다. 

송민수 고려대 학생은 “태양광패널의 온도상승을 방지하기 위해 오일필터시스템을 구상했으며 물과 비교해 결과값을 도출했다”라며 “물을 이용한 냉각방식은 최종온도 68.5%℃로 나타났으며 오일필터를 적용한 태양광패널의 온도는 65.7℃로 1℃당 패널효율감소 치를 0.4%로 가정할 경우 약 1.12%의 발전효율에 차이가 발생할 것으로 보인다”고 밝혔다. 

태양E 광열전환 최적 나노유체 도출
김혜민 조선대 학생은 ‘고효율 직접흡수형 DASC용 SiC·ITO 하이브리드 나노유체의 광열변환 성능평가’ 발표를 통해 하이브리드 나노유체 적용을 통한 DASC 효율향상 연구를 소개했다. 

직접흡수형 DASC는 열매체가 DASC에 흐르면서 태양에너지를 직접흡수한다. 간접흡수형에 비해 열저항이 작고 흡수체의 열손실이 감소해 높은 열효율을 얻을 수 있다. 그러나 작동유체로 사용되는 물, 오일 등은 광투과도가 높아 열에너지 전환에 한계를 가지고 있다. 

이에 따라 광흡수 특성이 개선된 나노유체가 활용되고 있으며 SiC의 경우 가시광선, ITO의 경우 근적외선영역에서 높은 흡수능력을 가지고 있다. 

김혜민 조선대 학생은 “이번 연구에서는 각각 특성을 가지고 있는 나노유체를 혼합해 최적 흡수능력을 갖춘 하이브리드 나노유체를 개발했으며 SiC, ITO의 혼합비 8:2에서 가장 우수한 성능을 나타냈다”라며 “SiC, ITO를 단독 사용했을 경우 더욱 우수한 성능이 나타나 실제 적용을 통해 DASC의 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 예측된다”고 밝혔다.