전 세계적으로 건축물 에너지효율 향상과 탄소배출량 저감을 위해 제로에너지건축물 구현을 단계적으로 목표로 하고 있다. 특히 제로에너지건축물 구현을 위해 건축적 기술과 함께 태양광·태양열·히트펌프 등과 같은 신재생에너지 단일기술이 활발히 적용되고 있다.

6월21일부터 23일까지 용평리조트에서 개최된 대한설비공학회(회장 정재동) 2023년 하계학술대회에서 태양에너지 효율성을 극대화하기 위해 타 신재생에너지와 결합해 활용할 수 있는 방안에 대한 논의가 이뤄졌다.

설치공정 간소화 부착형 태양광열 모듈 제안

배상무 부산대학교 생산기술연구소 연수연구원은 ‘태양광·열 모듈의 보급 활성화를 위한 부착형 태양열 집열기 개발’이라는 주제발표를 통해 소비자의 경제적 부담을 완화하며 건축물 도입을 활성화하기 위해 제작과 설치공정이 간소화된 부착형 태양열 집열기를 이용한 태양광·열 모듈을 제안했다.

이번 연구에서는 기존 태양광·열 모듈대비 부착형 태양광·열 모듈의 설치공정에 관한 이점을 제시했으며 부착형 태양광·열 모듈의 열성능을 정량적으로 검증하기 위해 ISO9806에 근거한 현장시험을 수행했다. 

배상무 연구원은 “부착형 태양광·열 모듈은 기존 태양광·열 모듈대비 공사기간과 예산을 절약할 수 있다”라며 “특히 건축물에 태양광패널이 이미 설치돼 있는 경우 부착형 태양광·열 모듈의 비용 절감효과는 크게 나타난다”고 설명했다.

이어 “부착형 태양광·열 모듈의 열성능은 현장시험을 통해 검증됐으며 집열면적에 대한 열효율은 35.9%로 계산됐다”라며 “태양광·열 모듈 사용제품대비 열효율은 낮았으며 약 10% 차이를 나타냈다”고 덧붙였다.

부정합 손실 최소화 해결책 '직렬·병렬·CHIME 결합방법'

최태호 서울과학기술대학교 기계자동차공학과 학생은 ‘태양광발전시스템의 부정합 손실 저감을 위한 전기적 연결 방법에 관한 연구’라는 주제로 발표했다. 

최태호 학생은 태양광패널의 발전 특성을 고려해 전기적 연결을 수행함으로써 부정합 손실을 최소화할 수 있는 전기적 연결 방법을 도출해 제시했다.

연구에서는 증가하는 신재생에너지 발전비중 중 태양광이 차지하는 비율은 39.3%로 2034년에 약 30GW 목표수치에 도달하기 위해 발전 비중을 높여야하는 상황에 맞춰 태양광발전시스템의 규모가 커져야 하는데 부정합 손실이 생긴다는 문제를 제기했다. 

태양광발전시스템에서 2개 이상 태양광패널이 직렬·병렬로 연결돼 있을 때 시스템 출력이 개별패널 합산보다 낮아지면 부정합 손실인데 출력저하만큼 음영이 존재하는 태양광패널에서 열로 소산되면 태양광패널의 핫스팟이 만들어지게 되며 심각한 피해를 야기할 수 있다.

기존 태양광발전설비에서는 부정합 손실로 인한 문제점을 해결하기 위해 바이패스 다이오드를 사용했지만 음영이 있는 패널에서 생산되는 전기적 에너지를 활용하지 못한다는 단점이 있어 부정합 손실을 최소화할 수 있는 직렬, 병렬, CHIME 등 3가지 전기연결 결합방법을 제시했다.

최태호 학생은 “태양광발전시스템의 부정합 손실을 줄이기 위해 부정합 손실 원리에 근거한 전기적 연결 방법인 직렬·병렬·CHIME 결합방법을 제안했으며 직렬, 병렬연결대비 27.4%, 6.5% 출력성능 향상을 나타냈다”라며 “12개 패널을 활용해 특정 음영 조건에서 출력 특성만을 살펴봤으나 대형 플랜트와 같은 곳에 본 연구에서 제안하는 전기적 연결방법을 도입하면 큰 출력이득을 볼 수 있다”고 밝혔다.

열손실 최소화 해답 수신기 내 흡수체 사용

김혜민 조선대학교 학생은 ‘고집광 태양열 집열기의 수신기 채널높이에 따른 열적성능 해석연구’라는 주제의 발표를 통해 고집광 태양열 집열기 수신기 높이의 영향성을 고찰하기 위해 수집기의 집광환경을 모사해 수집기 열적특성을 CFD해석을 통해 조사한 결과를 설명했다. 

김혜민 학생은 “화석연료를 대체하기 위해 대안으로 신재생에너지 일환인 태양열에너지 활용이 필요하며 집광영 태양열 집열기는 태양에너지를 집광해 중온·고온 열생산이 가능하기에 건물 및 산업 열원으로 응용성이 높다”라며 “집광 태양열 집열기의 수집기는 태양에너지를 열에너지로 변환하는 장치로 수집기의 높이는 열전달 유체 흐름특성과 태양에너지 흡수성능을 결정하는 주요 설계지표”라고 말했다.

CFD해석을 통해 접시형 태양열 집열기의 수신기 채널높이에 따른 열적성능을 수치적으로 조사한 결과 접시형 태양열 집열기의 수신기 채널높이가 높아짐에 따라 물 입구와 출구의 온도분포 차이는 증가했으며 동일 유량에서 속도는 감소해 수집기·벽면과 열교환 시간이 증가해 온도가 증가했다. 

물의 열효율은 수신기 채널높이가 1cm에서 2cm로 증가함에 따라 57.2%에서 62.7%로 증가했으며 17.5% 증가한 수치였다. 수신기 채널 높이가 높아짐에 따라 차압은 0.505kpa에서 0.166kpa로 감소했으며 접시형 태양열 집열기 작동을 할 때 사용되는 동력을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 수신기가 높아지면 열손실 면적이 증가하며 수신기 내 흡수체 소재는 열효율 개선을 유발한다.

넷제로 달성·효율 고도화 '흡착식 히트펌프'

김하늘 에너지기술연구원 신재생열융합연구실 연구원은 ‘TRNSYS을 활용한 흡착식 히트펌프와 PVT로 구성된 열공급시스템의 연간 냉난방 성능 분석’이라는 주제로 발표를 진행했다. 

김하늘 연구원은 테스트베드에 냉방·난방공급을 하기위해 태양광·열 집열기(PVT)와 기존 증기압축식 히트펌프대비 압축기 효율을 증가시킨 전기화학적 압축기가 적용된 흡착식 히트펌프가 연계된 열공급시스템을 구성한 결과를 발표했다.

김하늘 연구원은 “시뮬레이션을 통해 계산된 테스트베드의 연간 냉방 총부하는 1,636kWh, 연간 난방 총부하는 1,116kWh로 나타났다”라며 “피크부하는 냉방은 8월 중 3.03kW, 난방은 2월 중 5.13kW이며 간절기인 4월부터 10월 중에는 건물 내외부가 평형을 이뤄 냉난방부하가 거의 없다”고 밝혔다. 

흡착식 히트펌프가 연계된 열공급시스템은 연간 필요한 열원에 대한 태양의존율이 하절기 88.1%, 동절기 92%로 흐린날·피크부하 시기를 제외하면 PVT로 대부분 열량을 충족할 수 있다. 또한 열공급시스템에 사용되고 남은 발전량은 연간 1만1,750kWh로 사무실 1개 수준에서 연간 넷제로가 가능하다.