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태양열업계 최대 화두 ‘PVT’

태양에너지학회 태양열세션 PVT 점령



태양열에너지업계의 화두가 PVT(태양광·열 집열기)모듈인 것으로 나타났다.

지난 4~5일 대구 EXCO에서 열린 한국태양에너지학회(회장 송두삼)의 태양열에너지분야에서 총 5개 세션 18개 주제발표 중 11개가 PVT관련 발표였다. 또한 5일 진행된 신재생에너지 융합분야 3개 세션 11개 주제발표 중 6개 과제가 역시 PVT 주제였을 만큼 기술개발이 활발하게 진행되고 있었다.

PVT는 통합된 하나의 모듈에서 전기와 열을 동시에 생산하는 Photovoltaic(PV)과 Solar Thermal(T)이 조합된 Hybrid solar collector를 말한다. 

PV시스템은 태양광선의 약 20%내외를 전기로 변환하고 나머지는 열에너지형태로 버려지게 되는데 이 버려지는 열에너지를 사용할 수 있도록 개발된 것이 바로 PVT시스템이다. 

전기와 열을 동시에 생산함으로써 지붕이나 파사드의 단위면적당 에너지생산량이 증가되고 동시에 PV시스템의 발전효율 또한 증가시키는 장점이 있어 전 세계 태양광·열업계의 관심을 받고 있다. 

‘고 생산성을 갖는 PVT복합모듈의 제조방법’을 발표한 조성구 이맥스시스템 부사장은 “1,100nm 이상의 장파장 영역의 태양광선(약 30%)은 발전에 사용이 안되고 High density 영역의 태양광선(약 30%)은 열로 변환돼 손실된다”라며 “PV발전에 전혀 영향을 안주면서 얻을 수 있는 최대 68%의 태양광선을 열로 변환이 가능한 이러한 물리적 특성으로부터 PVT의 개발동기를 얻게 됐다”고 밝혔다. 

PVT 모듈은 작동매체의 종류와 전, 후면 단열방식에 따라 크게 △액체식, 무창형, 비단열형 △액체식, 무창형, 단열형 △액체식, 유창형, 단열형 △공기식, 유창형, 단열형 등 4가지로 나뉘며 각 특성이 다르다. 이맥스시스템은 양산성이 높고 고효율, 경량, 슬림화가 가능하고 원가가 낮은 PVT Laminating 공정이용 방법으로 PVT를 생산할 계획이다. 반면 라미네이트 설비에 투자 필요한 것으로 단점으로 지적되고 있다. 

조 부사장은 “제품이 시장에서 주목을 끌고 동시에 경쟁력을 갖추기에 위해서는 가격, 신뢰성, 외관 등에서 우위를 점해야 한다”라며 “이를 위해 생산성이 높은 제조방법을 갖는 제품이 개발돼야 하며 이를 모두 갖춘 PVT모듈 제조방법을 개발했다”고 밝혔다. 

먼저 이맥스시스템은 기계적 라미네이팅을 통한 제조시간 저감과 Serpentine type seamless riser tube 제조를 통한 용접공정 삭제 등을 통해 원가 절감을 실현했으며 기계적 라미네이팅을 통한 Cell-Absorber 접합의 품질 균일성 확보와 Serpentine type seamless riser tube 사용을 통한 누수가능성의 원천방지로 제품 신뢰성를 제고할 수 있었다.

또한 기계적 라미네이팅을 통한 제품의 슬림화와 후면 Laser welding 및 Serpentine type의 집열관 배열을 통한 PV모듈 수준의 미려한 Cell 표면의 외관을 달성했다.

조 부사장은 “이번에 개발한 제조방법을 개선, 발전시켜 향후 양산과정에 진입할 경우 매우 우수한 품질의 신제품이 상용화될 것으로 기대된다”라며 “이번 연구에서 개발된 PVT모듈의 열과 전기 동시 최고효율은 열 52.77%, 전기 14.96%로 통합효율은 67.73%로 세계적으로 가장 높은 효율은 65%임을 감안하면 사업성공 가능성을 확인할 수 있었다”고 강조했다. 

라미네이트 접합방식의 평판형 액체식 PVT 설계 및 제작을 완료한 주홍진 에너지기술연구원 박사는 ‘액체식 평판형 태양광/열 복합모듈의 성능 실험 연구’ 발표를 통해 “평판형 액체식 PVT는 슬림(Slim)화 및 경량화, 건물일체화가 가능하며 저온 집열방식으로 시스템의 과열방지와 부하매칭을 위한 열공급 패키지 시스템과의 연계성이 용이하다”라며 “국내 환경에 적합한 바닥복사난방과 급탕열원으로 직접 사용이 가능하다”고 밝혔다. 

성능시험은 현재 PVT(공기식, 액체식) 인증시험 규정이 없어 열성능은 KS B 8295 시험방법을, 전기성능은 IEC 61215, KS C 8561 시험방법(STC 시험 조건)을 준용했다. 열과 전기 성능시험은 KS B 8295 시험조건에서 동시에 전기 출력으로 측정했다.

주 박사는 “각 시험방법을 준용해 열 및 전기성능시험을 완료한 결과 각각의 개별 성능시험은 열성능 62.6%, 전기성능 16.04%, 열전기 통합성능 78.64 %로 나왔다”라며 “PVT 열전기 통합 시험 결과는 열성능 52.77%, 전기성능 14.96%, 열전기 통합성능 67.73%로 열전기 통합 성능 목표 80%를 위한 PVT 모듈 설계 및 제작 기술 개발이 필요한 것으로 나타났다”고 밝혔다. 

‘온수 자립형 태양열광 집열기(PVT) 개발’을 발표한 정재용 세한에너지 전무는 “이번 기술은 태양광과 태양열을 동시 적용하는 일체형 복합장치로 에너지 자립형 태양에너지 온수기는 태양에너지 집열기에서 생산되는 열은 온수를 예열하고 발전되는 전기는 계통선으로 송전 이후 필요 시 온수기 축열조 상단부를 원하는 온도까지 승온시켜 공급하는 전기를 보조열원으로 사용하는 자연 순환식 태양에너지 온수기”라며 “온수기에 적용되는 태양열·광집열기는 히트파이프식과 평판형 액체식 등 2가지 모델로 개발했다”고 밝혔다.

정 전무는 “실증용 태양에너지집열기 및 온수기 제작, 통합 모니터링 설계 제작을 올해 개발목표로 하고 있다”라며 “이를 위해 실증용 태양에너지 집열기 시작품 설계 및 제작, 일체형 온수기 모델 태양에너지 집열기 연계 전력계통 설계 및 제작, 통합제어 모니터링 설계 및 제작, 온수기 실증사이트 구축 및 실증설비 모니터링 예비시험 등을 진행할 계획”이라고 밝혔다.

‘제로에너지 주택용  PVT모듈 및 열(냉난방 및 급탕)공급장치 개발’을 발표한 이왕제 대전대학교 건축공학과 학생은 “PVT모듈에서 생산된 전기는 주택의 전기부하로 사용하고 잉여 시 계통 공급 및 수전하고 열은 패키지형 열공급장치로 난방 및 급탕으로 사용할 수 있다”라며 “패키지형 열공급장치(Heat Pump)를 통해 냉난방 및 급탕을 100% 공급가능하다”고 밝혔다.

패키지형 열공급장치는 축열조 및 버퍼탱크, 팽창탱크, 각종 펌프, 밸브, 제어장치 등을 하나의 단일제품으로 통합화한 것으로 Factory made가 가능토록 컴팩트화하는 것이 중요하다. 취급 및 시공 용이, 설치공간 최소화, 제품의 신뢰성 향상을 위한 제품화 및 상품화가 필요하다. 백업설비로 공기열원 히트펌프(L사)를 통한 냉난방 및 급탕 100% 공급이 가능하다. 

이왕제 학생은 “PVT 모듈의 상하단부 단열 누락 및 열매체관의 곡간부의 비접촉(용접 X)에 의한 열전달 문제가 발생해 그 부분을 보완하면 효율이 향상될 것으로 판단된다”라며 “패키지형 열공급장치는 설계 및 제작 후 실증실험을 진행하면서 A/S가 용이할 수 있도록 펌프의 위치 및 방향 조절, 좀 더 컴팩트화하고 실용적으로 설계 및 제작하고 있다”고 밝혔다.

이 학생은 “실증시스템은 현재 모듈 및 패키지 열공급장치의 동절기에 다양한 실험 수행, 하절기 과열 및 가옥조건 실험을 통해 문제점을 보완 후 실증사이트를 구축할 계획”이라며 “모니터링 시스템은 현재 PVT의 열부분에 대한 분석은 다양하게 진행 중이며 그에 맞는 실험 및 분석을 병행하고 있으며 주택 전력부하와 ESS와의 양방향 제어는 현재 구축 중”이라고 밝혔다.