태양광·열시스템인 PVT는 기존 태양광모듈과 태양열집열기가 동일한 설치면적에서 전력과 열을 동시에 생산할 수 있는 특징을 가지고 있다.
특히 우리나라의 경우 국토가 좁고 도심에 건물이 밀집돼있어 건물부문 2050 탄소중립 달성과 관련제도 대응방안으로 주목받고 있다.
다만 PVT제품의 성능을 정확하게 평가할 수 있는 제도적 기반이 마련돼있지 않은 상황으로 신재생에너지 보급사업 등 관련 보급사업의 지원을 받을 수 없어 보급이 미진한 실정이다.
PVT 복합모듈의 열·전기 통합성능시험 및 평가방법을 연구하고 있는 주홍진 한국에너지기술연구원 책임연구원을 만났다.
■ 신재생열융합연구실을 소개한다면 신재생열융합연구실은 태양열기술 연구와 신재생에너지 기반 열융합 연구를 통해 에너지기술 개발 및 성과확산에 기여하고 있다.
주요 연구분야로는 태양열 집열·축열·활용기술과 신재생열에너지 융합연구 등이다. 주요 연구주제로는 비용효율 향상을 위한 태양열에너지 핵심요소기술, 신재생열원과 히트펌프 등 고효율 열공급시스템과의 융복합, 신재생열에너지 기반 융복합시스템의 열관리 및 축열제어 등이 있다.
■ 열분야 탄소중립의 중요성은
2020년 에너지총조사에 따르면 △산업 60.2% △수송 21.4% △상업·공공 9.1% △가정 9.3% 등의 비중으로 에너지를 소비하는 것으로 나타났다. 이중 산업, 가정, 상업공곱분야에서 사용하는 에너지 중 열에너지는 30% 이상이다.
이는 2030 국가온실가스감축목표(NDC)를 달성하기 위해서는 열에너지분야에서의 탄소감축이 중요하다는 것을 의미한다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 열부문은 전체 에너지수요의 절반을 차지하고 이산화탄소 배출에서도 차지하는 비중이 매우 높지만 이를 대체할 수 있는 재생에너지의 공백으로 탈탄소화의 길이 험난할 것으로 예측하고 있다.
또한 전 세계적으로 재생열에너지로의 전환이 제한되고 있다고 평가하고 있다. 2016년부터 2020년까지 국내 태양열 보급용량은 연평균 약 2만3,772m²로 한국에너지공단에서 제시하는 진공관형 및 평판형 태양열집열기 보급가격인 약 109만원으로 환산할 경우 국내 태양열시장은 약 259억원 수준으로 파악된다.
2020년 지역별 신규 설치 태양열의 경우 인구밀집 및 설치면적이 제한적인 광역시 및 수도권에서의 보급이 거의 이뤄지지 않고 있다.
반면 PVT는 전력과 열을 동시에 생산할 수 있어 주목받고 있으며 최근 제로에너지건물 보급에 따라 소규모 주거용 건물부터 대형건물 및 산업부문에 적용할 수 있는 대용량으로 확대될 것으로 전망되고 있다.
■ 현재 PVT 평가방법은
PVT기술의 근원은 태양광모듈 과열에 따른 발전효율 저하를 예방하기 위한 냉각기술로 동일설치면적에서 동일한 양의 전력과 2배 이상의 열에너지를 동시 생산할 수 있다.
현재 PVT은 태양열, 태양광 시험성적서를 통해 성능을 나타내고 있으나 전력효율 15.9%, 열효율 69.14%을 단순 합산하는 결과로 평가하고 있다.
그러나 이는 정확한 PVT의 성능을 파악할 수 없는 계산방식이다. 이에 따라 에너지연에서는 PVT을 평가할 수 있는 설비를 구축해 PVT의 전력 및 열 생산효율을 통합평가를 실시한 바 있다.
■ PTV 통합평가모델 개발 현황은
과열방지장치 부착형, 미부착형 등 2가지의 PVT A, B, C 등 3개 제품에 대해 무부하(열성능), 부하(열+전기) 방식으로 성능시험을 실시했다. 현재 공기식, 액체식 PVT 인증시험에 대한 규정이 없어 열성능은 KS B 8295 시험방법을 준용했으며 전기성능은 STC 시험조건인 IEC 61215, KS C 8561 시험방법을 준용했다.
열+전기 성능시험은 KS B 8295 시험조건에서 동시에 전기출력을 측정하는 방식으로 진행했다. 과열방지장치가 탑재된 A·B타입 이중투과체 PVT(열생산 우선형)의 면적은 2.09m²이며 과열방지장치가 탑재되지 않은 C타입 단일투과체 PVT(전기생산 우선형)는 1.99m²다.
두타입 셀은 모두 단결정, 72셀이며 티타늄 코팅 알루미늄 흡수판이 적용됐다. 또한 투과유리는 AR코팅 저철분 강화유리, 집열관은 Serpentine Seamless Copper Tube, 제작방식은 기계적 라미네이팅이 적용됐다.
C타입의 경우 유럽에서 가장 많이 보급되는 형태지만 40℃ 이상의 열을 생산할 수 없다는 특징을 가지고 있다.
3개 PVT를 평가한 결과 전력생산효율은 △C 15.4% △A 14.2% △B 13.6% 등 순으로 나타났으며 열생산효율은 △A 56.7% △B 55.3% △C 44.9% 등으로 나타났다. 통합성능을 평가한 결과 A, B, C 등 순으로 나타났다.
B모듈은 A모듈대비 라미네이티드 PVT 패키지 유리사용으로 인해 반사율이 증가하고 열전도율이 하락했다. 이에 따라 열 및 전기성능이 하락했다. C모듈은 투광창이 없어 전력생산효율은 높았으나 열손실이 커 열생산효율이 낮았으며 45℃ 이상에서는 집열효율을 확인할 수 없었다.
PVT 통합평가를 진행하면서 모듈 입구온도 23℃, 44℃, 64℃에서의 동관과 흡수판 표면온도정보를 확보했으며 흡수판 표면온도의 경우 온도구배가 역전되는 부분이 발생하는 것을 확인했다.
또한 국부적으로 동관과의 열전달이 원활하지 않은 상황이 발생했다. 특히 발전량은 열생산효율에 영향을 미치지 않으며 열생산효율의 하락만큼 전력생산효율이 향상되지 않음을 의미한다. 이러한 결과는 성능시험 중 발전을 중지했음에도 열생산 성능이 상승하지 않는 것으로 확인했다.
■ 향후 평가에 반영해야 할 요소는
PVT 집열기의 형태, 구조, 열매체 유량을 비롯한 다양한 항목에 대해 명확한 가정이 필요한다.
또한 OC모드 실험을 통해 MPP 모드에서 성능예측과 반대로 MPP모드실험을 통해 OC모드에서 성능예측을 위해서는 PVT모듈의 구조, 형태, 라미네이팅방식, 재료, 배관형태, 열손실 등 수학적 기준이 명확해야 한다.
그러나 수학적 기준은 PVT모듈마다 서로 다르며 생산자가 제공하는 수치만으로 신뢰성을 입증하기 어렵다. 이에 따라 PVT모듈의 복합성능은 열과 전기를 동시에 시험하는 방법으로 성능평가가 이뤄져야 한다.
이와 함께 PVT를 통해 생산된 열을 효율적으로 사용할 수 있는 방안도 함께 마련된다면 내년 3월 마련될 PVT에 대한 KS인증과 함께 보급을 촉진할 수단으로 작용할 것으로 기대된다.
■ 신재생열융합연구실을 소개한다면 
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