태양을 이용해 전기를 생산하고 열을 생산하는 기술은 이미 상용화된지 오래다. 최근 추세는 융복합이다. 태양광과 열을 동시에 생산하는 융합시스템인 PVT(Photovoltaic-Thermal)에 대한 관심인 높아지고 있다. 이중 공기식 PVT를 개발하고 표준화에 앞장서고 있는 김진희 공주대 교수를 만나봤다.
■ 국내 신재생산업에 대해 평가한다면
현재 에너지수급 불일치 축소로 2018년 유가는 배럴당 50달러선에 머무를 것으로 글로벌 주요기관은 전망하고 있다. 이에 따라 탈석유화 사업다각화를 추진하고 있으며 천연가스, 신재생에너지, 석유화학으로 포트폴리오를 확대하고 있는 추세다. 문재인 정부의 탈원전 로드맵에 의해 원전의 단계적 감축, 재생에너지 학대, 지역·산업 보완책등을 마련하고 있다.
신재생분야에서는 탈원전 로드맵에 의해 태양광 및 풍력 등 전력생산을 위한 신재생에너지 보급 및 산업을 위해 투자가 집중되고 있으며 최근 스마트그리드 구축을 위한 정부의 ESS(Energy Storage System) 확산정책을 지속적으로 내놓고 있다.
그러나 국내 신재생산업은 아직까지도 정부의 정책 및 의무제도에 의존해 산업이 연명하는 수준이며 자발적인 시장성장으로 확산되지 못하고 있는 실정이다. 이유는 신재생기술 발전에도 불구하고 일반인들의 인식 및 필요성이 부족하고 초기투자비대비 경제성의 한계를 극복하지 못해 신재생산업은 더디게 성장하고 있다.
■ 태양열시장은 어떤가
태양열시장은 개발 및 보급 초기 각광을 받았으나 IMF 이후 심야전기온수기 등장에 따른 경쟁력 상실, 업계 도산과 사후관리 소홀에 따른 제품의 신뢰성이 하락해 위기를 면치 못하고 있다. 현재는 사후관리제도 개선 등에 따라 이러한 문제를 해결하고 이미 오래전부터 태양열제품의 신뢰성 및 경제성을 확보했지만 여름철 과열 및 부하 불균등 문제는 여전히 숙제로 남아 건물에서 외면받고 있는 실정이다.
또한 현재 건물은 저에너지 및 제로에너지 건물정책에 따른 단열강화로 건물에서 요구되는 열부하가 적으며 이마저도 전력으로 열부하를 해소하고 있어 태양광산업에 비해 태양열산업은 매우 급격히 축소됐다.
이러한 변화 속에 업계에서는 태양열협회를 중심으로 다각적인 노력을 전개 중이며 태양열관련 신기술, 신제품(소형 태양열난방패널, 고효율 장수명 집열기, 주택용 제습냉방기, 흡수식 냉방시스템, 해수담수화 및 계간축열시스템, 태양열 히트펌프, 태양광열 융합시스템 등)을 통한 산업의 전환을 위해 노력하고 있다.
■ 공기식 PVT는 어떤 제품인가
공기식 PVT는 PV모듈과 태양열 흡열판이 결합된 형태이며 태양에너지로부터 전기와 열을 동시에 생산하는 태양광발전 및 태양열 응용기술로 태양광열 복합패널이다. 공기식 PVT 패널은 열전달 매체로 공기를 이용하며 기존 PV시스템대비 전기효율을 증진시키고 태양열을 동시에 획득해 태양에너지 이용효율을 최대화할 수 있다. 패널 자체효율뿐만 아니라 건물설비와 통합된 기술개발로 활용될 수 있다.
현재까지 개발된 공기식 PVT 컬렉터는 시작품에 대한 검증완료단계로 패널의 성능검증 및 교육용 건물에 실증 적용돼 시운전되고 있는 단계다. 적용된 공기식 PVT는 패널 내부 베플(Baffle) 적용을 통해 공기유동 균일화 및 획득열량을 극대화하기 위한 구조로 설계됐다.
■ 기존 태양열시스템과 차이는
기존의 일반적 태양열시스템은 열전달매체로 액체를 이용해 온수를 생산하는 시스템이라면 공기식 PVT시스템은 열전달매체로 공기를 이용해 건물 공조에 필요한 공기열원을 생산한다. 기존 태양열과 다르게 건물에 필요한 공기열원을 생산하면서 공기식 PVT 패널에 결합된 PV모듈에 의해 추가적으로 전기를 생산한다. 또는 기존 태양광발전(PV)시스템과 달리 전기를 생산하면서 공기열원을 생산하는 것이다.
공기식 PVT는 제작공정이 단순하고 기존의 태양열 집열기와 달리 열매체로 공기를 사용해 과열, 누수 및 동파 문제에 대한 우려가 없이 집열 및 사용이 단순해 열원시스템으로 응용이 용이하다.
열전달 매체로 공기의 사용은 액체식에 비해 많은 이점을 갖는다. 특히 액체 기반시스템과 달리 유체 정체 시 증기 및 높은 압력이 형성되지 않아 제품의 내구성 및 안정성 측면에서 유리하다. 이에 따라 사용되는 재료에 대한 요구사항이 적고 시스템이 덜 복잡하다. 가열된 공기가 난방목적으로 직접 사용되는 시스템에서는 추가적인 열교환기가 필요하지 않아 비용이 절감되며 PV모듈의 작동온도가 낮아 PVT모듈의 에너지효율이 향상된다.
공기식 PVT는 주로 건물에서 기존의 폐열회수환기(HRV: Heat Recovery Ventilator) 및 건물 공조설비와 손쉽게 연동돼 예열원으로 활용되고 있으며 생산된 전기는 기존 PV시스템과 동일하게 적용된다.
■ 공기식 PVT의 글로벌시장 동향은
다양한 국제적인 활동에도 상업적으로 이용 가능한 PVT는 매우 한정돼 있는 편이다. 그러나 2015년 기준 PVT 세계 시장규모는 약 6만2,000m²로 조사됐으며 같은 해 태양열시장 약 10만m²(IEA SHC article News)에 비해 60 % 수준으로 적지 않은 규모다. 한 시장조사에 따르면 유럽을 중심으로 17개국의 53개 제조업체가 PVT를 제조하고 있다.
많은 제조업체들이 기존 태양열 집열기 또는 PV모듈업체로 PVT모듈을 사업화하고 있으며 PVT만 생산하는 제조업체뿐만 아니라 시스템 설치, 온수저장 및 시스템을 다루는 기업에서도 PVT 상용화를 추진하고 있는 실정이다.
실제 세계 태양에너지 전시회에 매년 참관해보면 주를 이루던 PV제품 시장은 매년 축소되고 있으며 태양열 집열기는 해가 갈수록 전시된 제품을 찾아보기 어려울 정도로 시장이 축소되고 있다.
그러나 공기식 PVT뿐만 아니라 액체식 PVT 등 매년 새로운 제품 및 신생업체들이 늘어나고 있는 상태다. 이러한 움직임 속에 PVT 보급 및 확산을 위해 국제적인 노력은 지속적으로 이뤄지고 있다. 최근 들어 국제표준 제정, 성능특성 및 기술검증을 위해 PVT-Norm 프로젝트, IEA SHC Task 60 등 국제공동연구사업이 더욱 활발히 진행되고 있다.
■ 공기식 PVT 개발이 왜 중요한가공기식 PVT는 태양광열 융합시스템으로 현재 고단열주택에서 부하균등을 위해 적합한 기술이다. 공기식 PVT시스템으로부터 열원은 기존 건물 난방시스템의 예열원으로 활용될 수 있으며 최근 건물에너지절약을 위해 의무적으로 설치해야하는 HRV시스템의 예열원으로 이용하면 기존의 환기효율을 더욱 높일 수 있다. 특히 겨울철 차가운 외기도입에 따른 HRV시스템의 결로 및 동결 문제를 해결할 수 있다.
공기식 PVT 컬렉터로부터 열원은 건물 냉난방시스템과 연계측면 및 히트펌프시스템, 열교환기술 등 효율적인 에너지시스템으로 작동되기 위해 적절한 냉난방시스템과의 연동기술 및 효율이 검증돼야한다.
최근 새로운 신재생에너지 융합기술에 대한 관심이 높아지며 열과 전기를 동시에 생산하면서 PVT에 대한 관심이 증대되고 있으며 이에 대한 다양한 대안기술 개발이 이뤄지고 있다. 이러한 공기식 PVT는 복합기능의 태양에너지 시스템을 기존의 건물구조 및 시스템과 미적, 기능적으로 조화롭게 적용해 효율적으로 이용하는 것이 중요하다. 즉 건물의 지붕이나 외벽에 일체적으로 통합되면서 BIPVT(Building Integrated PVT) 외피를 통해 획득된 에너지를 기존 건물 설비시스템과 효율적으로 연동하는 기술개발이 필요하다.
■ 활성화 방안을 제안한다면
국내 PVT기술은 지난 10년전부터 해외 기술을 바탕으로 기술개발이 이뤄졌으나 기술적 근거가 미흡하고 실증 등 유효성을 입증할 수 있는 연구개발이 부족해 실용화가 다소 미진한 실정이다.
최근 해외 PVT산업 성장과 함께 신재생융합기술로 공기식 및 액체식 PVT 기술개발이 활발하지만 성능을 검증하고 지원하기 위한 표준 및 인증제도 부재로 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
PVT시스템은 기존 단독의 PV 및 태양열 집열기와 달리 공기식과 액체식, 평판형과 집광형 등 열매체 종류와 집열형태에 따라 서로 다른 성능특성을 갖고 있어 PVT의 종류 및 특성을 고려한 성능평가방법, 시험표준 및 인증제도가 필요하다. 또한 동일한 시험조건과 성능표시에 의해 PVT의 성능이 입증돼야 하며 이를 통해 시장성장, 경쟁유도 및 소비자의 신뢰를 확보할 수 있다.
최근 이와 관련 한 PVT제조사는 국내 신재생시장 진입을 위해 PVT 제품의 국내표준(KS)의 부재로 적합성인증 평가가 신청돼 성능시험제도가 국가산업융합지원센터를 통해 마련되기도 했다.
추가적으로 PVT 시스템은 기존 PV와 태양열 집열기와 달리 인센티브, 가점 등 정부지원 및 관련 정책이 없어 초기 시장진입에 어려움이 있으며 이에 대한 정부의 대책 마련이 필요하다.
■ 관련 업계에 하고 싶은 말은
최근 PV가격 급락과 보급 확산에 의해 PVT시장이 탄력을 얻고 있으며 이에 따라 표준 PV모듈의 확장된 형태로 PVT 제품이 개발된다면 신재생시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다. 그러나 기존 PV 및 태양열 집열기대비 경쟁력 확보를 위해서는 기술의 유효성 및 신뢰성 검증이 우선돼야 하며 이를 위해 개발 제품의 성능검증을 위한 노력이 충분히 이뤄져야 한다.
특히 제품으로서 성능표준화 및 내구성능을 확보해야하며 건물에서 통합적으로 적용이 용이하도록 경량화·저가화 측면에서 개발하려는 시도가 이뤄져야 한다. 이와 함께 건물설비시스템과 효율적으로 연동되기 위해 공기식 PVT시스템을 위한 기존 공조장치들의 기술적인 고도화가 이뤄져야 할 것이다.
추가적으로 공기식 PVT뿐만 아니라 신재생설비는 건물에 통합되면서 디자인적인 고려가 충분히 이뤄져야 소비자들로부터 외면 받지 않을 것이다.
태양을 이용해 전기를 생산하고 열을 생산하는 기술은 이미 상용화된지 오래다. 최근 추세는 융복합이다. 태양광과 열을 동시에 생산하는 융합시스템인 PVT(Photovoltaic-Thermal)에 대한 관심인 높아지고 있다. 이중 공기식 PVT를 개발하고 표준화에 앞장서고 있는 김진희 공주대 교수를 만나봤다. 
■ 공기식 PVT 개발이 왜 중요한가
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