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태양에너지 활용방안 확대 연구 ‘활발’

태양E 효율·안정성 극대화 성과 공유



2050 탄소중립을 실현하기 위해 신재생에너지의 중요성이 강조되면서 최종에너지소비 중 50%를 차지하는 열부하에 친환경적으로 대응하기 위해 태양에너지가 주목받고 있다. 

지난 6월22일부터 24일까지 휘닉스 평창에서 개최된 대한설비공학회(회장 강용태) 2022년 하계학술대회에서 태양에너지를 효율적, 안정적으로 활용할 수 있는 방안에 대한 논의가 이뤄졌다. 

PVT시스템 성능제고 제어방식 도출
김윤수 경희대 학생은 ‘파사트 일체형 PVT시스템의 제어방식에 따른 성능비교’ 발표를 통해 동일면적대비 가장 높은 효율의 태양에너지시스템인 PVT시스템의 성능제고방안에 대해 공유했다. 

연구에서 비교한 제어방식은 Mode 1과 Mode 2로 Mode 1은 차온제어기가 함께 설치되는 PVT시스템이며 Mode 2는 차온제어기 없이 PVT패널에서 생산된 전기로만 펌프를 가동하는 방식으로 경제성이 높다. 

운전조건에 따라 제어방식을 비교했으며 선행연구에서 Mode 2의 경우 이른 아침, 늦은 저녁시간대 열매체 순환펌프의 빈번한 온·오프와 축열조의 열이 집열기로 방열되는 역전현상이 관측됐으나 이번 실험에서는 역전현상이 발생하지 않았다. 또한 일사량이 좋지 않은 날에도 순환은 거의 이뤄지지 않았으나 안정적으로 운전되는 것을 확인했다. 

김윤수 학생은 “PVT는 PV패널의 열을 열매체 순환으로 식혀 전기생산효율을 높이며 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 기술”이라며 “Mode 2에 관해 우려했던 문제인 역전현상을 발생하지 않았으며 Mode 2 제어방식을 채택한 파사드 일체형 PVT를 아파트 남쪽 벽면에 설치할 경우 효율성, 경제성, 친환경성을 모두 이룰 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

건물 E 하베스팅 최적 배열 모색
정재원 한양대 학생은 ‘열전소자 기반 에너지 하베스팅블록의 배열에 따른 발전량 분석’ 발표로 건물 탄소중립 방안으로 건축물 외피에 축열되는 폐열을 활용하기 위한 방안을 소개했다. 

이번 연구에서 제안된 에너지 하베스팅블록은 열전소자와 PCM이 결합된 에너지회수시스템이다. 열전소자는 소자 양면의 온도차가 발생하면 전기가 생산되는 제백효과를 통해 발전이 가능한 기술로 높은 온도차를 유지해야 발전효율이 상승하기 때문에 PCM이 적용됐다. 

에너지 하베스팅블록은 낮에 열이 열전소자를 통해 PCM에 저장되고 저장되는 과정에서 온도를 통해 발전이 이뤄지며 밤에는 PCM에 저장된 잠열이 방열하면서 온도차가 발생해 발전과 동시에 PCM이 재생된다. 

정재원 학생은 “이번 연구를 통해 열전소자와 PCM으로 구성된 에너지 하베스팅블록의 최적 배열을 확인할 수 있었다”라며 “직렬, 병렬, 직병렬 등 배열이 각자 전압, 전류, 전력 등에 강점을 가지고 있으며 높은 전압이 필요하지 않은 경우 전력생산량이 가장 우수한 직병렬로 에너지 하베스팅블록을 배열하는 것이 유리할 것”이라고 밝혔다. 

태양광열·공기열 융복합시스템 적용가능성 확인
배상무 부산대 연구원은 ‘실제 건물적용을 위한 태양광열·공기열원 히트펌프 융복합시스템의 실증실험’ 발표를 진행했다. 

건축물의 에너지효율 향상과 탄소배출량 저감을 위해 국제사회는 혁신적인 기술개발과 강력한 정책을 추진하고 있으며 제로에너지빌딩 의무화정책을 통해 고효율·저영향 건축물을 단계적으로 목표하고 있다. 

이를 위해 다양한 신재생에너지시스템이 적용되고 있으나 대부분 태양광, 태양열 등 단일기술로 보급되고 있어 생산과 수요간 격차가 발생해 수요에 안정적으로 대응하기 어렵다. 배상무 부산대 연구원은 단일기술의 한계점을 극복하기 위해 태양광열·공기열원 히트펌프 융복합시스템이 제안했다. 

이번 연구에서 소규모 건축물에 3kW급 태양광열모듈, 3RT급 공기열원 히트펌프, 급탕탱크, 버퍼탱크, 순환펌프, FCU, 제어판넬, 모니터링시스템 등으로 구성된 융복합시스템을 실제 적용했으며 이를 통해 실증데이터를 확보했다. 

배상무 연구원은 “실증데이터 분석결과 태양광열 모듈의 열 및 전력생산과 히트펌프 운전시간은 기상조건, 실내 설정온도, 급탕탱크 및 버퍼탱크 설정온도 등 운전조건에 따라 정확히 수행되고 있음을 확인했다”라며 “실험기간 히트펌프와 융복합시스템의 평균 COP는 각각 3.23, 2.50으로 산정됐으며 태양광열 모듈의 열 및 전력생산 기여도가 높을수록 시스템 COP가 크게 향상됐다”고 밝혔다. 이어 “향후 하절기 냉방성능 분석을 통해 냉난방 성능데이터를 제시하고 도입 타당성평가를 수행할 계획”이라고 밝혔다. 

태양열 기반 융복합시스템, 농업분야 탄소저감 기대
김득원 한국에너지기술연구원 연구원은 ‘시설원예 적용 태양열 기반 신재생융복합시스템의 탄소저감 및 운영비용 절감효과 분석’ 발표를 진행했다. 

신재생에너지 보급확대는 저탄소사회 구축을 위한 가장 효과적인 방법이며 건물 냉난방, 산업공정, 전력공급시스템 등 다양한 분야에서 신재생에너지 사용이 확대되고 있다. 그러나 농업분야에서 신재생에너지 보급비율을 저조한 상황으로 화석연료에 의존하고 있다. 

이번 연구는 경기도 여주시 푸르메 스마트팜에 신재생융복합시스템의 난방기간 운영결과를 기준으로 가온온실에서 많이 사용되는 유류, 전력, 고체연료 보일러를 가동했을 때와 비교해 운영비용 및 온실가스 저감효과를 확인하기 위해 진행됐다. 실증시설에는 태양열집열기 462m², 태양광열집열기 234m², 지열 및 복합열원히트펌프 130RT의 열원설비로 구성됐으며 계간축열조 1,020m², 버퍼축열조 120m², BTES 2만8,500m² 등에 축열 및 열공급이 가능하도록 설계됐다. 
 
김득원 연구원은 “실증단지 내 신재생융복합시스템 난방기간에 공급된 총 열량은 489.2MWh로 온실가스 발생량 및 운영비용은 91tCO₂eq, 750만원으로 확인됐다”라며 “운영비용은 490만원인 펠릿보일러 다음 가장 낮게 나타났으며 1,887만원인 전기보일러대비 절반 이하로 나타나 농업분야에서 신재생융복합시스템 보급확대는 저탄소사회 구축에 상당한 역할을 수행할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

PCM 활용 BIPV 효율향상 방안 제시
신대환 에너지연 에너지ICT융합연구단 연구원은 ‘BIPV시스템을 적용한 CLT 목조주택에서 PCM의 발전영향 및 건물에너지 평가’ 발표로 BIPV 발전효율 향상방안을 공유했다. 

저급목재를 활용하기 위해 유럽에서 개발된 CLT(Cross Laminated Timber)는 새로운 방식의 목조건축자재로 기존 석조, 콘크리트와 비교해 높은 탄소저장량과 낮은 탄소배출량이 장점으로 친환경적이고 쾌적한 주거환경을 제공한다. CLT 목조주택에 BIPV시스템과 BIPV와 벽체사이 PCM를 적용할 경우 PV의 발전효율을 높이고 냉방부하를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다. 

이를 확인하기 위한 실험은 금산에 위치한 CLT 목조주택을 바탕으로 시뮬레이션 도구를 활용해 PCM 적용에 따른 BIPV 효율변화를 확인하는 방식으로 진행됐다. BIPV 적용 시 약 0.09%의 냉난방에너지 사용이 증가했으며 이는 하절기 PV발열과 동절기 일사량 차단에 따른 것으로 판단된다. 

여기에 PCM을 적용했을 경우 냉방에너지 소비량은 약 5.72% 절감, 난방에너지 소비량은 약 5.19% 증가했으며 총 냉난방에너지소비량은 약 0.04% 증가했다. 

신대환 연구원은 “PCM 적용에 따른 BIPV시스템의 연간발전량은 약 28.8% 증가했다”라며 “PCM 적용 전 발전시간은 1.74시간이었으나 적용 후 2.45시간으로 발전각도와 주향에 대한 발전효율 저하를 감안해도 개선효과를 체감할 수 있다”고 밝혔다.