지난 6일 열린 태양에너지학회 학술대회에서는 문재인 정부의 재생에너지 3020 달성을 위해 태양열산업의 역할을 조명해 보는 ‘특별세션’이 열려 주목받았다. 특히 재생에너지 3020 달성에 기여할 수 있는 다양한 태양열기술들이 소개돼 향후 정부정책에서 태양열산업이 기여할 수 있는 기회를 있을 것으로 기대된다.
첫 발표에 나선 정재용 세한에너지 상무는 ‘재생에너지 3020 달성을 위한 태양열산업의 역할’이라는 주제발표를 통해 “정부에 무엇을 해달고 하기에 앞서 이제는 우리가 ‘무엇을’ ‘어떻게’ 하겠다는 목표를 제시해야 한다”고 강조했다.
이를 위해 산업통산자원부, 에너지관리공단, 연구소, 대학, 관련학회, 언론사, 기업 등이 참여하는 ‘정례협의회’ 구성을 제안했다. 협의회는 매월 정기 월례회 및 워크숍을 개최해 태양열산업 발전을 위한 현안 문제를 논의하고 국가 정책 마련 및 장기 발전 Road Map를 제시할 수 있는 통로로 활용하자는 것이다.
유망기술 이전 및 기술인력 전문 교육 시행을 제시했다. 이를 통해 태양열기술 전문인력을 배양하고 신기술 등 기업 사업화를 위한 주기적으로 정보를 교류하자는 것이다.
또한 태양열산업 인력난 해소 및 고급 인력을 배양하고 산·학·연 협력 연구 개발 촉진, 신기술, 축적된 노하우 기술 이전으로 기업 경쟁력 강화해 궁극적으로 태양열산업의 신뢰 회복에 나서 ‘제 2의 태양열산업 전성기’에 대비하자고 정재용 상무는 제안했다.
조성구 이맥스시스템 부사장은 ‘제로에너지 건물에서의 태양에너지의 활용’ 주제발표를 통해 제로에너지빌딩에 적합한 태양열시스템을 소개했다.
제로에너지빌딩은 단열성능 강화 등으로 냉난방 에너지사용량을 최소화는 패시브요소와 태양광, 지열 등 신재생에너지 생산인 엑티브 요소를 결합 것으로 지난 2016년까지는 사업모델 마련을 시범사업이 진행됐아면 지난해부터 성공모델 창출을 통한 시장활성화 및 2020년 이후 단계적 의무화가 추진될 예정이다.
조 부사장이 제시한 제로에너지빌딩에 적용가능한 태양에너지 솔루션은 △PVT 융합 전력/냉온열 공급시스템 △PV+Thermal 제습 냉난방시스템 등이다.
PVT 융합 전력/냉온열 공급시스템은 제로 또는 저에너지 건물의 열부하 경감으로 인한 에너지 밸런스 변화에 맞춰 급탕은 열에너지로, 냉난방은 히트펌프가 담당하는 PVT통합에너지시스템을 말한다.
발전은 일반 PV모듈과 같이 작동되며 Solar Cell의 온도상승에 따른 효율저하를 과열방지기능으로 커버해 줄 수 있다. 집열은 Solar cell과 Thermal absorber plate와의 열전도에 의한 집열이 이뤄지며 Cell과 Absorber plate 는 기계적으로 라미네이트돼 있어 전도효율이 매우 뛰어나다. 단독주택, 공동주택, 비주거용건물 등에 다양한 용도로 적용이 가능하다.
PV+Thermal 제습 냉난방시스템의 작동원리는 제습로터에 공기를 통과시켜 통과되는 공기의 습도를 낮춰 잠열부하를 제거후 증발냉각기에서 냉각 및 히트펌프의 증발기를 통과하면서 실내냉방을 위한 냉기를 발생시키는 장치다. 이때 제습로터의 재생을 위한 고온공기를 만들기위해 태양열로 가열된 온수를 사용하게 된다.
기존의 냉방기능에 제습, 환기, 공기청정 및 가습기능까지 통합기능을 갖는 획기적인 제품이다. 일반 냉방기와 달리 전기압축기에 의한 냉방이 아니고 열구동 냉방이기 때문에 태양열과 같은 신재생열원을 이용할 수 있어 전력소비가 작아 온실가스 배출량을 획기적으로 저감할 수 있다.
조 부사장은 “열사용처에는 반드시 1차 열에너지를 사용해야 한다는 생각정립이 중요하며 전기에너지는 반드시 전기만이 필요한 사용처에 사용돼야 한다”라며 “PV시스템의 지속적인 단가인하에 따라 투자경제성이 높아지고 있지만 하루 60℃ 온수를 300리터 사용하는 가정의 경우 필요한 PV의 용량은 최소 5kW로 현실적으로 불가능한 대안이며 경제성이 아무리 높아져도 설치공간 때문에 불가능하다”고 강조했다.
조 부사장은 “열에너지가 필요한 용도에는 반드시 1차 열에너지를 사용하는 것이 가장 효율적인 에너지사용이지만 열부하를 신재생발전전력으로 해결하겠다는 ‘망상’은 빨리 버려야 한다”라며 “최소한 제로에너지건물의 급탕과 난방부하의 일부는 태양열로 해결해야 한다”고 강조했다.
태양열산업 활성화 기술들
세한에너지와 경북대 산학협력단은 ‘태양열 히트파이프를 적용한 반투명형 실리콘 태양전지 하이브리드 모듈’을 개발하고 있다. 이 모듈은 반투명형 실리콘 태양전지를 사용해 고온 시 저하되는 발전효율을 향상시키고 모듈에서 회수한 열과 후면에서 발생되는 열에너지를 히트파이프를 통해 온수로 이용할 수 있는 복합형 하이브리드 PVT(Photovoltaic Thermal)모듈이다.
지난 2016년 5월부터 시작된 이번 과제는 1차년도에 △히트파이프를 적용한 태양열 집열기 제작기술 설계 및 개발 △반 투명형 실리콘 태양전지 제작기술 설계 및 개발 등을, 2차년도에 △히트파이프 형 태양열 집열기가 적용된 반투명 실리콘 태양전지 하이브리드 일체형 PVT모듈 시제품 제작 △일체형 PVT 실증시스템 구축 및 실증 실험을 진행했다.
이중 세한에너지는 ‘평면형 히트파이프 태양열 집열기 제작기술 설계 및 개발’을 담당했다. 이를 통해 PVT에 장착되는 알루미늄 소재의 평판형 히트파이프를 알루미늄 표면처리 또는 코팅기술을 통해 태양광 흡수율을 높이고 히트파이프 내부 유로 형상을 개발해 히트파이프 열저항을 줄여 PVT에 최적화된 히트파이프를 완성했다.
경북대는 ‘반 투명형 실리콘 태양전지 제작기술 설계 및 개발’을 담당했다. 이는 결정질 실리콘을 이용한 리본형태의 태양전지를 개발하고 리본형 태양전지 사이를 투명하게 해 후면 흡수부에 직접 태양열에너지가 도달할 수 있도록 해 최적의 복합 성능을 나타낼 수 있는 태양전지를 개발했다.
정재용 세한에너지 상무(연구소장)는 “이번 과제에서는 표면 흡수율이 우수하고 열전도율을 높일 수 있는 알루미늄 평판형 히트파이프를 태양열 집열부에 적용해 설계 및 제작하는 데에 중점을 두고 연구개발을 수행했다”라며 “또한 상단부 태양전지 PV는 투과성을 높이고 셀 간격을 조정할수 있는 반 투명형 실리콘 태양전지를 적용시켜 설계했으며 기존 평판형 PV/T의 PV와 흡열판 부착방식과 달리 집열부 히트파이프와 태양전지 PV사이에는 약간의 공간을 둬 설계했다”고 밝혔다.
실증분석에 적용되는 일체형 PV/T 실증 시작품은 셀 간격이 각기 다른 4가지 모델로 제작됐다.
탑솔은 ‘태양열 및 공기열 복합집열기 연계 태양열 히트펌프시스템 실증연구’에 대해 발표했다. 이번 연구에서 탑솔은 복합집열기 개발 및 하이브리드 시스템 제작을, 부경대는 복합집열기 최적화 개발 및 수치해석을, 한국기계연구원은 하이브리드 히트펌프 시스템 개발을 담당하고 있다.
태양열기기는 부하 불일치로 인한 보조열원이 필요하고 보조열원은 주로 화석연료를 이용해 에너지효율이 낮은 담점이 있다. 또한 하절기 집열기 과열 문제와 하절기 100℃ 이상 과열로 시스템 문제 발생 우려 등으로 새로운 방식의 태양열시스템이 요구되고 있다.
이에 따라 탑솔은 ‘태양열 공기열 획득 집열기 연계 15kW급 태양열 하이브리드 열펌프시스템’을 개발하고 있다. 이를 통해 일사량이 부족한 시기에 공기열 히트펌프를 연계해 공기에너지를 활용할 수 있어 COP 4.5, 태양열효율은 25%P 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 태양에너지와 공기열에너지를 동시에 사용함으로써 에너지생산량은 200% 증대하고 별도의 보조열원도 필요없어 신시장, 틈새시장, 수출전략 제품으로 성장할 수 있을 것으로 기대된다.
류남진 탑솔 연구소장은 “태양 공기 하이브리드 집열기 연계 SAHP 시스템의 상업적 이용 가능성을 검토해야 한다”라며 “이를 위해 복합집열기 열성능, SI 부하 대응 능력, SAHP 성능을 검증해야 하며 분리형 type과 비교 연구와 상업화를 위한 기술기준 마련이 요구된다”고 밝혔다.
국립공주대 그린에너지기술연구소는 ‘벽체 일체형 공기식 PVT 시스템의 실험성능 분석’ 연구를 발표했다.
전기와 열을 동시에 획득하는 태양광열 복합모듈인 PVT(Photovoltaic-Thermal) 컬렉터는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 시스템의 온도상승에 따른 PV 효율 감소를 해결하기 위해 개발됐다.
PVT 컬렉터는 열매체에 따라 크게 공기식과 액체식으로 분류되며 특히 공기식 PVT시스템은 동결, 누수문제가 없어 상대적으로 관리가 쉬운 장점을 갖고 있다. 또한 별도의 열교환장치 없이 공기열원을 건물에서 난방 및 환기열원으로 사용이 가능한 것이 특징이다.
PVT 컬렉터를 건물에 통합 적용함으로써 외피를 대신하고 건축설비와 연계해 시스템성능을 개선할 수 있으며 열교환기가 포함된 공조기(AHU: Air Handling Unit)는 실내외 공기의 열교환으로 건물에너지절감과 실내 공기질을 개선할 수 있다. 열교환을 위한 외기도입을 PVT 공기열원으로 이용함으로써 시스템성능도 개선할 수 있다.
공주대의 관계자는 “이번 연구에서는 AHU와 연계된 벽체 일체형 공기식 PVT 시스템의 성능분석을 통해 공기식 PVT 제작 및 AHU와 연계구성하고 목업(Mock-up)건물 벽체에 통합해 성능실험을 진행했다”고 밝혔다.
AHU와 연계된 공기식 BIPVT 시스템의 성능분석을 진행한 결과 일사량이 약 200~700W/m²에서 공기식 BIPVT의 집열량은 단위면적당 80~250(W/m²), 열효율은 평균 38%로 나타났다.
BIPVT 모듈의 온도는 외기온도가 10~15℃일 때 BIPV대비 최대 16℃ 낮으며 일사가 700W/m² 이상일 때 BIPVT의 전기효율은 기존 BIPV대비 약 16% 향상됐다. 이는 BIPV의 PV모듈 과열에 따른 온도상승 및 효율저감 대비 BIPVT 후면 환기효과에 따른 것으로 분석됐다.
AHU로 도입되는 BIPVT 컬렉터의 취출온도는 급기(SA)온도와 8℃ 또는 그 이하의 차이를 보였으며 기존 외기도입보다 상당량의 에너지절감을 확인했다. 이에 따라 향후 BIPVT+AHU시스템에 의한 난방에너지 절감량 분석이 추가적으로 진행돼야 할 것으로 보인다.
목록
