태양광모듈과 태양열 집열기를 결합한 형태의 태양광·열 복합모듈(PVT; Photovoltaic-Thermal) 관련 연구개발 및 상용화에 대한 수요가 점차 확대되고 있으나 성능평가 기반구축이 이뤄지지 않고 있어 보급확대에 한계가 있다.

PVT모듈의 성능평가 기반구축 방안마련을 위한 기초연구로 국가표준(KS) 인증을 위한 성능평가 기반구축의 타당성조사 및 향후 기반구축을 위한 방향성을 제시코자 관련 ‘태양광·열 복합(PVT)모듈 성능평가 기반구축을 위한 기초연구’를 진행했다.

이번 특별기고를 통해 PVT 시험항법 등 성능평가 기반구축 방안 및 방향성을 제시하고 한다.

열·전기특성 감안 시험방법 별도 제시

PVT모듈의 가장 큰 특징은 집열기 열매체에 의한 태양전지의 냉각효과로 설명할 수 있다. 이는 PVT모듈의 구조적인 특징에 기인하는 것으로 실제 태양전지 후면에 배관이나 공기층을 통해 열매체 냉각에 의한 PV효율 상승이 PVT모듈의 가장 큰 특징이다.

또한 열을 동시에 이용하는 태양에너지장치로 후면 단열 조건, 유창형 및 무창형 등 기존의 PV모듈 후면이 대기에 그대로 노출되는 형태와 다른 열적특성을 갖게 된다. 냉각효과가 발생하지 않은 조건에서 PV 온도 특성 및 발전특성은 달라진다. 이러한 특성은 PV발전 특성뿐만 아니라 내구성 및 품질시험에 해당되는 과열특성과 관련된 시험표준 항목에 기인된다.

이에 따라 PVT모듈의 열성능 및 전기성능은 기존의 IEC 61215 및 ISO 9806의 성능 및 품질 시험항목 및 방법을 준용하되 이러한 특성을 고려해 시험방법 및 조건이 별도로 제시돼야 한다.

현재 ISO 9806은 다양한 집열기의 한 유형으로 PVT를 별도 분류해 기술하고 발전특성에 대해 언급하도록 제시하고 있다. 그러나 PVT 열과 전력생산의 동시 작동 시 시험절차 및 방법에 대해 제시하지 않고 있으며 이에 따른 열 및 발전성능 특성에 대해 정의할 수 없다.

기존의 IEC 61215 및 ISO 9806에서 열과 전기측면에서 공통적인 시험항목은 인용하되 열과 전력생산의 동시 동작조건에서 성능평가를 위한 시험방법 및 절차에 대해 추가해 별도의 PVT표준 제정이 필요하다.

열·전력 동시 생산 성능 표준화 필요

PVT모듈의 성능표준화에 있어 가장 중요한 이슈는 열과 전력생산의 동시 생산조건에서 PVT의 성능 표준화다.

PVT모듈은 열성능 및 내구성측면에서 기존의 PV 또는 태양열 집열기와 다르게 시험해야 하며 기존 PV와 다른 단열조건에 따른 열적특성에 기인한 전기관련 표준의 시험항목들이 PVT모듈 표준화를 위해 달리 기술돼야 한다.

이에 따라 PVT의 전기적 특성을 위해 IEC 1215 및 61730 표준을, PVT모듈의 집열 특성을 감안해 ISO 9806 표준을 준용해 시험하는 것이 필요하다.

기존의 ISO 9806과 IEC 61215 표준의 시험항목은 PVT모듈을 위해 열적특성 및 내구성과 관련된 유사한 시험항목이 존재하며 각각의 표준에서 인용될 수 있는 시험항목은 시험절차에서 하나의 시험항목으로 측정될 수 있다. ISO 9806과 IEC 61215 각각의 품질 시험항목들은 기존과 동일하게 공기식 및 액체식 PVT모듈을 위해 적용될 수 있다.

결론적으로 PVT모듈의 성능표준화는 통합된 성능, 성능 시각화 및 증가된 정체온도와 같은 항목이 고려돼야 한다.

PVT의 최종 생산물은 전기와 열에너지이므로 효율은 크게 전기적 효율과 집열효율 2가지로 정의할 수 있다. 초기 및 최종 측정 시 어떤 효율값을 측정할 것인지, 시험순서 및 항목별 시험절차 정립이 필요하다. 이에 따라 PVT모듈의 전기적 특성은 IEC 61215, 열적특성은 ISO 9806 표준을 준용해 최종 PVT 성능표준안을 도출할 수 있다. 즉 PVT제품의 전체 시험절차는 기존의 KS C IEC 61215와 KS B 8295 준용하고 IEC 61215 및 ISO9806에 기초해 열과 전기에너지를 동시 생산하는 작동조건을 고려한 시험절차를 개발해야 한다.

PVT모듈 인증 방안

PVT모듈의 인증기준은 기존의 PV모듈과 태양열 집열기 인증을 위한 KS표준을 적용하고 PVT 유형별 성능 및 품질시험 항목들이 제시돼야 한다. PV모듈의 경우 국제 기준에서는 IEC 61215와 IEC 61730 시험기준을 적용해 합부를 결정하고 있다. 태양열 집열기의 인증은 대부분의 국가들이 ISO 9806 표준을 기초해 인증한다.

PVT모듈의 표준 및 인증기준을 위해 제품의 성능과 내구성을 모두 인증기준으로 포함하는 것이 바람직할 것으로 판단되며 해외 인증기준에 부합성을 고려해 표준안을 도출해야 한다.

PVT모듈의 전기효율 시험은 IEC 612 15에서 정의한 STC조건에서 동일하게 정의되며 다양한 집열특성에 따른 발전특성, 예컨대 후면 유체에 의한 NMOT 및 발전량 등을 정량화하는 성능지표는 포함돼야 한다.

PVT모듈의 최종 결과물은 전기와 열에너지로 PVT모듈의 정격전기 효율 외에 전기와 열에너지 산출값은 인증기준에 포함해야하며 PVT모듈에서 PV모듈의 냉각효과 및 온도특성에 따른 발전성능지표도 포함시켜야 한다.

집열성능을 위해 기본적으로 정압누설시험은 집열 측면에서 공기 및 액체의 누설 유무를 파악하는 품질시험으로 가장 중요한 시험항목이며 PVT모듈의 초기 전력결정, 절연시험 등과 같은 전기성능의 기초시험과 함께 열성능을 위해 기본적으로 시험돼야 할 항목이다.

이에 따라 KS기준에서 PVT모듈의 신뢰성 평가 합부기준의 경우 전기적 특성측면에서 신뢰성 평가는 최대전력결정 및 출력 저하율로 판단하며 열적 특성측면에서는 신뢰성 평가는 정압누설 시험항목으로 결정하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

PVT 성능평가 기반구축 필요사항

PVT모듈은 서로 다른 에너지 형태, 전기와 열을 생산하며 종류가 다른 두 에너지의 성능표준화를 위한 체계는 국제적으로 이미 마련돼 있다. 그러나 KS 8295 표준은 국제규격 ISO 9806의 일부만 포함돼 있으며 다양한 집열특성 및 PVT모듈의 열특성에 대한 성능 표준화를 위해 적용할 수 없다.

이에 따라 PVT모듈의 성능표준화를 위해 IEC 61215와 ISO 9806규격에 기초해 기존의 PV 및 태양열의 KS표준과 별도로 PVT모듈의 시험 및 인증표준안이 개발돼야 한다.