지난 4월17일부터 18일까지 진행된 한국태양에너지학회 춘계학술대회 발표세션 중 하나로 태양열융합세션이 진행됐다. 발표자들은 태양광·열 복합모듈(PVT) 등 융복합시스템 등 다양한 태양열부문 기술개발 활성화를 위한 노력들을 공유했다.
 

소용량 태양열 계간축열기반 HP열공급시스템 성능분석

 

안영섭 한국에너지기술연구원 박사는 스마트팜 내 태양열 계간축열기반 히트펌프 열공급시스템을 설치하며 장기간 성능을 평가한 내용을 발표했다.

 

스마트팜은 이상기후로 인한 농산물 수급 불안과 고령화로 인한 노동력 부족문제를 해결할 대안으로 주목받는다.

 

국내 스마트팜시장은 매년 평균 15.5% 성장이 전망되는 상황으로 농림축산식품부는 기술개발(R&D)와 인프라 구축 등을 진행하며 집중 투자를 이어가고 있다.

 

스마트팜 운영 시 걸림돌은 상승된 난방요금과 전력요금으로 인한 경영비 부담이다. 이에 따라 난방에너지절감을 위한 방안으로 열공급 중심의 신재생에너지시스템 확대도입이 시급한 상황이다.

 

시설원예 태양열 설치 시 문제점은 △설치환경 어려움 △유휴부지 부족 △유지관리 어려움 등으로 내부 광도영향을 최소화하면서 태양열집열기 설치 최대화를 위한 기술이 필요하다.

 

연구진들은 하절기 과열로 인한 태양열설비 수명단축과 유지관리비용 증가를 방지하기 위해 계간축열과 연계해 통합운영관리시스템을 구축했다. 계간축열조를 적용해 여름에 저장한 뒤 저장된 열을 겨울에 활용하는 방안으로 연구를 실시했다.

 

국내외에서는 태양열 여름철 문제점을 해결할 수 있는 연구들이 활발한 상황으로 태양열과 지열히트펌프를 결합한 난방시스템 적용연구와 유리온실 탱크식 태양열축열연구 등이 진행된 바 있다.

 

안영섭 박사는 “기술개발 목표는 시설원예에 적합한 태양열 계간축열 열공급시스템을 구현하는 것”이라며 “난방에너지공급 100%를 목표로 실증을 진행했으며 아열대작물 에너지비용절감형 산업화 모델을 제시할 것”이라고 말했다.

 

연구진들이 구축한 축열시스템은 총 450톤으로 구축해 난방하지 않는 기간에는 열을 저장했다가 난방기간에 직접 공급하거나 40℃ 이하의 얕은 지중열을 히트펌프를 활용해 55℃로 만들어 시설원예에 공급하는 방식을 활용한다.

 

계간조에서 나오는 물은 평판형 집열기 열교환기와 2차측 진공관형 집열기를 거쳐 저장되며 55℃로 대기한다. 온실공급온도는 18℃로 세팅했으며 비난방기기간에 계간조 열원을 버퍼조에 40℃까지 공급하도록 했다.

 

이때 40℃ 이하부터는 복합열원 히트펌프 열원으로 활용된다. 히트펌프 입수온도기준은 25℃이며 30℃가 되면 정지된다.

 

연구진들은 삼단밸브에서 유량과 온도를 캐치해 25℃가 되도록 유량제어를 실시했으며 복합열원 히트펌프 운전하기 전에는 공기열원 히트펌프 2개로 55℃를 유지하며 이후 복합열원 히트펌프가 사용될 수 있도록 설정했다.

 

실증지는 포항으로 약 0.5ha(1,700평) 규모다. 연구진들은 태양열집열기 지붕상태배치 통해 배치했으며 모든 설비가 기계실 안에 들어가도록 했다. 기계실에는 △축열조 △온수순환펌프 △얕은수평지중축열 △히트펌프 △FCU 등이 설치됐다.

 

운영제어모드는 상위운전모드와 루프별 하위제어로 진행됐으며 원격시스템을 운영해 각 컴포넌트별 온도를 확인하며 컴포넌트 넘어갈 때마다 열량을 측정하기 위해 루프의 유량과 온도를 체크해 원격으로 펌프부터 운영모드까지 제어가능할 수 있도록 했다.

 

실증결과 태양열 집열성능의 경우 온도가 90℃ 이상 올라가는 것으로 확인됐으며 열생산량은 하루 2개가 400~500kWh생산됐다. 이 때 평판형 집열기가 진공관보다 더 많은 생산량을 보였다. 최고효율은 60%로 온도에 따라 효율이 달라지는 것을 감안했을 때 연평균 32%의 성능효율을 보였다.

 

일사량이 1만mW/h 일 때 온수는 336mW/h 온수 생성되며 계간조는 재작년 기준 84.7℃로 나타났다. 이는 난방이 유지되다 비난방기 때 올라가다 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

 

히트펌프는 50℃ 인근에서 열을 만들어냈으며 복합열원 히트펌프 성능계수(COP)는 4.5로 나타났으며 지중축열조의 경우 수직·수평형을 운영했는데 히트펌프 열원으로 방열시 온도가 45℃에서 올라가다 쓰지않을 때 하락하는 것을 발견했다. 또한 전체적인 시스템에너지밸런스를 측정한 결과 30%정도인 것을 확인할 수 있었다.

 

안영섭 박사는 “난방비는 기존 경유보일러대비 64% 절감됐으며 경제성분석결과 정부지원이 80%라고 가정했을 때 유리한 시스템인 것을 확인했다”라며 “초기투자비 절감을 위한 정부와 지자체지원 확대가 필요하다”고 강조했다.

 

현행 'KS B 8295'규격 개선 필요

 

김득원 한국에너지기술연구원 박사는 이중진공관형 집열기 작동유체 유량변화에 따른 열성능분석 결과를 발표했다.

 

태양열 집열기 인증 국내규격은 ‘KS B 8295’와 ‘KS B 8296’ 등이 있다. KS B 8295 규격은 현재 유량기준에 대한 용어가 불명확한 상황으로 진공관형 집열기의 경우 전면적대비 투과면적이 약 20% 낮아지는 문제가 발생했다.

 

또한 선행연구 등에서도 국제규격에서 요구하는 수준의 다양한 온도구간의 실험수행연구가 없어 이중진공관형집열기의 평균열출력시험 수행을 통해 유량변화 시 열출력변화시험이 실시됐다.

 

회로도에는 △유량센서 △라인히터 △입구온도 측정 △집열 △일사량 측정 △출구온도 측정 △상승온도 냉각 등을 위한 요소들이 포함됐으며 데이터로버를 통해 데이터를 1초단위로 수집했다.

 

이번 실험은 열매체 작동온도(입출구 평균온도와 대기온도를 뺀 값)를 4개 이상 확보한 것으로 최초온도는 대기온도와 비슷하게 최대온도 80℃ 이상을 투입해 총 4개구간 실험을 실시했다. 작동온도구간에서 순간열효율측정해 최소제곱법을 이용한 모델식을 산출했다.

 

집열기를 태양추적기에 올려 태양추적기가 집열면으로부터 입사된 입사각이 (0,0)이 되도록 했으며 입사강도는 700W/㎡ 이상인 청명한날에 실험을 실시했다.

 

정상상태의 정의는 정상상태 도달까지 15분 이상 일정조건을 유지한 상태로 정상사태 도달 후 10분간 데이터를 측정해 5분간 평균데이터를 사용해 8개 데이터로 모델식을 산출했다.

 

김득원 박사는 “KS B 8296에 열매체 출구온도도 데이터검증기준이 있어 0.4k내외 오차범위내 있는 데이터만 유효하다”라며 “모델산출을 위해 모든데이터가 정상되는지 확인했으며 △온도 △질량유량 △일사량데이터 등을 확보해 전체 모든데이터를 평점값으로 나눠 노멀라이즈 했다”고 말했다.

 

데이터를 기반으로 유량조건에 따른 평균출력을 검증한 결과 유량이 30%씩 변화했을 때 평균출력은 유량증가할수록 많이 나타나며 3%가량 차이를 보였다.

 

연구진들은 △최대유량 △전면적 기준 유량조건 △투과면적 기준 저유량 등의 상황을 가정해 분석한 결과 유량이 증가할수록 외부로 열손실이 증가해 1차열손실계수는 증가하다는 점을 발견했다.

 

또한 유량이 적을 경우 집열기 내부 히트파이프와 유체가 접촉하는 대류열전달저하 nu수가 감소했으며 결론적으로 열손실계수가 감소했다.

 

김득원 박사는 “이번 연구를 통해 유량선정이 집열기출력에 효과있으며 중요한 요인이라는 것을 발견했다”라며 “연구가 향후 규격개정에 도움되길 바란다”고 말했다.

 

야간운전모드에 따른 산업공정용 태양열HP시스템 성능비교

 

임병주 한국기계연구원 박사는 지난 2022년부터 실시한 부하상승에 대해 경제적인 운전방안으로서 야간운전모드에 대한 성능비교연구에 대한 발표를 이어갔다.

 

히트펌프는 열원을 지속적으로 공급해야하는 시스템으로 산업공정용 공기열원에서 필요한 고온의 열원을 태양열을 공급하는 연구가 진행 중이다.

 

심야시간대는 전력수요가 낮아지며 전기요금이 상대적으로 저렴해 축열운전에 유리하며 전력피크를 평탄화함으로써 전력망 안정성에 기여할 수 있다. 

 

이에 따라 시간대별 전력요금제에 기반한 심야축열운전은 경제성과 부하관리 효율성을 동시에 달성할 수 있을 것으로 예상돼 전력평탄화와 안정성에 기여할 수 있다는 특징이 있다. 

 

임병주 박사는 “전기요금 차등구조를 기반으로 한 축열전략이 필요하다”라며 “야간시간축열운전을 통해 저렴한 전기에너지를 열로 저장한 후 주간 고부하시간대 열생산량 일부를 대체하는 시스템을 구축했다”고 말했다.

 

이어 “야간축열운전이 단순한 부하이동이 아닌 시스템전반의 효율개선으로 이어질 수 있도록 제어와 설계과정이 필요한 상황”이라며 “이 때 전기를 열로 변환 시 효율낮으면 경제적가치 낮아져 고효율히트펌프 도입이 필요하다”고 강조했다.

 

국내는 LPG보일러를 사용하는 경우가 많으며 단가가 상승한다. 특히 기존 설치된 부하보다 열부하 증가함에 따라 운영비용이 증가하는 상황으로 새로운 운영전략이 시급하다. 이에 따라 연구진들은 태양열을 활용해 현재 보일러를 사용 중인 가구를 대상으로 화석연료사용에 대한 비용과 운전비 저감을 위한 전략을 수립했다.

 

히트펌프에서 야간전기를 작동시켜 만든 에너지를 그대로 계간축열조(STES)로 보내면 전기히터와 같은 효과가 나타나 설비 추가없이 전기에너지로만 축열이 가능하다는 점을 이용한 방식과 공기열 히트펌프를 활용하는 방식에 대한 시뮬레이션을 진행했다.

 

저온히트펌프 사용 시에는 태양열집열기가 태양열축열조에 열을 공급하며 저온축열조 특성상 충분한 열에너지공급이 어려울 때에는 보일러만 쓰던 자체 순환운전통해 보조열원으로 보충할 수 있는 모드를 활용해 야간축열을 실시했다.

 

분석결과 대기온도가 변하는 그래프에 맞춰 성능계수(COP)와 열출력곡선이 따라가는 경향성을 보였으며 히트펌프 구동 시 필요한 열원은 180kWth로 부족한 부분은 자체순환운전을 도입했다.

 

임병주 박사는 “공정열부하량 증가로 인해 운전비 절감을 위한 전략수립이 필요하다”라며 “장비사용과 제어조건을 정리해 작동목표온도를 70~80℃ 사이로 맞춰 365일간 경제성과 성능인자 통해 각 해석변수를 비교했다”고 말했다.

 

성능지표는 △실증에너지공급비율(대상공정에 공급된열량) △태양에너지기여율(보조열원으로 공급 시 태양열이 기여한 비율) △연간성능지수(1년간 시스템 총 입력에너지대비 총 생산된 에너지비율) 등이며 경제성지표는 △균등화열비용 △순현재가치 △할인회수기간 △비용편익 등이다.

 

기존설비의 야간축열에 따른 성능지표 변화 분석결과 야간축열 시 공급비율은 상승하지만 태양열기여율과 성능지수(SPF)는 줄어들었으며 야간축열온도를 높일수록 같은 경향을 나타냈다.

 

경제성 지표는 야간축열하는 것이 경제성 관점에서 유리한 것으로 나타났으며 야간축열온도를 상승시킬수록 더욱 유리했다.

 

공기열원적용 설비의 성능지표 확인결과 야간충전에 따라 공급비율과 태양열기여율은 상승하지만 SPF는 줄어들었으며 야간충전온도에 따른 경향도 유사하게 나타났다. 또한 태양열 축열조의 크기가 증가할 시 같은 경향에서 기울기는 증가했다. 또한 축열조사이즈가 증가될수록 태양열기여율 등이 증가됨을 알 수 있었다.

 

임병주 박사는 “경제성 지표의 경우 동일 집열면적일 때 야간축열 유무나 축열온도상승에 따른 경제성지표의 변화는 거의 없었다”라며 “기존시스템보다 경제적지표는 모두 긍정적인 결과를 얻어 공기열원으로 교체 시에는 성능증가와 경제적 이득이 나타나지만 야간축열 시에는 이득이 크지 않은 것으로 확인됐다”

 

공기열원 적용설비의 환경지표 변화 분석결과 집열면적증가에 따라 탄소저감량은 증가했지만 야간축열온도 상승 시 탄소저감량은 줄어들어 △성능 △경제성 △환경지표에 따른 분석결과 공기열원히트펌프를 보조열원으로 사용 시 축열성능이 좋지 않은 것을 확인했다.

 

임병주 박사는 “기존설비를 그대로 운전하는 경우 야간축열이 경제적관점에서 유리하다”라며 “태양열히트펌프 시스템의 보조열원으로 공기열원 히트펌프 사용이 유리하지만 야간축열운전은 불필요할 것”이라고 말했다.

 

PVT모듈 성능평가연구 활발

 

이원희 가천대학교 설비·소방공학과 연구원은 자가과열방지기능을 갖는 태양열모듈의 성능평가를 실시했다.

 

기후변화, 에너지수요 증가 및 자원고갈 등으로 단위면적당 생산에너지 밀도가 높은 설비가 요구되는 가운데 PVT는 이에 대한 해결책으로 대두되고 있다.

 

그러나 계절간 사용자간 부하변동에 따른 잉여에너지 발생으로 잦은과열이 발생해 PVT성능이 저하됐으며 고장 등의 문제를 초래한다. 이에 따라 PVT모듈 보급확대통해 과열문제는 반드시 해결해야 상황이다.

 

세부적인 문제를 살펴보면 셀은 미세균열, 셀파손 부식 등이 가능하며 EVA는 황변과 갈변이 나타난다. 라미네이션은 파손문제가 있으며 접착제의 접착력 파괴와 단열재 단열성능저하 등이 우려된다.

 

연구진들은 선행연구를 기반으로 자가과열방지기능을 갖는 튜브형 PVT모듈 설계와 제작 성능평가를 수행해 △밴더블 흡수판 △잠열재보드기반 자가과열방지기능 등을 구현했다.

 

개발된 모듈은 자가과열방지기능을 갖는 튜브형 PVT로 △밴더블흡수판 △잠열재보드 △PV패널 △반사판 △열회수관 △유리관 등으로 구상했다.

 

열 감응형 밴더블 흡수판은 이방향 형상기억합금으로 CR 또는 Ni-Ti 코팅제 성능을 검증한 결과 흡수율 90% 이상으로 나타났으며 작동성능평가결과 고온형상(굽힙) 회복율은 약 93.2%, 저온형상(펴짐) 회복율은 약 90.3%로 나타났다. 또한 온도상승지연과 축열을 위한 잠열재보드 잠열재보드 축방열량 상대오차는 4.8% 이내로 나타났다.

 

성능평가에 사용된 튜브형 PVT모듈은 중점운전방식에 따라 PPA 방식과 APP방식으로 구현했다. PPA는 전기에너지를 중점적으로 생산하는 구조로 △PV패널 △잠열재보드 △밴더블흡수판 순으로 구성된다. APP는 열에너지를 중점적으로 생산하는 구조로 △밴더블흡수판 △잠열재보드 △PV패널 등으로 구성된다.

 

연구진들은 인공태양모사장치를 통해 평가를 진행했다. PVT 축열조에 저장된 물을 펌프를 통해 공급하는 시스템으로 PVT모듈과 열교환을 통해 열을 회수해 축열조에 열을 저장할 수 있도록 구축했으며 유량조절밸브로 유량을 조절하며 유량계로 유량을 측정했다.

 

이원희 연구원은 “PVT모듈 입출구에서 열매체 온도측정이 가능하도록 구현했다”라며 “열매체 유량은 1LPM이며 초기온도 25℃와 대기온도 25℃로 설정했다”고 말했다.

 

PVT모듈 운전성능평가결과 PPA는 전기에너지의 경우 약 250KJ이며 열에너지생산량은 3,800KJ로 나타났고 일사가 있는 동안 생산한 열에너지량은 3,300KJ이며 일사량이 없는 기간동안 추가회수가능한 열열량은 500KJ로 기존 PVT모듈과 비교한 결과 효율은 전기에너지 10% 열에너지 22%로 나타났다. 이는 잠열재보드의 축열에 의한 △PV패널온도저하 △열손실저감 △추가적 열회수에 의한 것으로 판단된다.

 

APP의 경우 전체적 열에너지 생산량은 4,500KJ이었으며 일사가 있는 동안 4,000KJ 생산되며 일사가 없는 시간에 추가적으로 500KJ 회수됐다. 전기는 효율이 낮았지만 기존 PVT모듈과 비교 시 열에너지 효율이 약 47% 향상됐다.

 

자가과열방지기능 작동 시 PVT모듈 운전성능 분석을 위해 일사량이 높으며 외기온도가 높은 오후 1~3시에 과열발생시나리오를 기반으로 밴더블흡수판 작과 모듈성능 평가했다. 

 

일사가 발생하며 모듈내부온도가 증가하는 것을 확인했으며 오후 1시40분경 흡수판이 완전히 닫혀 흡수판 온도 급격히 하락하고 열회수량이 감소했다.

 

이원희 연구원은 “열에너지 누적생산량의 경우 약 3,200KJ가량 생산한 것을 확인했다”라며 “이는 형상기억합금이 작동안한 때보다 낮은 수치”라고 말했다.

 

이에 따라 밴더블흡수판 작동 시 PVT 안전운전에 기여하며 잠열재가 모두 상변화해 이는 일사가 없는 시간에 추가적 열 회수할 수 있음 확인했다.

 

이원희 연구원은 “모듈과열발생 시 열감응형 밴더블 흡수판 작동으로 일사흡류수량을 철저히 낮춰 모듈온도상승을 막음으로써 모듈안전운전에 기여했다”라며 “향후 실제환경기반 자가과열방지기능을 갖는 튜브형 PVT모듈 최적화 및 장기성능평가를 실시할 것”이라고 말했다.

 

타공 나선형 공기형 PVT 열·전기성능 최적화방안 분석

 

김하성 한국생산기술연구원 박사는 타공 나선형 공기열 PVT 복합발전모듈 성능실험 실시결과를 발표했다.

 

PVT는 탄소중립시대 전략적 에너지기술로 많은 분야에서 응용되고 있으며 발전·급탕·냉난방을 PVT와 히트펌프를 통해 활용하고 있다.

 

그러나 기존 유로는 내부유동의 비균일성과 국부적 과열문제를 동반해 나선형 유로를 제외한 나머지 유로는 열교환이 비균일적이며 일부 구간에서 과열이 발생했다.

 

나선형 유로는 다른 유로들에 비해 유로가 길어 체류시간이 증가되며 타공적용 시 분산이 향상된다.

 

이에 따라 연구진들은 타공을 통한 벽면유동촉진을 통해 시뮬레이션을 실시했다.

 

유벽을 △4 △8 △10개 순으로 시뮬레이션 해 PV후면온도와 유리상단 온도 등을 계산했으며 유로높이 타공 10mm에 각각 △20 △40 △60 △80개 순으로 타공을 진행한 내용을 측정했다.

 

분석결과 타공을 20개 실시했을 때에는 유체가 급격히 회전했으며 60개는 유체흐르지않는 데드존이 발생해 10mm 높이에서 타공을 40개로 진행하는 것이 최적이라는 결과를 얻었다.

 

연구진들은 인공태양광 설치해 유동해석을 실시했다. 조사면적 내 균일한 일사량을 나타내도록 했으며 외부 압축공기 열교환과 공기유량 조절해 PVT로 들어가도록 유도했다.

 

제품 안에는 △작동유체 △열교환위한 칠러 △냉난방기 △압력센서 △MFC △온도센서 △유량계 등이 구성되며 조사면적당 뷸균형도 2.5% 이내 나오도록 설치했다.

 

실험과 시뮬레이션 결과 PV표면온도는 실험 시 조금 더 높은 결과를 나타냈으며 열효율 실험결과 CFD와 실험 모두 800~1,000W까지 나타난 것을 확인 할 수 있었다. 오차는 12~20%까지 발견했으며 CFD 결과 1000W/㎡ 타공유무에 따라 2% 성능개선이 이뤄졌다.

 

김하성 박사는 “오차원인은 △전산해석 내 표면접촉 열저항이 미반영 △센서위치와 격자 내 평균화방식 차이 △K-오메가모델 난류예측 한계 △실제 타공에 의한 유동교란 모사 불확실 등이다”라며 “이에 따라 실제보다 더 빠른 열전달로 인해 CFD가 더 높게 나왔다”고 말했다. 이어 “CFD결과 신뢰도가 다수 부족하지만 실험기반 보정과 모델개선통해 신뢰성 확보할 것”이라며 “향후 누설손실반영과 조건정밀화를 통해 고도화할 예정”이라고 말했다.