요약

2010년 봄, 미국의 콜로라도 대학에서 건물통합형 태양전지/열 시스템의 평가가 수행되었다. 태양에너지를 이용한 신재생설비에 대한 관심이 최근 급격하게 증가하고 있다. 태양전지뿐만 아니라 열적성능까지 융합한 bipv/t 시스템은 건축주, 사업가의 관심을 끌었고, 투자비용에 대한 정부 보조금 또는 투자비 환급프로그램이 미국에도 적용되고 있다. 적용된 bipv/t 시스템은 센서에 의해 데이터가 포집되고, LabView 프로그램을 통해 컴퓨터에 저장되도록 설계되었다. 시험분석결과, 적용대상은 상용제품으로 태양전지의 전기 생산 효율은 평균 3.62%, 평균 열적 성능은 29.78%로써 2개의 기능을 결합한 효능은 33.4%에 달했다.

1.서론

많은 태양열 에너지 소비자들은 제한된 남쪽지붕면에 패널을 설치하고 가장 훌륭하게 이용하는 방법에 대한 딜레마에 빠져있다. 또한, 기존의 bipv/t 시스템은 패널 단열성능, 패널의 방수성능, 공간 활용, 시스템 적용 방향 등은 문제점으로 지적되고 있다.

전기를 생산하는 태양광발전과 급탕온수를 생산하는 태양열 에너지의 2가지 융합기술인 bipv/t 시스템은 시간경과에 따라 태양전지로부터 생산되는 전기효율이 떨어지는 원인이 되는 과잉된 열을 태양전지패널 뒤쪽으로 흐르는 물이 열을 흡수하여 전기 생산 효율을 높이고 사용내구수명을 연장한다. 이 시스템 패널은 현재 시장에서 고가의 판매비용을 요구하고 있어서, 장기간 투자회수를 만족하지 못할 수도 있다. 패널을 지붕재에 통합하고 설치를 쉽게 함으로써, 건물통합형 지붕은 일체형으로 전통적인 태양에너지 기술과 경쟁력을 갖게 된다. 이 패널설치와 시험 후 대략 30%의 효율을 얻었다.

2. BIPV/T 문헌검토

Davidsson은 태양에너지 창호 블라인드 시스템에서 BIPV/T 기술의 새로운 적용을 설계했다. 대부분의 건물통합 시스템과 달리, 이 장치는 외부표면을 대체하거나 비용이 추가되지 않지만, 창호 뒤쪽 건물내부에 설치된다. 이 블라인드는 대부분의 슬레이트판이 설비요소로 개방된 채로, 각각의 슬레이트 끝단에서 태양흡수기의 최상부에 얇게 판을 씌운 태양전지로 만든 얇은 스트립으로 구성되어있다. 반사판은 PV스트립에 빛을 집중하기위한 선택사항에 장점이 있으며 활성화된 PV 스트립 하부에 물을 통과시켜 데워진 물을 멀리 이동시킨다. 창호유리는 입사하는 태양열방사를 최대로 하기위해 저 반사, 고 방사용 도장으로 도포되어있다. Davidsson은 이 시스템의 효능을 확인하기위해, 2개의 프로토 타입을 제작하고 컴퓨터 시뮬레이션과 동시에 스웨덴에서 성능시험을 하였다. 컴퓨터 모델은 거의 유사하게 2개의 창호로부터 얻은 데이터와 일치하며, 1개의 태양에너지 창호에서 생산되는 전기량이 수직형 PV패널보다 35% 더 크다고 주장했다. 이 개념이 흥미롭고, 전통적인 시스템보다 PV, 열흡수기, 유리면적이 더 작게 요구되는 반면, 불투명 PV 시스템은 매우 복합적이며 비용면에서 값이 비싸다.

Agrawal 와 Tiwari는 뉴델리에서 더욱 전통적인 BIPV/T 시스템을 설명했다. 여러 가지 종류의 BIPV/T 집열기의 생애비용에 흥미를 가지고 있다. 그 대상은 단결정(c-Si) 패널과 비정질(a-Si) PV 실리콘 패널 모델이었다. 과거의 연구결과에 근거하여 동적 열성능 모델이 에너지, 엑서지, 생애비용을 분석하기위해 개발되었다. 단결정(c-Si) 패널과 비정질(a-Si) 패널의 연간 전기생산량은 각각 15,131 kWh와 6,066 kWh 였다. 단결정(c-Si) 패널의 전기 생산이 크면 클수록, 연간 열적 성능은 16,764 kWh 이며, 비정질(a-Si) 패널의 열적 성능은 20,615 kWh였다. 앞서 설명했듯이, 전기 생산 효율이 크면 클수록 열적성능 효율은 더욱 낮아진다. PV패널이 얼마나 많은 태양열을 방사하느냐에 따른다. BIPV와 BIPV/T를 비교할 때, 실험에 사용된 BIPV/T가 수 냉각방식에 때문에 17~20% 정도 더 에너지 효율적이다. 생애비용분석 측면에서, 6개의 각각 다른 타입의 PV 패널을 분석했다. c-Si 패널은 $0.1190/kWh, p-Si 패널은 $0.1143/kWh, r-Si 패널은 $0.1189/kWh, a-Si 패널은 $0.1009/kWh, CdTe 패널은 $0.1182/kWh, 그리고 CIGS 의 경우 $0.2654/ kWh였다. kWh 당 낮은 비용 때문에, 비정질 (a-Si) PV 패널이 농촌과 같은 전원지역에 설치하는 것이 적합한 반면, 단결정(c-Si) PV패널로 구성된 BIPV/T 시스템은 설치공간이 한정되어있고 전기수요가 더욱 높이 요구되는 고층건물 지붕에 적용하는 것이 적절하다. 건물통합형에 관한 의미가 다소 불명료한 부분이 있긴 하지만, BIPV/T 시스템이 건물에 적용된다면 건물의 건축비용이 절감된다.

Anderson 등은 열전달 액체가 관통되도록 특별하게 구멍을 낸 쉬트 메탈의 지붕재의 골을 이용한 BIPV/T 시스템을 연구했다. PV전지로 얇게 부착된 부재는 PV 집열기 아래로 열이 액체를 통해 전달되도록 튜브를 만들고, 벽체의 골부분에 부착된다. 유리 부착형 집열기와 유리가 없는 집열기 2종류가 고려되었다.

3. 선행 작업

BIPV/T 시스템의 시험이 2008년 여름, 몇 주 동안 콜로라도주 Boulder에서 수행되었다. 시험변수들은 열성능 컴포넌트의 집열조건, 밤 시간대에 열을 빼앗기는 조건, 열을 얻을 수 없는 조건이었는데, 시험결과, 평균 열 성능효율은 18.3%, 평균 전기효율은 15.5%, 그리고 결합효율은 33.8%였다.

PV패널 뒷면과 튜브와 핀으로 구성된 태양열 흡수기 사이의 공기층이 필요하게 되었다. 튜브와 핀으로 구성된 태양열 흡수기는 폐열을 물로 전달하는 PV 패널의 능력을 줄인다. 이 주제를 설명하기위해, 연구자들은 태양열 흡수기가 PV 패널 뒷면에 직접 부착하는 방식이 되어야한다는 점을 결정했다. 튜브와 핀으로 구성된 태양혈 흡수기는 다소 값비싸기 때문에, 대안을 찾는 것이 바람직하다. 고무 매트형 태양에너지 pool heater가 초기의 바람직한 대안으로 확인되었다. 이 프로젝트의 또 다른 목표는 가능한 한 값싸고 대량생산되는 요소들을 사용하고 값싼 고무 태양열 흡수기를 사용하는 아이디어이다.

박막 PV 패널은 일반적으로 표준 결정질 PV패널이나 비정질 PV패널에 비해 약간 효율이 떨어지나, 잠정적으로 값이 싸기 때문에 고려 대상이었지만, 결국 폐기되었다. 이 경우에, 전기적인 요소가 흡수하는 태양에너지가 작으면 작을수록 열성능 요소에서는 더욱 더 많은 에너지가 생산되기 때문에 전체적으로 볼 때 PV패널의 낮은 효율은 집열기에 필연적으로 유해한 요인은 아니다.

4. 시스템 설명

값이 경제적이고, 시장에서 활용되는 상용 제품으로 구성된 BIPV/T 패널은 이 기술을 시험을 목적으로 제작되었다. PV 집열기는 프레임두께가 40㎝의 1㎡면적당 효율 6%의 Kaneka 60W 비정질 실리콘 패널이다. 태양열 성능 요소는 작은 직경의 튜브가 수평으로 배열된 Enersol EPDM solar pool heater 이다. 값싼 비용으로 제작하는 이유 때문에, PV패널과 태양열 흡수기는 각각 180$ 이며 총 360$ 비용이 소요되었다.

5. 시험체 설계

5.1 데이터 취득

여러 가지 종류의 장치들이 집열기 성능을 특성화하고 측정을 하기위해 사용되었는데, 5개의 서모미터, 풍향풍속계, 일사량계, 6개의 전력저항 등 여러 개의 장치들이 전력을 포함하여 10개의 전력저항기가 내장된 pcb를 상용 조립한 작은 플라스틱 상자를 관통하게 제작했다. 각각의 계측 데이터는 컴퓨터 LabVIEW 환경에 연결된 USB 데이터 취득 보드에 저장되었다.

집열기의 열적성능, 온도측정을 규명하기 위해, PV시험체 여러 군데에 계측센서가 부착되었다. 주변온도 측정을 위해 1개의 서모미터가 외부표면에 설치되었고, PV 패널과 태양열 흡수기 사이에 매입된 2개의 서모미터는 내부 패널온도를 측정하기위해 설치되었고, PEX에 설치된 2개의 서모미터는 물 입/출구 온도를 측정하였다. 각각의 서모미터는 PCB에 연결되었고 10㏀ 정밀한 저항기로 이중 연결되었다. 서모미터는 저항의 변화를 통해 온도를 계측하고, 각각의 서모미터로부터 떨어진 전압은 정밀한 저항기의 알려진 저항값과 비교되며, 각각의 서모미터의 실제 저항과 각각의 센서에서 얻은 온도를 결정하기위해 5V 전력에서 얻은 전압을 측정한다.

바람이 패널의 효율에 어떤 영향을 미치는지를 결정하기위해서 풍속계측은 중요하다. 지붕 위 시험체외부에 설치된 Inspeed Vortex 풍향풍속계는 풍속계 헤드가 돌아가면서 ‘클릭’을 하는 과정에서 풍속이 측정된다. 패널과 동일선상에 Apogee SP-215 일사량계에 설치된 센서가 일사량을 측정한다.

열 성능 기기를 통한 유량율은 1분당 물 컨테이너에서 시스템 외부로 흘러가는 물의 양을 계측하고, 물 체적을 계량한 다음, 8번 이 과정을 반복하여 평균값을 계산한다. 물 유량율은 가능한 1 gpm에 가깝게 계량하고 실험목적을 위해 변경하지 않았다.

6. 실험결과

실험체 설계에서 언급한 것처럼, 유량율이 0.0060에서 0.062 l/s (0.95~1.05 gpm) 사이에서 변화했으며, 특별히 실험체모듈의 효율이 문제되지 않는 한, 성능에 관한 유량율의 영향은 고려하지 않았다.

열 유체 유입과 대기온도관계의 온도 차이는 ∆T로 정의했다. 계측된 일사량은 I_c 로 표현했다.

6.1 집열

PVT패널 전력 대부분은 태양열을 집열함으로써 발생한다. 아래 그림은 집열기의 열성능 효율 특성곡선이다. X축은 집열기의 열 성능에 관한 데이터, 열 유체 유입온도와 대기온도차이(∆T)/ 일사량( I_c)을 보여주고 있다. 이 데이터에서 얻은 평균 효율은 29.8%이다