공기식 태양광/열 집열기 고효율화 및 회수열 이용에 관한 연구

Abstract

화석연료 사용의 증가로 인한 에너지 고갈과 환경문제가 대두되면서 신재생에너지에 대한 많은 연구들이 진행되오고 있다. 이 중 태양광 모듈과 같은 경우 단가 감소와 성능 향상이 지속적으로 이루어지고 있으며, 설치 및 유지보수에 타 신재생에너지원보다 유리한 면이 있어, 보급량이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 우리나라는 2017년 연간 태양광 발전설비 보급량 세계 8위를 하였으나 누적보급량에서는 세계 10위권 밖으로 향후에도 지속적으로 보급이 이뤄질 것으로 전망된다. 하지만 이러한 태양광 모듈은 일사가 많이 유입되는 낮 중 온도가 증가하여 발전 효율이 감소하는 단점이 있다. 따라서 공기, 물, 부동액 등의 열매체를 이용해 태양광 모듈을 냉각시키고 열매체가 회수한 열은 난방, 급탕 등에 이용하는 태양광/열 집열기에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 태양광/열 집열기는 모듈의 열을 회수하는 열매체에 따라 공기식 혹은 액체식으로 나뉠 수 있다. 액체식 태양광/열 집열기는 주로 물을 열매체로 사용하며 높은 열효율을 보이나 공기식과 비교 시 축열조 등의 부대 시설을 포함한 시공비, 설치의 용이함이나 열매체 누설에 의한 유지보수 관리 측면에서 공기식보다 불리한 단점이 있다. 따라서 비교적 시공이 간편하고 열매체 누설 등에 의한 문제가 적은 장점을 갖는 공기식 태양광/열 집열기의 열효율 향상을 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 앞서 설명된 연구의 일환으로 공기식 태양광/열 집열기의 열효율 향상을 위해 공기채널 내 삼각저항체를 설치하였을 때 열전달 성능의 향상 및 압력강하 등에 대해 전산해석에 근거하여 평가하고 실제 기상 조건에서 삼각저항체 적용 태양광/열 집열기의 성능 평가 및 태양광/열 집열기 수치모델을 이용한 연간해석을 수행하였다. 그 결과 삼각형 열전달 향상 장치 삽입으로 태양광/열 집열기 후면에서 공기채널 내 유동 공기로의 열전달 성능이 최소 1.19배에서 최대 3.37배까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 삼각 저항체 형상 변경에 따른 열전달 성능 향상에 압력강하 증가 또한 같이 수반되는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 동일 열전달 성능 향상을 달성하면서 압력강하를 최소화시킬 수 있는 최적 설치조건을 확인하고 필요 열전달 성능 향상 정도와 운전 조건에 따른 최적 형상조건을 선정할 수 있는 프로세스를 제시하였다. 또한 실제 기상조건하에서 열전달 향상 장치가 삽입된 태양광/열 집열기 성능을 평가한 결과 공기 유동이 없어 열을 제거하지 못하는 경우 태양광 모듈의 발전 효율은 평균 15.71%를 보였으나 태양광/열 집열기의 발전 효율은 최대 평균 16.61%를 보여 모듈 냉각으로 인한 발전 효율 상승이 발생함을 확인할 수 있었다. 동적 해석 시뮬레이션을 이용하여 연간에너지 해석 결과로는 열전달 향상 장치가 삽입된 태양광/열 집열기가 단순 태양광 모듈 및 열전달 향상 장치가 삽입되지 않은 태양광/열 집열기보다 더 높은 발전량 및 열에너지 생산량을 갖는 것으로 확인되였다. 반면, 이러한 태양광/열 모듈은 유입되는 태양에너지의 일부가 전기에너지로 변환되기 때문에 기존 태양열 공기가열기보다는 일반적으로 효율이 낮아 저온의 열에너지를 생산하게 된다. 따라서 본 논문에서는 태양광/열 집열기의 회수열을 유용하게 이용하는 방안의 하나로써 태양광/열 집열기와 히트펌프를 연계하여 실제 기상조건에서 실험을 수행하였다. 그 결과 외기 이용 히트펌프 성능계수는 평균 3.31(-)을 보였으나 열전달 성능 향상 장치가 삽입된 태양광/열 집열기가 연계되었을때는 약 3.42(-)에서 3.54(-)를 보였다. 이러한 결과들로부터 단순히 히트펌프와 태양광 모듈이 같이 사용되는 것 보다 태양광/열 집열기로의 변환 후 회수열을 히트펌프에 이용함으로써 모듈 발전량 증가뿐만 아니라 히트펌프의 성능 향상 또한 가능함을 알 수 있었다. 일일 순에너지 생산량은 히트펌프와 태양광/열 집열기가 연계되었을 때 히트펌프와 태양광 모듈이 각각 운전하는 경우 대비 8.58%에서 17.66%까지 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 급탕부하를 대상으로 태양광/열 연계 히트펌프의 연간에너지 해석을 수행한 결과 태양광/열 집열기에서 열전달 향상 장치에 의한 전열성능이 매끈한 공기 채널 대비 2.0배 증가되었을 때 가장 높은 에너지 절감 성능을 보였으며, 히트펌프 COP(-)는 연평균 0.092(-), 최대 0.291(-) 증가하였다. 다만, 총 에너지 소모 절감량은 히트펌프와 태양광 모듈이 따로 작동하는 경우보다 약 1.9%정도가 절감되어 그 정도가 다소 미미함을 알 수 있었다. 이는, 급탕부하가 일사량이 적은 오전 및 오후에 집중되어 있으나 태양광/열 집열기에 의한 히트펌프 성능 향상은 주로 낮에 이루어지므로 히트펌프 성능 향상에 따른 압축동력 감소의 효과가 총 에너지 소모량에 미친 영향이 다소 적었기 때문으로 판단되었다. 따라서 향후 축열조를 이용한 부하 불균형의 해소, 사무소 및 목욕탕 등 히트펌프 성능이 향상되는 낮 중 부하가 큰 건물로의 시스템 적용 등이 수행될 시 본 논문에서 확인된 것 보다 더 높은 에너지 절감 효과를 가질 수 있을 것으로 사료되었다.