한랭지에 있어서의

태양광/태양열 하이브리드 솔라패널 집열성능의 향상

하이브리드 솔라패널은 광발전과 집열을 동일 수광면에서 실시하는

패널로 태양전지와 태양집열기를 적층화해 수광면적당의 태양에너지의

이용효율을 높이는 것이 목적이다. 본고에서는 하이브리드 솔라패널의

단열성능을 향상하는 것에 의해서 한랭지 적용을 도모한 사례를 소개한다.

사사키 마사후미(Sasaki Masafumi), 키타미공업대학 기계공학과 교수

태양광/태양열 하이브리드 패널(이하 하이브리드 솔라패널이라고 한다)은 광발전과 집열을 동일 수광면에서 실시하는 패널이다. 태양전지(이하 PV : Photovoltaic이라고 한다)와 태양집열기를 적층화하여 수광면적당의 태양에너지의 이용효율을 높이는 것을 목적으로 한 것으로, 여기에서는 개별의 유닛을 병렬적으로 모듈화한 것은 다루지 않는다. 적층방식에서는 PV가 집열부의 열매에 의해서 냉각되어 온도상승에 의한 발전효율의 저하를 억제할 수 있는 이점도 기대할 수 있다. 실제 사례로서는 공기집열형이 많고, 액집열형은 적지만, 세키스이화학공업의 예가 있다(1). 공업적 응용 사례로서는 Kalogirou(2)에 의한 보고가 있다. 또한, 액열매 하이브리드 패널의 정상(定常)상태의 열해석이 Bergene(3)에 의해, 동적열해석이 Chow(4)에 의해 보고되어 있다. 또한, Morita(5)은 엑서지 효율의 관점에서 열광일체형은 양자를 개별로 설치하는 것보다 뛰어나다는 것을 나타냈다.

본고에서는 하이브리드 솔라패널의 단열성능을 향상하는 것에 의해서 한랭지 적용을 도모한 검토사례를 소개한다.

공시(共試) 패널의 구조

공시패널의 구성은 그림 1에 나타낸다. 표준패널(Type A라고 부른다)은 세키스이화학공업제의 하이브리드 솔라패널의 실용모듈(770×780mm)로, 최하면에 집열판을 배치하고 그 배면에 타원단면의 집열매체도관(6개)을 평행으로 용접해 상하의 수평인 헤더에서 집합하고 있다. 이 집열패널 위에 두께 3.2mm의 반강화 글라스에 라미네이트 피복된 PV 어레이(다결정 실리콘)가 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트)에 의해 맞붙어져 일체화되어 있다. 게다가 5mm의 단열공기층을 개재해서 두께 3.2mm의 반강화 글라스제 커버로 외장되어 있다. 패널 배면에는 발포 우레탄제 단열재(50mm)를 설치했다. 이와 같이 하이브리드 솔라패널의 구조는 평판형이고, 한랭지에서의 집열효율의 향상이 과제가 된다.

또한, 단열공기층 내의 대류를 제어하기 위해서 그림 2와 같이 직행격자를 단열공기층에 삽입했다. 단, 패널의 폭방향을 구분하는 격자(5개)는 구조적인 지지기능만으로, 패널 경사면 방향을 구분하는 격자가 대류에 관여한다. 구분판은 두께 0.5mm의 투명염화비닐제로, 격자 상부의 개구부를 투명랩(투명박막)으로 봉지한 후에 커버글라스를 씌운다. 격자의 높이(≒단열공기층 두께)s와, 경사면방향의 피치(=공기층 길이)l를 바꾸는 것에 의해 봉진된 공기셀의 애스펙트비 s/l를 조정했다.

하이브리드 솔라패널의 집열성능

실험장치 및 실험방법

실험장치를 그림 3에 나타낸다. 집열성능 시험은 솔라 시뮬레이터(키타미공업대학 지역공동연구센터 : 크세논램프 8kW×20등)를 이용해 JIS A 1425에 준거하여 실시했다. 일사량은 400~ 1,200W/㎡이지만 본고에 나타낸 성능시험 결과는 특별히 구애되지 않는 한 모두 680W/㎡(강도분포편차 10% 이내)이다. 패널은 수평에서의 경사 42°로 설치하고, 패널면에 대해 법선방향에서 광원을 입사시켰다. 집열매체는 상수에서 특별히 구애되지 않는 한 유량 1㎏/min, 온도 10, 30, 40, 50℃로 했다. 또한 송풍기에 의해서 풍속 3m/s의 공기를 패널표면 전체에 보냈다. PV 부하시에는 법랑저항을 이용해 발전시의 전압 및 전류를 계측하고 전력을 산정했다. 패널 상면 및 이면에서의 열손실을 산정하기 위해 온도계측은 36~41점, 집열패널 출입구 온수, 수수조(受水槽) 내 및 분위기 온도에 9~15점의 계 45~46점을 T 열전대를 이용해 실시했다.

표준패널의 집열성능

패널의 성능은 JIS A 1425에 준거해 집열효율특성선도에서 나타낸다. 표준패널의 집열효율특성선도를 그림 4에 나타낸다. 가로축의 △θ/I는 집열효율변수[㎡·K/W]이고, △θ는 집열매체의 평균온도와 외기온의 차이, I는 입사강도[W/㎡]이다.

집열매체의 평균온도로서는 패널 입구온도와 출구온도의 산술평균치를 이용했다. △θ/I가 클 때는 집열매체온도가 높든지 외기온이 낮은 것을 나타낸다. 그림 4의 PV 무부하 조건이 집열패널로서의 기본성능을 나타낸다. 이 패널의 경우 특성곡선은 거의 직선에 근사(近似)하는 것이 가능하다.

한랭지의 겨울은 외기온이 낮고 △θ/I가 큰 조건에서의 운전을 강요당하기 때문에 이 조건하에서 어떻게 높은 효율을 유지할 수 있는지 이를테면, 이 직선의 오른쪽 밑의 기울기를 얼마나 완만하게 하는가가 개발의 평가기준이 된다.

PV 부하를 최대 L 및 L/3, 2L/3과 3수준으로 설정했을 때의 집열효율선도를 그림 4 안에 나타낸다. 거의 PV 출력에 상당하는 집열효율의 저하가 보여진다. 발전효율은 일사량에 의존해 1,000W/㎡ 정도로 극대화 되었다. 또한, 패널입구 온수온도가 50℃에서 30℃가 되자 발전효율이 2.3포인트(1,000W/㎡시) 상승했다. 하이브리드 솔라패널에서는 집열매체에 의해 패널이 냉각되어 PV 단독패널보다도 발전효율이 향상하는 것을 기대할 수 있다.

격자에 의한 단열공기층의 대류제어효과

경사밀폐층 내의 열 이동의 메커니즘은 레일리수 Ra와 애스펙트비 s/l의 치에 따라서 변화한다. 일반적으로, Ra<103에서는 대류가 거의 발생하지 않고, 열수송은 열전도가 지배한다. 이 경우의 평균 누셀트수는 Nu=l이다. Ra=103~3×104의 범위에서는 미약한 자연대류가 발생하지만 여전히 열전도지배이고, 이 평균 누셀트수는 Nu=1.0~1.1정도이다. Ra=3×104~106에서는 많은 경우 주기적인 셀상대류(狀對流)가 발생한다.

열공기층 내의 열이동을 대류지배로 가정한 경우, 경사밀폐층 내의 누셀트수 Nu는 MacGregor(6)의 식 1로 구할 수 있다.

Nu=0.42Ra0.25(s/l)0.30Pr0.012       식 ①

여기에서 레일리수 Ra는, 프란톨수 Pr과 단열공기층 두께 s를 대표 길이로 하는 글라스호후수 Gr의 적(積)이다. 물성치에는 양전열면에 있어서 평균온도에 있어서의 수치를 사용한다. 식 1에 있어서 애스펙트비s/l이 증가하면 누셀트수가 증가하고, 결과적으로 열전달율도 커진다. 그래서 격자 높이 s 및 피치 l을 바꾸는 것에 의해서 애스펙트비 s/l을 변화시킨 집열실험을 실시해 대류제어효과를 검토했다. 집열효율특성선도를 직선 근사했을 때의 기울기-a(a>0)와 평균 Ra수의 관계를 그림 5에 나타낸다. 단, Ra수는 각 효율선상에서의 평균치이다. 집열효율 근사선의 기울기는 완만한 만큼, 이를테면 a가 작은 만큼 패널표면으로부터의 열손실이 적어진다. Ra수가 103(s=20mm)까지는 단열공기층 s가 커지는 것에 따라 기울기 a는 감소하고 있다. Ra수가 104 정도(s=30mm)에서 a는 극소치를 나타낸다. 여기까지의 영역은 열전도지배라고 생각할 수 있다. 더욱이 Ra수가 증가하면 a는 완만하게 증가하고, 자연대류가 무시할 수 없는 영역이라고 생각된다. 이상의 결과와 격자를 제거하는 등 추가 실험도 종합하면, 단열층 s가 30mm 정도까지는 애스펙트비에 의하지 않고 자연대류보다도 열전도가 지배적인 것을 알 수 있었다. 본 실험 중 가장 기울기a가 작았던 s=30mm의 집열효율특성선도를 그림 6에 나타낸다. 기준(Type A : s=5mm) 패널에 대해 예를 들어△θ/I=0.06일 때, 약 75% 정도 집열효율이 개선되고 있다.

성능예측

이상의 의논과 같이 집열효율특성선도는 거꾸로 보면 열손실특성이고, 집열면까지의 투명요소의 입사에너지 흡수특성을 이미 알고 있다면, 패널 주위로부터의 열손실을 일차원정상해석으로부터 예측하는 것이 가능하다. 패널 상면에서의 열손실은 집열면(여기에서는 PV면)으로부터 단열공기층을 개재한 열수송(열전도 혹은 자연대류열전달로 대강 Ra수에서 판별)에서 구할 수 있다. 상면에 있어서 풍속u[m/s]에 대해 열전달률 h[W/㎡/K]을, 율게스의 식을 이용해서

H=0.4u+5.0       식 ②

로 주었다. 또한, 모듈 1장의 경우는 측면이나 헤더의 면적도 무시할 수 없기 때문에 측면표면온도를 집열매체온도로부터 가정해 같이 h를 주었다.

패널 배면은 단열재의 열전도율과 두께 및 설치상황(여기에서는 실내기에 놓여 있기 때문에 단열재 이면의 열전달률 5W/㎡/K를 주고난 후 열손실을 구했다.

△θ/I=0일 때의 집열효율(이하 절편효율 ŋ0라고 부른다)은 이론상 절편효율 ŋ0은 투명요소(이 경우는 2장의 반강화글라스와 EVA)의 흡수율(반사도 포함한다)에 의해서 결정된다. 반강화글라스 1장의 총 입사에너지 투과율을 측정하면 대략 0.9이고, 이것이 2장(투과율은 약0.81) 있어 더욱이 EVA에 의한 흡수를 고려해, ŋ0=0.73으로 했다.

이상의 취급에 의해서 기준패널(Type A)의 성능을 예측한 예를 그림 7 가운데 일점쇄선으로 나타낸다. 그림 안 실측치(▲)와의 차이는 작지 않다.

지금까지 나타낸 집열효율특성선도에서는 실험점은 가로축 △θ/I가 마이너스의 범위에 달하고 있다. 이론상 이 영역은 집열매체의 평균온도보다 외기온도 쪽이 높다는 것을 의미하지만, 그와 같은 실험조건은 없었다. 이것은 주로 집열매체의 평균온도를 출입구의 산술평균으로 한 것에 기인한 것이라고 생각할 수 있다. 실제로는 집열매체의 흐름방향의 온도분포는 선형이 아니라 보다 온도차가 큰 입구측에서 온도상승이 높다. 이것을 고려하자 집열매체의 평균온도는 출입구산술평균보다도 높아졌다. 그림 7 가운데 실선(▲)은 출입구평균온도를 이용한 것으로, 집열매체의 흐름방향온도분포를 고려해서 보정한 실험점이 ■이다. 여전히 △θ/I가 마이너스 영역인 실험점은 있지만, 예측선에 상당히 가까운 특성을 나타내고 있다. PV 부하시는 PV 부하상당의 집열감(減)으로 하여 평행선을 구하면 된다.

글라스에 의한 입사에너지의 흡수는 이 패널의 경우, 약 3%/mm로 무시할 수 없다. 실제의 시작에는 이르지 않았지만, PV 상면에 라미네이트된 글라스를 제거하는 것이 가능하다면 전역에 걸쳐서 약 10포인트 개선할 수 있다고 생각된다. 이때의 특성선도를 그림 7 가운데 2점쇄선(AHSP : Advanced Hybrid Solar Panel)으로 나타낸다. 예를 들어 △θ/I=0.06일 때에는 100% 정도의 집열효율의 개선을 기대할 수 있다.

적설지역에 있어서의 융설문제

한랭지에서의 하이브리드 솔라패널 적용에 있어서 나머지 한 가지 문제가 적설이다. 키타미시의 예에서는, 통상의 PV 패널은 최적 경사도 50º(수평에서) 전후인 것도 있어 적설은 맑은 날이면 하루아침에 활락(滑落)하여 특별한 적설제거방법을 필요로 하지 않는다. 한편 하이브리드 솔라패널은 커버글라스 하면이 단열층이기 때문에, 적설 하면이 커버 글라스에 동결접착되어, 적극적인 적설제거방법이 필요하게 된다. 커버글라스에서의 열손실 저감의 관점에서는 커버 글라스로써 진공이중글라스를 이용하는 것이 효과적이라고 기대되지만, 거꾸로 적설의 제거가 굉장히 어려워진다고 하는 난점이 있다.

본 연구에서는 적설을 활락 제거하는 방식(주택밀집지에서는 적용이 어렵지만)에 대해서 적극적으로 적설 하면을 가열하는 방법을 검토했다. 저탕조에 모은 온수의 열을 집열매체 PG(프로필렌 글리콜)과 열교환해서 순환해 집열면을 가열하는 방법, PV에 통전해서 집열면을 가열하는 방법 및 단열공기층에 고온공기를 순환시켜 커버 글라스 배면을 직접 가열하는 방법의 3종류를 실시했지만 집열매체를 순환시키는 방법이, 높은 열입력을 용이하게 실현할 수 있다는 점(+시스템의 하드웨어변경이 불편한 점)에서 우수하다는 것을 알 수 있었다. 자세한 것에 대해서는 기회가 있으면 다음 기회에 지면에 다시 보고하고 싶다.

한랭지에 있어서의 에너지·환경문제의 근간

홋카이도에 있어서는 가정에서의 에너지 소비 중 세대당 난방이 점하는 비율이 전국 평균의 3배 이상으로 나와 있다. 게다가 그 대부분이 석유히터에 의한 난방이기 때문에 CO2 발생량은 4배 이상이다. 이것이 한랭지에 있어서의 에너지·환경문제의 근간을 이룬다. 따라서 당연구실에서는 한랭지에서 있어서의 난방에너지의 시프트에 초점을 좁혀 연구에 매진해 왔다. 그 관점에서 하이브리드 솔라 패널을 평가하자면, 한 가구 건물의 지붕면적 상당의 패널에서는 겨울의 난방수요를 도저히 조달할 수 없다는 것이 분명해 지중열 히트펌프 등을 도입해서도 종래의 난방방법을 바꾸는 것은 어렵다는 것을 알 수 있었다(7).

그러나 하이브리드 솔라 패널의 기능을 잘 끌어내 새로운 가치를 창출할 여지는 적지 않다고 생각된다. 마지막에 그 사례(8)를 소개해둔다.

최근 다이세츠산 국립공원에서는 등산자의 오물에 의한 오염문제가 심각화되고 있다. 이것을 받아들여 홋카이도 환경생활부는 ‘산의 화장실 시험설치조사업무’에 착수해 2001년에는 다이세츠산의 깊이 솟아오른 명봉 토무라우시산의 토무라우시 온천측 등산구에 바이오화장실을 설치, 실증시험을 실시했다. 바이오화장실은 반응조의 교반이나 환기 외에 전기히터에 의한 반응조의 가온이 필요하지만, 입지 예정지에서는 일절 급전 인프라가 없기 때문에, PV 패널에 의한 자립 시스템이 계획되었다. 필자는 기본적인 에너지 설계를 담당했지만, 화장실의 규모에 비해서 어울리지 않게 과대한 PV 패널 면적이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 사용(등산) 기간이 6~10월에 한정되었기 때문에 하이브리드 솔라 패널에 의해 반응조의 가온을 온수로 실시하기로 했다. 개관을 사진 1에 나타낸다. 화장실의 입구는 뒷면이다. 등산자, 특히 여성에게 호평을 받고, 실증시험 종료 후에는 신토쿠쵸가 관리해서 계속 운용하고 있다.

감사의 말씀

본 연구에 있어 하이브리드 솔라 패널·모듈을 제공해 주신 세키스이화학공업(주)에게

심심한 감사를 전한다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

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