노 현 우 OM솔라㈜ 기술부 부장

현재까지의 OM솔라는 태양에너지 가운데 열에너지만을 이용해 가정용 난방·급탕 소비에너지를 삭감할 수 있었다. 반면 최근 주목받고 있는 빛에너지를 이용하는 가정용 태양광발전 시스템은 조명과 전화제품의 소비에너지를 삭감할 수 있다. 이 두 가지는 태양에너지를 이용하기 때문에 볕이 잘 드는 어느 정도의 면적을 필요로 한다. 때문에 주택의 지붕에 설치할 경우 빛 에너지나 열 에너지 두 가지 중 한 가지만 사용할 수 있어 태양에너지의 일부만을 이용하는 셈이 되었다. 그래서 일본의 OM솔라는 태양에너지를 최대한 활용할 수 있는 ‘OM솔라 하이브리드 시스템’을 개발했다. OM솔라 하이브리드 시스템은 기존의 OM솔라를 기축으로 태양전지의 폐열을 이용함으로써 열에너지와 전기에너지를 만들어 낼 수 있다. 때문에 OM솔라의 쾌적한 주거환경을 훼손하지 않고 최고의 에너지 절약을 실현할 수 있다.

일련의 연구개발은 일본 국토교통성의 ‘2008~2009년도 주택·건축 관련 선도기술 개발 조성사업’에 따른 것이다.

‘OM솔라’란? 

OM솔라는 지붕에서 받은 태양에너지를 열에너지로 변환해 난방과 급탕에 이용하는 기술이다. 가정에서 소비하는 에너지의 과반수를 차지하는 난방·급탕에 사용되는 에너지를 태양열에너지로 조달함으로써 에너지 절약 및 CO2 저감에 공헌한다. OM솔라의 특징은 지붕을 집열면으로 활용하는 것과 기초 콘트리트의 몸체를 축열로 이용해 바닥 난방을 실시하는 건축일체화에 있다.

OM솔라 하이브리드 시스템

OM솔라 하이브리드 시스템(에코 스카이 루프)은 OM솔라를 기축으로 미스비씨중공업그룹의 탠덤형 태양전지 패널을 일체화한 시스템이다. 통상의 OM솔라는 금속지붕 아래에 공기층을 설치하고 열을 회수하지만, 이 에코 스카이 루프는 지붕 윗면과 태양전지 패널 사이에 공기층을 만들어 태양전지의 뒷면에서부터 열을 회수함으로써 전기와 온풍을 동시에 만들어 낸다. 태양전지는 발전 시에 온도상승에 의해 발전효율이 낮아지는 특징이 있지만, 본 시스템을 통해 하이브리드화 함으로써 태양전지의 온도상승을 억제해 발전효율의 저하를 방지하는 효과도 기대할 수 있다(그림 2).

그림 1. OM솔라 시스템(겨울 모드).  지붕을 집열면으로 활용하고 기초 콘트리트의 몸체를 축열로 이용해 바닥 난방을 실시한다.

그림 2. OM솔라 하이브리드 시스템. 기존의 시스템을 하이브리드화 함으로써 태양전지의 온도상승을 억제해 발전효율의 저하를 방지한다.

실증주택

실증주택(에코 스카이 하우스)은 2009년 1월에 준공되어 같은 해 2월부터 4인 가족이 입주해 생활하고 있다. 이 주택은 가나가와현 요코하마시에 지어졌다. 한쪽으로 기울어진 지붕으로 된 목조 2층 건물로, 총 바닥면적은 138m2이다(설계 : OM, 준공 : OM 회원 공무점).

에코 스카이 하우스는 태양에너지나 풍력에너지 등의 자연에너지를 활용하는 차세대 초에너지 절약 주택으로써 미쓰비시중공업그룹의 료즈 에스테이트(Ryoju Estate)와 OM솔라가 공동으로 개발했다. 에코 스카이 루프를 시작으로, 미쓰비시중공업그룹이 에너지 절약 기기를 도입해 제로 에너지를 목표로 하고 있다. 주된 에너지절약 기술은 다음과 같다(사진 1).

- OM솔라 하이브리드 : OM솔라와 탠덤형 태양전지 패널(미쓰비시중공업그룹)을 조합해 일체화했다. 태양에너지를 최대한 활용할 수 있다.

- 탠덤형 태양전지 : 아몰퍼스형 실리콘막과 미결정 실리콘막의 이중구조로 되어 있어 태양광의 파장영역을 넓게 이용할 수 있고, 아몰퍼스형 태양전지와 비교해 연간 발전량이 증대될 것이라고 기대할 수 있다. 

- 마루 밑 축열시스템 : OM솔라로 이용되고 있는 기초 콘크리트 축열과 더불어 보다 축열용량이 큰 잠열축열재를 이용해, 여름에는 지중냉열과 히트펌프급탕기의 냉배열을 축랭하고, 겨울에는 태양열에너지를 축열해 실내 냉난방에 활용한다.

- 솔라 벤틸레이션 : 공기의 열순환을 이용한 자연환기장치로 OM솔라의 여름배기를 병용한다.

- 히트펌프 냉난방·급탕기 : 태양열 급탕(OM솔라 급탕)의 온수를 히트펌프 냉난방급탕기로 재가열해 온수를 공급함으로써 급탕시스템의 에너지 절약을 도모한다.

- 빗물이용 살수시스템 : 지붕면에서 모은 빗물을 지하탱크에 모아 정원의 살수에 이용한다.

- 축전시스템 : 심야전력을 리튬전지로 축전해 주간에 이용하거나 태양광발전을 축전해 화재 시에 이용한다.

- 외벽블라인드 + 물분무설비 : 냉방부하를 낮추기 위해 단열성능이 뛰어난 외벽블라인드와 미스트쿨링설비를 서쪽 창에 설치했다.

- 풍력발전 : 가정용 풍력발전장치를 검증한다.

- 지붕면 녹색화 + 녹색 커튼 : 일본식 지붕이나 동쪽 외벽에 녹색화를 실시했다.

- 고단열 : 주택의 차세대 에너지 절약기준으로 지역구분의 IV지역에 건설했지만, I지역에 상당하는 고단열로 했다.

사진 1. 실증주택의 외관 및 도입한 에너지절약 기술. 미쓰비시중공업그룹은 에코 스카이 루프를 시작으로 에너지 절약 기기를 도입해 제로 에너지를 목표로 하고 있다.

가정 내 소비에너지 90% ↑

태양에너지로 조달한다

2009년 4~9월의 에너지 자급률 평균은 91%였다. 이것은 OM솔라 하이브리드가 만들어 낸 에너지로 가정 내 에너지 소비의 90% 이상을 조달하고 있는 것을 나타낸다. 여름 동안에는 태풍이나 장마 등으로 맑은 날이 적었기 때문에 에너지 자급률이 낮았다(그림 3).

OM솔라 하이브리드가 만들어 낸 에너지는 전기에너지 발전량이 15.3kWh/ day, 열에너지 집열량이 364MJ/day (101.0kWhth/day)로, 열에너지를 COP=3의 열원기기를 상정해서 전기에너지로 환산하면 33.7kWh/day가 된다. 즉, OM솔라 하이브리드는 전기 에너지로써 48.9kWh/day를 만들어 내고 있으며, 집열량은 발전량의 2배 이상이다. 그 가운데 태양전지 패널의 집열량은 188MJ/day(52.3kWhth/day)로, 위와 같은 전기 환산치는 17.4kWh/day가  된다. 이는 발전량의 15.3kWh/day 이상의 에너지를 만들어 내고, 하이브리드화에 따라 통상 태양광발전 시스템의 2배나 되는 발전효율을 발휘하는 것이다(그림 4).

그림 3. 2009년 실증주택에 있어서의 에너지 자급률.  4~9월의 에너지 자급률 평균은 91%다. 여름엔 태풍·장마 등으로 맑은 날이 적어 에너지 자급률이 낮다.

그림 4. OM솔라 하이브리드 시스템이 만들어낸 에너지.  하이브리드화에 따라 태양광발전 시스템의 2배나 되는 발전효율을 발휘한다.

OM솔라 하이브리드 시스템의 보급 확산

OM솔라 하이브리드 시스템(에코 스카이 루프)은 2009년 10월부터 주택시장에 공급되기 시작해 2010년 2월 기준 10동의 단독주택이 건설되었다. 또한 주택뿐만 아니라 비주택 건축에도 응용할 수 있기 때문에 발전 150kW급의 비주택 건축 건설도 예정되어 있다. 본 시스템은 태양에너지를 최대한 활용함으로써 건축에 있어서의 제로에너지나 제로이미션을 달성하는 데 유효한 기술이므로 앞으로 그 보급이 기대된다.

참고문헌

(1) 노현우 : ‘태양과 살아가는 OM솔라(기조강연)’, 일본태양에너지학회 / 풍력에너지협회강연논문집, pp.13-16 (2009.11)

(2) 고토 타카아키·노현우 : ‘공기집열식 태양열시스템과 탠덤형 태양광발전시스템을 이용한 하이브리드 솔라 시스템의 실증시험’, 일본태양에너지학회 / 풍력에너지협회강연논문집, pp.467-470 (2009.11)

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.

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