태양전지-열 PVT 복합시스템 기술의 동향 차종희 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 대덕클럽

태양전지-열(PVT) 복합시스템 기술의 동향 차종희 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 대덕클럽 심포지움에서 2008. 10. 21. 강연(우송대학교)

순서 PVT 기술의 개요 n PVT 기술의 동향 n PVT 기술의 당면한 연구과제 n PVT 기술의 시장성 n 결론 n 1

PVT 기술의 개요(1) n PVT 기술의 개요 n PVT 기술의 원리 태양전지(Photo. Voltaic)+열전달기구(Thermal)=PVT 시스템 - PV만의 사용보다 태양에너지 이용률이 높다. - PV, 열의 분리 생산보다 설치면적이 작아진다. - PV의 냉각효과로 전기생산이 증진된다. 2

PVT 기술 의 개요(2) 3 그림 1. PVT의 원리

PVT 기술의 개요(3) n PVT의 기본 구성 n 집열기(유리덮개+PV+흡수판+열전달기구+열절연재) 인버터(inverter) 축열장치 보조가열기 n n n 4

PVT 기술의 개요(4) n 집열기의 분류 n 액체식 평판형 PVT 집열기 n 공기식 평판형 PVT 집열기 n 건물과 일체화된 PVT n 집광형 PVT 집열기 5

PVT 기술의 개요(5) n 액체식 평판형 PVT 집열기의 구조 n 유리덮개 있는 액체식 집열기 유리덮개+PV+흡수판+열전달기구+열절연체 n 유리덮개 없는 액체식 집열기 PV+흡수판+열전달기구+열절연체 열전달기구: 관이 붙은 판형(sheet-and-tube), 채널유동형, 자유유동형 열전달매체: 물, 글리콜(glycol) 용도: 전기생산, 난방, 온수생산, 냉방 6

PVT 기술의 개요(6) 그림 2. 액체식 평판형 PVT 집열기의 예 7

PVT 기술의 개요(7) 그림 3. 액체식 PVT의 열전달기구의 예 8

PVT 기술의 개요(8) n 공기식 평판형 PVT 집열기의 구조 n 유리덮개 있는 공기식 집열기 유리덮개+PV+흡수판+열전달기구+열절연체 n 유리덮개 없는 공기식 집열기 PV+흡수판+열전달기구+열전연체 열전달기구: 채널유동형, 자유유동형 전기생산, 난방, 온수생산 9

PVT 기술의 개요(9) 그림 4. 공기식 평판형 PVT 집열기의 예 10

PVT 기술의 개요(10) n 건물과 일체화된 PVT 시스템 n PV를 건물의 외벽, 또는 지붕과 일체화 PV 이면에 공기통로 형성 공기는 자연대류, 또는 강제대류로 순환 n n 전기생산, 가열된 공기는 난방, 환기에 이용 11

PVT 기술의 개요(11) 그림 5. 건물과 일체화된 PVT 시스템의 개념 12

PV 기술의 개요(12) n 집광형 PVT 시스템의 구조 n 반사경, 또는 렌즈로 집광 전기출력 증강 PV 냉각은 강제대류 태양추적장치 n n n 13

PV 기술의 개요(13) 그림 6. 집광형 PVT 시스템의 예 14

PVT 기술의 개요(14) n n n 15 태양전지 반도체재료의 광기전력효과(photovoltaic effect)를 이용 한 것 PV cell: 기본단위 PV module: PV cell의 어셈블리를 캡슐로 싼 것(encapsulation) PV array(panel): 여러 개의 PV module을 연결한 것

표 1. 여러 가지 태양전지의 전기효율과 제조회사명 16 태양전지의 형 전기효율(%) 제조회사명 다결정질 Si 11 -15 Sharp 단결정질 Si 10 -17 Sun. Power HIT cells 16 -17 Sanyo Electric Ribbon cells 12 -13 RWE Schott a-Si(단일접합) 4 -6 Mitsubishi a-Si(3중접합) 5 -7 United Solar CIS 9 -11 Wurth Solar Cd. Te 6 -9 First Schott

PVT 기술의 동향(1) n PVT 기술의 동향 n 역사적 동향 1. 액체식 PVT 기술의 동향 n 첫 액체식 PVT 연구(미국, Wolf, 1976) 첫 시범 프로젝트(미국, MIT+Sandia+ARCO, 1978) 전기효율: 6. 5%, 열효율: 40% 일본에서의 원형 제작(Sharp, 1979) 독일에서의 첫 시험(Karl+AEG, 1979) n 1980년대는 유가하락으로 PVT 기술개발 부진 n n n 17

PVT 기술의 동향(2) n n n n 18 유리덮개 없는 PVT+히트펌프(Netherlands, TNO+HES, 1989) PVT 집열기의 설계, 제작(Netherlands, ECN+Shell Solar+ZEN Solar, 1999) PVT 집열기 원형 개발(Germany, Zenith+Solarwerk+ Solarwatt, 1999) PVT 집열기의 시험, 설치 연구(Denmark, Batec+Racell+ Esbenson, 2000) 유리덮개 없는 PVT 집열기의 상용화(Israel, Elazari 등, 1996) PVT+Thermosyphon 연구(India, IIT, 1995) PV: BONUS 프로그램, PVT module 및 유리덮개 있는 집열기 개발 (USA, Power Light+SDA, 2000 -2005)

PVT 기술의 동향(3) 19 2. 공기식 PVT 기술의 동향 n n n 첫 공기식 PVT 시설 건조(USA, Boer, 1973) 공기식 PVT 집열기의 원형 제작(USA, MIT+Sandia+ARCO+ Spectrolab, 1978) 유리덮개 없는 공기식 PVT, 열효율: 40%(Japan, Ito & Miura, 1993) 유리덮개 없는 공기식 PVT 집열기, 상용화(Israel, Elazari, 1998) Cottage용 공기식 PVT 집열기, 상용화(Germany, Grammer Solar+Aidt Miljo, 1996) 공기식 PVT, PV SOLARWALL 개발, 상용화(Canada, Conserval Engineering, 1998)

PVT 기술의 동향(4) 20 3. 건물과 일체화된 PVT 시스템 n n n 지붕과 일체화(Aerni공장), 외벽과 일체화(Scheidegger건물) 된 공기식 PVT 시스템(Switzerland, Atlantis Energy, 19911993) 외벽과 일체화 (Copenhagen 내 건물) PVT 시스템(Denmark, Cenergia, 1993) 기존 건물(Ispra의 JRC, Elsa 건물)과 일체화 PVT 시스템 (Italy, ECOcentre, 1994/1995) 외벽 및 지붕(Mataro 도서관)과 일체화된 PVT 시스템(Spain, TFM 등 4 개기관, 1994/1995) 건물(Central Carolina Bank)과 일체화된 PVT 시스템(USA, Innovation Design+NCSU, 1996)

PVT 기술의 동향(5) n 21 PVT 기술의 연구동향 1. 액체식 PVT 모듈의 열효율 n n n 유리의 투과율 측정, 저 철분 유리: 91 -92%, Flabeg & Sunarc 사 제품: 96%(Furbo & Shah) a-Si(USSC) 피복재(Urethane, Tefzel, Fiberglass)의 흡수율: 67 -75%(SDA) c-Si의 흡수 스펙트럼 0. 5 -1. 1 micron(태양에너지의 79%)(Zondag) a-Si(encapsulated)의 흡수율: 78 -85%, poly c-Si (encapsulated)의 흡수율: 88%(Platz 등) PV 뒷면 도금효과, Al: 열효율: 52%, ITO(Indium Tin Oxide): 65%(Lalovic 등)

연구개발 동향(6) n n n n 22 PV와 흡수판간의 접착제(Al 2 O 3+Epoxy)의 영향, 열효율 4% 감소(De Vries) PV와 흡수판간의 전기절연제(silicon pottant)의 영향, 열효율 10% 감소(Raghuraman) a-Si를 Al 흡수판에 직접 증착(Lalovic 등) a-Si를 강철 박막에 직접 피복(USSC) 관이 붙은 판형(sheet-and-tube)에서 W/D(W: 관 간의 폭, D: 관 직경)비의 영향, W=const. W/D: 1에서 10으로 증가, 열효 율 절반으로 감소(Bergene & Lovvik) 2중유동(PV의 아래를 지난 후 위로 유동): 열효율 69%, 전기 효율: 10%(Hendrie) 2중유동(PV의 위를 지난 후 아래로 유동): sheet-and-tube형 보다 열효율 10% 증가(De Vries) 최적유량: 관이 붙은 판형: 0. 002 -0. 008 kg/m 2 s(Chow)

PVT 기술의 동향(7) n n 23 액체식 평판형 PVT 집열기 내에서의 정체온도(약 섭씨 200도) 의 경험(Zondag) 여러 가지 코팅된 PV의 방사율(emissivity) 측정: a-Si+Zn. O: 41%, a-Si+Sn. O 2: 17%(참고: 코팅 없는 USSC a -Si: 56%)(Platz 등) 2. 공기식 PVT 모듈의 열효율 n n n 공기식 PVT 시스템의 공기 닥트 높이(3 cm를 1 cm로 낮춤): 열 효율: 17%에서 34%로 증가(Prakash) PV 뒷면에 핀(fin)연결, 전열면적 4배 증가, 열생산 2배 증가 (Loferski) PV 뒷면에 거칠은 Teflon 부착, 열전달증진(Younger 등) 공기채널 반 높이에 검은 금속판 삽입: 열효율 5% 증가 (Tripanagnostopoulos 등)

PVT 기술의 동향(8) 24 3. PVT 모듈의 전기효율 n n PV 패널에서 PV 하나에서 그늘이 생기면 전체 전기출력이 크 게 감소(Zondag) c-Si형에서 총효율은 액체식이 55%, 공기식이 38%, a-Si형에 서 총효율은 액체식에서 60%, 공기식에서 45%. 전기효율은 c -Si형이 12%, a-Si형이 6%(Tripanagnostopoulos 등) 전기효율 비교, 재래 PV: 7. 2%, 덮개 없는 PVT: 7. 6%, 덮개 있 는 PVT: 6. 6%(Zondag) PV의 직렬 연결의 경우 온도경사도 영향 적으나, 병렬 연결의 경우 최대 17%의 손실 발견(Lambarski)

PVT 기술의 당면한 연구과제(1) n PVT 기술의 당면한 연구과제 n PVT 기술의 문제점 1. PVT 모듈의 열효율이 낮다. 재래 집열기의 열효율: 80%대, PVT의 열효율: 60% 대. - PVT 모듈에서는 스펙트럼 선택성 재료를 사용하지 않음. - PV와 흡수판 간의 접착 열 저항이 크다. 2. 정체온도의 위험이 있다. n n 열전달매체의 정체 시 PV는 180 -200도C 모듈 캡슐재(EVA)의 내구온도: 100도C 25

표 2. 여러 가지 액체식 PVT 집열기 설계의 효율비교 26 여러 가지 설계 개념 열효율(%) 전기효율(%) PV 단독 - 9. 7 유리덮개 없는 PVT(관이 붙은 판형) 52 9. 7 유리덮개 1장 PVT(관이 붙은 판형) 58 8. 9 유리덮개 2장 PVT(관이 붙은 판형) 58 8. 1 유리덮개 1장 PVT(채널 위에 PV) 65 8. 4 유리덮개 1장 PVT(채널아래에 반투명 PV) 60 9. 0 유리덮개 1장 PVT(채널아래에 투명 PV) 63 8. 6 유리덮개 1장 PVT(자유유동) 64 8. 6 집열기 단독 83 -

PVT 기술의 당면한 연구과제(3) 27 3. PV 성능의 온도 의존성 n PV의 온도 1도C상승마다 전기효율이 0. 20 -0. 45% 정도씩 감 소 4. PVT의 경제성. n PVT의 가격>PV만의 가격+집열기 만의 가격 5. 설계도구가 없다. n 성능의 시뮬레이션 소프트웨어 TRANSYS는 개발 중. 6. PVT+히트펌프 시스템 개발의 필요성. n 해석적 연구결과는 PVT+히트펌프 시스템이 가장 효율적이라 함.

PVT 기술의 당면한 연구과제(4) n 28 PVT 기술의 당면한 연구과제 1. PVT 시스템의 열효율 증진 n n n PV를 위한 고 투명(투과손실이 적은), 저 방사(low-e)(복사 손실이 적은)의 스펙트럼 선택성 코팅재료 개발 태양에너지 흡수를 최적화한 PVT 전용의 태양전지 개발 반사방지제 사용한 유리 2중 덮개 집열기 개발 공기식 PVT의 PV에 대해 핀(fin) 등의 사용으로 전열면적 확대 접착부의 열 저항의 감소를 위해 PV와 흡수체의 일체화

PVT 기술의 당면한 연구과제(5) 2. 정체온도 대책 n n n PVT 흡수체 모든 부분의 온도계산 도구개발 내열성 실리콘 베이스 캡슐재료 개발 내열성 전기 절연재 개발 3. PV의 온도 의존성 개선 n 고온에서 고성능의 박막 PV 기술 개발 29

PVT 기술의 당면한 연구과제(6) 30 4. 저가의 PVT 생산기술개발 n n 저가 PV 제조기술 개발: 단기: a-Si를 흡수체에 증착기술개발, 장기: c-Si를 흡수체에 증착기술개발 5. 설계도구개발 n n PVT의 치수결정, 가시화능력 설계 도구개발 여러 PVT 모델의 최적화 도구개발 6. PVT+히트펌프 시스템 개발 n n 결합시스템의 운전조건 확립 유리덮개 없는 PVT에 적합한 히트펌프 개발

PVT의 시장성(1) 31 n PVT의 시장성 n PVT 시장의 현황 n 개발된 PVT 중 몇 가지가 상용화, 상용화에 근접 대부분의 PVT 집열기 입수 가능 건물과 일체화된 PVT는 특정 건물에 대해 특정회사가 설계, 설치 n n

표 3. 현재 운영중인 평판형 PVT 제작회사 32 제조회사명 국명 형식 제품명 가격(Euro/m 2) Conserval Engineering Canada Air SOLARWALL 522 -642 Conserval Engineering Canada Air Solar. Roof - Millenium Electric Israel Water, Air Multi Solar 850$ PVTWINS Netherlands Water PVTWIN 980 Grammer Solar Germany Air TWINSOLAR 542 -849 Grammer Solar Germany Air PV-Hybrid - Aldt Milja Denmark Air Solar-Venti 478 -1, 000

표 4. 현재 운영중인 집광형 PVT 제작회사 33 제조회사명 국명 형식 제품명 가격 (EURO/m 2) Menova Engineering Canada Water Power-Spar 약 870 Alontis Solar Solution Sweden Water Solar 8 약 700 Helio Dynamics UK & USA Water Harmony HD 211 약 417

PVT의 시장성(4) n 34 PVT 시장의 전망 1. 유리덮개 있는 액체식 PVT 시스템 n n 열효율, 정체온도 해결되면 시장 잠재력 가장 크다. 전력 생산 외에 가정용 온수생산, 난방+온수생산 등이 유력 한 수요처. 2. 유리덮개 없는 액체식 PVT 시스템 n n 수영 풀장용의 시장성 높다(특히 미국, 오스트레일리아). PVT+히트펌프 기술 확립 시 가정용 시장 잠재력 크다.

PVT의 시장성(5) 35 3. 유리덮개 없는 공기식 PVT 시스템 n n 가정난방용으로 시장성이 크다. 전기생산 증진의 장점이 있다. 4. 건물과 일체형 PVT 시스템 n 공공건물용으로 성장 가능성 크다(난방수요와 일조시간 일치).

결론 n n n 36 PVT의 잠재력은 크다. PVT 기술의 시장성은 유망하다. PVT 기술은 앞으로 열효율과 경제성이 증진되고 정 체온도 문제가 해결되면 더욱 유망한 기술이 될 것 이다.

참고문헌 37 1. P. G. Charalambous, et al. , Photovoltaic-thermal(PV/T) collectors: A review, Applied Thermal Engineering, 27, pp. 275 -284, 2007 2. H. A. Zondag, Flat-plate PV-Thermal collectors and systems: A Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, pp. 891 -959, 2008 3. H. A. Zondag, et al. , PVT Roadmap – a European guide for the development and market introduction of PV-Thermal technology, PV-Catapult, 2006 4. Miroslav, et al. , Photovoltaic/Thermal Solar Collectors and Their Potential in Denmark, Final Report of EFP Project, 2003

경청하여 주셔서 감사합니다.