1. 서 론

태양광열 모듈은 (Photovoltaic-Thermal modules) 기술은 1970년대부터 발전해 왔고 지난 40년 넘는 기간 동안 태양광(PV)과 태양열(ST) 결합이 다양하게 연구되었으며,^1,2) 대부분의 개발 유형은 학술적 수준에서 이루어졌으며, 상품화는 상대적으로 적었다. 그러나 PVT 제품은 시장에서 꾸준히 출시되고 있으며, 최근 PVT 시장은 PV의 가격하락과 PV 시장 확대로 인해 태양광열 모듈의 시장도 같이 형성되고 있다. 최근 몇 년 PVT 보 급 및 기반구축을 위한 시장 조사 연구가 이루어져 보고된 바 있으며,^3,4,5) 지난 15년 동안 상업적으로 이용 가능한 제품의 수와 종류가 증가했으며, 현재 유럽에만 약 50개 PVT 제품 제조업체가 있다.

국내 PVT 기술은 국외 기술을 바탕으로 상품화 기술 개발 과정이 이루어지고 있으며 연구소 및 몇몇 기업은 상용화 개발연구를 추진 중에 있다. 장한기술사의 CoolPV는 외국사의 기술을 바탕으로 유연한 플라스틱 재질의 집열을 위한 열교환기를 PV 모듈 후면에 부착하여 온수를 확보하는 기술 기반으로 PVT 모듈의 상용화 추진 중이다. 한국에너지기술연구원은 2004년부터 캐나다의 쏠라월(SolarWall) 기술을 바탕으로 PVT 기술 및 성능개선 연구를 수행했으며, 또한 태양열-지열 에너지 기반의 MG(Micro Generation) 기술을 캐나다와 국제공동 연구하여 공기식 PVT 열원을 이용하는 히트펌프 시스템의 성능개선 연구(2011년-2014년)를 수행하였다. ㈜탑솔은 2015년부터 공기식 PVT를 이용하기 위한 15 kW급 히트펌프시스템 개발연구를 수행 중에 있으며(2018 종료), 최근 한국에너지기술연구원과 국제공동연구를 통해 공기와 온수를 동시에 얻는 PVT를 개발하고 물과 공기열원 그리고 지열을 히트펌프의 열원으로 이용하는 실증연구를 수행 중에 있다(태양광열-지열 이용 Trigeneration 시스템 개발 및 사업화, 2017-2020). 이 사업을 통해 에너지효율 75%의 PVT 모듈을 개발하고 PVT, 지열, 공기열원을 공급하여 히트펌프의 COP를 20% 이상 향상시키기는 것을 목표로 하고 있다. ㈜이맥스시스템은 2017년부터 신재생에너지핵심기술개발 사업, ‘제로에너지건물 구현을 위한 0.8 kW/m²급 모듈화형 태양광·열 융합시스템 및 운영 기술 개발’사업을 통해 생산단가를 낮추고 성능을 개선하는 액체식 PVT 모듈을 개발 중에 있으며, ESS 및 IoT와 연계하여 제로에너지건축 솔루션으로 개발하는 목표를 가지고 있다.

최근 태양광 모듈과 태양열 집열기를 결합한 형태의 태양광열 모듈(PVT: Photovoltaic-Thermal) 관련 연구 개발 및 상용화에 대한 수요가 점차 확대되고 있으나 성능 평가 기반 구축이 이루어 지지 않고 있어 보급 확대에 한계가 있다. 현재 국내외적으로 시험 기준은 전무한 상황이다. 국내에서는 KS C 8561 및 KS B 8295 적용하여 결정질 태양 전지 모듈 및 태양열 집열기의 성능 평가가 실시되고 있지만, 태양광열 모듈용 KS 인증 기준은 전무한 상황이며 해외의 경우, ISO 9806 및 EN 12975 규격을 이용하여 태양열 집열기의 성능 평가가 진행되고 있으며, IEC 61215 를 이용하여 태양 전지 모듈의 성능 평가를 하고 있다. 하지만 ISO 9806에서만 태양광열 모듈의 열적 효율 시험 방법만 제시되고 있을 뿐 해외의 경우도, 태양광열 모듈의 성능 평가용 기준의 거의 전무한 실정이다. 이에 본 연구를 통해, 태양광열(PVT) 모듈의 성능 평가 방안 마련을 위한 KS 의 기초 연구로 방향성을 제시하고자 한다.

2. Indoor Solar Thermal Simulator 성능 평가

PVT 모듈 및 태양열 집열기 시험의 경우, 장마 혹은 강설로 인해, 연중 실제로 옥외에서 시험 가능한 기간은 년 8-9개월로, 날씨로 인해 성능 시험이 중단되고 있는 상황이다. 이에 실내에서도 시험이 가능한 Indoor Solar Thermal Simulator (Fig. 1 참조) 구축하여, 현재 운영 중에 있다. 본 장비의 경우, 램프와 램프 전원(power supply) 부품은 해외에서 수입하여 설치하였지만, 그 외 부품과 장비의 설계는 순수 국내 기술로 제작된 장비이다. PVT 모듈 및 태양열 집열기(평판형과 진공관)의 효율과 입사각 수정 계수를 측정하기 위해 설계된 장비이며, 열 성능을 평가하기 위해 필수 설계 항목을 도출하고 장비 설계 및 구축을 완료 하였다. 또한 휴대용 IV 측정기를 추가 설차하여 태양광 모듈 최대 전력을 측정하고 있다.

인증 시험 시 내구성 시험의 합부 평가를 매우 중요성 부분이다. 일반적 방법은 기준 항목을 정하고 내구성 시험 전 후 감소폭을 계산하여 합부를 결정하는 방법이다. 예를 들어 KS C 8561 기준에서는 태양광 모듈의 경우, 합부 평가 항목을 태양광 모듈의 최대 전력량으로 결정을 하며, 내구성 시험 전후 최대 전략을 측정하여 감소폭을 계산하여 출력 감소폭이 5% 이하일 경우에만 합격으로 판단한다. 즉, 재현성은 매우 중요한 문제로 Indoor Solar Thermal Simulator를 구축하려 일년 내내 사용가능하며 재현성 높은 장비를 구축 및 운영하여 PVT 복합 모듈 성능 평가에 적용하고자 하며, 현재 PVT 제품을 평가할 수 있는 국내 기준이 전무하므로 KS 기준의 방향성을 본 연구에서 살펴보고자 한다^6,7).

Fig. 1.

Indoor solar thermal simulator

2.1 빔 균일도 평가

태양에서 오는 빛을 이용하여 열 성능 시험을 할 경우, 즉 옥외에서 시험을 실시할 경우 빔 균일도는 통상적으로 고려하지 않는다. 그 이유는 맑은 날씨에서는 균일한 빛이 집열기에 도달하기 때문이다. 그러나 인공광을 이용하여 효율 시험을 할 경우, 실제적으로 빔은 균일하지 않다. 그래서 인공광을 이용하여 태양열 집열기 열 효율 시험을 할 경우, 빔 균일도는 주요 요소가 된다. 그래서 Indoor Solar Thermal Simulator 램프 이격 거리, 높이, 각도 등 최적화 해석을 진행 했으며, 실제 장비의 빔 균일도와 비교하였다. 최적화 결과는 램프의 위치는 높이 : 1.8 m, 가로 : ± 0.852 세로 : ± 1.46, ± 0.643이며, 이때 조건은 평균 출력 1145 w/m²일 때 , ± 5.0 %이다(Fig. 2 참조). 반면 실제 램프를 이용라여 측정해 보면 평균 출력 1025 w/m²일 때 , ± 8.4 % 로, 빔 균일도에서는 3.4% 차이가 존재한다(Table 1 참조). 하지만 KS B 8295 기준을 (빔 균일도에서는 5% 미만 ) 만족하므로 PVT 및 집열기 효율 시험 측정 장비로 충분히 사용가능하다고 판단된다.

Fig. 2.

Analysis of beam uniformity of indoor solar thermal simulator

Table. 1. Analysis of beam uniformity of indoor solar thermal simulator

2.2 분광 특성 평가

태양열 규격의 경우, 인공광의 분광 특성은 AM 1.5와 유사해야 한다고 규정되어 있으며, 분광 특성 관련 합부 기준은 존재하지 않는다. 그래서 태양광 규격인 IEC 60904-9에서는 분석 특성 평가 방법과 기본 조건이 명시되어 있다. IEC 60904-9를 적용하여 구축한 Indoor solar thermal simulator의 분광 특성을 분석한 결과(Fig. 3 참조) 최종 등급은 B 등급으로 태양광 모듈 출력을 측정하는 기본 조건을 만족하였다(Table 2 참조).

Fig. 3.

A spectrum property of indoor solar thermal simulator

Table. 2. Spectrum matching class according to IEC 60904-9 : 2010

열 효율 시험을 하기 위해서 원하는 온도 설정과 안정적인 유량 흐름이 중요하다. KS 규격에서는 열매체 유량의 경우 ± 1 %, 그리고 온도 범위는 20℃에서 80℃로 정하고 있다. 실제 열효율 시험을 위해서는 열매체 유량의 안정적인 공급이 순환이 중요하며 유량계에서 표시되는 값을 기준으로 계산하였으며 인증 받은 유량계를 사용하였다. 그리고 효율 계산을 위해 측정 항목인 일사량 값, 주위 온도, 집열기 입구와 출구에서의 열매체 온도의 안정성을 평가하기 위해 실제 집열기를 설치하여 집열기의 효율 시험을 진행하였으며, 효율 시험 중, 측정되는 최대값을 기준으로 안정성을 평가하였다.

3. PVT 모듈 효율 및 내구성 평가

3.1 PVT 모듈 효율 측정 결과

PVT 모듈의 최종 생산물은 전기와 열 에너지이므로 PVT 모듈의 효율은 전기 효율과 집열 효율 2가지로 정의할 수 있다. PVT 제품은 태양광 모듈과 집열 부분을 합친 제품으로 KS C 8561과 K S B 8295 2개의 기존 규격을 이용하여 효율을 측정하였다. 1개는 유창형 형식의 제품이고 또 다른 제품은 무창형 제품이다. 먼저 Indoor solar thermal simulator 장비를 평가하기 위해서 PVT 상용 제품의 전기 효율을 측정했으며, 기존의 태양광 시뮬레이터를 이용하여 출력을 측정 후, 출력 값을 비교하여 구축된 Indoor solar thermal simulator의 정확도를 평가하였다(Table 3 참조). 구매한 PVT 모듈의 경우 200 W 상용 태양광 모듈을 이용하여 제조했으며, 이에 태양광 모듈의 정격 출력은 변화가 없을 것이라고 예측했으며, 실제 상용 태양광 모듈을 시뮬레이터로 측정하면 207 W가 측정 되었다. 새로 구축된 Indoor solar thermal simulator를 적용하여 동일 PVT 모듈의 전기 효율을 측정해 보면 206.97 W 측정되었다. 약 0.82 W가 차이가 존재하는데, 보통 장비는 측정 오차가 존재하여, 분광 차이도 존재한다. 그래서 보통 태양광 모듈의 정격 출력은 ± ３% 정격 출력 허용 오차 범위가 존재하며, 206.97 W의 경우, 1% 미만의 오차로 관습적으로 사용되는 오차 범위에 포함되므로 구축된 Indoor solar thermal simulator 장비의 분광 특성 장비의 성능은 정확성을 확인할 수 있었다.

Table. 3. Result of I-V characteristics of 200 W products according to measuring equipment

유창형 PVT 제품의 경우 셀 앞에 유리가 추가 되는 구조로 되어 있어 전기 효율이 감소될 수 있으며, 태양광 모듈의 상용품을 이용하여 PVT 모듈을 제조하더라도, 제조 공정 상 기계적 혹은 열적 스트레스가 추가될 수 있고, 그로 인해 태양광열 모듈의 전기적 출력은 달라 질 수 있으므로 검증시험은 필요할 것으로 판단된다. 실제 유창형 PVT 제품의 전기 효율을 측정해 보면 정격 출력 대비 출력이 감소됨을 확인할 수 있었다. 정격 출력이 200 W인 상용품을 이용하여 PVT 제품을 제조한 해외 제품을 구매하여 전기 효율을 측정한 결과 193 W로 측정되었으며 정격 출력 대비 7 W가 감소됨을 알 수 있었다(Table 4 참조). PVT 제품의 전기적 효율 시험의 경우, 이미 KS 인증품을 사용하더라도 재측정이 필요해 보인다.

Table. 4. Result of I-V characteristics of PVT products

PVT 모듈의 구조적 특징은 집열기 열매체에 의한 태양 전지의 냉각 효과라고 정의할 수 있다. 이는 PVT 모듈의 구조적인 특징에서 기인되는 것으로 실제 태양 전지 후면에 물관이 설치되어 있어서 열매체 냉각에 의한 태양 전지 효율 상승은 PVT 모듈의 가장 큰 특징이다. 즉, 냉 각 효과로 인해 발생 되는 추가 전기 효율 상승 값을 평가하기 위한 시험 방법은 반드시 필요할 것으로 판단된다. 냉각에 의한 전기 효율 상승을 측정할 수 있는 시험 방법은 실증 시험이다. 예를 들어 같은 정격 출력을 가진 태양광 모듈과 PVT 모듈 제품을 옥외에 설치 후에 발전량을 측정하는 것으로 PVT 모듈에는 열매체를 순환시켜 측정하는 방법이다. 그러면 당연히 PVT 모듈에서 더 많은 발전량이 발생할 것으로 예측된다. 그 이유는 태양 전지는 기본적으로 저온에서 열 효율이 상승되기 때문이다. 그러나 실증을 통한 PVT 모듈의 추가 전기 효율 특성 평가는 시험의 재현성 측면에서는 문제가 발생될 수 있다. 이유는 여름과 겨울처럼 추운 날씨와 더운 날씨에서는 주위 온도에 효과에 의해 시험 결과 값이 차이가 나기 때문이다. 시험의 재현성 특면에서는 옥외 시험보다는 실내 시험이 좀 더 타당하다고 판단되지만 실내에서 연속광을 이용하여 발전량 측정 시험은 기간과 비용 면에서 인증 시험으로는 타당 하지 않는 것으로 판단되어 전기 효율을 측정하는 것 대신 집열 효율을 측정하여 상대적으로 추가 상승 전기 효율을 측정하고자 한다. 태양 전지의 양 전선을 단락 및 개방 시킨 상태에서 집열 효율을 측정하는 방법으로 전기 효율 상승폭을 측정하며, 태양광 모듈을 단락시키는 방법은 태양광 모듈의 열점 내구성 평가를 할 때 사용하는 시험 방법이며, 집열기의 순간 효율만 측정하면 되기 때문에 기간과 비용도 줄이는 효과가 있다. 실제 Table 5는 태양광 모듈을 단락 및 개방 시켰을 때 집열 효율을 측정한 시험으로 약 6% 상승했으며 이 시험 방법을 열매체를 통한 추가 전지적 효율 측정 방법으로 제안 하고자 하며, 정량화 방법은 추가 연구가 필요할 것으로 판단되며 집열 효율은 기존의 시험 방법을 준용하여 평가하였다.

Table. 5. Effects of PV short or open condition on thermal efficiency

3.2 PVT 모듈 내구성 측정 결과

KS C 8561 (결정질 실리콘 태양광발전 모듈)의 시험 기준에는 총 19개의 시험이 존재하며, 이 시험은 크게 효율 평가 시험과 내구성 시험으로 구분 지을 수 있다. 내구성 시험은 UV 시험, 온도 사이클 시험, 결로 동결 시험, 고온 고습 시험, 기계적 하중 시험 등이 여기에 속하며, 시험 전 후 출력을 측정하여 출력 저하률 5% 미만을 합 부 기준으로 삼고 있다. KS B 8295 태양열 집열기 시험 기준 에는 내부 압력 시험, 노출 시험, 외부 열 충격 시험, 내부 열 충격 시험, 빗물 침투 시험, 내동결 시험 등의 내구성 시험이 존재하며, 집열기의 내구성 시험의 합부 기준의 집열기의 외형 변형에 많은 비중을 두고 있으며, 집열 효율의 감소를 합부 기준에 놓고 있지는 않는다. 태양광 모듈의 내구성 시험이 태양열 집열기의 내구성 시험보다 시험 조건이 좀 더 가혹하다고 판단되며, 실제 태양광 모듈의 경우, 인증 시험에 통과 하면 제품의 수명 예측에 사용되고 있는 반면, 집열기의 내구성 시험은 상용 제품으로써 최소 기준으로 인정받고 있는 상황이다. 내구성 시험의 시험 항목들은 각각 시험 목적과 평가 하는 제품의 특징도 다르므로, PVT 제품의 KS 시험 기준 제정 시, 시험 항목을 제외시키는 것은 바람직하지 않아 보이며, 시험 항목은 기존의 시험 항목을 그대로 준용하며 PVT 제품 특성에 맞게 시험 항목을 재배열이 필요하다고 판단된다. 시험 항목의 가혹도 판단이 제일 중요하다고 판단하여, 실제 해외 PVT 상용 제품을 적용하여, 내구성 시험 항목 중, 제일 가혹한 고온 고습 시험 및 온도 사이클 시험을 실시하여 가혹도를 평가해 보았다. 온도 사이클 시험은 온도 변화의 반복에 따라 일어나는 열적 부정합, 피로, 기타 스트레스에 대한 모듈의 내구성을 확인하는 시험으로 -40℃와 +85℃에서 10분 이상 유지하며 사이클 횟수는 200 번을 실시하며 100℃/h 이내로 챔버 온도가 유지되어야 하며, 단락 전류 ±2%를 모듈에 인가하는 시험이다. 고온 고습 시험의 경우 습도의 장기간 침투에 대한 모듈의 내구성을 확인하는 것으로 시험 조건은 온도 +85℃ ± 2℃, 상대 습도 +85% ± 2%, 시험 지속 시간은 1000시간이다. PVT 상용 제품을 적용하여 고온 고습 시험과 온도 200사이클 시험 후 전기 효율을 측정해 보면 전기 효율은 약 2% 미만으로 감소됨을 알 수 있었다. 반면 집열 효율을 측정해 보면, 고온 고습 시험 전에는 0.1830였으며, 시험 후에는 0.1869였다(Table 6 참조). 하지만 온도 사이클 시험 후에는 PVT 모듈 후면이 박리가 발생되며(Fig. 4 참조) 물관에서 누설이 관찰되었다. 이는 PVT 모듈의 경우 상용 태양광 모듈 제품을 사용함으로 전기 효율의 경우 내구성이 유지되는 것으로 판단된다. PVT 모듈의 경우 고온 고습 시험보다는 온도 사이클 시험이 좀 더 가혹했는데, 이는 집열 부분은 통상 물이 흐르는 부품으로 고 습도에 높은 저항력을 갖고 있는 반면 금속의 열 팽창 및 수축에 좀 더 민감함을 알 수 있었고, 태양광 모듈의 내구성 시험의 경우 PVT 제품에 가혹하므로 합부 기준의 경우 심도 있는 연구가 필요하다고 판단된다.

Table. 6. Result of I-V characteristics of PVT products after test

Fig. 4.

Delamination of PVT product back side after temperature cycle 200 test

4. 요 약

본 연구는 신규로 구축 된 장비의 정확성과 PVT 제품의 KS 기준의 방향성을 살펴보았다. 먼저 신규로 구축된 Indoor solar thermal simulator의 경우, 인공광의 빔 균일도와 분광 특성을 기존의 규격 조건을 충족되도록 설계했으며, 실제 시험을 통해 B 등급임을 확인하였다. Indoor solar thermal simulator 장비의 정확도는 상용 태양광 모듈 및 기존 상용 장비로 측정 후, 최대 전력 값을 비교했으며 오차 값은 약 0.4%로 정확도가 높음을 확인하였다. PVT 제품의 효율은 기존의 태양광 모듈 KS 기준과 태양열 집열기 KS 기준을 준용하여 측정하면 될 것으로 보이며, PVT 제품의 구조적 특징인 열매체 냉각에 의한 추가 전기 효율 방법 개발은 필요해 보이며, 본 연구에서는 태양광 모듈 케이블의 단락 유무에 따른 효율 상승 차이를 살펴보았고 추가 전기 효율 측정 방법으로 가능성을 제시하였다.

다양한 PVT 모듈의 유형에 따라 특히, PVT 모듈 전면에 유리 커버 유무에 따라 출력 감소가 발생되고 추가 공정에 의해 전기 출력 특성이 달라지는 값을 고려하여 PVT 제품의 전기 효율 측정 시험은 인증을 받은 제품을 이용하여 제작을 했어도 반드시 재시험이 필요하다고 판단되며, 시험방법이 수립되어야한다.

마지막으로 PVT 제품의 내구성 평가를 경우, 기존의 태양광 모듈 및 집열기의 내구성 시험의 모든 항목을 KS 인증 시험 항목에 포함 시켜야 된다고 판단되며, 제품의 특성에 따라 시험의 재배열을 추가 연구가 필요해 보이며, 집열기 부분의 내구성을 고려하여 합부 기준을 추가적으로 고려해야 한다고 판단된다.