Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2023. 497-516
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20230042

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 태양열 시스템의 구성 및 분류

  • 태양열 에너지 저장 시스템 관련 연구 동향

  • 에너지 저장 기술 활용 태양열 시스템 응용 분야

  •   태양열 온수 시스템

  •   태양열 공기 히터(Solar air heater)

  •   솔라 스틸(Solar Still)

  • 태양열 조리기(Solar cooker)

  •   솔라 폰드(Solar pond)

  • 계간축열

  • 국내 태양열 시스템 보급 확대를 위한 기술

  • 결 론

서 론

산업화 이후 기술의 발전과 전 세계 인구가 증가함에 따라 에너지 소비가 증가하고 있다. 이러한 관점에서 에너지 효율의 개선과 신재생 에너지 보급 및 활성화가 시급한 실정이다. 또한, 온실가스 배출을 낮추기 위해서는 화석 사용을 최소화하고 증가하는 에너지 수요를 충족하는 것이 중요하다(Zeng et al., 2021). 태양 에너지는 사용 가능한 모든 재생 에너지 중 가장 높은 잠재력을 가지고 있으며, 사용되는 동안 환경에 무해한 청정 에너지를 생성한다. 태양에너지를 이용하는 방안으로 태양광과 태양열을 이용하는 방식이 있다. 그중 태양열 시스템은 태양에너지를 열에너지로 변환시켜 에너지를 공급하는 시스템으로써 다양한 분야에 이용되고 있다. 태양열 시스템은 최종 에너지원의 약 50%가 열에너지로 이용된다는 점에서 상대적으로 효율이 높고 활용성 및 경제성이 우수한 신재생에너지 설비라 할 수 있다. 태양열 시스템은 유럽에서 많이 활용되고 있으며 유럽의 Solar Thermal Roadmap에 의하면 유럽 내 천만 가구 이상에 태양열 시스템이 설치 및 보급된 것으로 보고되었다. 또한, Solar Heat Worldwide 자료에 따르면 세계적으로 태양열 시스템 용량은 2021년 기준 522 GWth이며 2020년 대비 3%의 성장을 기록하고 있다. 에너지 생산 측면에서 2021년 기준 태양열 시스템은 425 TWh의 열을 생산하였는데, 풍력(1,198 TWh)과 태양광(1,138 TWh)에 이어 세 번째의 생산량을 보였다. 이는 태양광과 비교하면 35% 수준이다(Weiss and Spörk-Dür, 2021). Figure 1은 전 세계 신재생에너지 생산량 현황을 보여준다. 반면 국내의 경우, 한국에너지공단 신재생에너지센터의 자료에 따르면 2021년 기준 태양광 발전을 통해 531만 toe (61.8 TWh)의 에너지를 생산하였고 태양열 시스템을 통해 2만6천 toe (302.4 GWh)의 에너지를 생산한 것으로 나타났다(Korea Energy Agency Renewable Energy Center, 2023). 즉, 국내의 태양열 시스템을 통한 에너지 생산 비율은 태양광 발전의 0.4%에 불과하며 전 세계의 35%를 고려하면 국내에서 태양열 시스템의 보급은 매우 저조한 것으로 판단된다. 이러한 추세를 고려할 때 국내에서도 태양열 시스템의 보급과 활성화가 필요하며 이와 관련된 기술개발이 필요한 실정이다. 세계적으로 태양열 시스템과 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 에너지 저장기술을 적용한 태양열 시스템의 효율 개선과 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 본 논문에서는 에너지 저장기술 기반 태양열 시스템과 관련한 연구동향을 소개하고 국내 태양열 시스템 시장의 활성화를 위한 방안을 제안하고자 한다.

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Figure 1.

Global capacity in operation and energy supplied (Solar Heat Worldwide)

태양열 시스템의 구성 및 분류

태양열 시스템은 크게 태양열을 수집하는 집열기, 수집된 열을 저장하는 축열조, 그리고 저장된 열을 이용하는 이용부로 나눌 수 있다. 그 밖에 열매체, 열교환기, 순환펌프 그리고 제어기를 포함한다. 집열효율이 태양열 시스템의 효율을 결정하는데 가장 중요한 부분이므로 태양열 시스템에서 가장 중요한 부분은 태양열을 수집하는 집열기라고 할 수 있다. 태양열 집열기는 태양 복사 에너지를 집열매체의 내부 에너지로 변환시키는 역할을 하며 집광 방식에 따라 비집광식 집열기와 집광식 집열기로 구분할 수 있다. 비집광식 집열기의 경우 평판형 집열기(flat-plate collector; FPC), 복합 포물선형 집열기(compound parabolic collector; CPC) 및 진공관형 집열기(evacuated tube collector; ETC)의 세 가지 유형으로 분류된다.

FPC는 일반적으로 햇빛에서 입사된 태양광선의 복사 에너지를 작동 유체의 현열로 전달하는 집열기이다(Kalidasan and Srinivas, 2014). FPC의 성능은 일사량, 흡수체 , 유리 커버 수, 유리 커버 사이의 간격, 집열기 기울기, 유리 커버 투과율, 집열매체의 온도 , 차광율 및 유리 커버 위의 외부물질(먼지 등)에 따라 달라진다. FPC에서는 전도, 대류, 복사 열 손실을 최소화하는 것이 매우 중요하다(Wang et al., 2016). 또한, FPC의 효율은 종횡비에 따라 달라지며, 집열기의 종횡비가 증가함에 따라 집열기 면적에 대한 열효율도 증가한다(Morrison and Abdel-Khalik, 1978). 집열기의 방향은 적도 방향이어야 하며, 위도 등 지리적 요소를 고려하여 설치해야 한다. CPC는 일반적으로 반사율에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 먼지 또는 외부물질로부터 보호하기 위하여 유리로 보호된다. CPC의 선형 또는 홈형 집열기는 광범위한 각도에서 입사되는 태양열을 흡수할 수 있으며 집열 각도에 따라 위치가 달라진다. CPC는 렌즈와 반사경 사이에 air gap이 형성되어 있어 내부 전반사를 통해 집열효율을 향상시킨다. CPC에는 가장 일반적으로 단일 축 추적 시스템이 사용되며 홈 각도는 태양 복사가 라인형 수신기에 집중되는 방식으로 만들어진다(Kumar et al., 2022). ETC는 FPC와 유사하게 직사광과 확산광을 모두 집열할 수 있다는 점에서 유사하다. FPC의 경우 춥거나 흐린 환경에서 집열효율이 떨어지는 단점을 가지고 있지만, ETC는 이러한 환경에서도 집열효율이 상대적으로 더 우수하다. ETC는 흡수관을 충전하는 구리 핀에 연결된 밀봉된 구리 파이프로 구성되며, 튜브의 가장 위쪽에 튀어나온 금속 끝부분이 밀폐관(응축기)에 연결된다. 일반적으로 ETC 내 히트 파이프는 응축과 증발 사이클을 수행하는 유체로 구성되며 태양 복사열을 받으면 히트 파이프 내부의 유체가 증기로 변하게 된다. 열이 유체로 전달되면 증기는 다시 응축되고 중력에 의해 파이프 바닥으로 흐르는 방식으로 진행된다(Engeland et al., 2017). Figure 2는 비집광식 태양열 집열기의 종류를 보여준다.

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Figure 2.

Non-concentrating collectors: (a) FPC, (b) CPC and (c) ETC (Kumar et al., 2022)

집광식 집열기는 집광기와 수신기로 구성이 되는데, 집광기에서 굴절 또는 반사되는 태양열을 수집기로 집중시키는 방식으로 집열을 한다. 집광식 집열기는 포물선형 홈통 집열기(parabolic trough collector; PTC), 선형 프레넬 반사경(linear Fresnel reflector; LFR), 포물선형 접시 반사경(parabolic dish reflector; PDR) 및 Heliostat 반사경(Heliostat field reflector; HFR)로 구분된다. PTC는 포물선 모양의 반사경으로 태양열을 반사시켜 초점 라인을 따라 위치한 흡수관에 집열을 시키는 방식으로 우수한 효율을 가지고 있다. 최대 400°C까지 높은 온도를 달성할 수 있으며, 50-400°C에서 효율적으로 열을 생성한다. 수신기는 선형이며, 수신기 외부는 흡수율이 높고 열 방출이 적도록 코팅이 되어있다. 또한, 대류로 인한 열 손실을 줄이기 위하여 수신기 전반에 걸쳐 유리 코팅 튜브가 위치 해 있다(Kalogirou and Lloyd, 1992). 태양 추적 메커니즘은 기계와 전기/전자의 두 가지로 구분할 수 있는데, 전자 센서와 피드백 제어 시스템이 플럭스(flux)를 측정하는 방식인 전기/전자 방식이 더 신뢰성이 큰 것으로 보고되었다. PTC의 경우 일반적으로 태양을 단일 축으로 추적하는 것으로도 충분하며, 정오 시간에 태양을 가리키는 동-서 방향을 추적하는 방식이 더 선호된다. LFR은 길고 얇은 거울 세그먼트를 사용하여 반사경의 초점에 있는 고정 흡수체에 태양열을 집중시킨다. 이렇게 집중된 에너지는 흡수 장치를 통해 집열매체로 전달된다. LFR은 더 낮은 작동온도에서 작동되는데 최대 300°C의 작동온도 범위를 갖는다. 일반적으로 LFR은 평면 또는 원형 반사경을 지면에 부착하기 때문에 PTC보다 설치비용이 적은 장점을 가지고 있다(Mills, 2004). 하지만, LFR은 음영을 피하기 위한 반사경 사이에 넓은 공간을 필요로 한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 수신기의 높이를 높일 수 있지만, 이 경우에는 시스템 비용의 증가를 초래할 수 있다. 따라서, 넓은 공간을 충분히 활용할 수 있는 사막지역에 적용하는 것이 적합하다. PDR은 접시형태를 갖는 반사경의 초점에 수신기 또는 변환 장치가 배열된 초점형 집열기로써 태양 복사 에너지를 수신기에 집중시키는 2축 추적 시스템으로 구성된다. 복사열을 흡수한 후 수신기는 열 교환기를 통해 집열매체에 열에너지를 전달한다(Kalogirou, 2004). 또한, PDR은 방향이 항상 태양을 향하고 있고, 집열효율이 좋아 1500°C 이상의 작동온도 범위를 갖는다(Suman et al., 2015). HFR은 여러 배열로 배치된 평면 반사경을 이용하여 수신기로 태양열을 반사시켜 집열하는 것으로 막대한 양의 태양열 에너지를 집열할 수 있다. 실제로 HFR을 이용하여 끓는 물이나 증기를 확보함으로써 산업용 화력 발전이나 고온을 필요로 하는 응용 분야에 활용될 수 있다. 물과 용융염은 일반적으로 HFR에 사용되는 집열매체이다. 중앙 수신기는 단일 수신기로써 고온에 매우 효율적으로 설계되며, 최대 2000°C에 이르는 높은 온도의 열에너지를 생성할 수 있다(Barlev et al., 2011). Figure 3은 집광식 태양열 집열기의 종류를 보여준다.

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Figure 3.

Concentrating collectors: (a) PTC, (b) LFR, (c) PDR and (d) HFR (Kumar et al., 2022)

태양열 에너지 저장 시스템 관련 연구 동향

태양열 에너지는 간헐적 특성으로 인해 수요과 공급 간 불일치가 있을 수 있다. 이러한 시스템을 일관되게 만드는 가능한 솔루션 중 하나로 태양열 에너지 저장(solar thermal energy storage; STES) 시스템이 있다(Crespo et al., 2019). 태양열 에너지 저장을 위해 다양한 재료가 활용되고 있으며, 열에너지 저장매체는 현열, 잠열 및 열화학축열재료의 세 가지로 구분할 수 있다(Alva et al., 2018). 고온 시스템에는 현열축열 재료가 활용되는 반면, 저온 응용 분야에는 잠열축열재료가 사용된다. 열화학축열재료는 실제 적용이 거의 없으며 실험실 규모로만 연구되고 있는 실정이다(Kumar et al., 2019). 일반적으로 건물에서 활용하는 태양열 시스템은 저온 응용 분야에 해당되며, 이와 관련하여 상변화물질(phase change materials; PCM)을 활용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 에너지 수요 시점과 에너지 공급 시점 간의 불일치를 해소하는 것이 큰 과제인 태양열 시스템에서 PCM을 사용하는 것은 에너지원의 활용 가능성을 높이는 지능적인 솔루션이 될 수 있다(Palomba et al., 2017). 현열저장은 비용이 저렴하고 단순하기 때문에 에너지 저장의 가장 일반적인 방법이라 할 수 있다. 그러나 저장 용량이 부족한 단점으로 인해 더 큰 시스템이 필요하다. 화학 반응을 수반하지 않고 더 높은 열 저장 용량을 보유하는 가장 좋은 방법은 잠열의 형태로 열을 저장하는 것이다. PCM은 에너지를 저장하거나 특정 범위 내에서 온도 변동을 제어하는 데 사용된다(Wang et al., 2019). PCM은 용융 시 열을 흡수하고 이후 냉각 시 열을 방출하는데 주로 유기, 무기 및 공융의 세 종류로 분류된다. 이중 유기 PCM의 장점은 상 분리가 없고 용융 잠열이 일정하다는 점이고, 상대적으로 낮은 용융점을 가지고 있어 저온 응용 분야에 사용할 수 있다. 하지만, 유기 PCM은 열전도율이 낮아 충분한 열을 전달하기 위해서는 높은 열전도율이 요구된다. 무기 PCM의 경우에는 상대적으로 높은 잠열량과 열전도율을 갖는다. 그러나 무기 PCM은 상 분리 및 과냉각이 발생하기 쉽고 재료의 부식을 일으키기 때문에 컨테이너 소재에 대한 고려가 필요하다. 공융 PCM은 유기-유기, 유기-무기 또는 무기-무기일 수 있는 두 개 이상의 구성 요소를 가지며 조합을 통해 용융점을 조절할 수 있다(Sharma et al., 2009). 하지만, 공융 PCM은 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 맞춤형 재료로 설계되지만 반복되는 용융은 결국 상 분리로 이어질 수 있다(Javadi et al., 2020).

에너지 저감 관점에서 Kelly et al. (2014)은 태양열 히트파이프에 PCM을 적용하는 연구를 진행하였는데, 결과적으로 열 공급에 거의 영향을 주지 않으면서 축열조의 부피를 50% 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 선정된 17,000채의 주택에서 이와 같은 시스템을 사용하는 경우 전체 에너지 소비량의 36% (520.8 PJ)를 저감 시킬 수 있는 것으로 분석하였다. 태양열 시스템에 PCM을 적용하기 위해서는 상분리가 없어야 하며, 높은 열전도율, 안정성 및 과냉각이 없어야 한다. 상분리를 해결하기 위한 방안으로 PCM을 캡슐화하는 기술이 있다. Salunkhe와 Shembekar (Salunkhe and Shembekar, 2012)의 연구에 따르면 캡슐 소재의 열전도성이 높을수록 열전달 능력이 증가하고, 더 작은 캡슐을 사용하면 열 전달 표면이 증가함에 따라 전체 시스템의 열전달 성능이 향상되는 것으로 보고되었다.

잠열저장 시스템에서 열 전달률을 높이는 두 가지 방법으로써 핀을 설치하는 방식과 나노입자를 적용하는 방식이 있다. 핀을 설치하는 경우, 핀 크기, 핀 길이, 핀 수, 핀 재질, 핀 간격 등에 따라 잠열 축열효과가 다른 것으로 나타났다. 나노입자를 적용하는 경우에는 열전달 유체(heat transfer fluid; HTF)에 나노입자를 첨가함으로써 열흡수 및 열전달 성능을 개선할 수 있다. Al-Abidi et al. (2013)은 태양열 집열기 시스템의 삼중 구리 파이프 열 교환기(Triple tube heat exchanger; TTHX)에 PCM (Paraffin RT82)을 적용함과 동시에 종방향으로 내·외부 핀을 설치하고 이에 대한 열전달 성능을 평가하였다. 결과적으로, 축열시간에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 변수는 핀 크기, 핀 수, PCM 의 열적특성 및 시스템의 기하학적 구조인 것으로 보고하였다. 또한, PCM을 적용하면서 8개의 핀이 아래의 Figure 4(a)처럼 내·외부 핀이 교차로 설치된 경우 다른 모델에 비해 34.7%의 축열시간이 단축되는 것으로 나타났다. 핀 길이의 영향은 핀 두께보다 더 컸으며, 핀 개수의 영향도 축열 단계에서 매우 두드러지는 것으로 분석하였다. 결과적으로 시스템의 구성과 기하학적 구조를 보다 효율적으로 설정하여 PCM의 성능을 더욱 잘 발현시킴으로써 태양열 집열기의 성능을 높일 수 있음을 확인하였다. 추가적으로, 더 나은 성능향상을 위하여 다양한 종방향 및 방사형 구성을 가진 핀을 적용할 수 있다. 또한, 핀의 재질, 길이, 너비, 높이 및 개수는 중요한 변수이므로 향후 연구에서 보다 명확하게 고려해야 할 것으로 보고하였다.

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Figure 4.

The physical configuration of the TTHX (a) and Number of fin effect to the melting time (b) (Al-Abidi et al., 2013)

두 번째로 나노입자를 유체에 적용하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 나노유체는 고체 나노입자를 유체에 분산시켜 생성되는 현탁액이라고 할 수 있다(Bahiraei and Heshmatian, 2017). 일반적으로 나노유체는 물 및 엔진오일 등 산업용 유체의 낮은 열전도율을 향상시키는 것을 목적으로 사용된다. Wu et al. (2010)은 태양 에너지 저장 시스템을 위한 Cu(구리)-파라핀 나노유체의 용융 및 응고 특성을 평가했으며 그 결과 파라핀에 Cu 나노입자를 첨가하면 적절한 열 특성, 화학적 신뢰성 및 높은 열교환율을 확보할 수 있음을 밝혔다. Zeng et al. (2007)은 Ag(은) 나노입자를 PCM의 일종인 1-Tetradecanol에 첨가하여 열전도율을 향상시켰고, 결과적으로 Ag 나노입자의 농도가 증가함에 따라 PCM의 열전도율이 향상된다는 것을 입증하였다. 이와 관련된 연구결과는 Figure 5(a)에 나타나 있다. Al-Kayiem과 Lin (Al-Kayiem and Lin, 2014)은 FPC에서 Cu 나노입자와 파라핀 왁스를 혼합하고 FPC의 열전달 성능을 평가했다. 그들은 파라핀 왁스에 20 nm Cu 나노입자를 분산시켜 파라핀 왁스 특성을 개선했고 FPC의 열전달 성능도 향상된 것으로 보고하였다. 이러한 연구들은 Cu 및 Ag와 같은 나노입자를 적용하는 것이 태양열 집열기의 효율을 향상시킬 수 있는 적절한 기술이 될 수 있음을 보여준다.

PCM을 태양열 시스템에 적용하는 연구로써 PCM 컨테이너의 기하학적 형상과 HTF의 유량 변화에 따른 열전달 성능과 관련된 연구도 활발하게 이루어지고 있다. Abdulmunem et al. (2020)은 직사각형 PCM 컨테이너와 수직으로 배치된 컨테이너의 다양한 경사에 따른 PCM의 용융정도를 분석하였다. 연구에서는 PCM인 펜타에리트리톨(pentaerythritol; PE)의 열 전도성을 향상시키기 위해 알루미나(Al2O3)를 첨가하였으며, 결과적으로 평균 에너지 효율 및 용융 속도는 알루미나 첨가로 인해 선형적으로 증가하는 것으로 분석하였다. Gasia et al. (2017)은 포름산 칼륨(potassium formate)을 PCM으로 사용하여 열교환기 내 용융거동을 조사했다. 결과적으로 HTF 유량을 PCM 유량의 2배로 증가시키면 효율은 56.4%, 열전달율은 66%, 용융성은 65.3% 향상되는 것으로 나타났다. Figure 5(b)는 HTF의 유량에 따른 열전달 속도를 보여준다. PCM 컨테이너 형상의 선택은 주로 응용 분야와 다양한 열전달 방식에 따라 달라진다. 핀과 함께 나노입자의 조합과 컨테이너의 형상을 고려한다면 PCM 용융에 효과적일 것이다. 전반적으로 열전달 튜브(heat transfer tube; HTT) 내부에 핀이 있고 내부가 나선형으로 되어있으면, PCM의 용융 속도는 상당히 증가하며, 여기에 나노입자 첨가를 통해 PCM의 용융 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.

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Figure 5.

Fusion time reduction of PE due to Al2O3 (a) and heat transfer rate during discharging in a dynamic melting (b) (Abdulmunem et al., 2020)

에너지 저장 기술 활용 태양열 시스템 응용 분야

태양열 시스템은 건물 및 산업 전반에 걸쳐 다양하게 적용될 수 있다. 특히, 에너지 저장매체를 적용한 태양열 시스템 응용 분야에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 관점에서, 본 장에서는 에너지 저장매체를 활용한 태양열 시스템의 다양한 응용 분야에 대한 기술 동향을 살펴보고자 한다.

태양열 온수 시스템

태양열 온수 시스템은 태양 복사열을 흡수하여 열에너지로 변환시키는 태양열 집열기의 배열로 구성된다. 물, 기타 액체 또는 공기일 수 있는 HTF는 열을 흡수하기 위해 집열기를 통과한다. 열전달은 능동/강제 순환 모드 또는 수동/자연 순환 모드를 통해 이루어진다. Mahfuz et al. (2014)은 FPC의 효율을 향상시키기 위해 PCM을 적용하였다. 실험에서는 낮 동안 태양열 집열기를 사용하여 가열된 물을 서로 다른 두 개의 파이프를 통해 저수조와 외부에 연결된 PCM 저장조로 보냈다. 저장 탱크의 물은 낮 동안 사용자 측에서 직접 사용된다. 결과는 유량이 증가함에 따라 시스템의 에너지 효율이 크게 증가하지만 엑서지(exergy) 효율이 감소한다는 결론을 내렸다. Li et al. (2019)은 PCM을 적용하여 탱크가 없는 태양열 온수기의 성능을 분석하였다. Figure 6은 탱크가 없는 태양열 온수기의 실험 설정을 보여준다. 팽창 흑연과 스테아르산(stearic acid)을 혼합하여 HTF를 제조하였고, 결과적으로 팽창 흑연이 6%가 혼합되는 경우 순수 스테아르산에 비해 열전도도가 9.6배 더 우수하면서 충분한 잠열 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.

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Figure 6.

Tankless solar water heater (Mahfuz et al., 2014)

태양열 공기 히터(Solar air heater)

태양열 공기 히터(solar air heater; SAH)는 과일, 종자, 야채 및 농산물 건조와 같은 응용 분야에서 태양 복사를 사용하여 공기를 가열하는 가장 일반적으로 사용되는 시스템이다(Kalidasan et al., 2020). SAH는 겨울철 실내 난방에도 사용되는데, 각각 굴뚝과 송풍기를 사용하는 자연적 방법과 강제적 방법으로 작동된다. PCM이 적용된 SAH의 성능에 대한 연구로 공기의 유량변화에 따른 PCM의 에너지 저장 성능을 평가하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. PCM에 저장된 에너지는 태양 에너지가 공급되지 않는 기간 동안 건조기로 보내져 건조에 활용된다(Sopian et al., 2009). 대표적인 SAH의 이미지는 Figure 7(a)에 나타나있다. Abuşka et al. (2019)은 PCM과 벌집 모양의 내부 핀이 적용된 SAH의 에너지 효율을 분석하였다. 실험은 핀과 PCM의 조합을 고려하여 세 가지 유형으로 나누어 진행하였고, 유량에 따른 에너지 효율을 분석하였다. 유형 I 실험은 PCM과 벌집 핀을 모두 적용하여 진행하였고, 유형 II 실험은 PCM만 적용, 유형 III 실험은 기존 모델을 적용하여 진행하였다. 세 가지 유형의 실험에 대한 레이아웃은 Figure 7(b)에 나타나 있다. 결과적으로 PCM을 사용하여 설계된 SAH가 열에너지를 효과적으로 축열 및 방열하는 것으로 분석하였다. 또한, 0.032 kg/s ~ 0.048 kg/s 범위에서 공기 흐름 속도가 증가함에 따라 유형 II 실험에서 에너지 효율이 증가하였다. 유형 I 실험의 경우에는 핀에 의해 시스템의 축열 및 방열 시간이 단축되는 것으로 나타났다. 결과적으로 설계된 유량에 따라 에너지 효율의 차이가 발생할 수 있으며, 에너지 효율의 향상을 위해서는 다양한 변수 및 수요처의 특성을 잘 고려하는 것이 중요함을 확인할 수 있다.

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Figure 7.

Layout of modified SAH (a) and PCM heat storage system types (b) (Kalidasan et al., 2020)

솔라 스틸(Solar Still)

솔라 스틸(Solar Still)은 태양 복사열을 이용한 증류 과정을 통해 오염물질을 제거하고 물을 정화하는 태양열 담수화 시스템이다. 정화될 물은 태양 복사열을 흡수하고 태양열 증류기 내부에서 증발한다. 증발된 물은 태양열 증류기를 덮고 있는 유리에 갇히게 되고, 이를 얻음으로써 담수를 확보할 수 있다. Mousa et al. (2019)은 단일 경사 태양열 증류기에 PCM으로써 트리코산(tricosane)을 적용한 후 담수 생산량을 분석하였다. 실험에는 직경 1.5 cm의 구리관 38개에 각각 약 40 g의 트리코산이 채워져 있으며 수돗물 약 3 리터가 실험에 사용되었다. 결과적으로 낮 시간 동안에는 트리코산이 태양 복사 에너지를 축열하기 때문에 증발량이 줄어들어 이 시간 담수 생산량은 PCM의 양에 반비례하는 것으로 나타났다. 하지만, 야간에는 트리코산이 저장된 잠열을 방출함으로써 담수 생산율에 대해 일정한 온도를 유지하므로 담수 생산량은 PCM의 양과 정비례한 것으로 보고하였다. Yousef et al. (2019)은 a) 기존 솔라 스틸, b) PCM 솔라 스틸 및 c) 핀이 내장된 PCM 솔라 스틸의 세 가지 경우로 나누어 솔라 스틸의 담수 생산량을 분석 하였다. 결과는 PCM의 잠열 저장에 동일한 양의 에너지가 사용됨에 따라 PCM 솔라 스틸이 기존 솔라 스틸에 비해 담수 생산율이 7% 낮은 것으로 분석하였다. 반면, PCM 솔라 스틸에 내장된 핀을 사용하는 태양광 스틸은 기존 태양광 스틸에 비해 약 17% 더 높은 담수 생산능력을 보이는 것으로 확인하였다. 이는 핀이 열전도도 향상에 기여하여 축·방열 속도를 향상시키기 때문인 것으로 분석하였다. Figure 8은 연구에서 활용된 솔라 스틸의 이미지를 보여준다.

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Figure 8.

Schematic of PCM integrated solar still (a) and experimental set up and test loop (b) (Kalidasan et al., 2020)

태양열 조리기(Solar cooker)

태양열 조리기는 태양이 떠 있는 상태에서 음식을 조리하는 데 사용되는 태양열 응용 장치이다. 태양열 조리기의 경우 늦은 저녁에는 사용되지 않는다는 한계에 직면해 있는데, 이러한 한계를 극복하기 위하여 PCM을 적용한 태양열 조리기에 대한 연구가 수행되고 있다. Buddhi et al. (2003)은 단일 또는 3중 반사경을 가진 태양열 조리기에 PCM을 적용하는 연구를 수행하였다. 외경 30 cm 및 내경 20 cm의 원통형 냄비를 사용하여 실험을 진행하였으며, 단일 반사경의 경우 아세트아닐리드(acetanilide) 2.25 kg을 채웠고, 반사경 3개를 사용한 조리 실험에서는 아세트아닐리드 4.0 kg을 채웠다. 또한, 열전도율을 향상시키기 위해 PCM 컨테이너의 내벽 내에 핀을 용접하였다. 실험 결과 3개의 반사경 시스템이 비교적 높은 일사량을 조리기에 집중시키고 적용된 PCM의 양의 차이로 인해 3개의 반사경을 갖춘 경우 일몰 이후 20시까지 조리가 가능한 것으로 확인하였다.

솔라 폰드(Solar pond)

솔라 폰드는 대류를 방지하여 바닥부에서 상당한 온도 상승을 일으키는 인공적으로 구축된 태양열 응용 시스템이다. 대류를 방지하고 농도 구배를 유지하기 위해 유체 매질에 소금을 용해시키는데, 솔라 폰드는 표면 대류층(surface convective zone; SCZ), 비대류층(non-convective zone; NCZ) 및 하부 대류층(lower convective zone; LCZ)의 세 가지 대류층으로 구성된다. SCZ는 농도가 0에 가까운 10~20 cm의 두께층을 갖고 있다. NCZ는 더 두껍고 연못 깊이의 절반 이상을 차지한다. 또한, 깊이가 증가할수록 농도가 높아지는 층이다. NCZ는 LCZ의 열 손실을 방지하는 단열 역할을 한다. LCZ는 주요 열 수집 구역이자 열에너지 저장 구역이다. 솔라 폰드는 여름 동안 최대 약 85-95°C의 열을 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 겨울에는 약 50-60°C의 열을 저장한다. Sarathkumar et al. (2017)은 캡슐화된 PCM을 사용하여 시스템의 열 저장 용량을 향상시키기 위한 목적으로 솔라 폰드에 대한 실험적 연구를 수행했다. 실험에 사용된 PCM은 파라핀왁스이며 좋은 열흡수 능력에도 불구하고 낮은 열전도율로 인해 상대적으로 열에너지 저장 및 방출이 느렸다. 이에, 알루미나를 PCM에 혼합시킴으로써 시스템의 열전도율을 향상시켰다. 결과적으로 PCM만 적용했을 때보다 1시간 30분 더 열에너지 저장 시간을 연장시킬 수 있는 것으로 보고하였다. Ines et al. (2019)은 태양 시뮬레이터를 이용하여 PCM이 적용된 솔라 폰드의 대류열 손실 저감 성능을 실험적으로 검증하였다. 실험은 위치에 따른 실제 일사량을 묘사하는 태양 시뮬레이터를 갖춘 폐쇄된 냉난방실에서 수행되었다. 해당 솔라 폰드의 레이아웃은 Figure 9에 나와 있다. 결과적으로 PCM이 없는 경우, LCZ 층의 온도는 40시간 가열로 41.1°C에 도달하였으며, 이후 빠른 속도로 온도가 감소하여 10시간 후에 30°C까지 떨어졌다. 반면, PCM이 있는 탱크는 40시간 가열로 LCZ 층 온도가 최대 32°C까지 도달했지만, PCM이 흡수된 열을 방출함에 따라 추가적인 열 공급 없이 1시간 내에 34.2°C까지 온도가 상승하는 것으로 나타났다. 이는 PCM의 축열 성능으로 인해 솔라 폰드의 성능이 개선됨을 보여준다. Figure 9는 연구에서 활용된 솔라 폰드의 이미지를 보여준다.

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Figure 9.

Schematic of solar pond (Kalidasan et al., 2020)

계간축열

추운 기후에서는 공간 난방과 가정용 온수 부하가 건물에너지 사용량의 대부분을 차지한다. 그러나 태양열 수집은 여름에 최고조에 달하는 반면 난방 부하의 대부분은 겨울에 발생한다. 계절별 열에너지 저장(seasonal thermal energy storage; SeasonTES)은 여름에 수집된 태양 에너지의 상당 부분을 겨울까지 사용할 수 있도록 하여 태양 에너지로 충족할 수 있는 건물 부하의 비율을 증가시킨다. Pinamonti et al. (2021)은 캐나다 오타와의 단독 주택에 설치된 SeasonTES 물 탱크를 시뮬레이션하여 높은 태양열 에너지 공급 비율을 달성할 수 있음을 보여주었다. Ma et al. (2018)은 영국의 단독 주택에 대해 100% 태양열 비율을 달성하는 데 필요한 SeasonTES 용량을 산출하였다. Del Amo et al. (2020)은 교육용 건물에 사용되는 태양열 보조 열펌프 시스템을 위한 다양한 SeasonTES 탱크 크기를 조사하였다. 기존 연구들을 통해 SeasonTES은 단독 주택의 건물 부하 대부분을 충족할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 이러한 시스템에 대한 실제 성능 데이터가 부족한 것으로 보고되고 있다. 시뮬레이션된 시스템은 충분한 열적 성능을 보여주지만, 지역 단위 시스템에서 SeasonTES가 종종 과도한 저장 손실로 인해 설계에 비해 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. Meister와 Beausoleil-Morrison (Meister and Beausoleil-Morrison, 2021)의 연구에서는 본격적인 실험 시설이 건설되었으며 건물에너지 요구 사항의 상당 부분을 충족할 수 있는 SeasonTES 시스템의 능력을 평가하기 위해 1년간의 시운전 실험이 수행되었다. Figure 10과 같이 실험을 위한 건물은 캐나다 오타와 내 칼튼대학교(Carleton university)에 위치해 있으며, 건물의 면적은 6.1 × 12.2 m이며 지상 2층과 지하 1층으로 구성되어 있다.

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Figure 10.

South-facing façade of the research house (Meister and Beausoleil-Morrison, 2021)

이 건물에는 Figure 11과 같이 10개의 ETC-30 solar collector 배열로 구성된 태양열 시스템이 설치되어있다. 태양열 시스템은 안전을 위해 팽창 탱크를 갖춘 폐쇄 루프형 시스템으로 구성되어 있다. 태양열 집열기는 SeasonTES 탱크 또는 주간 열에너지 저장(Diurnal thermal energy storage; DiurnalTES) 탱크를 충전할 수 있다. DiurnalTES는 450 L 단열 물탱크 2개로 구성된다. 하나는 태양열을 충전하고 다른 하나는 탱크에서 가정용 온수를 공급할 수 있도록 하였다. 1차 DiurnalTES (A)는 탱크 사이에 물을 직접 순환시켜 2차 DiurnalTES (B)를 가열할 수도 있다. 탱크 A는 가정용 온수 시스템에 온수를 공급하도록 구성되었고, 탱크 B는 복사 바닥 난방 루프에 연결되도록 구성되었다.

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Figure 11.

System schematic of the solar charging loop (Meister and Beausoleil-Morrison, 2021)

SeasonTES 탱크(규모: 36 m3)는 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic; FRP)으로 구성되었다. 탱크 외피는 두 개의 FRP 벽 사이에 30 cm 단열층이 있는 이중벽 구조를 갖추고 있다. 단열재로는 ASTM (ASTM C518, 2010) 테스트에서 초기 열전도도가 0.025 W/mK인 스프레이형 폴리우레탄을 적용하였다. 탱크는 지표면에서 약 1 m 아래에 매설되었다. 탱크에는 충전 및 방전을 위한 두 세트의 입구와 출구가 있으며, 모두 탱크 상단에 있는 포트를 통해 탱크로 들어간다. 충전을 위해 튜브는 탱크 바닥에서 물을 끌어오고, 뜨거운 물은 탱크 높이의 상단에서 하단까지 이어지는 천공된 파이프를 통해 상단으로 주입된다. 연구에서 사용된 SeasonTES 탱크의 이미지는 Figure 12에 나타나 있다.

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Figure 12.

Seasonal storage tank (a) and side and end views of the buried SeasonTES tank and soil thermocouples (b) (Meister and Beausoleil-Morrison, 2021)

시 운전 간 총 태양열 수집량은 47.4 GJ이었으며, 주로 SeasonTES 탱크(25.5 GJ, 54%)로 보내졌고, 그다음은 DiurnalTES 탱크(13.5 GJ, 28%)로 보내졌다. 실험 간 복사 바닥의 배관 손실로 인해 태양열 손실이 있었으나 대부분의 부하는 여전히 태양 에너지로 충족되는 것으로 확인되었다. 공간 난방을 위한 태양열 비율은 68%로 나타났고, SeasonTES 탱크는 복사 바닥 공급 온도 30°C 아래로 떨어진 1월에 대부분의 열을 공급하는 것으로 확인되었다. SeasonTES 탱크에 저장된 태양열 에너지가 고갈된 후, 1월 남은 기간(4~25일) 동안 공간 난방 태양열 비율은 15%에 불과한 것으로 나타났다. 공간난방을 위해 2차 DiurnalTES가 활성화되었을 때(1월 26일~2월 28일) 공간난방 태양열 비율은 54%였으며 이는 이전 기간과 비교해 거의 두 배인 것으로 분석되었다. 가정용 온수 부하에 대한 태양열 비율도 68%였다. 즉, SeasonTES 설치를 통해 난방시즌의 부하를 사전에 축열된 열로써 대응이 가능한 것으로 분석하였다. 하지만, 시 운전 과정에서 태양열의 성능이 여러 영역에서 저하된 것으로 확인되었다. 여러 가지 잠재적 개선 사항이 확인되었으며 이를 해결하기 위한 몇 가지 개선된 설계방안을 제안하였다. 연구에서 제안한 시스템의 가장 확실한 개선 사항은 태양열 집열기 내 성능이 낮은 진공관을 교체하는 것이다. 또 다른 개선 사항은 배관의 단열 수준을 높임으로써 손실을 줄이는 것이다. 또한, 운영 간 발생할 수 있는 오류를 개선하고 열전달 속도를 제한하지 않도록 온수 취출유량을 증가시킴으로써 태양열 시스템의 성능을 개선시킬 수 있는 것으로 분석하였다. Figure 13은 개선 사항별 태양열 저장효율을 보여준다.

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Figure 13.

Performance comparison for simple changes to the solar thermal system (Meister and Beausoleil-Morrison, 2021)

몇 가지 간단한 시스템의 개선만으로도 연간 공간 난방 부하의 100%, 연간 급탕 부하의 83%를 달성하는 것으로 나타났다. 즉, 대부분의 부하는 태양 에너지로 충족될 수 있음을 확인하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면 개선된 시스템의 전체 태양열 에너지 부하 부담 비율은 93%로 증가하였다. 시스템의 성능향상에 있어 가장 중요한 요소는 성능이 저하된 태양열 집열기의 교체였다. 다만, 이 연구에서는 여름철에 시스템이 최고 온도에 도달하는 문제가 여전히 남아있음을 보고하고 있다. SeasonTES의 온도가 최고 온도에 도달하는 시점에서 수집된 태양 에너지의 상당량은 공간 난방 시즌이 시작되기 전에 소산 되어야 한다. 이러한 관점에서 태양열 집열기 면적과 저장 용량의 비율을 최적화함으로써 시스템의 에너지 성능과 경제성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 에너지 수요가 다른 건물에서는 유사한 태양 에너지 공급 비율을 얻을 수 없다는 점을 이해해야 한다. 따라서 더 넓은 범위의 건물에 대한 계절별 저장 시스템의 성능을 연구할 필요가 있다. 추가적으로, 건물 규모의 계절 저장의 경제성을 최적화하기 위한 추가연구가 필요하다.

국내 태양열 시스템 보급 확대를 위한 기술

지금까지 에너지 저장기술 기반 태양열 시스템과 관련된 다양한 연구를 고찰하였다. 태양열 시스템 보급의 확산을 위하여 에너지 저장 소재 및 물리적 특성을 고려한 기술개발이 필요한 실정이고 이와 관련하여 많은 연구가 진행되고 있음을 확인할 수 있다. 하지만, 보다 실질적인 개선을 위해서는 시스템 구성 및 운영과 관련된 부분도 개선이 되어야 한다. 현재 운영되고 있는 태양열 시스템의 문제를 살펴보면, 집열기의 온도와 축열조의 온도를 검출하여 이 둘의 온도 차이를 기준으로 순환펌프를 동작시키는데, 여름철 같이 축열이 충분히 진행된 상태에서는 온도 차이가 없어서 순환펌프가 동작하지 않게 된다. 이때 집열기에 태양열이 지속적으로 입사되면 집열기의 온도가 지속적으로 올라가 130°C, 많게는 160°C까지 온도가 상승하여 집열기의 성능을 저하시킴은 물론 관련 부속기기(안전변 고열 파손 등)를 소손 및 파손시키게 된다. 또한, 여름철과 같이 집열량이 많은 경우에는 축열조의 온도가 과도하게 올라가고 이로 인해 축열조가 파손되는 것을 방지하기 위해 축열조 위에 보조탱크를 설치한다. 이때, 축열조의 온도가 끓어 넘치게 되면 이를 상기 보조탱크로 배출하여 시스템을 보호하는데, 이 경우에는 끓어 넘치는 양이 너무 많아 필요 이상의 수자원이 낭비된다는 문제점이 있다. 또한, 현재 국내의 태양열 시스템을 구성하는 요소들은 기성제품을 구입하여 조립하여 사용하기 때문에 제품 간 구경을 맞추기 위하여 테프론 테이프를 일정한 두께로 감은 후 결합하게 된다. 하지만, 테프론 테이프의 두께를 일률적으로 하였다 하더라도 고온과 저온이 반복되는 사용환경에서 그 기능이 저하되어 오랜 시간 사용 시 누수 발생의 원인이 된다는 문제가 발생한다. 추가적으로, 이경니플 같은 별도의 부품을 사용함으로써 비용이 상승하고, 작업 시간이 늘어남은 물론, 크기가 커진다는 문제점 등이 있다. 또한, 온도 차이로 인한 온/오프 제어를 하게 됨에 따른 열충격이 발생되고 이로 인해 각 온도 차이에 따른 정밀한 제어가 안 되는 문제점 있다. 따라서, 정밀한 제어를 통하여 집열기, 구성 요소, 축열조 등의 과열을 방지하여 소손 및 파손을 방지하는 기술이 필요하다. 이를 위해서는 태양열 시스템이 정밀한 제어가 가능하도록 축열 과정을 수행하는 구성 요소를 열매체순환모듈로 통합하고, 온수를 공급하는 구성 요소를 온수순환모듈로 통합하여 pump station으로 구성하는 것이 필요하다고 판단된다. 이미 유럽 및 미국 등 태양열 시스템과 관련된 시장의 규모가 크고 기술력이 있는 국가에서는 상기 언급한 문제의 해결을 위하여 Figure 14와 같이 solar heat pump station을 개발 및 판매하고 있는 것으로 조사되었다. 국내도 이러한 기술의 국산화 및 고도화를 시키고 관련 연구가 필요하다고 판단된다.

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Figure 14.

Images of Solar heat pump stations for sale (American Water Heaters, 2023)

결 론

본 연구는 국내 태양열 시스템 시장 활성화를 위하여 에너지 저장기술 기반 태양열 시스템의 다양한 연구 동향을 분석하였다. 이와 관련하여 태양열 시스템의 비집광식 집열기와 집광식 집열기를 기준으로 다양한 태양열 시스템의 구성 및 특성에 대하여 분석하였다. 에너지 저장기술 기반 태양열 시스템과 관련된 주된 연구 동향으로써 PCM을 적용한 연구가 활발하게 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, PCM은 낮은 열전도율을 가지고 있어 단독으로 적용되기보다는 시스템 내부에 핀을 동시에 적용함으로써 PCM의 열적 성능이 더 잘 발현할 수 있음을 확인하였다. 또한, 나노입자를 첨가함으로써 집열기의 열전달 효율을 향상시키는 연구도 활발히 진행되고 있다. 이러한 기술들은 태양열 온수 시스템, 태양열 공기 히터, 솔라 스틸, 태양열 조리기 및 솔라 폰드 등 다양한 태양열 시스템 응용분야에 적극적으로 활용이 되고 있다. 추가적으로, 태양열 시스템의 경우에는 공급과 수요의 불일치를 해결하기 위한 계간축열과 관련된 연구가 수행되고 있음을 확인하였다. 하지만, 태양열 시스템의 실질적인 시장확대를 위해서는 저장매체 및 핀 적용 등에 대한 연구뿐만 아니라 현재 적용되고 있는 국내 태양열 시스템의 근본적인 문제를 해결하는 것이 필요하다. 이러한 관점에서 열매체순환모듈과 온수순환모듈을 구성하여 종래 시스템의 단점을 보완할 수 있는 solar heat pump station 기술을 제안하였다. 앞서 소개한 기술들을 기반으로 태양열 시스템의 전반적인 효율 향상과 종래 기술의 단점이 보완된다면 국내 태양열 시스템 산업의 확대에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서, 관련 연구 및 기술 개발을 통해 국내 태양열 시스템 시장의 활성화를 촉진시킬 수 있고, 나아가 RE100과 같은 국가 신재생에너지 정책에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

이 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2023-00213034).

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