에너지기술연구원, 무동력 태양열 기술 개발

한화건설·에이팩·제인상사, 공동 참여

시스템 최적화 설계·시공기법 개발

  태양열시스템의 신뢰성을 크게 저하시키는 고장의 원인은 △순환펌프 고장 △제어장치 문제 △제어장치의 적정 제어조건 설정 잘못 △하절기 과열 △부동액 비등으로 작동불가 등 여러 가지가 있다. 특히 기존 태양열시스템의 하절기 과열방지 방안으로 집열기 출구에 Fan Coil Unit를 부착해서 집열되는 태양열을 냉각하거나 집열부에 차광막 등을 쳐서 집열을 차단하는 등의 방법을 사용하고 있다. 

에너지기술연구원 내 성능시험동에 설치된 무동력 태양열시스템. 

태양열이 필요하지 않음에도 불구하고 집열펌프와 FCU의 Fan을 작동시켜야 하므로 전기에너지가 소비되며 시공비 및 유지관리비가 증가돼 결국 소비자신뢰가 떨어지는 결과를 가져왔다.  

이에 따라 신뢰성 저하의 원인이 되는 열매체 순환펌프, 제어장치, 제어용 센서 등이 필요 없으면서 일사강도에 따라 집열매체의 순환속도가 자동으로 조절되면서 열부하가 많은 동절기에 집열이 많이 되고 열부하가 적거나 없는 하절기 집열을 적게 할 수 있는 시스템 개발이 절실히 요구돼 왔다. 

한국에너지기술연구원은 한화건설, 에이팩, 제인상사와 함께 자연순환에 적합한 집열기와 시스템 최적화 설계기법 및 시공기법을 적용한 ‘무동력 태양열시스템 기술’을 개발했다고 밝혔다. 

무동력 태양열시스템은 집열부와 축열조간 집열매체가 펌프에 의해 순환되는 것이 아니라 자연순환되는 방식으로 태양열시스템에서 여러 가지 고장의 원인이 되는 펌프, 제어장치 및 관련센서, 체크밸브 등 일체의 구동장치와 제어장치 없이 작동되는 시스템이다. 

집열매체가 자연순환에 의해 구동되는 방식이므로 항상 축열조가 집열부보다 상단부에 위치해야 하며 자연순환에 적합한 집열기 및 원활한 작동이 될 수 있는 시스템 설계기술이 핵심기술 중 하나다. 건물의 남측 벽면에 설치되는 것이 바람직하며 축열조가 집열부보다 상단부에 놓일 수 있는 곳이라면 지붕의 경사면에도 효과적으로 설치가 가능하다.

무동력형 집열기 및 시공기법 개발

무동력 태양열시스템에 적합하도록 개발된 집열기는 평판형과 단일진공관형 등 2가지로 모두 집열매체의 흐름저항(압력손실)이 가능한 적고 시공이 용이토록 했다. 

특히 건물의 외벽에 설치될 경우 건물의 의장성을 감안해 집열부의 모든 열매체 배관은 집열기 내부에 삽입되도록 했다. 무동력 진공관 집열기로 진공관 내부에 있는 히트파이프가 거의 수평에 가깝게 설치(헤더는 측면에 위치, 기존 집열기는 상단부에 위치)되기 때문에 집열기의 설치 경사각과 관계없이 내부의 흡수판의 경사각을 원하는 각도로 만들어 줄 수가 있다. 

평판형 집열기의 구조는 열매체 배관(공급 및 환수)이 전부 내부에 있는 것을 제외하고 길이가 필요에 따라 커지는 것 외에는 형상은 거의 유사하다.   이들 집열기는 집열기를 건물의 외장재 역할도 하면서 의장적인 측면을 감안해 간단하게 설치가 가능토록 시공기법도 개발됐다.  

에너지기술연구원 내 성능시험동에 설치된 무동력 태양열시스템.

무동력 태양열시스템 실증적용

실증시험용 무동력 태양열시스템은 에너지기술연구원의 성능시험동에 정남향의 수직벽면에 설치돼 실증이 이뤄졌다. 각각의 시스템은 모두 무동력 평판형 집열기와 진공관형 집열기를 조합했으며 태양열 축열조는 집열기 상단부 옥상에 설치됐다. 

진공관 집열기의 흡수판 경사각도는 약 70도로 설치돼 동절기 집열량은 10~20% 이상 증가되고 하절기에 전혀 과열이 발생하지 않는 것으로 분석됐다. 실증을 통해 시스템의 작동상태, 성능, 신뢰성 등이 검증됐으며 지속적인 모니터링을 통해 관련 데이터를 지속적으로 수집할 계획이다. 

연구 총괄을 맡은 백남춘 에너지연 박사는 “기존 시스템은 최소한 2개(일반적으로는 4개)의 펌프와 제어장치 및 이와 연계된 센서들, 그리고 각종 안전장치로 구성된다”라며 “반면 무동력시스템은 축열조가 반드시 집열기보다 상단부에 위치해야 하는 제약조건이 있지만 집열기와 축열조만으로 구성된다”고 밝혔다.

기존 태양열시스템은 집열부 상단부 온도와 축열조 하단부 온도와의 차온에 의해서 펌프의 ON/OFF가 제어돼 일사량 조건, 축열조 온도조건 등에 따라서 펌프의 ON/OFF 작동이 빈번해질 수가 있다. 일사량이 좋지 않은 날이나 좋다 하더라도 아침과 저녁에 펌프의 ON/OFF 작동은 빈번해진다. 

그러나 무동력 태양열시스템은 집열기 내부의 열매체 온도가 올라가기 시작하면서 열매체가 서서히 순환되기 시작해 집열부의 온도가 높아지면(집열량이 많아지면) 순환량도 많아진다. 즉 항상 조건에 적합하도록 일사량이 많으면 순환유량이 많아지고 적어지면 적어지게 된다. 

무동력형 진공관 집열기는 집열기 모듈 설치 경사각도와 관계없이 흡수판의 경사각을 적정하게 조정이 가능해 필요에 따라 동절기 집열량을 극대화하고 하절기 집열량은 과열방지가 가능한 정도로 감소된다.

백 박사는 “기존의 태양열시스템은 펌프에 의해서 구동되므로 전기에너지가 소비될 뿐만 아니라 하절기 과열방지를 위해 집열기 출구에 냉각장치(FCU)를 부착하는 시스템의 경우 열매체 순환펌프와 FCU의 냉각FAN을 가동해야 한다”라며 “그러나 무동력 태양열시스템은 일체의 구동장치가 없을 뿐만 아니라 하절기 과열문제가 없어 운전비가 전혀 들지 않는다”고 밝혔다.

백 박사는 이어 “태양열시스템이 자연순환에 의해서 작동되므로 기존의 태양열시스템에서 신뢰성 저하의 큰 원인이 됐던 펌프, 제어장치 및 각종 센서 등이 필요 없고 하절기 과열방지로 인한 신뢰성이 향상된다”라며 “시공비 감소, 에너지 절감량 증가, 운전비 절감, 유지보수비 감소 등으로 시스템 경제성이 향상돼 무너진 태양열시스템의 신뢰를 세울 수 있다”고 강조했다. 

강은철 기자 eckang@kharn.kr 칸

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