태양광? 태양열? 고민해결사 PVT!

 현재 우리나라에서 가장 핫한 신재생에너지를 뽑으라고 한다면 태양광에너지라고 답할 것이다. 왜 태양광에너지를 뽑을까? 다른 신재생에너지 설비에 비해 가정에 설치하기 쉽고, 태양광은 지역구분 없이 어디서든 존재하기 때문이라 생각한다.

 그렇다면 태양광 발전은 어떤 원리로 전기를 생산해낼까? 양전지가 빛을 흡수하면, 그 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 전기를 갖는 입자인 정공(+), 전자(-)가 발생한다. 입자들은 각각 자유롭게 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도체로, 정공(+)은 P형 반도체로 이동하여 전위가 발생하게 되어 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 앞‧뒷면에 연결해 주면 전류가 흐르게 된다.

[그림 1. 태양전지에서 전기를 생산하는 원리]

출처: 한국에너지공단

 

 그렇다면 온수를 생산하는 태양열 발전은 어떤 원리일까?

 태양열은 태양광에 비해 간단하다. 태양광선의 파동성질을 이용하여 태양열의 흡수‧저장‧열변환 등을 통하여 온수를 공급하게 된다. 태양열 시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라 자연형 시스템과 설비형 시스템으로 구분된다. 자연형 시스템은 온실과 같이 남측의 창문이나 벽면 등 주로 건물 구조물을 활용하여 태양열을 집열하는 장치이며, 설비형 시스템은 집열기를 별도 설치해서 펌프와 같은 열매체 구동장치를 활용해서 태양열을 집열하는 시스템으로 흔히 태양열 시스템이라 한다.

[그림 2. 태양열을 이용하여 온수 생산]

출처: 한국에너지공단

 

 인기가 나날로 상승하고 있는 태양광, 하지만 효율은?  

 태양광은 오래 전부터 연구가 되어왔고, 2013년 이후 폴리 실리콘의 가격이 상용화를 할 수 있을 정도의 가격으로 떨어지게 되었다. 모듈 수급 불균형의 해소로 여러 태양광 패널의 소재 중에서 실리콘 패널로 통일이 되어가고 있고, 무엇보다 다른 소재에 비해서 높은 효율을 자랑함에 따라서 재생에너지 중에서 가장 빠른 보급률을 보이고 있다.

[그래프1. 2006-2016년 전세계 태양광 설비 용량 추이] 

출처: IEA PVPS

 

 하지만 이러한 인기 속에서도 태양광은 여러 요인에 따라서 에너지손실이 발생하게 된다.

 전체를 100%라 하고 이론상 태양광 에너지가 20% 변환이 된다고 가정하면, 가장 큰 비중을 차지하는 태양에너지가 열로 변화하는 경우(60%), 그리고 광자가 태양 전지를 통과하는 경우(18%), 새로 생성 된 홀과 전자의 재조합을 하는 경우(2%)가 있다.

[그래프 2. 상이한 온도 값에서 모듈의 IV 특성]

[그래프 3. 다른 온도 값에서 모듈의 PV 특성]

출처: ResearchGate

 

 여기서 주목할 것은 태양에너지를 이용하면서 전기에너지를 생산하는데 반 정도가 열에너지로 변환된다는 것이다. 태양광 발전의 단점 중의 하나는 패널의 온도가 상승할수록 발전효율이 떨어지게 된다는 것이다. 즉, 아무리 태양에너지를 받더라도 온도의 상승으로 오히려 태양광 발전 효율이 떨어져서 경제적인 손해를 보게 된다는 것이다.

 

 태양광과 태양열을 합친다면? 

 태양광, 태양열시스템은 똑같이 태양에너지를 이용하는 발전설비인 만큼 둘을 하나의 발전설비시스템으로 합쳐보는 생각을 해 봤을 것이다. 실제로 이런 발상이 제품으로 옮겨졌고, PVT라고 불린다. PVT(photovoltaic thermal)란, 기존의 태양광모듈인 PV(Photo Voltaic)에 공기 혹은 액체 집열 모듈을 복합 구성한 시스템으로 PV 모듈은 본연의 기능인 전기를 생산하며, PV 후면에서 발생되는 열을 열원으로 이용하여 건물의 환기용 난방에너지 및 온수를 생산하는 열병합발전시스템이다. 이러한 PVT 시스템은 기존 PV 또는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System)에서 나타나는 과열 문제를 해결하여 PV의 발전효율을 높이는 기술로 PV모듈의 열전변환 성능을 기존 단위면적 PV모듈과 비교 시 최대 200%획기적으로 개선할 수 있는 시스템이다.

[그림 3. pvt hybrid]

출처: 장한기술 

 

 PVT 복합모듈은 태양열 집열기에 사용되는 유체에 따라 공기식과 액체식으로 분류할 수 있으며, 형태에 따라 평판형(flat plate)과 집광형(concentrating) 으로 분류할 수 있다. 공기식 PVT 복합모듈은 PV 모듈 후면에 공기 층 및 채널을 두는 형태로, 공기를 열매체로 이용한다. 액체식의 경우 PV모듈 후면에 흡수판과 열매체 도관이 부착된 형태로 열매체를 물이나 부동액 등의 액체를 이용하는 것이다.

 이러한 기술에 관심을 가지고 개발을 하는 국가로는 독일, 미국, 한국 등이 있다. 미국 Skyline Solar에서는 추적형 태양광과 집중형 태양열 발전의 장점만 모아 에너지 비용을 낮추고 높은 에너지 수율을 얻는 High Gain Solar(HGS)를 만들었고, 터키 Solimpeks Solar Energy는 Volther hybrid solar collector라고 부르는 기술을 이용하여 하이브리드화 시켰다. 한국에서는 최초로 ㈜장한기술이 PVT시스템을 개발하였다. 그렇다면 현재 PVT의 기술적인 현황과 시장성은 어떨까? 장한기술 유원대 이사님과의 인터뷰를 통해서 PVT에 대해서 구체적으로 들어보았다.

[사진 1. 인터뷰 진행하는 기자단과 유원대 이사님]

 

Q. 장한기술에 대해 소개 부탁드립니다.

 A. 장한기술은 에너지 효율을 높이는 기술들을 국내에 소개하고 도입하는 일을 하고 있습니다. 건물이 유지 되려면 냉난방이나 급수가 필요한데 저희가 그 기술이나 기계를 개발하고 있습니다. 설립 이후로 ‘국내 최초’라는 타이틀이 붙여진 기술이나 기계가 많습니다. 피크부하를 분산시키기 위해 빙축열을 도입하였는데 그 첫 프로젝트를 한국전력공사와 같이 작업을 하였습니다. 그렇게 2b 페어 팽창탱크를 개발하여 요즘 건물에서 흔히 쓰이는 빙축열 시스템이 되었습니다. 압력이 증가함에 따라 압력을 일정하게 유지하는 기술인 밸런싱 시스템과 같은 기술의 경우 일본과 기술제휴를 통해서 저희가 국산화를 했습니다. 이외에도 우리나라에 처음 도입한 부스터 펌프 시스템도 있습니다. 부스터 펌프는 간단하게 설명하면 건물의 배관의 압력을 적절하게 유지되게 하여 누가 물을 써도 공급을 잘 할 수 있도록 하는 것입니다. 

 

Q. 설립 당시 밀폐식 팽창탱크, 공기분리기 및 부스터 펌프를 국산화하는 사업으로 시작 하셨는데 신재생에너지로 발을 넓은 이유가 궁금합니다.

 A. 장한기술이 보유하고 있는 기술 중 하나인 빙축열은 심야전기로 물을 얼렸다가 낮에 이걸 냉방에 쓰입니다. 예전에는 빙축열을 하려면 땅을 파야해 비용도 비싸고 냉방밖에 못하다 보니 활용도가 떨어졌습니다. 그래서 수축열 이용해서 물을 얼리지는 않고 물을 차갑게 하거나, 물을 뜨겁게 해서 냉방 혹은 난방으로 쓰려는 시도를 하게 되었습니다. 그러는 와중에 정부에서 재생에너지에 대한 관심이 높아지고 점점 태양광, 태양열의 관심이 증가함에 따라서 장한기술이 가지고 있는 수축열 기술과 태양열 기술을 연계해서 한번 사업을 재생에너지로도 확대 해보자해서 시작하게 되었습니다.

 

Q. 태양광x태양열 하이브리드 패널을 만들게 된 계기와 과정은 어떻게 되나요? 

 A. 협력업체와의 교류를 통해서 우연한 계기를 통해서 패널을 만들게 되었습니다. 빙축열에 쓰이는 얼음 얼리는 코일을 플라스틱 구조에 냉매를 흐리게 하면 컨테이너 박스처럼 이 안에 일종의 빨대 다발 같은 빨대 주변으로 얼음이 생기게 됩니다. 이 기술은 미국 FAFCO라는 빙축열을 하는 회사에서 저희가 수입을 해오고 있습니다. 이 회사는 태양광과 태양열 코일을 만드는 회사입니다. 이 회사가 코일을 이용해 태양열 집열에도 사용하고 빙축열에도 쓰는데, 이 코일을 가지고 FAFCO에서 고민을 하게 됩니다. 사용자의 지붕 면적은 제한이 있고 수영장까지 있으니까. 미국에서도 태양광을 설치하면 인센티브가 나오는데 막상 설치하려고 보니까 자리가 없는 거죠. 또 고민을 하게 되죠. 태양광을 깔아야할지 태양열을 깔아야 할지. 그리고 코일에도 수명이 있습니다. 수명이 지나면 바꿔야 하는데 미국회사에서는 이러한 고민들을 많이 하였고, 그러다 PV이랑 코일을 합치는 방식을 고민하기 시작합니다. 2007년부터 고민하기 시작했고, 저희가 미국회사에게 “너희 이거 잘 만들고 있어?”라고 물어보니 “아니 잘 안 되고 있어.”라는 답변이 왔습니다. 처음에는 플라스틱(코일)과 패널 판을 본드로 붙이려고 했는데, 이게 열을 받는 제품이다 보니 열을 받으면 팽창하고 열을 안 받으면 수축하게 되어서 본드가 깨지게 되었고 이 회사는 제품에 대해서 많은 고민을 하게 되었습니다. 그러다 보니 저희도 “우리도 알아볼까?”하여 제품을 같이 개발하게 되었습니다. 아이디어를 주고받다 보니 저희가 6~7년 정도 고민을 하면서 같이 개발을 하게 되었죠. 그래서 결론은 접착제로 붙이는 것이 아니라 어떤 특정한 플라스틱 패턴으로 고정을 하는 방식의 구조물이 되었습니다. 저희가 몇 년 동안 아이디어 주고 미국회사에서 날씨가 좋으니 실험도 하고 그러면서 이 개발에 성공하게 되었습니다.

 

 Q. 본 제품은 어떤 매커니즘인가요?

 A. PV는 태양에너지를 받으면 3%정도는 반사되어 나갑니다. 효율이 보통 16~23%정도 된다고 보면 80%정도는 그냥 뒤에 패널 뒷 판에 열로 빠져나가게 되는 겁니다. 이 열을 이용하여 에틸렌글리콜 40%(열전달 매개체)를 집열기에 사용하여 물을 통해 80% 빠져 나가는 열을 흡수하고 열도 쓰고 패널에 생산된 전기도 쓴다는 것이 이 제품의 매커니즘입니다.

[그래프 4. PV단독 보다 3~6배 많은 에너지를 생산]

출처: 장한기술

 

Q. 본 제품의 장점을 자세히 듣고 싶습니다.

 A. 유럽에도 PVT를 하는 회사가 여러 곳이 있습니다. 유럽의 여러 회사들이 협회를 만들어서 연구하기도 하고 독일연구기관인 브라운호퍼 등이 있지만 유럽에서도 PVT는 초기단계입니다. 유럽의 기관들도 연구를 하고 있고 태동하고 있지만 저희와의 차이점이 있다면, 유럽은 대부분 금속으로 뒷 판을 구성하고 있습니다. 저희는 주재료가 폴리머 재질의 플라스틱입니다. 이게 가진 장점은 패널을 지붕에 설치해야 하는데 패널 하나에 25kg정도 합니다. 그러면 혼자 이거 하나들고 사다리타고 올라가면 할 수 있을까요? 패널 뒤에 금속판이 붙이게 되면 45kg정도가 되는데 무게가 어마어마해집니다. 미국은 인건비가 비싼 나라입니다. 그러면 사람이 두 명을 써야 하니까 인건비가 두 배가 들죠. 또한 건물을 지을 때 패널을 설치할거라 예상하고 지으면 상관이 없지만 이걸 10장을 올릴 때 50kg라고 가정하면 500kg입니다. 이게 지붕에 설치할 거라고 생각하지 않고 집을 지었기 때문에 구조적인 문제가 생길 수 있습니다. 반면 폴리머는 7kg정도 되는 무게로 한 손으로 들을 수 있어 무게를 줄일 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 또한 패널은 생성된 전기가 흐르게 되는데 뒷 판이 금속이 붙는다면, 금속판에 전기가 모이고 흐르게 되면 이 금속판이 전기가 흐르는 걸 약간 방해하는 단점이 있습니다. 그럼 효율이 16%라고 가정하면 16%이하의 효율을 얻게 되는 거죠. 그러니까 금속판을 쓰려면 간격을 두어 만들거나 전기가 흐르지 않도록 기술적인 부분을 해결해야 합니다. 폴리머는 무게가 가볍고 전기가 통하지 않기 때문에 발전에 방해가 되지 않아서 여러모로 장점이 있습니다.

[그림 4. PVT 제품 구성]

출처: 장한기술

 

Q. 앞으로 이 패널을 어떤 식으로 적용할 수 있을까요?

 A. 식품공장이나 병을 씻는 공장 등 특수한 공장에서 사용하는 경우와 목욕탕, 학교, 병원 등 평소에 온수를 사용하는 곳과, 태양열을 많이 얻을 수 있는 시점에 온수의 수요가 있는 곳에 PVT를 설치할 수 있습니다. 기존에 온수를 사용하던 산업분야에 적용하면 온수에 들어가는 비용을 대폭 줄일 수 있죠. PVT를 통해 얻은 온수(최대 45℃)로 온도의 물을 가스를 때워서 50~60℃로 만드는 것보단 태양열을 통해서 30℃를 만들게 되면 이 물로 50~60℃ 만드는 것이 훨씬 에너지가 덜 사용하고, 에너지절약을 통해서 경제적인 이득을 볼 수 있습니다.

 

Q. PVT 하이브리드 패널을 지열시스템과 연계한 자료를 보았는데 지열을 선택한 특별한 이유가 있나요?

 A. 지열을 선택한 특별한 이유는 과제 같은 거죠. 재생에너지는 소비시점과 생산시점이 달라 결국엔 에너지 저장을 해야 하여 그런 관점에서 고민하고 있었습니다. 여름에 PVT에서 열에너지를 많이 얻을 수 있지만, 사람들은 겨울에 열에너지를 필요로 하니 어떻게 이걸 겨울까지 가져갈 수 있을지 고민을 하였고, 지하에 땅을 파서 단열을 하고 거기에 따뜻한 물을 넣으면 좋겠지만 그렇게 하면 돈이 많이 듭니다.

 그래서 장한기술이 연구하고 있는 열을 저장하는 방법은 땅에 작은 구멍을 뚫는 겁니다. 그리고 지중열교환기라는 것이 있는데, 그걸 통해서 물을 저 깊은 곳까지 보내게 됩니다. 땅은 내려갈수록 온도가 일정해집니다. 그래서 그곳에 물을 보관합니다. 계속 땅에 뜨거운 물을 넣어주어 지표면 온도는 변하지만 아래 온도는 일정하다는 특성을 이용합니다. 이런 단열 특성을 이용하여 여름에 뜨거운 물을 넣고 겨울에는 그럼 그 물을 사용할 수 있다고 생각할 수 있죠. 관련 연구 자료를 찾아보니 스웨덴, 독일에서 이미 실험하고 있습니다. 스웨덴 같은 경우에는 조그마한 마을 전체에 이 시스템을 도입해 난방으로 이용하여 몇 년 전부터 하고 있습니다.

 그리고 저희 자회사가 2개가 더 있어요. 하나는 판형 열교환기 만드는 회사이고, 다른 하나는 지열 히트펌프 만드는 회사로 이미 기술력을 보유하고 하고 있습니다. 그래서 잘 하는 것을 하고자 하여 지열을 선택했습니다.

 

Q. 영국에 하이브리드 패널을 설치한 사례를 보았는데, 국내에도 사례가 있나요?

 A.영국에도 있고, 여기저기 사례가 있지만 국내에는 아직 사례가 없습니다. 정부의 정책적인 어려움이 있어서 지금 보류되어 있는 상태인데. 설치를 하고 싶다고 요청하신 분들은 많습니다. 설비를 설치를 하여 전기를 생산한 후 팔려고 하면, 한전에 계통연결 해야 하고, 쓰려고 하면 집에 배선관을 연결해야합니다. 하지만 우리나라에서는 KS인증을 받지 않은 제품은 불법입니다.

 저희 제품을 KS인증을 받으려고 했을 당시 이런 제품은 카테고리에 없었다는 답변을 받았습니다. 태양광 패널은 있고, 태양열 집열기도 있는데 합친 PVT에 대해서는 KS인증을 주고 싶어도 카테고리가 없어서 주기 힘들다는 답변을 받았습니다. 쉽게 말해 PVT는 현재 기준이 없는 겁니다. 그래서 그 기준을 만들어야 하는데 이 기준은 산업자원부에서 만들고 있습니다. 다행히 기술표준원에서 적합성 인증이라고 해서 KS받은 패널과 집열기를 사용하면 둘 다 KS인증이 있는 걸 결합한 거니까 일단 문제가 없을 것 같다는 생각이 될 때 심사를 통해서 적합성인증이라는 것을 받습니다. 일단은 지금 제품을 팔 수 있도록 해줍니다. 저희가 이 과정을 거치고 있는 단계입니다. 통과되면 국내 사례가 생기게 될 것입니다. 이렇게 현재 장한기술은 국내 사례를 만들기 위해 노력 중입니다.

 

Q. 앞으로의 PVT의 시규모는 어느 정도라 예상하시나요?

 A. 시장 규모는 예상하기 어렵습니다. 하이브리드 패널에 대한 시장은 생각해 보면 얼마라고 하기는 어렵지만, 그냥 PV랑 똑같다고 생각하면 될 것 같습니다. PV시장 중에 열 수요가 있는 곳이라면 어필 할 수 있고.

 

Q. 이사님께서 생각하시는 ‘에너지’는 무엇입니까?

 A. 무언가를 할 수 있는 원천이 저는 에너지라고 생각합니다. 동기부여라는 말 표현이 될 수 있겠지만 어떤 사람들에게는 ‘돈이면 뭐든지 할 수 있다.'라고 한다면 돈이 그 사람에게 에너지겠죠? 저에게 지금의 에너지는 이 회사의 사람들입니다. 저는 관성이라는 것이 물체에만 존재하는 것이 아니라 사람에게도 존재한다고 생각합니다. 저희 회사에 있는 직원들은 정말 평범한 사람들입니다. 사람들은 회사에서 대부분의 시간을 보냅니다. 회사가 잘 안 된다는 건 저도 일을 잘 못하고 있다는 것입니다. 회사가 잘 돼야 저도 일을 잘 하고 있다고 볼 수 있는 거죠. 그래서 저는 직원 분들이 '나는 가치 있는 사람이고 뭐든 잘 할 수 있는 사람이다.'라는 생각을 가졌으면 합니다. 회사에서 이런 마음이 생기면 저는 이게 가정에게 이어진다고 생각합니다. 회사에서 효능감을 느끼고 관성으로 가정에서도 좋은 아버지, 어머니가 되는 사람들 되었으면 좋겠습니다. 그러려면 가장 많은 시간을 보내는 회사에서 일을 잘 하는 것. 잘해서 회사도 성장해 가는 것. 성공하는 경험을 같이 했으면 좋겠습니다.

 

Q. 장한기술의 향후 계획에 대해 알고 싶습니다.

 A. 저희는 10년 20년의 거대한 계획을 세우기보다는 당장 눈앞에서 벌어지는 것들 열심히 하자라고 생각을 하는데, 더 좋은 장비를 공급하는 것을 목표로 하고, 이쪽의 시장을 넓혀가려고 생각하고 있습니다. 저희가 PVT이외에도 다른 기술들에 대해서 인증을 만들고 새로운 기술을 만드는 일은 사실 어렵지만, 그런 작업들을 꾸준히 해야 다른 기업들도 그 기준에 맞춰서 할 수 있다고 생각 하거든요. 우리가 안하면 누군가 해야 되는 일이니까. 이런 일을 계속 할 생각입니다. 저희 장한기술은 에너지효율이 높고 에너지를 효과적으로 쓸 수 있는 기술력을 바탕으로 앞으로 더 분발해서 이런 일들을 해 나갈 계획입니다.