New & Renewable Energy 217. 9 Vol. 13, No. 3 ISSN 1738-3935 https://doi.org/1.7849/ksnre.217.9.13.3.34 [217-9-ST-4] 태양열흡수식냉방과태양광터보냉방의성능비교 김종규 1)* ㆍ이상남 1) ㆍ박동용 1) ㆍ김하늘 2) Performance Comparison of Solar Thermal Absorption Cooling and Photovoltaic Turbo Cooling Jongkyu Kim 1)* ㆍ Sangnam Lee 2) ㆍ Dongyong Park 3) ㆍ Haneol Kim 4) Received 21 August 217 Revised 18 September 217 Accepted 18 September 217 ABSTRACT This paper compares the solar thermal absorption cooling and photovoltaic (PV) turbo cooling performance in Riyadh, Saudi Arabia using a System Advisor Model (SAM) program provided by NREL (National Renewable Energy Laboratory). The cooling capacity of the two cooling systems was set to 1 usrt under the irradiation condition at 12 PM in March. The PV cooling capacity was maximum 1 usrt in June and September, but it decreased to 8 usrt in December because of the lower irradiation. In the case of solar thermal absorption cooling, the performance was greater than 1 usrt in June and September but the performance was lower than PV cooling in December. The annual deviation of the cooling performance of the solar thermal cooling is larger than that of PV cooling. This is probably due to the large change in the optical efficiency of the solar thermal system. Therefore, it is necessary to optimize the installation capacity of the solar thermal cooling system. Key words Solar thermal( 태양열 ), Photovoltaic( 태양광 ), Cooling( 냉방 ), Linear Fresnel Reflector( 선형프레넬반사경 ), Performance ( 성능 ), Absorption( 흡수식 ) Nomenclature : Cooling capacity, usrt : Thermal energy from reflector, W : Thermal energy absorbed, W : Area, m 2 : Direct Normal Irradiation, W/m 2 : Plane of Area Irradiation, W/m 2 1) Korea Institute of Energy Research 2) Inha University *Corresponding author: rnokim@kier.re.kr Tel: +82-42-86-3477 Fax: +82-42-86-3637 : Optical efficiency : Absorber efficiency : Reflector efficiency mod subscript : Module efficiency : PV temperature loss efficiency : PV soiling loss LFR : Linear Fresnel Reflector PV : Photovoltaic Copyright c217 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
태양열흡수식냉방과태양광터보냉방의성능비교 1. 서론파리기후협정및기후변화로인해신재생에너지가전세계적으로더욱더많은조명을받고있다. 그중태양광산업은중국의참여로원가절감및경제성이확보되면서가장각광받는신재생에너지원이되었으며 [1], 태양열발전산업또한미국, 중동, 북아프리카, 남미, 중국등에서시장개발이확대중에있어경제성확보가예상된다. [2] 이두시스템은앞으로화력발전과비교될수있을만큼잠재가치가큰산업으로고일사지역에서많은관심을받고있다. 대부분의고일사지역은고온건조한기후로인해냉방에의한에너지수요가큰비중을차지한다. 중동지역중사우디아라비아에서는전체에너지소비량중약 5% 가냉방에사용된다. [3] 이때문에해당지역의인구증가및에너지소비형태로보아서태양에너지를이용한냉방기술의수요가증가할것으로예상된다. 중동지역에서빌딩과같은일정규모이상의냉각시스템이공급되는경우주로중앙공조냉방시스템이사용된다. 중앙공조는대용량의냉방시스템으로이에적합한냉동기는터보압축식과흡수식이다. 터보압축식냉방은전기에너지를이용하는시스템으로태양광발전과함께사용될수있으며흡수식냉동기는열을이용하는냉방기술로태양열과함께사용될수있다. 이에따라본연구에서는중동과같은고일사지역에서태양에너지를이용한터보압축식냉방과흡수식냉방의시스템의성능을비교하고자한다. 태양열을이용한기술은집광방식에따라구유형, 접시형, 타워형, 선형프레넬형등으로나뉘나이중흡수식냉방에가장적합한집광방식으로 2 영역의중온에적합한선형프레넬반사 (Linear Fresnel Reflector) 이다. [4] 두냉방시스템을비교하기위하여동일한냉방용량을기준을선정했으며시중에서판매되고있는터보냉동기의최소냉방용량인 1 usrt 로선정했다. 두시스템평가는사우디아라비아리야드의기후자료를사용해진행됐으며분석결과는,,, 각각의월평균으로나타내었다. NREL에서제공하는 SAM 을계산프로그램으로사용하였으며태양광시스템은전력생산량을, 태양열시스템은증기생산량을결과로얻을수있다. 이들값을이용한냉방성능은냉방시스템의전력변환비 ( 태양광 ) 와증기변환비 ( 태양열 ) 를사용하여각각계산 하였다. 본연구를위하여사우디아라비아에서태양광시스템과태양열발전시스템의전력생산성능및경제성을비교한연구를사전에수행하였다. [5] 1.1 태양광터보냉방태양광터보냉방은 Fig. 1과같이모듈에서생산된전기에너지를인버터 (Inverter) 를거쳐터보냉동기를구동하는시스템이다. 전력공급의수단이태양광모듈로대체된것이기존의전력망시스템과의차이점이다. 터보냉동기는증기원심압축기를사용하여높은효율 (COP 5 이상 ) 로대용량의냉매를압축할수있기때문에중앙공조용으로널리사용된다. [6] 1.2 태양열흡수식냉방태양열흡수식냉방시스템은 Fig. 2와같이 LFR을통해증기를생산한후생산된증기를흡수식냉동기에공급함으로서냉방시스템을구동한다. 흡수식냉동기는주로중앙공조용으로사용되며재생기사용온도에따라 1중효용, 2중효용등으로나뉜다. 본연구에서는선형프레넬집열기에서증기를공급할수있기때문에냉방성능이높은 2중효용흡수식냉동기를사용하였다. [7] 선형프레넬집열기인 LFR은폭이좁고긴반사거울 Fig. 1. Schematic of PV turbo compression cooling system Fig. 2. Schematic of solar thermal absorption cooling system 217. 9 Vol.13, No.3 35
김종규ㆍ이상남ㆍ박동용ㆍ김하늘 Table 2. Turbo cooler specification Turbo cooling model Model COP Cooling capacity Power consumption L사 6.4 1 usrt 54.94 kw Fig. 3. LFR concentration system 이태양을 1축으로추적, 태양광을반사하여선 (Line) 집광으로열에너지를얻을수있는태양열집열기이다. LFR 의집광면에배관을설치해물을공급하면최대 4 까지의증기를얻을수있으며이를이용하여냉방이나발전에사용할수있다. Fig. 3은실제개발되어국내에설치된 LFR 집열기이다. 2. 냉방시스템설계 2.1 태양광터보냉방시스템및성능분석 2.1.1 태양광터보냉방시스템 태양광터보냉방시스템은크게태양광모듈과터보냉동기로구성된다. 우선태양광제품선정시고려되는인자는제조사, 제품효율, 인버터세가지이다. 제조사는세개회사를선정했으며선정기준은서로다른제조국가및제품효율로 H사, C사, S사를선정하였다. 제품효율은모듈의전력변환효율및온도상승에따른효율감소를고려해계 Table 1. PV module specification PV Module Model Nominal Efficiency (%) Temperature Coefficient (%/C) Module Area (m 2 ) S사 18.41 -.39 1.63 H사 15.34 -.41 1.96 C사 15.94 -.43 1.94 Inverter Model Efficiency(%) E사 96.4 산되며 Table 1과같이세제품모두서로다른효율특성을보인다. 인버터의경우사우디아라비아의전력공급특성를고려하여 22V 에맞추어선정했으며교류 / 직류 (AC/DC) 의비율을 1.1로설정해인버터의설치대수를계산하였다. 터보냉동기선정은국내에서판매되고있는터보냉동기중 COP( 냉동성능계수 ) 가가장높은 L사의제품 [8] 으로선정했으며냉동기용량은가장낮은용량으로판매되는 1 usrt로선정했다. 각제품의세부사항은 Table 2에나타내었다. 2.1.2 태양광터보냉방성능분석방법태양광터보냉방분석은 Fig. 4와같이순차적으로계산된다. 우선설계용량은 PV 출력량으로 12시평균일사량기준 1 usrt 냉방에필요한소비전력이다. 선정된터보냉동기의소비전력은 54.94kW로서이를충족시키기위한설계용량은시스템효율감소를고려하여약 85kW로선정하였다. 선정된설계용량에따라 SAM 프로그램에서매시간출력이계산된다. 이때출력계산에필요한인자는시간별일사랑, 시간별외기온도, 풍속, 기타효율저해요인등이다. 출력량 (kw) 은월별시간평균단위로계산되며계산된출력량은선정된터보냉동기의사양에따라냉방성능 (usrt) 을산출하는데사용된다. 냉방성능계산은 1 usrt 터보냉동기의냉방용량과 54.94kW 소비전력의비인전력변환계수 1.82 usrt/kw를상수값으로이용하였다. Fig. 4. PV cooling model analysis process 36 신재생에너지
태양열흡수식냉방과태양광터보냉방의성능비교 2.2 태양열흡수식냉방시스템및성능분석 2.2.1 태양열흡수식냉방조건선정태양열흡수식냉방시스템은집열기와흡수식냉동기, 기수분리기등으로구성된다. 집열기조건은순환비, 출구온도, 압력, 설치면적등이있다. 순환비는흡수기에서순환하는유량과증기의비이며, 본연구에서는순환비를 1 으로선정하였다. 출구온도및압력조건은흡수식냉동기의사용증기압을통해결정되며가장많이사용되는증기압 9 bar로선정하였다. 이때포화온도인 175 를 LFR 출구온도로결정하였다. 설치면적은 12시기준약 1 usrt 생산을기준으로설정하였다. 흡수식냉동기선정은국내에서판매되고있는제품중 COP가가장높은 L사의제품 [9] 으로선정했으며냉방용량은터보냉동기와같은 1 usrt 로선정했다. LFR 설계조건및흡수식냉동기의세부사항은각각 Table 3과 4에나타내었다. 2.2.2 태양열흡수식냉방분석방법 LFR 흡수식냉방분석은 Fig. 5와같이순차적으로계산된다. 첫과정의설계면적은 1 usrt 냉방을위해필요한 LFR 설치면적 (m 2 ) 이다. 1 usrt 냉방을위해필요한 Fig. 5. solar thermal cooling model analysis model 증기량은 35kg/h이며이때필요한 LFR 반사면적은 515m 2 이다. 선정된설계면적에따라 SAM 프로그램에서월평균시간당증기량이계산된다. 이때증기량계산에필요한인자는직달일사량, 광학효율, 흡수기효율등이있다. 냉방용량은선정된흡수식냉동기의냉방용량과증기생산량의비인증기변환계수.286 usrt/(kg/h) 를이용하여계산하였다. 3. 성능계산결과 3.1 태양광냉방계산결과터보냉방성능은 PV에도달되는일사량에따라결정된다. PV에도달되는일사량은직달일사량, 산란일사량, 외부에서반사되어입사되는량, 세가지를종합하여계산된다. 위의일사량들의합을 POA라하며 [1], 사우디아라비아리야드에서의분기별값을 Fig. 6에나타내었다. POA 는 6 월과 에최대약 1,W/m 2 로높게나타나는것을확인할수있다. 냉방용량은인버터효율 ( ), 모듈효율 ( mod ), 먼지부착효율 ( ), 전력변환계수를고려하여식 (1) 을이용하여계산하였다. 인버터효율은 Table 1에서선정된제품의효율인 96.4% 이며먼지부착효율은리야드에서셀표면위먼지부착으로발생되는 1% 효율감소를고려하여 9% 로설정하였다. [11] 모듈효율은 Table 1의각제품별온도에따른손실이고려돼계산되며이때의 H사제품에서외기온도, 셀온도및모듈효율의관계는 Fig. 7에나타내었다. Solar-to-cooling 비율은총입사된일사량과냉방용량의비이며식 (2) 를통해계산된 Table 3. Design condition of LFR LFR inlet temperature 172 LFR outlet temperature 175 (sat. steam) Table 4. Absorption cooling model Pressure Area 9 bar 515 m 2 POA irradiance (W/m2) 1,2 1, 8 6 4 2 Absorption cooling model Model COP Cooling capacity Steam consumption L 사 1.51 1 usrt 35 kg/h Fig. 6. Monthly average of POA irradiance 217. 9 Vol.13, No.3 37
김종규ㆍ이상남ㆍ박동용ㆍ김하늘 다. 이는 Table 6 에제품별로비교하였다. mod (1) H사와 C사의제품은효율이비슷하여약 55m 2 의설치면적이필요하다. 각제품별설치면적의차이는 Table 5를통해확인할수있다. Solar-to-cooling ratio PV = (2) 월평균냉방성능을 Fig. 8 에나타내었다. 일사량이높은 과 에최대약 1 usrt 의냉방성능이나타나는것을확인할수있으며 의경우낮은일사량으로인해냉방성능이 8 usrt까지감소하는것을확인할수있다. 의일사량이 에비해최대 4W/m 2 정도약 43% 가증가함에도 (Fig. 6 참조 ) 냉방성능은 25% 증가되어 1 usrt에이르게된다 (Fig. 7 참조 ). 이는 의셀온도가약 7 인데반하여 의경우최대 4 정도로약 3 가량낮음으로인하여일사량감소대비성능감소가크지않게나타났다. 동일한출력을생산하기위한태양광설치면적은제품의효율에따라차이를보인다. 세제품중효율값이가장높은 S사제품이 461.6m 2 로가장작은설치면적이필요하며, temperature ( o C) 8 7 6 5 4 3 2 1 외기온도 셀온도 모듈효율 Fig. 7. Monthly average of ambient and cell temperature and module efficiency (H corp.) cooling performance (usrt) 12 1 8 6 4 2 3 월 6 월 9 월 12 월 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Fig. 8. Monthly average of cooling performance (H corp.) efficiency (%) 3.2 태양열냉방계산결과태양열흡수식냉방은직달일사량만을이용하기때문에사용할수있는에너지는태양광보다작다. Fig. 9는분기별사우디아라비아리야드에서의직달일사량을나타내는그래프이다. 직달일사량은 과 최대치가약 9W/m 2 로 POA보다약 1W/m 2 작게나타난다. 태양열시스템의냉방성능은식 (3) 과 (4) 를통해계산된흡수열량에따른증기생산량으로계산된다. 이때광학효율 ( ) 은태양의위치변화에따른반사경의반사각, 그림자 (shadowing) 및 direct normal irrad. (W/m2) 1,2 1, 8 6 4 2 Fig. 9. Monthly average of direct normal irradiation Table 5. PV module total area S사 H사 C사 461.6 m 2 553.5 m 2 548.2 m 2 Table 6. Cooling performance and solar-to-cooling ratio Cooling performance (usrt) 월 / 시간 S사 H사 C사 /12 시 96.1 97.4 96.3 /12 시 9. 89.7 86.4 /12 시 96.1 95.3 92. /12시 78. 8.4 79.7 Solar to cooling ratio 월 / 시간 S사 H사 C사 /12 시.82.7.7 /12 시.76.63.61 /12 시.76.63.61 /12 시.84.73.73 38 신재생에너지
태양열흡수식냉방과태양광터보냉방의성능비교 간섭 (blocking) 등에의해결정되고흡수기효율 ( ) 은외기온도및풍속을기반으로계산된열손실량을통해 결정된다. 이때문에 LFR 효율은시간에따라변하게되며 이는 Fig. 1을통해나타내었다. = (3) = (4) =.2857 (5) Solar to cooling ratio LFR = (6) opticⅹabsorber efficiency.8.7.6.5.4.3.2.1. Fig. 1. Monthly average of LFR efficiency 태양열냉방시스템의증기생산량및냉방성능을 Fig. 11, 12에나타냈으며 12시기준 3, 6, 9 및 의냉방성능과 solar to cooling 비율을 Table 8에정리하였다. Table 8에서 과 에 solar to cooling 비율이 1 이상이며 에는.59 까지감소하는것으로나타났다. 이는 6, 의경우일사량대비냉방성능이크고 3, 의경우일사량대비냉방성능이떨어짐을알수있다. 태양광과달리태양열의 solar to cooling 비가연간크게변하는것으로나타나는데, 이는연간태양의위치에따른반사각의변화등광학효율에미치는영향큰데반하여태양광의경우연간외기온도변화에따른태양광효율에에미치는영향은상대적으로크지않기때문으로판단된다. 냉방성능을보면 6, 에기준냉방용량을초과하지만 3, 에는냉방용량을충족시키지못하고있다. 3.3 성능결과비교태양광과태양열냉방시스템의성능을 Table 9와같이 solar to cooling 비율로나타내었다. 태양열냉방이태양광냉방보다태양에너지를이용하여냉방에활용하는측면에서는효과적으로나타났다. 그러나태양광은일사량으로 steam flow rate (kg/hr) cooling performance (usrt) 6 5 4 3 2 1 Fig. 11. Monthly average of steam flow rate 16 14 12 1 8 6 4 2 Fig. 12. Monthly average of cooling performance Table 7. Steam mass flow rate 구분 기준설계조건 (kg/h) 증기량 /12 시 35.9 /12 시 53.2 /12 시 456.3 /12시 18.8 Table 8. Cooling performance and solar-to-cooling ratio Cooling performance (usrt) /12시 87.4 /12시 143.8 /12 시 13.4 /12시 51.7 Solar to cooling ratio /12시.89 /12시 1.12 /12시 1.2 /12시.59 217. 9 Vol.13, No.3 39
김종규ㆍ이상남ㆍ박동용ㆍ김하늘 Table 9. Yearly average of solar to cooling Solar to cooling S사.8 태양광냉방 H사.68 C사.67 태양열냉방.83 POA를사용하고태양열은직달일사량을사용하는차이가있음을고려할필요가있다. Fig. 8의태양광냉방성능그래프와 Fig. 12의태양열냉방성능그래프를비교하면태양열냉방시스템의경우연간냉방성능변화가태양광시스템에비해크게나타남을알수있다. 이는앞서설명한것과같이일사량변화에따른태양열의광학효율변화가크기때문으로사료되며따라서태양열냉방시스템의경우백업시스템등의운용하는조건으로설치용량의최적화가필요할것으로판단된다. 4. 결론본논문에서는태양광냉방시스템과태양열냉방시스템의성능을비교분석하여다음과같은결론을얻었다. 1) 태양광냉방에사용되는일사량 (POA) 은 2,332kWh/m 2, 태양열냉방에사용되는직달일사량은 2,267kWh/m 2 로 PV 터보냉방이약 3% 더높다. 하지만연간총냉방용량은 PV 터보냉방의경우 1,587kWh/m 2 이며 LFR 흡수냉방은 1,883kWh/m 2 로 LFR 흡수식냉방이약 16 % 높게계산됐다. 2) 태양열냉방은연평균 solar to cooling 비율이.83 이며태양광냉방은.7로나타났다. 하지만태양열냉방은월별대비냉방성능의편차가크기때문에일사량이좋은 과 에는설계에사용된흡수식냉동기의 1 usrt 냉방용량을초과하게된다. 이때문에태양열냉방은일사량에따른설계기준에유의해야한다. 감사의글본연구는한국에너지기술평가원의국제공동연구사업 (2148511119) 을재원으로수행한과제의결과입니다. References [1] Ping Huang, Simona O. Negro, 216, How China became a leader in solar PV: An innovation system analysis, Renewable and suitable Energy Reviews, Vol.64, pp. 777-789. [2] Zhifeng Wang, 21, Prospectives for China s solar thermal power technology development, Energy, Vol.35, pp. 4417-442. [3] Ibrahim I. EI-Sharkawy, Hossam Abdel Meguid, 214, Potential application of solar powered adsorption cooling systems in the Middle East, Applied Energy, Vol.126, pp. 235-245. [4] H.L. Zhang, J. Baeyens, 213, Concentrated solar power plants: Review and design methodology, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.22, pp. 466-481. [5] 이현구, 23, 터보냉동기의특징및관련기술, 한국유체기계학회논문집, Vol.6, No.4, pp. 86-93. [6] 김광제, 1993, 흡수식냉동기의원리, 응용및그운용법, 설비저널, Vol.22, No.1, pp. 17-27. [7] 무급유인버터터보냉동기, 215, LG 전자, B2B, http:// kr.lgeaircon.com/gcac.common.search.retrievesearch Popup.dev?articleNo=13346&menuName1=menu. M5&menuName2=menu.M522#. [8] 스팀형 2중효용냉동기, 215, LG 전자 B2B, http:// kr.lgeaircon.com/gcac.common.search.retrievesearch Popup.dev?articleNo=13439&menuName1=menu. M5&menuName2=menu.M522. [9] P.Gilman, 215, SAM Photovoltaic model Technical Reference, National Renewable Energy Laboratory. [1] Fred Chen, 214, Tokyo Electron, PV Soiling Loss in the Middle East Region. [11] Jim Hinkley et al., 211, Concentrating solar power - drivers and opportunities for cost-competitive electricity, CSIRO. 4 신재생에너지