태양광 열(PVT) 기술의 역사적 발전: 개념에서 상용화까지

소개

지난 반세기 동안 세계 에너지 구조는 엄청난 변화를 겪었습니다. 태양광 및 태양열(PVT) 통합 시스템은 전기와 열이라는 두 가지 기본적인 에너지 수요를 동시에 충족할 수 있는 혁신적인 솔루션으로 점차 부상하고 있습니다. PVT 시스템은 태양광 전지와 태양열 집열기를 하나의 평판에 통합하여 태양 복사 에너지 활용을 극대화할 뿐만 아니라 전반적인 에너지 변환 효율을 크게 향상시킵니다.

PVT 태양광 패널은 일반적으로 비교적 새로운 기술 개념으로 여겨지지만, 그 역사는 1950년대로 거슬러 올라갑니다. 1970년대 초 실험용 시제품부터 오늘날 점차 성숙 단계에 접어든 상용화에 이르기까지, PVT의 개발 과정은 기술 혁신, 정책 지원, 그리고 시장 개척의 조화로운 발전을 포함하여 재생에너지 개발의 더 넓은 길을 보여줍니다. 본 논문은 PVT 기술의 역사적 맥락을 정리하고, 이 기술이 이론적 개념에서 상업적으로 실현 가능한 종합적인 에너지 솔루션으로 점진적으로 발전해 온 과정을 살펴보고자 합니다.

기원: 1970년대 - 개념의 초기 단계

PVT 기술의 초기 단계는 1970년대였습니다. 이 시기에는 1973년과 1979년 두 차례의 석유 위기로 인한 에너지 안보 위기가 닥치면서 재생에너지에 대한 전 세계적인 관심이 급격히 높아졌습니다. 연구자들은 화석 연료의 대안을 적극적으로 모색하고 있습니다. 태양 에너지는 보편성과 지속가능성으로 인해 가장 유망한 분야 중 하나로 여겨집니다.

전통적인 태양 에너지 활용은 태양광 발전과 태양열 발전, 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 그러나 엔지니어들은 태양광 발전 운영 중 온도 상승이 발전 효율 저하로 이어진다는 것을 발견했습니다. 이러한 현상은 핵심적인 아이디어를 낳았습니다. 태양광 패널을 냉각하는 동안 발생하는 폐열을 회수하여 열에너지를 효과적으로 활용할 수 있을까요? 

1970년대 초 PVT 개념은 주로 공기 시스템에 기반을 두었으며, 건물의 난방 및 환기 시스템과의 결합을 목표로 했습니다. 기본 구조는 태양광 패널로 구성되며, 그 뒤에는 뜨거운 공기를 포집하고 순환시키는 공기 흐름 채널이 있습니다. 효율 향상은 크지 않지만, 이는 이중 기능 시스템으로서 PVT의 개념적 토대를 마련했습니다.

확장과 기술 발전: 1980년대~1990년대 

1980년대와 1990년대는 태양광 기술이 꾸준히 발전하고 학문적 관심이 점점 더 높아졌던 시기였습니다. 결정질 실리콘 태양광 패널의 대중화와 비용 효율성 향상으로 연구자들은 공기 순환보다 더 효과적인 냉각 방식으로 액체 냉각을 연구하기 시작했습니다.

공기 기반 태양광(PVT) 시스템은 파이프라인 설계를 개선하고 공간 난방 시스템과 통합하여 개선되었습니다.

이는 물이나 부동액을 열전달 매체로 사용하여 열을 더욱 효과적으로 흡수하는 액체 태양광(PVT) 시스템의 개발을 촉진했습니다. 이 방식은 태양광 패널을 효과적으로 냉각하고 더 높은 열 출력을 달성할 수 있어 가정용 온수 또는 산업용으로 적합합니다.

이 기간 동안 유럽, 북미, 아시아 지역 대학에서 수많은 실험실 연구와 실험 설비가 수행되었습니다. 에너지 흐름 분석, 성능 예측, 설계 최적화를 위한 기술 모델이 개발되었습니다. 상업적 이익은 제한적이지만, 현대 태양광 기술의 학문적 기반은 확고히 구축되었습니다.

21세기 초는 세계 재생에너지 발전에 있어 중요한 전환점이었습니다. 이 시기에 유럽과 일본은 태양에너지 기술의 대규모 연구 및 적용 시연을 주도했습니다. 이러한 배경에서 건물 일체형 태양광 및 태양열 시스템(BIPVT)이 등장했습니다. BIPVT는 태양광 집열기를 외벽, 채광창, 지붕 구성 요소 등 건물 외피의 일부로 통합할 뿐만 아니라, 발전, 난방, 건축 미관, 단열 성능을 통합적으로 구현하여 건물의 종합적인 에너지 효율과 시각적 아름다움을 크게 향상시킵니다.

유럽은 EU 재생에너지 계획의 시범 사업을 통해 도시 에너지 시스템에 태양광 발전을 통합하는 방안을 적극적으로 모색하고 있습니다. 일본은 에너지 자립률을 높이고 수입 연료 의존도를 줄이기 위한 국가 전략에 태양광 연구를 포함시켰습니다. 한편, 태양광 발전은 히트펌프, 계절별 열 저장, 지역난방망 등 다양한 기술과 결합하여 하이브리드 에너지 시스템을 구축하기 위한 시도를 시작했습니다. 당시에는 아직 틈새시장에 국한되었지만, 다양한 분야를 아우르는 통합 가능성은 정책 입안자와 업계의 관심을 끌었습니다.

2010년대에 들어서면서 태양광 발전 비용이 크게 하락하고 기후 문제의 심각성이 높아지며 정책 인센티브가 강화됨에 따라 전 세계적으로 재생에너지 보급이 가속화되고 있습니다. PVT 기술 또한 점차 연구실 단계를 벗어나 상용화 초기 단계로 접어들고 있습니다. 유럽, 이스라엘, 아시아의 많은 기업들이 평판형 집열기, 유광/무광 타입, 집광 시스템 등 다양한 PVT 제품을 잇따라 출시했습니다. 이 단계에서 상용화를 촉진하는 주요 요인은 다음과 같습니다.

• 고효율 열교환기, 선택적 흡수 코팅, 오래 지속되는 포장 공정 등 소재 기술의 발전

• 시스템의 전반적인 에너지 효율성이 향상되었으며, 종합적인 이점은 일반적으로 70%를 넘습니다. 이는 공간이 제한된 상황에서 특히 유리합니다.

•  주거, 상업, 산업 분야에서 분산형 에너지 솔루션에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있습니다.

• 실제 사례를 통해서도 PVT 시스템의 여러 가지 이점이 확인되었습니다. 여기에는 에너지 비용 절감, 태양 에너지의 자가 소비율 증가, 전기와 열을 함께 활용하는 측면에서 투자 수익률 개선 등이 포함됩니다.

2020년 이후, "탄소 중립"이라는 목표와 점점 더 엄격해지는 기후 정책에 힘입어 세계 에너지 전환은 새로운 국면에 접어들었습니다. 많은 국가들이 21세기 중반까지 탄소 중립 목표를 설정하면서 태양광 및 태양열 집적 기술에 대한 폭넓은 전망을 제시했습니다. PVT와 같은 집적 태양열 기술은 이제 전례 없는 발전 기회를 누리고 있습니다.

COVID-19 팬데믹은 에너지 회복력과 지역화된 청정 에너지 생산의 중요성을 더욱 부각시켰습니다. 따라서 PVT는 다음 분야에서 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 

• 주민과 가족들은 전기와 온수 수요를 충족할 수 있는 효율적인 시스템을 원합니다.

• 상업용 건물은 BIPVT 통합으로 인해 운영 에너지 비용이 절감되는 이점을 얻었습니다. 

• 산업 공정, 특히 식품 가공, 섬유 및 화학 산업에서는 중저온 열이 매우 중요합니다. 

그 사이, 기술 혁신은 끊임없이 가능성을 확대하고 있습니다. 

• PVT와 히트펌프를 결합함으로써 계절 내내 효율적인 난방과 냉방이 가능해졌습니다. 

• 열에너지 저장장치와 통합되어 부하 관리가 더욱 향상되었습니다. 

• 지능형 제어 시스템은 수요 매칭과 전력망 상호 작용을 개선했습니다.

오늘날 PVT는 더 이상 실험적 기술로 여겨지지 않고 수십 개의 상업 공급업체의 지원을 받으며 전 세계적으로 점점 인기를 얻고 있는 재생 에너지 시장의 강력한 경쟁자가 되었습니다.

대중화를 촉진하는 이점

PVT가 매우 가치 있는 태양 에너지 솔루션으로 인정받는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다.

• 높은 종합 효율: 태양광 및 태양열(PVT) 통합 시스템의 종합 효율은 70% 이상에 달할 수 있으며, 독립형 태양광 시스템의 효율은 약 20%입니다. 태양열 에너지 이용 효율은 일반적으로 40%에서 60% 사이입니다.

• 탁월한 태양광 성능 및 내구성: PVT 시스템은 효과적인 열 방출을 통해 태양광 모듈의 열 스트레스를 줄이고 서비스 수명을 연장하며 발전 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 

• 효율적인 공간 활용: PVT 시스템은 동일한 면적에 전기 에너지와 열 에너지를 동시에 출력할 수 있는데, 이는 도시나 공간이 제한된 적용 시나리오에서 특히 중요합니다. 

• 폭넓은 적용 분야: 주거, 상업, 산업, 농업 등 다양한 시나리오에서 폭넓게 사용될 수 있습니다. 

• 지속 가능한 개발 목표에 따라: PVT 기술은 탄소 배출을 줄이고, 재생 에너지를 그리드에 통합하는 것을 촉진하며, 분산형 에너지 전략의 구현을 지원합니다.

도전과 과제 

태양광 발전(PVT)은 진전을 이루었지만 다음과 같은 많은 과제에도 직면해 있습니다.

• 독립적인 태양광이나 태양열 발전과 비교했을 때 초기 비용이 더 높습니다. 

• 시스템 설계 및 유지관리에 대한 요구 사항은 복잡합니다. 

• 기존 태양광 발전과 비교해 볼 때, 현재 시장에서는 태양광 열 통합(PVT) 기술에 대한 이해가 상대적으로 제한적입니다. 

• 현재의 정책 지원 시스템은 이러한 하이브리드 기술의 특성을 충분히 고려하지 못하는 경우가 많아, 인센티브 조치를 신청할 때 수많은 제한을 받게 됩니다. 

• 이런 병목 현상을 극복하는 것은 태양광 및 태양열 시스템의 대규모 적용을 촉진하고 에너지 잠재력을 최대한 발휘하는 데 매우 중요합니다.

결론 

1970년대 개념 제안부터 오늘날의 점진적인 상용화에 이르기까지 PVT 기술의 발전을 돌이켜보면, 이 기술은 거의 50년에 걸쳐 발전해 왔습니다. 이는 태양에너지 활용 방식이 "단일 발전" 또는 "단일 열 생산"에서 "열병합 발전"의 통합 모델로 전환되었음을 의미할 뿐만 아니라, 재생에너지 산업이 실험적 탐색에서 시장 적용으로 전환되는 전반적인 추세를 반영합니다. 

탄소 중립을 향한 전 세계적 공동 노력 속에서, 고효율 복합 에너지 변환, 안정적인 열병합 발전, 그리고 탁월한 시스템 적응성을 갖춘 PVT 기술은 독보적인 응용 가능성을 보여줍니다. 다양한 에너지 소비 시나리오에 적용 가능할 뿐만 아니라, 청정성, 저탄소, 유연성, 그리고 고효율성이라는 미래 에너지 시스템의 다양한 요건을 더욱 효과적으로 충족합니다. 

PVT의 발전사는 단순히 기술의 성숙 과정일 뿐만 아니라, 혁신 메커니즘, 정책 지원, 그리고 시장 수요가 에너지 전환을 주도하는 데 기여한 공동의 효과를 생생하게 보여주는 사례입니다. 앞으로 PVT는 재생에너지 중심의 새로운 에너지 시스템 구축에 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.