중국 과학자, 열 흐름 제어가 가능한 태양광 창문 발명

중국의 과학자 그룹이 새로운 스마트 태양광(SPV) 창 건물에 들어오는 태양 복사선의 양을 보정하면서 전기를 생성합니다.

“저희 연구는 건물 에너지 효율성과 전력망 친화성을 동시에 개선하기 위한 특수 목적 창문과 그 운영 제어 전략을 제시합니다.”라고 해당 저자인 Yutong Tan이 말했습니다. “연구 결과에 따르면 열 흐름 제어 전략이 적용된 SPV 창문은 기존의 저방사율(Low-E) 창문에 비해 과도한 일광-조명 비율, 피크 부하, 평균 일일 피크-밸리 차이, 연간 순 에너지 소비를 크게 줄이는 것으로 나타났습니다.”

이 시스템은 결정질 실리콘 셀과 전기변색 필름을 결합합니다. 제안된 광변색 장치(PECD)는 태양광을 에너지로 변환하는 광전지 기능과 창문의 투명도를 변경하고 건물에 닿는 태양 복사를 측정하는 전기변색(EC) 기능을 결합합니다.

창문은 투명한 유리 커버, 기능층, 투명한 유리 기판, 아르곤 가스 챔버, Low-E 유리 시트로 구성되어 있습니다. EC 필름은 유리의 두 번째와 세 번째 표면 사이에 끼워지고 Low-E 코팅은 다섯 번째 표면에 증착됩니다. 효과적인 일광 아래 영역에는 11.6% 효율의 결정질 실리콘의 3mm 두께 스트립이 장착되었습니다.

연구팀은 "EC 필름은 두 개의 투명 전극, 이온 저장층, 이온 전도층, 전기변색층을 포함한 5개 층으로 된 두 개의 투명 기판 사이에 샌드위치되어 있다"고 설명합니다. 전압을 인가하지 않았을 때 EC 필름은 최대 가시광 투과율을 가진 표백 상태였습니다. EC 멤브레인에 전압을 인가하면 이온 저장층의 리튬 이온이 전기변색층으로 몰려들고 전기변색층의 텅스텐 삼산화물이 리튬 이온과 마주치면서 착색되기 시작합니다. 인가되는 전압이 높을수록 전기변색 필름의 색상이 어두워져 가시광선 투과율이 낮아집니다.

구조는 Window 프로그램으로 구축한 다음 건물 시뮬레이션 소프트웨어 EnergyPlus로 내보냈습니다. 건물의 치수는 길이 50.0m, 깊이 4.6m, 높이 2.7m이며, 창문 대 벽 비율은 77%입니다. 건물은 5월부터 10월까지의 냉방기 동안 푸저우, 샤먼, 홍콩, 하이커우에서 시뮬레이션되었습니다. 월 평균 시간당 태양 복사 최대치는 각각 482W/m2, 444W/m2, 468W/m2, 534W/m2였습니다.

제안된 스마트 윈도우에 대해 두 가지 제어 전략, 즉 태양 복사 제어(CtrlRad)와 열 흐름 제어(CtrlFlux)가 만들어졌습니다. CtrlRad에서 채색 상태는 입사 태양 복사 임계값에 따라 달라지는 반면, CtrlFlux에서 채색 상태는 윈도우를 통과하는 열 흐름의 밀도에 따라 달라집니다. 또한 일반적인 Low-E 윈도우가 기준으로 시뮬레이션됩니다.

학계 분석에 따르면 CtrlFlux 제어 전략을 적용한 SPV 창은 Low-E 시스템과 비교했을 때 과도한 일사율, 피크 부하, 평균 일일 피크-밸리 차이, 연간 순 에너지 소비량을 각각 81.6%에서 93.1%, 49.3%에서 54.5%, 54.7%에서 65.8%, 49.1%에서 69.2%로 줄일 수 있었습니다. CtrlRad 제어 전략의 경우, Low-E 시스템과 비교했을 때 감소율은 각각 92.1%에서 96.6%, 50.9%에서 57.3%, 44.0%에서 54.2%, 44.0%에서 54.2%였습니다.

"효과적인 일광 활용, 피크 부하, 피크-밸리 차이, 순 에너지 소비를 고려할 때, 열 흐름 제어 전략을 적용한 SPV 창문의 평균 전체 성능 개선은 55.5%입니다." 팀은 결론지었습니다. 첸 박사는 "향후에는 스마트 PV 창문을 사용하여 실내 일광 및 열 환경을 만드는 방법도 조사할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

이 시스템은 저널 Applied energy의 "Evaluating the energy efficiency and grid-friendlyness of smart photovoltaic windows combined crystalline silicon cells and electrochromic thin films"에 게재되었습니다. 이 연구는 중국 후난 대학과 중국 교육부 건물 안전 및 에너지 절약 핵심 실험실의 과학자들이 수행했습니다.