홍콩 도시대학교 연구팀은 태양광 발전 효율을 높으면서 건물의 에너지 소비를 줄일 수 있는 혁신적인 열변색 이중면 태양광 유리창(TC-BiPV) 시스템을 개발했다. 이 시스템은 수분젤 기반의 열변색 층과 이중면 태양광 모듈을 결합해 태양광 투과율을 동적으로 조절하면서 양면에서 태양광을 수집한다.

시스템 작동 원리

이 시스템은 외부에서 내부로 이어지는 순서대로 이중면 태양광 유리, 공기층, 수분젤 유리로 구성된다. 이중면 태양광 유리는 두 개의 투명 유리 사이에 태양광 셀이 삽입된 구조이며, 수분젤 유리는 두 개의 유리 사이에 열변색 수분젤 층이 삽입된 구조이다. 온도가 상승할수록 수분젤은 투명에서 반투명으로 전환되어 태양열 흡수를 줄이면서도 시각적 및 열적 편안함을 유지한다.

전환 온도 이하에서는 수분젤이 투명 상태로 유지되어 실내 조명을 위한 태양광 투과가 가능하다. 전환 온도 이상에서는 반투명 상태로 전환되어 태양열 흡수를 줄인다. 고온 상태에서는 수분젤이 이중면 태양광 유리의 뒷면으로 빛을 반사해 뒷면의 전력 생성을 향상시킨다. 이 설계는 폐기되는 에너지를 효과적으로 수집해 전체 시스템 효율을 높인다.

이 시스템은 스펙트럼 선택성을 갖추고 있어 앞면의 이중면 태양광 유리는 전체 태양광 스펙트럼을 받고, 뒷면의 태양광은 태양광 셀의 반응 범위에 집중된다. 이는 수분젤 상태가 외부 온도, 태양광 조도, 입사각에 반응하며 시스템 성능을 방향과 기후 조건에 따라 연계시킨다.

성능 및 이점

프로토타입은 약 45%의 커버리지로 6×6 매트릭스에 배치된 이중면 태양광 셀과 1mm 두께의 수분젤 층이 유리 사이에 밀봉되어 제작되었다. 조립에는 5cm의 공기층이 포함되어 전선 배선, 고정, 수분젤 및 태양광 유리의 독립적 교체를 가능하게 해 유지보수를 용이하게 한다.

주저자 천얀 조는 프로토타입 실험 결과를 발표하며 여름 테스트 날에 TC-BiPV 유리창이 단독 열변색 유리보다 약 30%의 태양열 흡수를 줄이고 테스트 박스의 공기 온도를 최대 4.8°C 낮췄다고 밝혔다. 기존 이중면 태양광 유리와 비교하면 TC-BiPV는 직접 태양열 흡수를 약 62.6% 줄이고 테스트 박스 온도를 최대 15.1°C 낮추며 전력 생산량을 약 16.5% 증가시켰다.

열대 지역에 대한 연간 시뮬레이션 결과에 따르면 TC-BiPV 이중면 유리의 이득은 천장 유리의 경우 9-18%, 수직 창문의 경우 6-14%로, 이중면 태양광 유리(BiPV)의 4-5% 및 5-7%보다 높다. 분석 결과, 천장 설치 시 TC-BiPV는 BiPV 대비 연간 실내 열 흡수를 27.7%, TC 유리 대비 38.4% 줄였으며, 외벽 창문의 경우 각각 9.1% 및 40.1% 감소했다.

중요성

TC-BiPV 시스템은 냉방 부하를 줄이면서 현지 태양광 발전을 향상시키는 확장 가능한 수동 시스템으로, 열대 기후 지역의 에너지 효율적인 건물 외피에 실용적인 가능성을 제공한다. 조는 이 시스템이 특히 냉방 수요가 높은 열대 지역의 건물 에너지 소비를 줄이기 위한 실용적인 해결책으로 설계되었다고 설명했다.

기존의 열변색 재료인 바나듐 산화물(VO₂) 및 퍼로브스카이트는 고전환 온도, 독성, 대규모 제조의 어려움 등 한계가 있다. 반면 수분젤 기반의 열변색 유리 창은 전체 스펙트럼 조절, 저비용, 확장 가능성을 갖추고 있어 실제 적용에 더 실용적이다.

열변색 기능과 이중면 태양광 기능을 하나의 시스템에 통합하는 것은 고급 유리 창 응용 분야에서 매우 바람직한 방향이다. 이전의 혼합 솔루션인 태양광 블라인드나 추적형 태양광 모듈은 수동 또는 기계적 조정에 의존해 운영 복잡성과 비용이 증가했다. TC-BiPV 시스템은 이러한 한계를 극복해 수동 및 능동형 태양광 기술을 하나의 효율적인 설계에 통합했다.

이 시스템은 ‘실험 및 수치적 분석을 통한 새로운 열변색 이중면 태양광 유리 창 시스템 연구’라는 제목의 논문으로 ‘Building and Environment’ 저널에 발표되었다. 연구는 TC-BiPV 시스템이 기존 냉방 시스템에 대한 의존도를 줄이고 재생 가능 에너지 사용을 증가시켜 건물 에너지 효율을 혁신적으로 개선할 잠재력을 보여준다.

이 연구는 PV 커버리지 비율과 수분젤 전환 온도 같은 주요 설계 요소를 통해 특정 건물 요구 사항과 기후 조건에 따라 시스템 성능을 최적화할 수 있음을 강조했다. 이러한 유연성은 주거용 건물부터 상업용 건물에 이르기까지 다양한 응용 분야에 적합하게 만든다.

글로벌 에너지 효율 건물 솔루션 수요가 지속적으로 증가하는 가운데, TC-BiPV 시스템은 지속 가능한 건축 분야에서 유망한 혁신으로 주목받고 있다. 추가 개발 및 테스트를 통해 이 시스템은 탄소 배출 감소 및 에너지 비용 절감을 목표로 하는 건물의 표준 기능으로 자리매김할 수 있다.