[논문]진공관식 태양열 집열 튜브의 열성능 비교 분석

현준호; 천원기

문제 정의

본 연구는 온수 급탕을 위한 태양열 이용에 있어 진공관식 태양열 집열기의 효용성에 관한 내용으로 현재 시중에 시판되고 있는 여러 형태의 태양열 집열기들을 비교 분석하고 이들의 기술적인문제, 특히 집열장치와 열에너지 저장장치(축열장치)와의 결합형태에 따른 축열성능을 분석함으로써 최적의 결합방법을 찾아 효율을 증대함은 물론 내구성 증진에도 기여하는데 그 궁극적인 목적이 있다.
본 연구는 현재 보급되고 있는 진공관식 태양열 온수 급탕 시스템의 집열기 내부에 설치되어 있는 다양한 열전달 장치가 집열기의 전체적인 열 성능에 미치는 영향을 분석하고 아울러 이를 바탕으로 평판형과는 전혀 다른 진공관식 태양열 집열기의 열적 및 유체역학적 특성에 대한 이해를 제고하고자 수행되었다. 특히, 최적의 운전 조건은 시스템 성능을 극대화하며 이는 집열기의 구조적 특성에 따라 다르게 나타남을 알 수 있었다.
이들은 모두 펌프를 이용한 강제순환(forced circulation)형태의 가압식으로 '차온 제어기'를이용하여 강제유동을 제어하도록 되어 있다. 본연구에서는 이 세 가지 형태의 결합방식이 어떠한특징을 가지며 집열면적에 따라 어떠한 열성능을나타내는지 비교 분석하였다. 특히, 이러한 실험은 현재 중국, 독일 등 여러 나라에서 연구되고있는 진공관식 태양열 집열기 중에서 all-인ass solar vacuum collector의 기술을 바탕으로한집열기와 축열조의 최적의 기기적 결합 형태를 분석하여, 국내 시장에서의 all-glass solar evacuated (vacuum) tube collector의 개발과 열성능 및 내구성 향상 측면에서 가장 열성능이 뛰어나고 경제적인 부담도 줄일 수 있는 안정되고 효율적인 모델 개발에 실질적인 기여를 할 수 있을것으로 판단된다.

제안 방법

본 연구에서는 단일 진공 유리 튜브(단일 진공관)에 직경이 서로 다른 금속제 관 2개를 삽입하여 냉수가 직경이 작은 내부관으로 유입되어 관의하단부에 이르면 바깥쪽 관을 따라 흐르면서 태양열에 의해 데워지도록 이 중 유로가 설계된 이중관삽입형과 단일 진공 유리 튜브에 히트 파이프를삽입하여 제작한 히트 파이프 삽입형, 그리고 이중 진공관(all-glass solar vacuum collector tube) 에 U자형 유체 순환 파이프를 삽입하여 제작한 서로 다른 세 가지 형태의 진공관식 태양열집열기를 대상으로 실험을 수행하였다.
상기에서 소개한 여러 시스템에 대한 열성능 비교 실측을 위해 본 연구에서는 동일한 집열 면적과 축열 용량을 기본 조건으로 고려하였으며은 집열기 형태별로 이를 정리하여 보여주고있다.
집열기 관내 유량은 집열기 내부의 유로에차있는 열매체의 양을 나타낸 것으로 5mm 이중관을 삽입한 단일 진공관식 태양열 집열 튜브가가장 적은 양의 열매체 함유랑을 보여주고 있다. 열매체는 물을 사용하였고 집열기와 축열조 사이를 순환 펌프에 의해 반복적으로 순환하도록 하였으며, 각 시스템의 펌프, 유량계, 차온제어기는각각 동일한 것을 사용하였다. 그림 4는 실험 장치 구성의한 예를 개략적으로 보여주고 있다.
펌프 작동시 흐르는 유량은 2//min'으로 하였고, 일사량 조건과 주변 공기온도를 같게 하기 위하여 동일한 시간에 동일한 장소에서 실험을 실시하였다. 폄프의 순환을 제어하기 위한 차온 제어 장치의 온도센서는 집열기와 축열조 출구에 설치되었으며 펌프의 작동과 정지를 위한 차온 치로 각각 12℃와 4℃로 설정하였다.
폄프의 순환을 제어하기 위한 차온 제어 장치의 온도센서는 집열기와 축열조 출구에 설치되었으며 펌프의 작동과 정지를 위한 차온 치로 각각 12℃와 4℃로 설정하였다.

대상 데이터

그림 4는 실험 장치 구성의한 예를 개략적으로 보여주고 있다. 이중 진공관식 태양열 집열기의 경우, 집열 튜브의 외경이 각각 58mm와 47mm 그리고 삽입된 U자관의 길이 (1660mm, 1360mm)와 내경 (10mm, 8mm)이 서로 다른 형태를 실측 대상으로 선정하였다. 그러나, 58mm 집 열 튜브는 단순히 U자관이 삽입된 형태로 그림 3에서 보여주는 것과 같은 얇은 열전달 핀이 장착되지 않고 있다.

성능/효과

동일한 조건(집열면적, 축열조 용량, 유량, 일사량, 동일 장소 등)에서 서로 다른 네 가지 형태의 진공관식 태양열 집열기를 실측한 결과, 8mm U자관 삽입형 이 중 진공관식 태양열 집열기를 적용한 시스템의 효율이 약 70%로 가장 우수하게나타났다. 이는 다른 형태의 집열기보다 약 15~ 20% 높은 값으로 진공관식 태양열 집열기의 구조적 및 최적의 작동 특성을 파악하는데 제시하는바가 크다고 하겠다.
이중관 삽입형 단일 진공관식 태양열 집열기의 경우, 집열기 내에서의 빠른열매체의 온도 상승은 좋으나 온도의 변화 폭이최대 30℃에 이르러 상당한 열적 응력을 발생시킬 수 있는 가능성이 상존하는 것으로 나타났다. 또한, 구조적으로도 관내에 또 다른 관이 삽입되어 있는 유로의 형태는 열매체의 원활한 흐름을저해하며 이로 인하여 타 집열기의 경우보다 유로의 마찰 저항이 상대적으로 크고 그만큼 더 많은펌프력을 필요로 하는 것으로 파악됐다. 그리고무엇보다 단일 진공관의 경우 금속과 유리의 완벽한 접합이라는 기술적인 문제를 완벽하게 해결해야하는 난제를 안고 있다.
큰 진폭의 온도 변화는 시스템 내부에 반복적인 열응력을 발생 시켜 시스템 내구성을 약화시키며 결국 시스템의 장기간 사용에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서 고려한 이중관 삽입형의 경우, 헤더와의 연결 부위가 열응력의 발생으로 제일 먼저 누수가 발생하는 취약성을 보였으며 전체적으로도 U자관 삽입형에 비해 내구성이 다소 떨어지는 것으로 관찰 되 었다.
따라서 진공관식 태양열 집열기의 경우, 최고의 열성능을 이루려면 그 집열기의구조와 작동 특성에 걸맞는 최적의 운전 조건을찾아 이를 적용하여야 할 것이다. 본 연구의 8mm U자관삽입형이 최고의 열성능을 보이는 것은 U자관을 감싸고 유리관 내부에 밀착되어 있는금속fin의 효과를 확연히 보여주고 있다고 할 수 있다.<표 2>는 실험 결과 비교치를 표로 나타낸것이다.
우선, 본 논문에 비교된 진공관식 태양열 집열기의 구조를 살펴보면, 이중관 삽입 형태, U자관형, 히트 파이프 삽입 형태 등의 세 가지 유형이 있다. 이들은 모두 펌프를 이용한 강제순환(forced circulation)형태의 가압식으로 '차온 제어기'를이용하여 강제유동을 제어하도록 되어 있다.
이는 다른 형태의 집열기보다 약 15~ 20% 높은 값으로 진공관식 태양열 집열기의 구조적 및 최적의 작동 특성을 파악하는데 제시하는바가 크다고 하겠다. 이중관 삽입형 단일 진공관식 태양열 집열기의 경우, 집열기 내에서의 빠른열매체의 온도 상승은 좋으나 온도의 변화 폭이최대 30℃에 이르러 상당한 열적 응력을 발생시킬 수 있는 가능성이 상존하는 것으로 나타났다. 또한, 구조적으로도 관내에 또 다른 관이 삽입되어 있는 유로의 형태는 열매체의 원활한 흐름을저해하며 이로 인하여 타 집열기의 경우보다 유로의 마찰 저항이 상대적으로 크고 그만큼 더 많은펌프력을 필요로 하는 것으로 파악됐다.
있다. 집열기의 입구와 출구의 온도, 축열조의 평균온도 그리고 주위의 공기의 온도 변화를 살펴볼 수 있으며, 이를 바탕으로 각 시스템의 전체적인 작동 상황을 파악할 수 있다, 그림 5를 살펴보면 태양열의 집열과 함께 집열기 입구와 출구의 온도가 상승하며 이에 따라 축열조의 평균 온도도 점점 높아짐을 알 수 있다. 축열조의 평균온도가 집열기에 공급되는 열매체(물)의 온도와 거의 근접하게 나타나는 것은 집열기 내의 잔류유량이 축열조의 전체 용량에 비해 상대적으로 작은 데에서 기인하는 것으로 이는 다른 형태의 시스템에서도 관찰되었다.
수행되었다. 특히, 최적의 운전 조건은 시스템 성능을 극대화하며 이는 집열기의 구조적 특성에 따라 다르게 나타남을 알 수 있었다.
한편, 10mm U자관 삽입형과 히이트 파이프삽입형은 이중관 삽입형 진공관식 태양열 집열기와 유사한 온도 변화를 보여주었으나, 집열기 내의 유체의 헤더에의 유입에 따른 온도 변화는이중관형보다 훨씬 작게 나타났다. 이는 앞서도 언급됐듯이 집열기가 수평과 경사지게 설치되어 밀도차에 의한 대류 현상으로 집열기 내부의 유체의 온도가 더미스터에 적지 않게 feedback 되었기 때문으로 판단된다, 또, 이중관 삽입형에 비해 온도 peak의 수가 작게 나타났는데, U 자관 삽입형의 경우 관 내부의 열매체의 유량이 많아 열매체를 가열하는데 그만큼 시간이 많이 걸리기 때문으로 보인다.

후속연구

본연구에서는 이 세 가지 형태의 결합방식이 어떠한특징을 가지며 집열면적에 따라 어떠한 열성능을나타내는지 비교 분석하였다. 특히, 이러한 실험은 현재 중국, 독일 등 여러 나라에서 연구되고있는 진공관식 태양열 집열기 중에서 all-인ass solar vacuum collector의 기술을 바탕으로한집열기와 축열조의 최적의 기기적 결합 형태를 분석하여, 국내 시장에서의 all-glass solar evacuated (vacuum) tube collector의 개발과 열성능 및 내구성 향상 측면에서 가장 열성능이 뛰어나고 경제적인 부담도 줄일 수 있는 안정되고 효율적인 모델 개발에 실질적인 기여를 할 수 있을것으로 판단된다.

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