[논문]반사경 배치와 흡수기 형상에 따른 접시형 고온 태양열 시스템 성능비교

마대성; 김용; 서태범

반사경 배치와 흡수기 형상에 따른 접시형 고온 태양열 시스템 성능비교
Performance Comparison of Dish Solar Collector With Mirror Arrays & Receiver Shapes 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.27 no.1, 2007년, pp.29 - 38

마대성 (한국인하대학교 기계공학과 대학원) , 김용 (한국인하대학교 기계공학과 대학원) , 서태범 (인하대학교 기계공학부대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to analyze the performance comparison of dish solar collector with mirror arrays and receiver shapes, the radiative heat flux distribution inside the cavity receiver is numerically investigated. The solar irradiation reflected by dish solar collector is traced using the Monte-Carlo method. Five different dish solar collectors and three different cavity receivers are considered. A parabolic-shaped perfect mirror of which diameter is 1.5 m is considered as a reference dish solar collector and four different arrays of twelve identical parabolic-shaped mirror facets of which diameter are 0.4 m are used. Their reflecting areas, which are $1.5\;m^2$, are the same. Three different cavity receiver shapes are dome, conical, and cylindrical. In addition, the radiative properties of the concentrating surfaces can vary the thermal performance of the cavity receiver so that variation of the surface reflectivity of each mirror is considered. Based on the calculation, the design information of dish solar collector for producing the electric power can be obtained. The results show that the dome type has the best performance in receiver shapes and the 2AND4 INLINE has the best performance in mirror arrays except perfect mirror.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

각각의 서로 다른 반사경 배치와 흡수기 형상에 대해 통계적인 방법으로 복사 열전달을 해석하여 흡수기 내부에서의 복사 열유속 분포를 계산하고자 한다. 계산 결과로부터 각각의 경우에 대한 흡수기의 열성능을 분석하며 성능이 가장 우수한 반사경 배치 및 흡수기 형상 조합을 찾고자 한다.
따라서 본 연구에서는 접시형 고온 태양열 시스템의 반사경 배치 및 흡수기 형상에 따른 시스템의 열성능 변화를 분석하고자 한다. 이를 위해 4가지의 반사경 배치 형태와 3가지 흡수기 형상이 제안되었다.
것이다. 또한, 제안한 각 흡수기 형상 및 표면특성에 따른 흡수기 내부 열유속 분포 형태 및 흡수기 성능도 비교하고자 한다.
본 연구에서는 수치 해석적으로 접시형 고온 태양열 시스템에 대한 성능해석을 시도하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

계산을 수행하기에 앞서 기준이 되는 반사경 배치는 단일접시 (perfect miiror)*로 정하였다. 그림 1은 단일접시로 구성된 고온 태양열 집열기를 보여주고 있다.

제안 방법

이를 위해 4가지의 반사경 배치 형태와 3가지 흡수기 형상이 제안되었다. 각각의 서로 다른 반사경 배치와 흡수기 형상에 대해 통계적인 방법으로 복사 열전달을 해석하여 흡수기 내부에서의 복사 열유속 분포를 계산하고자 한다. 계산 결과로부터 각각의 경우에 대한 흡수기의 열성능을 분석하며 성능이 가장 우수한 반사경 배치 및 흡수기 형상 조합을 찾고자 한다.
한편 복사손실은 개구부 면적이 클수록, 내부 표면적이 작을수록 증가한다. 따라서 흡수기 성능은 이 두 가지 손실을 모두 고려해야 정확하게 예측할 수 있으나 본 연구에서는 복사 열전달만을 고려하기로 한다. 대류 손실에 대한 연구는 추후 계획 중이다.
94 W/m2, 500, 000 ray)의 태양광을 반사경에 입사시켰다. 또한, 모든 태양빛이 반사경 개구부를 향해 수직으로 입사하도록 하였다.
반사경 배치에 따른 접시형 고온 태양열 시스템의 성능 변화를 알아보기 위해 Catia(Dassault systems)을 사용하여 그림 2와 같이 전체 개구부 면적이 단일 접시와 동일한 4가지의 반사경 배치를 모델링하였다. 각각의 반사경 배치는 12개의 동일한 거울을 사용하였고, 반사경의 표면은 포물면이 되도록 하였다.
변화를 분석하고자 한다. 이를 위해 4가지의 반사경 배치 형태와 3가지 흡수기 형상이 제안되었다. 각각의 서로 다른 반사경 배치와 흡수기 형상에 대해 통계적인 방법으로 복사 열전달을 해석하여 흡수기 내부에서의 복사 열유속 분포를 계산하고자 한다.
흡수기 형상 변화에 따른 접시형 고온 태양열 시스템의 성능 변화도 알아보기 위해, 그림 4과 같은 3가지 모양을 제안하였다. 각 흡수기 모두 폭이 160 mm이고, 높이가 170 mm로 동일하다.

이론/모형

고온 태양열 집열기 복사 열전달 및 흡수기 내부의 태양열 복사를 모델링하기 위해 Monte Carlo Method)를 사용하는 광학 해석 프로그램인 TracePro를 사용하였다. Monte Carlo M어나iod 는 초기에 광원에서 난수(Random number)를 생성시켜 반사경에 균일한 광자다발(Photon bundle)을 분포시켰다.

성능/효과

(1) 반사경의 반사율 증가에 따라 전체 흡수된 에너지는 선형적으로 증가하였다.
(2) 흡수기 내부표면의 흡수율 증가에 따라 전체 흡수된 에너지는 점차적으로 증가하였다.
(5) 제안된 구성 중 최적 시스템 구성은 반사경을 Case I 으로 배치하고 흡수기는 receiver 2를 사용할 때라는 것을 알 수 있다.
따라서 최적의 반사경 배치를 사용하면 약 10% 내의 전체 시스템 성능 향상에 기여할 것이다. 이를 통해 반사경 배치에 따른 전체 시스템의 성능 변화의 정도를 알 수 있다.

후속연구

따라서 흡수기 성능은 이 두 가지 손실을 모두 고려해야 정확하게 예측할 수 있으나 본 연구에서는 복사 열전달만을 고려하기로 한다. 대류 손실에 대한 연구는 추후 계획 중이다.
앞서 제안한 개구부 면적, 초점거리가 같은 5 가지 반사경의 배치 및 표면특성에 따른 흡수기 내부에서의 열유속 분포 형태와 크기를 비교할 것이다. 또한, 제안한 각 흡수기 형상 및 표면특성에 따른 흡수기 내부 열유속 분포 형태 및 흡수기 성능도 비교하고자 한다.
현재 태양열 고집광 관련 기술은 매우 빠른 성장기에 있으며 향후 중장기적인 관점에서 태양열 이용의 극대화를 달성하기 위해서는 보다 새로운 개념의 고효율 집광기술 개발과 설계, 그리고 이용기술의 최적화가 필요하다. 이런 고효율 고집광 기술의 대표적인 것이 바로 접시형 고온 태양열 시스템이다.

참고문헌 (7)

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Kang, M. C., Flux Density Distribution of the Dish Solar Concentrator (KIERDISH), Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 24, No.4, pp.11-18 2004
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Thomas, R. M., Analysis and Design of Two Stretched Membrane Parabolic Dish Concentrators, Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 113, pp. 180-187 ,1991

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Jo, D. K, A Survey of Direct Normal Insolation Resources for the Construction of Solar Thermal Power Generation Sites in Korea, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 25 No.1, pp. 11-18, 2005
Johnston, G., Focal Region Measurements of the 20 $m^2$ Tiled Dish at the Australian National University, Solar Energy, Vol. 63, No.2, pp. 117-124, 1998

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