[논문]이중진공관형 태양열 집열기의 연간 집열효율에 관한 연구

김기철; 팽진기; 윤영환

이중진공관형 태양열 집열기의 연간 집열효율에 관한 연구
A Study on the Annual Storage Efficiency of Concentric Evacuated Tube Solar Energy Collector System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.28 no.4, 2008년, pp.50 - 55

김기철 (창원대학교 기계공학과) , 팽진기 (창원대학교 기계공학과) , 윤영환 (창원대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Storage efficiency of concentric evacuated tube solar collector is tested for one year from January 1st to December 31st under the real sun condition. The testing equipment is operated continuously for three days without cooling the storage tank. Daily storage efficiency is obtained from dividing stored energy in the storage tank by solar insolation on the solar collector for each day. Daily averaged temperature of the storage tank is lowest in January and highest in August. Monthly averaged storage efficiency is also lowest in November and highest in June. Therefore, it can be said that the storage temperature and the storage efficiency are roughly proportional to outdoor temperature. Furthermore, the daily storage efficiency is reversely proportional to $(T_s-T_a)/I_c$ where $T_s$ and $T_a$ are daily averaged storage temperature and outdoor temperature from sunrise to sunset, and $I_c$ is total insolation on the solar collector for a day.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

온도 측정 지점은 열저장조 내의 동작유체의 온도, 태양열 집열기의 입구 및 출구 지점의 온도, 및 외기 온도 등이다. 그리고 일사계로 일사량을 측정 했으며 동작유체의 순환 유량은 전자유량계로 측정하였다. 그리하여 모든 데이터가 Hybrid Recoder에서 매분마다 측정되어 컴퓨터에 저장한다.
본 실험의 측정조건은 태양열 집열판을 옥상에 설치하고 열저장조 및 측정 장치들은 실험실 내에 설치하여 측정기간은 1월 1일부터 12월 31일까지 일출 시간부터 일몰 시간까지 시스템을 가동하였다. 그리고 측정 첫째 날부터 3일간 열저장조를 냉각하지 않고 연속 운전하였으며 제 3일 날 일몰 이후 열저장조의 온도를 당일 수돗물 온도까지 냉각하여 초기화하고 다시 이와 같이 반복하는 방법으로 실험하였다.
태양열 온수 집열기는 년간 사용하는 장치이나 연간 성능시험에 관한 문헌은 매우 부족하다. 따라서 본 논문은 경남 창원 지역의 건물 옥상에 태양열 온수 집열기를 설치하고 실험실에 온수 저장탱크를 설치하여 2007년 1월 1일부터 12월 31일까지 연중 저장 탱크 속의 열저장량 및 집열효율을 측정 하였다.
본 실험의 측정조건은 태양열 집열판을 옥상에 설치하고 열저장조 및 측정 장치들은 실험실 내에 설치하여 측정기간은 1월 1일부터 12월 31일까지 일출 시간부터 일몰 시간까지 시스템을 가동하였다. 그리고 측정 첫째 날부터 3일간 열저장조를 냉각하지 않고 연속 운전하였으며 제 3일 날 일몰 이후 열저장조의 온도를 당일 수돗물 온도까지 냉각하여 초기화하고 다시 이와 같이 반복하는 방법으로 실험하였다.
실험에 사용된 태양열 집열판은 태양열 집열판 제조업체에서 성능시험 하고자하는 표본(sample)장치로서 열저장조의 용량은 최대 일사량 및 최대 열효율에서 열저장조의 온도가 특정온도(60℃)를 넘지 않도록 설계 하였다. 그리고 본 장치는 자동제어장치에 의해 태양열 집열판 입구의 온도와 열저장조에 물의 온도를 비교하여 태양열 집열판 입구 온도가 열저장조의 물의 온도 보다 높으면 pump가 작동하여 동작유체가 순환되고 반대로 열저장조의 온도가 태양열 집열판의 온도 보다 높으면 동작유체의 순환이 중단된다.
태양열 집열판을 옥상에 설치하고 실내에 있는 열 저장조의 집열효율을 측정하기 위해 1월 1일부터 12월 31일까지 3일 연속 운전 후 열저장조를 냉각하여 초기화 한 후 다시 3일 연속 운전하는 방법으로 시험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

(1) 열저장조의 저장온도는 외기온도에 따라 비례하여 1월에는 최저 20℃에서 8월 최고 52℃까지 변화 하였다.
(2) 열저장조의 열 저장량은 12월이 일 일 평균 1455.4kJ로 최소이었으며 5월이 3321.6kJ로 최대이었다. 다만 하절기는 우천 관계로 열 저장량이 이에 미치지 못하였다.
(3) 열저장조의 일 일 집열효율은 11월에서 11.3%로 최소이었으며 6월중에 23.9%로 최대이었다.
(4) 따라서 동절기 즉 외기온도가 낮을 때 열 저장조 온도, 열저장량, 및 집열효율이 모두 낮게 나타나고 날씨가 좋은 달, 즉 6월과 9월에 열저장조 온도, 열저장량 및 집열 효율이 높게 나타났다.
(5) 일일 평균 열저장조 온도 T_s, 외기온도 T_a, 및 일사량 Ic로 구성된 (T_s – T_a)/I_c인자에 대한 열저장조의 집열효율을 구한 결과 서로 반비례하여 (T_s – T_a)가 적고 I_c가 클수록 집열효율이 높게 나타났다.
에 대한 열저장조 집열효율을 도시한 것이다. 집열효율은 조건에 따라 거의 0%에서 최고 48%까지 분포하여 열저장조 온도와 외기온도의 차이가 적을수록 집열효율이 커지며 일사량이 클수록 집열효율이 좋아짐을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시스템 내 온도 측정 지점은 어디인가?	온도 측정 지점은 열저장조 내의 동작유체의 온도, 태양열 집열기의 입구 및 출구 지점의 온도, 및 외기 온도 등이다. 그리고 일사계로 일사량을 측정 했으며 동작유체의 순환 유량은 전자 유량계로 측정하였다.
	태양열 온수 집열기의 이점은 무엇인가?	그 중 태양열 온수 집열기는 그 구조가 비교적 간단하고 직접 열원을 이용 할 수 있는 이점이 있으므로 많이 연구가 이루어져서 실생활에 이용 되고 있다.
	대체 에너지에 대한 관심이 높아지게 된 배경은 무엇인가?	현재 우리가 사용하고 있는 에너지는 석탄, 석유, 천연가스, 및 원자력에너지 등 일명 화석에너지를 사용하고 있다. 그러나 인구의 증가와 산업의 발달로 이러한 에너지는 점점 고갈 되어가고 그 가격이 올라가고 있다. 따라서 태양열 온수 집열기, 태양광 에너지, 수소에너지, 및 풍력에너지 등 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

참고문헌 (6)

H.S. Chung, H.M. Jeong and S.S. Kwon, A Study on the Performance of Two Piping Coiling Heat Exchanger for Solar Heating System, Proceeding of the SAREK, 1998
C.J. Kim and K.B. Yin, An Experimental Study on the Heat Transfer Characteristics for a Flat Plate Solar Collector with a Heat Pipe, Transaction of KSME, vol.17, No.5, pp.1237-1245, 1993
T.Y. Bong, K.C. NG and H. Bao, Thermal Performance of a Flat-Plate Heat-Pipe Collector Array, Solar Energy, Vol.50, No.6, pp.491-488, 1993

상세보기
E.H. Amer, J.K. Nayak and G.K. Sharma, Transient Test Methods for Flat-Plate Collectors: Review and Experimental Evaluation, Solar Energy, Vol.60, No.5 , pp.229-243, 1997

상세보기
S.B. Youn, A Study on the Standardization of Test Method of Flat-Plate Liquid-Heating Solar Collectors, J. of Korean Inderstries Safety, Vol.5, No.3, 1990
K. S. Chang and M. S. Kim, Study on the Performance of The Flat-Plate Solar Collectors, J, of Argricutural Mechanical Engineer's Society, Vol.2, No.2, 1977

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