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문제 정의
- 따라서 본 연구는 현재 온수 급탕용의 많이 적용되고 있는 평판형 태양열 집열기(flat-plate solarcollector)와 PTC(parabolictroughcollector) 형 태양열 집열기에 대한 성능비교를 분석하여 PTC 태양열 집열기의 산업공정열 적용 가능성을 평가하고자 하는 것이다.실제 평판형 집열기는 열손실 면적이 넓어 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있어 열매체의 온도를 올려 필요 열량을 확보하는데 한계가 있다.
- 6) PTC집열기는 반사판에서 반사된 빛을 흡수부에서 50배 이상 집광하는 기술로 중고온의 열원을 확보하는데 효율적이다. 또한 평판형 태양열 집열기는 현재 보편적으로 사용되는 시설인 반면 PTC태양열 집열기는 보편화되고 있지 않아 상대 비교를 통해, 이 두 집열기의 상대 비교를 통해 PTC 태양열 집열기의 실제 적용 가능성을 평가하고자 한다. 이들 2종류의 집열기에 대한 성능을 분석하기 위해 2축 태양열 추적기에 PTC와 평판형 집열기를 탑재하여 실시간 운전을 통해 자료를 확보하여 온도변화,열량,효율 등을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 따라서 이와 같은 외기조건 변화에 따른 성능의 변화를 분석하기 위해 약 30일간 지속 운전하여 효율의 변화를 추적하였다. PTC집열기와 평판형 집열기의 면적이 각각 5m 2, 2m2로 설계 하였기 때문에 각 집열기로 흐르는 열매체의 유량도 각각 2 lpm과 0.7 lpm으로 다르게 하였다. 두 집열기의 성능을 분석하기 위해 집열기 입출구의 온도, 유량, 일사량, 외기 온도 등을 측정하였다.
- 그리고 흡수기는 진공관 Tube내에 흡수 체와 U자관을 장착하여 반사판으로부터 반사된 태양빛을 흡수하여 열매체유에 열원을 전달한다. 그리고 비집광형인 평판형 집열기는 투과율 95%의 GlassTube에 Cu재질의 흡수 Tube가 장착되어 태양열을 열매체유에 전달하며, 집광유효 면적은 2m2 로 제작하였다.열매체유 공급 및 회수를 위해 최대 유량 4lpm, 최대 양정 8m의 원심 펌프, 48L의 탱크, 8kw의 냉각 FAN을 설치하였다.
- 7 lpm으로 다르게 하였다. 두 집열기의 성능을 분석하기 위해 집열기 입출구의 온도, 유량, 일사량, 외기 온도 등을 측정하였다. 이 측정 자료를 바탕으로 각 집열기의 단위 면적당 회수열량과 효율특성을 분석하였다.
- 실제 외기에서의 일사 량은 200w/m2에서 1000w/m2까지 변할 뿐만 아니라 외기 온도 변화, 습도 등의 대기 상태에 따라 직달 일사량과 산란 일사량의 변화가 심하다. 따라서 이와 같은 외기조건 변화에 따른 성능의 변화를 분석하기 위해 약 30일간 지속 운전하여 효율의 변화를 추적하였다. PTC집열기와 평판형 집열기의 면적이 각각 5m 2, 2m2로 설계 하였기 때문에 각 집열기로 흐르는 열매체의 유량도 각각 2 lpm과 0.
- 또한 2축 태양 추적기는 ±0.1°의 편차를 범위 내에서 태양을 추적하도록 구성하였다.
- PTC와 평판형 태양열 집열기의 집열 성능을 비교 평가하기 위해서는 실시간 운전을 통해 Data를 확보하는 것이 필요하다. 본 연구는 그림 1과 같이 구축한 실험 장치를 실외에 설치하여 일출 시간에 기동하고 일몰 시간에 정지하도록 설정하여 운전하였다.실제 외기에서의 일사 량은 200w/m2에서 1000w/m2까지 변할 뿐만 아니라 외기 온도 변화, 습도 등의 대기 상태에 따라 직달 일사량과 산란 일사량의 변화가 심하다.
- 열매체유인 물은 pump를 통해 2 lpm의 유량으로 집열기에 공급되고, 집열기로부터 열을 받은 고온은 물은 집열기 후단의 방열 Fan을 통해 냉각된 다음 탱크로 회수된다. 본 장치는 연중 지속적으로 운전되며, 운전시 집열기 입출구의 온도,유량,일사량 등을 측정하여 두집열기의 성능을 비교 분석하였다.
- 8℃인 조건에서 시간의 변화에 따른 PTC와 평판형 집열기의 집열특성을 나타낸 것이다. 실제 실험에서는 일사량이 200 w/m2에서 1000 w/m2까지 변하는 외기 조건에서 실험을 수행했지만, 대표적으로 당일 평균 일사량이 1000w/m2의 경우에 대해 정리하였다.
- 1°의 편차를 범위 내에서 태양을 추적하도록 구성하였다.실제 평판형 태양열 집열기는 고정식이지만, 추적식인 PTC와의 동일 비교를 하기 위해 태양 추적기에 탑재하여 실험을 수행하였다.
- 그리고 비집광형인 평판형 집열기는 투과율 95%의 GlassTube에 Cu재질의 흡수 Tube가 장착되어 태양열을 열매체유에 전달하며, 집광유효 면적은 2m2 로 제작하였다.열매체유 공급 및 회수를 위해 최대 유량 4lpm, 최대 양정 8m의 원심 펌프, 48L의 탱크, 8kw의 냉각 FAN을 설치하였다. 또한 2축 태양 추적기는 ±0.
- 두 집열기의 성능을 분석하기 위해 집열기 입출구의 온도, 유량, 일사량, 외기 온도 등을 측정하였다. 이 측정 자료를 바탕으로 각 집열기의 단위 면적당 회수열량과 효율특성을 분석하였다.
- 또한 평판형 태양열 집열기는 현재 보편적으로 사용되는 시설인 반면 PTC태양열 집열기는 보편화되고 있지 않아 상대 비교를 통해, 이 두 집열기의 상대 비교를 통해 PTC 태양열 집열기의 실제 적용 가능성을 평가하고자 한다. 이들 2종류의 집열기에 대한 성능을 분석하기 위해 2축 태양열 추적기에 PTC와 평판형 집열기를 탑재하여 실시간 운전을 통해 자료를 확보하여 온도변화,열량,효율 등을 비교 분석하였다.
- 집광형인 PTC 태양열 집열기와 비집광형인 평판형 태양열 집열기의 집열 성능을 평가 하기 위해 집열기의 입․출구 온도차, 열량, 집열효율 등의 평가 항목에 따라 분석한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.
대상 데이터
- 표 1은 본 실험장치의 설계변수 및 운전인자를 나타낸 것이다. PTC집열기는 반사판과 흡수기로 구성되어 있는데, 반사판은 Al재질의 표면에 반사율 확보를 위해 정밀 코팅하여 제작하였으며, 면적은 5m2이고 집광비율은 50 SUN으로 설정하였다. 최대 초점 온도는 300℃, 최대 운전 온도는 약 250℃이다.
성능/효과
- (1) 외기 일사량 1000w/m2 기준,PTC와 평판형 집열기의 집열특성을 분석하였는데, PTC집열기는 평판형 집열기에 비해 온도변화 균일하며,평균 집열량은 6.8kcal/m2 min 로 평판형에 비해 약 3배 이상 많은 것으로 분석되었다.
- (2) 집열기의 효율곡선을 통해 집열특성을 분석한 결과 PTC 집열기의 투과 흡수율이 0.494로 평판형 집열기의 투과 흡수율 0.369에 비해 우수하였으며, PTC 집열기의 열손실 계수는 0.278로,평판형에 비해 낮은 것으로 분석되었다.
- (3) 일사량에 따른 PTC와 평판형 집열기로부터 생성되는 평균 열량을 분석한 결과 PTC 집열기로부터 발생되는 평균 열량이 평판형 집열기로부터 생성되는 열량에 비해 약 3배 정도 많은 것으로 분석되었다.
- (4) 약 1개월 동안 PTC와 평판형 집열기를 운전하여 생성된 열량을 분석한 결과,PTC 집열기의 일평균 단위면적당 생산열량은 3000kcal/m2로 파악되었고,평판형 집열기의 일평균 단위면적당 생산열량은 1500kcal/m2로 분석되어 PTC의 일평균 집열 량이 약 2배 정도 높았다.
- 실제 평판형 집열기는 열손실 면적이 넓어 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있어 열매체의 온도를 올려 필요 열량을 확보하는데 한계가 있다.6) PTC집열기는 반사판에서 반사된 빛을 흡수부에서 50배 이상 집광하는 기술로 중고온의 열원을 확보하는데 효율적이다. 또한 평판형 태양열 집열기는 현재 보편적으로 사용되는 시설인 반면 PTC태양열 집열기는 보편화되고 있지 않아 상대 비교를 통해, 이 두 집열기의 상대 비교를 통해 PTC 태양열 집열기의 실제 적용 가능성을 평가하고자 한다.
- 그림 5는 1개월간 PTC와 평판형 집열 장치에 대하여 단위 면적당 일사량과 생성열량을 바탕으로 한 효율 특성을 분석한 결과이다. PTC와 평판형 집열기의 생성 열량의 변화가 일사량의 변화와 유사한 궤적을 따르고 있으며, PTC 집열기의 일평균 생산열량은 3000kcal/m2로 파악되었고, 평판형 집열기의 일평균 생산열량은 1500kcal/m2로 분석되어 PTC의 일평균 열량이 약 2배인 것으로 파악되었다. 그리고 일사량 대비 PTC 집열기의 생성 열량의 비율, 즉 집열 효율은 40% 이상으로 분석되었고, 평판형 집열기의 집열효율은 약 20%로 분석되었다.
- PTC와 평판형 집열기의 생성 열량의 변화가 일사량의 변화와 유사한 궤적을 따르고 있으며, PTC 집열기의 일평균 생산열량은 3000kcal/m2로 파악되었고, 평판형 집열기의 일평균 생산열량은 1500kcal/m2로 분석되어 PTC의 일평균 열량이 약 2배인 것으로 파악되었다. 그리고 일사량 대비 PTC 집열기의 생성 열량의 비율, 즉 집열 효율은 40% 이상으로 분석되었고, 평판형 집열기의 집열효율은 약 20%로 분석되었다. 또한 일사량이 적은 날은 대부분이 산란일사량이기 때문에 주로 직달 일사로 집열하는 집광형인 PTC보다 직달 및 산란 일사량을 모두 집열 할 수 있는 평판형 집열기의 집열효율이 더 높은 것으로 파악되었다.
- 그리고 일사량 대비 PTC 집열기의 생성 열량의 비율, 즉 집열 효율은 40% 이상으로 분석되었고, 평판형 집열기의 집열효율은 약 20%로 분석되었다. 또한 일사량이 적은 날은 대부분이 산란일사량이기 때문에 주로 직달 일사로 집열하는 집광형인 PTC보다 직달 및 산란 일사량을 모두 집열 할 수 있는 평판형 집열기의 집열효율이 더 높은 것으로 파악되었다.
- 376로 분석되어, PTC의 열 손실이 낮은 것으로 파악되었다. 이와 같은 실험 결과를 통해 PTC는 평판형에 비해 입․출구온도차가 크고 그 분포가 균일하며 평균 집열량이 높았을 뿐만 아니라 투과 흡수율이 높고, 열 손실이 적은 것으로 분석되어 장치의 성능이 우수한 것으로 파악되었다.
- 8 kcal/m2 min, 평판형 2kcal/m2 min로 분석되었다. 즉 집열 온도와 열량의 분석을 통해 PTC집열기는 평판형에 비해 입․출구 온도차 분포가 균일하며, 평균 집열량은 약 3배 이상임을 알 수 있다.
- 5 kcal/m2 min에 불과하였다. 즉 집열기의 온도 변화와 그에 따른 생성 열량을 비교 분석한 결과 비집광식인 평판형 집열기보다 집광식인 PTC 집열기로부터 발생되는 단위면적당 얻은 열량이 약 3배 정도로 많은 것으로 분석되었다. 통상적으로 PTC 태양열 집열기는 직달 이사량이 높은 1000w/m2 이상의 일사량에서 성능이 우수한 것으로 평가되고 있지만 본 그림에서 보는 바와 같이 일사량이 700w/m2 정도에서도 생성 열량이 상대적으로 높은 것으로 평가되었다.
- 통상적으로 PTC 태양열 집열기는 직달 이사량이 높은 1000w/m2 이상의 일사량에서 성능이 우수한 것으로 평가되고 있지만 본 그림에서 보는 바와 같이 일사량이 700w/m2 정도에서도 생성 열량이 상대적으로 높은 것으로 평가되었다.
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