[논문]다채널 체적식 태양열 흡수기에서 열전달 수치해석

이현진; 김종규; 이상남; 강용혁

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.12.1383

다채널 체적식 태양열 흡수기에서 열전달 수치해석
Numerical Analysis of Heat Transfer in Multichannel Volumetric Solar Receivers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.12 = no.315, 2011년, pp.1383 - 1389

이현진 (한국에너지기술연구원 태양열지열센터) , 김종규 (한국에너지기술연구원 태양열지열센터) , 이상남 (한국에너지기술연구원 태양열지열센터) , 강용혁 (한국에너지기술연구원 태양열지열센터)

초록
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본 연구는 태양열 발전에 사용하는 공기식 다채널 체적식 흡수기의 일관성 있는 열전달 해석에 초점을 두고 있다. 이를 위해 흡수 소재 물성과 채널 형상 변화의 영향을 몬테카를로 광선추적법에 기반한 광학 모델과 전도, 대류, 복사를 고려한 1 차원 열전달 모델에 동시에 반영하였다. 광학 모델 결과는 채널 반경 대비 길이의 형상비가 매우 커서 대부분의 태양 에너지는 15 mm 이내의 짧은 길이에서 흡수됨을 증명하고 있다. 복사 열손실 분류를 통해 채널의 낮은 흡수율에서는 방사 손실은 줄지만 반사손실이 증가하여 흡수기 효율이 감소하는 것을 보였다. 큰 채널 반경이나 작은 질량 유량으로 인해 흡수기 평균 온도가 상승할 때, 방사 손실과 반사 손실 모두 증가하지만 방사 손실의 영향이 더 큰 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The current study focuses on the consistent analysis of heat transfer in multichannel volumetric solar receivers used for concentrating solar power. Changes in the properties of the absorbing material and channel dimensions are considered in an optical model based on the Monte Carlo ray-tracing method and in a one-dimensional heat transfer model that includes conduction, convection, and radiation. The optical model results show that most of the solar radiation energy is absorbed within a very small channel length of around 15 mm because of the large length-to-radius ratio. Classification of radiation losses reveals that at low absorptivity, increased reflection losses cause reduction of the receiver efficiency, notwithstanding the decrease in the emission loss. As the average temperature increases because of the large channel radius or small mass flow rate, both emission and reflection losses increase but the effect of emission losses prevails.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일관성 있는 광학적/열적 모델을 기반으로 복사 열손실 종류를 체계적으로 분류하고 상대적인 영향성을 조사하였다. 덧붙여서 복사 열전달을 무시하거나 온도에 따른 물성 변화를 무시한 간단한 가정들에 대한 평가 결과도 제시하였다.
본 연구는 일관성 있는 흡수기 열전달 해석을 목표로 하고 있다. 이를 위해 다채널 체적식 태양열 흡수기를 대상으로 광학 모델을 이용하여 채널 내부 벽에 흡수되는 태양 열유속 분포를 먼저 구하였다.
본 연구에서는 몬테카를로 광선추적법으로 계산한 흡수기 내부의 태양 열유속 분포를 1 차원 열전달 지배 방정식에 입력하는 방법으로 다채널 체적식 흡수기의 열전달을 해석하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

그래서, 대부분의 열전달 모델 연구에서는 흡수기 전면부에 도달한 태양 열유속의 각 분포(angular distribution)에 대해 일반적인 가정인 확산 방사(diffuse emission)가정을 사용한다.^(4-9) 본 연구에서도 채널 전면부(Fig. 2 에서 x-y 평면)에서 확산 방사가 일어난다고 가정하고 광선 추적을 채널 전면부에서 시작하여 채널 내부 벽에 흡수된 태양 열유속 분포를 모델링하였다. 하지만, 실제 태양 열유속의 각 분포는 확산 방사가 아니며 집광하는 방식에 따라 다르다는 것을 염두에 두어야 한다.

제안 방법

몬테카를로 광선추적법은 난수(random number)를 이용하여 확률적으로 광학이나 복사 열전달 현상을 모델링한다.^(10,11) 다수의 광선을 생성하여 반사나 흡수와 같은 물리적 현상을 고려하면서 각각의 광선을 추적한 뒤, 광선 전체의 추적 결과를 바탕으로 결과를 도출한다.
개발된 광학 모델을 이용하여 채널의 전체 길이 100 mm 까지 광선 추적을 시행하였고, 3000 개의 노드를 사용하여 0.033 mm 간격으로 열유속을 저장하였다. 전체 10⁶ 개 광선을 사용하여 광학 모델 계산 결과가 0.
이를 위해 다채널 체적식 태양열 흡수기를 대상으로 광학 모델을 이용하여 채널 내부 벽에 흡수되는 태양 열유속 분포를 먼저 구하였다. 그리고 얻어진 결과를 입력으로 받아들인 1 차원 열전달 지배 방정식을 수치적으로 풀었다. 흡수 소재의 흡수율과 채널 입구 크기가 변할 때 흡수된 태양 열유속, 채널 벽과 채널 내부 공기 온도, 흡수기 효율 등이 어떻게 변하는지 분석하였다.
위에서 계산된 태양 열유속을 열전달 모델에 입력하여 채널 벽과 내부 공기의 온도 분포를 조사 하였다. 물성과 형상의 조합에 따라 다양한 경우가 가능하므로 Table 1 에 제시된 경우를 기본으로 하여 관심 있는 인자의 영향을 검토하였다. 광학 모델과 동일하게 3000 개 노드로 분할하여 계산했을 때, 계산 결과가 전체 에너지 보존 측면에서 1.
위에서 계산된 태양 열유속을 열전달 모델에 입력하여 채널 벽과 내부 공기의 온도 분포를 조사 하였다. 물성과 형상의 조합에 따라 다양한 경우가 가능하므로 Table 1 에 제시된 경우를 기본으로 하여 관심 있는 인자의 영향을 검토하였다.
본 연구는 일관성 있는 흡수기 열전달 해석을 목표로 하고 있다. 이를 위해 다채널 체적식 태양열 흡수기를 대상으로 광학 모델을 이용하여 채널 내부 벽에 흡수되는 태양 열유속 분포를 먼저 구하였다. 그리고 얻어진 결과를 입력으로 받아들인 1 차원 열전달 지배 방정식을 수치적으로 풀었다.
흡수 소재의 흡수율과 채널 입구 크기가 변할 때 흡수된 태양 열유속, 채널 벽과 채널 내부 공기 온도, 흡수기 효율 등이 어떻게 변하는지 분석하였다. 일관성 있는 광학적/열적 모델을 기반으로 복사 열손실 종류를 체계적으로 분류하고 상대적인 영향성을 조사하였다. 덧붙여서 복사 열전달을 무시하거나 온도에 따른 물성 변화를 무시한 간단한 가정들에 대한 평가 결과도 제시하였다.
그리고 나서 다음 광선을 생성하여 동일한 과정을 되풀이 한다. 충분한 개수의 광선 추적을 수행하고 흡수된 에너지와 위치를 이용하여 채널 벽에 조사되는 태양 복사 에너지 분포를 구한다.
그리고 얻어진 결과를 입력으로 받아들인 1 차원 열전달 지배 방정식을 수치적으로 풀었다. 흡수 소재의 흡수율과 채널 입구 크기가 변할 때 흡수된 태양 열유속, 채널 벽과 채널 내부 공기 온도, 흡수기 효율 등이 어떻게 변하는지 분석하였다. 일관성 있는 광학적/열적 모델을 기반으로 복사 열손실 종류를 체계적으로 분류하고 상대적인 영향성을 조사하였다.
5% 이내에서 수렴되도록 하였다. 흡수기 전면에 조사되는 열유속 q_s,f 값을 1 MW/m² 으로 간주하여 계산된 채널 내부에서 흡수된 열유속 분포를 이 값으로 무차원화 하였다.

대상 데이터

본 연구는, 다채널 형태의 체적식 흡수기에 적합한, 각각의 채널을 독립적으로 다루는 1 차원 열전달 모델을 채택하였다.^(6~8) 여기서 핵심 가정은 흡수기 전면부에 도달하는 태양 열유속 크기는 균일하다는 것이다.

데이터처리

8 에 제시 하였다. 상수 물성 가정에서는 이전 단계에서 얻어진 온도 분포에 따른 물성을 얻고 이 값들의 평균값을 사용하였다. 10 mg/s 질량 유량에서(온도 분포는 Fig.

이론/모형

SiSiC 의 열전도 도는 상온에서 120 W/mK, 1300 ℃ 에서 40 W/mK값을 선형 보간하여 이용하였다. 대류 열전도 계수는 미리 알려진 것이어야 하는데, Carotenuto 등⁽⁶⁾이 제시한 상관식을 사용하였다.
국한되어 있다. 본 연구의 초점은 새로운 열전달 모델의 개발이 아니라 광학적/열적으로 일관성 있는 해석에 있으므로 널리 사용되고 있는 1 차원 열전달 모델을 사용하였다. 2 차원 해석은 적절한 열전달 모델을 선정하고 상응하는 태양 열유속을 얻도록 광학모델을 수정하면 확장 가능하다.
식 (1) ~(6)은 적절한 무차원화 과정을 거친 뒤, 유한 차분법(finite difference method)을 이용하여 수치적으로 풀 수 있다. 초기 온도 분포를 추정하여 주어진 물성을 바탕으로, 비선형 연립 방정식의 해는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson)을 반복적으로 적용하여 얻는다. 얻어진 온도에서 물성값을 지속적으로 갱신하면서 온도 분포가 0.

성능/효과

위에서 언급했듯이 반경에 상관없이 15 mm 이내의 짧은 거리에서 태양 열유속은 대부분 흡수되므로, 채널 깊이 약 60 mm 이후부터는 벽과 공기의 온도 차가 거의 없어진다. 결과적으로 채널 깊이는 열전달 관점에서 보면 60 mm 정도면 적당하다.
물성과 형상의 조합에 따라 다양한 경우가 가능하므로 Table 1 에 제시된 경우를 기본으로 하여 관심 있는 인자의 영향을 검토하였다. 광학 모델과 동일하게 3000 개 노드로 분할하여 계산했을 때, 계산 결과가 전체 에너지 보존 측면에서 1.0% 정도임을 확인하였다.
033 mm 간격으로 열유속을 저장하였다. 전체 10⁶ 개 광선을 사용하여 광학 모델 계산 결과가 0.5% 이내에서 수렴되도록 하였다. 흡수기 전면에 조사되는 열유속 q_s,f 값을 1 MW/m² 으로 간주하여 계산된 채널 내부에서 흡수된 열유속 분포를 이 값으로 무차원화 하였다.
투자비를 낮추면서 공기의 유량과 온도를 동시에 요구 조건 대로 맞추는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 제시되지는 않았지만, 추가적인 해석을 통해 채널의 반경과 질량 유량이 흡수기의 성능에 큰 영향을 주는 인자로 나타났다. 결과적으로 흡수기 설계에 있어서 채널의 반경과 질량 유량을 설계 사양에 맞춰 최적화하는 것이 중요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양열 발전 기술이란?	태양열 발전(concentrating solar power) 기술은 태양 복사 에너지를 고집광하여 만들어진 고온의 증기나 공기를 기존의 발전방식에 적용하는 재생에 너지 기술이다. (1) 공기를 활용하는 태양열 발전의 핵심 요소는 체적식 태양열 흡수기(volumetric solar receiver)이다.
	흡수기의 역할은?	Fig.1 에서 보듯이 흡수기는 고집광태양 복사 에너지를 공기로 전달하는 열교환기의 역할을 한다. 흡수 소재는 높은 태양열 흡수율, 높은 열전도도, 열적 및 기계적 안정성, 내산화성, 내구성 등을 만족해야 한다.
	흡수 소재로 주로 이용되는 소재는?	또한, 공기가 잘 통과하면서 접촉 면적이 넓은 다공성 형태로 제작이용이해야 한다. 그래서, SiC(silicon carbide) 또는 SiSiC(silicon-infiltrated silicon carbide)가 주로 이용된다. (1~4) 제작 방법에 따라 포말(foam), 메쉬(mesh) 등 형태도 가능하지만, 다채널 형태로 제작하면 기존의 디젤 매연 저감 장치(diesel particulate filter)에 적용되는 압출성형 방법을 활용할 수 있는 장점이 있다.

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Lee, H. J., Kim, J. K., Lee, S. N. and Kang, Y. H., 2011, "Heat Flux Analysis of a Solar Furnace Using the Monte Carlo Ray-Tracing Method," Trans. of the KSME(B), in press.

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Lee, H. J., Kim, J. K., Lee, S. N. and Kang, Y. H., 2011, "Concentrated Solar Flux Modeling for the Heat Transfer Analysis of Multi-Channeled Solar Receivers," J. of the KSES, in press.

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