[논문]200kW 탑형 태양열발전시스템을 위한 Heliostat 반사면 구조 설계

박영칠

doi:10.7836/kses.2011.31.2.053

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Heliostat in the tower type solar thermal power plant is a sun tracking mirror system to reflect the solar energy to the receiver and the optical performance of it affects to the efficiency of whole power plant most significantly. Thus a proper design of structure of the heliostat reflective surface...

Heliostat in the tower type solar thermal power plant is a sun tracking mirror system to reflect the solar energy to the receiver and the optical performance of it affects to the efficiency of whole power plant most significantly. Thus a proper design of structure of the heliostat reflective surface could be the most important step in the construction of such power plant. The work presented here is a design of structure of optical surface of heliostat, which will be used in 200kW solar thermal power plant. The receiver located at 43(m) high from ground in tower has $2{\times}2$(m) rectangular shape. We first developed the software tool to simulate the energy concentration characteristics of heliostat using the ray tracing technique. Then, the shape of heliostat reflective surface is designed with the consideration of heliostat's energy concentration characteristics, production cost and productivity. The designed heliostat's reflective surface has a structure formed by canting four of $1{\times}1$(m) rectangular flat plate mirror facet and the center of each mirror facet is located on the spherical surface, where the spherical surface is formulated by the mirror facet mounting frame.

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문제 정의

본 연구는 200kW 탑형 태양열발전시스템에서 사용될 헬리오스타트 반사면의 구조를 헬리오스타트에서 반사된 열에너지가 흡수기에 도달되는 비율을 표시하는 흡수율을 기준으로 설계한 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 우선 헬리오스타트의 집열특성 분석을 위한 프로그램을 태양광선 궤적추적기법을 기반으로 개발하였으며, 개발된 프로그램을 활용하여 반사거울 장착 프레임과 반사거울의 곡면 형상변화에 따른 흡수율의 변화를 분석하였다.

제안 방법

거울요소의 열유속분포 Ei(x,z)를 계산하기 위한 마지막 과정으로, 흡수기 표면을, 그림 6에서와 같이, MT × NT개의 흡수기 요소(target element)들로 나누고, 이들 각각의 요소들의 중심의 위치를 조사한다.
궤적추적기법을 사용하여 반사거울들의 조합으로 형성된 불연속 곡면 구조를 갖는 헬리오스타트의 열유속분포를 계산하기 위하여, 우선 각각의 반사거울을 그림 1에서와 같이 ∆xe × ∆ze(m) 크기의 거울요소(mirror element)들로 분할한다.
본 연구는 공기를 작동유체로 사용하며, 높이 43(m) 지점에 위치하는 2 × 2(m) 크기의 사각형 모양의 흡수기를 갖는 200kW 탑형 태양열발전시스템에서 사용될 헬리오스타트 반사면의 구조를 설계한 것이다. 이를 위하여 본 연구는 반사거울들의 조합으로 형성되는 반사면을 갖는 헬리오스타트의 집광특성해석을 위한 프로그램을 궤적추적기법(ray tracing technique)을 기반으로 개발하고, 이를 이용하여 실제 제작과정의 현실적 제약조건을 충족시킬 수 있는 구조를 갖는 헬리오스타트 반사면의 구조를 결정하였다.
본 연구는 200kW 탑형 태양열발전시스템에서 사용될 헬리오스타트 반사면의 구조를 헬리오스타트에서 반사된 열에너지가 흡수기에 도달되는 비율을 표시하는 흡수율을 기준으로 설계한 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 우선 헬리오스타트의 집열특성 분석을 위한 프로그램을 태양광선 궤적추적기법을 기반으로 개발하였으며, 개발된 프로그램을 활용하여 반사거울 장착 프레임과 반사거울의 곡면 형상변화에 따른 흡수율의 변화를 분석하였다.
충분히 작은 거울요소의 열유속분포를 계산하기 위하여, 그림 6에서와 같은 태양원뿔의 표면에 위치하는 36개의 단위 벡터를 찾고, 이들 단위벡터 각각을 따라 입사되어 거울요소 중심에서 반사된 후 흡수기에 도달되는 지점을 계산한다. 즉 거울요소 열유속분포의 기하학적 형상을 나타내는 원 또는 타원은, 거울요소 중심에서 반사된 36개의 광선들이 흡수기 표면과 만나는 지점을 순차적으로 연결함으로서 얻는다.

대상 데이터

본 연구는 공기를 작동유체로 사용하며, 높이 43(m) 지점에 위치하는 2 × 2(m) 크기의 사각형 모양의 흡수기를 갖는 200kW 탑형 태양열발전시스템에서 사용될 헬리오스타트 반사면의 구조를 설계한 것이다.

성능/효과

본 연구에서 사용한 설계기준이 되는 헬리오스타트의 흡수율은, 가장 낮은 흡수율을 갖는 하지에 평균 95% 이상이 되어야 하며, 또한 일중 90% 이상의 흡수율을 갖는 시간의 비율이 일조시간 대비 90% 이상이 되는 것이다.
충분히 작은 거울요소의 열유속분포를 계산하기 위하여, 그림 6에서와 같은 태양원뿔의 표면에 위치하는 36개의 단위 벡터를 찾고, 이들 단위벡터 각각을 따라 입사되어 거울요소 중심에서 반사된 후 흡수기에 도달되는 지점을 계산한다. 즉 거울요소 열유속분포의 기하학적 형상을 나타내는 원 또는 타원은, 거울요소 중심에서 반사된 36개의 광선들이 흡수기 표면과 만나는 지점을 순차적으로 연결함으로서 얻는다.
표 1은 200kW 탑형 태양열발전시스템에서 사용될 반사거울의 크기 및 형상 조건을 나타낸 것이다. 표에서와 같이, 헬리오스타트의 반사면을 구성하는 반사거울은, 생산 비용과 형상의 성형 정밀도 등을 고려하여 당초 유리 공장에서 생산된 정사각형 저철분 유리를 크기 변경없이 사용하며, 다만 집광을 위하여 구면 또는 원통형으로 곡면형상이 성형되어 사용될 수 있음을 조건으로 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬리오스타트의 집열특성은 무엇에 의해 결정되는가?	헬리오스타트의 집열특성은 헬리오스타트의 크기를 포함하는 반사면의 구조에 따라 달라진다. 현재 상용발전을 수행하고 있는 대부분의 탑형 태양열발전시스템[1,2]은 100m2규모의 초대형 헬리오스타트를 사용하고 있다.
	헬리오스타트란 무엇인가?	탑형 태양열발전시스템(towertypesolarthermal powerplant)의 헬리오스타트(heliostat)는 지표면으로 입사되는 태양열을 탑 상단에 위치하는 흡수기(receiver)로 반사시키기 위한 집광장치로서, 헬리오스타트의 집열특성은 태양열발전시스템의 효율을 결정하는 중요한 요소이다.
	100m2규모의 초대형 헬리오스타트의 사용은 어떠한 문제를 초래하는가?	현재 상용발전을 수행하고 있는 대부분의 탑형 태양열발전시스템[1,2]은 100m2규모의 초대형 헬리오스타트를 사용하고 있다. 그러나 이와 같은 대형 헬리오스타트의 사용은 흡수기의 크기를 또한 대단히 크게 하며, 따라서 흡수기에 도달되는 열에너지 밀도가 낮아지게 되고, 이는 다시 흡수기에서의 동작유체의 최고온도를 떨어뜨림으로서 결국에는 태양열발전시스템의 효율을 전체적으로 낮추는 결과를 초래하기도 한다.

참고문헌 (11)

PIER: California Energy Commission, "Renewable Energy : Solar two centralreceiver", October 1999
http://en.wikipedia.org/wiki/PS10_Solar_Power_Plan
Y.T. Chen, B.H. Lim and C.S. Lim, "Off-axis aberration correction surface in solar energy application", Solar Energy, Vol.80, 2006, pp. 268-271

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R. Zaibel, E. Dagan, J. Karniand H. Ries, "An astigmatic corrected target aligned heliostat for high concentration", Solar Energy Materials and Solar Cells,Vol. 37, 1995, pp. 191-202

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F.J. Collard, A.Gomez and J.A. Turegano. "Ananalytic function for the fluxd ensity due to sunlight reflected from a heliostat", Solar Energy, Vol.37, 1986, pp. 215-234

상세보기
F.W. Lipps and M.D. Walzel," Ananalytic evaluation of the flux density due to sunlight reflected from a flat mirror having a polygonal boundary", Solar Energy, Vol. 21, 1978, pp. 113-121

상세보기
J.C. Henne and J.L. Abatut,"Ananalytical method for reflected flux density calculations", Solar Energy, Vol. 32, 1984, pp. 357-363

상세보기
P. Garcia, A. Ferriere and J. Bezian, "Codes for solar flux calculation dedicated to central receiver system applications: A comparative review", Solar Energy, Vol. 82, 2008, pp. 189-197

상세보기
Wei Xiudong, "Study on the heliostat field design in the solar tower power plant", Ph. D Dissertation, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, China, May 2009
박영칠, "Heliostat 제어시스템", 한국태양에너지학회논문집, Vol. 29, No.1, 2009, pp. 50-57
E.A. Igeland R.L. Hughes, "Optical analysis of solar facility heliostats", Solar Energy, Vol. 22, 1979, pp. 283-295

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