[논문]타워형 태양열 발전용 공기흡수기의 열전달 성능해석

정의국

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.3.277

타워형 태양열 발전용 공기흡수기의 열전달 성능해석
Heat-Transfer Performance Analysis of a Multi-Channel Volumetric Air Receiver for Solar Power Tower 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.3 = no.318, 2012년, pp.277 - 284

정의국 (LG 전자 AE 본부 CAC 연구소)

초록
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타워형 태양열 발전용 체적식 공기흡수기의 열전달 성능 해석을 수행하였다. 타당한 관련문헌에 기초하여 채널 한 개의 벽과 공기 온도분포를 지정된 기하학적 크기와 입력조건에서 예측 할 수 있는 계산과정들이 제시되었다. 더 나아가서 흡수기 유용도의 수학적 모델이 온도프로파일 해석을 통해 유일하게 제시되었다. 흡수기 재질은 실리콘 카바이드이다. 공기 흐름을 유도하는 정사각형 직선채널 크기는 $2mm(W){\times}2mm(H){\times}0.2mm(t){\times}320mm(L)$이며, 모듈 한 개에는 225 개의 채널이 성형되었다. 일정한 일사량 및 공기유량 가정하에서 채널과 모듈 수의 변화에 따른 열전달량, 온도분포 및 유용도 추이가 제시되었다. 태양열 발전에 응용하기 위해서는 흡수기 출구 공기온도가 $700^{\circ}C$ 이상에 도달하여야 한다. 본 수치모델은 200 kW 급 타워형 태양열 공기흡수기의 설계에 사용되었으며, 지정된 기하학적 조건과 입력조건에서 요구되는 열전달 성능을을 만족하는 모듈 수를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a heat-transfer performance analysis is carried out for a multi-channel volumetric air receiver for a solar power tower. On the basis of a series of reviews regarding the relevant literature, a calculation process is proposed for the prediction of the wall- and air- temperature distributions of a single channel at given geometric and input conditions. Furthermore, a unique mathematical model of the receiver effectiveness is presented through analysis of the temperature profile. The receiver is made of silicon carbide. A total of 225 square straight channels per module are molded to induce the air flow, and each channel has the dimensions of $2mm(W){\times}2mm(H){\times}0.2mm(t){\times}320mm(L)$. The heat-transfer rate, temperature distribution and effectiveness are presented according to the variation of the channel and module number under uniform irradiation and mass flow rate. The available air outlet temperature applied to the solar power tower should be over $700^{\circ}C$. This numerical model was actually used in the design of a 200 kW-level commercial solar air receiver, and the required number of modules satisfying the thermal performance could be obtained for the specified geometric and input conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

계산의 목표는 흡수기로 유입되는 전체 공기질량유량, 채널 크기 및 입구공기온도가 일정한 상태에서 출구 공기온도가 700℃에 도달하면서 200kW 를 얻을 수 있는 채널 및 모듈의 수를 결정하는 것이다.
본 연구에서 200 kW 급 타워형 태양열 발전용 체적식 공기흡수기의 설계 및 제작을 위해 열전달 설계를 수행하였다. 공기흡수기는 SiC 재료이며, 여러 개의 정사각형 직선채널을 가지는 구조를 선정하여 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 문헌의 수치모델을 통하여 공기 흡수기의 온도분포를 계산하였으며, 온도프로파일 해석을 통해 흡수기 유용도의 수학적 모델을 제시하였다. 본 연구에서는 200 kW 급 타워형 태양열 공기흡수기의 설계를 목적으로 하였다.
본 연구에서는 문헌의 수치모델을 통하여 공기 흡수기의 온도분포를 계산하였으며, 온도프로파일 해석을 통해 흡수기 유용도의 수학적 모델을 제시하였다. 본 연구에서는 200 kW 급 타워형 태양열 공기흡수기의 설계를 목적으로 하였다.

제안 방법

(1) 목표로 하는 열전달량과 출구 공기온도를 획득하기 위한 주요 설계인자를 파악하고 이를 근거로 산업용 타워형 태양열 체적식 공기흡수기의 열전달 성능예측 방법을 정립하였다.
225 개의 채널이 성형된 모듈을 대상으로 출구 공기온도가 700℃ 이상에 도달하면서, 200 kW 열전달량을 획득할 수 있는 흡수기를 설계하기 위해 모듈 수를 변화 시키면서 계산을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 7 에 나타내었다. 입력조건은 Fig.
Albanakis 등은 고온(900℃ 이상)에 안정한 인코넬, 및 니켈 합금 재료를 사용하여 흡수기 성능을 실험적으로 파악하였다. 다공성 폼의 기공율이 90% 이상이며, 흡수재료의 열전달 계수, 압력강하, 폼의 투과율 및 항력계수를 실험적으로 측정하여 재료에 따라 비교하였다.⁽³⁾
채널의 온도분포를 구하기 위하여 식 (1)과 식 (4)를 벽과 공기에 대하여 이산화 하여, 유한차분법에 의해 계산하였다. 벽 온도의 2 차 미분항을 중앙차분화 하였다.
0 을 활용하여 계산하였으며, 이를 해석모델의 입력열유속으로 반영하였다. 본 연구의 수치모델은 문헌에 알려진 수치모델^(1,8)과 동일하지만, 태양열이 복사에 의해 외부로 손실되는 비율이 전체열유속의 5% 미만⁽¹⁾으로 알려져 있으므로 복사손실을 제외하여 단순화 하였다. 정상상태를 고려하였으며, 채널벽과 공기 간의 대류열전달계수는 알려진 문헌(1)의 식을 반영하였다.
Carotenuto 등은 SiSiC 재질을 사용한 다 채널 공기흡수기의 열교환 원리를 파악였으며, 1 차원 열전달 수치해석 모델링 방법을 개발하였다. 이 모델에는 전도, 대류 및 복사항이 반영되었으며, 채널 한 개에 대하여 열교환 해석을 수행하였다⁽¹⁾.
본 연구의 수치모델은 문헌에 알려진 수치모델^(1,8)과 동일하지만, 태양열이 복사에 의해 외부로 손실되는 비율이 전체열유속의 5% 미만⁽¹⁾으로 알려져 있으므로 복사손실을 제외하여 단순화 하였다. 정상상태를 고려하였으며, 채널벽과 공기 간의 대류열전달계수는 알려진 문헌(1)의 식을 반영하였다.
흡수기 입구에서 출구에 이르는 각 지점의 벽과 공기온도를 흡수기의 길이 방향으로 이산화 하였다. 채널 외벽을 단열로 취급하여 주위와 벽사이의 열교환을 무시하였다.
채널 한 개에 유입되는 공기온도와 질량유량은 각각 30℃ 와 0.000186 kg/s 로 고정하였다. 공기온도는 흡수기 전면에서 집광된 태양광에 의해 공기가 가열되기 때문에 상온보다 높게 설정하였으며, 질량유량은 Fig.
297 kg/s 로 계산되었다. 흡수기 개구 면적은 집광기의 초점부 크기에 종속되어, 개구 면적과 채널의 셀 밀도를 기준으로 질량유량을 산정하였다. 즉, 요구하는 열전달량이 밴치 모델에서 얻을 수 있는 열전달량의 10 배를 반영하였다.
2 에 보였다. 흡수기 입구에서 출구에 이르는 각 지점의 벽과 공기온도를 흡수기의 길이 방향으로 이산화 하였다. 채널 외벽을 단열로 취급하여 주위와 벽사이의 열교환을 무시하였다.

대상 데이터

제어체적으로 들어오는 태양에너지, 공기로 전달되는 대류 열전달량 그리고 축 방향으로 전도열전달량으로 구성되었다. 다시 정리하면
Pitz-Paal 등은 SiSiC 세라믹 재료를 호일 형태로 가공한 실험장치를 제작하였고, 성능을 예측할 수 있는 단순한 해석모델을 개발하였다. 태양 열유속 1 MW/m²를 입력한 조건에서 열매체 출구 최고온도 1000℃ 이상을 획득하였다.⁽⁸⁾
흡수기 재료는 고온에 안정하고 열전도율이 높은 SiC 를 사용하였으며, SiC 의 물성과 채널의 기하학적 크기를 Table 1 에 나타내었다.

이론/모형

(z) 는 채널전면과 측면 벽에 집광기에 의해서 입력되는 열유속이다. 이는 상업용 소프트웨어 TracePro 4.0 을 활용하여 계산하였다. 이 코드는 Ray Tracing 기법에 의해 태양광의 열유속이 계산되며, 그 결과를 Fig.
전면과 측면 벽에 입사되는 태양열유속 분포는 상업용 소프트웨어 TracePro 4.0 을 활용하여 계산하였으며, 이를 해석모델의 입력열유속으로 반영하였다. 본 연구의 수치모델은 문헌에 알려진 수치모델^(1,8)과 동일하지만, 태양열이 복사에 의해 외부로 손실되는 비율이 전체열유속의 5% 미만⁽¹⁾으로 알려져 있으므로 복사손실을 제외하여 단순화 하였다.

성능/효과

(2) 공기흡수기의 유용도를 수식화 함으로써 기하학적 조건과 입력조건의 타당성을 검증할 수 있는 지표를 확립하였다.
(3) 유용도가 1 에 근접하도록 기하학적 조건과 입력조건을 설정 하는 것이 흡수기의 최적설계 조건으로 판단하였다.
(4) 지정된 기하학적 형상과 입력조건에서 흡수기 출구 공기온도 700℃이상을 획득하면서 전체 열전달량 200 kW 를 획득할 수 있는 최소 모듈 수는 약 150 개로 나타났다.
즉, 요구하는 열전달량이 밴치 모델에서 얻을 수 있는 열전달량의 10 배를 반영하였다. 설계목표를 달성하기 위해 요구되는 SiC 모듈수는 최소 150개로 나타났으며, 이 때의 유용도는 0.91 로 계산되었다(Fig. 8 을 보라).
7 의 계산결과를 근거로 실제 열전달량, 최대열전달량 및 흡수기 유용도를 나타내었다. 열전달량과 유용도는 모듈 수가 많을 수록 높게 나타났다. 모듈 수가 150 개 일 경우에, 204 kW와 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타워형 태양열 공기 흡수기은 어떤 역할을 수행하는가?	타워형 태양열 공기 흡수기는 heliostat 로 집광한 태양복사에너지를 열로 전환하여 공기를 가열하는 역할을 수행한다. 고집광비(1,000 ~ 1,500 SUN)를 가지는 태양에너지로 인해 흡수기 재료는 고온 및 고압에 안정해야 한다.
	다 채널 체적식 공기흡수기의 특징은 무엇인가?	다 채널 체적식 공기흡수기는 작은 입구면적을 가지는 여러 개의 직선 열전달 채널로 구성된 허니콤 구조를 가지며 통산적으로 높은 태양 열유속이 가해지는 타워형 태양열 발전에 활용되고 있다.(1,8)

참고문헌 (14)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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