[논문]200kW 탑형 태양열발전시스템의 Heliostat Field 설계

박영칠

doi:10.7836/kses.2012.32.5.041

200kW 탑형 태양열발전시스템의 Heliostat Field 설계
Design of Heliostat Field for 200kW Tower Type Solar Thermal Power Plant 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.5, 2012년, pp.41 - 51

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Heliostat field is the most important subsystem in the tower type solar thermal power plant since its optical performance affects the total system efficiency most significantly while the construction cost of it is the major part of total construction cost in such a power plant. Thus a well designed heliostat field to maximize the optical efficiency as well as to minimize the land usage is very important. This work presents methodology, procedures and result of heliostat filed design for 200kW solar thermal power plant built recently in Daegu, Korea. A $2{\times}2(m)$ rectangular shaped receiver located at 43(m) high and tilted $28^{\circ}$ toward heliostat field, 450 of heliostats of which the reflective surface is formed by 4 of $1{\times}1(m)$ flat plate mirror facet, and the land area having about $140{\times}120(m)$ size are used to form the heliostat field. A procedure to deploy 450 heliostats in radial staggered nonblocking formation is developed. Also the procedures to compute the cosine effect, intercept ratio, blocking and shading ratio in the field are developed. Finally the heliostat filed is designed by finding the optimal radial distance and azimuthal spacing in radial staggered nonblocking formation such that the designed heliostat field optical efficiency could be maximized. The designed heliostat field has 77% of annual average optical efficiency, which is obtained by annually averaging the optical efficiencies computed between the time of where sun elevation angle becomes $10^{\circ}$ after sunrise and the time of where sun elevation angle becomes $10^{\circ}$ before sunset in each day.

주제어

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문제 정의

본 연구에서 설계되는 헬리오스타트 필드는 비막힘 구조를 가지며, 따라서 막힘에 의한 손실율의 계산을 필요로 하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 본 연구는 향후 부지 활용 효율의 극대화가 설계 기준으로 사용될 경우 또는 최적화 과정에서 발생할 수도 있는 막힘에 의한 손실율의 계산이 필요한 경우에 대비하기 위하여 막힘에 의한 손실율 계산 과정을 포함하여 개발하였다.
본 연구는 국내에서 건설된 200kW 탑형 태양열발전시스템의 헬리오스타트 필드를 설계한 것으로, 본 연구에서는 우선 선행연구결과들을 보완하여 최소간격을 갖는 비막힘 구조의 필드 구성을 위한 과정과 필드광학효율의 계산을 위한 모든 과정을 개발하였다. 그 후 본 연구는 필드 건설 부지의 구속조건을 충족시키면서 필드광학효율이 극대화시키는 비막힘 구조의 열간 간격 및 좌우간격을 찾아 냄으로서 77.
본 연구는 국내에서 건설된 200kW 탑형태양열발전시스템[1]의 헬리오스타트 필드 설계에 관한 것이다. 헬리오스타트 필드는 일반적으로 필드광학효율을 극대화하고 동시에 필드 건설부지 면적의 최소화가 이루어지는 구조로 설계된다.

가설 설정

200kW 태양열발전시스템에서 사용된 헬리오스타트 반사거울의 반사율 ηref는 0.93의 값[5]을 가지며, ηatm은 흡수기와 설치되는 헬리오스타트 간의 거리가 본 연구에서 사용되는 부지의 경우 비교적 짧고 따라서 공기층을 통과하는 동안 감쇄되는 열에너지는 없는 것으로 가정하였다[9].
① 탑으로부터 필드 첫번째 열(first ring)까지의 거리 R₁은 흡수기 중심의 높이 H_r과 동일하게 설정한다. 동시에 첫번째 열의 헬리오스타트들은 헬리오스타트를 그림 3에서와 같이 헬리오스타트 반사면 가로 길이 h_w의 2배를 지름으로 하는 원으로 나타내었을 때, 그와 같은 원이 서로 접하여 배치되도록 설치된다.

제안 방법

본 연구는 국내에서 건설된 200kW 탑형 태양열발전시스템의 헬리오스타트 필드를 설계한 것으로, 본 연구에서는 우선 선행연구결과들을 보완하여 최소간격을 갖는 비막힘 구조의 필드 구성을 위한 과정과 필드광학효율의 계산을 위한 모든 과정을 개발하였다. 그 후 본 연구는 필드 건설 부지의 구속조건을 충족시키면서 필드광학효율이 극대화시키는 비막힘 구조의 열간 간격 및 좌우간격을 찾아 냄으로서 77.1%의 년평균 필드광학효율을 갖는 헬리오스타트 필드를 설계하였다.
동시에 본 연구는 필드 설계에서 요구되는 필드광학효율의 계산을 위하여, 코싸인 효과(cosine effect), 흡수율(intercept ratio), 그리고 탑 또는 주변 헬리오스타트의 그림자로 인한 집열 손실율을 계산하기 위한 과정을 개발하였다. 그 후 본 연구는 필드 구성 부지조건이 허용하는 범위 내에서, 필드광학효율이 극대화되는 비막힘 구조의 필드 열간간격(radial distance)과 좌우간격(azimuthal spacing)을 찾음으로써 200kW 태양열발전시스템을 위한 헬리오스타트 필드의 설계를 수행한 것이다.
즉 본 연구는 필드를 구성하는 모든 개별 헬리오스타트로부터 반사된 태양광이 주변 헬리오스타트에 의하여 막힘없이 흡수기에 도달되는 비막힘(nonblocking)구조의 필드로 구성되는 과정을 우선 개발하였다. 동시에 본 연구는 필드 설계에서 요구되는 필드광학효율의 계산을 위하여, 코싸인 효과(cosine effect), 흡수율(intercept ratio), 그리고 탑 또는 주변 헬리오스타트의 그림자로 인한 집열 손실율을 계산하기 위한 과정을 개발하였다. 그 후 본 연구는 필드 구성 부지조건이 허용하는 범위 내에서, 필드광학효율이 극대화되는 비막힘 구조의 필드 열간간격(radial distance)과 좌우간격(azimuthal spacing)을 찾음으로써 200kW 태양열발전시스템을 위한 헬리오스타트 필드의 설계를 수행한 것이다.
마지막으로 본 연구는 선행연구[6]에서 결정된 흡수기 설치 높이 43(m), 설치 각도 28° 그리고 헬리오스타트 필드의 최대 허용 림 각도 45°를 필드 설계의 초기조건으로 하였다.
동시에 필드광학효율에 큰 영향을 미치는 코싸인 효과 역시 필드 최대 허용 림 각인 45° 이내의 부지 만으로 구성되는 필드의 경우 열간 간격 및 좌우간격 변화에 따라큰 변화가 없음이 확인되었다. 마지막으로 필드광학효율에 코싸인 효과와 대등한 영향을 미치는 그림자에 의한 손실율은 태양의 고도가 낮은 시간 동안 큰 값을 가지며,따라서 이의 최소화를 위한 필드의 열간 간격 및 좌우간격의 조정이 설계과정에서 이루어졌다.
본 연구에서 설계된 헬리오스타트 필드는 부지 활용효율보다는 필드광학효율이 우선시되는 조건으로 설계되었다. 바꾸어 말해서, 본 연구에서 설계된 헬리오스타트 필드는 광학효율 극대화를 위하여 우선 비막힘 구조를 기본 구조로 하되 식 (7)에서 정의된 필드광학효율이 극대화되도록 하는 헬리오스타트의 열간 간격과 좌우간격을 찾아냄으로서 이루어졌다.
본 연구는 공기식 흡수기를 사용하며, 1 × 1(m) 크기의 평판 거울 4개를 구형 프레임에 장착하여 반사면을 형성한 헬리오스타트[5]450개로 구성되는 헬리오스타트 필드의 설계를, 필드광학효율의 극대화 측면에서 수행한 것이다.
최소간격의 비막힘 헬리오스타트 필드는 헬리오스타트의 구조, 흡수기의 구조 그리고 부지 구조로부터 기하학적 해석 과정을 통하여 구성된다. 본 연구는 참고문헌[8]의 해석 과정을 본 연구에서 설계하는 태양열발전시스템의 건설 조건에 맞추어 다음과 같이 변경하고 적용함으로서 최소간격을 갖는 비막힘 구조의 헬리오스타트 필드를 형성하였다.
본 연구에서 설계되는 헬리오스타트 필드는 비막힘 구조를 가지며, 따라서 막힘에 의한 손실율의 계산을 필요로 하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 본 연구는 향후 부지 활용 효율의 극대화가 설계 기준으로 사용될 경우 또는 최적화 과정에서 발생할 수도 있는 막힘에 의한 손실율의 계산이 필요한 경우에 대비하기 위하여 막힘에 의한 손실율 계산 과정을 포함하여 개발하였다.
본 연구에서 설계된 헬리오스타트 필드는 부지 활용효율보다는 필드광학효율이 우선시되는 조건으로 설계되었다. 바꾸어 말해서, 본 연구에서 설계된 헬리오스타트 필드는 광학효율 극대화를 위하여 우선 비막힘 구조를 기본 구조로 하되 식 (7)에서 정의된 필드광학효율이 극대화되도록 하는 헬리오스타트의 열간 간격과 좌우간격을 찾아냄으로서 이루어졌다.
본 연구에서는 막힘 및 그림자에 의한 손실율 계산을 위하여 선행연구[10]에서 제안된 과정을 다음과 같이 보완 적용하였다.
본 연구에서는 필드광학효율 계산을 위하여, 년중 3일 간격으로 선택된 날짜에서 매일 태양일출이후 태양의 고도각이 10°가 되는 시간으로부터 일몰전 고도각이 10°가 되는 시간사이를 남중시간을 기준으로 15개로 구분하여 계산한 모든 값을 사용하여 평균하였다.
비록 미국 Sandia 국립연구소에서 운영되고 있는 탑형태양열발전시스템[7]이 parallel staggered구조를 가지고 있기는 하나, 현재 상용 또는 기타 실증시험용 탑형태양열발전시스템은 모두 radial staggered구조의 필드를 사용하고 있다. 이는 radial staggered구조의 헬리오스타트 필드가 동일 조건에서 가장 높은 필드광학효율을 제공하기 때문이며[2], 따라서 radial staggered구조를 본 연구에서 설계되는 헬리오스타트 필드의 구조로 선택하였다.
본 연구는 공기식 흡수기를 사용하며, 1 × 1(m) 크기의 평판 거울 4개를 구형 프레임에 장착하여 반사면을 형성한 헬리오스타트[5]450개로 구성되는 헬리오스타트 필드의 설계를, 필드광학효율의 극대화 측면에서 수행한 것이다. 즉 본 연구는 필드를 구성하는 모든 개별 헬리오스타트로부터 반사된 태양광이 주변 헬리오스타트에 의하여 막힘없이 흡수기에 도달되는 비막힘(nonblocking)구조의 필드로 구성되는 과정을 우선 개발하였다. 동시에 본 연구는 필드 설계에서 요구되는 필드광학효율의 계산을 위하여, 코싸인 효과(cosine effect), 흡수율(intercept ratio), 그리고 탑 또는 주변 헬리오스타트의 그림자로 인한 집열 손실율을 계산하기 위한 과정을 개발하였다.

대상 데이터

본 연구는 또한 그림 2에서와 같은 부지를 헬리오스타트 필드 구성을 위한 건설부지로 사용하였다. 아울러 본 연구는 선행연구[5]에서 결정된 4(m²)의 반사면적을 갖는 헬리오스타트를 사용하며, 따라서 필드 구성에서 요구되는 총 헬리오스타트의 수는 450개이다.
본 연구의 경우에는, 대구지방의 일사조건에서 건설되는 태양열발전시스템이 정상상태 운전에서 200kW의 발전을 위한 열에너지제공 조건으로부터 결정된 헬리오스타트의 총 반사면적(totalmirrorarea) 1,800(m2)와 흡수기 동작조건으로부터 결정된 흡수기 개구부의 크기 2 × 2(m)가 필드 설계의 초기값으로 사용되었다.
본 연구는 또한 그림 2에서와 같은 부지를 헬리오스타트 필드 구성을 위한 건설부지로 사용하였다. 아울러 본 연구는 선행연구[5]에서 결정된 4(m²)의 반사면적을 갖는 헬리오스타트를 사용하며, 따라서 필드 구성에서 요구되는 총 헬리오스타트의 수는 450개이다. 마지막으로 본 연구는 선행연구[6]에서 결정된 흡수기 설치 높이 43(m), 설치 각도 28° 그리고 헬리오스타트 필드의 최대 허용 림 각도 45°를 필드 설계의 초기조건으로 하였다.

성능/효과

동시에 필드광학효율에 큰 영향을 미치는 코싸인 효과 역시 필드 최대 허용 림 각인 45° 이내의 부지 만으로 구성되는 필드의 경우 열간 간격 및 좌우간격 변화에 따라큰 변화가 없음이 확인되었다.

후속연구

본 연구에서 개발된 헬리오스타트 필드 설계 과정은, 비록 외국에 이미 많은 종류의 필드 설계 프로그램[11]이 존재하고 있으나 국내에 공개된 것이 없으며, 따라서 국내 탑형태양 발열발전시스템 건설 기술의 국산화에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬리오스타트 필드광학효율에 영향을 미치는 것은?	헬리오스타트 필드광학효율은, 흡수기의 구조와 위치, 필드를 구성하는 개별 헬리오스타트의 구조 그리고 헬리오스타트들의 배치에 따른 주변 헬리오스타트와의 간섭 효과 등에 따라 달라진다. 헬리오스타트 필드 설계는, 따라서, 흡수기 개구부 구조, 설치 위치 및 설치 방향 설계로부터 시작하여, 헬리오스타트의 구조 설계 그리고 요구되는 수량의 헬리오스타트들의 배치에 이르기까지 다양하고 복합적인 과정을 포함한다.
	탑형태양열발전시스템의 효율에 가장 크게 영향을 미치는 부위는 무엇인가?	탑형 태양열발전시스템(tower type solar thermal power plant)의 헬리오스타트 필드(heliostat field)는 태양추적을 수행하는 수백 또는 수천의 헬리오스타트들로 구성되어 있는 탑형 태양열발전시스템의 부분시스템(subsystem)으로, 건설비용에서 뿐만이 아니라, 필드광학 효율(optical efficiency)이 태양열발전시스템 전체효율에 가장 큰 영향을 미치는 것과 같은 대단히 중요한 부분이다.
	헬리오스타트 필드란 무엇인가?	탑형 태양열발전시스템(tower type solar thermal power plant)의 헬리오스타트 필드(heliostat field)는 태양추적을 수행하는 수백 또는 수천의 헬리오스타트들로 구성되어 있는 탑형 태양열발전시스템의 부분시스템(subsystem)으로, 건설비용에서 뿐만이 아니라, 필드광학 효율(optical efficiency)이 태양열발전시스템 전체효율에 가장 큰 영향을 미치는 것과 같은 대단히 중요한 부분이다.

참고문헌 (11)

M.H. Park, "Introduction of Daegu City Gas Power Tower Project", The Magazine of Korean Solar Energy Society, Vol. 9, No. 2, 2010, pp.14-18
X. Wei, "Study on the Heliostat Filed Design in the Solar Thermal Power Plant", Ph.D Dissertation, Chinese Academy of Sciences, China, May, 2009
M. Sanchez and M.Romero, "Methodology for Generation of Heliostat Field Layout in Central Receiver Systems based on Yearly Normalized Energy Surfaces", Solar Energy 20, 2006, pp. 861-874
Steve Schell, "Design and Evaluation of esolar's Heliostat Fields", Solar Energy 85, 2011, pp. 614-619

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Y.C. Park, "Design of Structure of Heliostat Reflective Surface for 200kW Tower Type Solar Thermal Power Plant", J. of the Korean Solar Energy Society, Vol.31, No.2, 2011, pp. 53-62

원문보기 상세보기
Y.C. Park, "Analysis of Energy Concentration Characteristics of Heliostat used in 200kW Tower Type Solar Thermal Power Plant", J. of the Korean Solar Energy Society, Vol. 31, No. 3, 2011, pp. 80-88

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http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stations
F.M.F. Siala and M.E. Elayeb, "Mathematical Formulation of a Graphical Method for a Nonblocking Heliostat Field Layout", Solar Energy 23, 2001, pp. 77-92
M. Schmitz, P. Schwarzbo, R. Buck et. al, "Assessment of Potential Improvement due to Multiple Apertures in Central Receiver Systemswith Secondary Concentrators", Solar Energy, 80, 2006, pp. 111-120

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R.H. McFee, "Power Collection Reduction by Mirror Surface Nonflatness and Tracking Error for a Central Receiver Solar Power System", Applied Optics, Vol. 14 No. 7, 1975, pp. 1493-150

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Clifford Ho, "Software and Codes for Analysis of Concentrating Solar Power Technologies", SANDIA Report, SAND 2008-8053, 2008

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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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