[논문]나노유체를 이용한 평판형 태양열 집열기의 효율에 관한 연구

이승현; 장석필

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.9.799

나노유체를 이용한 평판형 태양열 집열기의 효율에 관한 연구
Study on Efficiency of Flat-Plate Solar Collector Using Nanofluids 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.9 = no.336, 2013년, pp.799 - 805

이승현 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 장석필 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 나노유체를 사용한 평판형 집열기의 효율을 예측하기 위한 이론적인 연구를 수행하였다. 평판형 태양열 집열기 내부의 온도분포에 관한 해석적 해를 구하기 위해 무차원화된 2 차원 열 확산방정식을 풀었으며, 이 과정에서 흡광계수와 복사강도는 파장에 독립적이라고 가정하였다. 이렇게 주어진 식을 바탕으로, 물-기반 단일벽 탄소나노혼 나노유체를 작동유체로 사용할 경우 나노입자의 부피비, 열손실의 크기, 집열기의 높이에 따른 무차원 온도분포를 파악해 보았다. 마지막으로 나노유체 기반 평판형 집열기의 효율을 예측해 본 결과 일정 형상조건 이내에서 나노유체 태양열 집열기가 기존 집열기 보다 높은 효율을 가질 수 있음을 파악하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An analytical study is conducted to assess the efficiency of a flat-plate solar collector using nanofluids. The nondimensionalized 2D heat diffusion equation is solved by assuming a wavelength-independent extinction coefficient and intensity to obtain the analytical solution of the temperature distribution in the flat-plate solar collector. The dimensionless temperature distribution is investigated as functions of the volume fraction of the nanofluids, magnitude of heat loss, and collector's depth based on the analytical solution when using water-based single-walled carbon nanohorn (SWCNH) nanofluids as a working fluid. Finally, the efficiency of the flat-plate solar collector using the nanofluids is predicted and compared with that of the conventional solar collector. The results indicate that the efficiency of the nanofluid solar collector is better than that of the conventional solar collector under specific geometrical conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 Organic Ink 처럼 쉽게 열화되지도 않아 고온의 집열기에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 나노유체 태양열 집열기에 관한 기본연구로서 평판형 태양열 집열기의 효율을 평가하기 위한 이론적인 연구를 수행해 보았다. 이를 위해 본 연구에서는 평판형 집열기의 온도분포에 관한 기존 이론적인 모델⁽⁷⁾을 단순화시킨 해석적인 해를 구하였으며, 이를 바탕으로 물-기반 단일벽 탄소나노혼(Single Wall Carbon Nanohorn, SWCNH)⁽⁵⁾ 나노유체를 사용할 경우 부피비, 외부 열손실양, 집열기 높이에 따라 집열기 내부 온도 분포가 어떻게 변하는지 파악해 보았다.
이를 위해 본 연구에서는 평판형 집열기의 온도분포에 관한 기존 이론적인 모델⁽⁷⁾을 단순화시킨 해석적인 해를 구하였으며, 이를 바탕으로 물-기반 단일벽 탄소나노혼(Single Wall Carbon Nanohorn, SWCNH)⁽⁵⁾ 나노유체를 사용할 경우 부피비, 외부 열손실양, 집열기 높이에 따라 집열기 내부 온도 분포가 어떻게 변하는지 파악해 보았다. 또한 기존 평판형 집열기의 효율과 비교하여 나노유체 태양열 집열기의 적용 가능성에 대해서도 모색해 보았다.
본 논문에서는 평판형 태양열 집열기 내부를 모사한 무차원화된 2D 열확산방정식 (heat diffusion equation)을 파장(wavelength)에 독립적인 조건을 가정하여, 무차원 온도분포에 관한 간략화된 해석적 해를 구하였다. 이를 바탕으로 SWCNH 나노유체를 작동유체로 사용할 경우 열손실량과 부피비, 집열기의 높이에 따른 무차원 온도분포 변화를 파악해 보았다.
본 논문에서는 평판형 태양열 집열기 내부를 모사한 무차원화된 2D 열확산방정식 (heat diffusion equation)을 파장(wavelength)에 독립적인 조건을 가정하여, 무차원 온도분포에 관한 간략화된 해석적 해를 구하였다. 이를 바탕으로 SWCNH 나노유체를 작동유체로 사용할 경우 열손실량과 부피비, 집열기의 높이에 따른 무차원 온도분포 변화를 파악해 보았다. 결과를 살펴보면, 열손실량이 클 수록 집열기 전반의 무차원 온도값이 감소하였으며, 열손실이 적은 경우보다 빠르게 정상상태에 도달 함을 알 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 나노유체 태양열 집열기에 관한 기본연구로서 평판형 태양열 집열기의 효율을 평가하기 위한 이론적인 연구를 수행해 보았다. 이를 위해 본 연구에서는 평판형 집열기의 온도분포에 관한 기존 이론적인 모델⁽⁷⁾을 단순화시킨 해석적인 해를 구하였으며, 이를 바탕으로 물-기반 단일벽 탄소나노혼(Single Wall Carbon Nanohorn, SWCNH)⁽⁵⁾ 나노유체를 사용할 경우 부피비, 외부 열손실양, 집열기 높이에 따라 집열기 내부 온도 분포가 어떻게 변하는지 파악해 보았다. 또한 기존 평판형 집열기의 효율과 비교하여 나노유체 태양열 집열기의 적용 가능성에 대해서도 모색해 보았다.

가설 설정

여기서 복사강도와 흡광계수는 기본적으로 파장에 관한 함수이므로 식 (9)를 계산하기 위해서는 수치적인 방법을 전 파장영역에 대해 적분해주어야 한다. 하지만 본 연구에서는 간략히 해석적 해를 구하기 위해 흡광계수와 복사강도를 파장에 무관한 상수값으로 가정하였고, 그에 따라 단위체적당 열발생률을 다음과 같은 식으로 표현해 줄 수 있다.

제안 방법

이러한 2 단계 열전달 과정은 높은열 손실을 야기시켜 기존 집열기의 효율을 크게 향상시키는데 한계를 가지고 있었다.⁽¹⁾ 이를 해결하기 위해 제시된 방법이 작동유체에 직접 태양열을 흡수 하는 직접 흡수식 집열기 (Direct Absorption Solar Collector, DASC) 이다.⁽¹⁾ 그러나 물이나 thermal-oil 같이 기존 집열기에서 사용되던 열교환 작동유체들은열 수송특성은 좋으나 태양열 흡수특성이 매우 낮기 때문에, 태양열을 직접 흡수하기 위해서는 기본유체의 태양열 흡수율을 높이기 위한 첨가물이 필요하게되었다.
⁽¹⁾ 그러나 물이나 thermal-oil 같이 기존 집열기에서 사용되던 열교환 작동유체들은열 수송특성은 좋으나 태양열 흡수특성이 매우 낮기 때문에, 태양열을 직접 흡수하기 위해서는 기본유체의 태양열 흡수율을 높이기 위한 첨가물이 필요하게되었다. 그래서 기존 연구자들은 중, 저온 영역에서 검은색의 India Ink⁽²⁾를 사용하였고, 고온 영역에서는 Micro Carbon 입자⁽³⁾를 사용하여 광학적 흡수특성을 높이고자 하였다. 하지만 India Ink 와 같은 유기잉크의 경우 고온에서 빛과 열에 의해 쉽게 열화 (degradation)되어 고온에서 적합하지 못하다는 단점을 가지고 있었다.

이론/모형

계산에 필요한 물-기반 SWCNH 흡광계수값은 문헌의 값(5)을 사용하였으며 물성치는 Table 2 에정 리 하 였 다 . 여기서 사용된 나노유체의 흡광계수값은 Lambert-Beer law 를 이용하여 상온, 정지상태에서 측정된 값이며, 집광기의 높이 H 는 1mm 로 선정하였다. Fig.
이러한 식 (4)의 해석적 해를 구하기 위해서는 제차 부분과 비제차 부분의 해를 각각 구한 후, 두 해를 합쳐 일반해를 구해야 한다. 여기서 제차 부분의 해는 변수분리를 통하여 구하고, 비제차 부분의 해는 Green 함수를 이용하여 구하였다. 결과식을 살펴보면 다음과 같다.

성능/효과

하지만 India Ink 와 같은 유기잉크의 경우 고온에서 빛과 열에 의해 쉽게 열화 (degradation)되어 고온에서 적합하지 못하다는 단점을 가지고 있었다.⁽⁴⁾ Micro 크기의 Carbon 입자의 경우 작동유체에 안정적으로 분산이 되지 못하고 쉽게 가라앉아 펌프를 막거나(clogging) 파이프에 축적되어 (Fouling effect) 요구되는 펌핑파워를 높이는 단점을 가지고 있었다.⁽¹⁾
^(1,4,5)나노유체란 기존의 물이나 에틸렌 글리콜과 같은 열전달용 작동 유체에 나노크기의 금속 혹은 비금속 입자를 분산시켜 만든 유체로서 뛰어난 분산특성과 열적 물성치로 인해 열전달 분야에서 많은 주목을 받고 있다.⁽⁶⁾ 나노유체를 DASC 의 작동유체로 사용할 경우, 작은 입자 크기로 인해 쉽게 가라앉거나 퇴적되지 않아 기존의 분산안정성 문제를 해결할 수 있다. 또한 Organic Ink 처럼 쉽게 열화되지도 않아 고온의 집열기에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이를 바탕으로 SWCNH 나노유체를 작동유체로 사용할 경우 열손실량과 부피비, 집열기의 높이에 따른 무차원 온도분포 변화를 파악해 보았다. 결과를 살펴보면, 열손실량이 클 수록 집열기 전반의 무차원 온도값이 감소하였으며, 열손실이 적은 경우보다 빠르게 정상상태에 도달 함을 알 수 있었다. 또한 SWCNH 입자의 부피비가 커질수록 흡수하는 열량이 많아져 집열기 내부의 전반적인 무차원 온도값이 높아짐을 알 수 있 었다.
결과를 살펴보면, 열손실량이 클 수록 집열기 전반의 무차원 온도값이 감소하였으며, 열손실이 적은 경우보다 빠르게 정상상태에 도달 함을 알 수 있었다. 또한 SWCNH 입자의 부피비가 커질수록 흡수하는 열량이 많아져 집열기 내부의 전반적인 무차원 온도값이 높아짐을 알 수 있 었다. 또한 집열기의 높이에 따른 영향을 살펴본 결과, 열손실량에 따라 두 가지 경향성을 나타냈다.
여기서 직선으로 표현한 집열기의 효율값은 무차원 길이에 무관하다는 의미가 아닌 단순 비교값으로서 표현하였다. 또한 열손실 Nusselt 수에 따른 영향을 살펴보면 열손실 Nusselt 수가 클수록 집열기의 효율이 전반적으로 떨어지는 것을 알 수 있다. 하지만 #<2.
열손실량이 작을 경우 깊이가 깊을수록 무차원 온도값이 상승하였고, 열손실량이 큰 경우 깊이가 깊어질수록 무차원 온도값이 상승하다가 일정 깊이 이상에서는 오히려 감소함을 알 수 있었다. 마지막으로 부피비 80ppm 의 물-기반 SWCNH 나노유체를 사용할 경우 집열기 길이에 따른 효율을 예측해 본 결과, 일정 형상조건 이내에서 나노 유체 평판형 집열기가 기존 평판형 집열기 이상의 효율을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
4 는 집열기의 한 지점 (#=2)에서 높이에 따른 무차원 온도값을 표현해 놓은 그래프이다. 여기서는 열손실량에 따라 두 가지 경향성이 나타남을 알 수 있는데, 열손실량이 작을 경우 깊이가 깊을수록 무차원 온도값이 상승하였지만, 열손실량이 클 경우 깊이가 깊어질수록 무차원 온도값이 상승하다가 일정 깊이 이상에서는 오히려 감소함을 알 수있었다. 이는 깊이(H)가 깊어질수록 열발생량은 증가하지만 그와 동시에 무차원 온도분포의 분모값(G_sH) 또한 커지기 때문이다.
또한 집열기의 높이에 따른 영향을 살펴본 결과, 열손실량에 따라 두 가지 경향성을 나타냈다. 열손실량이 작을 경우 깊이가 깊을수록 무차원 온도값이 상승하였고, 열손실량이 큰 경우 깊이가 깊어질수록 무차원 온도값이 상승하다가 일정 깊이 이상에서는 오히려 감소함을 알 수 있었다. 마지막으로 부피비 80ppm 의 물-기반 SWCNH 나노유체를 사용할 경우 집열기 길이에 따른 효율을 예측해 본 결과, 일정 형상조건 이내에서 나노 유체 평판형 집열기가 기존 평판형 집열기 이상의 효율을 가질 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평판형 집열기의 장점은 무엇인가?	태양열에너지를 흡수하기 위한 집열기의 형태는 사용온도 및 조건에 따라 다양하게 존재하며, 그 중 평판형 집열기는 가정용 온수급탕과 같은 저온용에 적합한 집열기이다. 또한 평판형 집열기는 간단한 구조와 저렴한 가격, 그리고 간편한 유지보수 등의 장점을 가지고 있다. 기존의 평판형 집열기는, 블랙 크롬으로 코팅된 흡수판에서 태양열을 흡수한 뒤 이를 다시 열교환 작동유체로 전달하는 2 단계 열전달 과정을 거친다.
	나노유체란 무엇인가?	하지만 최근 나노기술의 발달과 함께 나노유체에 대한 연구가 활발히 진행되면서, 이를 DASC 에 적용하기 위한 연구가 주목 받기 시작하였다.(1,4,5)나노유체란 기존의 물이나 에틸렌 글리콜과 같은 열전달용 작동 유체에 나노크기의 금속 혹은 비금속 입자를 분산시켜 만든 유체로서 뛰어난 분산특성과 열적 물성치로 인해 열전달 분야에서 많은 주목을 받고 있다.(6) 나노유체를 DASC 의 작동유체로 사용할 경우, 작은 입자 크기로 인해 쉽게 가라앉거나 퇴적되지 않아 기존의 분산안정성 문제를 해결할 수 있다.
	작동유체에 직접 태양열을 흡수 하는 직접 흡수식 집열기는 기존 평판형 집열기의 어떠한 한계를 해결할 수 있는가?	기존의 평판형 집열기는, 블랙 크롬으로 코팅된 흡수판에서 태양열을 흡수한 뒤 이를 다시 열교환 작동유체로 전달하는 2 단계 열전달 과정을 거친다. 이러한 2 단계 열전달 과정은 높은열 손실을 야기시켜 기존 집열기의 효율을 크게 향상시키는데 한계를 가지고 있었다.(1) 이를 해결하기 위해 제시된 방법이 작동유체에 직접 태양열을 흡수 하는 직접 흡수식 집열기 (Direct Absorption Solar Collector, DASC) 이다.

참고문헌 (8)

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Streed, E. R., Hill, J. E., Thomas, W. C., Dawson, A. G. and Wood, B. D., "Results and Analysis of a Round Robin Test Program for Liquid-heating Flat-plate Solar Collectors," Sol. Energy, Vol. 22, pp. 235-249

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