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문제 정의
- 또한 본 연구의 최종 목적인 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻기 위하여 본 연구에서 구축한 태양열집열 장치에서 작동되는 이중진공관 태양열집열기의 특성파악 및 수치해석을 수행하였다.
- 본 연구의 목적은 실내연구가 가능하도록 인공태양으로서 할로겐램프를 이용하여 새로운 형태의 태양열집열기(solar collector)의 성능을 보다 간편하고 효율적으로 검사할 수 있는 태양열집열기 성능검사 시스템을 구축하고 또한 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻는 것이다.
- 여기서는 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻기 위하여 설계 및 제작한 태양열집열기 시스템에 대한 성능 평가를 수행하고자 하였으며 태양열집열기로서 이중진공관식 태양열집열기를 장착하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 1. 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위해 설계 및 제작한 태양열집열기 시스템에 대한 성능평가를 수행하였다. 그 결과 태양열집열기 성능검사 시스템에서 온도차(ΔT)의 설정에 따라 매니폴더의 온도변화를 예측할 수 있다.
- 개발 대상의 태양열집열기의 성능을 검사할 수 있는 태양열집열기 성능검사 시스템을 구축하고 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻기 위해 실험과 수치해석을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 13을 이용하여 조사하였다. 계산의 편의성을 위하여 유리관 전체를 모델링하지 않고 중심축을 기준으로 한 단면만을 모델링하였다. 이렇게 함으로써 축대칭(axisymmetry) 조건을 적용할 수 있으며 이 조건은 해석의 정확도와 편리성 및 계산시간을 줄일 수 있다.
- 이렇게 함으로써 축대칭(axisymmetry) 조건을 적용할 수 있으며 이 조건은 해석의 정확도와 편리성 및 계산시간을 줄일 수 있다. 또한 점성모델로서 유리관 주위의 공기 흐름이 크지 않기 때문에 층류를 적용하였다. Fig.
- 본 실험장치에서는 센서 T1과 센서 T2의 설정온도차(ΔT)를 시스템 컨트롤러에서 조절하며 이를 통해 물의 사용온도를 설정할 수 있도록 하였다.
- 3에서의 온도차(ΔT)을 설정하였을 때 태양열집열기 성능검사 시스템의 운전시작시간(좌측)과 이때의 온도 T1, T2 의 온도 증가량(우측)을 나타내었다. 순환펌프의 작동이 정지상태에서 작동되기 시작하는 동안, 즉 운전 간격의 시간에 따른 2곳의 온도(T1, T2)를 측정하였다. 온도차가 6˚C일때는 작동하는데 7.
- 5 ~ 5m3/h), 순환펌프(PH-045M, 35liter/min), 물저장조(용적 146L), 시스템 컨트롤러(SR 868C8), 2개의 센서, 각종 배관장치 등으로 구성되어져 있다. 실험 시에는 실내의 형광등을 모두 소등 시킨 후 빛의 밝기를 조절할 수 있는 할로겐램프를 상, 중, 하로 구분하여 열을 가하였다. 할로겐램프에 노출된 이중진공관 내부의 온도가 상승하여 히트파이프를 통하여 그 열이 매니폴드에서 열교환이 일어난다.
- 유리관 안쪽 벽면의 가열부분(heating area)의 온도가 100, 300, 500, 700°C일 때의 유리관 단면, 즉 히트파이프가 위치하는 곳에서의 온도분포와 공기의 속도분포를 조사하였다.
- 이중진공관 태양열집열기 내에 히트파이프(heat pipe)가 삽입되어져 있으며, 히트파이프는 이중진공관이 태양으로부터 흡수한 열로써 히트파이프내 작동 유체의 상변화를 이용하여 매니폴더에서 냉수와 열교환을 일으켜 온수를 생산하게 된다. 이 히트파이프 표면에 T-type의 열전대(thermocouple)를 부착하고 데이터로거(data logger, GL220 820APS)를 이용하여 온도측정을 수행하였다. 본 장치에서 히트파이프의 전 길이는 약 1700mm이며 온도측정 위치를 Fig.
- 본 연구의 목적은 실내연구가 가능하도록 인공태양으로서 할로겐램프를 이용하여 새로운 형태의 태양열집열기(solar collector)의 성능을 보다 간편하고 효율적으로 검사할 수 있는 태양열집열기 성능검사 시스템을 구축하고 또한 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻는 것이다. 이를 위해 태양열집열기 성능검사 시스템에 대한 3D CATIA 설계 및 제작을 수행하였으며 이중진공관 태양열집열기를 이용하여 성능검사를 실시하였다. 또한 본 연구의 최종 목적인 새로운 형태의 태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻기 위하여 본 연구에서 구축한 태양열집열 장치에서 작동되는 이중진공관 태양열집열기의 특성파악 및 수치해석을 수행하였다.
- 이중진공관 태양열집열기에서 태양열 흡수부인 이중진공관 내 코팅처리부에 여러 온도가 가해질 때 그 주위의 온도변화와 공기유동에 대해 열유동 해석프로그램인 ANSYS Fluent V.13을 이용하여 조사하였다. 계산의 편의성을 위하여 유리관 전체를 모델링하지 않고 중심축을 기준으로 한 단면만을 모델링하였다.
- 10은 전체 유리관에 대해 수치해석의 결과를 나타낸 부위이다. 즉 태양열 흡수부의 온도가 각각 100, 300, 500, 700℃일 때, 집열기 길이방향의 A, B, C, D, E 점의 온도와 집열기 상부 E 점에서 단면 a, b, c, d, e 점의 온도를 조사하였다.
- 6에 나타내었다. 히트파이프의 몸체 부분을 균등하게 5등분 하여 하단부 측정위치부터 A, B, C, D, E 지점으로 정하였다. 설정온도차(ΔT)가 6℃인 경우, 1시간 동안의 온도측정 결과를 Fig.
대상 데이터
- 9에 유리관 상부 및 하부 주위에 생성시킨 격자(mesh)를 나타내었다. 유리관 하부의 곡면부분과 상부에 많은 격자를 생성시켰으며 총 격자수는 48,252개로 하였다. Fig.
성능/효과
- 2. 태양열집열기 성능검사 시스템에 설정온도차(ΔT)의 증가에 따라 작동 회수는 감소하지만 총작동시간은 모든 경우에 거의 동일하다.
- 3. 본 실험장치에 장착한 히트파이프는 중간과 하단부 사이에서 가장 높은 온도를 보인다. 이의 결과는 새로운 태양열집열기 설계 시 고려할 필요가 있다.
- 4. 수치해석 결과로부터 이중진공관 태양열흡수부의 온도가 높을수록 중심부에서의 온도 감소율은 증가한다. 본 수치계산에서는 태양열흡수부의 온도가 700°C일 때 최대 32.
- 이 이유들에 대해서는 후술하기로 한다. 결과적으로 설정온도차를 크게 하여야 고온의 온수를 많이 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있다. 본 실험에서 약 2시간의 측정동안 온도는 계속적으로 증가한다.
- 태양열흡수부 표면의 온도(a와 e점)에서 중심(c점)으로 갈수록 온도가 떨어진다. 또한 태양열흡수부의 온도가 높을수록 단면에서의 온도 감소율이 커지는 것을 확인할 수 있다. 여기서 수치계산상으로 태양열흡수부의 온도가 700°C일 때 최대 32.
- 수치해석 결과로부터 이중진공관 태양열흡수부의 온도가 높을수록 중심부에서의 온도 감소율은 증가한다. 본 수치계산에서는 태양열흡수부의 온도가 700°C일 때 최대 32.7%의 온도감소가 발생하였다.
- 새로운 태양열집열기의 최적설계를 위해서는 히트파이프의 열흡수부와 방열부의 길이 비율, 윅(wick)의 구조, 열전도율이 좋은 히프파이프 내의 휘발성 물질, 방열부의 구조, 유지·보수의 용이성 등이 고려되어야 하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 실제의 현상에 근접시키기 위해서는 유리관의 내측에 히트파이프를 설치하여 열의 흡수부로 지정한 후 수치해석을 수행하는 것이 타당하다. 그러나 여기서는 새로운 형태의 태양열집열기를 설계하기 위한 기초자료로 활용하는데 가치가 있는 것으로 판단된다.
- 태양열 집열기 부분에서 중국이 세계시장의 대부분을 차지하고 있으며 또한 많은 특허를 보유하고 있는 것으로 알려지고 있다[12]. 따라서 우리나라도 태양열 집열부분에 대해, 외국제품의 특허 회피 전략과 더블어 새로운 집열분야에 대한 집중적인 투자와 연구가 더 활발히 이루어져야 할 것이다.
- 여기서 취득한 데이터는 향후 연구·개발할 새로운 형태의 태양열집열기와의 비교 자료로써 사용되어질 것이다.
- 이것으로서 본 태양열집열기 성능검사 시스템에서 설정온도차(ΔT)의 설정에 따라 매니폴더의 온도 변화를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
- 0%의 온도감소가 발생하였다. 이러한 결과는 개발하고자 하는 태양열집열기의 길이와 직경의 비를 결정하는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 히트파이프의 몸체 중·하단부(B점)에서 가장 높은 온도이고 중간부(C점)에서 그 다음의 높은 온도를 보인다. 즉 히트파이프의 중간부에서 하단부 사이에서 높은 온도를 보이는 것으로부터 이 부분에서 열의 흡수가 가장 많이 일어나는 것으로 예측되며 새로운 태양열집열기의 설계시 고려해야 할 것으로 판단된다. 히트파이프의 상단부(E점)에서 다른 지점보다 가장 낮은 온도를 보인다.
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