[논문]복합식 태양광 발전 및 난방장치 개발

이동일; 백승욱

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.11.907

복합식 태양광 발전 및 난방장치 개발
Development of Hybrid Device for Photovoltaic Power Generation and Heating 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.11 = no.350, 2014년, pp.907 - 914

이동일 (한국과학기술원 항공우주공학과) , 백승욱 (한국과학기술원 항공우주공학과)

초록
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본 연구는 센서식 및 프로그램식의 태양추적장치를 이용하여 집광형 태양전지의 발전효율을 증가시키는 연구를 진행하였다. 또한 집광형 태양전지에서 발생된 열은 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 온수나 난방에 사용할 수 있었다. 실험 결과 집광형 태양전지의 평균 전기효율은 16%, 히트파이프를 포함한 흡열기의 열효율은 62% 로 복합효율이 78%를 나타내었다. 태양위치에 따른 실시간 추적, 일몰 이후 난방장치의 동쪽방향 원상복귀, 원상복귀후 자동종료는 Simulink 프로그램으로 구현하였다. 히트파이프 유무, 집광비, 흡열기 입구 속도에 따른 집광형 태양전지 및 흡열기 온도를 해석하였으며 실험결과와 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study was to increase the generating efficiency of concentrated photovoltaics (CPV) by using hybrid solar tracking. Further, the proposed system was demonstrated to have the ability to extract thermal energy from a concentrated photovoltaic system by using thermal absorbers containing heat pipe, which could then be used for a heating system or hot-water supply. The average electrical efficiency was 16 during the day, and the average thermal efficiency was 62. Therefore, this system demonstrated a total efficiency (electrical thermal) of 78. All the processes, i.e., tracking of the sun, calculation of the sun's position, reinstatement of the heating device toward the east for tracking on the next day, and system shutdown, were programmed using Simulink. A parametric analysis of the heat pipe, concentration ratio, and inlet velocity was also performed in terms of the operating temperature of the CPV and the outlet temperature. The simulation and experimental results for the thermal absorber were found to be in good agreement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 첫째, 센서식 및 프로그램식의 태양추적장치를 개발하여 실시간 태양추적이 가능하도록 하였다. 둘째, 히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 태양전지 후면에 부착하여 냉각을 함으로써 발전효율 및 열효율을 향상시켰다.

가설 설정

둘째, 서쪽방향으로 움직인 각은 위에서 계산한 총 펄스 개수에 펄스당 움직이는 모터의 각을 곱하여 계산한다. 셋째, 서쪽방향으로 움직인 각에서 동쪽방향으로 움직인 각을 뺄셈한다. 넷째, 최종적으로 움직인 방위각은 초기 설정한 각을 덧셈함으로써 계산된다.
히트파이프는 높은 열전도율을 가진 고체로 가정하였으며 실험을 토대로 15,000W/m·K를 적용하였다.

제안 방법

04° 이내였다.^(9-11) 이를 통해 집광형 태양전지를 이용한 난방장치의 태양 추적장치에 사용된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
또한 apack 에서 제작한 직경 6mm 의 히트파이프 2 개를 태양열 흡열기 안에 배치하여 히트파이프가 집광형 태양전지에서 발생한 열을 흡수하여 냉각수로 열전달이 이루어지도록 하였다. 냉각수 유량은 200mL/min 을 사용하였으며 k-type 열전대를 이용하여 입출구 온도를 측정하였다. 흡열기 외부는 글라스울(glass wool)로 단열하였다.
첫째, 모터가 서쪽방향으로 움직일 때마다 발생되는 펄스 개수를 덧셈한다. 둘째, 서쪽방향으로 움직인 각은 위에서 계산한 총 펄스 개수에 펄스당 움직이는 모터의 각을 곱하여 계산한다. 셋째, 서쪽방향으로 움직인 각에서 동쪽방향으로 움직인 각을 뺄셈한다.
흡열기의 왼쪽이 입구, 오른쪽이 출구이며 직경은 6mm 이다. 또한 apack 에서 제작한 직경 6mm 의 히트파이프 2 개를 태양열 흡열기 안에 배치하여 히트파이프가 집광형 태양전지에서 발생한 열을 흡수하여 냉각수로 열전달이 이루어지도록 하였다. 냉각수 유량은 200mL/min 을 사용하였으며 k-type 열전대를 이용하여 입출구 온도를 측정하였다.
센서식 및 프로그램식을 통합한 태양추적장치를 이용하여 집광형 태양전지의 발전효율을 높이고 동시에 집광에 따른 태양전지에서 발생한 열을 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 열효율을 높이는 연구를 진행하였다.
해석에 사용한 경계조건은 다음과 같다. 입구유량은 200mL/min, 입구온도는 9.6℃, 집광형 태양전지가 받는 복사 열유속은 일사량 1,230W/m², 집광비 400, 프레넬 렌즈의 투과율 90%, 태양전지의 흡수율 90%를 고려해 주었다. 히트파이프는 높은 열전도율을 가진 고체로 가정하였으며 실험을 토대로 15,000W/m·K를 적용하였다.
복합식 태양광 발전 및 난방장치의 태양 추적, 태양 위치 계산, 난방장치의 원상복귀, 시스템 종료는 Simulink 를 이용하여 프로그램화 하였다. 태양추적장치를 통해 계산한 방위각과 고도각은 한국천문연구원에서 얻은 값과 비교함으로써 태양 추적 장치에 사용된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
회수기간은 (복합식 태양광 발전 및 난방장치 설치 비용) < (보일러 설치 비용 + 사용 비용 x 월수) 이며, 보일러의 사용 비용은 복합식 태양광 발전 및 난방장치가 생산하는 열량으로 계산하였다.

대상 데이터

또한 프레넬 렌즈는 미국 fresnel factory 에서 제작한 것으로 가로 세로 길이는 200mm 이며 초점 길이는 290mm 이다. 일사량계는 tenmars electronics 회사에서 제작한 TM-207 이며 오차는 ±1W/m²이다.
Table 2 는 방위각 및 고도각 제어 알고리즘이며 1 은 참값, 0 은 거짓값을 나타낸다. 본 연구에 사용된 조도센서는 오차율이 0.2% 이내이고 5V 전압을 인가하여 주었다. 방위각 제어는 동, 서에 위치한 조도센서가 전압값을 감지하면, 두 조도센서의 평균값이 계산되어 문턱값으로 설정된다.
본 연구에 사용된 집광형 태양전지는 미국 emcore 사에서 InGaP, InGaAs, Ge 를 삼중접합(triple-junction)하여 제작한 것으로 가로 세로 길이는 각각 10mm 이며 사양은 Table 1 과 같다.
Table 4 는 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 비용을 나타낸다. 본 장치는 일사량 1,200W/m²에서 약 124W (전압 11.7V, 전류 10.6A)의 전기를 생산한다. 모터 2 개의 소비전력 18W 와 펌프의 소비전력 6W 를 빼면 100W 정도를 배터리에 충전할 수 있으며, 배터리는 모터와 펌프를 구동시킨다.
히트파이프는 높은 열전도율을 가진 고체로 가정하였으며 실험을 토대로 15,000W/m·K를 적용하였다. 사용한 격자수는 340,260 개이다.
9℃ 를 나타내었다. 실험 온도는 ktype 열전대를 이용하여 측정하였으며 흡열기 상단은 16.9℃, 출구는 11.8℃ 의 온도를 나타내었다. 해석과 실험 결과의 일치를 통해 태양열 흡열기의 해석 검증을 완료하였다.
일사량계는 tenmars electronics 회사에서 제작한 TM-207 이며 오차는 ±1W/m2이다.
히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 16 개 연결하여 해석 및 실험을 하였다. 해석과 실험 결과의 일치를 통해 검증을 완료하였으며, 집광형 태양전지에서 발전도 하고, 동시에 태양전지에서 발생된 열을 회수하여 난방에 사용하거나 온수를 공급할 수 있음을 확인하였다.

데이터처리

복합식 태양광 발전 및 난방장치의 태양 추적, 태양 위치 계산, 난방장치의 원상복귀, 시스템 종료는 Simulink 를 이용하여 프로그램화 하였다. 태양추적장치를 통해 계산한 방위각과 고도각은 한국천문연구원에서 얻은 값과 비교함으로써 태양 추적 장치에 사용된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
3 은 태양추적장치의 개략도이며 위치 제어부, 복귀부, 4 개의 조도 센서로 구성되어 있다. 위치 제어부와 복귀부는 Simulink(Mathworks) 프로그램을 이용하여 태양의 위치를 계산하고 스텝핑 모터를 작동시킨다. 스텝핑 모터는 정확한 위치 제어를 위해 사용되었으며 사양은 작동전압이 24 V, 스텝각은 5 상으로 0.

성능/효과

⁽³⁾ 또한 집광형 태양전지는 집광에 따른 태양전지의 온도상승으로 발전효율이 저하되기 때문에 냉각을 시켜주어야 한다.^(4,5) 기존에는 냉각핀을 집광형 태양전지의 뒷면에 부착하여 냉각을 하였으나, 이러한 방식은 집광형 태양전지에 의해 생성된 열을 대기중에 방출해 버리기 때문에 활용이 불가능하다는 점에서 비효율적이었다.
경제적 실행가능성 연구를 통해 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 현실 가능성이 높음을 확인하였다. 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 장점은 지구 온난화 가스 발생을 감소시킬 수 있으며, 태양이 떠있는 한 이용할 수 있는 지속가능성이 높다.
따라서 본 연구는 첫째, 센서식 및 프로그램식의 태양추적장치를 개발하여 실시간 태양추적이 가능하도록 하였다. 둘째, 히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 태양전지 후면에 부착하여 냉각을 함으로써 발전효율 및 열효율을 향상시켰다. 마지막으로, 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 실용성을 검증하였다.
또한 히트파이프 유무에 따른 열효율의 평균은 각각 62%와 60%였다. 따라서 히트파이프를 이용함으로써 태양전지의 전기효율 및 흡열기의 열효율이 상승함을 확인하였다. 이는 복합(전기+열)효율이 78%로 태양전지에서 발생한 열을 회수하여 이용할 수 있기 때문에 다른 신재생에너지 효율보다 높음을 알 수 있다.
5%이내였으며 유량 증가에 따른 태양열 흡열기의 열효율 경향성이 해석과 일치함을 통해 검증을 완료하였다. 또한 유량 증가에 따라 태양전지의 온도가 25.3℃ 에서 16.6℃ 로 감소함을 통해 냉각수의 대류열전달이 증가함을 확인하였다.
둘째, 히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 태양전지 후면에 부착하여 냉각을 함으로써 발전효율 및 열효율을 향상시켰다. 마지막으로, 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 실용성을 검증하였다.
회수기간은 (복합식 태양광 발전 및 난방장치 설치 비용) < (보일러 설치 비용 + 사용 비용 x 월수) 이며, 보일러의 사용 비용은 복합식 태양광 발전 및 난방장치가 생산하는 열량으로 계산하였다. 시스템을 하루 5 시간 운행한 다고 가정하면, 회수기간은 3 년이내로 본 연구에서 개발한 장치는 현실 가능성이 높음을 확인하였다.
실험 결과 집광형 태양전지의 평균 전기효율은 16%, 히트파이프를 포함한 흡열기의 열효율은 62% 로 복합효율이 78%를 나타내었다. 흡열기 표면 및 출구온도 실험결과는 해석한 결과와 일치 하였으며, 히트파이프를 이용함으로써 전기효율 및 열효율이 향상됨을 확인하였다.
실험결과 하루 동안의 전기효율 평균은 16%, 열효율 평균은 58% 로 복합효율이 74% 였다. 시간의 변화에 따른 전기효율 변화는 미미하였으며 위치에 따른 태양전지의 전기효율 차이는 1% 미만이었다.
1℃ 로 감소하게 되지만 유량이 증가하였기 때문에 열효율의 변화는 크지 않았다. 열효율 해석과 실험 결과의 차이는 평균 3.5%이내였으며 유량 증가에 따른 태양열 흡열기의 열효율 경향성이 해석과 일치함을 통해 검증을 완료하였다. 또한 유량 증가에 따라 태양전지의 온도가 25.
2℃를 나타내었다. 위의 결과는 태양전지가 작동할 수 있는 온도를 만족하며 출구온도 또한 난방 및 온수에 적합하다. 하지만 흡열기를 단열시키지 않게 되면 복사와 대류로 인한 열손실이 생겨 난방장치의 출구온도는 감소하게 된다.
유량 증가에 따른 태양전지의 온도는 감소하였으며 이를 통해 냉각수의 대류 열전달 증가를 확인하였다. 또한 입구 유량 증가에 따라 흡열기 출구온도는 감소하게 되지만 유량이 증가하였기 때문에 열효율 변화는 크지 않았다.
집광비가 증가함에 따라 흡열기 출구온도 및 태양전지의 온도는 증가하였다. 하지만 집광비 증가에 따른 열효율의 변화는 미미하였다.
6 은 히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 해석한 결과이다. 해석 결과 태양전지의 최고온도는 25.3℃, 흡열기 상단(집광형 태양전지로부터 출구방향으로 10mm 떨어진 지점)은 17.7℃, 출구 평균온도는 11.9℃ 를 나타내었다. 실험 온도는 ktype 열전대를 이용하여 측정하였으며 흡열기 상단은 16.
해석결과 태양전지의 최고온도는 58.5℃, 흡열기 출구 평균온도는 45.2℃를 나타내었다. 위의 결과는 태양전지가 작동할 수 있는 온도를 만족하며 출구온도 또한 난방 및 온수에 적합하다.
히트파이프를 포함한 태양열 흡열기를 16 개 연결하여 해석 및 실험을 하였다. 해석과 실험 결과의 일치를 통해 검증을 완료하였으며, 집광형 태양전지에서 발전도 하고, 동시에 태양전지에서 발생된 열을 회수하여 난방에 사용하거나 온수를 공급할 수 있음을 확인하였다.
8℃ 의 온도를 나타내었다. 해석과 실험 결과의 일치를 통해 태양열 흡열기의 해석 검증을 완료하였다.
실험 결과 집광형 태양전지의 평균 전기효율은 16%, 히트파이프를 포함한 흡열기의 열효율은 62% 로 복합효율이 78%를 나타내었다. 흡열기 표면 및 출구온도 실험결과는 해석한 결과와 일치 하였으며, 히트파이프를 이용함으로써 전기효율 및 열효율이 향상됨을 확인하였다.
5 는 히트파이프 유무에 따른 전기효율 및 열효율을 시간에 따라 나타낸 것이다. 히트파이프를 포함하는 태양전지는 하루 동안의 전기 효율 평균이 약 16% 정도로 히트파이프를 포함하지 않는 태양전지의 효율 15% 보다 높았다. 또한 히트파이프 유무에 따른 열효율의 평균은 각각 62%와 60%였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	집광형 태양전지에서 발생된 열은 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 어디에 사용할 수 있는가?	본 연구는 센서식 및 프로그램식의 태양추적장치를 이용하여 집광형 태양전지의 발전효율을 증가시키는 연구를 진행하였다. 또한 집광형 태양전지에서 발생된 열은 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 온수나 난방에 사용할 수 있었다. 실험 결과 집광형 태양전지의 평균 전기효율은 16%, 히트파이프를 포함한 흡열기의 열효율은 62% 로 복합효율이 78%를 나타내었다.
	집광형 태양전지의 평균 전기효율은?	또한 집광형 태양전지에서 발생된 열은 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 온수나 난방에 사용할 수 있었다. 실험 결과 집광형 태양전지의 평균 전기효율은 16%, 히트파이프를 포함한 흡열기의 열효율은 62% 로 복합효율이 78%를 나타내었다. 태양위치에 따른 실시간 추적, 일몰 이후 난방장치의 동쪽방향 원상복귀, 원상복귀후 자동종료는 Simulink 프로그램으로 구현하였다.
	기존의 집광형 태양전지의 단점은?	하지만 집광형 태양전지는 입사광이 수직이 되도록 실시간 태양추적을 해야 한다. 기존에는 센서식의 태양추적장치를 이용하였기 때문에 날씨의 영향을 많이 받는 단점이 있었다.(3) 또한 집광형 태양전지는 집광에 따른 태양전지의 온도상승으로 발전효율이 저하되기 때문에 냉각을 시켜주어야 한다.

참고문헌 (11)

Timilsina, G. R., Kurdgelashvili, L. and Narbel, P. A., 2012, "Solar Energy: Markets, Economics and Policies," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 16, pp. 449-465.

상세보기
Cotal, H., Fetzer, C., Boisvert, J., Kinsey, G., King, R., Hebert, P., Yoon, H. and Karam, N. 2009, "III - V Multijunction Solar Cells for Concentrator Photovoltaics," Energy & Environmental Science, Vol. 2, pp. 174-192.

상세보기
Lee, D. I., Jeon, W. J. and Baek, S. W., 2012, "Development of Optimal Control of Heliostat System Using Configuration Factor and Solar Tracking Device," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, No. 12, pp. 1177-1183.

원문보기 상세보기
Anja, R., Christopher, J. D. and David, R. M., 2005, "Cooling of Photovoltaic Cells Under Concentrated Illumination: A Critical Review," Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 86, pp. 451-483.

상세보기
Teo, H. G., Lee, P. S., M. N. and Hawlader, A., 2012, "An Active Cooling System for Photovoltaic Modules," Applied Energy, Vol. 90, pp. 309-315.

상세보기
Lee, D. I. and Baek, S. W., 2014, "Development of Heating Device Using Concentrator Solar Cells," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 1, pp. 49-56.

원문보기 상세보기
Walraven, R., 1978, "Calculating the Position of the Sun," Solar Energy, Vol. 20, pp. 393-397.

상세보기
Karakoti, I., Das, P. K. and Bandyopadhyay, B., 2013, "An Analytical Study on Daily Solar Radiation Data," Current Science, Vol. 105, pp. 215-224.
Meeus, J., 1998, "Astronomical Algorithms. William- Bell," Second Edition.
Bretagnon, P., 1982, "Theory for the Motion of all the Planets - The VSOP82 solution," Astronomy and Astrophysics, Vol. 114, pp. 278-288.
Bretagnon, P. and Francou, G., 1988, "Planetary Theories in Rectangular and Spherical Variables - VSOP 87 Solutions," Astronomy and Astrophysics, Vol. 202, pp. 309-315.

저자의 다른 논문 :

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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