열을 전기로 바꾸는 장치로 가장 효율이 우수한 장치인 AMTEC은 알칼리금속을 작동유체로 하여 열을 직접적으로 전기로 변환시키는 장치이다. AMTEC은 저압용기, 고압용기, 베타 알루미나 고체 전해질, 그리고 순환윅으로 이루어져있다. AMTEC에서의 열손실은 주요하게 저압용기에서의 BASE와 응축부 사이에서 발생하는 열복사손실이며, 암텍의 발전량은 BASE의 온도유지력에 영향을 받기에 BASE의 표면온도를 고온으로 유지시켜주어야 고효율 발전량은 일정하게 유지할 수 있다. 이를 위하여 저압챔버에서의 복사 열손실을 줄이고 BASE온도는 상승시키고, AMTEC 시스템의 발전량 향상을 위하여 저압용기 내부의 6가지 형태의 열복사차단막에 따른 출력을 전산유체해석을 통하여 분석하였다. 분석에서 최적의 열복사차단막 형상은 수직부에 곡률을 가질 때이며, 그 때의 온도에 대한 무차원수(응축부온도/BASE온도 비)는 0.665 정도이고 출력은 약 17.69 W 정도로 다른 형상에 대비하여 높은 발전량을 갖는 것으로 계산되었다. 높이에 따른 발전량의 차이에서는 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어진 경우 발전량이 가장 우수하며, 17.58W 정도로 나타났다. 여러 개의 작은 홀과 다중 수평차단막을 설계한 경우는 기준이 되는 형상보다 오히려 발전량이 감소하였으며, 각각 0.91W, 2.06W 정도 감소하였다.
열을 전기로 바꾸는 장치로 가장 효율이 우수한 장치인 AMTEC은 알칼리금속을 작동유체로 하여 열을 직접적으로 전기로 변환시키는 장치이다. AMTEC은 저압용기, 고압용기, 베타 알루미나 고체 전해질, 그리고 순환윅으로 이루어져있다. AMTEC에서의 열손실은 주요하게 저압용기에서의 BASE와 응축부 사이에서 발생하는 열복사손실이며, 암텍의 발전량은 BASE의 온도유지력에 영향을 받기에 BASE의 표면온도를 고온으로 유지시켜주어야 고효율 발전량은 일정하게 유지할 수 있다. 이를 위하여 저압챔버에서의 복사 열손실을 줄이고 BASE온도는 상승시키고, AMTEC 시스템의 발전량 향상을 위하여 저압용기 내부의 6가지 형태의 열복사차단막에 따른 출력을 전산유체해석을 통하여 분석하였다. 분석에서 최적의 열복사차단막 형상은 수직부에 곡률을 가질 때이며, 그 때의 온도에 대한 무차원수(응축부온도/BASE온도 비)는 0.665 정도이고 출력은 약 17.69 W 정도로 다른 형상에 대비하여 높은 발전량을 갖는 것으로 계산되었다. 높이에 따른 발전량의 차이에서는 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어진 경우 발전량이 가장 우수하며, 17.58W 정도로 나타났다. 여러 개의 작은 홀과 다중 수평차단막을 설계한 경우는 기준이 되는 형상보다 오히려 발전량이 감소하였으며, 각각 0.91W, 2.06W 정도 감소하였다.
The most efficient system for converting heat to electricity, AMTEC (Alkali Metal Thermal-to-Electric Convertor), is a device that directly converts heat energy to electricity using an alkali metal (sodium) as the working fluid. The AMTEC consists of a low pressure chamber, high pressure chamber, BA...
The most efficient system for converting heat to electricity, AMTEC (Alkali Metal Thermal-to-Electric Convertor), is a device that directly converts heat energy to electricity using an alkali metal (sodium) as the working fluid. The AMTEC consists of a low pressure chamber, high pressure chamber, BASE (Beta-Alumina Solid Electrolyte), and artery wick. The main heat loss of the AMTEC system occurs in the low pressure chamber. A high power generation rate is thought to be obtainable by using a high temperature in the BASE. Therefore, to reduce the radiation heat loss, 6 types of radiation shields were examined to reduce the radiative heat loss in the low pressure chamber. The power generation rate of the AMTEC varied depending on the shape of the radiation shield. CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses were carried out to optimize the shape of the radiation shield. As a result, the optimum radiation shield was found to consist of a curvature formed at the vertical point, in which case the dimensionless temperature (condenser temperature/BASE temperature) is approximately 0.665 and the maximum power generated is calculated to be 17.69W. Increasing the distance beween the BASE and condenser leads to an increase in the power generated, and the power generated with the longest distance was 17.58 W. The shields with multiple holes and multiple horizontal layers showed power reduction rates of 0.91 W and 2.06 W, respectively.
The most efficient system for converting heat to electricity, AMTEC (Alkali Metal Thermal-to-Electric Convertor), is a device that directly converts heat energy to electricity using an alkali metal (sodium) as the working fluid. The AMTEC consists of a low pressure chamber, high pressure chamber, BASE (Beta-Alumina Solid Electrolyte), and artery wick. The main heat loss of the AMTEC system occurs in the low pressure chamber. A high power generation rate is thought to be obtainable by using a high temperature in the BASE. Therefore, to reduce the radiation heat loss, 6 types of radiation shields were examined to reduce the radiative heat loss in the low pressure chamber. The power generation rate of the AMTEC varied depending on the shape of the radiation shield. CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses were carried out to optimize the shape of the radiation shield. As a result, the optimum radiation shield was found to consist of a curvature formed at the vertical point, in which case the dimensionless temperature (condenser temperature/BASE temperature) is approximately 0.665 and the maximum power generated is calculated to be 17.69W. Increasing the distance beween the BASE and condenser leads to an increase in the power generated, and the power generated with the longest distance was 17.58 W. The shields with multiple holes and multiple horizontal layers showed power reduction rates of 0.91 W and 2.06 W, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델링을 통해 열복사차단막이 없는 경우의 발전량을 분석한 후, 열복사차단막을 설치한 경우와 비교하여 열복사차단막이 필요함을 보인 뒤 다양한 형상의 차단막을 설계하여 최적의 형상을 찾기 위한 해석을 수행하였다. 1990년대 미국의 연구 자료를 기반으로 내부 열 저항은 대류를 무시하고, 전도-복사로 모델링 하였으며, 선행 사례를 확인할 때 이 방법으로 예측한 전산해석 온도분포도가 실험값과 잘 맞는 것으로 나타난다.
본 해석은 AMTEC 시스템의 발전량 향상을 위하여 저압용기 내부의 6가지 형태의 열복사차단막에 따른 출력을 CFD 해석을 통하여 분석하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
또한 AMTEC의 외부 표면은 단열로 가정하며, AMTEC이 원형 대칭 구조이므로 대칭조건(symmetry)을 사용하여 해석하였다.[6] AMTEC 내부 고압용기와 저압용기 내부는 나트륨 증기로 가득 차있다고 가정하였으며, 전산해석을 위하여 Table. 1과 같은 경계조건을 설정하였다.
1149E-5 kg/s 정도로 매우 낮은 유량을 가지기 때문이다. 또한 AMTEC의 외부 표면은 단열로 가정하며, AMTEC이 원형 대칭 구조이므로 대칭조건(symmetry)을 사용하여 해석하였다.[6] AMTEC 내부 고압용기와 저압용기 내부는 나트륨 증기로 가득 차있다고 가정하였으며, 전산해석을 위하여 Table.
열전달을 해석하기 위해서는 시스템 구성 물질의 특성 및 형상을 고려하여야 하지만, 해석을 위해 단순화하기 위하여 몇 가지 가정을 사용하였다. 우선 작동유체는 비압축성이며 저 레이놀즈수 층류유동으로 가정하여 난류 모델을 사용하지 않는다.
열전달을 해석하기 위해서는 시스템 구성 물질의 특성 및 형상을 고려하여야 하지만, 해석을 위해 단순화하기 위하여 몇 가지 가정을 사용하였다. 우선 작동유체는 비압축성이며 저 레이놀즈수 층류유동으로 가정하여 난류 모델을 사용하지 않는다. 이는 AMTEC 내부를 순환하는 나트륨의 평균 유량이 1.
제안 방법
BASE의 온도를 파악하기 위하여 Fig. 7의 붉은 선과 같이 BASE 표면의 Z-방향으로 선을 그어서 200개의 샘플의 온도를 측정하였고, 응축부의 온도를 비교하기 위해서는 Fig. 7의 파란 선과 같이 응축윅의 X-방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 선을 그어 얻은 100개의 샘플을 통해 평균온도를 계산하여 비교하였다. 아울러 기본적으로 복사차단막의 유무와 TBASE가 발전 성능을 좌우하는 온도이기 때문에 TBASE온도에 대하여 기본구조인 Type A와의 비교를 수행하였다.
이는 Surface-to-Surface (S2S), Discrete Ordinates(DO), Discrete Transfer Radiation Model (DTRM), P-1(Spherical Harmonics Model), Rosseland Model 이다.[7] 열복사 방정식 모델에서는 광학두께에 의해 모델의 적용여부가 결정되는데[8], 본 해석에서는 모든 광학두께에서 적용이 가능한 DO 모델을 사용하여 해석을 수행하였다.[7]
5와 같은 비정렬격자인 삼각격자(Tetrahedron)를 사용하였다. 격자 생성 후 격자 품질에 가장 큰 영향을 미치는 직교성(Orthogonal quality)과 등방성(Skewness)에 대한 품질 검사를 수행하였다. 일반적으로 직교성 품질의 경우 0.
7의 파란 선과 같이 응축윅의 X-방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 선을 그어 얻은 100개의 샘플을 통해 평균온도를 계산하여 비교하였다. 아울러 기본적으로 복사차단막의 유무와 TBASE가 발전 성능을 좌우하는 온도이기 때문에 TBASE온도에 대하여 기본구조인 Type A와의 비교를 수행하였다.
격자의 크기가 커지는 경우 전산해석의 결과를 신뢰하기 어려우며, 반대로 격자의 크기가 너무 조밀한 경우 해석결과의 정확도는 증가하나 해석 소요 시간이 증가한다. 이에 전산해석에 필요한 최소 격자의 개수를 찾기 위해 Type A 형상을 통해 격자 수를 달리한 경우의 발전량을 비교하였다. 격자의 수는 15만개, 35만개와 55만개를 비교하였으며 각 경우에 따른 발전량은 Fig.
대상 데이터
본 해석에서는 Fig. 3의 OBOC(One BASE in One Case)형상의 AMTEC을 기본으로 하여 모델링을 하였으며, 열복사차단막의 비교를 위한 기준으로 Type A를 설정하였다. 기준 차단막의 형상은 Fig.
이론/모형
격자의 경우 ANSYS Workbench에 내장되어 있는 Mesh 툴을 사용하여 격자를 생성하였으며 Fig. 5와 같은 비정렬격자인 삼각격자(Tetrahedron)를 사용하였다. 격자 생성 후 격자 품질에 가장 큰 영향을 미치는 직교성(Orthogonal quality)과 등방성(Skewness)에 대한 품질 검사를 수행하였다.
전산유체역학은 2차 편미분 방정식인 나비에- 스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)을 한번 적분하여 이산화한 FVM(Finite Volume Method)을 사용하며, 해석 형상 격자를 생성하여 이를 기반으로 문제를 해결한다. 일반적인 전산해석 상용 코드로는 Fluent, CFX, STAR-CCM+ 등이 있으며 본 해석에서는 ANSYS 상용코드인 Fluent V16.2를 이용하였다.
2.2 AMTEC내 열복사현상의 전산해석
전산유체역학은 2차 편미분 방정식인 나비에- 스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)을 한번 적분하여 이산화한 FVM(Finite Volume Method)을 사용하며, 해석 형상 격자를 생성하여 이를 기반으로 문제를 해결한다. 일반적인 전산해석 상용 코드로는 Fluent, CFX, STAR-CCM+ 등이 있으며 본 해석에서는 ANSYS 상용코드인 Fluent V16.
성능/효과
1) 가장 우수한 발전량을 나타내는 형상은 수직차단막에 곡률을 형성한 경우이며 발전량은 17.69W 정도로 계산되었다.
2) 높이에 따른 발전량의 차이에서는 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어진 경우 발전량이 가장 우수하며, 17.58W 정도로 나타났다.
[9] Table. 2에서 볼 수 있듯이 모든 형태의 직교성과 등방성 품질이 모두 전산해석에 있어서 문제가 없을 것으로 판단되었다.
3) 여러 개의 작은 홀과 다중 수평차단막을 설계한 경우는 기준이 되는 형상보다 오히려 발전량이 감소하였으며, 각각 0.91W, 2.06W 정도 감소하였다.
4) 결과를 토대로 가장 우수한 발전량을 내기 위한 형상은 수직차단막에 곡률을 형성하고, 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어져있는 경우로 판단된다. 하지만 수평차단막의 정확한 높이와 수직 차단막의 곡률을 파악하기 위해서는 더 다양한 형상을 설계하여 비교를 진행하여야 할 것으로 판단되며, 전산해석의 결과는 완벽히 신뢰할 수 없으므로 실험을 통한 증명이 뒷받침 되어야 한다고 생각한다.
42 W정도의 발전량 차이를 나타내었다. 결과를 바탕으로 격자의 개수가 35만개 이상인 경우라면 전산해석의 결과를 신뢰할 수 있다고 판단하였으며, 모든 경우에서 만족하였다.
8은 열복사차단막이 없는 경우와 차단막 있는 경우의 온도등고선이다. 결과에서 볼 수 있듯이 차단막이 있는 경우 저압용기의 응축부 부근에서의 온도분포가 차단막이 없는 경우보다 낮게 분포하며 온도 차이는 1.28K정도였다. BASE의 평균 온도는 Type A가 30.
13는 각 타입 별 온도에 대한 무차원수와 발전량을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 온도에 대한 무차원수가 증가함에 따라 출력이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 무차원수의 값이 가장 작은 형태는 Type B로서 약 0.665 정도였다. 이에 따른 출력은 17.
11은 Type Ａ와 Type Ｅ의 온도등고선 비교이다. 단순히 증기이동통로의 수를 늘리고 전면적으로 증기는 빠른 이동이 가능하도록 Type E를 구현했으며, 해석결과 Type Ｅ는 1043.11K으로 Type A보다 13.58K낮았고, 응축부의 온도는 Type A에서 0.49K정도 높은 분포를 나타냈다.
6을 통해 나타내었다. 비교한 결과 35만개 격자수 이후부터 발전량의 차이가 거의 없었으며, 55만개의 격자를 가지는 경우와 0.03 W의 차이를 나타내었다. 15만개 격자수를 전산해석 하는 경우 35만개의 격자와 약 0.
14은 BASE와 응축윅들의 온도를 비교한 그래프이다. 열복사차단막이 설치되지 않은 경우에서 BASE의 온도가 가장 낮고 응축윅의 온도가 가장 높게 분포함을 볼 수 있었으며, Type B의 경우 BASE의 온도가 가장 높게 분포하며 응축윅의 온도가 가장 낮게 분포함을 확인할 수 있었다. 모든 형태에서의 전압과 출력은 식 (1)과 (6)을 통해 계산할 수 있으며, Table.
후속연구
4) 결과를 토대로 가장 우수한 발전량을 내기 위한 형상은 수직차단막에 곡률을 형성하고, 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어져있는 경우로 판단된다. 하지만 수평차단막의 정확한 높이와 수직 차단막의 곡률을 파악하기 위해서는 더 다양한 형상을 설계하여 비교를 진행하여야 할 것으로 판단되며, 전산해석의 결과는 완벽히 신뢰할 수 없으므로 실험을 통한 증명이 뒷받침 되어야 한다고 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AMTEC의 특징은?
우주용 발전시스템에 있어서 단위 질량당 높은 출력밀도와 시스템의 신뢰성은 매우 중요하다. AMTEC의 출력밀도는 0.8-1.2 W/cm2 정도이며 효율이 30% 이상이므로 이에 적합하며, 전기에너지를 만드는 시스템으로서 고온 측 작동 열원을 쉽게 얻을 수 있는 이점이 있다.[1, 2]
열복사차단막은 AMTEC에서 어떤 역할을 하는가?
이를 보완하여 저압용기 내부에 설치하는 열복사 차단막이 고안되었다. 일반적으로 열복사차단막은 BASE와 응축윅 사이에 설치되며, 복사를 차단하여 작동유체의 순환에 방해가 되는 요인을 감소시킨다.[5]
AMTEC의 나트륨의 이동경로는 어떻게 되는가?
1에서 볼 수 있듯이 AMTEC은 나트륨이나 포타슘의 순환이 주된 작동 원리이다. 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나 양단에 온도차를 주면 베타 알루미나에서 나트륨 이온의 이동이 일어나게 된다. 베타 알루미나를 통과한 이온들은 저압용기에서 전자와 재결합 되어 전기를 발생한다.
참고문헌 (9)
S. K. Woo et al., "Development of core and system technology for AMTEC by solar thermal,", Research Report, KIER B22436, Korea Institute of Energy Research, pp. 185-207, 2012.
K. W. Lee, W. H. Lee, S. H. RHI, K. B. Lee, "Analysis of Pressure Drop and Heat Loss in Liquid Sodium Circulation Wick of AMTEC", KSME Journal B, Vol. 36, No. 9, pp. 953-954, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.9.953
S. H. Rhi, K. B. Lee, K.L. Chai, Y. W. Kim, S. H. Lim, J. S. Lee, H. C. Hwang, "Study on the capillary circulation and Condenser performance of AMTEC system ", Research Report, KIER B32436, Korea Institute of Energy Research, 2013.
C. S. Mayberry, D. Radzykewycz, K. Reinhardt, Alkali metal thermal-to-electric converter development, Renewable energy 23, pp. 451-461, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0960-1481(00)00150-6
J. M. Tournier, M. S. El-Genk, Lianmin Huang, Experimental Investigations, Modeling, And Analyses Of High-Temperature Devices For Space Applications, Us Air Force and Institute for Space and Nuclear Power Studies Department of Chemical and Nuclear Engineering, University of New Mexico, 1999.
J. S. Lee, Characteristic Study of Thermal Radiative Effect on Low Pressure Chamber in AMTEC, A thesis for the degree of Master in Chungbuk National University, 2015.
ANSYS, Inc, ANSYS CFD FLUENT Heat Transfer & Multiphase Theory Guide, USA, 2013.
P. Asinari, Radiation Heat Transfer : Basic Physics and Engineering Modeling, POLITECNICO DI, TORINO, 2007.
ANSYS, Inc, ANSYS Fluent Theory guide, R-17, USA, 2016.
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