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강제순환 방식의 공기가열식 태양열 집열기의 성능분석에 관한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Performance Analysis of a Solar Air Heating System with Forced Circulation Method 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.3, 2017년, pp.122 - 126  

박형수 (서울과학기술대학교 나노 IT디자인융합대학원) ,  김철호 (서울과학기술대학교 공과대학 기계자동차공학과)

초록
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태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 해결하기 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 시점에서 연구는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 한다. 본 연구에서는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위하여, 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량을 투하하였을 때, 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도($^{\circ}C$)와 생산량(kg/h)을, 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 열유동해석(CFD) 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여, 분석한 결과를 구하였다. 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 ($1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 $40.5^{\circ}C$이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 $161m^3/h$으로 산출되었다. 본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amo...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • C이하의 온수를 생산하여왔다. 그러나 본 연구에서는 기존의 태양열 집열방식보다 단순한 형태의 공기 배관형 집열기를 설계, 제작하여 상온의 공기를 75oC 이상으로 가열하고 이를 생활공간의 난방에너지로 활용하는 공기가열식 태양열 집열기의 연구 개발을 목적으로 두고 있다.
  • 본 연구는 태양열에너지를 이용하여 상온의 공기를 가열하고 이를 생활공간의 냉난방 및 온수공급을 위한 방안으로 태양열 공기가열식 집열기를 개발하는데 연구의 목적을 두고 있다.
  • 본 연구에서는 태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 단계의 연구에서는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 현재 개발하고자 하는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위한 기초 연구로 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량(Heat Flux, kW/m2)을 투하하였을 때 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도(oC) 와 생산량(kg/h)을 범용 열유동해석 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여 분석하였다.
  • 본 연구에서는 태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 단계의 연구에서는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 하였다.

가설 설정

  • 을 사용하였다. 공기의 가열관인 알루미늄 파이프는 표면 절대조도가 0.0015mm로 조도의 영향이 거의 없을 것으로 판단되어 관 내부의 유로 저항은 무시하였으며 Heat Flux가 평판형 집열기에 균일하게 유지된다고 가정하였다. 공기 가열관의 토출구에 송풍기를 이용하여 강제 송풍을 한다고 가정하여 풍속을 0 ~ 6m/s, 총 5단계로 나누어 변화를 시켰다.
  • 2014)(2)를 사용하였다. 해석 경계조건의 단순화를 위해 집열기의 외부는 열에너지의 출입이 없는 단열 조건으로 가정하였으며, 관 내부 공기의 유동장은 다음과 같이 정의하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공기가열식 태양열 집열기의 특징은 무엇인가? 본 연구에서 개발하고자 하는 공기가열식 태양열 집열기의 에너지변환 효율은 60%이상으로 기대되며 집열기 효율이 최대 85%정도인 기존의 평판형 혹은 진공관형 장치에 비해 공학적 효율측면에서는 낮으나 집열장치의 생산원가 측면에서는 30%이하로 제작이 가능하므로 경제적인 측면에서는 약 3.5배의 효과가 있다고 판단된다. 또한 본 장치를 통해 생산가능한 공기의 온도는 75oC이상이며 생산되는 공기의 온도 역시 일상에서 사용가능한 40oC이상이므로 충분히 생활에 활용가치가 있다고 판단된다.
태양열 공기가열식 집열기는 어떻게 활용되는가? 본 연구는 태양열에너지를 이용하여 상온의 공기를 가열하고 이를 생활공간의 냉난방 및 온수공급을 위한 방안으로 태양열 공기가열식 집열기를 개발하는데 연구의 목적을 두고 있다.
기존의 태양열 집열방식에 대해 설명하라 현재까지는 태양의 열에너지를 활용하여 온수를 생산, 공급하기 위해 평판형 혹은 진공관형 집열기를 이용하여 100oC이하의 온수를 생산하여왔다. 그러나 본 연구에서는 기존의 태양열 집열방식보다 단순한 형태의 공기 배관형 집열기를 설계, 제작하여 상온의 공기를 75oC 이상으로 가열하고 이를 생활공간의 난방에너지로 활용하는 공기가열식 태양열 집열기의 연구 개발을 목적으로 두고 있다.
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참고문헌 (5)

  1. Weiss, Werner, Irene Bergmann, and R. Stelzer, "Solar heat worldwide," 2010. 

  2. CHAM, PHOENICS Technical Report (TR/326), Concentration Heat And Momentum Limited, 2011. 

  3. Yakhot. V. and Smith. L.M., "The Renormalization Group, Three-Expansion and Derivation of Turbulence Models," J. of SCI. Computer, Vol. 1, No. 3, 1986. 

  4. Kim, Jae Hwi, "Vehicle Chassis," Jung Won Sa, p. 448, 1994. 

  5. Douglas, J. F., Fluid Mechanics, Prentice Hall, pp. 406-447, 2001. 

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