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문제 정의
- 베이진부 내의 반사휜은 담수기의 전체 설치 면적이 증가하지 않으면서도 베이진으로 입사한 태양 복사에너지를 다중효용부로 반사시켜 전체 담수기의 성능을 향상시키고자 설치하였다. 또한 폐열을 열원으로 사용할 경우 배기가스가 내부를 지나가는 열 교환 튜브의 열전달 촉진 휜(fin)으로도 동시에 작용하기 위하여 고안된 장치이다.
- 그러나 그들의 연구는 단순 태양열 증류기의 전체 단열 유무에 대한 성능 차이에 대한 연구로서, 측면부를 유리를 만들 때와 단열할 때의 상반된 효과를 정량적으로 보이지는 않았다. 본 연구에서는 복합 다중효용 해수 담수기의 측면부 단열재의 상반되는 효과를 실험적으로 규명하고자 측면 유리 단열재 적용 유무에 따른 성능실험을 수행하였다. 측면 유리에 부착하는 단열재로는 열전도율이 0.
- 본 연구에서는 태양열을 열원으로 이용하여 하이브리드 태양열 해수담수기의 성능을 향상시키고 최적 운전점을 찾기 위해 베이진 측면 유리의 단열, 베이진 내 반사휜 설치, 베이진 내 해수 수위, MED부의 해수 공급 유량과 같은 운전 조건에서의 성능 실험을 수행하였다.
- 그리고 선행 연구들(8~10) 을 참조하여 태양열 해수담수기의 성능 증가를 위한 운전 변수 조건을 고안하였고 변수 조건에 대한 태양열 옥외 실험을 수행하였다. 이러한 실험을 통하여 하이브리드 태양열 해수담수기의 성능을 향상시키고 외기조건 및 공급 일사량에 따른 최적 운전점을 찾고자 하였다.
제안 방법
- 각 단의 해수 공급유량은 1단의 해수 공급유량 mf1 을 기준으로 일정한 비율로 감소시킬 수 있으므로 최적의 1단해수 공급유량 mf1 의 결정이 중요하다. MED부의 해수 공급 유량에 따른 성능실험은 다른 모든 조건은 동일하게 유지하면서 P2-1과 P2-2에 다른 해수 공급 유량을 적용하면서 수행하였다.
- 의 하이브리드 태양열 해수담수기를 설계/제작하였다. 그리고 선행 연구들(8~10) 을 참조하여 태양열 해수담수기의 성능 증가를 위한 운전 변수 조건을 고안하였고 변수 조건에 대한 태양열 옥외 실험을 수행하였다. 이러한 실험을 통하여 하이브리드 태양열 해수담수기의 성능을 향상시키고 외기조건 및 공급 일사량에 따른 최적 운전점을 찾고자 하였다.
- 6에 베이진 초기 해수 수위 L w 에 따른 담수생산량에 대한 실험결과를 나타내었다. 다양한 Lw 별 비교실험을 위해 총 4차례 실험을 수행하였으며, Table 4에 실험 조건을 나타내었다. 본 실험에서는 4회 모두 P2-1은 P2-2보다 높은 Lw 로 설정하였다.
- 해수 공급 유량은 실제 1분간 계량을 하여서 전자저울 (BCL-10L, 오차 1%)로 측정하였다. 담수 생산량은 실시간 온라인 계측을 할 수 있는 전자저울을 사용하여 측정하였고, 풍향 및 풍속은 실험장치 주변에 ADOLF THIES 사의 풍속계(오차범위 3% 또는 0.5m/s) 및 풍향계(오차범위 3%)를 사용하여 측정하였다. 해수 원수 및 생산 담수의 염도 측정은 측정 오차 ±2 ppt인 DMT-10 Digital Marine Tester를 사용하였다.
- 따라서 1일 운전시간 동안 베이진 내 건조부분의 발생 없이 최저로 유지할 수 있는 베이진의 초기 해수 수위를 결정할 필요가 있다. 베이진 내 초기 해수 수위에 대한 성능 실험은 다른 모든 조건은 동일하게 한 후 P2-1과 P2-2의 베이진 초기 해수 수위를 다르게 한 후 비교 실험을 하였다.
- 5 mm의 파장 범위에서 오차범위 1% 이내로 측정 가능한 ESLAB 사의 PSP pyranometer를 사용하였다. 베이진부의 해수 및 습공기 온도, 각 효용단의 평판 온도, 주위 온도, 해수 공급 온도 등을 측정하기 위한 T-type 열전대(오차 1%)를 14개 부착하였다. 해수 공급 유량은 실제 1분간 계량을 하여서 전자저울 (BCL-10L, 오차 1%)로 측정하였다.
- 복합 태양열 해수담수기는 소형 발전기의 배기가스 폐열 및 태양열 에너지를 각각 또는 동시에 열원으로 운전할 수 있다. 본 실험에서는 태양열을 열원으로 담수기를 운전하였다.
- 본 연구에서 사용한 반사휜의 반사율을 증가시키기 위해서는 STS 316L재질의 표면에 전해연마, 바렐 연마, 표면코팅 등을 적용할 수 있다. 이러한 가공법을 이용하여 반사율이 높은 반사휜을 적용할 경우 본 실험결과도 상당히 달라져서 전체 담수생산량도 증가할 것으로 예상된다.
- 본 연구에서는 기존에 설계된 1 m2 의 집열 면적을 가진 하이브리드 태양열 해수담수기에 비해 태양 복사에너지의 공급을 증가시킬 수 있고, 담수 생산량을 증대시킬 수 있는 집열 면적 2 m2 의 하이브리드 태양열 해수담수기를 설계/제작하였다. 그리고 선행 연구들(8~10) 을 참조하여 태양열 해수담수기의 성능 증가를 위한 운전 변수 조건을 고안하였고 변수 조건에 대한 태양열 옥외 실험을 수행하였다.
- 베이진부 내에 설치한 반사휜은 1,700 mm(L) ×130 mm(W)×15 mm(T) 크기로서 STS 316L 재질로 제작하여 베이진부 내열교환 튜브 위에 6개 부착하였다. 사용한 반사휜은 추가 가공비를 고려하여 가공하지 않은 반사휜과 반사면에 반사율을 높이기 위하여 buffing 및 wrapping 가공된 반사휜 두 가지 경우로 실험하였다. 반사휜의 반사율은 파장이 0.
- 실험 도중 능동제어 변수는 없으며, 베이진 내의 해수는 실험 시작 전 1회 공급한 후 실험 종료 전까지 추가 공급하지 않는 조건으로 수행하였다. 실험의 시작과 종료는 각각 일출 시각 및 일몰 시각이며, 실험 시작과 동시에 MED부에 해수를 공급하였다.
- Table 1에 본 연구에서의 실험 조건을 나타냈다. 실험 조건은 복합 태양열 해수담수기의 측면 유리의 단열 유무, 베이진부 내의 반사휜 (reflecting fins) 설치 유무와 같은 설계 변수와 베이진 초기 해수 수위(Lw)와 MED부에 공급되는 해수 유량(mf)과 같은 운전 변수 등의 4가지를 고려하였다. 실험 시 베이진부와 다중효용부에는 해수 표준 염도인 3.
- 실험 중 변수별 담수 생산 성능을 분석하기 위하여 일사량, 온도, 유량, 풍속 등을 계측하였다. 일사량 계측기는 0.
- 실험 도중 능동제어 변수는 없으며, 베이진 내의 해수는 실험 시작 전 1회 공급한 후 실험 종료 전까지 추가 공급하지 않는 조건으로 수행하였다. 실험의 시작과 종료는 각각 일출 시각 및 일몰 시각이며, 실험 시작과 동시에 MED부에 해수를 공급하였다. 태양이 남중하였을 때 최대한의 일사량을 받기 위해 실험 기기들의 방위각을 북점을 기준으로 348°로 조정하였다.
- 태양이 남중하였을 때 최대한의 일사량을 받기 위해 실험 기기들의 방위각을 북점을 기준으로 348°로 조정하였다. 운전 조건별 성능실험에 앞서 두 해수담수기 간의 생산량 편차를 확인하기 위한 실험을 네 차례 수행하였고, 두 기기 간 4.61%(P2-1이 많이 생산됨)의 평균 편차를 확인하고 이후 모든 실험결과에 보정하였다.
- 실험 중 변수별 담수 생산 성능을 분석하기 위하여 일사량, 온도, 유량, 풍속 등을 계측하였다. 일사량 계측기는 0.3~0.5 mm의 파장 범위에서 오차범위 1% 이내로 측정 가능한 ESLAB 사의 PSP pyranometer를 사용하였다. 베이진부의 해수 및 습공기 온도, 각 효용단의 평판 온도, 주위 온도, 해수 공급 온도 등을 측정하기 위한 T-type 열전대(오차 1%)를 14개 부착하였다.
- 베이진부는 과거의 단순 태양열 증류기와 같이 태양열이 입사되는 전면 유리와 해수를 담아 증발시킬 수있는 수조인 베이진으로 이루어져 있다. 전면 유리는 태양 복사에너지의 투과가 잘 이루어질 수 있도록 저철분 유리를 사용하였으며, 두께가 5mm인 유리 두 개를 6 mm 간격으로 두고 그 사이 공간을 아르곤 가스로 채운 이중 유리를 적용 하였다. 베이진부의 양 측면 벽에도 측면에서 태양 복사에너지가 투과될 수 있도록 576 mm(W) × 576 mm(H)의 저철분 유리를 사용하였다.
- 태양이 남중하였을 때 최대한의 일사량을 받기 위해 실험 기기들의 방위각을 북점을 기준으로 348°로 조정하였다.
- 베이진부의 해수 및 습공기 온도, 각 효용단의 평판 온도, 주위 온도, 해수 공급 온도 등을 측정하기 위한 T-type 열전대(오차 1%)를 14개 부착하였다. 해수 공급 유량은 실제 1분간 계량을 하여서 전자저울 (BCL-10L, 오차 1%)로 측정하였다. 담수 생산량은 실시간 온라인 계측을 할 수 있는 전자저울을 사용하여 측정하였고, 풍향 및 풍속은 실험장치 주변에 ADOLF THIES 사의 풍속계(오차범위 3% 또는 0.
- 해수 원수 및 생산 담수의 염도 측정은 측정 오차 ±2 ppt인 DMT-10 Digital Marine Tester를 사용하였다.
대상 데이터
- 해수 원수 및 생산 담수의 염도 측정은 측정 오차 ±2 ppt인 DMT-10 Digital Marine Tester를 사용하였다. 각 센서들로부터 측정된 데이터들은 National Instrument사의 DAQ(Ni- PXIe-1082)장치를 이용하여 수집 및 저장하였다.
- 베이진부 내에 설치한 반사휜은 1,700 mm(L) ×130 mm(W)×15 mm(T) 크기로서 STS 316L 재질로 제작하여 베이진부 내열교환 튜브 위에 6개 부착하였다.
- 베이진부의 양 측면 벽에도 측면에서 태양 복사에너지가 투과될 수 있도록 576 mm(W) × 576 mm(H)의 저철분 유리를 사용하였다.
- 실험 조건은 복합 태양열 해수담수기의 측면 유리의 단열 유무, 베이진부 내의 반사휜 (reflecting fins) 설치 유무와 같은 설계 변수와 베이진 초기 해수 수위(Lw)와 MED부에 공급되는 해수 유량(mf)과 같은 운전 변수 등의 4가지를 고려하였다. 실험 시 베이진부와 다중효용부에는 해수 표준 염도인 3.5% NaCl 수용액을 사용하였다.
- 2에 각각 나타내었다. 운전 조건별 비교실험을 위해 두대의 동일한 해수담수기(각각 P2-1, P2-2)를 대상으로 실험을 수행하였다. 장치는 2 m(W)×1 m(H) 의 이중 유리로 된 집열부와 2 m(W)×0.
이론/모형
- 47kg이다. 본 실험에서 설계/제작된 하이브리드 태양열 해수담수기의 열 성능을 평가하기 위해 PR(Performance Ration)를 도입하였으며,(10) 식 (2) 와 같다.
성능/효과
- (1) 하이브리드 태양열 해수담수기의 베이진부 측면을 유리로 구성할 경우 측면을 통한 태양에너지 일사량 증가 및 응축면적 증가를 기대할 수 있으나, 실험결과 베이진 측면을 단열하였을 경우 측면단열을 적용하지 않은 경우보다 최대 20.6% 더 높은 담수생산량을 보였다.
- (2) 베이진부로 입사되는 태양에너지를 MED부로 반사시키기 위해 베이진부에 반사율이 최대 63%인 반사휜을 설치하였다. 반사휜을 적용하였을 경우 적용하지 않은 경우에 비해 MED부의 담수생산량은 증가하였지만 총 담수 생산량은 오히려 6.
- (3) 베이진 내의 초기 해수수위 조건 실험에서 수위가 낮을수록, 태양 복사에너지의 일사량과 무관하게 담수생산량이 증가하였다. 그러나 5 mm보다 낮은 수위에서는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다.
- (4) MED부에 공급하는 해수의 유량 경우 윅의 건조가 일어나는 최저 유량 한계 내에서 유량이 감소할수록 생산량이 증가할 것이라는 기대와 달리 실험 범위인 4~16 ccm에서는 뚜렷한 생산량의 변화 경향이 관찰되지 않았다. 이는 본 실험에서의 해수 공급 유량 범위보다 더 넓은 범위를 설정하여 그 경향의 차이를 규명할 필요가 있다.
- 8%의 생산량 감소를 보였다. MED의 경우, 가공되지 않은 반사휜의 설치 시 생산량이 각각 9.8%, 10.7%, 17.9% 증가하였고, 가공된 반사휜을 설치 시 11.0 %, 12.4 % -0.5% 증가하여 6회 평균 10.4 % 증가하였다. 결과적으로 총 담수생산량은 6회 평균 6.
- Telkes, Dunkle, Selkuk 등이 각각 제안한 다중 효용확산 태양열 해수담수기(1) 는 높은 열효율로 인하여 생산성을 기존 해수담수기에 비해서 크게 높일 수 있었다. 하지만 우천 등 태양열을 사용할 수 없을 때 대체 열원을 고려하지 못하여 장치의 유용성이 높지 않고, 구조적으로 복잡하며 유지 보수성이 낮은 한계를 가지고 있다.
- 4 % 증가하였다. 결과적으로 총 담수생산량은 6회 평균 6.3 % 감소하였다. 한편, 반사휜에 의해 베이진에 입사한 복사에너지의 일부분은 MED의 1단으로 반사되어 MED부의 담수생산량이 증가함을 볼 때 태양열이 열원일 때의 반사휜은 반사판으로의 긍정적 역할을 할 수 있음을 알 수 있다.
- 4% 증가하였다. 결과적으로 총 생산량은 측면 유리에 단열을 적용하였을 때가 3회 평균 16.1%(0.7~1.8 kg) 증가하였다. 본 실험결과는 베이진부의 측면을 통하여 입사되는 태양에너지의 증가보다는 측면을 통하여 손실되는 열에너지의 양이 더 크다는 것을 의미한다.
- (2) 베이진부로 입사되는 태양에너지를 MED부로 반사시키기 위해 베이진부에 반사율이 최대 63%인 반사휜을 설치하였다. 반사휜을 적용하였을 경우 적용하지 않은 경우에 비해 MED부의 담수생산량은 증가하였지만 총 담수 생산량은 오히려 6.3% 만큼 감소하였다. 즉 하이브리드 태양열 해수담수기에 반사휜을 적용할 때 최소 반사율이 63% 이상인 반사휜을 설치해야 총 담수생 산량의 증가를 기대할 수 있다.
- 실험결과 베이진부와 MED 부의 담수생산량은 반사휜의 설치에 따라 상반된 효과를 나타내었다. 베이진부의 경우, 가공되지 않은 반사휜을 설치했을 때 생산량이 각각 64.7%, 70.5%, 67.1% 만큼 감소하였고, 가공된 반사휜을 설치했을 때 65.1%, 65.2%, 56.2% 만큼 감소하여 6회 평균 64.8%의 생산량 감소를 보였다. MED의 경우, 가공되지 않은 반사휜의 설치 시 생산량이 각각 9.
- 8 kg) 증가하였다. 본 실험결과는 베이진부의 측면을 통하여 입사되는 태양에너지의 증가보다는 측면을 통하여 손실되는 열에너지의 양이 더 크다는 것을 의미한다. 베이진부의 담수생산량은 측면 단열이 없을 때 측면에서 응축되는 양이 더해져서 증가하는 결과를 보이지만 이에 따른 열손실이 더 크다는 것을 나타낸다.
- 이것은 본 해수담수기의 측면을 유리가 아닌 베이진 라이너(바닥) 재질로 구성해야 함을 의미하며, 단순 태양열 증류기의 경우에도 같은 결과를 나타냄을 의미한다. 본 실험에서는 일사량이 증가할수록 담수 생산량도 증가하는 것을 확인할 수 있으며 최대 담수량은 일사량이 23.47 MJ일 때 10.5 kg이다.
- 본 실험에서는 4회 모두 P2-1은 P2-2보다 높은 Lw 로 설정하였다. 실험 결과 낮은 Lw 로 실험한 P2-2의담수생산량이 P2-1보다 각각 7.4%, 24.4%, 12.2% 만큼 증가하였다. 즉, 하이브리드 태양열 해수담 수기의 베이진 초기 해수 수위는 일조량과 무관 하게 낮을수록 생산량이 증가함을 확인하였다.
- 운전 조건은 Lw =5mm, mf1 =16 ccm이다. 실험결과 베이진부와 MED 부의 담수생산량은 반사휜의 설치에 따라 상반된 효과를 나타내었다. 베이진부의 경우, 가공되지 않은 반사휜을 설치했을 때 생산량이 각각 64.
- 운전 조건은 Lw = 5 mm, mf1 = 16 ccm으로 설정하였다. 실험결과 측면유리에 단열을 하였을 때 베이진부의 생산량은 3회 평균 18.3% 감소하지만, MED부의 생산량은 평균 35.4% 증가하였다. 결과적으로 총 생산량은 측면 유리에 단열을 적용하였을 때가 3회 평균 16.
- 그러나 5 mm보다 낮은 수위에서는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 하이브리드 태양열 해수담 수기의 제작상 일반적인 바닥편평도를 고려하여 초기 해수 수위를 5 mm 이상으로 설정하는 것이 바람직함을 보여준다.
- 2% 만큼 증가하였다. 즉, 하이브리드 태양열 해수담 수기의 베이진 초기 해수 수위는 일조량과 무관 하게 낮을수록 생산량이 증가함을 확인하였다. 하지만 2015년 8월 14일 실험 결과의 경우에는 Lw = 5 mm인 P2-1의 담수생산량이 Lw = 2 mm인 P2-2 보다 15.
- 한편, 본 하이브리드 태양열 해수담수기에서 생산된 생산수의 수질은 TDS 측정 결과 12.5~21.6 mg/L이고, 환경부 지정 수질검사기관의 음용수 검사 전 항목(46항목)을 만족하였다.
후속연구
- 실험한 mf 의 범위가 좁아서 경향성을 보이지 않거나, 실험 별로 태양 복사에너지 공급이 일정하지 않거나, 주변 온도나 풍향과 풍속과 같은 외기조건이 다소 다른 것 등에 기인하는 것으로 추정된다. 따라서 개선된 실험기법과 해수 공급방식을 개발하여 향후 추가 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
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