[논문]축열조를 채용한 복합 포물형 태양열 집열기(CPC) 시스템의 연중 열적 성능 해석

임석규; 정영관; 김경훈

doi:10.7316/khnes.2019.30.4.376

축열조를 채용한 복합 포물형 태양열 집열기(CPC) 시스템의 연중 열적 성능 해석
Thermal Performance Analysis of Compound Parabolic Collector (CPC) System Employing Storage Tank Through a Year 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.4, 2019년, pp.376 - 383

임석규 (금오공과대학교 대학원) , 정영관 (금오공과대학교 기계공학과) , 김경훈 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents of thermal performance analysis by using mathematical models for a compound parabolic collector (CPC) system employing heat storage tank. The thermal performance including insolation energy, heat loss from collector system, useful energy, collector efficiency, and temperature of storage tank were theoretically investigated through a year using monthly-average meteorological data at Seoul. The simulated results showed that the CPC systems are suitable for the applications of higher temperature than flat plate collector (FPC) systems.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic of CPC
그림 Fig. 2. Schematic of collector system
그림 Fig. 3. Plot of ambient temperature
그림 Fig. 4. Plot of solar radiation and index
표 Table 1. Basic data for simulation
그림 Fig. 5. Plot of receiver insolation
그림 Fig. 6. Plot of heat loss at collector
그림 Fig. 7. Plot of useful energy
그림 Fig. 8. Plot of storage tank temperature
그림 Fig. 9. Plot of collector efficiency
그림 Fig. 10. Plot of monthly average collector efficiency
그림 Fig. 11. Plot of monthly heat transfer with tilt angle of 0°
그림 Fig. 12. Plot of monthly heat transfer with tilt angle of 40°

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

2) 일일 총복사량은 5월에 최대 12월에 최소가 된다. 7월과 8월에 청명계수는 최소가 되는 반면에 확산 일사의 비는 최대가 된다.
열손실은 일출 후 시간에 따라 총 복사에너지가 증가하면서손실에너지도 증가하다가 최대값을 보인 후 다시 감소한다. 열손실이 최대가 되는 시간은 오후 2시에서 3시 사이로 총 복사에너지가 최대로 되는 시간보다 지체된다. 이는 대기 온도가 오후 2시경에 최대가 되긴 하지만 집열기 흡수판의 온도 상승 효과가 더 크며 총 복사에너지가 최대가 된 후 집열기 흡수판의온도가 최대가 되는 시간의 지체가 있기 때문이다.
Degelam의 모델¹⁶⁾을 이용하여 하루의 최저 및 최고기온과 발생시각으로부터 설계용 온도 분포를 계산하였다. 최저온도와 최고온도의 발생시간은 4:00시와 14:00시라고 가정하였다.
8은 각 월별로 축열조 내부 온도의 하루 동안의 시간에 따른 변화를 보여준다. 축열조 온도는 일몰 후 태양에너지 공급이 없는 시간에는 열손실로 인해 시간에 따라 감소한다. 일출과 함께 집열기로부터 에너지를 공급받아 축열조 내부 온도는 시간에 따라 상승하며 최대값을 보인 후 다시 감소한다.
본 시스템에서 축열조는 태양에너지의 저장장치로 사용된다. 해석의 편의를 위하여 축열조 내부의 유체는 완전히 혼합되어서 축열조 내부의 온도 구배는 무시할 수 있다고 가정한다. 축열조에서 에너지 평형으로부터 축열조 내부의 유체 온도 T_L은 다음과 같은 방정식으로 구할 수 있다¹⁵⁾.

제안 방법

본 연구에서는 축열조를 채용한 CPC 집열기 시스템에서 서울을 모델로 하여 1월부터 12월까지 월평균 수평지표면 태양 복사량과 하루 최고 및 최저 기온 등 관측 데이터를 바탕으로 집열기에서 태양 복사, 유용에너지, 집열기 열손실 및 효율 등의 하루 동안 시간에 따른 동특성을 수치적으로 해석한다. 또한 매월 평균일을 기준으로 하루 동안의 집열기에서 태양 복사량과 유용에너지 및 집열기 효율 등 시스템의 성능 특성을 해석한다.
본 논문에서는 축열조를 채용한 CPC 시스템에 대해 서울을 모델로 하여 1월부터 12월까지 월평균 수평 지표면 태양 복사량과 일일 최고 및 최저기온 등 관측 데이터를 바탕으로 각 달의 평균일에서 하루동안 시간에 따른 시스템의 열적 성능 특성과 일일총 복사에너지, 유용에너지, 열손실 그리고 집열기 열효율 등을 수치적으로 예측하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 축열조를 채용한 CPC 집열기 시스템에서 서울을 모델로 하여 1월부터 12월까지 월평균 수평지표면 태양 복사량과 하루 최고 및 최저 기온 등 관측 데이터를 바탕으로 집열기에서 태양 복사, 유용에너지, 집열기 열손실 및 효율 등의 하루 동안 시간에 따른 동특성을 수치적으로 해석한다. 또한 매월 평균일을 기준으로 하루 동안의 집열기에서 태양 복사량과 유용에너지 및 집열기 효율 등 시스템의 성능 특성을 해석한다.

대상 데이터

본 논문에서는 대기권 밖 수평면 월평균 일일 총 일사량으로부터 수학적 모델링으로 1월부터 12월까지 포물형 집열기의 동적 거동에 대해 해석한다. 기상데이터는 서울(N37.6, E127)을 대상으로 2011년부터 2017년까지 일사량을 산술평균으로 구하였다. 축열조를 포함한 집열기 시스템의 기본 데이터는 참고문헌^10,15)과 같으며 CPC의 기본 데이터는 참고문헌¹⁴⁾를 기본으로 한다.
본 논문에서는 대기권 밖 수평면 월평균 일일 총 일사량으로부터 수학적 모델링으로 1월부터 12월까지 포물형 집열기의 동적 거동에 대해 해석한다. 기상데이터는 서울(N37.

이론/모형

3은 연중 각 월별로 공조 설계용 대기 온도의 변화를 보여준다. Degelam의 모델¹⁶⁾을 이용하여 하루의 최저 및 최고기온과 발생시각으로부터 설계용 온도 분포를 계산하였다. 최저온도와 최고온도의 발생시간은 4:00시와 14:00시라고 가정하였다.

성능/효과

1) 태양시 기준으로 태양 총 복사에너지는 정오에 최대가 되나 집열기의 열손실과 축열조 온도는 오후에 최대가 되고 유용에너지와 집열기 효율은 오전에 최대가 된다.
5) CPC 시스템의 축열조의 최고 온도는 5월에 155℃로 가장 높고 11월에 106℃로 가장 낮으며 고온 응용 분야에 유리한 사실을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	축열조의 역할은 무엇인가?	태양열 집열기 시스템에서 축열조(storage tank)의채용은 수집한 태양에너지를 저장할 뿐만 아니라 태양 복사가 불충분할 때에 안정적으로 에너지를 공급해 주는 역할을 한다10). Tripanagnostopoulos와Souliotis11)는 2개의 축열조가 설치된 저비용 프로토타입 CPC에 대해 실험적 연구 결과를 보고하였으며,Kessentini와 Bouden12,13)은 2개의 기본 및 이중 글레이징 축열조로 구성된 CPC 시스템의 성능 특성을 시뮬레이션, 설계 및 실증 실험을 통한 연구 결과를 보고하였다.
	열손실이 최대가 되는 시간은 총 복사에너지가 최대가 되는 시간보다 왜 지체되는가?	열손실이 최대가 되는 시간은 오후 2시에서 3시 사이로 총 복사에너지가 최대로 되는 시간보다 지체된다. 이는 대기 온도가 오후 2시경에 최대가 되긴 하지만 집열기 흡수판의 온도 상승 효과가 더 크며 총 복사에너지가 최대가 된 후 집열기 흡수판의온도가 최대가 되는 시간의 지체가 있기 때문이다.
	집중식 태양열 집열기의 장점은 무엇인가?	비집중식 태양열 집열기는 태양 복사의 입사면적과 흡수면적이 동일한 반면에 집중식 태양열 집열기는 일반적으로 오목한 반사면을 통해 직달 일사를 입구에 비하여 좁은 흡수면에 집중시킴으로써 복사 플럭스를 높일 수 있기 때문에 비집중식에 비해 높은 온도의 응용 분야에 적합하다1,2). 복합 포물형 태양열 집열기(compound parabolic collector, CPC)는구조가 단순하고 지속적인 태양 추적 시스템이 필요 없다는 장점을 가지고 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증