초록 ▼

핵심기술
태양광을 집광하여 얻은 고온의 열을 이용하여 증기를 생산하여 발전에 사용하며 또한 증기를 열로서 저장하여 추가적인 전력생산이 가능
최종목표
한∙중 양국간의 국제협력을 통하여 Tower형 태양열 발전시스템을 개발, 중국 현지에 1MW급 발전시스템을 구축하고 운전
개발내용 및 결과
- 흡수기 설계, 제작: 집광된 태양광을 받아 28 bar, 400℃의 과열증기를 생산하여 증기터빈을 구동할 수 있도록 함
- 저장기 설계, 제작: 태양의 일사량이 낮거나 없을 경우를 대비열을 저장하여 증기를 생산할

핵심기술
태양광을 집광하여 얻은 고온의 열을 이용하여 증기를 생산하여 발전에 사용하며 또한 증기를 열로서 저장하여 추가적인 전력생산이 가능
최종목표
한∙중 양국간의 국제협력을 통하여 Tower형 태양열 발전시스템을 개발, 중국 현지에 1MW급 발전시스템을 구축하고 운전
개발내용 및 결과
- 흡수기 설계, 제작: 집광된 태양광을 받아 28 bar, 400℃의 과열증기를 생산하여 증기터빈을 구동할 수 있도록 함
- 저장기 설계, 제작: 태양의 일사량이 낮거나 없을 경우를 대비열을 저장하여 증기를 생산할 때 사용하는 설비로서 용융염을 이용하여 증기의 현열을 저장하고 1MWh 발전할 수 있도록 함.
- 헬리오스타트 제어: 태양을 추적, 반사하여 발전시스템에 열원을 공급하는 설비로서 태양추적제어 기술을 개발하고 이를 보정할 수 있는 프로그램을 개발
- 시뮬레이션: 태양열발전 플랜트의 설계 및 성능 예측을 위한 프로그램 개발과 상용코드를 이용한 기본설계
- 요소기술 개발: 흡수기 열손실 해석, 실험 및 열유속 분포에 따른 증발관 실험, 용융염 열전달 실험 및 히트파이프 이용 열저장기술 개발
기술개발배경
2010년 기준 세계 태양열발전 규모는 1 GW 정도이나 2020년경에는 30 GW로 증가할 것으로 내다보고 있으며 국내의 경우 중공업, 건설, 엔지니어링 관련 기업들이 매우 뛰어난 발전설비 기술을 보유하고 있으며 특히 중동 등 고일사 지역에서의 풍부한 플랜트 건설 경험을 가지고 있어 기존 발전형식에 기반을 둔 태양열발전 기술에 대한 접근이 용이하여 기술습득과 시장 진출을 통한 상업화가 가능하리라 봄. 또한 태양열에 의한 발전단가는 장기적으로는 약 5 - 10 cents/kWh 정도를 형성할 수 있을 것으로 예상됨. 또한 현재 기술개발이 진행되고 있으며 상업화 초기 기술로서 기술개발에 따른 시장접근이 가능하다고 판단됨.
핵심개발기술의 의의
물/증기 흡수기로는 국내에서 처음 개발되었으며 용융염 열저장기의 경우 많은 태양열 발전플랜트가 사용하고 있는 요소설비로서 모두 국내 독자 기술임. 이에 기술이전시 국내에서 자체 공급이 가능하리라 예상됨.
적용분야
태양열 발전, 고온 열저장, 집광형 수소 생산

목차 Contents

• 신․재생에너지 기술개발사업 최종보고서 제출서 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 6
• 목 차 ... 15
• 제 1 장 서론 ... 22
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 22
• 제 2 절 국내외 관련 기술의 현황 ... 24
• 1. 타워형 태양열 흡수기 (Solar Central Receiver) ... 24
• 가. 공기식 흡수기 (Volumetric air receiver) ... 25
• 나. 용융염 흡수기 (Molten salt receiver) ... 25
• 다. 증기 흡수기 (Water/Steam receiver) ... 27
• 2. 열저장기 (Thermal storage) ... 31
• 가. 국내·외 관련 기술의 현황 ... 32
• 3. 집광시스템 제어 ... 33
• 가. 국외기술 현황 ... 34
• 나. 국내기술 현황 ... 36
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 경제적 파급 효과 ... 36
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 37
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 37
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 38
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 39
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 40
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 40
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 41
• 제 3 절 전체 발전시스템 기초설계 ... 42
• 1. 일사량 분석(동아시아) ... 42
• 2. 발전시스템 구성 및 기본설계 ... 43
• 3. 사이클 시뮬레이션 프로그램 개발 ... 50
• 가. 프로그램 분석 ... 50
• 1) 집열부 해석 (Concentrator and Thermal analysis) ... 51
• 가) 반사장치 (Heliostats Field) ... 51
• 나) 흡수기 (Receiver) ... 51
• 다) 저장기 (Storage tank) ... 53
• 2) 발전부 해석 (Power block analysis) ... 54
• 가) 증기터빈 (Steam turbine) ... 54
• 나) 응축기 (Condenser) ... 55
• 다) 펌프 (Pump) ... 55
• 라) 탈기기 (Deaerator) ... 56
• 마) 결과 창 (Output window and text) ... 56
• 3) 시스템 시뮬레이션 (System simulation) ... 57
• 가) 작동조건 ... 57
• 나) 결과 데이터 (Simulation Results) ... 58
• 제 4 절 흡수기 개발 ... 60
• 1. 흡수기 열손실 연구 ... 60
• 가. 캐비티 흡수기 열손실 실험 ... 60
• 1) 실험장치 및 조건 ... 62
• 2) 실험방법 ... 63
• 3) 실험결과 및 고찰 ... 64
• 나. 캐비티 흡수기 열손실 해석 ... 68
• 1) 해석조건 ... 68
• 2) 해석방법 ... 70
• 3) 해석결과 ... 70
• 2. 흡수기 대류 열손실 분석 ... 73
• 가. 대류열손실 특성 실험 ... 73
• 1) 실험장치 ... 73
• 2) 실험조건 ... 75
• 3) 실험방법 ... 75
• 4) 계산과정 ... 76
• 5) 결과 및 고찰 ... 77
• 3. 흡수기 충진재 열전달 및 압력강하 특성 ... 81
• 가. 충진재 열전달 및 압력강하 실험 ... 81
• 1) 실험장치 ... 81
• 2) 열전달 실험 ... 82
• 3) 압력강하 실험 ... 84
• 4) 계산과정 ... 85
• 5) 결과 및 고찰 ... 86
• 4. 다공성 물질에 대한 흡수기 내부 열유동 현상 분석 ... 89
• 가. 다공성 물질내부에서의 열전달 현상 분석 ... 89
• 1) 다공성 물질의 유·무에 따른 열전달 및 유동 분석 ... 89
• 2) 다공성 물질의 형상 변화에 따른 흡수기 설계 ... 90
• 3) 흡수기 전면부에서의 유속 분포 ... 90
• 4) 흡수기 내부에서의 온도 분포 ... 91
• 5) 흡수기 축 방향의 온도 분포 ... 92
• 5. 수관식 흡수기 열유동 해석 ... 92
• 가. 단일관에 대한 비등 해석 ... 92
• 1) 형상 및 경계 조건 ... 92
• 2) 상태에 따른 위치 분석 ... 93
• 가) 물이 포화온도가 될 때까지 요구되는 길이 ... 94
• 나) 관 입구로부터 핵비등 시작점까지의 길이 ... 94
• 다) 관 입구로부터 완전발달 과냉비등 지점까지의 길이 ... 94
• 3) 상태에 따른 가열면의 온도분포 ... 95
• 가) 핵 생성지점에서 가열면의 과열도 ... 95
• 나) 완전발달 과냉비등의 시작점에서 가열면의 가열도 ... 95
• 4) 수치해석 결과 ... 96
• 나. 흡수기 수순환 특성 실험 모델 해석 ... 97
• 1) 형상 및 경계 조건 ... 97
• 2) 모델링 및 단면 메쉬 형상 ... 99
• 3) 해석 결과 ... 99
• 6. 흡수기 수순환 특성 실험 ... 103
• 가. 실험장치의 설계 ... 103
• 1) 대상 흡수기 선정 ... 103
• 2) 시험부 설계 ... 103
• 나. 실험장치 ... 109
• 1) 시험부 ... 110
• 2) 응축 및 급수부 ... 113
• 3) 계측장비 ... 120
• 다. 실험조건 및 결과 ... 121
• 1) 실험장치 검증 ... 121
• 2) 28 bar 비등 실험 ... 125
• 7. 증발관 비등열전달 계산 ... 129
• 8. 흡수기 설계 및 제작 ... 130
• 가. 흡수기 상세설계 ... 130
• 1) Receiver 크기 변경 ... 134
• 2) 드럼 크기 ... 135
• 3) 흡수기 P&ID ... 135
• 나. 흡수기 제작 및 이송 ... 139
• 9. 흡수기 제어 ... 147
• 가. 흡수기 시운전 점검 ... 147
• 나. 흡수기 제어방식 ... 149
• 1) 요소별 측정 ... 149
• 2) 요소별 제어 ... 150
• 3) 흡수기 제어 ... 151
• 제 5 절 열저장기 개발 ... 163
• 1. 용융염과 증기 열교환 저장방식 요소기술 개발 ... 163
• 가. 실험장치 ... 163
• 나. 용융염 물성측정 ... 164
• 다. 용융염과 스팀을 이용한 축열, 방열 실험 ... 165
• 2. 히트파이프이용 용융염과 증기 열교환 저장방식 요소기술 개발 ... 171
• 가. 연구 내용 ... 171
• 1) 히트파이프를 사용하는 축열시스템의 성능 모사 ... 173
• 2) 축열시스템 히트파이프 성능 실험 ... 187
• 3. 축열조(증기 저장기) 기본설계 ... 203
• 4. 열저장기 설계 및 제작 ... 205
• 제 6 절 제어시스템 개발 ... 211
• 1. 통합 제어시스템 (Main control system) ... 211
• 가. Heliostat field 제어시스템 ... 213
• 1) Heliostat field 제어시스템의 구조 및 기능 ... 213
• 2) Heliostat 동작 모드 ... 214
• 나. 기타 제어시스템 ... 215
• 2. Heliostat 태양추적제어시스템 ... 216
• 가. Heliostat 태양추적제어기 ... 218
• 나. Heliostat 방위각 및 고도각 계산 ... 223
• 다. Heliostat 태양추적제어기의 동작 시험 ... 225
• 3. 기구오차로부터 기인하는 Heliostat 태양추적오차 해석 ... 229
• 가. 태양광선의 궤적추적 알고리즘 ... 229
• 나. 기구오차에 heliostat 태양추적오차의 분석 ... 233
• 1) 방위각 구동축 설치오차의 영향 ... 233
• 2) 고도각 구동축 설치오차의 영향 ... 238
• 3) 반사거울 설치방향오차의 영향 ... 241
• 4) 구동좌표 기준설정오차의 영향 ... 244
• 5) Heliostat 설치위치오차의 영향 ... 245
• 6) 피벗 오프셋 및 피벗 설치방향오차의 영향 ... 247
• 7) 기어 백래시의 영향 ... 249
• 8) 구동축 유격과 무게 편심에 의한 영향 ... 252
• 다. 독립적으로 복합된 기구오차들의 영향 ... 254
• 라. 누적적으로 복합된 기구오차들의 영향 ... 256
• 마. 결과 분석 ... 257
• 4. 반사거울 설치방향 조정을 통한 Heliostat 태양추적오차 보정 ... 258
• 가. 태양추적오차의 보정 ... 259
• 나. 적정 반사거울 설치 방향 조정시간 ... 265
• 다. 결과 분석 ... 272
• 5. Heliostat 태양추적오차 보정 시스템 개발 ... 273
• 가. 기존 heliostat 제어시스템의 태양추적 알고리즘 ... 274
• 나. 태양추적오차 보정 기능을 갖는 태양추적 알고리즘 ... 275
• 1) 광선 측정 시스템(Beam Characterization System) ... 275
• 2) 오차보정 시스템을 갖는 heliostat 제어시스템 ... 276
• 3) 오차보정에 의한 heliostat 방위각 및 고도각 계산 ... 277
• 다. Heliostat 태양추적오차의 모델링 ... 279
• 1) 모델링 구조 및 학습 알고리즘 ... 280
• 2) 데이터 정규화(Normalization) ... 290
• 라. 모의실험 및 결과 고찰 ... 291
• 1) 모의실험 방법 ... 291
• 2) 모의실험 결과 ... 295
• 마. 결과 분석 ... 309
• 6. 태양열 흡수기 제어시스템 ... 310
• 7. 열저장기 제어시스템 ... 315
• 8. 데이터 통신 프로토콜 ... 318