초록 ▼

Ⅴ. 연구개발 결과
1. CPV 장착 단일 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 개발
태양광 집열을 위한 집열시스템과 태양열과 전기를 동시에 생산하는 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 그리고 태양광 발전을 위한 CPV 모듈을 제작하여 성능실험을 수행하였고 결과를 상호 비교한 후 CFD 해석을 통하여 결과의 타당성 및 정확성을 확인하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 효율에 영향을 미치는 요소들을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가. 태양광 집열시스템 성능분석 결과
SOG 타입의 프레넬 렌즈로 집열기를 구

Ⅴ. 연구개발 결과
1. CPV 장착 단일 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 개발
태양광 집열을 위한 집열시스템과 태양열과 전기를 동시에 생산하는 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 그리고 태양광 발전을 위한 CPV 모듈을 제작하여 성능실험을 수행하였고 결과를 상호 비교한 후 CFD 해석을 통하여 결과의 타당성 및 정확성을 확인하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 효율에 영향을 미치는 요소들을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가. 태양광 집열시스템 성능분석 결과
SOG 타입의 프레넬 렌즈로 집열기를 구성하여 입구온도와 유량을 변수로 집열성능 실험을 수행하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 집열시스템에서 집광 영역의 흡수율은 높이고, 흡수기 주변의 대류에 의한 손실률은 줄여야 효율을 높일 수 있는데, 유량이 많아지면 흡수율도 높아지지만 손실율도 함께 높아짐으로 시스템에 따라 최고의 효율을 낼 수 있는 임계 유량이 존재하며 본 시스템에서는 2/min 전후가 임계 유량으로 확인되었다.
(2) 유량에 관계없이 열매체 입구 온도가 상승하면 주변 온도와의 차이가 커지고 손실이 증가하여 효율이 감소한다.
(3) 유량이 증가할수록 효율 방정식의 기울기가 증가함으로 시스템을 운영하는 주변 온도와 열매체 온도 차이에 따라 높은 유량(4/min)에서 효율이 가장 높게 나오거나 가장 낮게 나올 수 있다.
(4) 기후 조건에서 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 외기온도와 풍량으로 흡수관 주변의 단열처리나 아크릴을 이용한 바람막이는 효율 상승에 중요한 역할을 한다.
나. 태양광-열 복합시스템 성능분석 결과
집열시스템의 집광영역에 CPV 셀을 부착하여 태양광-열 복합시스템을 구성하였고, 집열효율과 발전효율 그리고 합산효율에 대하여 실험 및 분석한 결과는 다음과 같다.
(1) 복합시스템도 집열 성능에서 임계유량이 존재하며 본 시스템에서는 3/min 전후가 임계유량이다. 또한 임계유량은 시스템의 구성과 운영 환경에 따라 달라질 수 있다.
(2) CPV 셀을 부착하여도 집열 효율에 있어 열매체 온도가 상승하면 효율이 감소하고, 유량이 증가하면 효율 방정식의 기울기가 증가하여 효율의 변화가 커지는 특징은 집열시스템 단독으로 운영할 때와 동일하다.
(3) CPV 셀은 표면 온도가 증가하면 전압은 감소하고, 일사량이 증가하면 전류가 증가한다. 그리고 효율은 전압과 전류의 곱으로 계산되어짐으로 열매체 온도와 일사량이 동시에 변하는 실외 실험으로는 효율의 변화를 파악하기 어렵다.
(4) 복합시스템의 집열 효율과 CPV 셀의 발전 효율을 합하면 집열시스템 단독으로 운영하는 것보다 효율이 높으며, 이는 복합시스템의 집열은 주로 적외선 파장대역을 사용하고 CPV 셀은 주로 가시광선 파장대역을 사용함으로 사용하는 파장대역이 서로 달라서 가능한 결과이다.
(5) 집열효율이 높은 유량에서 CPV 셀의 발전효율도 높게 나타났으며, 이는 집열효율이 좋으면 집광영역의 온도가 낮게 형성되기 때문에 CPV 셀의 발전효율도 높아지는 것이다.
다. CPV 모듈 성능분석에 대한 결론
태양광-열 복합시스템의 CPV 셀 발전효율과 비교하기 위해 히트싱크를 부착한 공랭식 방법으로 CPV 모듈을 제작하여 성능실험 수행하였으며, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) CPV 모듈의 효율에 영향을 미치는 변수로는 셀의 온도, 일사량, 집광비, 입사각, 집광률 등 많은 요소가 있지만 그중에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요소는 2차 렌즈의 사용으로 셀 영역에 정확하게 집광시킬 수 있으면 2차 렌즈 사용 없이도 높은 효율의 시스템을 구축 할 수 있다.
(2) 일사량이 증가하면 충진률은 감소하고 일사량이 감소하면 충진률은 증가하는데 이것은 일사량이 증가하면 집광영역의 온도가 상승하면서 충진률이 감소하는 것으로 보인다.
2. 다 모듈 CPV 장착 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 개발
본 연구에서는 16개의 SOG 프레넬 렌즈 및 16개의 집광용 CPV셀로 1개의 모듈을 구성하였으며, 4개의 모듈을 통합하여 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템을 제작하였다. 따라서 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템의 총 64개 프레넬 렌즈는 각 CPV셀에 빛을 집광시키며, 집광된 빛은 CPV셀을 통하여 전기에너지로 전환된다. 또한 CPV셀 하부에 설치된 흡수기내에 열매체를 순환시킴으로써 CPV셀로 집광된 열에너지를 회수하게 된다. 다 모듈 태양광-열 복합시스템의 집열 및 발전 성능실험 및 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.
가. 본 연구에서 제작된 다 모듈 태양광-열 복합시스템은 유량 6ℓ/min에서 최고 효율을 나타내었으며, 이는 7ℓ/min일 때 6ℓ/min보다 높은 에너지 흡수율을 나타내지만, 대류 열손실에 의한 외부로의 열 손실량이 크기 때문인 것으로 파악되며, 6ℓ/min일 때가 최고효율을 갖는 임계유량임을 알 수 있었다.
나. 유량과는 관계없이 열매체의 입구온도가 상승하게 되면, 주변 외기와의 온도차가 커지게 되며, 그에 따른 열손실이 증가하여 집열효율은 감소하였다.
다. 본 연구에 사용된 CPV셀은 온도가 증가하면 전압은 감소되고, 일사량이 증가하면 전류가 증가하는 일반적인 태양전지와 같은 특성을 보이고 있으며, 일사량이 증가함에 따라 CPV셀의 효율은 계속 상승해야하나 한계치가 존재하는 이유는 일사량 증가에 따른 전류의 증가폭보다 온도상승에 따른 전압의 감소폭이 더 크기 때문에 셀의 온도가 일정수준이상 올라가면 효율은 감소되는 특성을 보인다.
라. 복합시스템의 집열효율과 발전효율을 합하면 집열시스템 단독으로 운영하는 것보다 높은 효율이 나타나게 되는데, 이는 집광된 태양광이 CPV셀에 의해 발전이 이루어지고, 집광된 고온의 태양 복사열은 다시 회수되어 태양광 발전과 태양열 집열이 동시에 이루어지기 때문이다.
마. 집열효율이 높은 유량에서 CPV 셀 효율도 높게 나타나며, 이는 집열효율이 좋으면 집광영역의 온도가 낮게 형성되기 때문에 CPV 셀 효율도 높아지기 때문인 것으로 판단된다.
3. 다 모듈 CPV 장착 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 온실난방 실증
다 모듈 태양광-열 복합시스템을 통하여 생산된 전기는 축전지에 저장되며, 회수된 열은 축열조에 저장된다. 축전지에 저장된 전기는 복합시스템 운영에 필요한 펌프, 태양추적장치, 축열조의 보조열원 등에 공급되며, 축열조에 축열된 열은 축열매체를 통해 온실 내부에 설비된 라디에이터를 순환하며 온실 가온에 사용된다.
본 연구에서 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템을 이용한 온실난방 실증실험은 2015년 2월부터 4월의 기간 동안 8주간 수행되었으며, 유류대비 경제성 분석이 수행되었다. 다 모듈 태양광-열 복합시스템을 이용한 난방 실험 및 경제성 분석 결과는 다음과 같다.
가. 실험 전 기간 동안 축열조 내의 축열매체 온도는 대체적으로 45 ∼ 55℃로 잘 유지됨을 나타내었다.
나. 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템을 이용한 온실난방 실험결과 야간의 기온이 낮아질 때 온실 내의 온도가 10 ∼ 15℃로 잘 유지됨을 알 수 있었다.
다. 온실 내 야간의 상대습도는 실험기간 3월 21일부터 28일 까지는 대체로 60% 이하의 낮은 값을 나타내었으나, 3월 19일부터 4월 20일까지의 실험기간 동안에는 야간의 상대습도가 대부분 80% 이상까지 상승하는 것으로 나타났다.
라. 온실 난방을 위해 다 모듈 복합시스템이 계통연계형으로 운용될 때 경제성은 매우 큰 것으로 나타났으며, 분리독립형은 계통연계형에 비하여 수익성이 낮게나타났다.
마. 경제성 분석에 낮은 유류 가격이 이용되었으나, 유류 가격이 상승할 경우 온실 난방을 위한 다 모듈 복합시스템의 경제성은 매우 커질 것으로 판단된다

Abstract ▼

Solar energy is unlimited clean resource without any environmental pollution. However, there are some disadvantages that it has low energy density and dependent on weather conditions. Therefore, the study for obtaining an economic value through efficiency improvement is necessary. Our country has ve

Solar energy is unlimited clean resource without any environmental pollution. However, there are some disadvantages that it has low energy density and dependent on weather conditions. Therefore, the study for obtaining an economic value through efficiency improvement is necessary. Our country has very good advantages on using the solar energy because of receiving the sufficient sun energy due to the geographical position and seasonal weather conditions. The development of technology for the utilization of solar radiation as an alternative energy is very important for the use in agricultural industry as an agricultural energy source. Thus, the objective of this study was to develop the complex cogeneration system with CPV solar cell (CPV/T) for utilization of greenhouse heating. The results were obtained as follows:
1. Development for the complex cogeneration system with CPV solar cell (PV/T) of lab scale
In this study, experiments were conducted with four methods, and experimental results were compared and analyzed with investigating elements affecting on the efficiency. (1) The high concentrating solar collecting system was constructed with fresnel lens of SOG type. Analysis of efficiency characteristics were carried out through experiments with varying temperature and mass flow rate of heating medium. (2) The complex cogeneration system (CPV/T) which produces simultaneously heat and electricity were constructed with fixing CPV cell over the solar concentrating absorber. Efficiency of complex cogeneration system was analyzed, and the reasons that its efficiency is higher than that of solar collecting system were investigated. (3) The module of CPV solar cell with heat sink was constructed using fresnel lens of SOG type as solar concentrator, and its efficiency on producing electricity was compared with that of complex cogeneration system. (4) Heat transfer relationships between heating medium and absorbers of solar collecting system and complex cogeneration system (CPV/T) were investigated with CFD analysis, and their results were verified by comparing with experimental results.
(1) Solar collecting system showed that the mass flow rate of 2/min had the highest efficiency. It was known that greater temperature of heating medium and temperature difference between ambient and heating medium had more heat loss with lowering the efficiency. Also, it was showed that increased mass flow rate induced the greater slop of efficiency equation, and insulation state of absorber and wind shield influenced on the efficiency.
(2) Heat collecting efficiency of complex cogeneration system was similar with that of solar collecting system. Efficiency for electricity production was greatly influenced by CPV cell temperature. Sum of efficiency for heat collection and electricity production of complex cogeneration system was greater than single heat collection efficiency of solar collecting system.
(3) Elements affecting on efficiency of CPV module are cell temperature, solar irradiation, concentration ratio, solar incident angle, etc. The most affecting element on efficiency is the use of the second lens. If solar concentration is made perfectly at the CPV cell region, the complex cogeneration system of high efficiency can be manufactured without using the second lens.
(4) It was investigated that the most affecting elements on efficiency were thermal conductivity of insulation material and ambient air temperature around absorber through CFD analysis. Also, it was verified that summing efficiency for heat collection and electricity production of complex cogeneration system was greater than single heat collection efficiency of solar collecting system.
2. Development for the complex cogeneration system with CPV solar cell (CPV/T) of multi modules
In this study, multi-module cogeneration solar system with SOG Fresnel lens, CPV cell, solar tracker, and storage tank was constructed for the analysis of performance characteristics. The results of this study were summarized as follow;
(1) The experiments were performed for flow rate of 3ℓ/min to 7ℓ/min during the daylight period from 10:00am - 5:00pm, and it was observed that thermal and electrical efficiencies for 6ℓ/min were 61% and 25%, and also the aggregated collector efficiency was 86%. Thus, the flow rate value of 6 ℓ/min showed the highest efficiency as compared with other flow rates.
(2) If the collector inlet temperature increases regardless with flow rate, the temperature difference between the surrounding air and heating medium will be increased, and thus the heat loss is increased and lead to decrease in collector efficiency.
(3) The CPV cell used in this study shows electric power which is increased with the increasing rate of in solar radiation and decreased with increase in temperature of solar cell.
(4) The efficiency of the CPV cell can be increased by the flow rate with high thermal efficiency, and if the thermal efficiency is significant, the temperature of solar collecting area will be lower, so the efficiency of the CPV cell will be increased.
3. Site experiment of the greenhouse heating with complex cogeneration system (CPV/T) of multi modules
Electricity and heat produced from complex cogeneration system (PV/T) are stored in the batteries and storage tank respectively. Electricity produced from complex cogeneration system (PV/T) is used in the operation of system such as pumps, solar tracker, and auxiliary heater in storage tank, etc. Heat stored in storage tank is used for heating of greenhouse through the circulation of heating medium inside heat exchangers. In this study, site experiments for greenhouse heating with using the complex cogeneration system (PV/T) were carried out a period of eight weeks from February to April of 2015. Also an economic analysis of the complex cogeneration system (PV/T) was conducted in comparison with utilization of oil in greenhouse heating. The results of this study were summarized as follow;
(1) During the whole period of experiment, the temperature of heat storage medium in the thermal storage thank is generally kept between 45℃ and 55℃.
(2) The results showed that the air temperature inside greenhouse maintains well between 10 ℃ and 15℃ during heating of night time, even though the outside air temperature is lowered such as bellow zero.
(3) The relative humidity inside greenhouse presented generally to below 60% at night during the period of experiment from 21 to 28 March, but it was raised by 80% between 19 March and 20 April.
(4) When grid-connected solar cogeneration system for greenhouse heating was operated, it appeared to economically very good. In addition, the profitability of the stand-alone system is relatively low in comparison with grid-connected solar cogeneration system.
(5) In this study, low oil price in recent had been considered for economic analysis. But if oil price is raised, it is noticed that the economic feasibility of solar cogeneration system for greenhouse heating proves to be better option.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 15
• 목차 ... 16
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 및 성과목표 ... 17
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 17
• 제 2 절 연구개발의 범위 ... 28
• 제 3 절 연구성과 목표 대비 실적 ... 29
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 30
• 제 1 절 국내 기술개발 현황 ... 30
• 제 2 절 국외 기술개발 현황 ... 31
• 제 3 절 연구결과가 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치 ... 33
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 34
• 제 1 절 소형 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 개발 ... 34
• 제 2 절 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 개발 ... 94
• 제 3 절 다 모듈 태양광-열(CPV/T) 복합시스템 온실난방 실증 ... 130
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 163
• 제 1 절 연구개발목표의 달성도 ... 163
• 제 2 절 관련분야에의 기여도 ... 165
• 제 5 장 연구개발 성과 및 활용계획 ... 166
• 제 1 절 실용화 및 산업화 계획 ... 166
• 제 2 절 기술자료 및 정책자료 제공 ... 167
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 171
• 제 1 절 태양 집광기술 ... 171
• 제 2 절 다중접합 태양전지 기술 ... 176
• 제 7 장 연구시설 장비 현황 ... 183
• 제 8 장 연구실 안전관리 이행실적 ... 184
• 제 1 절 안전점검 ... 184
• 제 2 절 교육 및 훈련 ... 184
• 제 9 장 참고문헌 ... 185
• 끝페이지 ... 198