초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 금속 및 상변화 물질이 삽입된 카본나노튜브 (Metal-filled CNT and PCM-filled CNT)를 활용하여 태양열에너지 흡수 및 열저장, 열수송 등 열적 특성을 획기적으로 향상시킨 새로운 작동유체를 제작하고 특성을 분석하는데 있다. 그에 따라 세부 연구목표는 다음과 같다.
1) 중·저온영역 (100℃ ~200℃)에서 화력 및 원자력발전의 폐열에너지 회수용으로 사용할 수 있는 물/부동액 대비 비열 10%, 흡광계수 3배 이상 향상시킬 수 있는 PCM-filled CN

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 금속 및 상변화 물질이 삽입된 카본나노튜브 (Metal-filled CNT and PCM-filled CNT)를 활용하여 태양열에너지 흡수 및 열저장, 열수송 등 열적 특성을 획기적으로 향상시킨 새로운 작동유체를 제작하고 특성을 분석하는데 있다. 그에 따라 세부 연구목표는 다음과 같다.
1) 중·저온영역 (100℃ ~200℃)에서 화력 및 원자력발전의 폐열에너지 회수용으로 사용할 수 있는 물/부동액 대비 비열 10%, 흡광계수 3배 이상 향상시킬 수 있는 PCM-filled CNT가 포함된 작동유체를 연구하고자 함
2) 고온영역 (300℃ ~ 600℃)에서 고집광 태양열에너지 흡수 및 저장용으로 사용되는 용융염보다 비열이 20% 우수하고, 흡광계수 3배 이상 향상시킬 수 있는 Metal-filled CNT가 포함된 작동유체을 연구하고자 함

□ 연구결과
중·저온영역 (100℃ ~200℃) 작동유체에 분산 부유시킬 목적으로 제작된 입자는 모세관력-충진법을 이용하여 자체 제작된 CNT (Carbon Nanotube) 내부에 Phase Change Materials (Paraffin, D-mannitoll)을 충진시켜서 만든 PCM-filled CNT를 제작하였으며 고온영역 (300℃ ~ 600℃) 작동유체에 분산 부유시킬 목적으로 제작된 입자는 표면에 Polymer로 코팅된 Silver Nanoparticles의 표면 탄화기법을 사용하여 Silver-filled CNT를 제작하였다. 제작된 입자들을 각각 저온영역에 사용가능한 물, 중온영역에 사용가능한 EG (Ethylene Glycol) 그리고 고온영역에 사용가능한 Therminol VP1에 분산 부유시켜 새로운 형태의 작동유체를 제작하였다. 제작된 나노유체의 특성을 분석하기 위해 CNT 내부에 PCM이나 Silver Nanoparticles 즉 충진재, 충진률, 작동유체 대비 CNT의 부피비에 따른 비열, 흡광계수, 열전도도, 등을 연구하였다. 그 결과 내부에 충진된 상변화 물질의 잠열량이 높을수록 비열향상성이 우수하였으며 부피비가 높을수록 작동유체의 비열 향상성이 증대되었다. 특히 연구목표였던 저온 영역에서는 기존 물 대비 비열을 특정 온도영역에서 약 19%까지 상승하는 것을 확인하였으며 중온 영역에서는 기존 EG대비 비열이 13%, 특히 고온 영역에서는 Therminol VP1대비 비열이 24 %향상되는 것을 확인하였으며 모든 영역에서 흡광계수는 3배 이상의 높은 흡광특성을 가지는 것을 확인하였다. 제작된 작동유체들의 태양열 집열 및 축열 성능 평가를 위해 18.5 SUN의 고집광 태양열 모사장비를 제작하였으며, 효율을 평가한 결과 기존 집열기 대비 최대 17%까지 집열 및 축열 특성이 증가하는 것으로 확인할 수 있었다. 또한 폐열 회수 기초 실험을 위해서 Paraffin-filled CNT 나노유체의 대류열전달계수를 측정하였으며 Shell and Tube 열교환기를 제작하여 순수 작동유체와 폐열 회수 성능을 비교 평가하였다. 평가 결과 폐열 회수 특성이 12%정도 향상되는 것을 확인하였다.

□ 연구결과의 활용계획
본 연구의 결과들은 중·저온영역의 폐열 회수 및 고온 영역의 태양열 집열 및 축열 시스템의 원천기술들로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 중·저온영역 PCM-filled CNT가 포함된 물/부동액 작동유체의 안정적인 대량생산 기술만 확보된다면 현재 상용화되어 있는 가정용 태양열 에너지 집열 시스템에 사용될 수 있는 상용화기술로 사료된다. 특히 기존 표면 집열 방식보다 10%이상의 에너지 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다. 또한 고온 영역에서 사용될 수 있는 Silver-filled CNT가 포함된 Therminol VP1 제 작 기술은 현재 10~18% 수준의 효율을 가지는 대규모 태양열 발전시스템의 효율을 10%이상 향상시킬 수 있는 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

(출처 : 연구결과 요약문 5p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
The objective of this study is to investigate thermal and optical characteristics of novel working fluids, which containing PCM-filled CNTs or Metal-filled CNTs for dramatically improving thermal and optical properties such as extinction coefficient, specific heat and heat tra

□ Purpose& contents
The objective of this study is to investigate thermal and optical characteristics of novel working fluids, which containing PCM-filled CNTs or Metal-filled CNTs for dramatically improving thermal and optical properties such as extinction coefficient, specific heat and heat transfer characteristics. The detailed contents are as follows: 1) Study on thermal and optical characteristics of Water/EG-based PCM-filled CNT which can be used in the low and middle temperature region (100℃ ~200℃) to achieve increment of 10% for specific heat and 3 times for extinction coefficient compared with conventional working fluids. 2) Study on thermal and optical characteristics of Therminol VP1-based Metal-filled CNT which can be used in the high temperature region (300℃ ~ 600℃) to achieve increment of 20 % for specific heat and 3 times for extinction coefficient compared with conventional working fluids.

□ Result
PCM-filled CNTs which can be used in the low and middle temperature region (100℃ ~200℃) are manufactured by encapsulated-capillary method using the self manufactured high aligned CNT and phase change materials (Paraffin, D-mannitol). Silver-filled CNTs which can be used in the high temperature region (300℃ ~ 600℃) are also manufactured by surface carbonized of the encapsulated polymer of silver nanoparticles. With the manufactured CNTs, novel working fluids which can be used in low, middle, and high temperature region are manufactured by two step method like the manufacturing process of nanofluids, respectively. With the novel working fluids, the effects of filling materials, filling ratio into CNT, volume fraction of CNT on the specific heat, the extinction coefficient, the thermal conductivity are investigated. it is shown that the specific heat of the novel working fluids with PCM-filled CNTs or silver-filled CNTs is remarkably increased as the filling ratio, the latent heat of filling materials or the volume fraction of CNTs is increased. Especially, we also show the specific heat of novel working fluid is increased up to 19%, 13% and 24% compared with the conventional working fluids which can be used in the low, middle, high temperature region, respectively. Moreover, we present the extinction coefficient of the novel working fluids is 3 times larger than it of the conventional working fluids. To evaluate the solar thermal absorption and storage characteristics for the novel working fluids, we conduct several experiments with high-intensity solar simulator with 18.5 SUN. we present the efficiency is enhanced up to 17%. To evaluate the performance of waste heat recovery using the novel working fluids, we measure convective heat transfer coefficient and then the performance of waste heat recovery using shell and tube heat exchangers. Based on the results, It is shown that waste heat can be more recovered about 13%.

□ Expected Contribution
The results presented in this study are expected to be considered as originality for the waste heat recovery technology in the low and middle temperature region (100℃ ~200℃) as well as solar thermal energy absorption and storage technology in the high temperature region (300℃ ~ 600℃). Especially, we expect the novel working fluids such as water with paraffin-filled CNTs and EG with D-mannitol can be commercialized in the field of the domestic hot water supply and auxiliary heating system. Moreover, we expect Therminol VP 1 with silver-filled CNTs can be considered as original technology to improve the efficiency of solar thermal power plant which has low efficiency.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 80
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 82
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 82
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 85
• 8. 참고문헌 ... 85
• 9. 연구성과 ... 88
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 92
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 92
• 12. 기타사항 ... 93
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 94
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 108
• 끝페이지 ... 118