진공관형 태양열 집열장치의 성능평가 및 해석 연구

전태규,안영철 한국에너지학회 2013 에너지공학 Vol.22 No.2

태양열 에너지는 우리나라의 전체 에너지에서 차지하는 비율은 아직 미미하지만, 근래 이 분야에대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 외부 날씨의 영향을 받지 않고 실내에서 안정적으로태양열집열기에 관한 실험을 수행할 수 있는 태양열집열기 성능검사 시스템을 구축하고 새로운 형태의태양열집열기를 연구·개발하기 위한 기초자료를 얻는데 있다. 이를 위해 태양열집열기 성능검사 시스템에 대한 CATIA 설계 및 제작을 거쳐 성능검사를 실시하였으며, 본 시스템에 장착된 이중진공관집열기에 대한 수치해석을 수행하였다. 실험 결과 태양열집열기 성능검사 시스템의 설정온도차( T)의증가에 따라 작동회수는 감소하지만 총 작동시간은 모든 경우에 거의 동일함을 알 수 있었다. 또한수치해석 결과 태양열흡수부의 온도가 높을수록 집열기 중심에서의 온도 감소율이 증가하는 것을 알수 있었다.

CFD를 활용한 태양열 공기가열기 내 사각저항체 설치 조건에 따른 열전달 및 압력강하에 관한 연구

최휘웅,김영복,손창효,윤정인,최광환 한국태양에너지학회 2019 한국태양에너지학회 논문집 Vol.39 No.1

태양열 공기 가열기의 경우 덕트 내 저항체 설치에 따라 성능에 많은 차이를 보이게 된다. 따라서, 이와 관련된 많은 연구가 진행된 바 있으나 제작이 다소 어려운 흡수판에 저항체를 부착하는 방식을 주로 조사되어왔다. 따라서 본 연구에서는 제작이 용이하면서 상대적으로 설치가 쉬운 사각저항체가 태양열 공기 가열기 공기채널 내 설치된 경우 사각저항체 형상 조건에 따른 열전달 및 압력강하 성능을 전산열유체해석을 통해 확인해보고자 하였다. 그 결과, 열전달 성능은 사각저항체 설치 조건에 따라 최소 1.2배에서 최대 3.32배까지 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 열전달 성능 향상과 함께 압력강하 또한 증가하는 모습을 보였고, 최소 2.8배에서 최대 180배까지 그 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 압력강하 증가 대비 열전달 성능 향상 정도에 대한 평가가 필요하며, 이를 위해 본 연구에서는 성능계수를 이용하였다. 성능 계수의 경우 최대 값 0.828정도를 보였으며, 열전달 성능이 향상될수록 해당 값이 적어지는 것을 알 수 있었다. 즉, 사각저항체 설치 및 형상 변경을 통한 열전달 성능 향상에 이보다 더 큰 압력강하 증가가 수반된다는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 실제 태양열 공기가열기 적용을 위한 사각저항체 형상 조건 선정 시 필요 열전달 성능 향상 정도와 허용 압력강하에 대한 추가적인 고려가 수반될 필요가 있을 것으로 사료되었다. The solar air heater has various performances according to an obstacle installed in the air duct. Many studies on thermal performance have been conducted. But many of these studies were using a kind of rib type obstacle attached at the bottom of absorbing plate, but they are so hard to be manufactured. In this study, characteristics of the heat transfer and pressure drop in the solar air heater with various horizontal rectangular obstacles was investigated by CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis. As a result, the heat transfer performance was improved from 1.2 to 3.32 times depending on installation conditions of rectangular obstacle. The pressure drop, however, also increased with increment of heat transfer performance from 2.8 to 180 times only by changing installation conditions of rectangular obstacle. Thus, the performance factor presenting the thermal performance enhancement on the same pressure drop was also confirmed. As a result, the highest value of 0.828 as better performance factor was obtained at the lower height of rectangular obstacle and this value has started to decrease with increment of heat transfer performance. In the end, it could be confirmed that the pressure drop was carried higher than the quantity of improvement of the heat transfer performance when the heat transfer performance was increased by change of installation conditions of rectangular obstacle. Both heat transfer enhancement and pressure drop to be required for system need to be considered before the rectangular obstacles are applied to the solar air heater.

열파이프가 부착된 평판형 태양열 집열기의 열전달 특성에 대한 실험적 고찰

김철주,임광빈 대한기계학회 1993 대한기계학회논문집 Vol.17 No.5

In this study, a model of a flat plate solar collector using a heat pipe was manufactured and tested to investigate such operational characteristics of the present system of solar collector as start-up process, temperature distribution on the absorber plate and operation of the heat pipe. Moreover, collector efficiency was measured for 20-30 minutes of operation at various conditions of weather and the result was compared with that tested by Hill et. a. for a flat plate solar collector using direct circulation of coolant. Some results obtained in this study could be summarized as follows. (1) The required time for the initial start-up process was about 5-6 minutes, but the heat pipe began to operate as soon as the absorber plate was exposed to solar radiation. (2) On the absorber plate, the temperature distributions in axial direction maintained nearly constant, while temperature distributions in transversal direction showed smooth decrease with $3-5^{\cird}C$ along with solar radiation. (3) Thermal inertia of the collector system had a favorable effect to damp the turbulent variation of solar radiation. (4) The collector efficiency of the present system showed nearly the same tendency but a decrease of about 10% compared with that using direct circulation of coolant. 본 연구에서는 그 동안 본 실험실에서 태양열 집열기용으로 개발한 에탄올 열파이프를 집열판에 설치하여 집열기 모델을 설계 제작하였다. 그리고 실제 태양 복사하에서 집열기의 집열과 열이송과정에 대한 특성을 검토함으로써 열파이프의 적 응성을 확인하였다. 특히 열파이프의 시동 및 작동상태, 집열판내의 열유동과정 그리고 집열기의 집열효율에 관하여 고찰하였다.

폴리머 집열기가 적용된 PVT 패널의 국내 적용을 위한 열성능 실험연구

곽재호(Jae Ho Kwak),이근휘(Keun Hui Lee) 대한설비공학회 2017 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.6

부산지역 건축물 용도별 태양열 집열기의 최적 설치각 해석

이기철(Ki Cheol Lee),전용준(Yong Joon Jun),박경순(Kyung Soon Park) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6

태양에너지를 이용한 온실의 난방효과 분석

신익수 ( Yiksoo Shin ),여욱현 ( Ukhyeon Yeo ),윤용철 ( Yongcheol Yoon ),( Hyeontea Kim ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

국내 시설원예 면적은 2010년 말 현대 약 52,000ha 정도 이고, 이중 가온면적은 약 30% 정도로서 최근 가온면적이 약간 증가하는 추세에 있다. 그리고 난방비가 차지하는 비중은 30~50%정도로서 시설원예 농가의 경영이 더욱 위축되고 있는 설정이다. 따라서, 본 실험에서는 난방에너지로 사용할 목적으로 태양열 집열기와 FCU(Fan Coil Unit)를 이용하여 태양에너지를 축열하였다. 평판형 태양열 집열기(KSC002)의 경우, 축열조 용량 및 집열판의 유효면적은 각각 1,500L, 25.01㎡이고, 진공관형 태양혈 집열기(TZ58/2000-25G)의 경우는 축열조 용량 및 집열판의 유효면적이 각각 500L, 7.8㎡이다. 진공관의 경우, 실험 초기에는 자연 순환식으로 이용하였으나 축열 효율을 높이기 위하여 순환펌프(GRUNDFOS, UPS 15-62 130)를 설치하였다. 축열조에 축열된 열은 일몰 직후부터 열 회수용 물을 일정하게 순환시켜 회수하였으며, 순환시킨유·출입수 수온이 같아지는 시점을 저장된 열이 모두 회수된 것으로 하였다. 수온은 온도센서(Thermocouple, T-type)와 Date logger(GL-800)를 이용하여 30초 간격으로 측정하였으며, 순환유량은 유량계(SD-15)를 이용하여 측정하였다. 그리고 FCU은 온실에서 주간동안 환기에 의해 배출되는 에너지, 즉 잉여태양에너지를 회수하여 축열할 목적으로 수행되었다. 실험대상 온실은 유리온실(Wide span)로서 규모는 폭 6.0m, 길이 10.0m, 측고 3.3m, 동고 4.6m이다. FCU으로 회수한 열은 길이 8.0m, 직경 0.6m인 플라스틱 필름을 이용한 약 1,400L 정도의 Water Bag과 용량이 1,000L 정도인 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 탱크를 온실 바닥에 설치하여 축열되도록 하였다. 이상과 같이 축열된 태양에너지는 야간에 FCU를 이용하여 난방에 이용할 수 있도록 하였다. FCU에 의한 축열 및 방열은 순환펌프(PH-125W, 20L/min)를 이용 하였으며, 순환유량은 유량계(SD-15)를 이용하여 측정하였다. 그리고 온실 내·외부의 건·습구온도, 유·출입수의 수온은 온도센서(Thermocouple, T-type)와 Date logger(GL-800)를 이용하여 2분 간격으로 측정하였으며, 축열 및 방열시간은 타이머를 사용하였다. 태양열 집열기를 이용한 실험은 2012년 3월 15일~7월 28일 까지 실시하였고, 평판 및 진공관에 의해 회수된 일일 평균 열량은 각각 46,198.7kcal 및 24,252.9kcal 정도이었다. 그리고 FCU의 실험은 3월24일~7월 28일까지 실시하였으며, Water bag인 경우, 실험기간동안 전체 축열 및 방열량은 각각 500,076.3kcal 및 563,070.1kcal 정도였으며, FRP에 의한 축열 및 방열량은 각각 628,901.9kcal 및 603,245.5kcal 정도로 나타났다.

유리온실의 태양열 집열방법별 집열효과

최영하,이재한,권준국,박동금,이한철 한국생물환경조절학회 2000 생물환경조절학회지 Vol.9 No.3

자연열(태양열)을 효율적으로 이용하기위해 1999년부터 2000년 까지 2년간 상면적이 100$m^2$인 3동의 유리온실에 각기 다른 집열시스템을 설치하였다. 즉, 집열면적과 경사도가 각각 24$m^2$, 50$^{\circ}$로서 현재 시판되고 있는 태양열 집열기(평판형, Solar hart Inc.)를 이용하는 방법, 직경과 송풍량이 각각 1m, 2.5m$^{-3}$.m$^{-2}$ .min로서 라디에이터가 부착된 2개의 유동팬을 천장부에 설치하고 천창을 밀폐한 후 온실상부의 열을 집열하는 방법, 온실의 중도리 전부를 물이 순환되는 각관 (75x45x3t, 1m 간격x10줄x온실길이 12m=120m)으로 설치하여 집열하는 방법 등으로 하였다. 각 동마다 지하에 26톤의 저수 능력을 갖는 D2000xW1500xL8600의 축열조를 설치한 후 중간을 막아 저온수조와 고온수조로 구분하였고, 수조 중간 1.5m 높이에 통수로를 내어 일정량의 물(약 15톤)이 지속적으로 순화될 수 있도록 하였다. 최저기온 9$^{\circ}C$로 설정하여 1,000$m^2$를 공간 난방할 경우 난방연료 절감율은 태양열 집열기, 유동팬 및 각관에서 각각 7%, 19%, 28%로 나타났다. 태양열 집열기를 이용하는 대부분의 농가에서는 40~50$m^2$ 정도의 집열면적을 갖는 집열기를 이용하고 있는데 이 경우 년간 난방연료 절감율은 14% 정도로서 경제성이 없으며, 유동팬도 집열효율에 비해 제작, 설치 및 유지비가 과다하게 소요되므로 경제성이 없다. 각관의 경우 관 자체의 자재비나 설치비에 추가부담이 적으면서 집열효율이 비교적 높기 때문에 관의 부식, 골조 표면적 증가에 의한 시설내 차광 증가, 중도리의 각형 구조로 인한 강도저하 등의 문제가 해결되면 집열 방법으로 고려될 수 있을 것이다. Three methods for heat collection, which were the flat solar collector, two fan with radiator, and square pipe method, were studied to sue efficiently solar energy in the three different glasshouses for two years. The flat plate solar collector method was made use of the commercial solar collector with collection area of 24$m^2$, the method of two fans with radiators collected solar energy at the top of the glasshouse. An thermal storage tank was constructed underneath in teach glasshouses. When an area of 1,000$m^2$ was heated to the minimum temperature of 9$^{\circ}C$, the decrease rate of heating fuel for the flat plate solar collector, the fan attached radiator and the square pipe methods were 7%, 19% and 28% respectively. The flat plate solar collector method, which could be heated approximately 40-50$m^2$, was currently used by most of the farmer. Under the condition, the decrease rate of annual heating fuel was 14% which was not better for an economic annual heating fuel. If the fan with radiator method was operated, the use of installation and maintenance were required. So, it could not be good economic efficiency of solar heating. The heating efficiency of the square pipe method was relatively better thant those of the flat plate solar collector or the fan attached radiator. Since the cost of materials and its installation of the use of square pipe method was lower than any other method. However, corrosion of the pipe, greater shade in the greenhouse and strength against the square pipe were problems that should be overcome in the square pipe method.

태양열 집열기 히트파이프 효율 향상을 위한 에탄올-산화탄소나노유체의 특성 비교 연구

안응진(An, Eoungjin),박성식(Park, Sungseek),김남진(Kim, Nmajin) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

최근 급격한 경제성장과 고도 산업사회로의 전환에 따라 에너지 수요가 크게 증가하고 있다. 이에 따라 석유, 가스 등 화석에너지의 소비량과 온실가스 배출량이 급격히 늘어나고 있는 실정이다. 따라서 화석에너지의 소비와 온실가스 배출을 저감시키기 위해 친환경적인 에너지를 이용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 이와 같은 노력 중 하나가 바로 태양열에너지를 이용하는 방법이다. 태양열에너지는 자원 고갈의 우려가 없고, 에너지의 이용 과정에서 공해 물질을 배출하지 않아 대체 에너지원으로 각광을 받고 있다. 하지만 에너지 밀도가 낮고 에너지의 공급이 기상조건에 따라 큰 영향을 받으므로 태양열에너지를 이용하기 위해서는 효율적인 집열시스템이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 우수한 열적특성을 가진 탄소나노유체를 히트파이프 작동유체에 적용하여, 태양열 집열기의 효율을 향상시키기 위해 탄소나노유체의 열전도도 및 점도특성을 비교분석하였다. 나노유체는 에탄올에 산화 다중벽 탄소나노튜브(Oxidized Multi-walled Carbon Nanotubes, OMWCNTs)를 혼합하고, 초음파 분산하여 제조하였다. 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도와 점도는 저온(10?C), 상온(25?C), 고온(70?C)에서 측정하여 비교분석하였으며, 열전도도는 전기 전도성 유체의 비정상 열선법(Transient Hot-wire Method)을 이용하여 측정하였고, 점도는 회전형 디지털 점도계를 이용하였다. 실험 결과 0.1 vol%의 에탄올-산화탄소나노유체의 열전도도는 기본 유체 대비 33.72%(10?C), 33.14%(25?C), 32.26%(70?C)가 향상되었으며, 점도 또한 기본유체보다 크게 증가하지 않아 히트파이프 작동유체로서 우수한 효과를 나타낼 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 태양열 집열기 히트파이프의 효율 향상을 위한 기초자료로써 유용한 정보를 제공할 것이라 판단된다.

태양열 실증시스템의 진공관형 태양열 집열기 장기 열성능

이호(Lee Ho),주홍진(Joo Hong-Jin),윤응상(Yoon Eung-Sang),김상진(Kim Sang-Jin),곽희열(Kwak Hee-Youl) 한국태양에너지학회 2008 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.- No.-

This paper presents demonstration study results derived through field testing of a part load solar energized cooling system for the library of a cultural center building located in Gwangju, Korea. First operating demonstration system was set up in Gwangju in 2005. These system comprises the 200㎡ evacuated tubular solar collector, a 6㎡ heat storage tank. In a 2003, daily average of insolation showed about 506\/㎡ the solar collector efficiency was 44%. In a 2007, daily average of insolation showed about 507W/㎡ the solar collector efficiency was 42%. As a result, evacuated tubular solar collector kept the high efficiency for two years.

무창형 공기식집열기 열성능 시험 평가 연구

김유진(Yu Jin Kim),이광섭(Kwang Seob Lee),강은철(Eun Chul Kang),이의준(Euy Joon Lee) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6