태양 추적형 Evacuated CPC 태양열 집열기의 열성능에 대한...

工學碩士學位請求論文

태양 추적형 Evacuated CPC 태양열 집열기의

열성능에 대한 연구

Thermal Performance of

a Sun Tracking Evacuated CPC Collector

2006年 2月

仁荷大學校大學院

機械工學科(熱 및 流體工學專攻)

尹聖恩

工學碩士學位請求論文

태양 추적형 Evacuated CPC 태양열 집열기의

열성능에 대한 연구

Thermal Performance of

a Sun Tracking Evacuated CPC Collector

2006年 2月

指導敎授徐泰範

이 論文을 碩士學位論文으로 提出함.

仁荷大學校大學院

機械工學科(熱 및 流體工學專攻)

尹聖恩

이 論文을 尹聖恩 의 碩士學位論文으로 認定함.

2006年 2月

主審:

副審:

委員:

태양 추적형 Evacuated CPC 태양열 집열기의 열성능에 대한 연구

═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- i -

요 약 문

본 연구에서는 이중 진공관을 사용한 CPC형 태양열 집열기의 성능에

대해 연구하였다. 열성능을 높이기 위해 동서로 태양을 추적할 수 있도록

시스템을 설계․제작하였으며, 이를 고정형 집열기와 비교하였다.

연구에 사용된 집열기는 이중 진공 유리관, 반사경, 흡열관으로 구성이

되어있고 작동 유체는 물이다. 이 물을 흡열관을 통해 직선으로 흐르도록

하였으며 흡열관과 유리관의 사이는 공기로 차 있다고 가정하였다. 유리

관의 외경은 70㎜, 내경은 54.4㎜이고, 길이는 1,700㎜이다. 반사경으로는

유리관과 동일한 길이의 두께 1㎜인 반원 형상의 알루미늄 반사경을 사용

하였다. 흡열관으로는 외경 25.4㎜, 내경 23.4㎜인 유리관과 동일한 길이의

구리관을 사용하였다. 동일한 형상과 크기를 갖는 집열기에 대해 수치 해

석적으로 성능을 조사하였다. 입사각을 0°, 15°, 30°. 45°, 60°로 변화를 주

면서 이에 따른 고정형과 추적형 집열기의 흡열관에 모이는 열량 및 열유

속을 FVM 사용코드인 EFD LAB과 Trace-Pro를 이용하여 비교․분석하

였다.

집열기 효율에서 고정형보다 태양 추적형이 평균 14.2%만큼 더 높게

나왔는데 이는 태양광 입사각이 커짐에 따라 일사량이 줄어드는데 고정형

은 태양 추적형과는 달리 집열 및 반사 면적이 줄어들기 때문에 태양 추

적형은 효율이 거의 일정한 반면, 고정형은 입사각이 높을수록 효율이 급

감함을 나타냈다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- ii -

A bstract

A numerical study is performed to investigate the effect of sun

tracking on the thermal performance of the evacuated compound

parabolic concentrator (CPC) collectors. In order to get higher

performance, the solar collector is made to compare thermal

efficiencies of tracking system with stationary system's.

The evacuated CPC collectors consist of a two-layered glass tube,

a copper tube and a reflector and water is used as a working fluid.

Assumed that the working fluid circulates through the absorber

tubes straightly and atmospheric circulation occurred. The outer and

inner diameters and the length of the glass tube are 70mm, 54.4mm,

and 1,700mm, respectively. The aluminum reflector, which has

thickness of 1mm and length of 1,700mm, is used as the CPC

reflector. The copper tube, which has the outer and inner diameters

of 25.4mm, 23.4mm, is used as the absorber tube. In order to

compare with the performance, the numerical analysis is

investigated for the models having the same dimension and shape.

Ray tracing analysis is carried out in order to compare absorbed

heat fluxes on the absorber surface of the stationary and tracking

collectors with the incidence angle. The collected energy is

calculated and compared with that on a fixed surface tilted at 35°

on the ground and facing south.

The results indicate that the collected solar energy of the sun

tracking system is significantly larger than that of a stationary

collector. The sun tracking evacuated CPC collectors show a better

performance with an increase in the thermal efficiency of up to 14%

compared with an identical stationary collector.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- iii -

Nomenclature

u : x-directional velocity [m/s]

v : y-directional velocity [m/s]

w : z-directional velocity [m/s]

h : convective heat transfer coefficient [W/m2․K]

q : heat transfer rate [W/m2]

ε : emissivity

σ : Stefan-Boltzmann constant [5.67×10-8W/m2․K4]

A : tube inlet area [m2]

V : volume flow rate [lpm]

T : temperature [K]

P : pressure [kPa]

ṁ : mass flow rate [㎏/s]

cp : specific heat at the constant pressure [J/㎏․K]


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- iv -

Subscripts

wi : water inlet

ci : collector inlet

g : glass

ai : air inlet

in : inlet

out : outlet

a : air

loss : loss

amb : ambient

co : evaluated at the collector outer

go : evaluated at the glass outer surface


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- v -

LIST OF TABLE

Table 1 Solar collecting technology classification ······································ 12

Table 2 Properties of material ········································································· 20

Table 3 Boundary conditions ··········································································· 21

Table 4 Absorbed heat flux on the surfaces of stationary and

tracking collectors ················································································ 28

Table 5 Efficiency of stationary and tracking collectors ························· 29

LIST OF FIGURES

Fig. 1 Experimental Apparatus ······································································ 9

Fig. 2 Schmetic of the CPC collector ························································ 11

Fig. 3 Ray trace diagram for 0～60° ························································· 13

Fig. 4 Solar irradiation with time ······························································· 24

Fig. 5 Absorbed heat flux variations of stationary and tracking

collectors ······························································································· 25

Fig. 6 Heat transfer rate variations of stationary and tracking

collectors ······························································································· 26

Fig. 7 Thermal efficiencies of stationary and tracking solar

thermal collectors ··············································································· 27


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- vi -

목 차

요 약 문 ·················································································································· ⅰ

Abstract ·················································································································· ⅱ

Nomenclatures ······································································································· ⅲ

Subscripts ·············································································································· ⅳ

LIST OF TABLES ····························································································· ⅴ

LIST OF FIGURES ···························································································· ⅴ

목차 ·························································································································· ⅵ

1. 서 론 ····················································································································· 1

1-1. 연구 배경 ·································································································· 1

1-2. 연구 동향 및 목적 ·················································································· 3

2. 실험 및 수치해석 ······························································································· 5

2-1. 실험 장치 ·································································································· 5

2-1-1. 시스템 구성 ······················································································ 5

2-1-2. 집열기 구성 ······················································································ 6

2-1-3. 반사경 형상 ······················································································ 7

2-1-4. 추적 메카니즘 ·················································································· 8

2-2. 실험 방법 ································································································ 16

2-3. 실험 관련 이론 ························································································ 17

2-4. 수치해석 방법 ·························································································· 17

3. 결과 및 고찰 ····································································································· 22

4. 결론 ····················································································································· 30


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- vii -

5. 참고 문헌 ··········································································································· 31


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════

Inha U niversity N ew Energy Technology Lab.- 1 -

1 . 서 론

1-1. 연구 배경

CPC 집열기는 저온(100℃이하)을 이용하는 평판형 집열기와 비교하였

을 때 집광비를 높임으로써 중․고온(80～150℃)의 온도를 얻을 수 있는

장점이 있다. 이미 시중에 상용화되어 있는 제품에서 대류 열손실을 줄이

기 위해서 CPC 집열기의 개구부에 반투과성 마개를 사용하고 있지만 집

열기 내부의 온도가 높아 열손실을 줄이는 데는 한계가 있기 때문에, 집

열기에서 발생하는 전도 및 대류 열손실을 줄이기 위해서 이중 진공관을

사용하였다. 그리고 태양추적을 통해서 효율을 높을 수 있는데 2축 제어

는 높은 효율을 얻을 수 있는 반면 설치비가 비싸고 유지 및 보수가 어렵

다는 단점이 있으며, 단축제어는 경제적인 면에서는 우수하지만 2축에 비

해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

태양 추적에 있어서 집열기의 회전축이 동서방향일 때는 집열기의 기울

기에 대해 에너지 집열 능력에 대한 오차가 적고 흡열관의 작동이 우수하

다는 장점이 있는 반면 집열 능력이 다소 떨어진다. 회전축이 남북방향일

때는 동서 방향에 비해 에너지 집열 측면에서 더 유리하지만 태양의 방위

각에 민감하다. 이미 여러 선행 연구에서 집열기를 고정시킨 것과 비교하

여 태양 추적을 했을 때 집열기의 회전축이 동서방향으로 설치된 집열기

는 19.7%, 남북방향은 24.5%, 수직방향은 23.3%의 집열 에너지가 증가함

을 밝혀내었다.[2]

지금까지 해외나 국내 연구는 주로 집열 시스템의 태양 추적을 통해 집

열 성능을 높이는데 중점을 두거나, 보다 높은 집광비를 얻기 위해 반사

경 형상에 대한 연구들만이 수행되어져 왔다. 태양열 집열기의 경우 날씨

에 따른 제약을 많이 받게 되는데 현재 사용 중인 CPC 집열기의 경우

CPC의 특성상 흐린 날에도 집열 효율이 좋기 때문에 일반적으로 고정 설

치하여 사용한다. 그리고 유지․보수 측면 및 경제적 측면 때문에 이중

진공 유리관 대신 반투과성 유리를 주로 사용하고 있는 실정이다. 따라서,


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


선행 연구되어진 태양열 시스템의 장점들을 모아 이중 진공 유리관을 사

용하여 전도 및 대류 열손실을 최소화하고, CPC를 사용하여 집광비를 높

이고, 방위각을 변화시키는 단축 태양 추적 메카니즘을 이용한 통합적인

경우에 대한 연구가 부족하다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


1-2. 연구 동향 및 목적

일반적으로 태양에너지 이용 분야는 집열 온도에 따라 저온, 중온, 고온

활용 분야로 세분된다. 현재 우리나라의 개발 상황을 보면, 저온 이용분야

의 평판형 집열기는 가정용 온수 급탕이나 난방 등에 실용화되어 있다.

그러나 중․고온 이용분야에서는 거의 실용화가 되어 있지 않고, 기술 수

준도 선진국에 비해 많이 뒤쳐져 있는 상태이다. 중․고온 이용분야인 집

광형 집열기는 집광 형태의 기하학적 구조에 따라 진공관형,

PTC(parabolic trough concentrator)형이나 CPC(compound parabolic

concentrator), Parabolic Dish형 등이 있다. 이와 같은 집광형 집열기는

얻을 수 있는 에너지의 밀도가 평판형 집열기에 비해 매우 크기 때문에

산업 현장에서 공정열이나 전력 발생용 등으로 선진국을 중심으로 널리

쓰이고 있다. 국제적으로 유가의 상승이 지속되고 있고, 또한 우리나라뿐

만 아니라 국제적으로 여러 가지 환경문제가 심각하게 고려되고 있는 상

황에서 위와 같은 태양열 이용 시스템의 기술 개발은 국가적 과제라 할

수 있다. 위에서 언급한 진공관형, PTC(prabolic trough concentrator)형,

CPC(compound parabolic concentrator), parabolic dish형 및 그 외의 집

광형 집열기에서는 반사 및 굴절이 매우 중요한 설계 요소 중의 하나이

다. 반사 및 굴절의 여러 가지 기하학적 형태에 따라 많은 종류의 집열기

가 제안되었다. 그러나 반사 및 굴절로서 시스템을 정의하기에는 매우 어

려우며, 따라서, 기하학적 집광비(CR)가 정의되었다. 집광비를 증가시킴으

로 더 높은 온도를 얻을 수 있기 때문에 집광형 집열기는 복사, 전도, 대

류 열손실을 최대한 줄이고 광집속에 의한 태양에너지의 강도를 높이도록

해야 한다. 결과적으로 유용한 에너지량을 증대시키기 위해 열손실량을

감소시켜야 하는데, 그 방법으로 집열기의 단열강화, 선집광형집열기의 전

도, 대류손실을 막기 위한 진공 보호관 사용, 선택 흡수면을 이용한 복사

손실의 감소, 재복사에너지 흡수를 위한 투과체의 사용 등이 있다. 이러한

집광형 집열기 중 CPC(Compound parabolic Concentrator) 집열기의 집광

비는 1～10 정도의 범위이며, 태양을 정확히 추적하게 되면 더 높은 온도


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


를 얻을 수 있다. 그리고 얻을 수 있는 온도 수준은 시스템 가격에 많은

영향을 미친다. CPC는 산업용 에너지원과 가정용 냉․난방 시스템에서

이용할 수 있는 70～150℃ 정도의 온도 범위에 있는 작동 유체를 생산하

기 위한 고정 집광형 집열기로 그 응용 및 활용범위가 매우 넓다. CPC

태양열 집열기의 에너지 흡수부는 포물면 반사경에서 집속된 태양광을 흡

수하는 블랙크롬으로 외부를 도금한 구리관과 열을 흡수한 구리관의 열손

실을 방지하기 위해 유리관이나 평판형 유리를 사용한 형태이고, 외부에

서 작동유체가 흡수관 속을 유동하여 흡수관에 흡수된 태양 에너지를 회

수하는 태양열 집광 장치이다.

최근 CPC 집열기에 대한 연구는 주로 반사경의 형상 변화에 따른 집광

비 증가 방안, 흡수기 설계, 진공관형 집열기와의 접목을 통한 성능 향상

모색 등에 집중되어 있다. 그러나 우리나라의 CPC 집열 장치에 대한 연

구는 한국에너지기술연구소에서 국산화 연구가 일부 진행되어 왔으며, 적

용분석을 위한 시뮬레이션정도가 이루어진 상태이고 실제 제품이 나와 있

기는 하나 널리 이용되지 않고 있으며, 이 분야에 대한 연구 수준은 기초

단계에 머물러 있는 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 진공관형 CPC 집열

기를 이용하여 태양 추적을 하였을 경우에 고정형 CPC 집열기에 비해 얼

마나 성능이 향상되는지 알아보고자 한다. 이를 위해 태양을 추적할 수

있는 실험 장치를 설계 제작하고자 하며, 이곳에 진공관형 CPC 집열기를

설치하여 성능을 실험적으로 조사하고자 한다. 한편, 수치해석적인 방법으

로 태양 추적형 CPC 집열기의 성능을 예측할 수 있는 모델을 완성하고자

한다. 이 모델을 이용한 해석 결과를 실험결과와 비교하여 모델에 대한

정확성을 검증할 예정이다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2. 실 험 및 수 치 해 석

2-1. 실험 장치

2-1-1. 시스템 구성

주요 실험 장치는 집열기, 모터, 인버터, 저온 순환 수조, 유량계, 일사

량계로 구성되어 있다. Fig. 1은 전체 시스템의 구성을 나타낸다. 작동유

체인 물은 저온 순환 수조에서 일정한 온도와 순환 가능한 압력을 얻고

유량계 밸브조작으로 일정한 유량을 얻게 된다. 일정한 유량으로 구리관

배관을 통해 구리관으로 제작된 흡열관 내부로 유입되며 흡열관 표면에서

태양의 복사에너지를 흡수하여 위쪽 흡열관 출구에서 토출된다. 태양을

추적하면서 열을 흡수한 물은 다시 저온 순환 수조로 유입되어 일정한 온

도로 유지된다. 데이터는 실험 과정 동안 일사량계, 유량계, 데이터 로거

를 통해서 수집된다. 저온 순환 수조는 내부 냉각 사이클과 히트파이프로

작동유체인 물의 온도를 일정하게 유지시키고, 출구 펌프에 의해 순환에

필요한 압력을 만들어 내는 역할을 한다. 저온 순환 수조는 제이오텍의

RW-3025G를 사용하였다. 집열기에서 유입되는 물을 냉각시키기 위해 냉

각능력은 800 W이며, ±0.05℃의 정확도를 가지고 있다. 유량계는 시스템

에 유입되는 물의 유량을 변화시키고 디스플레이를 통해 일정한 유량을

확인하는데 사용된다. 유량계로는 수평형 터빈 후로셀 유량계를 사용하였

다. 집열기는 3개의 이중 진공 유리관에 유리관의 내부 직경과 동일한 크

기의 반원 형상의 CPC를 설치하고 초점 부근에 흡열관을 설치하였다. 이

중 진공 유리관의 길이에 맞추어 CPC 길이는 1700 mm이고, 내부 직경

54.4 mm에 맞추어 0.5 mm 두께의 반사경을 제작하였다. 일사량은

EPPLEY RADIOMETER model PSP 213731-3로 ±10.10×10-6

V/Wm-2

범위에서의 직달일사량을 측정하였다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2-1-2. 집열기 구성

Fig. 2는 시험부로 사용되는 집열기 일부를 나타낸 것이다. 집열기는 이

중 진공 유리관과 흡열관, 반사경으로 구성되어 있다. 이중 진공 유리관의

외경은 70 mm, 내경은 54.4 mm이며, 바깥쪽 유리관의 두께는 1.8 mm,

안쪽 유리관의 두께는 1.6 mm, 길이는 1700 mm이다. 유리를 통한 전도

에 의한 열손실을 방지하기 위해 유리관 사이의 압력은 5 × 10-2

Pa이하

로 되어 있다.

흡열관은 직경 25.4 mm, 두께가 1.8 mm인 구리관을 사용하였고, 길이

2000 mm인 직관과 L자, 십자 엘보, 니들 밸브를 사용하여 3개의 흡열관

에 동일한 유량의 물이 흐르도록 흡열관을 구성하였다. 이중 진공 유리관

과 흡열관을 지지하는 양쪽 끝 섹션 바로 끝 부분에 90°간격으로 T형 열

전대를 에폭시 수지로 부착하였다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2-1-3. 반사경 형상

Table. 1은 반사경의 형상을 추적 여부에 따라 집광비 순으로 태양열 집

열 기술을 분류해 놓은 것이다. CPC를 이용하여 평판형에 비해 상대적으

로 높은 5～10 사이의 집광비를 얻고자 하였다. 반사경의 기하학적 집광비

는 식(1)과 같이 계산하였다.

Cgeo = AapertureAabsorber

(1)

반사경은 직경 54.4 mm, 두께 0.5 mm, 길이 1700 mm의 반원 형상으로

되어 있으며, 반사율 95%의 표면 코팅 처리되어 있다. 집열기의 집광비는

약 2.14인데 이중 진공 유리관에 비해 상대적으로 큰 1인치 동관을 사용하

였기 때문이다. 이중 진공 유리관내에서 흡열관의 위치는 Trace-pro라는

ray-tracing 프로그램을 사용하여 광학적으로 반사경에서 반사되어 태양광

이 가장 많이 집결되는 높이에 설치하였다. 흡열관의 중심은 이중 진공 유

리관의 중심에서 12.7 mm 아래 위치하고 있다.

Fig. 3 (a)～(e)는 고정형과 추적형에 대해 집열기로 입사되는 태양광선

의 수를 시각적으로 비교해 보기 위해 Trace-pro를 이용하여 태양광의 입

사각에 따른 집열기에서의 선 추적을 0～60°에 대하여 조사한 그림이다.

태양이 시간당 15° 이동한다고 가정하고 시간별 집열량을 비교하기 위해

15° 간격으로 조사하였다. 광선이 집열기 수평단면에 대해 수직으로 입사

되는 12시를 중심으로 레이의 입사각이 증가함에 따라 흡열관으로 흡수되

는 태양 광선의 수가 확연히 감소함을 볼 수 있다. 이는 집광비를 최대한

높이기 위해 반원 형상의 반사경의 직경을 이중 진공 유리관의 내부 직경

과 같도록 설계하였기 때문이며, 이로 인해 상대적으로 입사 각도가 큰 8

시와 16시에는 반사경의 그림자 효과에 의해 흡열관으로 흡수되는 태양

광선의 수가 반으로 줄어듦을 확인할 수 있다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2-1-4. 추적 메카니즘

집열기의 추적 메카니즘은 모터, 감속기, 인버터로 구성되어 있다. 회전

장치는 1750 rpm의 동기 회전수를 갖는 모터이고, 감속장치는 1/60의 감

속비를 갖는 감속기와 최대 출력 주파수 400 Hz, 주파수 오차 ±5%의 현

대 N100 puls 인버터를 사용하였다.

모터의 동기 회전수는 모터의 극수와 전원 주파수에 의하여 결정되기

때문에 식(2)와 같이 계산할 수 있으나, 모터의 실제 회전수는 미끄럼율

항목을 곱한 식(3)과 같이 계산 되어져야 한다. 이때 미끄럼율 계산식은

식(4)와 같다.

Ns = 120 fP

[rpm] (2)

Nt = 120 fP

(1-S) [rpm] (3)

S = Ns− NtNs

(4)

따라서, 실험장치에 사용된 모터의 극수는 4, 미끄럼율은 1.34×10-1이며,

1/60 감속기 2개의 감속비 1/3600을 적용시켜 인버터의 주파수를 조절하

여 집열 장치가 시간당 15° 회전할 수 있도록 하였다. 집열기가 태양의

궤적을 따라 같이 회전할 수 있도록 인버터의 주파수를 1.87×10-2 Hz로

조절하여 실험하였다.

여기서, Ns는 동기 회전수이고, f는 주파수, P는 극수, Nt는 임의 부하시

모터의 회전수, S는 미끄럼율이다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


(a)


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


(b)

Fig. 1 Experimental Apparatus


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


South

North

Evacuated glass tube

Absorber tube

Reflector 12.7mm

South

North

South

North

Evacuated glass tubeEvacuated glass tube

Absorber tubeAbsorber tube

ReflectorReflector 12.7mm12.7mm

Fig. 2 Schmetic of the CPC collector


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Table 1. Solar collecting technology classification


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


θ = 0°

(a) θ = 0°

θ = 15°

(b) θ = 15°


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


θ = 30°

(c) θ = 30°

θ = 45°

(d) θ = 45°


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


θ = 60°

(e) θ = 60°

Fig. 3 Ray trace diagram for 0 ～ 60°


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2-2. 실험 방법

온도 측정 위치는 집열기의 이중 진공 유리관과 동관의 양쪽 끝을 지지

하고 있는 MC (Mono Cast Nylon)에서 흡열관이 나오는 부분을 90° 간

격으로 3개의 흡열관에 대해 입․출구 부분으로 하였다. 흡열관당 평균

온도를 측정하기 위해 흡열관에 드릴링하여 T형 열전대를 깊이 6.35 mm,

90° 간격으로 4개씩 주입하여 에폭시 수지로 고정시킨 후 온도를 측정하

였다.

실험에 적용한 유량이 전체 60 lph로 낮기 때문에 실험 시작에 앞서 30

분 정도 저온 순환 수조를 가동시켜 집열기 내 흡열관에 작동 유체인 물

이 가득 찰 수 있도록 하였다. 집열기의 각 흡열관당 물이 20 lph로 균일

하게 흐르도록 니들 밸브로 조절하였고, 전체 입구 유량 조절은 터빈 유

량계를 사용하여 조절하였다. 집열기 입․출구 온도 데이터는 10분마다

측정하여 실험치로 사용하였다.

2-3. 실험 관련 이론

집열기의 효율은 식(5)와 같이 계산하였다. 일사량계를 이용하여 측정된

일사량에 대한 흡열관 내부로 흐르는 작동유체가 흡수한 열량의 비를 효

율로 정의하였다.

η=m ̇Cp(Tmo-Tmi)

GA (5)

여기서 Tmo는 집열기 전체 출구 평균온도를, Tmi는 집열기 전체 입구

평균 온도 이다. G는 irradiation양으로 radiometer PSP 213731-3을 이용

하여 측정하였고, A는 흡열관 외부 표면적(Aperture area)이다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


2-4. 수치해석 방법

수치해석에서는 계산의 정확성을 유지하면서 계산을 보다 간단히 할 수

있도록 몇 가지 가정을 하였다. 우선, 수치해석에서 고려된 모든 모델에서

일어나는 열전달 과정은 정상상태라고 가정하였다. 또 내부를 통과하는

작동유체가 물이기 때문에 비압축성 유동으로 가정하였으며, 흡열관당 작

동유체의 유량이 20 lph로 작기 때문에 층류 유동만 일어난다고 가정하였

다. 이중 진공 유리관 외부에서의 대류 열전달 계수는 2W/m2․

K로 가정

하였고, 대류 열손실을 계산하기 위한 외부 공기의 온도를 20℃로 가정하

였다. 이중 진공 유리관과 흡열관, 반사경에서 일어나는 복사 열손실도 고

려하였다.

복사 열손실의 계산에서 외부온도는 20℃로 가정하였다. 태양으로부터

오는 복사에너지는 원관형태의 구리관 표면에 도달하고 직접 흡수되지 않

은 복사에너지는 반사경을 통해 반사되어 다시 구리관으로 집광된다. 따

라서 구리관 표면에서의 복사열유속 분포는 실제로는 균일하지 않지만,

계산에서는 균일하다고 가정하였다. 이는 구리관의 전도도가 매우 높기

때문에 합리적인 가정이라고 할 수 있다.

수치해석에서는 8시부터 16시까지 매 시간당 집열기로 입사되는 복사

에너지양을 다르게 적용시키면서 집열기가 고정형일 경우와 태양 추적형

일 경우에 대해서 효율 변화를 FVM 상용 코드인 EFD Lab을 사용하여

수치해석적으로 연구하였다. 또, 복사 에너지의 흡수 능력을 높이기 위해

흡열관 표면에 선택적 흡수 코팅을 하여 흡열관의 흡수율은 0.975, 방사율

은 0.07로 가정하였으며, 이중 진공 유리관의 투과율은 0.91, 흡수율은

0.018로 가정하였으며 그 이외의 물질에 대한 물성치는 Table 2에 나타내

었다.

계산에 사용된 지배 방정식은 다음과 같다.

연속방정식:

∂Ui∂xi

= 0 (6)


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


운동방정식:

Ui∂U i∂xj

=−1ρr

∂p∂xi

+ ∂∂xj

(ν∂Ui∂xj

− uiu j )

+ giρ − ρrρr

(7)

에너지방정식:

Ui∂Ti∂xi

=−∂∂xi

(λ∂T∂xi

− uiϕ ) (8)

난류에너지 방정식:

Ui∂k∂xi

=∂∂xi

(νtσk

∂k∂xi

) + P + G− (9)

소산율방정식:

Ui∂∂xi

=∂∂xi

(νtσk

∂∂xi

)

+C1 k(P +G )(1− C3

GP+ G

)− C22

k (10)

P = ν t(∂Ui∂xj

+∂Uj∂xi

)∂Ui∂xj

(11)

G = giνtσ t

∂T∂xi

(12)

− uiu j = ν t(∂Ui

∂xj

+∂narUj∂xi

) −23k ij (13)

− uiψ =ν tσ t

∂T∂xi

(14)


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


νt= Cµk 2

(15)

지배 방정식들에서 사용된 계수는 Table 2와 같으며, 계산에 사용된 경

계조건들은 Table 3과 같다.

일사량에는 직달일사량과 산란일사량이 있는데 일사량은 지역에 따라

다르기 때문에 수치해석에 사용한 일사량은 고지대와 저지대에서 측정된

직달사량과 산란일사량의 합에 대한 평균값을 사용하였다.[7] 식(16)은 수

평면 전일사량을 나타낸 식이다.

I=I b+I d (16)

여기서 Ib는 직달 일사량, Id는 산란 일사량을 나타낸다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Table 2. Properties of material

property

material

density: ρ

(㎏/m3)

specific heat: Cp

(J/㎏․K)

conductivity: k

(W/m․K)

viscosity: μ

(kg/m․s)

glass 2700 840 0.78 ․

copper 8939.6 380.72 387.73 ․

aluminum 2703 895.9 273 ․

water 998.0 4181 0.606 0.000959


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Table 3. Boundary Conditions

Position Boundary Condition

water inletTwi=20.05℃

Velocity: u=0, v=0, w=V/60Aci

water outlet Pg=0

air inletTai=20℃

Vin=0

air outlet Vout=0

glass wall

Velocity: u=0, v=0, w=0

Convective heat transfer coefficient

ha=2 W/m2․

K

Ta=20℃

r=dco/2 qloss=εcσ(Tc4

-Tg4

)

r=dgo/2 qloss=εgσ(Tg4

-Tamb4

)


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


제 3 절 결 과 및 고 찰

태양열 집열기의 태양 추적 유․무에 따라 집열 효율의 차이를 알아보

기 위해 집열기를 고정시켰을 경우와 추적 메카니즘을 이용하여 태양 추

적시켰을 경우에 대해 각각 수치해석 및 실험을 통해 효율의 변화 추이를

비교하였다.

우선 이중 진공 유리관 안으로 들어온 태양 에너지가 반사되어 집광되

는 위치를 알아보았다. Fig. 3과 같이 이중 진공 유리관 내부에 흡열관을

위치시켜 반원 형상의 반사경을 사용한 경우에 대해 최대의 효율을 얻을

수 있도록 하였다. 이를 토대로 태양열 집열기를 고정시킨 경우에는 8시

부터 16시에 해당하는 태양 입사각과 열유속을 적용시켰고, 추적시킨 경

우에는 입사각은 0°로 고정시킨 상태에서 고정시킨 경우와 같은 열유속을

적용시켜 두가지 형상에 대한 열성능을 계산하였다.

똑같은 조건에서 비교하기 위해 이중 진공 유리관 외부의 온도는 20℃,

대류 열전달 계수는 2W/m2

․K, 유량은 60 lpm으로 고정하였다. 그리고

12시의 경우 즉, 각도가 0°의 경우에 대해 태양 복사 에너지가 집열기의

집열 단면에 대해 수직으로 전달되고, 12시를 기준으로 좌우 대칭된다고

가정하여 입사각 0°에 대한 8시와 16시, 15°에 대한 9시와 15시, 30°에 대

한 10시와 14시, 45°에 대한 11시와 13시의 전달되는 복사 에너지가 같다

고 가정하여 계산하였다.

Fig. 6은 8시부터 16시까지 시간에 따른 태양 복사 에너지를 전일사량

으로 나타낸 그림이다. 고지대 일사량 특성분석에 관한 연구 데이터를 토

대로 고지대와 저지대에서 측정된 직달사량과 산란일사량의 합에 대한 평

균값을 사용하였다.

Fig. 7은 시간에 따른 고정형 집열기와 태양 추적형 집열기의 흡열관에

흡수되는 복사 에너지의 양을 비교한 것이다. 입사각이 0°인 경우 고정형

과 추적형 모두 흡수된 열유속이 같게 나타나지만, 입사각이 증가할수록

추적형에 비해 고정형의 열유속이 급격하게 감소함을 알 수 있다. 태양의


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


입사 각도가 클수록 집열기에 전달되는 복사 에너지도 감소할 뿐 아니라

고정형 집열기의 경우 입사 각도가 커짐에 따라 이중 진공 유리관 내부에

설치된 반사경의 그림자 효과로 인해 급격하게 감소하게 된다.

Fig. 8은 시간에 따른 고정형 집열기와 태양 추적형 집열기의 흡열관에

흡수되는 열전달율을 비교한 그래프이다. 태양 추적 유․무의 차이가 있

을 뿐 같은 모델에 대해 비교하였기 때문에 집열 단면이 동일하여 Fig. 7

과 유사한 형태를 나타내고 있다.

Fig. 9는 고정형과 추적형 집열기의 시간에 따른 효율을 비교한 것이다.

고정형 집열기는 12시를 기준으로 입사각이 커질수록 급격한 효율의 감소

를 나타내고 있는 반면, 추적형 집열기는 12시를 기준으로 입사각 증가에

따라 다소 증가하고 최대 1.6% 가량 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 고

정형 집열기와 추적형 집열기 모델에 대해 상이한 결과가 나온 이유는 다

음과 같다. 입사각이 커지는 오전과 오후 시간대에는 복사 에너지량이 입

사각 증가에 따라 급속하게 감소할 뿐 아니라 고정형 집열기 내에 설치된

반사경의 그림자 효과로 인해 효율이 급격히 감소함을 보이고 있다. 반면

추적형 집열기의 경우에는 이와 반대로 집열기 입․출구 온도차 감소량에

비해 입사각의 증가에 따른 복사 에너지량의 감소량이 더 크기 때문에 입

사각이 0° 경우에 비해 다소 증가함을 나타낸다.

Table 4와 5는 고정형과 추적형 집열기에 대해 입사각에 따라 흡열관

표면으로 흡수되는 열유속과 효율을 수치적으로 나타낸 표이다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Fig. 4 Solar irradiation with time


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Fig. 5 Absorbed heat flux variations of stationary and tracking

collectors


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Fig. 6 Heat transfer rate variations of stationary and tracking

collectors


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Fig. 7 Thermal efficiencies of stationary and tracking solar thermal

collectors


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Table 4. Absorbed heat flux on the surfaces of stationary and tracking

collectors

Incidence angle

Absorbed heat flux (W/m2)

Stationary Tracking

0° 591.16 591.16

15° 537.09 573.13

30° 511.40 538.70

45° 356.33 437.50

60° 214.44 326.56


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


Table 5. Efficiency of stationary and tracking collectors

Incidence angle

Efficiency(%)

Stationary Tracking

0° 64.0 64.0

15° 64.2 64.2

30° 61.1 64.3

45° 53.2 64.8

60° 44.2 65.6


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


제 4 절 결 론

이중 진공 유리관을 이용한 태양 추적형 CPC 태양열 집열기의 성능을

알아보기 위해 태양 추적을 한 경우와 고정시킨 경우의 성능비교를 수치

해석 및 실험을 통해 수행하였다.

1. 흡열관에 흡수되는 열량과 열 유속은 입사각이 커질수록 고정형과 태

양 추적형의 차이가 커짐을 알 수 있다. 이는 태양광의 입사각이 커질수

록 일사량이 줄어드는데 태양 추적형은 태양광이 항상 수직으로 입사되므

로 고정형 집열기에 비해 집열 효율이 높기 때문이다.

2. 효율에 있어서 입사각이 클수록 고정형 집열기는 흡수하는 일사량이

줄어들 뿐 아니라 입사되는 태양광도 진공 유리관 내부에 설치된 CPC에

의해 생기는 그림자 효과에 방해받아 태양 추적형 집열기에 비해 집열 능

력이 현저히 떨어진다.

3. 이중 진공 유리관을 이용한 태양 추적형 CPC 집열기의 열성능은 고정

형 집열기의 효율과 비교해서 평균적으로 약 14.2% 정도 높음을 알 수

있다.


═════════════════════════════════════

═════════════════════════════════════


참 고 문헌

1. Keith A. Snail, Joseph J. O'Gallagher, Roland Winston (1984), A

Stationary Evacuated Collector with Integrated Concentrator, Solar

Energy Vol. 33

2. Salah Abdallah, Salem Nijmeh (2003), Two Axes Sun Tracking

System With PLC Control, Energy Conversion and Management

Vol. 45 1931-1939

3. R. Zogbi. D. Laplaze (1984), Design and Construction of a Sun

Tracker, Solar Energy Vol. 33

4. M. J. Carvalho, M. Collares-Pereira, J. M. Gordon (1987), Economic

Optimization of Stationary Nonevacuated CPC Solar Collectors,

Transactions of the ASME Vol. 109

5. C. Grass, W. Schoelkopf, L. Staudacher, Z. Hacker (2004),

Comparison of the Optics of Non-tracking and Novel Types of

Tracking Solar Thermal Collectors for Process Heat Applications up

to 300℃, Solar Energy Vol. 76

6. Trace-pro manual

7. 조덕기, 강용혁, 오정무 (2003), 고지대 일사량 특성분석에 관한 연구,

한국태양에너지학회 논문집 Vol. 23

목차1. 서 론1-1. 연구 배경1-2. 연구 동향 및 목적

2. 실험 및 수치해석2-1. 실험 장치2-1-1. 시스템 구성2-1-2. 집열기 구성2-1-3. 반사경 형상2-1-4. 추적 메카니즘

2-2. 실험 방법 2-3. 실험 관련 이론2-4. 수치해석 방법

3. 결과 및 고찰4. 결론참고문헌

표목차Table 1 Solar collecting technology classificationTable 2 Properties of materialTable 3 Boundary conditionsTable 4 Absorbed heat flux on the surfaces of stationary and tracking collectorsTable 5 Efficiency of stationary and tracking collectors

그림목차Fig. 1 Experimental ApparatusFig. 2 Schmetic of the CPC collectorFig. 3 Ray trace diagram for 0～60°Fig. 4 Solar irradiation with timeFig. 5 Absorbed heat flux variations of stationary and tracking collectorsFig. 6 Heat transfer rate variations of stationary and tracking collectorsFig. 7 Thermal efficiencies of stationary and tracking solar thermal collectors

목차1. 서 론1 1-1. 연구 배경1 1-2. 연구 동향 및 목적3

2. 실험 및 수치해석5 2-1. 실험 장치5 2-1-1. 시스템 구성5 2-1-2. 집열기 구성6 2-1-3. 반사경 형상7 2-1-4. 추적 메카니즘8 2-2. 실험 방법 16 2-3. 실험 관련 이론17 2-4. 수치해석 방법17

3. 결과 및 고찰22

4. 결론30참고문헌 31

표목차Table 1 Solar collecting technology classification12Table 2 Properties of material20Table 3 Boundary conditions21Table 4 Absorbed heat flux on the surfaces of stationary and tracking collectors28Table 5 Efficiency of stationary and tracking collectors29

그림목차Fig. 1 Experimental Apparatus9Fig. 2 Schmetic of the CPC collector11Fig. 3 Ray trace diagram for 0～60°13Fig. 4 Solar irradiation with time24Fig. 5 Absorbed heat flux variations of stationary and tracking collectors25Fig. 6 Heat transfer rate variations of stationary and tracking collectors26Fig. 7 Thermal efficiencies of stationary and tracking solar thermal collectors27

Date post:	03-Sep-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

태양 추적형 Evacuated CPC 태양열 집열기의 열성능에 대한...

Documents