Lee Doo Ho
(이두호)
1
Jang Han Bin
(장한빈)
1
Kim Young Hak
(김용학)
1
Do Kyu Hyung
(도규형)
2
Lee Kwang Seob
(이광섭)
3
Lyu Nam Jin
(류남진)
1†
-
Renewable Energy Research Center, Tapsol, Gyenonggi-do, 18529, Korea
((주)탑솔 신재생에너지 기술연구소)
-
Department of Plant Safety Technology, Korea Institute of Machinery and Materials(KIMM),
Daejeon, 34103, Korea
(한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실)
-
Renewable Energy Engineering, University of Science and Technology, Daejeon, 34113,
Korea
(과학기술연합대학원대학교 재생에너지공학과)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
keywords
Solar collector, Flat plate collector, Vacuum insulation panel collector, Double-wall glazing collector
키워드
태양열 집열기, 평판형 집열기, 진공단열패널 집열기, 이중창 집열기
기호설명
：에너지 획득량 [W/㎡K]
ηG：집열기 순간 취득 열량 [W]
FR：집열효율 계수
AG：집열기 전면적 [㎡]
G：천공 일사량 [Wm-2]
：수정 온도차 [㎡KW-1]
tin：순환수 입구온도 [℃]
ta：외기 온도 [℃]
η：집열효율
ηo：최고 집열효율
u：일사 흡수율 [Wm-2K-1]
：법선면 일사에 대한 투과흡수율
UL：집열기 열손실율 [W/㎡K]
：열획득량 [W]
：열획득량 [W]
Ac：집열기의 단면적 [㎡]
Tw,in：순환수 입구온도 [℃]
Ta：외기의 건구온도 [℃]
：순환수의 질량유량 [kg s-1]
Cp,w：순환수의 비열 [kJ kg-1K-1]
Gβ：경사면의 전일조 강도 [Wm-2]
Bβ：경사면에 대한 직달 일조 강도 [Wm-2]
Dβ：경사면에 대한 산란 일조 강도 [Wm-2]
Rβ：경사면에 대한 지면 반사 일조강도 [Wm-2]
Bη：법선면 직달 일조 강도 [Wm-2]
Dη：수평면 산란 일조 강도 [Wm-2]
Rd：산란 치환 계수(Diffuse Transposition Factor)
Gη：수평면 전일사 강도 [Wm-2]
그리스 문자
β：경사각 [°]
θ：경사면 대비 입사각 [°]
ρ：지면 반사율(Albedo)
1. 연구배경 및 목적
최근 들어 태양열의 이용 범위가 기존의 급탕 및 난방에서 탈피하여 중고온 분야 즉, 태양열 냉난방 및 산업공정열 이용 등 그 적용처가 확대되고 있으며
이에 따라 평판형 태양열 집열기보다는 진공관 집열기가 더욱 적합한 실정이다. 하지만 진공관 집열기는 제품 단가가 다소 높고 집열기의 초기 효율이 낮으며
설치가 다소 까다로운 단점이 있다.
평판형 태양열 집열기는 저온에서 효율이 높지만 중·고온에서 효율이 저하되기 때문에 주로 급탕용으로 사용하며 냉․난방에 이용하기에는 부적합하다. 반면
진공관형 집열기는 고온에서의 효율이 높아 태양열 냉·난방 시설에 적용이 가능하다. 하지만 가격이 비교적 높고 내구성이 문제가 되며 집열기 Y-절편
효율(초기효율)이 낮은 단점이 있다.
이에 따라 본 연구에서는 이 두 집열기의 장점을 갖는 고효율 평판 태양열 집열기 개발을 목표로 하며, 특히 집열기의 열손실율을 줄여 에너지 획득량을
높이는 것을 목표로 하여 전면투과체 및 후면 단열재 구조 최적화 연구를 수행하였으며 개발된 각 요소기술의 적용에 따른 집열기의 에너지 획득량의 비교
분석을 통해 적용기술의 성능을 평가코자 하였다.
본 연구에서는 평판형 집열기의 효율을 극대화하여 냉·난방 시설에 적용할 수 있도록 집열기의 열손실을 줄이기 위해 집열기 투과체 및 후면 단열재를
새로운 구조로 적용하였다.
전면부 투과체는 열관류율이 적은 Double layer 구조로 이중투과체를 적용하고, 후면 단열재는 기존의 단열재보다 8배 이상 효율이 높은 VIP(Vacuum
Insulation Panels)를 적용하여 열손실이 적은 평판형태의 태양열 집열기를 개발하는 것을 최종목적으로 그 구조는 Fig. 1과 같다.
Fig. 1. Final 3D form of the developed products.
2. 연구방법 및 범위
본 연구에서는 적용 기술의 효과를 비교 분석하기 위하여 집열기의 효율시험를 먼저 실시하고 이를 통해 도출된 집열기의 효율값을 토대로 에너지 획득량을
시뮬레이션 하였다. 집열기의 효율을 비교하기 위하여 각각 기존형식의 집열기, 전면 투과체를 이중글레이징(Double-Wall Glazing)을 적용한
집열기, 이중글레이징 및 후면부 VIP(Vacuum Insulation Panel)복합 단열재를 모두 적용한 집열기 등 각 3개의 모델을 비교하였다.
또한 에너지 획득량 시뮬레이션에 있어 상용 진공관형 집열기를 한모델 추가하여 총 4가지 모델을 비교 분석 하였다.
2.1 집열기 열성능 시험
열성능 시험은 KS B 8295：2015(1) 8항 열성능 시험방법에 근거하여 실험을 진행하였다. 실험은 Fig. 2와 같이 장비를 구축하였으며 사용된 장비는 Table 1과 같이 구성하였다.
Fig. 2. Distribution diagram for the thermal performance test of the collector in the KS B 8295 open system.
Table 1. Instrumentation for the thermal performance test of the collector
|
Item
|
Target
|
|
Weather Station
|
Measuring climate data
|
|
Agilent 34972A
|
Date acquisition
|
|
Solar Tracker
|
Sunseeker
|
|
TRICOR
Coriolis Mass Flow Meter
|
Flow measurement of fluid
|
|
MS-602
|
Solar radiation measurement
|
에너지 획득량은 식(1)에 의해 계산되며, 그때의 효율은 식(2)에 따라 계산되며 이 계산된 효율은 X-축을 식(3)으로 하여 Y-축을 식(4)로 하여 각 입구온도 4 Point에 대하여 실험 및 계산을 수행하고 최소자승법을 통해 각 집열기의 초기효율 및 열손실계수를 근사하였다.
2.2 에너지 획득량 분석
에너지 획득량 분석은 Fig. 3의 계통도로 계산식은 아래와 같다.
Fig. 3. Distribution diagram for the simulation of the collective efficiency and amount of energy obtained.
태양열 집열기로부터 얻어지는 열획득량(
)은 식(5)와 같이 표현되며, 순환수 출구온도는 식(6)우로부터 계산할 수 있다.
또한, 경사면의 전일조 강도(Gβ)는 식(7)을 이용하여 나타냈다. 각각의 계산식으로 경사면에 대한 직달 일조 강도는 식(8), 산란 일조 강도는 식(9), 지면 반사 일조 강도는 식(10)의 계산식으로 표현된다. Rd값을 계산하기 위한 모델로 이방성 모델인 Perez Sky Diffuse Model을 사용하였다.
에너지 획득량과 집열효율 분석은 EES(Engineering Equation Solver) 분석 툴을 활용하여 기후데이터, 집열기 정보를 입력하고
단위 시간별 집열기 효율 방정식을 이용하여 집열기 효율 및 에너지 획득량을 분석하였다. 기후 데이터는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 제공하는 대전
지역의 1년(8760시간) IWEC(International Weather for Energy Calculations) Data를 적용하여 해석하였다.
에너지 획득량 및 집열효율은 각각 식(5)와 식(11)로 계산할 수 있으며, 일별/월별 일조량, 에너지 획득량 및 집열효율은 아래의 식(12), 식(13), 식(14)를 이용하여 계산하였다.
3. 시작품 제작
3.1 투과체
Double layer 구조를 적용하기 위해 이중투과체의 재료 선정은 내열온도, 가공성, 제품 가격, 재료의 무게 등을 고려하여, 전면부는 Low
Iron Glass, 후면부는 Polymer 제품군으로 기계적, 열적 안정성을 확보하여 투과체를 적용하였다.
후면부 투과체 시제품은 성형을 통해 만들어져 열관류 특성을 KS F 2278：2014(창호의 단열성 시험방법)분석 결과 3.287(W/㎡K)의 값을
나타내며 시뮬레이션 결과 값과 유사한 수치를 나타냄을 확인하였으며 Fig. 4와 같이 복합 투과체 시작품을 제작하였다.
Fig. 4. Composite glazing prototype.
3.2 고성능 복합 단열 보드-VIP
후면단열재는 집열기 단열성능을 높이기 위해 VIP (Vacuum Insulation Panel) 진공 단열재를 제작, 적용하였다.
VIP 단열재는 진공상태를 유지하기 위해 열접합(열융착)하여 제작되었다. 기존의 건축용 VIP의 외피재료는 내열온도가 낮아 태양열 집열기에 적용시
문제였지만 본 제품은 태양열 집열기에 적합하도록 재료 및 구조적으로 안정된 개발품이 적용되었다.
300℃ 이상의 고온에서 버틸 수 있는 조건의 단열재로 집열기 STAG 온도에서도 충분히 견딜 수 있도록 복합체를 디자인했으며, 집열기의 가동조건에서도
견딜 수 있는 씰링부의 디자인이 고려되었다.
성능시험 결과 열전도율 0.0027(W/m·k)이며, 제작된 제품은 Fig. 5와 같다.
Fig. 5. High-performance composite insulation VIP.
3.3 집열기 제작
집열기는 각각의 기술을 적용한 3모델의 집열기를 제작하였으며 그 사양은 아래 Table 2와 같이 구성되었다. 최종 제품은 Fig. 6과 같이 완성되며 외관은 제 3장 모두 유사하다. 집열기의 구성은 전면부 투과체, 흡수기, 후면 단열재, Frame 및 Back Plate 순으로
제작되었다.
Table 2. Specification of a trial product collector
|
Assortment
|
Subcategory
|
Items
|
Material
|
Size
|
|
Glass
|
Model 1
|
Single layer
|
Solar glass
|
3.2t×990×1990
|
|
Model 2
|
Double layer
|
Low Iron, Polymer
|
2.3t×990×1990
|
|
Insulator
|
Model 1
|
General
|
Glass Wool
|
40t×940×1940
|
|
Model 2
|
VIP
|
VIP
|
12 t×940×1940
|
|
Common
|
Items
|
Material
|
size
|
|
Body plate
|
A 3003 P H16
|
1.0t×970×1970
|
|
Rise tube
|
C 1220 1/2H
|
8Ø×1901
|
|
Absorber PL
|
0.2t×940×1895
|
|
Head tube
|
22.2Ø×1054
|
|
Polymer glazing
|
Anti UV PC
|
2.0t×990×1990
|
|
Space seal Tape
|
Buthyle
|
5.0 t×15×6m
|
|
Gromet
|
EPED
|
Ø20×Ø49
|
|
Body Frame(short)
|
A5052P
|
100×2005
|
|
Body Frame(Long)
|
100×1005
|
Fig. 6. Double glazing, High-efficiency collectors with VIP.
4. 결과 및 분석
4.1 집열기 열성능 시험
이중 투과체와 VIP 단열재를 적용하여 완성된 태양열 집열기의 열성능을 알아보기 위해 열성능 시험을 실시하였다.
유형별 집열기 구성은 Table 3과 같으며, 연구방법은 위의 제 2.1절에서 제시하는 내용과 같다.
Table 3. Configuration of solar collector classification by the type
|
Classification
|
Collector Type
|
Configuration
|
|
Front glazing
|
Back side insulation
|
|
(1)
|
Existing Type
|
Low glass (Single plate)
|
Glass wool
|
|
(2)
|
Double glazing+
Existing insulation Type
|
Low glass
+PC Plate
|
Glass wool
|
|
(3)
|
Double glazing+ Composite insulation Type
(Developed products)
|
Low glass
+PC Plate
|
Glass wool
+VIP
|
|
(4)
|
Vacuum tube collector Type
|
Vacuum tube Glass
|
시험 결과는 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9에 그래프로 나타냈으며 각 모델별 집열기 성능을 요약하면 Table 4와 같다.
Fig. 7. Graph of test results of the existing collector Type.
Fig. 8. Graph of test results of double glazing+Existing insulation Type.
Fig. 9. Graph of test results of double glazing+Composite insulation Type.
Table 4. Results of the thermal performance test of solar collectors by type
|
Classification
|
Collector Type
|
Results
|
|
(1)
|
Existing Type
|
FR(τα)en：88.3%,
FRUL：-4.865 W/m2K
|
|
(2)
|
Double glazing+
Existing insulation Type
|
FR(τα)en：81.5%,
FRUL：-3.314 W/m2K
|
|
(3)
|
Double glazing+ Composite insulation Type
(Developed products)
|
FR(τα)en：76.4%,
FRUL：-2.231 W/m2K
|
|
(4)
|
Vacuum tube collector Type
|
FR(τα)en：43.7%,
FRUL：-1.110 W/m2K
|
각 모델별 초기효율은 이중투과체를 사용한 집열기의 경우 각각 81.5%, 76.4%로 기존 집열기 88.3% 대비 낮은 특성을 보이며 열손실율은 개발품이
각각 -3.314, -2.231로 큰폭의 향상이 있음을 알 수 있다.
기존 평판형 집열기 대비 이중투과체+복합단열재(Type 3)가 이중 투과체 적용으로 초기 효율은 13.47% 감소된 반면에 열관류율은 약 54.14%의
성능향상이 되었음을 알 수 있었다. 이는 초기 효율 저하 대비 열손실이 급격히 줄어들어 일일 집열량은 증가될 것으로 예측된다.
4.2 에너지 획득량 및 집열효율
에너지 획득량 및 집열효율 분석은 위의 제 2.2절 연구 방법 계산식으로 대전지역의 기후데이터를 EES(Engineering Equation Solver)
분석 프로그램으로 월별/입수온도별, 연평균 에너지 획득량 및 집열효율 값을 비교 분석을 하였다. 비교 구성은 Table 5와 같으며, 분석 결과는 Fig. 10 Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13 Fig. 14 Fig. 15에 나타난 바와 같다.
Table 5. Simulation analysis results of annual average
|
Case
|
Type 1
|
Type 2
|
Type 3
|
Type 4
|
|
Energy amount acquired
(kWh)
|
Collective efficiency
(%)
|
Energy amount acquired
(kWh)
|
Collective efficiency
(%)
|
Energy amount acquired
(kWh)
|
Collective efficiency
(%)
|
Energy amount acquired
(kWh)
|
Collective efficiency
(%)
|
|
50℃
|
1,678
|
51.07
|
1,787
|
54.63
|
1,872
|
57.43
|
1,111
|
34.11
|
|
70℃
|
1,171
|
35.34
|
1,394
|
42.40
|
1,579
|
48.27
|
959
|
29.38
|
|
90℃
|
778
|
23.25
|
1,062
|
32.12
|
1,318
|
40.15
|
823
|
25.13
|
Fig. 10. Graph of Monthly energy amount acquires(obtained temperature of 50℃).
Fig. 11. Graph of Monthly energy amount acquires(obtained temperature of 70℃).
Fig. 12. Graph of Monthly energy amount acquires(obtained temperature of 90℃).
Fig. 13. Graph of Monthly collective efficiency(obtained temperature of 50℃).
Fig. 14. Graph of Monthly collective efficiency(obtained temperature of 70℃).
Fig. 15. Graph of Monthly collective efficiency(obtained temperature of 90℃).
월별 에너지 획득량은 4월과 5월이 높은 획득량을 보였으며, 집열효율도 마찬가지로 4월과 5월 그리고 8월과 10월 사이에 높은 효율을 나타냈다.
또한 태양열 집열기의 성능 곡선도에서 알 수 있듯이 입수온도가 50℃일 때 가장 높은 에너지 획득량과 집열효율 얻는 결과 값을 도출하였다.
에너지 획득량은 각각 Type별로 50℃일 때는 1,678/1,787/1,872/1,111(kWh)의 결과 값으로 Type 1 기준 6.5%(Type
2), 11.6%(Type 3)가 증가하였다.
70℃일 때는 1,171/1,394/1,579/959(kWh)로 Type 1 기준 19.0%(Type 2), 34.8%(Type 3)가 증가하였고,
90℃일 때는 778/1,062/1,318/823 (kWh)로 Type 1 기준 36.5%(Type 2), 69.4%(Type 3)가 증가하였다.
집열효율도 에너지 획득량과 유사한 추이를 보이며 Type별 50℃일 때는 50.07/54.63/57.43/34.11(%), 70℃일 때는 35.34/42.40/48.27/29.38(%),
90℃일 때는 23.25/32.12/40.15/25.13(%)의 집열효율을 나타냈다.
입수온도가 올라갈수록 전반적인 에너지 획득량과 집열효율은 줄어들었지만 기존 집열기 대비 개발품의 에너지 획득량과 집열효율의 그래프는 증가 곡선을 이루고
있다. 이는 앞으로 평판형 집열기의 에너지 성능 향상과 태양열 집열기 보급에 긍정적인 도움이 될 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 태양열 집열기의 열손실을 줄이기 위해 단위 기술 개발의 적용으로 전면부에는 이중 투과체를 적용하고, 후면부에는 고성능 복합 단열재(VIP)를
적용하여 태양열 집열기에 대한 열성능시험 및 시뮬레이션(에너지 획득량, 집열효율)으로 성능 향상을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과
같다.
(1) 열성능시험을 통해 집열기별 초기 효율과 열관류율을 분석한 결과, Type 3(이중투과체+복합단열재[개발품])의 초기 효율은 13.6% 감소되었지만
열관류율은 약 54% 성능 향상된 결과를 도출하였다. Type 3의 시험 결과는 FR(τα)en : 76.4%, FRUL : -2.231이다.
(2) 월별 입수온도별 에너지 획득량과 집열효율은 50℃의 입수온도에서 가장 높은 결과 값을 확인할 수 있었으며, 4월과 5월에 높은 성능을 갖는
것을 확인하였다.
(3) 에너지 획득량은 기존 평판형 집열기 대비 Type 3 모델 등 50℃일 때는 11.6%, 70℃일 때는 34.8%, 90℃일 때는 69.4%의
증가율을 나타났다.
(4) 집열효율도 마찬가지로 기존 평판형 집열기 대비 Type 3 모델 등 50℃일 때는 14.7%, 70℃일 때는 36.6%, 90℃일 때는 72.7%의
증가율을 보였다.
(5) 기존 평판형 집열기 대비 Type 2 모델(이중 투과체 적용)만으로도 입수온도 각각의 에너지 획득량은 6.5%, 19.0%, 36.5%이고,
집열효율은 9.1%, 19.9%, 38.2%의 증가를 보였다.
(6) Type 3모델 등(이중투과체+VIP 단열재 적용)은 Type 4모델(진공관 집열기)보다 월등한 성능 향상을 보이고 있으며, 여러 온도에서도
개발품의 성능이 높음을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 집열기 투과체 및 후면 단열구조의 새로운 모델 적용을 통한 고효율 평판태양열 집열기의 집열효율 및 에너지 획득량을 비교 분석하였고
그 결과 개발품이 90℃ 이상의 온도범위에서도 진공집열기보다 높은 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 향후 개발품을 활용한 다양한 실증연구를 통해 본
집열기의 실증사례를 연구한다면 상용화를 위한 기초를 다질 수 있을 것이다.
후 기
본 연구는 2014년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지기술개발 사업(No. 20143030081010)의 지원을
받아 수행한 연구 과제입니다.
References
Korean Agency for Technology and Standards , 2015, Solar thermal collectors(Flat plate,
Evacuated-tube, Fixed concentrating type), KS B 8295, pp. 30-36
Choi H.-U., Hong B.-P., Yoon J.-I., Son C., Choi K.-H., 2013, Research on Thermal
Performance by Different Fins in a Solar Air Heater, Journal of Korean Solar Energy
Society, Vol. 33, No. 6, pp. 85-91
Baek N.-C., Lee W.-J., Lee J.-K., Lee S.-M., 2015, An experimental study on the operating
performance of facade installed natural circulation type solar thermal system, Journal
of Korean Solar Energy Society, Vol. 35, No. 4, pp. 1-8
Tse K.-K., Chow T.-T., 2015, Dynamic model and experimental validation of a indirect
thermosyphon solar water heater coupled with a parallel circular tube rings type HX
coil, Solar Energy, Vol. 114, pp. 114-133
Joung J. H., Kang B., Tonf Y. J., Cho H. H., 2014, Performance Analysis of R-134a
Rankine Cycle to Apply for a Solar Power Generation System Using Solar Collector Modeling,
Journal of Korean Solar Energy Society, Vol. 34, No. 3, pp. 57-65
Choi H.-U., Fatkhur R., Yoon J.-I., Son C.-H., Choi K.-H., 2015, A Study on Thermal
Storage Performance and Characteristics of Daily Operation of a Hybrid Solar Air-Water
Heater, Journal of Korean Solar Energy Society, Vol. 35, No. 3, pp. 73-80
Kim T., Do K. H., Choi B.-I., Han Y.-S., Kim M., 2016, Development of an Analysis
Model for the Thermal Performance of a Solar Assisted Heat Pump System with a Hybrid
Collector, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, pp. 880-883
Shin U.-C., Baek N.-C., Kim J.-H., 2006, Experimental Study on the Thermal Behavior
of Solar Space Heating and Hot Water System in Apartment, Journal of Korean Solar
Energy Society, Vol. 26, No. 4, pp. 127-134
Shin J. H., Boo J. H., 2015, A Numerical Study on the Thermal Performance of a Solar
Air Heater Depending on the Hole Configuration and Geometry in the Absorber Plate,
Journal of Korean Solar Energy Society, Vol. 35, No. 1, pp. 69-80
Kim J. K., Lee S. N., 2016, Mid Temperature Solar Themal Collector and Cooling System,
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, pp. 753-754
Kim J. H., Kim H. M., Cho H. H., 2016, Comparative Study on Performance characteristic
according to Nanofluid Concentration using a Flat-plate and U-tube Solar Collector,
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, pp. 481-484
Nam Y.-J., Gao X.-Y., 2014, Study on the Performance Prediction of the Heat Pump System
using Solar and Geothermal Heat Source, Journal of Korean Solar Energy Society, Vol.
34, No. 3, pp. 75-81
Cho S.-G., Shin Y.-W., 2016, Double-glazed Flat Plate Solar Collector for Solar Thermal
Cooling and Heating, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering,
pp. 764-766
Hwang I.-J., Woo N.-S., Lee H.-C., 2006, A Study on the Performance Evaluation of
Hybrid Energy System with Geothermal and Solar Heat Sources, Korean Journal of Air-Conditioning
and Refrigeration Engineering, pp. 279-286