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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 홍희기
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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국문초록
삼온제어와 상하부가열 축열조를 갖는 태양열 시스템의 실증실험
이 용 걸
기계공학과
경희대학교 대학원
기후변화협약의 발효와 미세먼지의 영향으로 신재생 에너지의 중요성이 어느 때보다 주목받고 있다. 변환 형태가 열에너지인 태양열 시스템은 경제성 및 활용도가 높아 신재생에너지 분야에서도 경쟁력을 갖춘 분야의 하나로 평가되며 더욱 높은 효율의 시스템 개발을 위해 지속적인 연구가 진행되고 있다.
현재 국내에 보급되어 있는 태양열 시스템은 소형의 경우 집열기 상부에 축열조가 밀착되어 있는 구조의 자연형이, 중·대형의 경우에는 열교환기를 가지고 있는 설비형이 대부분이다. 그 중 설비형은 집열기 순환측인 1차 배관과 축열조 순환측인 2차 배관의 분리로 인해 열교환기, 순환펌프를 추가로 설치해주어야 하기 때문에 시스템의 규모가 커지며 시공비가 상승한다. 또한 복잡한 시스템으로 인해 고장 가능성이 높아져 보급에 장애가 된다.
이에 따라 시스템의 구조를 간단하게 하기 위해 축열조 내부에 열교환기가 설치된 시스템이 연구되었다. 상부에 나선형의 열교환코일을 설치하여 상부를 집중적으로 가열한 후, 하부 열교환코일을 통해 축열조 내의 물에 열을 전달하는 구조의 상부집중가열 축열조를 제작하여 실증실험을 수행하였다. 선행연구에서는 가격이 저렴한 삼방향 밸브와 솔레노이드 밸브를 이용하여 상부집중가열 축열조에 수반되는 온도 역전현상을 방지하고, 일사 불량 때 최대한의 집열열량을 획득하여 시스템 효율을 향상시키는 방안에 대해 고찰하였다. 본 연구에서는 선행연구에서 사용했던 상·하부 가열형 축열조에 유로변경과 변유량을 적용한 태양열 시스템으로 획득한 열량을 경희대학교 공과대학 실험동 전체온수를 공급하는 지하탱크로 보내 실증실험을 진행하였다.
일사가 좋은 날은 축열조 상부온도(Tst)와 축열조 하부온도(Tsb)가 10℃이상의 차이를 보이면서 집열운전을 한다. 이때 운전을 시작한 지 1시간도 채 되지 않아서 지하탱크로 온수를 공급하지만 상부온도는 계속 증가하였다. 또한 오후에 일사가 떨어지면서 집열기 출구온도가 축열조 상부온도보다 낮아서 역전현상이 발생하였지만 삼방향 밸브로 인한 유로변경을 통해 하부를 가열하여 역전현상이 방지되었다. 일사가 좋지 않는 날은 솔레노이드 밸브로 인한 저유량 모드로 운전을 시작하면서 꾸준히 열량을 획득하였다, 저유량으로 오전에만 획득한 열량이 6.7 MJ로 집열효율 향상으로 이어졌다.
실제로 하부 가열형 시스템과 비교해본 결과 하부 가열형은 오전부터 집열운전을 시작했지만 상부와 하부가 well-mixing형태로 축열조 전체를 가열하면서 오후시간에 지하탱크로 열량을 조금 보냈다. 반면 삼온제어(Tco, Tst, Thxo)를 적용한 상·하부 가열형 시스템은 집열운전을 시작하면서 상부만 가열하여 성층화를 유지하며 오전에 지하탱크로 온수를 보냈다. 그 결과 획득한 열량의 대부분을 지하로 공급하고 적은 부분을 축열조 온도 상승에 사용했다. 상·하부 가열형 시스템은 태양열 의존율이 83.6% 나왔지만 하부 가열형 시스템의 태양열 의존율은 38.6%밖에 나오지 않았다. 이로부터 삼온제어와 상·하부 가열형 축열조를 갖는 태양열 시스템은 기존의 하부 가열형 시스템보다 태양열 의존율 및 집열효율이 월등히 높다는 것을 확인할 수 있었다.
삼온제어와 상하부가열 축열조를 갖는 태양열 시스템의 실증실험
이 용 걸
기계공학과
경희대학교 대학원
기후변화협약의 발효와 미세먼지의 영향으로 신재생 에너지의 중요성이 어느 때보다 주목받고 있다. 변환 형태가 열에너지인 태양열 시스템은 경제성 및 활용도가 높아 신재생에너지 분야에서도 경쟁력을 갖춘 분야의 하나로 평가되며 더욱 높은 효율의 시스템 개발을 위해 지속적인 연구가 진행되고 있다.
현재 국내에 보급되어 있는 태양열 시스템은 소형의 경우 집열기 상부에 축열조가 밀착되어 있는 구조의 자연형이, 중·대형의 경우에는 열교환기를 가지고 있는 설비형이 대부분이다. 그 중 설비형은 집열기 순환측인 1차 배관과 축열조 순환측인 2차 배관의 분리로 인해 열교환기, 순환펌프를 추가로 설치해주어야 하기 때문에 시스템의 규모가 커지며 시공비가 상승한다. 또한 복잡한 시스템으로 인해 고장 가능성이 높아져 보급에 장애가 된다.
이에 따라 시스템의 구조를 간단하게 하기 위해 축열조 내부에 열교환기가 설치된 시스템이 연구되었다. 상부에 나선형의 열교환코일을 설치하여 상부를 집중적으로 가열한 후, 하부 열교환코일을 통해 축열조 내의 물에 열을 전달하는 구조의 상부집중가열 축열조를 제작하여 실증실험을 수행하였다. 선행연구에서는 가격이 저렴한 삼방향 밸브와 솔레노이드 밸브를 이용하여 상부집중가열 축열조에 수반되는 온도 역전현상을 방지하고, 일사 불량 때 최대한의 집열열량을 획득하여 시스템 효율을 향상시키는 방안에 대해 고찰하였다. 본 연구에서는 선행연구에서 사용했던 상·하부 가열형 축열조에 유로변경과 변유량을 적용한 태양열 시스템으로 획득한 열량을 경희대학교 공과대학 실험동 전체온수를 공급하는 지하탱크로 보내 실증실험을 진행하였다.
일사가 좋은 날은 축열조 상부온도(Tst)와 축열조 하부온도(Tsb)가 10℃이상의 차이를 보이면서 집열운전을 한다. 이때 운전을 시작한 지 1시간도 채 되지 않아서 지하탱크로 온수를 공급하지만 상부온도는 계속 증가하였다. 또한 오후에 일사가 떨어지면서 집열기 출구온도가 축열조 상부온도보다 낮아서 역전현상이 발생하였지만 삼방향 밸브로 인한 유로변경을 통해 하부를 가열하여 역전현상이 방지되었다. 일사가 좋지 않는 날은 솔레노이드 밸브로 인한 저유량 모드로 운전을 시작하면서 꾸준히 열량을 획득하였다, 저유량으로 오전에만 획득한 열량이 6.7 MJ로 집열효율 향상으로 이어졌다.
실제로 하부 가열형 시스템과 비교해본 결과 하부 가열형은 오전부터 집열운전을 시작했지만 상부와 하부가 well-mixing형태로 축열조 전체를 가열하면서 오후시간에 지하탱크로 열량을 조금 보냈다. 반면 삼온제어(Tco, Tst, Thxo)를 적용한 상·하부 가열형 시스템은 집열운전을 시작하면서 상부만 가열하여 성층화를 유지하며 오전에 지하탱크로 온수를 보냈다. 그 결과 획득한 열량의 대부분을 지하로 공급하고 적은 부분을 축열조 온도 상승에 사용했다. 상·하부 가열형 시스템은 태양열 의존율이 83.6% 나왔지만 하부 가열형 시스템의 태양열 의존율은 38.6%밖에 나오지 않았다. 이로부터 삼온제어와 상·하부 가열형 축열조를 갖는 태양열 시스템은 기존의 하부 가열형 시스템보다 태양열 의존율 및 집열효율이 월등히 높다는 것을 확인할 수 있었다.
목차
목 차제 1 장 서 론 11.1 연구배경 11.2 선행연구 31.3 시뮬레이션 결과 4제 2 장 실험장치 및 방법 102.1 실험 장치 102.2 실험 방법 20제 3 장 결과 및 분석 243.1 맑은 날과 흐린날의 실험결과 비교 243.2 상하부 가열형과 하부 가열형 결과 비교 283.3 제어조건 변경 결과 313.4 실험결과 및 분석 33제 4 장 결론 36참 고 문 헌 38부 록 40Abstract 51
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