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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 홍희기
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
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유가급등과 기후변화협약의 발효로 신재생에너지의 중요성이 어느 때보다도 주목받고 있다. 신재생에너지 분야에서도 경제성 면에서 가장 경쟁력을 갖추고, 변환형태가 열에너지인 태양열 시스템의 보급과 확대가 절실한 상황이다.
현재 국내에 보급되어 있는 태양열시스템은 소형의 경우 집열기의 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 상승하고, 복잡한 시스템으로 인해 고장 가능성이 높아져 보급에 장애가 된다.
이에 따라 시스템의 구조를 간단하게 하기 위해 축열조 내부에 열교환기가 설치된 시스템이 연구되었다. 특히 선행연구에서는 디퓨저 대신 축열조 상부에 와선형의 열교환 코일을 설치하여 상부를 집중적으로 가열한 후, 하부 열교환코일을 통해 축열조 내의 물에 열을 전달하는 구조의 상부집중가열 축열조를 제작하여 실증실험을 수행하였다. 하지만 이러한 상부집중가열 축열조에는 집열기 출구온도가 축열조 상부온도보다 낮아지는 온도 역전현상이 발생하는 단점이 있다.
본 연구에서는 가격이 저렴한 삼방밸브와 솔레노이드 밸브를 이용하여 상부집중가열 축열조에 수반되는 온도 역전현상을 방지하고, 일사 불량 시 최대한의 집열열량을 획득하여 시스템 효율을 향상시키는 방안에 대해 고찰하였다. 위의 방안을 실제 시스템에 적용하여 실증실험을 진행하고, 동일한 조건에서의 비교를 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
실험결과 삼방밸브를 이용한 온도 역전현상 방지 시스템은 온도 역전현상이 일어났을 경우 축열조 상부 온도를 유지할 수 있었다. 일반 상부집중가열 축열조의 경우 온도 역전현상이 일어나 축열조 상부온도가 하락하는 것을 확인하였다. 하루 실험결과 집열효율의 차이는 미비하지만 축열조 상부 온도가 유지됨으로써 태양열 의존율의 제고를 예상하였고, 이를 시뮬레이션을 이용하여 비교하였다. 일일 시뮬레이션 결과 삼방밸브로 제어한 시스템의 경우 기존의 시스템에 비해 상부온도를 유지할 수 있었고, 일일 부하패턴을 적용한 결과 미소한 태양열 의존율의 차이를 보였다. 연간 시뮬레이션 결과 온도 역전현상 방지 시스템은 일반 상부집중가열 시스템보다 집열효율에서 0.8%p, 태양열 의존율에서 1.2%p 더 큰 값을 보였다. 일반 하부 가열 시스템과 비교하였을 경우 집열효율은 1.6%p, 태양열 의존율은 3.2%p 증가하였다. 이는 축열조의 성층화를 촉진시키고 온도 역전현상으로 인한 축열조 상부 온도 하락을 막은 것으로 해석된다.
변유량 제어의 실험결과 일출, 일몰 등의 일사가 좋지 못한 경우에도 열매체 순환펌프가 저유량으로 흐르면서 최대한의 집열열량을 획득하는 것을 볼 수 있었다. 외기온도를 보상한다면 변유량 제어시스템은 그렇지 않은 시스템보다 3.3%p의 집열효율의 증대를 가져왔다. 기상조건이 좋지 않은 흐린 날 실험결과 변유량 제어를 하지 않은 시스템은 펌프의 on/off가 빈번하게 일어났으며 집열열량을 많이 획득하지 못했다. 반면 변유량 제어 시스템의 경우 일사가 좋지 않은 구간에서도 저유량으로 운전하여 최대한의 집열열량을 획득하는 것을 확인하였다. 앞으로 실험과 시뮬레이션의 결과를 반복 비교하여 적절한 제어 조건을 보정함으로써 최적의 제어를 찾아낸다면 시스템의 효율과 태양열 의존율을 더욱 높일 수 있을 것으로 판단된다.
현재 국내에 보급되어 있는 태양열시스템은 소형의 경우 집열기의 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 상승하고, 복잡한 시스템으로 인해 고장 가능성이 높아져 보급에 장애가 된다.
이에 따라 시스템의 구조를 간단하게 하기 위해 축열조 내부에 열교환기가 설치된 시스템이 연구되었다. 특히 선행연구에서는 디퓨저 대신 축열조 상부에 와선형의 열교환 코일을 설치하여 상부를 집중적으로 가열한 후, 하부 열교환코일을 통해 축열조 내의 물에 열을 전달하는 구조의 상부집중가열 축열조를 제작하여 실증실험을 수행하였다. 하지만 이러한 상부집중가열 축열조에는 집열기 출구온도가 축열조 상부온도보다 낮아지는 온도 역전현상이 발생하는 단점이 있다.
본 연구에서는 가격이 저렴한 삼방밸브와 솔레노이드 밸브를 이용하여 상부집중가열 축열조에 수반되는 온도 역전현상을 방지하고, 일사 불량 시 최대한의 집열열량을 획득하여 시스템 효율을 향상시키는 방안에 대해 고찰하였다. 위의 방안을 실제 시스템에 적용하여 실증실험을 진행하고, 동일한 조건에서의 비교를 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
실험결과 삼방밸브를 이용한 온도 역전현상 방지 시스템은 온도 역전현상이 일어났을 경우 축열조 상부 온도를 유지할 수 있었다. 일반 상부집중가열 축열조의 경우 온도 역전현상이 일어나 축열조 상부온도가 하락하는 것을 확인하였다. 하루 실험결과 집열효율의 차이는 미비하지만 축열조 상부 온도가 유지됨으로써 태양열 의존율의 제고를 예상하였고, 이를 시뮬레이션을 이용하여 비교하였다. 일일 시뮬레이션 결과 삼방밸브로 제어한 시스템의 경우 기존의 시스템에 비해 상부온도를 유지할 수 있었고, 일일 부하패턴을 적용한 결과 미소한 태양열 의존율의 차이를 보였다. 연간 시뮬레이션 결과 온도 역전현상 방지 시스템은 일반 상부집중가열 시스템보다 집열효율에서 0.8%p, 태양열 의존율에서 1.2%p 더 큰 값을 보였다. 일반 하부 가열 시스템과 비교하였을 경우 집열효율은 1.6%p, 태양열 의존율은 3.2%p 증가하였다. 이는 축열조의 성층화를 촉진시키고 온도 역전현상으로 인한 축열조 상부 온도 하락을 막은 것으로 해석된다.
변유량 제어의 실험결과 일출, 일몰 등의 일사가 좋지 못한 경우에도 열매체 순환펌프가 저유량으로 흐르면서 최대한의 집열열량을 획득하는 것을 볼 수 있었다. 외기온도를 보상한다면 변유량 제어시스템은 그렇지 않은 시스템보다 3.3%p의 집열효율의 증대를 가져왔다. 기상조건이 좋지 않은 흐린 날 실험결과 변유량 제어를 하지 않은 시스템은 펌프의 on/off가 빈번하게 일어났으며 집열열량을 많이 획득하지 못했다. 반면 변유량 제어 시스템의 경우 일사가 좋지 않은 구간에서도 저유량으로 운전하여 최대한의 집열열량을 획득하는 것을 확인하였다. 앞으로 실험과 시뮬레이션의 결과를 반복 비교하여 적절한 제어 조건을 보정함으로써 최적의 제어를 찾아낸다면 시스템의 효율과 태양열 의존율을 더욱 높일 수 있을 것으로 판단된다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구배경 11.2 태양열 축열조에서 상부집중가열과 그 문제점 3제 2 장 해결방안 및 시스템 설치 52.1 해결방안 52.1.1 인버터 펌프를 이용한 변유량 제어 52.1.2 유로변경(삼방밸브)을 통한 제어 72.1.3 솔레노이드 밸브와 바이패스를 이용한 변유량 제어 92.1.4 집열 운전시간 증대를 위한 변유량 제어 112.2 설정값의 결정 122.3 시스템의 설치 152.4 실험 방법 222.5 시뮬레이션 252.5.1 해석프로그램; TRNSYS 252.5.2 시스템 모델링 27제 3 장 결과 및 분석 313.1 삼방밸브 실험결과 313.2 변유량 제어 실험결과 353.2.1 일사 우수 시 353.2.2 일사 불량 시 393.3 실증실험 결과 및 분석 433.4 시뮬레이션 결과 473.4.1 일일 시뮬레이션 473.4.2 연간 시뮬레이션 49제 4 장 결론 및 제언 51참 고 문 헌 53
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