본 연구에서는 기반 설비가 부족한 개발대상국이나 오지 등의 지역에서 사용이 적합한 수직형 다중효용 태양열 담수기 (VMED)의 성능 최적화를 위한 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 VMED의 성능에 영향을 미치는 다양한 변수를 고려하여 성능 특성을 분석하기 위한 수치해석 모델을 개발하였다. 본 연구에서는 수직 방향 온도 및 온도 변화를 고려하지 않은 기존 연구의 1차원적인 모델을 보완하여 수직방향 격자를 도입하고, 농도 변화에 따른 물성치와 생산량 변화를 반영한 2차원 모델을 성공적으로 개발하였다. 해석 모델은 태양열 일사량 모델과 열 및 물질전달 모델로 구분하여 개발하였으며, 기존 연구의 계측값과 실험을 통해 성능 비교를 통해 수치해석 모델을 검증하였다.
VMED의 성능 특성 분석을 위해 대기 온도에 따른 생산량, 윅의 온도 및 농도 분포, 효용단별 생산량 분포, 담수기 내 에너지 흐름 분석 등을 수행하였다. 이를 통해 윅에서 해수의 유동 방향으로 해수의 온도는 선형적으로, 농도는 지수적으로 증가함을 밝혔다. 담수기 내 에너지흐름을 분석하여 태양 복사에너지의 입력, 손실, 출력을 수치적으로 정리하였다. 이중 유리의 복사에너지 반사 및 흡수에 의한 손실이 40%로 적지 않기 때문에 유리와 검은색 평판을 사용하는 새로운 유리 덮개를 통해 기존 보다 유리의 수를 줄이면서 열저항을 유지할 수 있는 설계안을 제시하였다.
VMED의 최적화를 위해 성능에 영향을 미치는 설계변수, 환경변수, 운전변수에 따른 성능을 분석하고 종합적인 평가를 통해 최적 변수를 도출하였다. 그리고 다양한 변수들의 성능 특성을 분석하는 과정에서 기존 연구에서 다루지 못한 새로운 변수들의 성능특성을 밝혔으며, VMED만의 새로운 성능 특성을 밝혔다. 최적조건에서 VMED를 운전할 경우 계절별 최대 생산량은 봄, 여름, 가을, 겨울 각각 16.6, 36.0, 19.0, 2.5 kg/(m2?d)이며 연평균생산량은 18.5 kg/(m2?d)이다. 이 때 최대 성능지수는 3.58로 CSS보다 5.79배 더 높다.
설계변수에 따른 수치해석의 결과를 정리하면 다음과 같다. 2중 유리 간격이 넓어질수록 효용단 수가 증가할수록 담수 생산량이 증가하다가 평형상태에 도달한다. 이를 통해 2중 유리는 약 25 mm이상일 때 효용단수는 20개 이상일 때 최대 생산량을 얻을 수 있음을 밝혔다. 그러나 효용단수가 증가하면 제조단가가 증가하기 때문에 연간순수익과 투자회수기간을 고려할 경우 최적 효용단수는 10-15단이다. 이 때 담수기 운전 시 연간순수익이 중요하면 15단, 투자회수기간이 중요하면 6-8단을 사용해야 한다. STS 316L을 기준으로 열전도율이 높은 재료를 평판으로 사용하더라도 생산량의 변화는 없지만, 낮은 재료인 PET (0.1 W/mK)을 사용하면 생산량은 최대 7.4%까지 감소한다. 그러나 열전도율이 낮더라도 두께를 줄인다면 생산량의 감소를 줄일 수 있다. 따라서 기존 금속 재질보다 더 저렴한 비금속재질도 사용이 가능하다. VMED 설계 시 다양한 재질의 평판을 고려할 수 있다는 점은 상용화 관점에서 의미가 있다. VMED의 평판 재질을 STS 316L에서 PET로 교체하면 물 생산단가는 0.0164 $/kg으로 기존 대비 53.4%까지 절감할 수 있으며, 이는 기존 VMED를 적용한 태양열 담수기와 비교한 결과 가장 저렴하였다. 효용단의 단면적이 같으면 종횡비가 변하더라도 생산량은 동일하다는 결과를 얻었다. 하지만 이러한 결과는 윅에서 해수는 흐르지 않고 윅의 두께와 동일한 유막을 형성한 상태로 정지해 있다고 가정하여 수치해석 모델을 개발하였기 때문이다. 종횡비에 따른 영향에 대한 정확한 분석을 위해서는 윅의 물 퍼짐 특징, 윅의 폭 방향 유량 또는 수직 방향 유속 변화 등을 고려한 수치해석 모델의 개발이 필요하다.
환경변수로 대기온도, 일사량, 공급 해수온도, 공급 해수농도, 풍속 등을 고려하였다. 해석 결과 대기온도, 일사량, 공급 해수온도가 증가함에 따라 생산량은 선형적으로 증가하였다. 따라서 적도 지역과 같이 일사량과 대기온도가 높은 지역에서 본 담수기를 설치하면 더욱 많은 담수를 얻을 수 있을 것이다. 공급 해수 농도에 따라 생산량은 급격히 감소하였다. 해수 농도가 높으면 생산량의 감소뿐만 아니라 부식에 의해 담수기의 수명도 짧아지기 때문에 희석시켜서 사용하는 것이 바람직하다. 풍속에 따른 수치해석을 통해 VMED의 새로운 성능특성을 발견하였다. 기존 CSS 기반 담수기는 풍속이 증가하면 응축이 촉진되어 생산량이 증가하였지만 본 담수기는 반대로 감소하였다. VMED의 경우 풍속은 열손실과 응축 촉진을 모두 초래하는데 외측 유리를 통한 열손실이 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 VMED는 통풍이 잘 되지 않는 곳에 설치하는 것이 바람직하다. 한편 에너지 흐름을 분석한 결과에서도 2중 유리를 통한 복사에너지의 손실이 크다는 점을 지적했듯이, 향후 연구를 통해 열손실 또한 줄일 수 있는 구조 개선이 필요하다.
운전변수로 설치 경사도와 해수 공급유량을 고려하였다. 지표면으로부터 담수기 기울기가 증가할수록 생산량은 감소하기 때문에 기울기를 줄이는 것이 좋지만, 자중에 의한 평판의 휨을 방지하고, 원활한 응축수의 집수를 고려하여 최적 기울기는 40~50°이 좋다. 하지만 설치면적당 생산량이 매우 중요한 요소일 경우 수직으로 설치하는 것이 좋다. VMED에 해수 공급시 최대 생산량을 얻기 위한 해수 공급유량은 최적 변수 조건에서 운전할 경우 봄, 여름, 가을, 겨울 각각 8, 17, 10, 2 g/min이지만 안정적인 담수기의 운전을 고려하면 1~2 g/min 정도 유량을 더 공급하는 것이 좋다. 그리고 각 효용단에 동일한 유량으로 해수를 공급할 때 가장 많은 생산량을 얻을 수 있다. 이 결과는 담수기의 생산 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 상용화할 때 해수 공급부의 구조와 유량 제어를 단순화 할 수 있어 비용 절감에도 도움이 될 것이다.

As the global population increases, the shortage of water resources is becoming increasingly acute, with the water shortage caused by the irregular distribution of water resources and river contamination in underdeveloped countries. Many desalination technologies have been developed to solve such problems, and the solar distiller in particular is attracting attention as a useful technology in island areas, remote areas and underdeveloped countries due to its simple structure and the fact that it does not need a external energy source.
This study proposes a vertical multiple-effect solar distiller (VMED) which has the strength of high productivity, low cost, and simplicity without additive equipment. VMED consists of a double glass cover, a number of parallel plates, and seawater-soaked wicks placed in contact with the plates. The wick on the inner glass cover is designed to be black color to increase the solar energy absorption. A two-dimensional numerical model of heat and mass transfer was developed and showed a good agreement with experimental results. The numerical analysis was performed to analyze the distiller''s performance characteristics and to find the optimum values with various variables considering on operating, design and environmental conditions.
The numerical results show that VMED can produce the fresh water of 18.5 kg/(m2?d) on annual average and a maximum of 36.0 kg/(m2?d) in summer solstice. The maximum performance ratio of VMED is 3.58, which is 5.79 times more than that of a conventional solar still, but the water production cost of VMED is lower as 0.0164 $/kg when comparing with 0.037 $/kg on average water cost of other solar stills. The maximum productivity can be obtained at the optimum design and operation conditions, which are 25 mm gap distance of cover glass, installation inclination of 40°, the effect number of 15, and feed flowrates of 8, 17, 10, 2 g/min in spring equinox, summer solstice, autumn equinox, and winter solstice, respectively.
The analytical results also show that feeding the same flow rate to all effects increases productivity than decreasing gradually the feed flowrate from first effect to last one. The wind for VMED reduces the productivity due to heat loss from the outer glass. The high NaCl concentration in feed water decreases the productivity due to evaporation temperature elevation. Increasing ambient temperature, feed water temperature, and incident solar radiation to VMED improves the distiller’s performance. Aspect ratio of the effects is irrelevant to the productivity. The low thermal resistance of plate material increases the performance but exceeding specific value is not worth.