충전층을 이용한 암반공동 열에너지저장시스템의 열에너지 수지 분석

박정욱(Jung-Wook Park),류동우(Dongwoo Ryu),박도현(Dohyun Park),최병희(Byung-Hee Choi),신중호(Joong-Ho Synn),선우춘(Choon Sunwoo) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.3

충전층을 이용한 열에너지저장 시스템은 자갈이나 콘크리트와 같은 열저장매질과 공기나 오일과 같은 열전달유체를 이용하여 현열에너지를 저장하는 방식으로서, 저장매질의 경제성과 화학적 안정성, 시스템 구축의 용이성 등 많은 장점이 갖는다. 본 연구에서는 충전층을 이용한 열에너지저장 기술에 대하여 개략적으로 소개하고, 이러한 열에너지저장소의 에너지 수지와 성능 효율을 분석하기 위한 수치 모델을 제시하였다. 유한차분법을 이용하여 저장소 내 1차원 비정상 열전달 해석을 수행하였으며, 반복적인 주입과 토출에 따른 충전층의 온도분포와 외부로의 손실 에너지를 계산하였다. 해석모델은 AA-CAES(advanced adiabatic compressed air energy storage)와 연계된 고온의 열에너지저장시스템으로 저장소가 지하암반 내에 위치하는 경우와 지상에 위치하는 경우를 모사하고, 성능효율 및 열손실률을 비교 분석하였다. A packed bed thermal energy storage (TES) consisting of solid storage medium of rock or concrete through which the heat transfer fluid is circulated is considered as an attractive alternative for high temperature sensible heat storage, because of the economical viability and chemical stability of storage medium and the simplicity of operation. This study introduces the technologies of packed bed thermal energy storage, and presents a numerical model to analyze the thermal energy balance and the performance efficiency of the storage system. In this model, one dimensional transient heat transfer problem in the storage tank is solved using finite difference method, and temperature distribution in a storage tank and thermal energy loss from the tank wall can be calculated during the repeated thermal charging and discharging modes. In this study, a high temperature thermal energy storage connected with AA-CAES (advanced adiabatic compressed air energy storage) was modeled and analyzed for the temperature and the energy balance in the storage tank. Rock cavern type TES and above-ground type TES were both simulated and their results were compared in terms of the discharging efficiency and heat loss ratio.

열에너지 저장소 내 열성층화를 평가하기 위한 기법

박도현(Dohyun Park),류동우(Dong-Woo Ryu),최병희(Byung-Hee Choi),선우춘(Choon Sunwoo),한공창(Kong-Chang Han) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.1

열에너지를 성층화하여 저장하는 주된 목적은 에너지의 열역학적 질을 유지하기 위한 것으로서 열에너지의 성층화를 통해 필요시 원하는 온도에서 열에너지 활용이 가능하다. 저장소 내 열에너지의 온도에 따른 분리, 즉 열성층화는 이와 같은 열에너지의 활용에 영향을 미치는 핵심 인자이다. 본 논문에서는 열성층화의 정도를 평가할 수 있는 기존에 제안된 기법들을 소개하였으며, 특히 열에너지의 주입, 저장, 배출 과정 동안 열저장소의 성층화와 관련된 성능을 결정하는 데 사용될 수 있는 기법들을 중심으로 개념 및 특징을 살펴보았다. 또한 열성층화 지수를 이용하는 방법을 토대로 스웨덴 Lyckebo 암반공동 내 열에너지의 성층도를 비교 분석하여 기법의 적용성을 조사하였다. A primary objective in creating a stratified thermal storage is to maintain the thermodynamic quality of energy, so thermally stratified energy can be extracted at temperatures required for target activities. The separation of the thermal energy in heat stores to layers with different temperatures, i.e., the thermal stratification is a key factor in achieving this objective. This paper introduces different methods that have been proposed to characterize the thermal stratification in heat stores. Specifically, this paper focuses on the methods that can be used to determine the ability of heat stores to promote and maintain stratification during the process of charging, storing and discharging. In addition, based on methods using thermal stratification indices, the degrees of stratification of stored energy in Lyckebo rock cavern in Sweden were compared and the applicability of the methods was investigated.

폴리머 집열기가 적용된 PVT 패널의 국내 적용을 위한 열성능 실험연구

곽재호(Jae Ho Kwak),이근휘(Keun Hui Lee) 대한설비공학회 2017 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.6

태양광열(PVT) 패널은 태양전지(PV) 패널과 집열기(Collector)를 일체화하여 PV 패널로부터의 전력과 집열기로부터의 열을 동시에 생산하는 장치이다. 본 연구에서는 폴리머 집열기가 적용된 PVT 패널의 국내 적용을 위한 선행연구로 현장실증 성능평가를 수행하였다. 폴리머 집열기가 적용된 PVT 패널의 전력과 열 생산량 및 효율을 측정하는 한편 풍속에 따른 PVT 패널의 효율 변화를 분석하였다. 겨울철은 폴리머 집열기내의 순환유량은 6.7 LPM, 출수온도는 4.0~18.0℃, 외기온도는 0.7~3.4℃에서 운전되었다. 여름철은 폴리머 집열기내의 순환유량은 1.0 LPM이며, 출수온도는 18.7~41.0℃이며, 외기온도는 18.7~29.8℃에서 운전되었다. 겨울철, 여름철 모두 풍속이 작을수록 폴리머 집열기 성능은 제조사에서 제공하는 효율식과 비슷한 경향을 보였으나, 풍속이 클수록 폴리머 집열기 성능은 제조사에서 제공하는 효율식과 차이를 보인다. 겨울철 PV 패널의 전력효율은 평균 15.7%이며, 집열기의 열효율은 최대 41.9%이며 평균 30.1%이다. 바람속도가 증가할수록 효율은 감소하는 경향을 보였다. 여름철 PV 패널의 전력효율은 14.5%이며, 집열기의 열효율은 최대 17.5%이며 평균 10.5%이다. 바람속도에 따른 효율변화는 거의 없었다. 겨울철과 여름철의 성능이 차이가 나는 것은 집열기내 순환 유량이 1.0LPM으로 겨울철 유량 6.7LPM보다 작은 영향으로 생각된다.

실외 시험결과를 이용한 평판형 태양열 집열기의 집열효율 측정

김원욱(Wonuk Kim),김용기(Yong Ki Kim) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.11

The use of renewable energy is increasing to reduce global warming. Solar energy is the biggest renewable energy source, used in the form of solar thermal and photovoltaic system. Solar thermal system is used as a good alternative to heating systems using fossil fuels, but it has a weakness that solar thermal energy is changing with weather conditions. Therefore, to use solar energy for heating, it is very important not only determining thermal efficiency of solar collector, but also predicting the amount of solar thermal energy. In this study, thermal efficiency of flat-plate solar thermal collectors from three manufacturers was investigated using outdoor steady-state thermal performance test with three water flow rates and various inlet water temperatures in Goyang city of Gyeonggi-do. As a results, the higher water flow rate showed the higher thermal efficiency and the small deviations of collector efficiency between manufacturers are observed.

가열탱크 내부 스크류 회전속도에 따른 전기보일러의 열성능에 관한 연구

금종수(Jong-Soo Kum),김동규(Dong-Gyu Kim),박종일(Jong-Il Park) 한국지열·수열에너지학회 2015 한국지열에너지학회논문집 Vol.11 No.3

This study was aimed at the heating tank with a screw-rotation device for improving the thermal efficiency of electric boiler. In the proposed system, analysis items were the heater rod surface temperature variation, reaching time for set temperature and thermal efficiency. The following conclusions are obtained from this experimental study. (1) When screw speed increases, the time reaching for set temperature tended to be shorter. (2) When the rotation speed becomes 300 rpm, the surface temperature difference between the right and left heater rod decreases by 49%, from 19.7℃ to 9.7℃ in average. (3) When the rotation speed is over 250 rpm, proposed heating tank structure appeared to be effective in terms of thermal efficiency. Thermal efficiency with the rotation speed 300 rpm is improved by 3.8% compared to the case of rotation speed 0 rpm.

상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 태양열 축열조의 성능예측을 위한 CFD 해석모델 개발 및 검증

백승만(Seung Man Baek),종일명(Yiming Zhong),남진현(Jin Hyun Nam),정재동(Jae Dong Chung),홍희기(Hiki Hong) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.4

태양열 온수급탕 시스템에서는 태양열 에너지가 집열판에서 획득되고 열매체로 전달되어 최종적으로 온수의 형태로 축열조에 저장된다. 본 연구에서는 상부 코일히터를 갖춘 나선재킷형 축열조의 축열성능 특성을 정확하게 해석할 수 있는 전산유체역학 모델을 개발하였다. 본 연구에서 고려한 축열조는 벽면에 열매체의 나선유로가 형성된 맨틀형 축열조의 일종으로 시스템 설계 단순화, 저유량 운전, 성층화 촉진 등의 장점을 지닌다. 또한 축열조 내부에 추가적인 코일히터가 장착되어 축열성능과 성층화의 추가적인 향상을 도모할 수 있다. 본 연구에서 개발된 해석모델의 검증은 실제 태양열 온수급탕 시스템의 실증실험 결과와 비교를 통하여 수행되었으며, 온수의 온도변화, 열매체의 온도변화, 성층화 온도분포의 측면에서 잘 일치하는 결과를 얻었다. In a solar domestic hot water (SDHW) system, solar energy is collected using collector panels, transferred to a circulating heat transfer fluid (brine), and eventually stored in a thermal storage tank (TST) as hot water. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed to predict the solar thermal energy storage in a hybridtype TST equipped with a helical jacket heater (mantle heat exchanger) and an immersed spiral coil heater. The helical jacket heater, which is the brine flow path attached to the side wall of a TST, has advantages including simple system design, low brine flow rate, and enhanced thermal stratification. In addition, the spiral coil heater further enhances the thermal performance and thermal stratification of the TST. The developed model was validated by the good agreement between the CFD results and the experimental results performed with the hybrid-type TST in SDHW settings.

PVT 패널의 운전조건에 따른 시스템적 성능에 관한 실험적 연구

이근휘(Keunhui Lee),곽재호(Jaeho Kwak) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6

태양광열(PVT) 패널은 태양전지(PV) 패널과 집열기(Collector)를 일체화하여 PV패널로부터 전력과 집열기로부터 열을 동시에 생산하는 장치이다. 본 연구에서는 PV에 접착하거나 PV와 일체형으로 제작하지 않고 PV에 탈부착(Add-on) 할 수 있도록 제작한 폴리머 집열기가 적용된 PVT 패널을 사용하였다. PVT 패널의 시스템적 성능을 평가하기 위해 실증 건물에 급탕예열시스템을 설치하여 PVT 패널에서 생산된 열로 급탕예열을 하게 하면서 집열기내 순환유량에 따른 PVT의 열효율과 여름철 기존 PV 대비 전력효율 상승효과를 평가하였으며 동시에 여름철 집열기 과열문제의 발생 유무를 관찰하였다.

파이프 재질 및 형태에 따른 에너지 슬래브의 현장 열교환 성능 평가

이석재,오광근,한신인,박상우,최항석 한국 지열 · 수열에너지학회 2017 한국지열에너지학회논문집 Vol.13 No.4

The energy slab is a ground coupled heat exchanger equipped in building slab structures, which represents a layout similar to the horizontal ground heat exchanger (GHEX). The energy slab is installed as one component of the floor slab layers in order to utilize the underground structure as a hybrid energy structure. However, as the energy slab is horizontally arranged, its thermal performance is inevitably less than the conventional vertical GHEXs. Therefore, stainless steel (STS) pipes are alternatively considered as a heat exchanger instead of high density polyethylene (HDPE) pipes in order to enhance thermal performance of GHEXs. Moreover, not only a floor slab but also a wall slab can be utilized as a heat-exchangeable energy slab in order to maximize the use of underground space effectively. In this paper, four field-scale energy slabs were constructed in a test bed, which consist of the STS and HDPE pipe, and a series of thermal response tests (TRTs) was conducted to evaluate relative heat exchange efficiency per unit pipe length according to the pipe material and the configuration of energy slabs. The energy slab equipped with the STS pipe shows higher thermal performance than the energy slab with the HDPE pipe. In addition, thermal performance of the walltype energy slab is almost equivalent to the floor-type energy slab.

Numerical approach for comparative performance study of tube type and box type hybrid photovoltaic/thermal system

Bhattarai Sujala(바타라이 수절라),Kim Dae-Hyun(김대현) 한국태양에너지학회 2011 한국태양에너지학회 논문집 Vol.31 No.5

태양광열 복합 시스템(photovoltaic/thermal hybrid solar system PV/T)은 태양광 모듈 및 태양열 집열판의 단일화를 통한 전기 및 열에너지의 동시 생산이 가능하도록 구성되고 기존 태양광 모듈의 온도 상승에 따른 효율 저하의 문제점을 보완 및 발생하는 열을 회수하여 온수 생산이 가능한 장치이다. 본 연구에서는 액체형 PV/T 시스템의 대표적인 두 형태인 박스형과 튜브형의 성능 검증을 위하여 수학적 모델링을 통한 두 시스템의 열 및 전기적 성능을 비교·분석하였다. 모델링은 에너지 평형식을 이용하여 시간에 따른 각 부분의 온도의 변화를 예측할 수 있도록 수립되었으며 계산된 결과를 기준으로 전기 열 및 전체효율을 도출해 내고 이를 바탕으로 두 시스템의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 박스형 PV/T 시스템의 최고 온수 온도는 52℃로 예측되었고 반면에 튜브형은 48℃에 머물렀다. 또한 열효율은 박스형이 최대 51% 튜브형이 41% 전기효율은 박스형이 약14% 그리고 튜브형이 13%로 나타났으며 전체효율은 박스형이 73% 그리고 튜브형이 64%로 나타나 박스형 PV/T 시스템이 튜브형보다 더 나은 성능을 가지는 것으로 예측되었다. 이는 박스형이 튜브형보다 태양광 모듈과 온수와의 접촉면적이 넓어 더 많은 열전달이 발생하기 때문으로 사료된다.

지하 열에너지 저장 기술 및 스웨덴 암반공동내 열수 저장 사례

박도현(Dohyun Park),김형목(Hyung-Mok Kim),류동우(Dong-Woo Ryu),최병희(Byung-Hee Choi),선우춘(Choon Sunwoo),한공창(Kong-Chang Han) 한국암반공학회 2012 터널과지하공간 Vol.22 No.1

Thermal energy storage is defined as the temporary storage of thermal energy at high or low temperatures for later use in need. The energy storage can reduce the time or rate mismatch between energy supply and demand, and thus it plays an important role in conserving energy and improving the efficiency of energy utilization, especially for renewable energy sources which provide energy intermittently. Underground thermal energy storage (UTES) can have additional advantages in energy efficiency thanks to low thermal conductivity and high heat capacity of surrounding rock mass. In this paper, we introduced the technologies of underground thermal energy storage and rock caverns for hot water storage in Sweden.