CuO 나노유체의 적용에 따른 평판형과 U-tube형 태양열 집열기의 성능비교에 대한 실험적 연구

주운천 조선대학교 교육대학원 2017 국내석사

ABSTRACT Experimental study on the efficiency comparison of flat-plate and U-tube solar collector using CuO nanofluid Un-cheon Ju Advisor : Prof. Cho, Hong-hyun Mechanical&Metallurgical Education Chosun University In this study, thermal efficiency of a flat-plate solar collector and a U-tube solar collector using a CuO nanofluid and water as a working fluid was investigated according to CuO nanoparticle size and concentration. Experiment was carried out under the mass flow rates of 0.033 kg/s and 0.047 kg/s respectively. Additionally, CuO nanoparticles with the size of 40 nm and 80 nm were used and concentration of nanofluid was changed by 0.1vol%, 0.3vol%, 0.5vol%, and 0.7vol%, respectively. The thermal conductivity increased non-linearly as the CuO nanofluid concentration increased. In addition, it was confirmed that the increase of thermal conductivity ratio gradually decreased when concentration of CuO nanofluid increased. Experimental results showed that the efficiency of solar collector showed the maximum when a mass flow rate of working fluid was 0.047 kg/s, CuO nanoparticle size was 40 nm, and CuO nanofluid concentration was 0.5vol%. In this case, the heat gain and heat loss coefficient of a flat-plate collector was 0.735 and 22.8, respectively. In addition, Heat gain and heat loss coefficient of U-tube solar collector was 0.695 and 16.66, respectively. When the efficiency of flat-plate and U-tube solar collector using CuO nanofluid was improved by 11.32% and 7.82%, respectively, compared to that using water. In order to increase the efficiency of the solar collector, the size of nanoparticle and concentration of nanofluid should be appropriately controlled and the mass flow rate in the system should be designed optimally. The smaller the size of nanoparticle in the nanofluid, the more active the Brownian motion, resulting in the better the absorption of solar energy. The high volume concentration of CuO nanofluid has good thermal conductivity, but the viscosity increases and the heat transfer performance decreases. On the other hand, the optimal concentration of CuO nanofluid is very important because it can not absorb whole of solar energy if the concentration of CuO nanofluid is low. Thus, the size and concentration of nanofluid are very important factors on the performance of solar collector. From the experimental result, the use of CuO nanofluid is superior to absorption of solar energy than the use water. Therefore, when the CuO nanofluid is used with optimal conditions, it is sure to improve the efficiency of solar collector.

太陽熱 給湯시스템의 最適設計에 關한 硏究

김원태 漢陽大學校 大學院 1984 국내석사

태양열 계간 축열조 시스템의 건물에너지원으로의 적용에 관한 연구

조혜진 광운대학교 대학원 2005 국내석사

현대사회는 급속한 산업발전으로 인하여 에너지소모 및 지구환경 오염문제에 당면하게 되었다. 이로 인해 에너지 소비의 상당수를 차지하는 건축에서 에너지 절감 대책 및 대체에너지 개발이 촉구되고 있다. 수많은 대체에너지 중 태양에너지는 무한에너지이며,청정에너지라는 점에서 대체에너지에 적합한 에너지이나 계절 및 시간의 변화에 따라 얻을 수 있는 에너지의 양이 매우 가변적이고 에너지의 수요와 공급이 시간적으로 일치하지 않아 고가의 설비임에도 불구하고 효율이 좋지 않아 사용이 많지 않다. 또한 고층건물이나 대규모 건물의 경우 태양열 시스템의 설치공간 부족으로 적용이 미비한 것이 현실이다. 따라서 이러한 배경에서 태양에너지의 가변성과 수요와 공급의 시간적 불일치라는 점을 해결할 수 있는 태양열 계간 축열 시스템에 대하여 연구하여 태양열 계간 축열조 시스템의 효율을 정량적으로 입증하고,그에 따른 장점이나 문제점들을 분석하고, 더 나아가 태양열 계간 축열조 시스템의 건물에너지원으로의 적용에 관하여 연구해 보았다. 본 논문의 주요 연구는 다음과 같다. 1. 기본적인 형태의 오피스텔을 평가대상 건물로 선정하여 건물에너지 해석 프로그램인 eQUEST 프로그램을 이용하여 연간 건물 사용에너지를 산출하였다. 그리고 산출된 건물에너지를 난방·급탕에너지로 나누어 분석하고 각 결과를 시간별·계절별로 나누어 분석하였다. 2. 평가대상 건물에서 설치할 수 있는 태양열 시스템의 크기를 분석하였다. 특히 고층건물의 경우 집열시스템의 설치공간이 건물규모에 비해 부족하므로 연구를 위해서는 필수적인 선행 조건이라 할 수 있다. 집열 시스템의 경우 설치면적이 남측면이나 남동측면으로 제한 되어 평가대상 건물에서 설치가능한 최대 면적을 산출하였다. 3. 1년의 전 기간동안 태양열 난방 시스템과 급탕 시스템에 대한 형태 및 기본조건을 입력하여 태양에너지 해석 프로그램인 TRANSYS 프로그램을 사용하여 태양열 시스템에서 획득 및 공급되는 에너지량을 산출하였다. 이를 바탕으로 평가대상 건물에서 연간 사용되는 에너지에 대한 에너지 공급량을 산출하였으며,계간 축열 시스템의 효율을 정량적으로 입증하였다. In our society, there are some problems of the energy consumption and the pollution of the earth environment by rapid growing of the industry. So, the buildings has been demanded reduction of the energy and explotation of the subsititutive energy. Because buildings have accounted for pretty part of energy consumption. In many substitutove enery, especially, the solar energy is suitable energy for substitutive energy, because, it is infinite energy and clean energy. But, the solar energy has some problems. The one of reason, the amount of solar energy is very variable by the change of season and time. The other one of it's, it hasn't eneough efficiency for energy load, in spite of, it is very expensive system. The last one of it, the solar system hasn't enough space for setting in large building. So, in these background, I study about the solar seasonal thermal storage system for solution of variaty of the solar energy and disagreement between demand and supply of the solar energy. And it's for the quantitative analysis of the solar seasonal thermal storage system. So, I study about feasibility study of solar seasonal thermal storage system for building energy source The major results of this paper are followings. First, the basic officetel builing is chose for the estimative building. And, I calculate the yearly building energy for the heating and the domestic hot water by the eQUEST the building energy analysis program. Second, I analysis the setable solar system in the estimative building. because most of large building couldn't have the enough space for solar collector system by the azimuth of the building. Last, I analysis the gaining solar energy form the solar system and supplying solar energy to the building load by the TRANSYS program that the solar energy analysis program. So, the result of this program, I proof the quantitative efficiency of the solar seasonal thermal storage system.

산업 분야 탄소 중립을 위한 태양열 히트펌프의 공정 성능 해석 및 경제성 분석

이가람 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2024 국내박사

전 세계 총에너지의 절반 이상이 산업 분야에서 소비되며, 이 중 열에너지가 과반수를 차지한다. 대부분의 열에너지는 화석 연료로부터 얻어지고 있으며, 이로 인해 발생하는 다량의 온실가스는 지구온난화를 촉진하여 기후 위기를 가속화한다. 따라서 산업 분야의 화석 연료 기반 열에너지를 재생 열에너지로 전환하는 것은 필수적이다. 산업 공정에 증기를 친환경적으로 공급할 수 있는 고온히트펌프는 고온의 증발 열원을 필요로 한다. 이러한 고온 열원으로 주로 고려되는 산업 폐열은 산업 공정에서 필요한 열량의 통상 약 17%에 불과함으로, 충분한 증발 열량을 제공하는 산업 현장은 매우 드물다. 태양열에너지는 이러한 고온 열 수요에 대응할 수 있는 거의 유일한 재생 열에너지원이다. 태양열 시스템과 고온히트펌프의 융합을 통해 산업의 증기 열 수요에 광범위하게 대응할 수 있다. 그러나 현재까지 건물의 난방 및 급탕 수요에 대응하는 태양열 히트펌프에 대한 연구는 많이 이루어졌으나, 산업의 증기 공급을 목적으로 하는 연구는 거의 전무하다. 따라서 본 연구는 산업 공정에 120°C의 증기를 공급하는 태양열 히트펌프 시스템의 최적 공정 및 시뮬레이션 모델을 개발하고자 한다. 이를 통해 기술·경제적 실현 가능성을 평가하여, 기존 화석연료기반 열공급시스템을 대체할 수 있는지 확인하고자 한다. 본 연구에서는 태양열 히트펌프의 최적 공정을 선정하는 방법론이 수립되었으며, 이를 바탕으로 최적 공정 모델을 개발하였다. 최적 공정 모델에 대한 시뮬레이션 모델이 개발되었으며, 연간 성능 및 경제성 분석을 수행하여 기존의 열원인 보일러와 비교하였다. 그 결과, 태양열 히트펌프는 최대 3.24의 연간성능지수를 보였으며, 최대 159만 달러의 순현재가치와 1.99의 비용편익비를 갖는다. 변수별 분석 결과를 토대로 1 t/h의 증기를 생산하기 위한 최적 설계점(집열기 면적 1,500 m2, 축열조 부피 200 m3, 히트펌프 용량 627 kW)을 도출하였다. 이 때, 태양열 의존율은 94.9%, 자본 회수 기간은 3.17년이며, 연간 4,107 tCO2를 저감할 수 있다. 한편, 화석에너지 기반 고온히트펌프 및 단독 고온히트펌프와의 폐열 비율에 따른 경제성을 비교·분석하였다. 그 결과, 무료 폐열이 고온히트펌프의 증발 열원을 100% 제공해 주지 못하는 경우, 폐열 비율과 관계없이 태양열을 열원으로 사용하는 본 시스템이 다른 열원을 이용한 고온히트펌프보다 항상 경제성이 우수하였다. 본 연구를 통해 태양열 히트펌프가 LPG 보일러를 효율적일 뿐만 아니라 친환경적이고 경제적으로 대체할 수 있음을 입증하였다. 본 시스템은 화석연료 기반 보일러를 대체함으로써 산업 및 열 부문 탈탄소화에 기여할 수 있을 것이다. 주요단어(Keyword) : 태양열 히트펌프, 산업공정열, 증기 생산, 고온히트펌프 More than half of the world's total energy is consumed in the industrial sector, with thermal energy constituting the predominant portion. However, the majority of thermal energy is derived from fossil fuels. The substantial greenhouse gas emissions resulting from them exacerbate global warming and accelerate climate crises. Therefore, transitioning fossil fuel-based thermal energy to renewable thermal energy in the industrial sector is imperative. High-temperature heat pumps, which can produce steam for industrial processes in an environmentally friendly manner, require a high-temperature heat source. However, industrial waste heat, which is primarily considered as the heat source, accounts for only about 17% of the heat amount required in industrial processes. Therefore, industrial sites that provide sufficient heat are rare. Solar energy is nearly the sole renewable thermal energy source to meet this high- temperature heat demand even in the sites without the waste heat. The integration of solar thermal systems and high-temperature heat pumps can extensively meet the steam heat demand in industries. However, these integration systems have not been studied especially for the industrial application, although solar thermal heat pumps for space heating and hot water demands have widely investigated. This study aims to design a solar thermal heat pump system capable of supplying steam at 120°C to various industrial processes, and evaluate its performance and economic feasibility to determine whether it can replace existing fossil fuel-based heat supply systems. Annual performance and economic analyses were conducted to compare the system with traditional heat sources such as boilers, and an optimal design point was determined based on the results of variable analyses. Furthermore, the economic feasibility was compared and analyzed on the integrated energy-based / boiler-based high-temperature heat pumps and standalone high-temperature heat pumps according to the waste heat ratio. Based on the performance and economic analyses, it was confirmed that the solar thermal heat pump can successfully supply the steam required for industrial processes. Additionally, the optimal design point for producing 1 t/h of steam was determined to be a collector area of 1,500 m2, a storage tank volume of 200 m3, and a heat pump capacity of 627 kW. At this point, the solar fraction was found to be 94.9%, with a payback period of 3.17 years and an annual reduction of 4,107 tCO2 emissions. On the other hand, standalone high-temperature heat pumps were found to be applicable only to industrial sites where can secure more than 25% waste heat compared to heat source amount of the heat pumps. Furthermore, in sites unable to secure more than 35% waste heat, high-temperature heat pumps using other sources except solar thermal energy resulted in increased carbon emissions compared to using an LPG steam boiler. In cases of the waste heat amount less than 100 %, regardless of its ratio, the solar thermal heat pump was always more economically viable than high-temperature heat pumps using other heat sources. This study confirmed that solar thermal heat pumps can economically and environmentally replace LPG steam boilers. By replacing fossil fuel-based boilers, they can contribute to decarbonization in the industrial and thermal energy sectors. Additionally, they can dramatically expand the heat pump market even to the sites without waste heat. Key words : Solar thermal heat pump, Industrial process heat, Steam production, high-temperature heat pump

太陽熱 住宅團地의 太陽熱 利用 現況에 關한 硏究

이현철 漢陽大學校 1990 국내석사

태양광열·지열 하이브리드 시스템의 성능예측 및 경제성 분석에 관한 연구

정용대 부산대학교 대학원 2017 국내석사

Given the increased energy demands of the building industry, renewable energy systems continue to attract attention for their potential regarding the saving of building energy. The ground source heat pump system for which the annual stable-ground temperature is used has also attracted interest as an efficient and economic system; however, the systemic performance can decrease due to excessive and prolonged operation periods. To prevent the ground temperature from declining, a number of methods such as the use of an auxiliary heat source and a thermal storage tank can be employed. In this paper, we tried to solve the problem through the fusion of the ground source heat pump system and photovoltaic/thermal system. For this paper, the systemic performance was analyzed from a review of the systemic development for which a possible operation method was considered. In this paper, the performance of a combined GSHP–PVT (GeoPVT) system was analyzed and numerically simulated for the development of a renewable energy hybrid system. ◼ The influence of the heat-supply system for which the combined GSHP and PVT system is used was analyzed. In terms of the hybrid operation, the increase of the SPFHP is 3.4 % on average when compared with that of the GSHP system. When the system operated during the day, the performance increase is 4.6 %. The average SPFSystem that was calculated represents a 55.3 % increase over the average SPF of the existing system. ◼ The effect of the operation for which storage-tank heating is used was also analyzed. The result of the analysis shows that the SPFSystem depends on the power consumption, and the SPF growth rate under the daytime operation is 24.96 %. ◼ The effect of the changes of the set temperature of the solar-heating supply was also analyzed. Of the different solar-heating set temperatures, the total systemic performance of the 35° C case, which is 1.8 %, is better than that of the 45° C case, according to the calculation results. ◼ The effects of the variety of PVT-connection methods were examined through simulations of the heat supply for which the different utilization conditions that correspond to the three methods are used; therefore, heat is infused in the space-heating circuit, the storage-tank circuit, and the ground-heat exchanger circuit. In a comparison with the solar-heating operation, the heat-storage operation decreased by 17.5 % and the underground heat-storage operation decreased by 14.5 %. ◼ Feasibility study was evaluated based on initial cost and operating cost of GeoPVT system and the results were compared with the GSHP systems. It was found to be the most economical in the hospital building. The hospital was the highest initial cost, but the most remarkable gain in annual operating costs.

태양열 반사 적색 안료의 제조와 차열효과

이현진 인하대학교 대학원 2014 국내석사

태양열 반사 안료는 태양광의 가시광 및 적외선을 반사하고 열의 침입을 차단하는 기능을 가지고 있으며, 에너지 절약의 효과를 가지므로 건축내·외장재용 도료와 자동차, 산업 및 기타시설 등에 다양하게 적용이 가능하다. 주로 안료의 굴절률 및 형상에 의해 주 열원인 적외선을 반사시켜 태양의 복사열을 차단시킬 수 있다. 또한 열선 차단 도료는 여름철 한낮의 콘크리트나 강재의 표면온도가 상승되어 건물 내부의 냉방부하가 상승되는 열섬현상을 막을 수 있다. 태양열 반사안료는 주로 흰색계열의 TiO2 소재가 많이 활용되고 있으며, 유색의 적색 반사안료는 Fe2O3 등의 적색안료를 사용할 수 있다. 그러나 태양열 반사안료 효율은 결정성, 입자크기, 판상체에 유색안료를 코팅하는 방법 등을 통해 태양열 반사특성을 극대화 할 수 있다. 본 연구에서는 그 중에 친환경적인 판상체인 Mica 기재 위에 나노크기의 금속산화물(Fe2O3, TiO2)을 표면 코팅하여 적색안료의 제조 및 일사반사율의 영향을 관찰하였다. 적색안료 제조를 위한 실험인자로는 pH, 코팅염의 주입속도, Fe2O3층의 코팅두께, 코팅층(단일 또는 이중층) 등이 있다. 일사반사율은 Fe2O3 코팅층의 표면이 균일할 경우 높게 나타났으며, 적색의 구현은 Fe2O3/TiO2 이중층으로 마이카에 코팅이 될 때 유리하였다. 이 적색 안료는 희석제, 침강방지제, 분산제와 일정량을 배합하여 최적화된 도료 및 도막을 제조하였다. 특히, 적색안료의 코팅특성에 따라 다양하게 제조된 도막들은 일사반사율, 색차, 차열성능을 통해 평가하였다.

TRNSYS를 이용한 태양열 온수급탕 시스템의 집열기 기울기의 영향에 대한 열성능 해석

조현국 경상대학교 융합과학기술대학원 2012 국내석사

현재 한국에서 태양열 이용에 있어 가장 오랜 역사와 경제성을 갖는 분야는 실용화 단계에 와 있는 태양열 난방 시스템이다. 안정적으로 작동 가능한 태양열 난방 시스템의 성능예측 및 최적설계를 위해서는 장기간에 걸친 실제상황의 운전데이터를 확보할 필요가 있다. 집열기 기울기에 대한 설정은 시스템의 정확한 성능을 파악하기 위해 중요하지만 정확하고 자세한 자료가 확보되어 있지 못한 실정이다. 본 논문에서 태양열 집열기 기울기들을 TRNSYS를 이용해서 시뮬레이션해 보았다. 물론, TRNSYS를 이용한 장기 열성능 해석에 앞서 시뮬레이션 모델에 대한 신뢰도가 확보되어야 하고 열성능에 영향을 미치는 중요한 입력 변수들 즉, 집열기의 열성능, 집열면적, 태양열 시스템의 구성요소의 사양과 성능, 부하조건, 기상상태 등 여러 가지가 고려되어야 하므로 해당설비에 맞는 최적의 변수 값을 입력해야 하는 것이 선행되어야 한다. 특히, 본 논문에서는 태양열 급탕 시스템을 TRNSYS를 이용한 열성능을 집열기 기울기를 다양하게 적용하여 태양열 의존율을 해석적으로 접근해 보았다. 본 연구의 해석 대상은 가정용 태양열 급탕 시스템으로 설정하였다. 태양열 집열기의 기울기를 30˚, 35˚, 40˚, 45˚로 설정하여 TRNSYS로 해석을 수행하였다.

空氣式太陽熱 集熱器를 利用한 太陽熱住宅의 暖房 特性에 關한 硏究

임세유 漢陽大學校 1986 국내석사

MWCNT와 Fe3O4 이성분 나노유체 적용 태양열 집열기의 성능 분석

강우빈 조선대학교 일반대학원 2018 국내석사

In this paper, when the MWCNT, Fe3O4, MWCNT-Fe3O4 binary nanofluids were applied into the flat plate and evacuated tube solar collectors as working fluid, the performance of solar collector was investigated experimentally. The experiment was conducted with a variation of the concentration of nanofluid, size of nanoparticle, and the mass flow rate of working fluid. In addition, Based on the performance of solar collector using MWCNT and Fe3O4 nanofluid, the MWCNT-Fe3O4 binary nanofluid was fabricated and its performance was analyzed with operating conditions. When MWCNT nanofluid was used as a working fluid in flat plate and evacuated tube solar collector, the maximum efficiency was 87.5% at the mass flow rate of 0.047 kg/s. At this case, the MWCNT nanoparticle size and nanofluid concentration was 20 nm and 0.005vol%. In case of evacuated tube solar collector, the maximum efficiency was 75.6% when 20 nm-0.005 vol% MWCNT nanofluid was used. When MWCNT nanofluid was applied into the flat plate and evacuated tube solar collector, the maximum efficiency was improved by 39.6% and 37.7%, respectively, compared to that when the water was used. The maximum efficiency was 71.6% and 69.8% in the flat plate and evacuated tube solar collector, respectively, when the Fe3O4 nanofluid was used. At this case, the Fe3O4 nanoparticle size and nanofluid concentration was 30 nm and 0.015vol%. Besides, when 0.015vol%-Fe3O4 nanofluid was used in the flat plate and evacuated tube solar collector, it was confirmed that the maximum efficiency was improved by 14.2% and 27.1%, respectively, compared to that when the water was used. MWCNT-Fe3O4 binary nanofluid was also used as a working fluid in flat plate and evacuated tube solar collector. When Case 3 (0.005vol%-MWCNT & 0.01vol%-Fe3O4) binary nanofluid was applied into the flat plate solar collector, the highest efficiency was 80.3% which was about 28.1% higher than that using water. When Case 3 (0.005vol%-MWCNT & 0.01vol%-Fe3O4) binary nanofluid was applied into the evacuated tube solar collector, the highest efficiency was 79.8% which was about 45.4% higher than that using water. Form the experimental result, the maximum efficiency using Case 3 (0.005vol%-MWCNT & 0.01vol%-Fe3O4) was higher than Case 4(0.005vol%-MWCNT & 0.015vol%-Fe3O4) which was made by mixing of optimum concentration for MWCNT and Fe3O4 nanofluid, respectively. The performance sensitivity of flat plate and evacuated tube solar collector with operating parameters was analyzed when water, Al2O3, CuO, MWCNT, Fe3O4, and MWCNT-Fe3O4 binary nanofluid were used. The operating parameters used in the performance sensitivity analysis were the concentration of nanofluid, solar radiation, temperature parameter and mass flow rate of working fluid. When the MWCNT nanofluid was used in the flat plate and evacuated tube solar collector, the performance of solar collector was the most sensitive to the concentration of nanofluid, solar radiation, temperature parameter and mass flow rate of working fluid. In order to overcome this problem, it was confirmed that the performance sensitivity of solar collector using MWCNT-Fe3O4 binary nanofluid was reduced with operating conditions. By using this study, it is possible to provide the optimal design data for the high efficiency solar collector according to the type of nanofluid.