2배 집광 효율을 갖는 포물 집광 방식 태양광-열 하이브리드 모듈 개발에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

2배 집광 효율을 갖는 포물 집광 방식 태양광-열 하이브리드 모듈 개발에 관한 연구 김 환 욱 동신대학교 대학원 에너지시스템공학과 (지도교수 이상근) 최근 화석연료 고갈과 환경오염이 중요한 문제로 제기되면서 신재생에너지 개발 이 중요한 쟁점이 되고 있다. 세계 각국은 국가 온실가스 감축 목표(NDC)와 분야 별로 적합한 장기 저온실 가스 감축 전략(LED)에 합의하고, 특히 신재생에너지를 이용한 온실가스 배출을 최소화하기 위해 노력하고 있다. 그동안의 연구 결과로 태 양전지의 성능이 획기적으로 개선되면서도 비용이 낮아지고 있어 모든 재생 에너지 자원 중에서 태양광 발전 기술이 유망한 기술로 나타나고 있다. PV(Photovoltaics) 시스템은 다양한 활용성에도 불구하고 태양이 비추는 시간에만 발전이 가능하다는 단점이 있고, 사용하지 않은 전력을 저장하기 위해서는 별도의 에너지저장 장치를 필요로 해서 기저 전력이 공급되지 않는 곳에서의 활용은 어려운 상황이다. 따라서 태양광과 태양열을 동시에 사용해 전기와 열을 수집할 수 있는 태양광-열 (PVT : Photovoltaics Thermal) 발전시스템에 관한 연구가 증가하고 있다. 최근에는 여러 종류의 PVT 시스템이 상용화 단계에 이르고 있으나, 아직 제품의 신뢰도가 낮고 가격이 너무 높다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 PVT 분야에서의 더 많 은 연구개발이 필요하며, 특히 열 흡수시스템의 설계와 제작, 에너지 전환 효과의 개선 및 비용 절감, 시스템의 신뢰도 향상 등에 관한 연구가 필요한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 CPC 방식의 PVT 하이브리드 모듈을 제작하고 제작된 PVT 모듈의 전력효율과 집열효율에 대한 성능 평가를 위한 실험을 하고자 하였다. CPC 방식의 PVT 하이브리드 모듈에 대한 성능 평가를 위한 환경으로는 PVT 경 사면에 대한 일사량을 측정하고, 주변온도, PVT 열매체 입수구와 출수구의 열매체 온도, 유량, 등의 자료수집을 통해 PVT 모듈의 성능 특성을 평가하고자 하였다. 본 연구에서는 PVT 하이브리드 모듈의 전력효율 및 집열효율 분석을 위해 실외 환경에서 PVT 모듈 9개를 설치하여, 전력효율은 3차에 걸쳐 실시하고, 집열효율은 5차에 걸쳐 1분 간격으로 20회씩 총 100회를 실시하였다. 실험 결과로 전력효율은 최대 13.2%, 집열효율은 77.55%의 성능을 갖는 결과를 얻었다. 향후, PVT 하이브리드 모듈의 집열 매체의 물성, 유량, 흡수관의 형태·재질·개수, 유리판 특성, Packing Factor 등 각각의 실험 변수에 따른 열전(熱電) 성능과 다수 의 PVT 하이브리드 모듈을 이용한 전력효율 및 집열 성능에 대한 연구가 필요할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• 초록ⅵ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 제 2 장 관련연구 및 연구 방법 4
• 2.1 태양광 발전 시스템4
• 2.2 CPC(compound parabolic collector)의 집열 구조 및 원리6
• 2.3 태양광열 발전(Photovoltaic Thermal, PVT) 8
• 2.4 위상 공간 보존의 원리 10
• 2.5 최소제곱법에 의한 PVT 모듈 집열기의 열효율(η) 계산 방법 12
• 2.6 상관계수에 의한 열효율 성능 적합성 평가 방법16
• 제 3 장 2배 집광비 태양광-열 CPC 모듈 설계 18
• 3.1 복합 포물 집광(compound parabolic collector, CPC) 구조 개념 18
• 3.2 수광 반각 35°이하 CPC 단위 모듈 구조 19
• 3.3 2배의 집광 효율을 갖는 CPC 설계 20
• 3.4 선형 CPC 구조를 갖는 단위 모듈 설계 23
• 3.5 CPC 구조를 갖는 PVT 모듈 조립 구조25
• 제 4 장 CPC PVT 하이브리드 모듈 기구 제작 26
• 4.1 포물집광형(CPC) PVT 모듈 기구 제작 26
• 4.2 CPC 단위 모듈의 집광부 설계 29
• 4.3 CPC 단위 모듈의 집열부 설계 30
• 4.4 CPC 단위 모듈 흡열관 설계를 위한 전산모의 실험32
• 제 5 장 PVT 하이브리드 모듈 성능 평가 실험 36
• 5.1 PVT 하이브리드 모듈의 구성 및 동작구조36
• 5.2 PVT 모듈 성능평가 실험 환경 38
• 5.3 PVT 하이브리드 모듈의 전력효율 시험40
• 5.4 PVT 하이브리드 모듈의 열효율 시험 43
• 5.5 PVT 열효율 성능 시험 결과45
• 제 6 장 결론 및 향후 연구방향 48
• 참고문헌 50
• ABSTRACT53