진공 유리를 이용한 평판형 태양열 집열기의 상세 모델링

날짜: 2023년 3월 20일

저자: Viacheslav Shemelin, Tomas Matuska

학술 편집자: Stoian Petrescu

원천: 힌다위 | https://doi.org/10.1155/2017/1587592

진공 유리를 사용한 평판형 태양열 집열기의 이론적 분석이 제시됩니다. 흡수체의 외부 및 내부 에너지 균형을 결합한 상세한 이론적 모델을 통해 수집기의 다양한 구성이 조사되었습니다. 진공 평판 수집기 대안의 성능 특성이 도출되었습니다. 그 후, 선택된 변형에 대해 연간 에너지 이득을 평가하고 최첨단 진공관 수집기와 비교했습니다. 모델링 결과는 최적화된 저방사율 코팅(방사율 0.20, 태양 투과율 0.85)이 적용된 고급 진공 유리를 사용하는 경우 진공관 집열기와 유사하거나 훨씬 더 나은 효율성 매개변수를 달성할 수 있음을 나타냅니다. 본 논문에서 제시된 설계는 FPC의 적용 범위 확장에 유망한 것으로 간주될 수 있으며 중저 온도 수준이 필요한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

햇빛으로부터 열을 생산하기 위해 태양 에너지를 열적으로 사용하는 것은 가장 오래된 에너지 변환 방법 중 하나입니다. 이 기술은 오랫동안 알려져 왔으며 때로는 무의식적으로 사용되기도 했습니다. 지난 45년 동안 재발견되어 다시 사용되었습니다. 현재는 적용할 준비가 되어 있지만 이 짧은 성장 시간 이후에는 이 분야, 특히 태양열 집열기 분야에서 개발 가능성이 큽니다.

현재 유럽에서 가장 널리 사용되는 태양열 집열기 유형은 태양광 평판 집열기(FPC)입니다. 간단한 구조, 높은 광학 효율, 저렴한 비용 및 안전한 작동이 주요 특징입니다. 그러나 FPC는 일반적으로 40°C~60°C 사이의 저온 수준에 맞게 설계되며 이는 대부분 가정용 온수 시스템의 경우입니다. 더 높은 온도 수준으로 전환하면 FPC의 적용 범위가 확장될 수 있습니다. 따라서 평판형 태양열 집열기의 성능을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있다. 평판 태양열 집열기의 성능은 투명 커버를 통해 흡수체에서 주변으로의 열 손실에 의해 크게 영향을 받습니다. 이러한 열 손실을 줄이는 한 가지 방법은 추가 유리판, 플라스틱 필름 또는 투명 단열재(TIM)를 사용하여 파티션을 나누어 흡수재와 덮개 사이의 공간에서 자연 대류 열 전달을 줄이는 것입니다. 이러한 열 손실을 줄이는 또 다른 방법은 공기 대신 열전도율이 낮은 가스를 사용하거나 공간을 비우는 것입니다.

Veinberg BP와 Veinberg VB [1]는 태양광 투명 벌집형 단열재로서 "깊고 좁은 메쉬"의 사용을 조사했습니다. 또한 Hollands [2]는 FPC의 흡수체와 외부 유리 커버 사이에 배치된 대류 억제 장치로서 셀형 벌집 모양의 이론적 성능 특성을 제시했습니다. Tabor [3]는 허니콤 단열재의 성공적인 사용을 위해서는 더 나은 물리적 특성과 제조 기술을 갖춘 재료가 필요함을 나타내는 셀룰러 허니컴 구성에 대한 간략한 그림을 제시했습니다. 나중에 Rommel과 Wagner[4]는 50~100mm 폴리카보네이트 허니콤 층을 포함하는 FPC가 40~80°C 사이의 유체 작동 온도에서 잘 작동한다는 것을 입증했습니다. Kessentiniet al. [5]는 80~120°C의 열 공급을 위한 플라스틱 투명 절연체와 저렴한 과열 보호 시스템을 갖춘 FPC를 제시했습니다. 플라스틱 커버는 120°C 이상의 온도에서 녹기 쉽기 때문에 유리 벌집형을 사용하여 최대 260°C까지 더 높은 작동 온도에 도달하는 것도 가능합니다.

Svendsen과 Jensen[6] 및 Svendsen[7]은 흡수체와 덮개 사이의 공기 간극을 모놀리식 실리카 에어로겔로 채우고 10kPa로 진공화하면 태양광 FPC 효율이 크게 향상될 수 있음을 실험적으로 보여주었습니다. Duan[8]은 투명 덮개와 흡수판 사이에 에어로겔 층을 배치하여 전면 열 손실을 감소시키는 연구를 수행했으며 기존 집열기에 비해 집열 효율이 21% 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 연구는 흡수체와 대류에 의한 덮개 제한 열 전달 사이의 공간 분할로 인해 TIM을 사용하면 대류 열 손실이 크게 감소하여 FPC의 더 높은 성능이 달성되었음을 입증했습니다. 테스트 결과는 고무적이었고 진공관 집진기와 비슷한 성능을 얻었습니다.