경사각별 집열면적 변화와 응축특성

Fig 47.은 일출에서 일몰 시간까지의 시간대별 집열면적과 일사량의 변화를 나타내 는 그래프이다.

정남향으로 고정된 경사각을 갖는 실험장치에서 태양광과 수직하는 경사면의 면적은

『 경사면 유리면적 x Sin(장치경사각 + 태양고도각) x Cos(방위각) 』으로 산출할 수 있다. 일출 후 방위각이 변화함에 따라 일사량을 받는 면적이 증가하고, 남중시간에 가장 많은 일사량을 받을 수 있게 된다.

일사량을 최대로 받는 시간대는 경사각별로 모두 남중시간대로 동일하나, 실제로 일 사량계로 측정되는 일사량은 경사각별로 시간대가 남중시간 이후에 최대의 일사량이 측정되었는데 이는 일사에 의해 지면의 온도가 상승하고 반사와 산란이 최대가 되는 시간은 남중시간 이후가 되기 때문이다.

경사각이 큰 장치가 집열면적이 크고 많은 일사량을 받을 수 있고, 받을 수 있는 일 사량은 경사각과 고도각, 방위각의 변화에 따라 달라진다.

Fig 47. The relation of solar radiation and collecting area with time at each tilted angle (2009.09.10)

Fig 48.은 계절(춘분, 하지, 추분, 동지)과 경사각에 따라 태양이 남중할 때 태양과 수직하게 일사를 받을 수 있는 면적의 변화를 나타낸 그림이다.

- 15^o tilted angle - - 30^o tilted angle -

- 45^o tilted angle - - 60^o tilted angle -

Fig 48. Normal area variation to the sun at each tilted angle at sun altitude

Fig 49.는 동일한 바닥면적을 갖는 실험장치의 태양 고도각의 변화에 따른 태양과 수직한 집열면적의 변화를 경사각 별로 나타낸 것이다.

실험장치 경사각별 실질적인 집열면이 60^o 장치는 겨울철에 크고 여름철에는 작아지 며, 15^o 장치는 여름철에 크고 겨울철에 작아짐을 알 수 있다. 그래프에서 보는 바와 같이 60^o 경사각은 수직면적의 연간 변화가 매우 컸으며, 35^o 경사각일 때 연간 수직 집열면적의 변화가 가장 작음을 알 수 있다. 60^o 의 경우 면적의 변화가 크지만 장치 의 유리면적이 매우 커서 가장 많은 일사량을 받을 수 있다.

태양광과 수직한 경사면의 각도를 계산한 결과 연중 수직 집열면적 크기의 변화는 경사각 별로 11.51%(30^o) > 15.97%(45^o) > 27.06%(15^o) > 33.02%(60^o)였으며, 연중 집 열면의 변화가 가장 작은 경사각은 실험장치가 설치된 장소의 위도와 같은 경사각이 된다.

Fig 49. The monthly area per 1 m² normal to the sun at each tilted angle

Fig 50.은 계절별로 경사각에 따른 외기온도와 내부공기의 평균온도를 나타낸 그래 프이다. 경사각에 따라서 월별로 태양의 남중고도 변화에 따라 태양광과 수직한 경사 면의 면적변화가 발생하는 것은 Fig 49.와 같다. 태양광과 수직한 면적의 크기는 막대 그래프에서 보듯이 경사각이 작으면 여름 > 봄 = 가을 > 겨울 순이며, 경사각이 크면 겨울 > 봄 = 가을 > 여름 순으로 변화하였고, 실험장치 중 계절별로 태양과 수직한 집 열면적의 변화가 가장 작은 경사각은 30^o 경사각 장치였다.

일사량에 의한 외기의 평균온도는 계절별로 여름(26℃) > 가을(15.5℃) > 봄(13℃)

> 겨울(3℃) 순으로 나타났다. 이에 따른 장치 내부공기 평균온도 변화는 경사각이 클 수록 겨울철의 온도가 높고, 여름철에는 낮았다. 이는 경사각이 크면 겨울철에는 집열 면적이 커서 내부공기의 온도상승이 컸으며, 여름철에는 경사각별 태양광과 수직한 집 열면적의 차이가 크지 않아 내부공기 체적이 작은 장치에서 온도가 높게 나타났기 때 문이다.

Fig 50. The outer temperature and seasonal area per 1 m² normal to the sun at each tilted angle (2010.01 ~ 2010.12)

Fig 51.은 계절별로 외기온도와 장치내부 물의 평균온도를 경사각별로 나타낸 그래 프이다.

물의 온도는 Fig 50.의 공기온도 상승과 다르게 경사각이 작을수록 물의 온도가 높 게 나타났다. 이는 장치 내부의 공기체적이 작아 공기의 상․하부의 온도차이가 작아지 고 물과 접하는 하부공기의 온도가 높아져 물로의 열전달이 많아지고 벽체와 바닥으로 의 열손실이 적기 때문에 물의 온도는 높게 나타났다.

여름철에는 경사각이 크면 태양고도가 높아져 태양광과 수직한 집열면적은 급격하게 줄어들어 집열면적 당 공기의 체적이 커서 온도가 낮게 형성되었다.

Fig 51. The water temperature and seasonal area per 1 m² normal to the sun at each tilted angle (2010.01 ~ 2010.12)