Fig 29.는 실험기간 중 (2010.01 ~ 2010.12) 12개월간의 일사량과 응축수량의 관계 를 나타낸 그래프이다.
그래프에서 볼 수 있듯이 겨울철인 11월부터 2월까지는 공전궤도에서 태양과 근일점 에 있으면서도 지축이 23.5o 기울어진 상태로 자전하여 지구의 북반구는 가조시간이 줄어들어 일사량이 작게 측정되었다. 일사량의 변화는 지축이 기울어 자전하는 영향인 가조시간의 변화와 태양고도가 낮아지는 것에 의하여 변화하게 된다.
연간 일사량의 변화는 겨울철에는 매우 작게 측정되며, 3월을 지나 상승하기 시작하 고 5월까지 상승하다가 6월과 7월은 장마와 우기철인 관계로 5월 평균보다 낮아지며, 8월에 다시 상승하여 5월과 비슷하게 유지되다가 10월부터 다시 하강한다.
여름철에는 태양고도가 높고 가조시간이 길어 지면의 온도가 상승하고 따라서 일사 에 의한 영향으로 대기온도가 상승하게 된다. 여름철에는 장마와 태풍 등으로 인한 구 름양의 증가로 매우 적게 나타나기도 했다.
일사량의 변화에 따른 응축수량 변화는 1월부터 4월까지(4개월)와 10월부터 12월까 지(3개월)는 일사량보다는 외기온도에 종속되는 것으로 보이며, 5월부터 9월 까지는 5 개월간은 일사량과 응축수량의 증가와 감소가 매우 유사함을 알 수 있다.
대기의 온도가 낮아지게 되면 장치 내부의 열이 벽체와 바닥으로 손실되어 내부의 물과 공기온도의 상승이 적어지므로, 응축수량이 외기온도에 영향을 받는 시기인 7개 월간의 응축수량의 증가를 위해서는 장치의 단열의 보완이 필요하다.
Fig 29
′The relationof condensed water andsolar radiations (2010
′01 ~2010
′12)
4.2.1 10,000 kJ/m
2∙d 미만인 날
Fig 30.은 일사량이 4,657 kJ/m2∙d 이며 구름의 양이 90%, 강수량이 12.5 mm 인날에 45o 경사각을 갖는 장치에서의 응축특성을 나타낸 그래프이다.
이 날(2009.04.21)은 일사량이 적어서 물의 온도가 2.2℃, 공기온도는 12.7℃ 상승 하는데 그쳤고, 구름량이 많아 내부 공기온도 상승도 적어 응축조건을 형성하지 못하 여 응축수가 적게 발생하였다.
전날은 일사량이 20,646 kJ/m2∙d 로 매우 많아서 전날의 일사량에 의한 응축수량이 많은 부분을 차지하였다.
Fig 30. The relation of inner, outer and water temperature, condensed water and solar radiation below 10,000 kJ/m2∙d with time
at 45o tilted angle (2009.04.21)
Table 13.은 실험기간 중 일사량이 매우 적은 4,657 kJ/m2∙d 인 날(2010.04.21)의 경사각별 응축특성을 나타낸 표이다.
이 날의 태양 고도각과 수직한 경사면의 각도는 23.2o 로서 이 각도와 근접한 경사 각을 갖는 장치인 30o 경사각 장치에서 가장 많은 응축수가 발생하였다.
물과 공기온도는 지속적인 응축의 발생에 영향을 미치며, 내부공기의 체적이 큰 장 치일수록 온도의 상승이 낮았다.
물의 온도변화는 내부공간이 작을수록 온도가 높았는데, 이는 물의 온도가 높아야 지속적으로 증발되고, 포화수증기압에 해당하는 포화온도 이상이 되는 공기의 양이 많 을수록 응축수량이 많아지게 된다. 경사각별 응축수량은 30o > 15o > 45o > 60o 순이 며, 가장 많이 발생된 30o 의 경우는 1,136 ml/m2∙d 였다.
Table 13. The condensation characteristic at each tilted angle, when solar radiation is below 10,000 kJ/m2∙d (2010.04.21)
Tilted angle
Division 15o 30o 45o 60o
Solar radiation (kJ/m2∙d) 4,657 Vertical slope angle on the sun
(o) 23.2o
Glass area (cm2) 10,350 11,540 14,140 19,999 Inner air volume (cm3) 254,000 407,000 620,000 985,000
Collecting area (cm2) 10,240 11,460 13,130 16,010 Air volume per collecting area
(cm3/cm2) 24.80 35.51 47.22 61.52 Maximum
temperature (℃)
Water 28.3 27.2 26.7 24.9 Air 29.9 30.3 32.7 33.0 Condensation Water (ml/m2∙d) 931 1,136 930 784
Solar radiation per
condensation volume (kJ/ml) 5.01 4.10 5.01 5.94
Table 14.는 실험기간 중(2010.01 ~ 2010.12) 일사량이 10,000 kJ/m2∙d 미만인 날인 133일간의 기상과 응축수량을 나타낸 표이다.
기간 중 평균 일일일사량은 평균 5,630 kJ/m2∙d 이며, 구름의 양은 79%, 일조시간은 1.5시간으로 연간평균에 일사량은 44.89%, 구름의 양은 143.63%, 일조시간은 30%에 불 과하여 응축수량은 일사량이 적은 날 일수록 경사각이 큰 장치가 상대적으로 많은 응 축수가 발생하였다.
실험장소인 광주지방의 태양광이 수직으로 입사하는 경사면의 각도가 연평균 35.1o 로서 장치의 경사각이 30o 인 장치에서 가장 많은 일사량을 받을 수 있어 가장 많은 응축이 발생하였고 1 ml 의 응축수가 발생하는 데에는 7.93 kJ 의 일사량이 필요하였 다.
Table 14. The condensation characteristic at each tilted angle for a year, when solar radiation is below 10,000 kJ/m2∙d (2010.01 ~ 2010.12)
Tilted angle
Division 15o 30o 45o 60o
Solar radiation (kJ/m2∙d) 5,630 Amount of cloud (%) 79 Duration of sunshine (h) 1.5
Glass area (cm2) 10,350 11,540 14,140 19,999 Average condensate amount
(ml/d) 607 710 499 512
Condensate amount (ml/m2∙y) 381,204 404,846 276,247 272,969 Solar radiation per
condensation volume (kJ/ml) 9.28 7.93 11.28 10.99
Fig 31.은 실험기간 중 일사량이 10,000 kJ/m2∙d 미만인 날의 응축수량과 일사량과 의 관계를 회귀분석 한 그래프이다.
10,000 kJ/m2∙d 미만인 날들은 30o 경사각에서 가장 많은 응축이 발생하여, 『 CW30
= SR x 0.0718 + 305.17 』의 회귀식이 산출되었다.
15o, 30o 경사각은 3,200 kJ/m2∙d 이상에서 45o 와 60o 보다 많은 응축수를 발생하였 고 전 영역에서 유사한 응축특성을 보였다.
경사각이 큰 장치는 일사량과 관계없이 내부공기의 양이 많고, 따라서 집열면적 당 공기체적이 커서 물과 내부공기 온도의 상승이 적어 응축조건의 형성에 불리하였다.
Fig 31. The relation of condensed water and solar radiation below 10,000 kJ/m2∙d at each tilted angle (2010.01 ~ 2010.12)
4.2.2 10,000 ~ 20,000 kJ/m
2∙d 인 날
Fig 32.는 일사량이 17,662 kJ/m2∙d 이며 구름의 양이 45%, 일조시간이 7.6시간인 날(2010.05.04)에 30o 경사각을 갖는 장치에서의 응축특성을 나타낸 그래프이다.
이 날은 일사량이 연간 평균일사량 12,540 kJ/m2∙d 보다 40.84% 많은 날로서 그래프 에서 볼 수 있듯이 12 ~ 15시 사이에 구름이 있었다.
내부 공기온도는 일사와 동시에 급격히 상승하고, 일사량에 따라 내부 공기온도 변 화하여 일출 전보다 35℃ 가 상승하였다.
물의 온도는 공기온도보다 변화폭이 적어 10℃ 상승하는데 그쳤고, 응축은 일출 전 까지는 전일의 일사량에 의한 영향으로 발생하였으며, 일사가 시작되면서부터 일사량 이 최대에 이르는 정오까지는 지속적으로 감소하다가 일사량이 감소하면서 다시 응축 수량이 증가하고 최대의 응축수량은 일몰 1.5시간 전에 발생하였다.
Fig 32. The relation of inner, outer and water temperature, condensed water and solar radiation of 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d with time
at 30o tilted angle (2010.05.04)
Table 15.는 실험기간 중 일사량이 매우 적은 17,662 kJ/m2∙d 인 날(2010.05.04)의 경사각별 응축특성을 나타낸 표이다.
이 날의 태양고도각과 수직한 경사면의 각도는 19.0o로서 이 각도와 근접한 경사각 을 갖는 장치인 15o, 30o 경사각 장치에서 가장 많은 응축수가 발생하였다.
경사각별 내부공기의 평균온도는 15o < 30o < 45o < 60o 순으로 경사각이 클수록 높 았으며, 15o, 30o 경사각은 온도차이가 매우 적었고 45o, 60o 보다 1.5℃ 정도 높게 나 타났다. 물의 온도변화는 내부공간이 작을수록 온도가 높았는데, 경사각이 작을수록 내부 공간체적이 적어 공기온도 상승에 필요한 열량이 적고, 공간의 높이가 낮아 물과 접촉하는 하단의 공기온도가 높아 물온도가 높게 나타났다.
경사각별 응축수량은 30o > 15o > 45o > 60o 순으로 가장 많이 발생된 30o 의 경우는 1,909 ml/m2∙d 이었다.
Table 15. The condensation characteristic at each tilted angle, when solar radiation is 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d (2010.05.04)
Tilted angle
Division 15o 30o 45o 60o Solar radiation (kJ/m2∙d) 17,662
Vertical slope angle on the sun (o) 19.0o
Glass area (cm2) 10,350 11,540 14,140 19,999 Inner air volume (cm3) 254,000 407,000 620,000 985,000
Collecting area (cm2) 10,320 11,330 12,710 15,100 Air volume per collecting area
(cm3/cm2) 24.61 35.92 48.78 65.23 Maximum
temperature (℃)
Water 48.0 45.3 43.9 41.8 Air 56.3 56.9 66.5 70.0 Condensation Water (ml/m2∙d) 1,897 1,909 1,400 1,043
Solar radiation per
condensation volume (kJ/ml) 9.31 9.25 12.62 16.93
Table 16.은 실험기간(2010.01 ~ 2010.12) 중 일사량이 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d 인 184일간의 기상과 응축수량을 나타낸 표이다.
기간 중 일사량은 평균 15,193 kJ/m2∙d 이며, 구름의 양은 46%, 일조시간은 6.3시간 으로 연간 평균일사량은 121%, 구름량은 84.09%, 일조시간은 125.39%로서 구름량이 적 어, 일조시간과 일사량이 연 평균값보다 높게 나타났고 응축수량은 30o 경사각에서 연 간평균 응축수량보다 11.09% 많이 발생하였다.
일사량이 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d 인 184일간의 응축수량은 30o 경사각의 경우 연 간 응축수량의 55.98% 였다.
실험장소인 광주지방의 태양광이 수직으로 입사하는 경사면의 각도가 년 평균 35.1o 로서 장치경사각이 30o인 장치에서 가장 많은 일사량을 받을 수 있어 많은 응축이 발생 하였고, 1 ml 의 응축수가 발생하는 데에는 7.93 kJ 의 일사량이 필요하였다.
Table 16. The condensation characteristic at each tilted angle, when solar radiation is below 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d (2010.01 ~ 2010.12)
Tilted angle
Division 15o 30o 45o 60o
Solar radiation (kJ/m2∙d) 15,193 Amount of cloud (%) 46 Duration of sunshine (h) 6.3
Glass area (cm2) 10,350 11,540 14,140 19,999 Condensate amount
(10,000~20,000 kJ/m2∙d, ml/m2∙y) 218,696 226,617 150,574 151,573 Condensate amount (ml/m2∙y) 381,204 404,846 276,247 272,969
Solar radiation per
condensation volume (kJ/ml) 9.28 7.93 11.28 10.99
Fig 33.은 실험기간 중 일사량이 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d 인 날의 응축수량과 일사 량과의 관계를 회귀분석 한 그래프이다.
184일간의 경사각별 응축수 발생은 30o 경사각에서 가장 많았으며, 응축수량은 일사 량과의 관계에서 『 CW30 = SR x 0.0705 + 160.87 』의 회귀식이 산출되었고 15o, 30o 경사각은 일일 일사량이 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d 인 전 영역에서 45o와 60o 보다 많은 응축수가 발생하였고 유사한 응축특성을 보였다.
경사각이 큰 45o 와 60o 장치는 그래프의 기울기가 작아 일사량의 증가에 따른 응축 수량의 증가량이 보다 작은 것을 볼 수 있는데, 이는 경사각이 크면 일사량이 많은 날 에 불리하며, 일사량이 많은 날들은 춘분과 추분 사이에 많이 있고, 이 기간은 태양고 도가 높으므로 태양광과 수직하는 경사면에 근접하는 경사를 갖는 장치가 효율적이기 때문이다.
Fig 33. The relation of Solar radiation of 10,000 ~ 20,000 kJ/m2∙d and condensed water at each tilted angle (2010.01 ~ 2010.12)
4.2.3 20,000 kJ/m
2∙d 이상인 날
Fig 34.는 일사량이 20,183 kJ/m2∙d 이며, 구름량이 54%, 일조시간은 10.1시간인 날 (2009.06.10)의 30o 경사각 장치의 응축특성을 나타낸 그래프이다.
이 날은 실험기간 중 응축수량이 가장 많이 발생한 날로서 전일의 일사량도 22,138 kJ/m2∙d 로 많았고, 당일 물의 최저온도가 26.5℃ 로 높아 물의 최고온도는 46℃ 까지 상승하였다.
전일의 일사에 의한 응축은 당일 일사가 최대가 되는 13시까지 지속적으로 감소하면 서 발생하였고, 일사가 감소하면서 다시 급격하게 증가하였다. 당일 일사에 의한 최대 의 응축시간은 19시로서 일몰 2시간 전에 발생하였다. 내부공기 온도는 25℃ 에서 6 0℃까지 상승하였고 내부공기와 물의 온도가 교차하는 시간을 지나면서 최대의 응축이 발생하였다.
Fig 34. The relation of inner, outer and water temperature, condensed water and solar radiation more than 20,000 kJ/m2∙d with time
at 30o tilted angle (2009.06.10)
Table 17.은 실험기간 중 일사량이 20,183 kJ/m2∙d 인 날의 경사각별 응축특성을 나 타낸 표이다.
이 날의 태양고도각과 수직한 경사면의 각도는 12.0o 로서 이 각도와 근접한 경사각 을 갖는 장치인 15o 경사각 장치에서 가장 많은 응축수가 발생하였다. 경사각별 내부 공기의 평균온도는 36.3℃(15o) > 35.0℃(30o) > 34.1℃(45o) > 31.4℃(60o) 순으로 경 사각이 클수록 내부공기의 체적이 커져 온도상승이 낮았다. 내부공기의 최고온도는 15o < 30o < 45o < 60o 로 경사각이 클수록 높게 나타나고 대류현상으로 인하여 장치의 상단에서 높게 나타났다.
응축수량은 경사각별로 3,088 ml(15o) > 2,835 ml(30o) > 1,874 ml(45o) > 1,521 ml(60o)가 발생되었다. 경사각별 집열면적은 태양광에 수직하는 각도에 근접하는 장치 에서 발생하며, 태양 고도각이 높으면 낮은 경사각에서 많은 응축이 발생하였다.
Table 17. The condensation characteristic at each tilted angle, when solar radiation is more than 20,000 kJ/m2∙d (2010.06.10)
Tilted angle
Division 15o 30o 45o 60o
Solar radiation (kJ/m2∙d) 20,183 Vertical slope angle on the sun
(o) 12.0
Glass area (cm2) 10,350 11,540 14,140 19,999 Inner air volume (cm3) 254,000 407,000 620,000 985,000
Collecting area (cm2) 10,340 10,980 11,860 13,339 Air volume per collecting area
(cm3/cm2) 24.56 37.08 52.28 73.84 Maximum
temperature (℃)
Water 50.2 46.3 45.1 43.3 Air 60.2 60.7 69.5 67.5 Condensation Water (ml/m2∙d) 3,088 2,835 1,874 1,521
Solar radiation per
condensation volume (kJ/ml) 6.54 7.12 10.77 13.27