평판형과 진공관형 U-tube 태양열 집열기의 효율을 비교·분석하기 위하 여 동일한 집열기를 사용하여 같은 장소와 외기조건에서 동시에 실험을 수 행하였고, 작동유체는 물과 나노유체를 적용하였다. 작동유체에 획득된 열 량은 흡수체에 의해 흡수된 에너지와 같으며 식 (3-1)과 같이 표현된다.
(3-1)
위 식에서 는 유용 열획득(Useful heat gain), 은 작동유체의 질량유 량(Mass flow rate), 는 작동유체의 비열(Specific heat), 는 태양열 집열기의 출구온도, 는 태양열 집열기의 입구온도, 는 태양열 집열기의 면적, 은 열손실변수, G는 태양일사량, 는 집열기 흡수율-투과율,
은 집열기 전체손실계수, 는 외기온도를 의미한다.
식 (3-2)과 식(3-3)은 CuO 나노유체의 비열과 밀도를 나타내는 식이다.
(3-2)
(3-3)
작동유체의 열획득량()를 집열기의 면적과 일사량의 곱으로 나눠주어 계산하면 태양열 집열기의 효율을 구할 수 있으며 이를 나타내면 식 (3-4) 와 같다.
(3-4)
본 연구에서 태양열 집열기 효율의 측정과 계산에 있어서 불확실도는 Moffat(1985)에 의해 권고된 식으로 식(3-5)와 같이 나타낼 수 있다.
(3-5)
위의 식으로부터 질량유량의 오차는 식 (3-6)과 같이 계산하였다.
≤ (3-6)
또한, 온도의 오차는 식 (3-7)과 같이 계산하였다.
≤
(3-7)
그리고, 일사량의 오차는 식 (3-8)과 같이 나타낼 수 있고, 나노유체 비 열의 오차는 식 (3-9)와 같이 계산할 수 있다.
≤ (3-8)
≤ (3-10)
제 4 장 태양열 집열기의 성능 실험결과 및 고찰
제 1 절 CuO 나노유체의 열전도도 고찰
본 연구에서는 CuO 나노유체의 나노입자 크기와 농도에 따른 집열기의 효율 변화를 실험적으로 고찰하였으며 실험에 앞서 집열기의 효율을 분석하기 위해 CuO 나노유체의 열전도도를 고찰하였다. Fig. 4.1은 나노 입자크기가 40 nm인 CuO 나노유체에 대하여 온도와 농도에 따라 열전도비 /를 나타내고 있으 며 는 CuO 나노유체의 열전도도, 는 기본 작동유체인 물의 열전도도이 다. CuO 나노유체의 열전도비는 나노유체의 크기가 작고 나노유체의 농도가 증가함에 따라 비선형적으로 증가하고 열전도비의 증가율은 농도가 증가함에 따라 점차 감소한다. CuO 나노유체의 나노입자 크기가 40 nm이고 농도가 0.1vol%일 때 나노유체의 온도가 50℃로 증가하면 열전도비는 약 1.3% 향상되 었고, CuO 나노유체의 크기가 80 nm이고 농도가 0.1vol%일 때 나노유체의 온 도가 50℃로 증가하면 열전도비는 약 0.9% 향상되었다. CuO 나노유체의 나노 입자 크기가40 nm이고 CuO 나노유체의 농도가 0.7vol%일 때 나노유체의 온도 가 50℃로 증가하면 열전도비는 약 4.6% 향상되었고, CuO 나노유체의 나노입 자 크기가 80 nm이고 CuO 나노유체의 농도가 0.7vol%일 때 나노유체의 온도가 50℃로 증가하면 열전도비는 약 3.8% 향상되었다.
CuO 나노유체의 나노입자의 크기가 40 nm에서 80 nm로 커질 때 열전도비는 평균적으로 작동온도가 10℃일 때 약 0.25%, 50℃일 때 약 0.81% 정도로 감소 하였다. 또한 10℃의 작동온도에서 CuO 나노유체의 농도가 0.1vol%~0.7vol%로
CuO nanoparticle size 40 nm
0.1vol% 0.3vol%
0.5vol% 0.7vol%
10 20 30 40 50
1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07
knf / kbf
Temperature (oC)
Fig. 4.1 Thermal conductivity ratio as a function of temperature for different concentration of nanofluid (Nanoparticle size : 40 nm)
CuO nanoparticle size 80 nm
0.1vol% 0.3vol%
0.5vol% 0.7vol%
10 20 30 40 50
1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07
k nf / k bf
Temperature (oC)
Fig. 4.2 Thermal conductivity ratio as a function of temperature for different concentration of nanofluid (Nanoparticle size : 80 nm)
제 2 절 CuO 나노유체의 농도에 따른 태양열 집열기의 성 능 고찰
Fig. 4.3와 Fig. 4.4은 작동유체의 질량유량 0.047 kg/s이고 40 nm 나노 입자 크기의 CuO 나노유체와 기본유체인 물을 적용하여 평판형과 U-tube형 태양열 집열기에서 작동유체의 농도에 따른 효율 변화를 나타내고 있다.
CuO 나노유체를 사용했을 때 집열기의 효율이 기본유체인 물을 사용한 집열 기 보다 효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 일 때, 태양열 집열기의 효율은 최대이며, 가 증가할수록 효율이 감소한다. 일 때 평판형과 U-tube형 태양열 집열기 둘 다 나노유체의 농도가 0.5vol%일 때 가장 높은 효율을 보였으며, 평판형 태양열 집열기의 최대효율은 73.5%, U-tube형 태양열 집열기의 최대효율은 69.5%로 나타났다. 기본유체인 물을 사용한 두 태양열 집열기와 비교하였을 때 CuO 나노유체를 적용한 평판형과 U-tube형 태양열 집열기의 효율이 평균적으로 각각 11.32%와 7.82%씩 향상 된 결과를 보였다. 또한 평판형 태양열 집열기에서 나노유체의 농도가 0.5vol%일 때, 0.1vol%, 0.3vol% 그리고 0.7vol%인 CuO 나노유체를 사용했 을 때 보다 평균적으로 각각 3.69%, 1.7%, 0.5%씩 향상되었고 U-tube형 태 양열 집열기에서는 평균적으로 4.49%, 2.26%, 0.32%씩 향상되었다.
CuO 나노유체를 적용한 태양열 집열기의 효율은 나노유체의 농도가 증가 할수록 높은 효율을 나타냈으나 CuO 나노유체의 농도가 증가할수록 효율의 증가폭은 감소함을 알 수 있었다. 대체로 나노유체의 열전도도는 농도가 증 가함에 따라 향상되지만 고농도에서는 나노입자의 분산 안정성이 낮아져 시 스템내에 침전이 발생할 가능성이 커지며 입자 사이에 열에너지 전달 및 흡
출구 온도를 비교하기 위하여 하루동안의 데이터를 수집하였다. Table 4.1 과 Table 4.2는 작동유체의 질량유량 0.047 kg/s, 40 nm 나노입자 크기의 CuO 나노유체와 기본유체인 물을 적용한 평판형과 U-tube형 태양열 집열기 에서 작동유체의 농도에 따른 효율에 관한 매개변수를 선형방정식을 이용하 여 계산된 결과를 보여주고 있다. 평판형 태양열 집열기는 의 나노유 체의 농도가 0.5vol%일 때 최대값을 가지며 나노유체의 농도가 0.5vol%인 경우 의 값은 0.739, 의 값은 22.88이다. U-tube형 태양열 집열 기에서도 의 나노유체의 농도가 0.5vol%에서 최대값을 가지며
의 값은 0.692, 의 값은 16.66이다. 여기서, 나노입자의 크기가 40 nm 인 0.5vol% CuO 나노유체를 사용하였을 때 평판형 태양열 집열기의 값이 더 높은 이유는 열에너지 전달 및 흡수력의 감소로 인해 외부 열손실 이 많음에 기인하고 이는 이전 연구 자료를 통하여 확인하였다. 또한 U-tube형 태양열 집열기가 더 넓은 운전범위에서 높은 효율을 갖는 것으로 확인되었다.
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 40
50 60 70
80 CuO nanofluid
0.1vol% CuO 0.3vol% CuO 0.5vol% CuO 0.7vol% CuO
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (Km2/W)
Nanoparticle size : 40 nm m = 0.047 kg/s
Water
Fig. 4.3 Variation of efficiency of flat-plate solar collector for different nanofluid concentrations (CuO nano particle size : 40 nm, :0.047 kg/s)
50 60 70
80 CuO nanofluid
0.1vol%
0.3vol%
0.5vol%
0.7vol%
Efficiency (%)
Water
Working fluid
Water 0.626 18.05 0.964
CuO nanofluid
(40nm, 0.1vol%) 0.699 21.88 0.967
CuO nanofluid
(40nm, 0.3vol%) 0.721 22.22 0.974
CuO nanofluid
(40nm, 0.5vol%) 0.739 22.88 0.973
CuO nanofluid
(40nm, 0.7vol%) 0.735 22.86 0.955
Table 4.1 Parameters of efficiency in the flat-plate solar collector according to CuO nanofluid concentration
Working fluid
Water 0.619 18.75 0.916
CuO nanofluid
(40nm, 0.1vol%) 0.647 15.56 0.955
CuO nanofluid
(40nm, 0.3vol%) 0.668 15.89 0.966
CuO nanofluid
(40nm, 0.5vol%) 0.691 16.66 0.969
CuO nanofluid
(40nm, 0.7vol%) 0.688 16.82 0.964
Table 4.2 Parameters of efficiency in the U-tube solar collector according to CuO nanofluid concentration
제 3 절 CuO 나노입자의 크기에 따른 태양열 집열기의 성 능 고찰
Fig. 4.5와 Fig. 4.6은 CuO나노유체 농도가 0.5vol%, 작동유체의 질량유 량이 0.047 kg/s일 때 CuO 나노입자의 크기에 따른 태양열 집열기의 효율변 화를 보여주고 있다. 나노입자의 크기의 상이성은 열전도도에 영향을 주기 때문에 열전달 성능에 직접적인 영향을 미친다. 이에 나노입자의 크기의 영 향성을 조사하였다. 모든 운전조건에서 나노입자의 크기가 가장 작은 40 nm 로 제작된 CuO 나노유체를 사용하였을 때 가장 높은 효율을 보였다. 즉, 평 판형과 U-tube형 태양열 집열기에서 나노입자의 크기가 40 nm인 나노유체를 적용하였으며 최대 효율은 73.5%와 69.5%로 나타났다. 이는 80 nm의 CuO 나 노입자를 사용한 집열기의 효율보다 평균적으로 각각 3.5%와 1.9%가 향상됨 을 보였다. 이는 보다 작은 크기의 나노입자를 갖는 나노유체 보다 우수한 열전도도를 가지며 이러한 특징은 태양열 집열기의 성능에 주요한 영향을 미친 것으로 판단된다.
Table 4.3과 Table 4.4는 동일한 농도에서 두 가지 나노입자의 크기에 따 른 집열기의 효율과 관련된 특성 매개 변수의 값을 제시하였다. 평판형 태 양열 집열기인 경우 나노입자의 크기가 40 nm에서 에너지 흡수변수인
가 0.739으로 가장 높은 값을 보였으며 80 nm의 입자크기를 갖는 나 노유체가 0.689로 상대적으로 낮은 값을 보였다. U-tube형 태양열 집열기 역시 나노입자의 크기가 40 nm에서 에너지 흡수변수인 가 0.692으로 가장 높은 값을 보였으며, 80 nm의 입자크기를 갖는 나노유체가 0.672으로 상대적으로 낮은 값을 보였다. 나노입자의 크기가 작을수록 태양에너지 흡
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 40
50 60 70 80
Nanoparticle size 40 nm 80 nm
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (Km2/W)
Concentration : 0.5vol%
m = 0.047 kg/s
Fig. 4.5 Variation of efficiency of flat-plate solar collector for different nanopaticle sizes (CuO nanofluid concentration : 0.5vol%, =0.047 kg/s)
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008
40 50 60 70 80
Nanoparticle size 40 nm 80 nm
Efficiency (%)
(Ti-Ta)/G (Km2/W)
Concentration : 0.5vol%
m = 0.047 kg/s
Fig. 4.6 Variation of efficiency of U-tube solar collector for different nanopaticle sizes (CuO nanofluid concentration : 0.5vol%, =0.047 kg/s)
Working fluid CuO nanofluid
(40nm, 0.5vol%) 0.739 22.88 0.973
CuO nanofluid
(80nm, 0.5vol%) 0.689 20.95 0.949
Table 4.3 Parameters of efficiency in the flat-plate solar collector according to CuO nanoparticle size
Working fluid CuO nanofluid
(40nm, 0.5vol%) 0.692 16.66 0.969
CuO nanofluid
(80nm, 0.5vol%) 0.672 17.4 0.948
Table 4.4 Parameters of efficiency in the U-tube solar collector according to CuO nanoparticle size
제 4 절 작동유체의 질량 유량에 따른 태양열 집열기의 성 능 고찰
Fig. 4.7와 Fig. 4.8은 CuO 나노입자의 크기가 40 nm이고 CuO 나노유체의 농도가 0.5vol% 조건에서 CuO 나노유체와 물의 질량유량 변화에 따른 태양 열 집열기의 효율변화를 비교하여 보여주고 있다. 질량유량이 0.033 kg/s에 서 0.047 kg/s로 증가함에 따라 평판형과 U-tube형 태양열 집열기의 효율은 향상되었다. 작동유체의 질량유량 증가 시 집열기 내에 집열된 열에너지를 보다 많이 이송할 수 있기 때문에 상대적으로 큰 질량유량을 갖는 0.047 kg/s 의 경우 보다 높은 집열효율을 가짐을 확인할 수 있다. 동일 일사량에 서 작동유체의 질량유량이 0.033 kg/s의 경우 0.047 kg/s의 경우에 비해 열 용량이 작고 관내 유속이 느리기 때문에 보다 긴 집열시간을 가져 출구 온 도가 증가된다. 반면 유량이 0.047 kg/s 의 경우 관내 빠른 유속과 작동유 체의 열용량이 크기 때문에 집열기 출구 온도는 낮게 형성된다. 평판형 태 양열 집열기의 경우 0.033 kg/s와 0.047 kg/s에서 CuO 나노유체 적용 시 효 율은 2.7%와 10.7% 향상되었다. 반면 U-tbue 태양열 집열기의 경우 질량유 량이 0.033 kg/s와 0.047 kg/s에서 CuO 나노유체 적용 시 효율은 1.9%와 7.7% 향상되어 평판형 태양열 집열기에 비해 낮은 효율 개선을 보였다. 태 양열 집열기의 효율은 집열기에서 얻은 태양열 획득에너지와 작동유체에 전 달되는 열에너지 양의 비로 정의된다. 이는 작동유체의 열용량과 입출구 온 도차는 효율에 상호적으로 영향을 미치기 때문에 단순히 질량유량의 변화만 으로 효율개선을 평가하기에는 어려움이 있다.
Table 4.5와 Table 4.6은 나노유체와 물의 질량유량이 0.033 kg/s와 0.047 kg/s일 때 특성 매개 변수인 열획득계수인 와 열손실계수인
을 비교하였다. 태양열 집열기의 작동유체의 질량유량의 증가는 열용 량을 증가시켜 을 증가되며 열손실계수는 외기의 온도와 집열기 출구 의 온도차에 큼에 따라 증가 때문에 질량유량이 작은 경우 열손실계수는 증 가한다. 평판형 집열기에서 물의 경우 질량유량이 0.033 kg/s에서 0.047 kg/s로 증가 시 은 0.609와 0.625로 증가한 반면 은 21.15에서