태양열 실증연구 추진방향 - 한국에너지공단 · · 2006-07-21water storag e tank...

신재생에너지연구부 태양열연구팀

가정용 태양열온수기 실증연구

한국에너지기술연구원

재생에너지연구부

곽 희 열


목 차

서론

실증연구 목표 및 내용

실증연구 개념도

실증 시험장치 및 측정점

제어 및 모니터링 방법

시험 및 평가 방법

실증연구 결과 및 고찰

결론


실증연구 목표

현재 보급되고 있는 자연대류형 태양열온수기의 보급상 문

제점 및 개선방향 도출하고, 대안으로서 강제순환형 가정용

태양열온수기의 설치 운영 성과 분석을 통하여 보급형 가정

용 태양열온수기를 제시하며, 가정용 태양열 온수기의 장기

성능 및 경제성 평가 분석을 수행한다.

☞ 2차 년도 이후에 제시한 태양열 이용 시스템(대규모 설비형 태양

열 온수 급탕 시스템, 산업공정열 이용 태양열 시스템 실증, 공동주

택 이용 태양열시스템 실증, 태양열 냉 난방 시스템)에 대한 실증

연구 사업은 관련기관과 협의 후 추진될 예정


실증연구 내용

자연 대류형 태양열 온수기 시작품 제작 설치 운영

강제 순환형 태양열 온수기 시작품 제작 설치 운영

태양열 온수기 열성능 비교 분석

태양열 온수기의 용량별(300리터 이하, 300리터 이상) 비교 분석

보급형 태양열 온수기 모델 제시

보급 후의 사후관리와 개선방안 제시

장기성능 및 경제성 평가 분석 - 형태별, 지역별(TRNSYS)

자연순환형 태양열 온수기 강제순환형 태양열 온수기

300리터 이하 500리터 이하 300리터 이하 500리터 이하

㈜ 한국쏠라 ㈜ 강남태양열 ㈜ 모인에너지 ㈜ 제인상사

㈜ 광주태양열 ㈜ 그린웨이 ㈜ 쏠라맥스

㈜ 지엔씨테크놀러지


실증연구 개념도

Pump

Water StorageTank (5Ton)

자연 대류형 태양열 온수기

강제 순환형 태양열 온수기

Load

Controller

Pump

hot

cool

외국산 태양열 온수기(시범전시용)

Model House

일사량 외기온도 입구온도 출구온도

열매체 입구온도열매체 입구온도유량


태양열온수기 업체별 위치

강남 태영열

광주태영열

한국쏠라

제인상사

G & C모인

에너지Solahart수입품

집열기빈쪼이기

에기연모델

쏠라맥스

그린웨이

집열기빈쪼이기

(자연순환)

(자연순환) (자연순환) (강제순환)

(강제순환) (강제순환) (강제순환)

진입도로

태양광실증단지

Solahart

(자연순환)

Model House

(강제순환) (강제순환)

(1)

(2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (내구성)

(9) (10) (11) (내구성)

W E

N

S

☞


실증 연구 시스템 구성

Solar Domestic Hot Water : 11set

Flow Circuit Housing : 순환/배수 제어용 펌프 및 S/V 밸브,

유량계

Control Panel : 자동/수동/OFF 전환 스위치, SSR,

인터페이스 카드, 전원 공급부, 전원차단기

Sensors : 온도, 일사량<수평/경사>, 풍향, 풍속, 유량, 전력계

Data Logger : NetDAQ (80 channels)

Control & Monitoring Computer : Engineering Workstation

Control & Monitoring Program


Flow Circuit Housing


제어부 구성인자

모니터링 컴퓨터 인터페이스카드 SSR

솔레노이드밸브

펌프


측정점 (NetDAQ channels)Slot

ChannelsNetDAQ 1번 NetDAQ 2번 NetDAQ 3번 NetDAQ 4번

CH 1 (업체1) 시수온도 (업체5) 시수온도 축열조내부온도 (업체1) 유량계

CH 2 배수온도 배수온도 펌프동력 (업체2) 유량계

CH 3 축열조내부온도 축열조내부온도 열매체입구온도 (업체3) 유량계

CH 4 열매체입구온도 펌프동력 열매체출구온도 (업체4) 유량계

CH 5 열매체출구온도 열매체입구온도 (업체9) 시수온도 (업체5) 유량계

CH 6 (업체2) 시수온도 열매체출구온도 배수온도 (업체6) 유량계

CH 7 배수온도 (업체6) 시수온도 축열조내부온도 (업체7) 유량계

CH 8 축열조내부온도 배수온도 펌프동력 (업체8) 유량계

CH 9 열매체입구온도 축열조내부온도 열매체입구온도 (업체9) 유량계

CH 10 열매체출구온도 펌프동력 열매체출구온도 (업체10) 유량계

CH 11 (업체3) 시수온도 열매체입구온도 (업체10) 시수온도 (업체11) 유량계

CH 12 배수온도 열매체출구온도 배수온도 외기온도1

CH 13 축열조내부온도 (업체7) 시수온도 축열조내부온도 외기온도2

CH 14 열매체입구온도 배수온도 펌프동력 경사면일사량

CH 15 열매체출구온도 축열조내부온도 열매체입구온도 수평면일사량

CH 16 (업체4) 시수온도 펌프동력 열매체출구온도 풍속계

CH 17 배수온도 열매체입구온도 (업체11) 시수온도 풍량계

CH 18 축열조내부온도 열매체출구온도 배수온도

CH 19 열매체입구온도 (업체8) 시수온도 축열조내부온도

CH 20 열매체출구온도 배수온도 펌프동력


Control & Monitoring Algorithms

익일 오전 6시 30분부터 배수하여 오전 8시 이전까지 축열조의 물을 완전 배수 후, 시수온도 기준에 따라 축열조에 시수하여 8시 30분 교반(순환 펌프 10분 작동)하여, 배수없이 오후 4시까지 노출한다.

교반식의 경우, 오후 4시를 기하여 교반 (순환 펌프 20분작동)한다.

배수식의 경우, 오후 4시를 기하여 순간유량 10 lpm +2로배수하여 (배수 – 시수온도) ≤ 2℃까지 배수한다.(급탕사용성능 데이터 수집)

보온 성능 시험의 경우, 교반식으로 시험을 완료한 후, 저녁 9시, 12시, 3시, 5시까지 3시간 간격으로 교반하여(순환펌프 20분 작동)하여 5시 30분에 시험 종료

일일시험



혹서기, 혹한기를 택하여 약 5일간 시수 및 열매체를 충진한 상태로 배수없이 노출시킨 후, 열충격 및 장기 열적성능 변화를 고찰한다

3∼5일간 노출한 후 일일시험의 배수식 실험과 동일한방법으로 실험한다.

단기간시험



제 1 일

- 축열조에 시수를 기준(시수 – 대기온도 ≤ 5∼15℃)에 맞추어

채우고,

제 2 ∼ 6 일

- 매일 오전 6시 30분 교반, (순환펌프 20분간 작동)

- 정해진 배수패턴에 따라 배수 (순간유량 10 lpm +2)

☞ 업체별 축열조 용량에 따라 menu에서 설정

- 오후 6시 30분(계절) 교반 (순환펌프 20분간 작동)

제 7 일

- 오후 6시부터 배수하여 (배수 – 시수온도) ≤ 2℃까지 배수한다

(축열조의 약 2배정도 배수 예정)

연속배수시험


Time Percent(%) Korea Australia

07:00 15

08:00 15

11:00 10

13:00 10

15:00 12.5

16:00 12.5

17:00 12.5

18:00 12.5

저녁 50% 48%

점심 20% 16%

오전 30% 36%

호주 AS-4234 참조

Hourly Load Pattern


Control & Monitoring Screen(1)

- 참여기업명

- 축열조 용량

- 일일시험(배수식, 교반식)- 단기간 시험

- 연속배수시험


Control & Monitoring Screen(2)

- 배수식에서 배수 실험 장면 - 교반식에서 교반 실험 장면


실증연구 Network

SDHWS NetDAQ LoggerControl Panel

Computer(조선대)

Weather Station

Computer(에기연)

Control Logging Monitoring

경사일사수평일사외기온도풍향/속

시수온도배수온도열매체 입구열매체 출구유량펌프 전력량

S/V 제어순환펌프 제어배수펌프 제어유량계

Monitoring ☜ PC anywhere


실증연구 관련 사진들


일일 열성능 결과(강제순환형)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

8:31 9:21 10:11 11:01 11:51 12:41 13:31 14:21 15:11

시 간

온 도

(℃

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

일사

량(W/m

2)

일사량 대기온도

집열기 입구 집열기 출구

축열조 입구 축열조 출구

축열조 내부

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

8:31 9:21 10:11 11:01 11:51 12:41 13:31 14:21 15:11

시 간

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

일사

량(W/m

2)




축열조 내부

온 도

(℃

)

강제순환형 일일 배수 시험 (E사) 강제순환형 일일 배수 시험 (H사)


일일 열성능 결과(자연순환형)

자연순환형 일일 배수 시험 (B사) 자연순환형 일일 배수 시험 (A사)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

8:10 9:00 9:50 10:40 11:30 12:20 13:10 14:00 14:50

시 간

온 도

(℃

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

일사

량(W/m

2)




축열조 내부

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

8:30 9:20 10:10 11:00 11:50 12:40 13:30 14:20 15:10

시 간

온 도

(℃

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

일사

량(W/m

2)




축열조 내부


일일 사용성능 결과

• 배수유량 10리터/분 – KS B 8202

• 자연순환형(수평형) & 강제순환형(수직형) & 열매체축열식(수평형)

• 유효 축열 에너지 – 배수온도 37℃ 이상

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

16:00 16:08 16:16 16:25 16:33 16:41 16:50 16:58 17:06 17:15

배수시간

온도

(deg C)

자연순환_A 배수온도

자연순환_B 배수온도

강제순환_A 배수온도

강제순환_B 배수온도

열매체축열_C 배수온도

시수온도

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

자연순환_A 자연순환_B 강제순환_A 강제순환_B 열매체축열_C

축열

량 (kcal)

전체 축열량 유효 축열량

• 배수 열성능 • 유효 축열 에너지량


강제순환형 펌프 전력량 평가

• 저온센서 위치, 열교환 방식(내장형, 외장형) 차이

0

200

400

600

800

1000

1200

6:26 7:32 8:39 9:46 10:52 11:59 13:06 14:12 15:19 16:26 17:32

시간

펌프

소비

전력

_kW

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

일사량

E 사 전력량

F 사 전력량

G 사 전력량

H 사 전력량

I 사 전력량


집열성능 Regression 분석

• 태양열온수기 장기 성능 평가 ☜ ISO 9459-2 & KS B 8205• Q = a1 + a2H + a3(ta(day) – Tmain)

☞ a1, a2, a3는 최소자승법을 사용하여 시험결과로부터 결정하고 Q는 얻어진 정미태양에너지, H는 일사량, (ta(day) – Tmain)는 외기온도와 시수온도차를 나타낸다.

저탕조 용량 : 300 Litre a1 : -598.4

집열면 면적 : 5.64 m^2 a2 : 2.9 *GT GT : 일사량

열교환 방식 : 강제순환식 a3 : 192.9 *dT dT : 외기온도-시수온도

일사량 외기온도 배수열량 시수온도 배수후충진온도 dT 시험집열량 분석집열량kcal/m^2 deg C kcal deg C deg C deg C kcal kcal

09,04 3549.9 30.9 10269.9 27.1 26.6 3.8 10134.9 10407.5

09,05 2860.8 28.7 7903.6 27.2 26.6 1.5 7699.6 7972.8

09,24 5214.8 24.3 15009.5 27.2 24.7 -2.9 14271.5 13935.7

09,25 3977.7 24.5 10548.9 23.4 24.9 1.1 11001.9 11121.2

09,30 2972.0 22.6 7913.3 24.5 24.4 -2.0 7874.3 7620.4

10,04 5332.9 21.6 15039.2 25.7 24.9 -4.0 14814.2 14057.9

10,07 3349.6 17.3 7681.7 24.3 24.1 -6.9 7624.7 7753.3

10,09 5228.9 17.7 13373.1 24.4 23.3 -6.7 13049.1 13233.7

10,14 5232.8 22.1 14416.8 24.0 23.4 -2.0 14239.8 14165.8

10,16 5220.6 19.4 13398.1 21.2 23.0 -1.8 13941.1 14152.0

10,23 2792.1 9.8 4745.4 18.9 21.8 -9.1 5609.4 5732.0

10,29 4167.6 10.5 8914.2 16.0 19.8 -5.5 10048.2 10406.9

11,12 3428.1 10.6 8283.6 16.3 16.8 -5.7 8430.6 8221.9

11,14 2932.2 8.5 6155.6 12.9 16.8 -4.4 7337.6 7036.3

11,18 2796.3 3.2 5274.0 14.5 15.6 -11.4 5607.0 5300.6

11,19 3712.2 5.5 7877.2 11.5 15.4 -6.0 9062.2 8988.7

11,26 972.0 3.9 523.2 13.4 14.0 -9.5 694.2 388.6

11,27 4479.1 4.5 10103.4 9.1 14.1 -4.6 11612.4 11477.5

12,02 3037.7 9.3 7663.6 12.7 13.4 -3.4 7873.6 7532.7

12,09 1993.9 -0.6 1609.2 7.7 12.3 -8.3 2971.2 3563.5

12,11 4912.6 0.9 10622.8 11.5 12.7 -10.6 10985.8 11577.0

12,17 3998.4 7.8 9790.2 10.2 11.8 -2.4 10276.2 10513.5

시험대상 온수기 사양 회귀분석 결과

2459.2 kcal/m^2

61.2 deg C

온수기 집열 성능 :

온수기 예상급탕온도 :

시험일

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

09,0

4

09,0

5

09,2

4

09,2

5

09,3

0

10,0

4

10,0

7

10,0

9

10,1

4

10,1

6

10,2

3

10,2

9

11,1

2

11,1

4

11,1

8

11,1

9

11,2

6

11,2

7

12,0

2

12,0

9

12,1

1

12,1

7

시 험 일 자집

열량

kcal

시험집열량 kcal

분석집열량 kcal


집열성능 및 급탕온도 분포

• 가정용 태양열온수기 축열용량/집열면적 비 ☞ 50 ∼ 60 리터/m2

• 온수기 일일 집열성능 ☞ 2000kcal/m2 이상 ☜ KS B 8202

• 온수기 급탕온도 ☞ 50℃ 이상

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

A사 B사 C사 D사 E사 F사 G사 H사 I사

온도

(deg C

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

집열

성능

(kcal/m

^2)

급탕온도(deg C)

축열용량/집열면적 비

교반_집열성능(kcal/m2)

배수_집열성능(kcal/m2)


Conclusions & Recommendations

집열성능은 일사량 5000kcal/m2 day 조건 하에서 2000kcal/m2 day 이상

축열 용량/ 집열면적 비가 50 ∼ 60리터/m2

급탕 사용성능은 80% 이상

축열조 보온 성능(KA) 5.81 이하

강제순환형 온수기의 전력량 평가는국내산의 경우 1.5 ∼2배로 나타났고, 특히 외부 열

교환기를 사용하는 경우 4배로 나타났다.

온수기 안정성 평가(집열기, 축열조, 콘트롤러) 면에서 국내시장의 몰락 등으로 인하여

전반적으로 기업들의 준비가 기대에 못 미쳤다.

실증시험을 통하여 나타난 문제점 등은 기업체 별로 기술지도와 후속 모니터링 사업을

통하여 해결방안 모색하여 태양열온수기의 재평가를 유도할 계획 임.

가정용 태양열온수기의 실증시험 결과는 한국공업규격(KS B 8202)로부터최소한의 성능을 규정하였고 결론을 정리하면 다음과 같다.


업체별 실증연구 결과 (1)


업체별 실증연구 결과 (2)

태양열 실증연구 추진방향 - 한국에너지공단 · · 2006-07-21water storag e tank...

Documents