[논문 리뷰] Experimental and numerical measurement of the thermal performance for parabolic trough solar concentrators

Khaled Mohamad, P. Ferrer|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 30.

Solar Thermal and Photovoltaic Systems참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 파arabolic trough 태양 집광기 수신기의 열 성능을 실험적·수치적으로 평가하며, 실험 측정값과 비교하여 시뮬레이션 코드의 정당성을 검증한다. 결과적으로 실험 데이터와 수치 모델링 간의 높은 일치도를 보이며, 580 °C 운영 한계 이하에서 열복사 손실을 최소화하기 위한 수신기 설계 최적화에 시뮬레이션 코드의 신뢰성이 확인된다.

ABSTRACT

Parabolic trough mirror plants are a popular design for the conversion of solar energy to electricity via thermal processes. The receiver unit (RU) for absorbing the concentrated solar radiation is limited to maximum temperature (580 degree Celsius) and is responsible for efficiency losses mainly via thermal radiation. We built a RU in the laboratory to study the thermal performance for different designs and we companied this study with a mathematical module implemented on a simulation code. In this work, the simulation and the first set of experiments show a good agreement, validating the applicability of the code.

연구 동기 및 목표

• 수신기 단위(RU)의 온도 제약으로 인한 파라볼릭 트러프 태양 집광기의 열 성능 제한 요인을 규명하기 위해.
• RU의 열 거동을 위한 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 다양한 RU 설계에 대해 실험 결과와 시뮬레이션 출력을 비교하기 위해.
• 효율성에 영향을 미치는 주요 손실 메커니즘, 특히 열복사 손실을 규명하기 위해.

제안 방법

• 통제된 열 성능 실험을 수행하기 위해 실험실에서 제작한 수신기 단위(RU)를 사용하였다.
• 열전달 및 복사 손실을 모델링하기 위해 시뮬레이션 코드 내에 수학적 모듈을 구현하였다.
• 온도 분포와 효율성을 평가하기 위해 다양한 조건에서 실험 데이터를 수집하였다.
• 첫 번째 테스트 세트의 실험 결과를 사용하여 시뮬레이션 코드를 校정하고 검증하였다.
• 실린더형 수신기의 표준 열전달 방정식을 사용하여 열복사 손실을 모델링하였다.
• 다양한 설계 구성과 운영 조건에서 일관성 있는 성능을 확보하기 위해 모델을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시뮬레이션 코드는 파라볼릭 트러프 수신기 단위의 열 성능을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 580 °C에 가까운 온도에서 수신기 단위의 열복사 손실은 어느 정도인가?
• RQ3 다양한 수신기 설계는 열 효율성과 열 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실험 데이터는 수치 시뮬레이션 모델의 정당성을 어느 정도까지 검증하는가?

주요 결과

• 시뮬레이션 코드는 실험 데이터와 높은 일치도를 보이며, 열 성능 예측의 정확성을 검증하였다.
• 열복사가 수신기 단위의 효율성 저하의 주요 원인으로 규명되었다.
• 최대 운영 온도인 580 °C는 열 성능 열화에 대한 중요한 임계점으로 확인되었다.
• 실험적 및 수치적 방법이 결합되어 수신기 설계 최적화를 위한 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공하였다.
• 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하면 반복적인 물리적 시험 없이도 향후 설계 최적화에 활용할 수 있다.
• 본 연구는 수치 모델을 활용하여 파라볼릭 트러프 시스템의 실제 열 거동을 예측하는 것이 가능하다는 점을 확인하였다.