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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 16
제1절 연구의 개요 16
1. 기술개발의 배경 16
가. 에너지, 환경문제와 신재생에너지 보급 16
나. 태양에너지 17
다. 고집광 태양에너지 18
2. HFSF(High-Flux Solar Furnace) 19
가. HFSF의 집광 시스템 20
나. HFSF의 화학반응 시스템 21
제2절 연구의 목표 및 내용 23
1. 연구 목표 23
가. 최종 목표 및 연차별 목표 23
나. 개발 핵심기술의 내용 및 추진 일정 25
제2장 HFSF 시스템 구축 28
제1절 2차 집광장치 28
1. CPC형 2차 집광장치 28
2. 반응 및 집광분석용 거치대 31
제2절 성능시험동 보완 34
1. 자동셔터장치 34
2. 모니터링 및 집광분석장치 연결통로 37
제3절 고온열전달 및 화학반응 실험용 배관 38
제3장 HFSF 제어 및 모니터링 시스템 40
제1절 Heliostat 정밀 추적제어 40
1. Heliostat의 동작에 대한 문제점 40
2. Heliostat 추적시스템의 보완 41
3. Heliostat 정밀 추적제어 프로그램 46
제2절 HFSF 모니터링 시스템 48
1. 기상 측정 48
2. 온도 및 열 유속(Heat Flux) 측정 49
가. 적외선 온도계 50
나. 열 유속 센서 52
제4장 집광 성능 평가 54
제5장 High-Flux 열전달 실험 56
제1절 고온 액체금속 히트파이프 실험 56
1. 실험장치 및 방법 56
2. 경사각 변화에 따른 열성능 시험 58
3. 증발부 열유속 변화에 따른 열성능 시험 68
4. 유효열이송거리 변화에 따른 열성능 시험 71
5. 실험결과와 토론 79
제2절 태양열 반응기/흡수기의 모델링 86
1. 모델의 설정 86
2. 수치해석의 경계조건 및 입력조건 90
3. 격자생성 및 수렴성 검토 91
제3절 태양열 반응기/흡수기의 수치 모사 94
1. 강제순환식 열이송의 특성 해석 94
2. 히트파이프식 열이송의 특성 해석 101
3. 수치모사 결과와 토론 109
제6장 결론 112
참고문헌 114
서지정보양식 116
BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET 117
〈표 1-1〉 개발기술의 정량적 목표 25
〈표 1-2〉 개발 대상 핵심 및 요소 기술 25
〈표 1-3〉 연구개발 추진 체계 26
〈표 1-4〉 년차별 연구개발 추진 일정 27
〈표 3-1〉 적외선 온도계의 사양 51
〈표 5-1〉 격자크기에 따른 격자개수 92
[그림 1-1] 전세계 태양에너지 복사량 분포도 17
[그림 1-2] 집광비별 가득온도 및 효율 18
[그림 1-3] HFSF에 의한 태양연료 생산 기술 20
[그림 1-4] Solar Furnace 응용이 가능한 Power Tower 대규모 고집광 시스템 20
[그림 1-5] Parabolic 1차 집광에 기초한 소규모 Solar Furnace 집광시스템 21
[그림 1-6] 태양연료 생산을 위한 온도별 응용 반응 22
[그림 1-7] 약 2,500K의 반응온도를 요구하는 금속산화물 산화/환원 반응 개념도 22
[그림 1-8] 스위스 PSI 개발 초고온 태양열 화학반응기 23
[그림 2-1] CPC(200mm) 2차 집광장치(전체조립도) 29
[그림 2-2] CPC(200mm) 2차 집광장치(부품도-1) 29
[그림 2-3] CPC(200mm) 2차 집광장치(부품도-2) 30
[그림 2-4] CPC(300mm) 2차 집광장치(전체조립도) 30
[그림 2-5] CPC(300mm) 2차 집광장치(배치도) 31
[그림 2-6] 반응 및 집광분석용 거치대(설치도) 32
[그림 2-7] 반응 및 집광분석용 거치대(전체조립도) 32
[그림 2-8] 반응 및 집광분석용 거치대(부품도-1) 33
[그림 2-9] 반응 및 집광분석용 거치대(부품도-2) 33
[그림 2-10] 성능시험동 자동셔터장치(정면도) 35
[그림 2-11] 성능시험동 자동셔터장치(좌측면도) 35
[그림 2-12] 성능시험동 자동셔터장치(평면도) 36
[그림 2-13] 성능시험동 자동셔터장치(부품도-1) 36
[그림 2-14] 성능시험동 자동셔터장치(부품도-2) 37
[그림 2-15] 모니터링 및 집광분석장치 연결통로(평면도) 38
[그림 2-16] 고온열전달 및 화학반응 실험용 배관도(평면도) 39
[그림 3-1] 태양추적 시간별 초점 위치 (10:05~11:40) 43
[그림 3-2] 태양추적 시간별 초점 위치 (12:00~14:00) 44
[그림 3-3] 태양추적 시간별 초점 위치 (14:20~16:00) 45
[그림 3-4] Heliostat 추적제어 프로그램 동작 화면 47
[그림 3-5] HFSF 모니터링 시스템 48
[그림 3-6] 데이터 로거 CR1000 49
[그림 3-7] 열 유속 센서 52
[그림 3-8] 열 유속 센서 (0 - 500 Btu/ft² sec) 53
[그림 3-9] 열 유속 센서 (0 - 1,000 Btu/ft² sec) 53
[그림 4-1] Mapping용 이미지 촬영 장치(상), Target 및 반응기 거치 Table(중), Mapping 이미지 분석화면(하) 55
[그림 5-1] 본 연구에서 고려한 액체금속 히트파이프의 열전대 부착위치 및 열전달 면적 변화 57
[그림 5-2] 본 연구에서 제작한 나트륨 히트파이프 실험장치 사진 58
[그림 5-3] 수평상태에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 59
[그림 5-4] 수평상태에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 60
[그림 5-5] 응축부 상향 15˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 61
[그림 5-6] 응축부 상향 15˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 61
[그림 5-7] 응축부 상향 30˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 62
[그림 5-8] 응축부 상향 30˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 63
[그림 5-9] 응축부 상향 45˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 64
[그림 5-10] 응축부 상향 45˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 64
[그림 5-11] 응축부 상향 60˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 65
[그림 5-12] 응축부 상향 60˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 66
[그림 5-13] 응축부 상향 90˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 67
[그림 5-14] 응축부 상향 90˚에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 67
[그림 5-15] 증발부 길이 150 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 68
[그림 5-16] 증발부 길이 150 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축 방향 정상상태 온도분포 69
[그림 5-17] 증발부 길이 100 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 69
[그림 5-18] 증발부 길이 100 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축 방향 정상상태 온도분포 70
[그림 5-19] 증발부 길이 50 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 70
[그림 5-20] 증발부 길이 50 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 71
[그림 5-21] 단열부 길이 20 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 72
[그림 5-22] 단열부 길이 20 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 73
[그림 5-23] 단열부 길이 40 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 73
[그림 5-24] 단열부 길이 20 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 74
[그림 5-25] 단열부 길이 65 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 74
[그림 5-26] 단열부 길이 65 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 75
[그림 5-27] 단열부 길이 30 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 75
[그림 5-28] 단열부 길이 30 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 76
[그림 5-29] 단열부 길이 50 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 76
[그림 5-30] 단열부 길이 50 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 77
[그림 5-31] 단열부 길이 85 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프의 온도분포 77
[그림 5-32] 단열부 길이 85 mm에서 입력열부하에 따른 히트파이프 축방향 정상상태 온도분포 78
[그림 5-33] 히트파이프 기울기와 증발부 열유속 변화에 따른 열저항 비교 79
[그림 5-34] 히트파이프 기울기와 증발부 열유속 변화에 따른 작동온도 비교 80
[그림 5-35] 히트파이프 기울기와 증발부 열유속 변화에 유효열전도율 비교 81
[그림 5-36] 히트파이프 증발부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 열저항 비교 82
[그림 5-37] 히트파이프 증발부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 작동온도 비교 83
[그림 5-38] 히트파이프 증발부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 유효열전도도 비교 83
[그림 5-39] 히트파이프 단열부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 열저항 비교 84
[그림 5-40] 히트파이프 단열부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 작동온도 비교 85
[그림 5-41] 히트파이프 단열부 길이 변화와 증발부 열유속 변화에 따른 유효열전도율 비교 86
[그림 5-42] 고온 태양열 흡수기 모델 88
[그림 5-43] 개별적인 냉각채널에 대한 상세한 계산영역 90
[그림 5-44] 본 연구에서 수치계산을 위해 선택한 격자의 형상 92
[그림 5-45] 격자크기에 따른 상대오차 93
[그림 5-46] 후벽각도 0˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 95
[그림 5-47] 후벽각도 5˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 95
[그림 5-48] 후벽각도 10˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 96
[그림 5-49] 후벽각도 15˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 96
[그림 5-50] 후벽각도 30˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 97
[그림 5-51] 후벽각도 45˚에서 강제순환식 온도분포 (집광비 : 1000, 용융염의 질량유량 : 0.005 kg/s) 97
[그림 5-52] 집광비 1000에서 용융염 질량유량에 따른 축방향 내벽 온도(후벽 각도 : 0˚) 98
[그림 5-53] 집광비 1500에서 용융염의 질량유량에 따른 축방향 내벽 온도 (후벽 각도 : 0˚) 98
[그림 5-54] 집광비 2000에서 용융염의 질량유량에 따른 축방향 내벽 온도 (후벽 각도 : 0˚) 99
[그림 5-55/5-52] 집광비 1000에서 용융염 질량유량에 따른 축방향 내벽 온도(후벽 각도 : 0˚) 100
[그림 5-56] 후벽 각도 변화와 질량유량 변화에 따른 진정복사열전달율 (집광비 : 1500) 101
[그림 5-57] 후벽 각도 0˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 103
[그림 5-58] 후벽 각도 5˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 103
[그림 5-59] 후벽 각도 10˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 104
[그림 5-60] 후벽 각도 15˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 104
[그림 5-61] 후벽 각도 30˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 105
[그림 5-62] 후벽 각도 45˚에서 히트파이프식 온도분포 (집광비 : 1000, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 105
[그림 5-63] 히트파이프 유효열전도도 변화에 따른 축방향 내벽 온도 분(집광비 : 1000, 후벽 각도 : 0˚) 106
[그림 5-64] 히트파이프 유효열전도도 변화에 따른 축방향 내벽 온도 분(집광비 : 1500, 후벽 각도 : 0˚) 107
[그림 5-65] 후벽 각도 변화에 따른 축방향 내벽 온도분포(집광비 : 1500, 히트파이프 유효열전도도 : 7500 W/m·K) 108
[그림 5-66] 후벽 각도 변화와 히트파이프 유효열전도도 변화에 따른 진정복사열전달율(집광비 : 1500) 109
[그림 6-1] 구축이 완료된 KIER의 HFSF 시스템 113
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