추적형 태양열 집열기와 최적으로 고정된 평면형 태양열 집열기의 효율성 비교

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12712(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 맑은 하늘 모델을 사용하여 고정형 평판형 태양열 집열기의 최적 방향을 조사합니다. 컬렉터 표면에 닿는 조사의 지면 반사 구성 요소는 직접 빔 및 하늘 확산 구성 요소와 비교할 때 상대적으로 작은 크기로 인해 무시됩니다. 분석적 계산에 따르면 수집기의 위도에 관계없이 가장 효과적인 방위각 \(\gamma ^*\)은 0이며 일반적으로 남북 방향에 해당합니다. 그러나 최적의 기울기 각도 \(\beta ^*\)는 올해의 날짜(DoY)와 수집기의 지역 위도에 따라 달라집니다. 중위도 기후대의 일반적인 위도에 대해 최적의 경사각과 수집기가 각 DoY 동안 수확할 수 있는 최대 에너지를 계산할 수 있습니다. 우리는 이 최적 방향과 관련된 직접 광선과 하늘 확산 에너지의 합인 최대 일일 수신 에너지를 평판이 태양을 추적할 때 해당 값과 비교합니다. 태양 추적으로 인한 총 에너지의 상대적 증가는 DoY에 따라 크게 달라지며, 초겨울의 최소값은 약 \(17\%\)이고 큰 간격에 걸쳐 최대값은 \(40\%\)입니다.

태양열 집열기, 패널, 집광기와 같은 장치는 태양 복사1,2,3,4,5,6,7로부터 에너지를 수확하도록 설계되었습니다. 성능과 효율성을 극대화하는 것이 중요하며 이를 달성하는 가장 효과적인 방법은 DNI(Direction Normal Irradiance)로 알려진 태양 광선을 따라 컬렉터의 방향을 지정하는 것입니다. 그러나 하늘에서 태양의 겉보기 위치가 하루 종일 변하기 때문에 이를 위해서는 추적 시스템이 필요합니다. 추적 시스템은 효율성을 크게 향상시킬 수 있지만 비용이 많이 들고 작동을 위해 추가 에너지가 필요할 수도 있습니다8. 또한, 운영 및 유지 관리 비용도 많이 듭니다. 이러한 비용을 줄이려면 태양열 집열기를 고정되어 있지만 최적의 방향으로 배치하고 필요에 따라 이 방향을 주기적으로 조정하는 것이 바람직합니다. 그러나 최적의 방향을 찾는 것은 쉬운 일이 아니며 기후 및 기상 조건을 포함한 여러 외부 요인에 따라 달라집니다9,10. 일반적으로 태양열 집열기의 최적 방향은 매일, 매월, 분기별 또는 연간 기준으로 경험적으로 결정됩니다. 태양열 집열기가 받는 일사량에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요인이 있습니다. 수신된 방사선은 태양열 집열기의 기하학적 구조와 모양에 따라 달라질 수 있습니다. 또한 위치의 위도, 연중 날짜 및 기후에 따라 달라집니다. 결과적으로 최적의 방향을 결정하는 것은 복잡하고 위치에 따라 달라지는 프로세스일 수 있습니다. 많은 태양열 집열기는 평판 집열기 및 PV 패널과 같이 평평한 표면을 갖고 있는 반면, 다른 태양열 집열기는 태양열 접시 또는 포물선형 골짜기와 같이 오목한 곡률을 가지고 있습니다. 그러나 곡면형 컬렉터의 경우 태양에 노출되는 유효 표면적(조리개)은 평평합니다. 평면 조리개 컬렉터의 방향은 두 가지 기울기 각도 \(\beta\)와 방위각 \(\gamma\)로 지정할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 여러 연구 그룹이 전 세계 여러 위치에 대한 태양열 집열기 방향 최적화를 숙지하고 있습니다. 유전자 알고리즘 및 시뮬레이션된 어닐링을 포함한 다양한 기술이 사용되었습니다11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38. 자세한 검토는 39를 참조하십시오. 평평한 표면 수집기의 최적 방향 문제를 다루는 대부분의 기사는 지역적이고 보편적이지 않은 지리적 규모에서 수행되었습니다. 경험상 북반구(남반구)에서 최적의 방향은 남쪽(북쪽)을 향하고 최적의 연간 경사각은 지역 위도와 동일해야 한다고 제안됩니다. 그러나 다른 논문에서는 최적의 경사각에 대해 더 넓은 범위를 제안했습니다. 불행하게도 이러한 조사 중 상당수는 포괄적이고 엄격한 수학적 접근 방식이 부족하여 어려움을 겪고 있습니다. 본 논문에서는 엄격한 수학적 프레임워크를 사용하여 고정 방향 태양열 집열기 최적화 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 컬렉터의 최적 방향은 태양 정오의 태양 광선 방향에 수직이라는 것이 직관적으로 보일 수 있습니다. 왜냐하면 그 시간 동안 햇빛이 거의 바로 머리 위로 빛나기 때문입니다. 그러나 앞으로 살펴보겠지만 이른 아침과 오후의 방사선을 포함하여 하루 종일 직접적인 조사 에너지의 기여를 고려할 때 최적의 경사각은 이러한 추측에서 벗어납니다. 앞으로 살펴보겠지만 이는 위도와 연중 날짜에 따라 결정적으로 달라집니다. 지상에 수신되는 전체 태양복사량은 직접빔, 하늘 확산, 지상 반사의 세 가지 주요 구성요소로 구성됩니다. 지면 반사의 기여도는 미미하지만, 하늘 확산 복사의 기여도는 상당합니다. 본 연구에서는 직접빔과 하늘 확산 성분에 초점을 맞추고 지면 반사는 무시합니다. 구체적으로 우리는 직접빔과 하늘 확산 복사로 인한 에너지 기여를 별도로 계산하고 후자는 등방성 근사법을 사용하여 조사합니다. 본 논문에서는 조사 입사각이 태양 에너지 변환 특성에 미치는 영향을 고려하지 않습니다. 예를 들어, 태양광 PV 패널의 효율성은 태양광선이 패널에 닿는 각도에 의해 영향을 받거나40,41,42 태양열 집광기에서는 확산 방사선을 수집할 수 없습니다. 이 중요하고 어려운 문제에는 추가 조사가 필요합니다. 더욱이 기술에 따른 효율성은 향후 고려 사항에 있어 흥미로울 수 있습니다. 여기서 우리의 주요 초점은 에너지 변환 및 패널 효율 세부 사항을 탐구하기보다는 플랫 컬렉터의 전체 수신 조사 에너지에 있습니다. 이 논문은 다음과 같이 구성되어 있습니다. "일부 천문학" 섹션에서는 몇 가지 수학적 천문학 전제 조건이 제시됩니다. "공식 및 방법론: 평판 수신기의 최적 방향" 섹션에서는 평면 태양열 집열기의 최적 방향에 대해 논의하고 최적 각도에 대한 분석 솔루션을 제공합니다. "추적 평판과의 비교" 섹션에서는 고정 평판과 추적 평판에 의해 수확된 총 에너지를 비교하고 연구 결과를 제시합니다. "문헌의 기존 결과와의 비교" 섹션은 우리의 결과를 문헌의 유사한 기존 결과와 비교하는 데 전념합니다. 그리고 마지막으로 몇 가지 최종 논평으로 논문을 마무리합니다.