A study on the Correlation between Heat Transfer and Pressure Drop in PV/T Modules with Non-uniform Rib as a Turbulent Promoter Based on Numerical Analysis

Abstract

화석 연료 사용 증대로 인한 에너지 고갈 및 지구 온난화 등의 환경문제가 발생하였다. 이에 맞춰 국내·외 신재생에너지 정책이 활성화되면서 시스템이 간편하고 활용도가 높은 태양광 시스템이 가장 주목을 받았다. 본래 태양광 시스템의 경우 전기 생산을 위해 일사 유입 시 태양광 모듈 온도가 상승하게 되어 발전 효율이 감소하는 문제점이 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광 모듈에 공기를 보내 태양전지를 냉각시켜 모듈의 발전 효율 저하를 방지한다. 태양전지에서 회수한 미활용에너지(폐열)는 겨울철 난방 및 여름철 제습 냉방 시스템 흡착제 재생 열원 등 유용하게 이용할 수 있다. 태양광/열 모듈은 크게 공기식과 액체식으로 나눠진다. 공기식 태양광/열 모듈은 액체식보다 열 회수율이 낮은 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 공기 열 회수율을 향상시키기 위해 태양광 모듈 후면부에 불균일 난류 촉진제를 부착하며, 난류 촉진제의 형상조건 및 공기 유량 조건에 따른 열전달 성능 및 압력강하를 평가하려고 한다. 난류 촉진제의 형상 조건 및 공기 유량 조건에 따라 변화하는 열전달 성능을 평가하기 위하여 전산열유체 해석 모델 구축 및 시뮬레이션을 진행하였다. 전산열유체 해석을 위해 상용 시뮬레이션인 ANSYS FLUENT 17.2를 사용하였다. 난류 촉진제의 형상 조건으로는 상대 높이(e/h), 설치 간격(p/e), 상대 폭(w/e)로 설정하여 총 36가지의 형상조건을 형성하였으며, 유동 조건 (Re)를 4조건을 형성하여 총 144가지의 해석 조건을 만들어 수치해석을 진행하였다. 열전달 성능(Nusselt number)은 최대 2.03배, 최소 1.28배 증가하였다. 압력강하(firction facotr)는 최대 4.68배, 최소 2.41배 증가하였으며, 난류 촉진제의 열전달 성능이 높아짐과 더불어 압력강하 또한 증가하는 경향을 보였다. 최종적으로 열전달 성능과 압력강하를 동시에 고려하기 위한 열전달 성능계수(thermal hydraulic performance parameter)는 최대 1.24배, 최소 0.81배 증가하였다. 또한 위 난류 촉진제 수치해석 결과를 바탕으로 난류 촉진제의 형상조건 및 유동 조건에 따른 열전달 성능, 압력강하에 대한 상관관계 분석 및 상관식을 제시하였다. 열전달 성능(Nusselt number)의 상관식은 상관식의 예측값과 시뮬레이션 결과값의 오차율이 오차 범위 15%내에 모두 일치하였으며, 평균 오차율을 3.24%였다. 또한 압력강하(friciton factor)의 상관식은 상관식의 예측값과 시뮬레이션 결과값의 오차율이 오차 범위 15% 내에 모두 일치하였으며, 평균 오차율은 5.31%였다.