태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 4>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

2) 흡수판

우리는 흡수판으로 사용하는 재질은 대부분이 금속이다. 물론 금속의 종류는 많다. 그중에서 단순하게 열의 전달만을 따진다면 분명히‘동’이 최고의 열전도율을 자랑할 수 있을 것이다.

여기서 문제는 오늘날 동의 가격이 너무 높아, 이제는 재질의 문제도 검토해보아야 한다는 것이다. 이렇게 볼 때 흡수판의 제작 특성은 다음과 같다.

a) 가능한 한 태양광을 더 많이 흡수해야 한다.

b) 주위로부터의 열 손실이 적어야 한다.

c) 내부의 유체에 열전달이 빨라야 한다.

<Figure 6-5> 집열판의 개량된 구조

검은색으로 칠해진 흡수판은 어떠한 다른 색보다 더 많은 태양광에너지를 흡수할 수 있을 것이다. 이는 흑체복사의 효과라고 할 수 있다.이렇게 검은색 표면은 태양광의 95%를 흡수할 수 있는 능력을 가지고 있어서 대부분의 흡수판은 검은색 도장을 하여 사용한다.

또한, 이러한 평평한 검은색 페인트판은 가능한 한 반사를 줄일 수 있도록 사용된다. 그래서 집열판으로부터 주위까지 열방사총량의 감소를 위해서는 검은색의 특수 코팅이 필요하다.

이러한 코팅은 일정한 검은색의 표면과 같이 같은 에너지의 방사량을 흡수한다. 수영장이나 곡물 건조장 등에서 낮은 온도가 적용되게 하기 위해서 선택한 코팅은 일반적으로 경제적이지 못하다.

<Figure 6-6> 집열판의 능력의 비교

집열판으로부터 방사되는 손실이 낮아 그 온도는 그렇게 문제되지 않는다. 주택을 난방하기 위하여 선택된 집열판의 흡수표면은 주어진 집열기로부터 효율을 증가하기 위하여 추가적인 Cover plate의 필요성을 가지지 않는다. 즉, 단일 층의 커버판이면 충분하다는 이야기가 된다.

집열판으로 사용되는 물질들은 일반적으로 동을 사용하거나 아니면 알루미늄, 철을 사용한다. 그중에서 동은 가장 비싸다. 대신에 그중 가장 열전도율이 높다. 철은 비용은 가장 적게 들지만, 셋 중에 열전도율이 가장 낮다.

물에 의한 난방용 집열기는 특히 열의 전도성이 중요하다. 동으로 된 물튜브는 전도성이 떨어지는 물질보다는 더욱더 공간을 중요시해야 한다. 이외에도 중요한 고려 사항은 물튜브와 집열판과의 결합부분이라고 할 수 있다. 특히 솔더링에 의한 접합은 가장 좋은 열효율을 제공할 것이다.

이러한 접합기술은 현재 알루미늄을 포함하여 많은 부분에서 사용되고 있다. 어떤 판은 튜브와 sheet와 같이 접합하여 <Figure 6-7>과 같이 좋은 열전도가 일어나는 냉장고의 선반과 같이 사용된다.

<Figure 6-7> 물형태의 흡수판

<Figure 6-7>은 동관을 집열판의 위에 설치하여 집열된 열을 동관으로 전달하고, 전달된 열은 동관 내부의 물에 전달하는 방식이라고 할 수 있다. 이렇게 동관과 집열판에 의해서 열을 물로 전달하기 위해서는 동관과 집열판의 용접이 중요한데, 이러한 용접을 브레이징과 같은 방법으로 하거나 솔더링기법에 의해서 이루어진다. 하지만 집열판의 면적이 클 때는 솔더링기법을 사용할 수 없어, 결과적으로 정밀한 브레이징 공법을 이용하여야 한다.

물론 이때 중요한 것은 <Figure 6-7>에서의 관은 열전도가 좋은 동관을 사용해야 한다는 점이다. 그러나 문제는 자재가격이 상승하면서 동관을 고집하기에는 역부족이라는 것이다. 그래서 필자는 알루미늄 열교환기를 제작하고 있다.

<Figure 6-8> 물 형태의 태양열 집열판의 다른 변화

<Figure 6-8>과 같이 물배관은 집열판의 내부에 용접하거나 솔더링기법으로 고정하고 집열판이 얻은 열을 물에 전달하는 방법을 사용하기도 한다. 만약 흡열판의 전체면적이 <Figure 6-9>와 같이 운송유체에 의해서 지나간다면 그 판의 열전도는 그렇게 중요하지 않다.

공기 형태의 집열기를 위하여 나무와 를라스틱이 흡수판으로 사용되기도 한다. 그들은 일반적으로 금속과 같이 효율이 높지는 않다. 그러나 때로는 집열기의 ft2당 설치비용이 적기 때문에 사용되기도 하는 것이다.

또한, 판의 표면적은 공기집열기에서 운송되는 열에 영향을 미친다. 이러한 면적을 증가시키기 위한 주름과 핀을 포함한 대부분의 디자인은 열전도율을 <Figure 6-9>와 같이 증가시킨다.

<Figure 6-9> 공기형태 집열판의 흡수판 변화

이는 열전도 면적을 넓히기 위하여 방열핀을 설치하여 사용하는 방법이라고 할 수 있다. 이렇게 복잡한 구조물을 만들기 위해서는 많은 비용과 함께 제작상의 어려움을 가진다. 그러나 오늘날 과학자들은 어떠한 방법을 동원해서라도 집열효율을 높이기 위하여 노력을 하고 있다. 그래서 <Figure 6-9>와 같은 집열판의 개발도 가능한 것이다.

3) 케이싱의 준비

집열기의 케이스는 나무나 금속 그리고 불에 저항하는 플라스틱 재질로 만들어진다. 나무케이스는 습기에 저항하는 능력을 가지고 있어야 하고 금속재료는 페인팅하여 부식이 되는 것을 방지해 주어야 한다.

커버는 잘 고정되고 틈이 없이 고무와 같은 재질로 실링되어 있어야 하며, 팽창과 수축에 따른 파손이 없어야 한다. 그리고 한여름에 습기로부터 안전하여야 한다.

이러한 팽창과 수축이 일어나는 부분은 특히 유리 커버의 경우에 중요하다. 유리의 팽창은 나무보다는 2배 정도, 금속재보다는 1.5배 정도 팽창이 더 잘 일어나기 때문에 이러한 문제점을 감안하여 디자인해야 한다. 그러나 반대로 플라스틱 재질이나 화이버글라스의 경우에는 이러한 조인트 부분의 팽창은 중요하지 않다. 하지만 집열판 뒷부분의 단열은 열의 직접적인 손실을 예방하고, 집열기의 옆 케이스로부터의 열손실을 예방하기 위하여 중요하다.

<Figure 6-10> 집열판의 구조

태양열집열기를 사용하지 않을 때 발생하는 정체온도는 집열판에서 300℉(148.88℃)에 이를 수 있다. 이러한 시즌을 위하여 더 이상의 악화현상 없이 높은 온도에 저항할 수 있는 단열재를 선택할 수 있는 것 또한 중요하다. 화이버글러스나 미네랄 울과 같은 물질들은 종종 이러한 이유 때문에 집열기의 단열재로써 사용한다.

4) 태양열 집열기의 디자인을 위한 일반적인 사항

태양열 집열기의 경우 일반적으로 확인해야 하는 사항들이 있다. 이것은 일반적인 것이기는 하지만 공기를 가열하는 집열기나 물을 가열하는 집열기의 경우 모두에 해당할 수 있기 때문에 중요하다.

특히 공기를 이용하는 경우에 Bare plate type과 Covered plate type의 경우 조금은 다른 부분이 있어서 언급하고 주의를 환기시키고자 한다. 그리고 물의 경우 동파방지의 문제와 한여름에 사용하지 않을 때의 문제점에 대하여 연구해 놓아야 한다.

A. bare plate 집열기

a) 집열기를 통과하는 공기의 온도상승을 위한 디자인 온도는 10℉를 넘지 않아야 한다.

b) <Figure 6-11>과 같이 집열기를 통과하는 더운 공기의 최고 속도는 750fpm을 넘지 않아야 한다.

c) 또한 공기가 통과할 수 있는 최소의 공간은 3/4인치를 넘지 않아야 한다.

d) 집열판을 위한 재질로는 검은색이나 짙은색의 플라스틱판이나 금속판이어야 한다.

<Figure 6-11> Bare type 집열판의 열흐름

B. Covered plate 집열기

a) 집열기를 통과하는 공기의 온도상승을 위한 디자인 온도는 50~75℉를 넘지 않아야 한다.

b) 집열기에서 최고 공기의 속도는 750fpm을 넘지 않아야 한다.

c) 최소의 공간은 3/4인치를 넘지 않아야 한다.

d) 흡수판을 이루고 있는 물질은 어두운색의 금속판이나 나무판이어야 한다.

e) 커버물질은 저철분 강화유리나 자외선에 저항하는 플라스틱판 또는 화이버글라스로 설치되어야 한다.

f) 2중 커버인 경우에는 집열기의 온도 디자인을 75~80℉로 할 수 있다.

g) 뒤와 옆 케이스의 단열재는 R-value13 이상이어야 한다.

<Figure 6-12> Cover plate type 집열판의 열흐름

C. 열전달물질로 액체를 사용할 경우

a) 만약 동결지역이라면 Ethylene glycol을 동파방지를 위하여 사용할 수 있다.

b) 만약 액체가 끓는점이 300℉(148.88℃)에 이른다면 시스템에 압력완화 밸브를 준비하여야 한다.

<Figure 6-13> Suspended plate type 집열판의 열흐름

Suspended plate 형태의 집열기의 경우에는 공기의 이동통로가 위와 아래 양쪽으로 있지만, 모든 것이 Cover plate 형태와 동일하다. 그리고 상승온도 역시 앞의 경우와 같이 계산하면 된다.

<다음 호에 계속>