본 연구에서 적용한 이중진공관형 집열기의 구조는 Figure 1에 나타내고 있다.

Figure 1:  
Schematic all glass evacuated tube solar collector with heat pipe

Figure 2:  
Schematic setup of solar collector andrefrigerator experimental apparatus

일반적으로 집열튜브는 들어오는 태양에너지 전부가 손실로 인해 열에너지로 변환되지 않는다. 이 손실은 온도에 의해 받는 손실과 온도에 영향을 받지 않는 손실로 나누어 질 수 있다. 온도에 영향을 받지 않는 손실은 빛을 반사 및 흡수하는 유리관과 관련이 있다. 이 흡수판은 일반적으로 높은 흡수율과 낮은 방사율을 갖도록 특수한 코팅처리를 하는 것이 중요하며, 집열기의 특성은 크기 및 배열형식, 유체의 입·출구온도 등에 따라 성능이 달라진다. 따라서 집열기 설계시 이들 인자들에 대한 최적조건을 잘 고려하여야 만이 성능과 효율을 높일 수 있다.

Figure 2는 본 연구에 적용한 태양열 집열기 및 냉동기를 조합한 실험장치의 개략도를 나타낸 것으로 집열기의 설치방향은 정남향으로 수평면에 대해 45^o의 경사각을 갖도록 고정하였으며, 순간 일사량계는 집열기와 동일한 평면상에 놓이도록 설치하였다.

본 연구에 적용한 자동성능프로그램의 구성은 집열기는 Lab View로, 냉동기는 KTE-DA100을 이용하여 소프트웨어를 제작하였고, 각 센서데이터 값을 받아서 마이크로 컨트롤러에서 디지털 신호로 변환하여 RS232 통신케이블을 이용하여 데이터를 컴퓨터의 데이터 기록 및 시스템 모니터링 프로그램을 통하여 실시간으로 계측되도록 하였다. 실험장치의 작동원리는 태양열 집열기 출구의 온도컨트롤러의 설정온도(△T)에 따라 순환펌프가 작동하도록 되어 있고, 펌프의 작동에 따라 배관내의 유체는 Figure 2에서 나타난 바와 같이 화살표방향으로 흐르게 되고, 집열기에서 집열된 열은 항온조로 이동하게 된다.

이 때 항온조의 유체는 냉각 유닛과 히팅 유닛에서 항온조건(냉동기, 히터 온도컨트롤러)에 따라 설정온도로 맞춰져 유체의 열적상태가 바뀌게 된다. 이러한 항온조건에 맞추기 위해 냉동기와 히터 온도컨트롤러에 의해 냉동 유닛과 히팅 유닛이 ON-OFF로 작동된다. 실험방법은 충분한 예비실험을 통하여 각부의 안정성을 육안관찰한 후 실제의 외기온도 및 일사량 조건에서 기준 냉각수량 0.055 kg/s로 설정하고, 항온조출구의 설정온도 18℃ 및 22℃에서 집열기 유체의 출구제어온도를 편차 △T=3℃(26.5∼28.5℃)로 제어하여 집열기 및 냉동기의 각부의 온도, 냉매의 압력 등을 계측하여 집열기의 열전달률, 집열효율, 냉동기의 성능 등을 산출하여 분석할 수 있도록 수행하였다. Table 1은 태양열 집열기 및 냉동기 실험장치의 구성품에 대한 사양을 나타내었다.

Components	Parameter	Specification
Heat collector (TZ58/1800)	Evacuated tube	ɸ58×1800 mm×20 (t=18 mm)
	Size (Aperture area)	1640×1980×155mm (1.98 ㎡)
	Slop	45°
	FR (τα)	0.741
	FRUL	2.747
	Heat pipe	copper tube
Flow system	Constant temp. tank	25 (Fin coil type)
	Heater	200 W×3
	Water pump flow	Max. 30 /min
	Flow control	Manual valve
Refrigerator	Compressor	0.74 kW
	Condenser fan motor	0.37 kW
	Evaporator	Plate type
	Exp. valve	Manual type
	Refrigerant	R-12
Transducer	Temperature	T type
	Pressure	-1∼ 35 bar
Data Acquisition system	Collector	NI-cDAQ 9174
	Refrigerator	KTE-DA100

집열기의 집열효율은 집열기 입구에서의 유체온도에 따라 얻어진 열량과 그 순간의 태양열 일사량에 의한 최대 가능한 열전달량의 비로서 정의하며, KS B ISO 9806-3 기준[12]에 의해 다음과 같은 식으로 나타낸다.

Figure 3는 이중진공관형 집열기를 이용하여 외기온도, 일사량, 유량, 집열기의 입·출구온도 등을 측정하여 실제 집열기의 집열효율 η을 계산하여 (T_m - T_a) / I_c의 관계를 나타낸 것이다. 그 결과로 (T_m - T_a) / I_c가 클수록 집열효율이 감소함을 알 수 있으며, 이 값들을 선형화하여 관계식을 나타내면, y = 0.728 - 2.534x이다. 여기서 y축의 절편값 F_R(τα)은 0728이고, 기울기인 F_RU_L은 -2.534임을 알 수 있어 집열기 제작사양의 F_R(τα)과 F_RU_L이 각각 0.741와 2.747인 계수와 비교할 때 다소 편차는 있으나 대체로 비슷한 특성을 보였다. 여기서 편차가 있는 원인은 집열기의 설치위치와 외기온도에 따른 일사량의 특성, 유량조건 및 집열되는 열전달률 등의 변화에 따른 실험조건의 차이라 사료된다.

Figure 3:  
Efficiency characteristics of solar collector

Figure 4과 Figure 5는 집열기에 순환하는 기준 냉각수량을 0.055 kg/s로 하고, 집열기에 태양복사가 입사한 일사량조건(외기온도 25℃∼27℃)에서 항온조의 출구온도를 18℃로 설정하여 집열기의 출구온도를 25℃(편차 ±1.5℃)로 제어하여 1시간동안 운전했을 때 일사량에 따른 항온조 및 집열기 각부의 온도특성과 집열기의 열전달특성을 나타낸 것이다.

Figure 4의 결과로 순환펌프가 주기적으로 집열기의 출구온도가 26.5℃이상에서는 펌프 ON되고, 23.5 ℃이하에서는 펌프 OFF됨을 알 수 있었으며, 이 때 항온조의 출구온도는 순간적인 관성에 의한 온도 히스테리시스현상으로 일정하지는 않지만 평균적으로 볼 때 대략 18℃로 제어하고 있음을 알 수 있었다.

Figure 4:  
Temperature characteristics of solar collector at constant tank out 18℃ and collector out 25℃ (outdoor temp. 25℃∼27℃)

Figure 5는 외기온도 25℃에서 27℃에서 집열기에 태양복사가 입사되는 태양복사강도에 따른 집열기의 집열효율 특성을 나타낸 것이다. 그 특성으로 일사량에 관계없이 집열효율 특성이 주기적으로 변하는 것은 특별히 본 실험장치에서 외부의 축열조 대신에 일정한 유체온도만을 제어하는 항온기를 이용하여 집열기 출구온도를 설정하여 순환펌프작동이 ON-OFF되어 운전되기 때문에 정확하게 구분하여 정량분석하기에는 어려움이 있지만 펌프작동에 따른 대략적인 집열효율 특성을 고찰할 수 있었다. 그 결과로서 1시간동안 집열되는 평균열전달률은 약 647.2 W가 얻어지고, 평균일사량은 661.6 W/㎡으로서 집열기의 투과면적 1.98 ㎡를 고려한 평균열전달률은 1309.9 W이므로 평균집열효율은 약 49.4%을 얻었다.

Figure 5:  
Heat transfer and efficiency characteristics of solar collector at constant tank out 18℃ and collector out 25℃ (outdoor temp. 25℃∼27℃)

Figure 6와 Figure 7은 집열기에 순환하는 기준 냉각수량을 0.055 kg/s로 하고, 집열기에 태양복사가 입사한 일사량조건(외기온도 29℃∼32℃)에서 항온조의 출구온도를 22℃로 설정하여 집열기의 출구온도를 25℃(편차 ±1.5℃)로 제어하여 1시간동안 운전했을 때 일사량에 따른 항온조 및 집열기 각부의 온도특성과 집열기의 열전달특성을 나타낸 것이다.

Figure 6의 결과로 Figure 4에서 나타난바와 같이 순환펌프가 주기적으로 집열기의 출구온도가 26.5℃이상에서는 펌프 ON되고, 23.5℃이하에서는 펌프 OFF됨을 알 수 있었으나, 항온조의 출구온도를 18℃했을 경우보다 22℃로 올려 했을 경우가 온도상승에 따라 펌프작동시간이 빠르게 단축됨을 알 수 있었다.

Figure 6:  
Temperature characteristics of solar collector at constant tank out 22℃ and collector out 25℃ (outdoor temp. 29℃∼32℃)

Figure 7:  
Heat transfer and efficiency characteristics of solar collector at constant tank out 22℃ and collector out 25℃ (outdoor temp. 29℃∼32℃)

Figure 7은 외기온도 29℃∼32℃범위에서 집열기에 태양복사가 입사되는 태양복사강도에 따른 집열기의 집열효율 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 Figure 5에서 나타난바와 같이 일사량에 관계없이 집열효율 특성이 주기적으로 변함을 알 수 있었다. 따라서 1시간동안 집열되는 평균열전달률은 약 880.2 W가 얻어질 때 평균일사량 739.1 W/㎡ 및 집열기의 투과면적 1.98 ㎡를 고려한 평균열전달률은 1463.4 W로서 평균집열효율은 약 60.1%을 얻었다. 이는 항온조의 출구온도, 외기온도 및 일사량 상승에 따른 전열효과로 사료된다.

태양열 집열기를 이용한 냉동기 각부의 열역학적인 특성을 고찰하기 위해 집열기에 순환하는 기준 냉각수량을 0.055 kg/s로 하고, 외기온도를 25℃∼27℃에서 항온조의 출구온도 18℃이상이면 압축기 ON되고 18℃이하이면 압축기 OFF되도록 설정하도록 하여 10분간 운전을 수행하였다.

Figure 8과 Figure 9는 압축기의 냉매온도와 압력의 특성 및 응축기와 팽창밸브의 냉매온도특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 냉동기가 작동하는 47초에서 429초 부근에서 볼 때 정상적인 압축기전후의 온도와 압력변화는 각각 대략 45℃∼52℃ 및 9.0∼9.5 bar정도로 상승하고, 응축기와 팽창밸브의 온도변화는 각각 대략 45℃∼55℃ 및 30℃∼35℃정도로 감소하는 특성을 나타냈다.

Figure 8:  
Temperature and pressure characteristicsof compressor inlet and outlet

Figure 10은 증발기의 온도특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 냉동기가 작동하는 범위에서 볼 때 항온조의 유체온도에 의한 냉매온도가 상승됨을 알 수 있으며 증발기전후의 온도변화는 대략 5℃∼6℃ 정도로 상승하는 특성을 나타냈다

Figure 9:  
Temperature characteristics of condenser and expansion valve

Figure 10:  
Temperature characteristics of evaporator

Figure 11은 냉동기 작동에 따른 압축기일량, 증발열량, 응축열량 및 성능계수의 열역학적 성능을 나타낸 것이다. 그 결과로 냉동기 작동범위에서 냉동기의 성능계수는 대략 6.2∼7.1 정도로 나타냈고, 냉동기 성능특성상 증발열량과 응축열량은 비례함을 알 수 있었으며, 압축기일량이 상승함에 따라 성능계수는 감소하는 서로 상반관계임을 확인할 수 있었다.

Figure 11:  
Performance characteristics according to compressor operation conditions