CFD에 기반한 벽체형 공기식 BIPVT의 열 및 전기 효율 분석 (Numerical Study of Wall-Type Air-Based Building Integrated Photovoltaic-Thermal System on Thermal and Electrical Efficiency)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 36권 / 6호 / 281 ~ 288페이지
· 저자명 : 채호병, 배상무, 오진환, 남유진

초록

본 연구에서는 BIPVT의 적용 및 설치 가이드에 관한 기초 연구로서, BIPVT-air 시스템을 대상으로 BIPVT의 열교환기 형태와 유량에 따른 시스템의 성능 예측을 수행하였다. 성능 예측을 위해 수치해석 프로그램을 사용하여 BIPVT의 열 및 전기성능, 유체 유동과 압력손실을 계산하였고, 그 결과는 다음과 같다.
(1) PV cell 온도는 핀 간격이 증가할수록 Case 1을 기준 약 10%(Case 2). 20%(Case 3) 증가하였고, 유량은 낮아지는 것을 확인하였다. 또한, Oultlet 온도 또한 유량이 커질수록 온도가 낮아지는 것을 확인하였다.
(2) 전체 Case의 PV 효율은 10.5 ~ 12.2%의 범위 내에서 효율을 가졌으며, 열 이득 54.4 ~ 254.4 W/m2의 범위에서 열 이득을 얻을 수 있었다.
(3) 입구 측 유속이 상대적으로 출구측 유속에 비해 빠르며 열교환기 굴곡부에서 유체의 압력손실 및 난류의 영향, 유동 분리로 인해 유체의 정체(유속 감소)를 확인할 수 있었다. 또한, 핀 간격이 좁을수록 유체의 흐름을 방해하고 유동 방향을 세분화시키는 경향이 있기 때문에 마찰 손실을 유발하며 내부 유속을 증가시켰다.
(4)유량 범위 0.2 ~ 0.9 kg/s에서 압력 손실 약 3.9 ~ 27.8 Pa로 나타났으며, 유량이 증가할수록 압력손실은 선형적 증가하였다. 한편, 핀 간격에 따른 압력 손실 차이는 Case 1을 기준으로 Case 2는 약 67.3%, Case 3은 48.0% 감소함을 확인하였다.




추후, 외부환경 및 벽체의 온도 변화에 대한 시스템 성능 분석과 BIPVT의 출수온도의 활용방안(Heat pump와의 연동 및 직접 난방) 등에 대한 성능평가를 실시할 예정이며, 국내 실정에 맞는 BIPVT의 설치 및 최적 설계 가이드를 제시할 예정이다.

영어초록

This paper provides foundational research into enhancing a building-integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) system, focusing on predicting performance by examining the configuration of heat exchangers and flow rates in an air-based BIPVT system. Numerical analysis software (Ansys Fluent) was employed to calculate heat gain and PV efficiency under defined conditions: insulated sides of the BIPVT, a steady back panel temperature aligned with the building wall temperature (25℃), and maximal solar irradiance (1,000 W/m2) in steady-state scenarios. The findings indicate that PV cell temperature increases with greater internal fin spacing of heat exchangers and decreased flow rate. Conversely, the outlet temperature decreases with an increased flow rate. The efficiency of the PV system varied between 10.5% and 12.2%, with heat gain values ranging from 54.4 to 254.4 W/m². The pressure loss within the system ranged from approximately 3.9 to 27.8 Pa across a flow rate spectrum of 0.2 to 0.9 kg/s, demonstrating a linear increase with the flow rate. Additionally, variations in pressure loss based on fin spacing resulted in a reduction of approximately 67.3% in Case 2 and 48.0% in Case 3 compared to Case 1.

참고자료

· 없음