시뮬레이션 기반 실시간 평판형 태양열집열기 성능해석 (Simulation-Based Real-time Performance Analysis of Flat Plate Solar Collector)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 35권 / 7호 / 343 ~ 353페이지
· 저자명 : 김일권, 임희원, 이왕제, 이경호, 신우철

초록

본 연구에서는 시뮬레이션 기반 태양열집열기 성능해석 알고리즘을 탑재한 원격 모니터링시스템을 제안하고 실증을 통하여 그 타당성을 분석하였다. 여기서 원격 모니터링시스템은 엣지 컴퓨팅 방식으로 오픈소스 openHAB을 이용하여 구축하였다. 시뮬레이션 모델은 ISO 24194:2022의 집열기 어레이 성능추정식이 적용 되었으며, 1분 간격으로 측정된 기상자료(수평면 일사량 및 외기온)와 집열기 유량 및 입․출구 온도를 이용하여 해석하였다. 포항지역 온실에 설치된 집열면적 108 ㎡의 태양열 난방시스템을 통해 분석된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)실측된 1분 간격의 경사면 일사와 수평면 일사로부터 추정된 예측결과를 비교한 결과, 선형회귀분석에 따른 결정계수와 정규화된 평균 제곱근 오차는 각각 0.9973과 24.7 W로 직산분리 모델의 적합성을 확인하였다.
(2) ISO 24194기반 시뮬레이션 모델의 실시간 순간 집열량과 순간효율은 기상 및 작동조건이 상이한 상태에서도 실측을 정확하게 추종하는 것으로 나타났다. 시스템이 연속 작동될 때 12월 29일과 3월 21일 실측과 예측 순간집열량의 RMSE는 각각 1.77 kW와 0.45 kW로 분석되었다.
(3) 12월 입사각 손실에 따른 집열효율 감소율은 26.0~29.9%로 일정한 반면, 작동시간이 늘어나는 3월의 감소율은 21.2~35.6%로 변화의 폭이 증가하고 있으며 동일한 작동조건에서도 입사각 손실에 따라 상이한 집열손실을 나타냈다.
위와 같이 원격 모니터링시스템의 실시간 시뮬레이션 해석 통해 평판형집열기의 동적거동과 열성능을 정확히 파악할 수 있는 것으로 나타났으며, 향후 태양열시스템의 설치 초기성능을 규명하고 실시간 고장감지 및 진단시스템 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

In this study, we proposed a remote monitoring system that incorporated a simulation-based algorithm for analyzing solar collector performance and conducted a field experiment to assess its feasibility. The experiment was carried out from October 2022 to April 2023 on a solar heating system installed in a greenhouse in Pohang, which had a collector area of 108 ㎡. We constructed a remote monitoring system using open-source openHAB in edge computing. The simulation model of the collector array utilized the performance prediction formula of ISO 24194:2022 and was analyzed in real-time using meteorological data measured at 1-minute intervals, as well as the flow rate and inlet/outlet temperatures of the collector. The real-time instantaneous useful heat gain by the collectors and collector efficiency obtained through the simulation model showed accurate agreement with the measured data, even under varying weather and operating conditions. The RMSE between the simulation model and measured data for instantaneous heat gain was found to be below 1.77 kW. Real-time simulation analysis of the remote monitoring system confirmed that it could provide high accuracy and reliability in predicting the dynamic behavior and thermal performance of flat-plate collectors. We expect that the monitoring system can serve as an efficient tool for real-time performance evaluation, fault detection, and diagnostic system development for solar thermal systems.

참고자료

· 없음