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Sep 04, 2023

아파트의 에너지, 엑서지 및 경제성(3E) 분석

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 411(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

태양 에너지의 사용은 현재의 에너지 관리 과제를 해결하기 위한 가장 두드러진 전략 중 하나입니다. 태양 에너지는 평판형 태양열 집열기를 통해 수많은 주거 부문에서 사용됩니다. 평판형 태양열 집열기의 열 효율은 기존 열 전달 유체에 비해 우수한 열물리적 특성을 제공하기 때문에 기존 열 전달 유체를 나노유체로 교체하면 향상됩니다. 농축된 화학물질은 위험한 독성 부산물을 생성하는 나노유체의 기존 합성 기술에 활용됩니다. 본 연구에서는 새로운 녹색 공유 기능화 갈산 처리 다중벽 탄소 나노튜브-물 나노유체가 평판형 태양열 집열기의 성능에 미치는 영향을 조사합니다. GAMWCNT는 자외선-가시선 분광법 및 제타 전위를 포함한 안정성 분석 기술에 따라 기본 유체에서 매우 안정적입니다. 실험적 평가는 나노유체의 열물리적 특성이 기본 유체 탈이온수의 특성보다 우수하다는 것을 보여줍니다. 에너지, 엑서지 및 경제성 분석은 다양한 질량 유량 0.010, 0.0144, 0.0188 kg/s에서 0.025%, 0.065% 및 0.1% 중량 농도의 GAMWCNT-물을 사용하여 수행되었습니다. GAMWCNT 나노유체의 도입으로 에너지 및 엑서지 효율 측면에서 평판형 태양열 집열기의 열 성능이 향상되었습니다. 열유속, 질량유량, 중량집중도가 증가함에 따라 효율은 향상되지만, 입구온도가 증가함에 따라 효율은 감소하는 것으로 나타난다. 실험 결과에 따르면, 기본 유체와 비교하여 0.0188kg/s의 0.1% 중량 농도의 GAMWCNT 나노유체에서 에너지 효율의 가장 높은 개선은 30.88%입니다. 컬렉터의 엑서지 효율은 중량 집중도가 증가함에 따라 증가하고 유속이 증가함에 따라 감소합니다. 가장 높은 엑서지 효율은 0.1% GAMWCNT 농도와 0.010kg/s 질량 유량에서 달성됩니다. GAMWCNT 나노유체는 기본 유체에 비해 마찰계수 값이 더 높습니다. 나노유체의 중량 농도가 증가함에 따라 상대 펌핑 전력이 약간 증가합니다. 모든 GAMWCNT 농도에 대해 1보다 큰 성능 지수 값이 달성됩니다. 태양열 집열기를 0.0188 kg/s 및 0.1% 중량 농도의 GAMWCNT 나노유체로 작동할 때 물을 열 전달 유체로 사용하는 평판형 태양열 집열기와 비교하여 가장 높은 크기 감소(27.59%)가 달성되었습니다.

세계의 인구와 에너지 소비는 빠르게 증가하고 있습니다. 현대 인류 문화의 산업화와 세계화는 이러한 에너지 소비 증가의 주요 원인입니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)는 2040년 말까지 전 세계 에너지 소비가 약 30% 증가할 것으로 예측합니다1. 화석연료는 전세계 에너지 수요의 86%를 충족시킵니다2. 세계의 화석연료 매장량은 급속히 고갈되고 있으며, 환경은 심각하게 오염되고 있습니다. 현 시대의 과제는 환경을 더 악화시키지 않으면서 에너지 수요를 충족시키는 것입니다. 지속가능발전목표 7은 모든 국가가 직면하고 모든 사람에게 영향을 미치는 도전이 됩니다. 지속가능발전목표 7의 기본 목표는 경제적이고 깨끗하며 효율적이고 신뢰할 수 있으며 모든 사람이 접근할 수 있는 에너지를 달성하는 것입니다. 기존 에너지 자원은 유한하기 때문에 대체 에너지원에 대한 검색이 전 세계적으로 강화되었습니다. 재생 가능 에너지 자원은 청정 에너지3에 대한 요구를 충족할 수 있음이 입증되었습니다.

경제성과 가용성으로 인해 태양 에너지는 다른 재생 가능 에너지 자원보다 더 많은 수요가 있습니다. 태양 에너지는 다양한 방법으로 사용될 수 있습니다. 태양열은 공간 난방, 가정용 온수, 냉각, 심지어 공정 난방을 포함한 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다4,5. 태양 에너지 수집 및 변환은 이 에너지 부문의 핵심 초점입니다. 태양에너지는 쉽게 수확되어 열에너지나 전기에너지로 변환될 수 있습니다. 광전지 및 태양열 집열기와 같은 다양한 장비와 기술이 이러한 에너지 변환 과정을 수행할 수 있습니다. 태양열 집열기는 열교환 유체를 사용하여 태양 에너지를 열 에너지로 변환합니다. 집열기의 흡수판은 태양 에너지를 포착하여 흡수액으로 전달하여 내부 에너지를 증가시키며, 이는 이후 다양한 목적으로 사용될 수 있습니다. 광학적 집중이 없는 평판형 태양열 집열기(FPSC)는 40~100°C 온도 범위에서 활용됩니다. 단순성, 유지 관리 용이성 및 최소 운영 비용으로 인해 가정용 애플리케이션에 적합합니다. FPSC는 효율과 출력 온도가 상대적으로 낮습니다. 재료, 디자인6, 집열판 코팅7, 경사각8, 기후 조건9 및 작동 유체10는 모두 평판형 태양열 집열기의 효율성에 영향을 미치는 요소입니다. 순수한 물(작동 유체 역할)을 열전도율이 더 높은 유체로 대체하는 것은 효율성을 향상시키는 가장 쉽고 효과적인 방법 중 하나입니다.