Abstract
An overdose of fossil fuel for greenhouse heating causes not only the high cost and low quality of agricultural products, but also the environmental pollution of farm village. To solve these problems it is desirable to maximize the solar energy utilization for the heating of greenhouse in winter season. In this study phase change materials were selected to store solar energy concentratively for heating the greenhouse and their characteristics of thermal energy storage were analyzed. The results were summarized as follows. The organic $C_{28}H_{58}$, and the inorganic $CH_3COONa{\cdot}3H_2O\;and\;Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$ were selected as low temperature latent heat storage materials. The equation of critical radius was derived to define the generating mechanism of the maximum latent heat of phase change materials. The melting point of $C_{28}H_{58}$ was $62^{\circ}C$, and the latent heat was $50.0{\sim}52.0kcal/kg$. The specific heat of liquid and solid phase was $0.54{\sim}0.69kcal/kg^{\circ}C$ and $0.57{\sim}0.75kcal/kg^{\circ}C$ respectively. The melting point of $CH_3COONa{\cdot}3H_2O$ was $61{\sim}62^{\circ}C$, the latent heat was $64.9{\sim}65.8$ kcal/kg and the specific heat of liquid and solid phase was respectively $0.83kcal/kg^{\circ}C$ and $0.51{\sim}0.52kcal/kg^{\circ}C$. The melting point of $Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$ was $30{\sim}30.9^{\circ}C$, the latent heat was 53.0 kcal/kg and the specific heat of liquid and solid phase was respectively $0.78{\sim}0.89kcal/kg^{\circ}C$ and $0.50{\sim}0.7kcal/kg^{\circ}C$ When the urea of 21.85% was added to control the melting point of $Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$ and the phase change cycles were repeated from 0 to 600, the melting point was $16.7{\sim}16.0^{\circ}C$ and the latent heat was $36.0{\sim}28.0kcal/kg^{\circ}C$.
자연적인 기후조건하에서 농산물을 생산하는 재래식 농업으로부터 계절을 초월하는 시설 농업이 파생 발전함에 따라 태양에너지이외의 화석에너지 사용이 급증하고 있으며, 이로 인한 농산물 가격상승과 품질저 하는 물론이고, 농촌환경을 오염시키고 있다. 이와 같은 문제를 근원적으로 해결하기 위해서는 태양에너지 농업이용을 극대화 하여야 하며, 이를 실현하기 위해서는 동적이며, 순간적 공급의 특성을 갖는 태양에너지를 정적이며, 조절이용이 가능한 에너지로 전환하여야 한다. 이런 필요성에 부응하여 본 연구에서는 태양에너지를 저장할 수 있는 상변화 잠열재를 선택하였으며, 축열특성을 분석하므로서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 유기 잠열재, $C_{28}H_{58}$은 안정된 물성을 가지고 있기 때문에 400 사이클의 상변화 후에도 열특성 변화가 없었으나, 무기 잠열재($CH_3COONa{\cdot}3H_2O,\;Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$)는 불안정한 물성을 가지고 있기 때문에 조핵제와 농화제를 사용하여 $400{\sim}600$ 사이클의 상변화 후에 나타나는 열특성 변화를 최소화 하였다. 잠열량이 최대가 되는 결정핵의 임계반경을 수식으로 정리하므로서 잠열량 감소현상을 억제할 수 있는 방법을 찾는데 도움을 줄 수 있었다. 유기 잠열재, $C_{28}H_{58}$의 상변화 온도는 $62^{\circ}C$였으며, 잠열량은 $50{\sim}52$ kcal/kg이었고, 고상비열, $C_{ps}$는 $0.572{\sim}0.750kcal/kg^{\circ}C$였으며, 액상비열, $C_{pL}$은 $0.540{\sim}0.690kcal/kg^{\circ}C$였다. 무기 잠열재, $CH_3COONa{\cdot}3H_2O$의 상변화 온도는 $61{\sim}62^{\circ}C$였으며, 잠열량은 $64.9{\sim}65.8$ kcal/kg이었고, 고상 비열, $C_{ps}$는 $0.510{\sim}0.520kcal/kg^{\circ}C$였으며, 액상비열, $C_{pL}$은 $0.83kcal/kg^{\circ}C$였다. 무기 잠열재, $Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$는 물성안정제를 가한 상태의 시약수준에서는 상변화 온도가 $29.72^{\circ}C$였고, 잠열량은 53.0 kcal/kg이었으며, 고상비열, Cps는 $0.742kcal/kg^{\circ}C$이었고, 액상비열, $C_{pL}$은 $1.002kcal/kg^{\circ}C$였다. 공업용 수준에서는 상변화 온도가 시약수준의 경우보다 약간 높은 $30{\sim}30.9^{\circ}C$였으며, 비열은 고상에서 $0.50{\sim}0.7kcal/kg^{\circ}C$였고, 액상에서 $0.78{\sim}0.89kcal/kg^{\circ}C$였다. SSD($Na_2SO_4{\cdot}10H_2O$)에 urea를 첨가함으로서 상변화 온도와 잠열량이 변하였으며, urea 함량을 $0{\sim}7.5wt%$로 변화시킴에 따라 상변화 온도는 $29.72^{\circ}C$에서 $25.18^{\circ}C$로 낮아졌으며, 잠열량은 53.0 kcal/kg에서 38.5 kcal/kg으로 감소하였다. Greenhouse 보온용으로 urea를 21.85% 첨가하고, 상변화를 $0{\sim}600$ 사이클까지 반복한 경우 상변화 온도는 $16.7^{\circ}C$에서 $16.0^{\circ}C$로 낮아졌고, S.V를 첨가하지 않은 경우 잠열량은 46.22 kcal/kg에서 36.30 kcal/kg으로 감소하였으나, 비열은 큰 변화가 없었다. 상변화 사이클의 증가에 의한 열특성의 감쇠현상을 줄이기 위하여 S.V를 $0{\sim}1.5wt%$ 첨가한 결과 S.V 0.5wt% 이하에서는 약간의 효과가 있었으나, 그 이상에서는 효과적인 증후가 없었다.
(Dept. of Agricultural Machinery Engineering, Kyung-Sang National University)