A Numerical Study on the Performance Analysis of a Solar Air Heating System with Forced Circulation Method

강제순환 방식의 공기가열식 태양열 집열기의 성능분석에 관한 수치해석 연구

The aim of this study was to develop a device for solving the heating problem of living space using heated air, utilizing a simple air heater type collector for solar energy. At the present time, this study assessed the possibility of a development system through theoretical calculations for the amount of available energy according to the size change of the air-heated solar energy collector. To produce and supply hot water using the heat energy of the sun, hot water at $100^{\circ}C$ or less was produced using a flat or vacuum tube type collector. The purpose of this study was to research the air heating type solar collector that utilizes heating energy with heating air above $75^{\circ}C$, by designing and manufacturing an air piping type solar collector that is a simpler type than a conventional solar collector system. The analysis results were obtained for the generated air temperature ($^{\circ}C$) and the production of air (kg/h) to determine the performance of air heating by an air-heated solar collector according to the heat transfer characteristics in the collector of the model when a specified amount of heat flux was dropped into a solar collector of a certain size using PHOENICS, which is a heat flow analysis program applying the Finite Volume Method. From the analysis result, the temperature of the air obtained was approximately $40.5^{\circ}C$, which could be heated using an air heating tube with an inner diameter of 0.1m made of aluminum in a collector with a size of $1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$. The production of air was approximately 161 m3/h. This device can be applied to maintain a suitable environment for human activity using the heat energy of the sun.

태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 해결하기 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 시점에서 연구는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 한다. 본 연구에서는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위하여, 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량을 투하하였을 때, 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도($^{\circ}C$)와 생산량(kg/h)을, 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 열유동해석(CFD) 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여, 분석한 결과를 구하였다. 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 ($1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 $40.5^{\circ}C$이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 $161m^3/h$으로 산출되었다. 본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단된다.