기호 및 약어 설명

Aabs : Surface area of absorber plate [m2]

Cp.air : Specific heat capacity of air [J/kg∙K]

I : Solar radiation incident on the absorber plate [W/m2]

Tamb : Temperature of the ambient [K]

Tout : Temperature of exit air [K]

Qrad : Radiative heat loss [W]

Qconv : Convective heat loss [W]

Vs : Velocity of inlet air [m/s]

mout : Mass flow rate of air through the collector [kg/s]

t : Time [s]

αabs : Absorptance of absorber plate [-]

ρair : Density of air [kg/m3]

하첨자 설명

abs : Absorber

air : Air

amb : Ambient

conv : Convective

out : Outlet

plen : Plenum

rad : Radiation

1. 서 론

국내 대표적 농업시설인 시설재배 온실 농가 수는 2012년 171,906가구에서 2023년 140,092가구로 약 18.5% 줄어들었으나, 시설재배 온실 면적은 2017년 45,678 ha에서 2023년 53,106 ha로 오히려 약 16.3% 증가하였다¹⁾. 2023년 시설재배 온실 면적 53,106 ha 중 무가온 온실 34,362 ha, 가온 온실 18,744 ha로 시설재배 온실 면적 중 약 35.2%가 가온을 실시하는 것으로 나타났으며, 가온 면적 중 약 79.6%가 경유, 중유, 등유 등 유류 이용 방식의 가온을 실시하는 것으로 나타났다¹⁾. 가온 온실 면적 18,744 ha 중 온풍 및 온수난방 형식이 약 94.4%로 대부분을 차지하며, 신재생 에너지 기반의 태양열복합 형식은 약 0.28%에 불과한 것으로 나타났다¹⁾. 시설재배 농가의 경영비 중 냉난방 비용이 약 30 ~ 50%를 차지하며²⁾, 따라서 국내 대표적 농업시설인 시설재배 온실의 경영비 절감을 위해 신재생 에너지원을 활용한 냉난방 에너지 공급 시스템의 개발 및 활용이 필수적이다.

시설재배 온실에서의 태양 에너지는 식물 생장에 영향을 미치는 가장 큰 요인일 뿐만 아니라, 일 중 태양 복사에 의한 온실 내부 온도 상승 등 식물 생장에 적합한 환경을 조성하기 위한 가장 중요한 요소이다³⁾. 국외의 경우, ‘Solar Greenhouse’ 개념을 통해 시설재배 온실을 대상으로 태양 에너지 활용하기 위한 연구를 다수 수행하고 있으며, ‘Solar Greenhouse’는 태양광 및 태양광/열 복합, 태양열 시스템 등 설비형 시스템을 활용한 ‘Active Solar Greenhouse’^4,5,6)및 시설재배 온실에서 태양 에너지의 최적 활용을 위한 온실 형태 및 내부 구조물 활용 등 자연형 ‘Passive Solar Greenhouse’^3,7,8)로 구분할 수 있다. Chen et al. (2018)⁹⁾은 시설재배 온실의 북쪽 내벽에 상변화물질(PCM)을 사용한 ‘Active-Passive Ventilation Wall’을 설치하여 식물 생육기간 동안 내벽의 열 저장량 약 35 ~ 48% 및 열 방출량 약 50 ~ 60%를 향상시켰으며, 이를 통해 토마토 수확량은 약 28% 증가함을 확인하였다. Xu et al. (2022)¹⁰⁾은 시설재배 온실에서 야간의 실내 온도 상승을 위해 북쪽 내벽에 액체식 태양열 집열기를 설치하였으며, 축열 및 방열과정을 통해 태양열 집열기의 효율 약 85.8%, 야간의 실내 온도는 기존 온실보다 평균 3.3 ~ 4.1℃ 높게 유지함을 확인하였다. 태양열 집열기는 작동유체에 따라 공기식과 액체식으로 구분할 수 있으며^11,12,13), 특히 공기식은 작물 생육 환경 조성을 위해 난방 및 환기가 필수적인 시설재배 온실의 특성 상, 이를 동시에 달성할 수 있는 최적의 기술로 평가할 수 있다.

공기식 태양열 집열기 중 특히 무창기공형 태양열 집열기(Unglazed Transpired Collector; UTC)는 평면 혹은 물결 타입의 천공된 집열판을 건물 외벽에 설치하여 내부에서 가열된 공기를 난방 및 환기에 이용하는 기술로서 액체식 태양열 집열기에 비해 초기 투자 비용 및 유지보수 관리에 유리한 장점이 있다¹⁴⁾. 무창기공형 태양열 집열기 연구는 에너지평형방정식 기반 수치해석 및 시뮬레이션, 변수 조건별 실험 분석 위주^15,16)로 이루어져 왔으며, Leon and Kumar (2007)¹⁷⁾는 무창기공형 태양열 집열기의 다양한 설계 및 작동 조건에서 열전달 계수를 추정하기 위해 수학적 모델을 기반으로 연구를 수행하였으며, 45 ~ 55℃의 공기 온도 범위에 대한 UTC 성능 평가를 목표로 집열기의 기공율, 유량비, 일사량, 일사 흡수율 및 방사율의 매개변수를 설정하여 매개변수 조건별 집열기의 효율 및 열교환 유효도, 온도 상승, 유효 열전달에 미치는 영향을 각각 분석하였다. Collins & Abulkhair (2014)¹⁸⁾은 물결 타입 무창기공형 태양열 집열기의 3차원 모델 및 유동장을 생성, CFD를 통해 집열기 전면 및 후면부 주변의 유체 흐름 및 열전달 해석을 수치적으로 분석하였으며, Li et al. (2013)¹⁹⁾은 평면 및 물결 타입 무창기공형 태양열 집열기의 유동 구조 및 대류 열전달 성능을 평가하기 위해 3차원 정상상태 해석 기반 CFD 분석을 수행하여 5가지 난류모델을 기반으로 각 모델별 결과를 분석하였다.

무창기공형 태양열 집열기의 농업시설 활용을 위한 연구는 주로 축산시설을 대상으로 현장 적용 및 분석 위주로만 이루어져 왔다. Liang et al. (2022)²⁰⁾은 육계사를 대상으로 겨울철 실내 환기 시의 입기 예열 및 보조 난방을 목적으로 공기식 태양열 수집기를 설치, 이를 통해 온도 상승 및 연료 사용량 저감을 검증하였으며, Poole et al. (2018)²¹⁾ 또한 육계사를 대상으로 높은 가격의 금속 대신 저가형 플라스틱 재질의 무창기공형 태양열 집열기를 제작, 설치하여 최고 약 25.4℃의 온도 상승 효과 및 실내 CO₂, CO 농도 분석을 통한 공기 질 개선 효과를 검증하여 무창기공형 태양열 집열기의 축산시설 활용 가능성 및 효과를 분석하였다.

본 연구에서는 국내 대표적 농업시설인 시설재배 온실을 대상으로 무창기공형 태양열 집열기를 활용하기 위한 기초 연구로서 무창기공형 태양열 집열기 실험장치를 제작하여 온도 변화 및 효율을 평가하였으며, 무창기공형 태양열 집열기 3D 모델 및 CFD 기반 수치해석을 통해 시간에 따른 온도 변화 및 효율을 예측하고 최종적으로 무창기공형 태양열 집열기의 실험값과 예측값을 비교, 분석함으로써 무창기공형 태양열 집열기의 시설재배 온실 활용 가능성을 제시하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 무창기공형 태양열 집열기

무창기공형 태양열 집열기 실험장치 제작 및 주요 규격은 선행연구 문헌을 통해 제시한 바 있으며¹⁴⁾, 본 연구에서 또한 동일한 실험장치를 사용하였다. 무창기공형 태양열 집열기는 목재(30 T)로 외형 틀을 구성하였으며, 집열판의 크기를 고려하여 외형 기준 높이 1.85 m, 길이 0.94 m로 제작하였다(Fig. 1). 무창기공형 태양열 집열기의 집열판과 후면 간 깊이에 따른 성능 평가 연구는 다수 수행된 바 있으며, 열성능을 고려하여 0.1 ~ 0.3 m를 최적 깊이로 제시하고 있다¹⁴⁾. 따라서 본 연구에서는 이러한 선행 연구를 바탕으로 집열판과 후면 간 깊이(Plenum)는 0.2 m로 설정하였다. 실험장치 제작에 사용한 집열판의 주요 사양은 높이 1.53 m, 길이 0.94 m, 집열 면적 1.845 m², 천공은 삼각형 타입, 총 4,216개, 천공 길이 1.926 mm, 천공 깊이 1 mm, 집열판 면적 기준 기공율 0.835%와 같다. 집열판 재질 및 색상은 아연도금강판, 검정으로 구성되었고, 이에 따른 흡수율은 0.95, 방사율은 0.77과 같다. 무창기공형 태양열 집열기의 후면 배기구 크기는 송풍기 유입구의 크기를 고려하여 지름 150 mm로 구성하였다.

Fig. 1.

Schematic of the experimental setup¹⁴⁾; (a) Sketch model, (b) Absorber, (c) SW150

무창기공형 태양열 집열기의 실험 환경을 실외 일사 조건 하와 유사하게 구현하기 위해 인공광원장치(Solar simulator)를 구성하였다¹⁴⁾. 태양광 및 태양열의 실내 성능시험을 위한 인공광원장치는 자연광에 가까운 조건을 구현하기 위해 사용하며, 제논 아크(Xenon arc), 아르곤 아크(Argon arc), 수은 제논(Mercury xenon) 램프와 비용을 고려하여 할로겐(Halogen) 램프가 주로 사용된다¹⁴⁾. 본 실험에서는 선행연구 문헌을 참고하여 프로파일 구조 및 500 W의 할로겐 램프로 인공광원장치를 구성하였으며 집열판 면적을 기준으로 균일한 광 분포를 위해 총 8개의 할로겐 램프를 가로 160 mm, 세로 154 mm의 일정한 간격으로 배열하여 설치하였다. 인공광원장치 구성에 따른 자연 태양광과 분광 특성 비교를 위해 분광복사계(RPS 900-R)를 이용하여 태양열 집열기 간의 거리에 따른 200 ~ 1,000 nm 파장 영역의 복사 세기를 Fig. 2와 같이 측정하였다. 태양전지 소자 시험을 위한 인공광원 조사 장치의 사용 및 규격은 IEC 60904-9에서 분광 특성 평가와 기본 구성 조건이 명시되어 있으나 태양열의 경우 AM 1.5와 유사해야 한다고 규정되어 있으며, 분광 특성 관련 합부 기준은 존재하지 않는다²²⁾. 다만 자연 태양광과 할로겐 램프의 분광 특성은 오차가 발생하며 이를 보정해야 하지만 본 연구에서는 집열판의 온도 상승에 따른 열 성능 시험을 목적으로 이를 고려하지 않았으며, 예비 실험을 통해 측정한 집열판 온도 상승 범위를 바탕으로 인공광원장치와 집열기의 거리는 80 cm로 설정하여 실험을 수행하였다. 거리 설정에 따라 일사 센서(LP471 RAD) 및 데이터로거(HD 2102.2)를 이용하여 집열판 표면에서의 복사 세기를 측정하였으며, 집열판 중심을 기준으로 평균 약 600 W/m²의 세기를 구현하였다.

Fig. 2.

(a) Distribution of spectral irradiance, (b) Measurement of spectral irradiance

무창기공형 태양열 집열기 내 공기 흡출은 Fig. 3과 같이 집열기 후면 배기구와 송풍기(TIS-280FT)의 유입구 간 덕트 연결을 통해 수행하였으며, 인버터를 이용하여 송풍기 전압 및 주파수 가변을 통해 유속 및 유량을 조절하였다. 평균 유속은 무창기공형 태양열 집열기 후면 배기구와 덕트 사이 설치된 평균피토관(Debimo blade)과 압력 트랜스미터(C310)의 연결을 통해 측정하였으며, 원리는 대기압과 온도에 의한 공기 밀도, 덕트 내 평균피토관을 통해 측정한 전압과 정압의 차이에 의한 압력의 변화를 통해 계산된다. 평균피토관의 유속 측정 범위는 0.00 ~ 40.00 m/s, 단면적에 따른 유량 측정 범위는 0.00 ~ 99999.00 m³/h와 같다. 덕트 내 평균피토관의 차압 측정에 의한 유속 계산 시 실제 유속 값으로 보정하기 위해 적용되는 이론 보정계수 값은 0.8165와 같고, 평균피토관과 연결되는 차압 장치의 구성 및 덕트 형태, 측정 위치 등에 따른 실제 값과 측정 값의 오차율은 약 3 ~ 5%와 같다^14,23).

Fig. 3.

Experimental setup; (a) Back view, (b) Front view

무창기공형 태양열 집열기 및 인공 태양광원 구성에 따른 실험 개략도는 Fig. 4와 같다. 무창기공형 태양열 집열기의 배기 유량 변화에 따른 열성능 평가에 관한 선행 연구를 통해 동일한 실험장치를 대상으로 온도 및 유속 센서를 통해 수집한 데이터를 확인, 검증하였다¹⁴⁾. 본 실험에서 또한 인공 태양광원 및 송풍기 가동과 동시에 데이터 수집을 시작하여 총 4시간 동안 수행하였으며, 데이터 측정 및 수집을 위해 데이터로거(GL820) 및 K-type 열전대를 통해 집열판 표면 온도(Tabs), 집열기 내부 온도(Tplen), 집열기 배기 온도(Tout), 집열기 주변 온도(Tamb)를 각각 1분 단위로 측정하였다.

Fig. 4.

Schematic of the experimental apparatus; (a) Side view, (b) Front view

2.2 수치해석 모델 및 방법

본 연구에서는 무창기공형 태양열 집열기의 시간에 따른 온도 변화 및 효율을 예측하고 최종적으로 실험값과 예측값을 비교, 분석하고자 하였다. SOLIDWORKS (Ver. 2023)를 이용하여 실험장치와 동일한 크기의 3D 모델을 구성하였으나, 선행연구 및 문헌을 참고하여 해석의 단순화를 위해 Fig. 5(a)와 같이 집열판의 반복적인 형상은 제외하였다. 집열기 내부 깊이 및 높이는 실험장치의 치수와 동일하게 구성하였으며, 집열기 입구 측의 완전 발달 유동을 위해 입구 측 길이는 1.10 m로 구성하였다. 3D 모델을 이용하여 열유체 해석을 위해 상용 소프트웨어인 Ansys Fluent (R23.0)를 사용하였다.

Fig. 5.

3D model; (a) Absorber model, (b) Collector model, (c) Side view

3D 모델을 바탕으로 Fig. 6과 같이 수치해석을 위한 격자를 생성하였다. 집열판의 기공 형상 및 기공 주위의 공기 유동에 대한 수렴성과 정확성, 그리고 해석 모델의 격자 수에 따른 안정성과 효율성을 고려하여 격자는 다면체(Polyhedral) 형상으로 구성하였다. 이를 통해 격자(Cell) 10,330,918개, 절점(Node) 58,477,099개, 평균 왜도 및 직교 품질은 각각 0.04, 0.95로 안정적인 격자를 구성하였다²⁴⁾.

Fig. 6.

Mesh; (a) Mesh of collector, (b) Side view, (c) Perforated hole

비정상상태 유동 해석에서 일반적으로 Standard k-ε 난류 모델은 수렴성의 문제가 대두되기 때문에 상대적으로 정확하고 우수한 신뢰성의 RNG k-ε 모델이 선호된다고 알려져 있다^19,25). Li et al. (2013)¹⁹⁾은 무창기공형 태양열 집열기의 유동 구조 및 열전달 평가를 위해 3차원 형상 기반 CFD 해석을 수행하였으며, 총 5가지 난류 모델별; Standard k-ε, RNG k-ε, Realizable k-ε, SST k-ω, RSM 결과 분석을 통해 RNG k-ε 모델이 정확도 및 경제성에서 가장 합리적임을 평가하였다. 따라서 본 해석에서 또한 3차원 비정상상태 유동 및 열전달 해석의 수행을 위해 RNG k-ε 모델을 사용하였으며, 해석 모델의 경계조건 및 물성치는 Table 1과 같이 정의하였다. 집열기 입구 조건은 대기압으로 설정하였으며 입기 온도는 실험과정 동안 측정한 집열기 주변부 온도를 0 ~ 14,400초 간의 시간에 따른 입기 온도로 정의하여 식(1)과 같이 다항식으로 입력하였다. 입구 및 출구, 집열판을 제외한 면은 단열조건으로 가정하였다.

3. 결과 및 고찰

무창기공형 태양열 집열기의 3D 모델을 대상으로 수치해석을 통해 속도 및 온도 분포를 분석하였다. Fig. 7은 무창기공형 태양열 집열기 측면 및 평면에서의 공기 유동장 속도 분포 결과를 나타낸 것이다. 집열기 3D 모델을 기준으로 0.035 kg/s의 유량 조건에서 집열기 후면 배기구의 배기에 따라 집열기 전면으로 공기가 유입, 집열판을 통과하는 분포를 나타낸다. 집열기 측면 분포(Fig. 7(a))는 폭(W) 기준 중앙인 0.093 m, 집열기 평면 분포(Fig. 7(b))는 집열판 높이(H2) 기준 중앙인 0.765 m 위치에서 분석하였다. 집열기 배기구에서 외부로 강제 배기에 따른 유속은 배기구 중심 기준 0.42 m/s의 속도로 나타났으며, 집열판 천공에서는 최고 0.70 m/s의 속도로 나타났다. 집열기 측면 속도 분포 결과를 통해 집열기 내부의 상단 및 하단 내벽 지점에서 유동 변화가 발생하지 않고 정체되는 경향을 알 수 있다. 집열판 천공 형상 특성 상, 천공을 통과하며 속도가 증가하고 천공과 천공 사이에 발생하는 유입 공기의 혼합을 통해 유동 정체가 발생함을 알 수 있으며, 유선 분포 결과(Fig. 8)를 통해서 마찬가지로 이러한 경향을 확인할 수 있다. Fig. 8(b)의 유선 확대를 통해 집열판 및 천공으로 입기되는 공기의 흐름은 집열판 후면에서의 천공 입기에 의한 와류와 집열기 내부에서의 와류에 의한 순환이 발생함을 확인하였다.

Fig. 7.

Contour of velocity distribution; (a) Side view, (b) Top view

Fig. 8.

Streamline of velocity distribution; (a) Side view, (b) Top view

무창기공형 태양열 집열기 실험을 통한 집열판 표면(M-Abs) 및 집열기 내부(M-Plen), 집열기 배기(M-Out), 집열기 주변 온도(Ambient)의 시간별 온도 변화는 Fig. 9(a)와 같다. 실험 시작 후 집열판 표면 및 내부, 배기 온도는 급격하게 상승하였으며 온도 상승 후 집열판 표면 온도는 최고 약 76.1℃까지 측정되었다. 집열기 내부 및 배기 온도는 표면 온도와 마찬가지로 유사한 상승 분포를 나타냈으며 측정 위치에 의해 온도 차가 발생하는 것을 확인하였다. 집열기 내부 온도는 최고 약 61.7℃, 집열기 배기 온도는 최고 약 65.4℃로 측정되었으며, 같은 시각 집열기 주변 온도 약 49.7℃에 비해 배기 온도가 약 15.7℃ 높은 온도 상승효과를 확인하였다. 같은 유속 및 외부 온도 조건에서 무창기공형 태양열 집열기 수치해석을 통해 실험값과 마찬가지로 집열판 표면(P-Abs) 및 집열기 내부(P-Plen), 집열기 배기 온도(P-Out)의 시간에 따른 변화를 분석하였다. 집열판 표면 온도는 최고 약 72.0℃로 예측되었으며 실험값 최고온도와 비교하여 약 4.1℃ 낮은 것으로 나타났다. 이는 실험과정에서 집열판 위치별 불균일한 복사 세기 및 온도 분포, 집열판 재질 특성에 의한 실험 오차로 판단된다. 수치해석을 통해 Fig. 9(b)와 같이 1시간 단위의 집열기 내부 온도 분포 및 이를 통한 온도 상승 효과를 확인하였으며 시간에 따른 집열기 내부 온도는 54.4℃, 59.9℃, 63.3℃, 65.2℃로 확인하였다. 집열기 내부 온도의 경우 실험값이 예측값 보다 최저 온도 약 2.5℃, 최고 온도 약 3.5℃, 평균 온도는 약 2.6℃ 낮은 것으로 나타났다. 실험값이 예측값 보다 높은 집열판 표면 온도와 달리 실험값이 낮게 측정된 집열기 내부 온도의 경우, 수치해석 과정에서 해석의 단순화를 위해 집열기의 열손실이 없다고 가정한 반면 실험과정에서는 집열판 및 집열기 외벽의 구성 재료인 목재 특성, 그리고 외벽을 통한 주변부로의 복사 및 대류 열손실로 인한 것으로 판단된다.

Fig. 9.

The results of temperature; (a) Measured and predicted temperature over time, (b) Contour of temperature distribution (Top view)

Fig. 10과 같이 산점도를 통해 집열판 표면 온도(Absorber), 집열기 내부 온도(Plenum), 배기 온도(Outlet)의 실험값과 예측값 간의 선형적 관계를 확인하였다. 또한 무창기공형 태양열 집열기의 실험 조건 하에서 수치해석 모델을 통한 예측값과 오차를 평가하기 위해 실험값과 예측값의 비교를 통한 결정계수(R²)와 평균제곱근오차(RMSE)를 각각 분석하였다. 집열판 표면 온도의 R² = 0.64, RMSE = 5.76℃, 집열기 내부 온도는 R² = 0.98, RMSE = 2.65℃, 집열기 배기 온도는 R² = 0.99, RMSE = 0.83℃로 나타났다. 집열판 표면 온도의 R² 및 RMSE가 집열기 내부 및 배기 온도 보다 다소 낮게 나타난 것은 앞서 서술한 바와 같이 집열판 위치별 불균일한 복사 세기 및 온도 분포 등으로 인해 실험값이 예측값 보다 높게 측정된 이유로 판단된다. 집열기 배기 온도의 경우 실험값과 예측값 간의 높은 일치도 및 낮은 오차를 확인하였으며, 수치해석 모델이 집열기 배기 온도에 대해 실험값과 매우 유사한 결과를 예측하고 있음을 확인하였다.

Fig. 10.

Correlation of measured with predicted absorber, plenum and outlet temperature

Fig. 11(a)는 실험값과 예측값의 시간에 따른 효율 변화를 나타낸 결과이다. 무창기공형 집열기 효율(𝜂)은 집열판 면적(Aabs)의 에너지 입력(I)에 대한 집열기에 의해 전달된 에너지의 비율로 나타내고 집열기에 의해 전달되는 에너지는 배출된 공기 온도(Tout)로부터 추정할 수 있다^17,26). 집열기 효율은 집열기의 에너지평형방정식에 기반한 에너지 해석 모델을 통해 정의할 수 있으며, 집열기의 에너지 해석 모델은 식(2)와 같이 집열기 내부로 유입되는 공기가 집열기를 통해 얻은 열량과 광원으로부터 집열판에 전달된 복사 에너지, 그리고 집열기로부터 복사(Qrad) 및 대류(Qconv)로 손실되는 열량으로 구분할 수 있다. Leon and Kumar (2007)¹⁷⁾은 강제 배기를 통한 집열기 내 압력 강하 발생 시 집열판에서 외부 주변 공기로의 대류 열손실은 미미한 수준으로 감소하기 때문에 이를 무시할 수 있으며, 집열판에서의 복사 열손실은 집열기 방향에 의한 집열기 및 천공, 지표 간 view factor와 천공, 지표 온도에 의해 발생한다고 문헌을 통해 제시하였다. 본 실험은 외부 대기환경 조건과 달리 풍속, 풍향 변화의 영향이 없는 실내 환경에서 송풍기를 통한 강제 배기, 그리고 인공광원을 통한 복사 세기 조건을 구현하여 실험을 수행하였으며, 태양열 집열기의 위치별 온도 및 효율 평가를 목적으로 집열기에서 발생할 수 있는 대류 및 복사 열손실은 해석에서 제외하였다.

Fig. 11.

The results of efficiency; (a) Measured and predicted efficiency over time, (b) Correlation of measured with predicted efficiency

실험 시작 후 온도 상승에 따라, 실험값 기준의 효율은 약 0.60 ~ 0.73의 범위, 평균 약 66%로 계산되었으며, 반면 수치해석을 통해 예측된 효율은 약 0.68 ~ 0.77의 범위, 평균 약 72%로 계산되었다. 실험을 통한 효율이 예측된 효율보다 다소 낮게 나타난 이유는 배기 온도(Tout) 차이 및 실험 과정에서 측정한 유량(mout)의 변화로 인한 것으로 판단된다. Fig. 11(b)는 실험값과 예측값으로 계산된 효율의 산점도 결과를 나타낸다. 실험값과 예측값 간의 R² = 0.84, RMSE = 0.06로 수치해석을 통해 실험 결과와 유사한 효율을 예측하였음을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 무창기공형 태양열 집열기 실험 장치를 제작하여 온도 변화 및 효율을 평가하였으며, 무창기공형 태양열 집열기 3D 모델 구성 및 CFD 기반 수치해석을 통해 시간에 따른 온도 변화 및 효율을 예측하고 최종적으로 무창기공형 태양열 집열기의 실험값과 예측값을 비교, 분석함으로써 농업시설 내 무창기공형 태양열 집열기의 활용 가능성을 제시하고자 하였다. 이를 위해 무창기공형 태양열 집열기 실험 장치를 제작하였으며 수치해석의 간편성을 위해 집열판의 반복적인 형상을 축소한 3D 모델을 구성하여 동일한 실험 조건을 기준으로 시뮬레이션을 수행하였으며 연구수행 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 무창기공형 태양열 집열기 3D 모델을 기준으로 0.035 kg/s의 질량유량 조건 하에서 배기구 중심 유속 0.42 m/s, 집열판 천공 유속 최고 0.70 m/s로 나타났으며, 집열판 천공 입기를 통한 후면부 와류 및 유동 순환 현상을 확인하였다.

(2) 실험을 통해 집열기 표면 온도 최고 약 76.1℃, 내부 온도 약 61.7℃, 배기 온도 약 65.4℃의 실험값을 확인하였으며, 수치해석을 통해 표면 온도 최고 약 72.0℃, 내부 온도 약 65.2℃, 배기 온도 약 65.2℃의 예측값을 확인하였다.

(3) 무창기공형 태양열 집열기 실험값과 예측값 비교를 통한 결정계수(R²) 및 평균제곱근오차(RMSE)는 집열판 표면 온도의 R² = 0.64, RMSE = 5.76℃, 집열기 내부 온도는 R² = 0.98, RMSE = 2.65℃, 집열기 배기 온도는 R² = 0.99, RMSE = 0.83℃로 나타났다.

(4) 무창기공형 태양열 집열기의 실험값 효율은 약 0.60 ~ 0.73 범위, 평균 약 66%, 수치해석을 통해 예측된 효율 범위는 약 0.68 ~ 0.77, 평균 72%로 계산되었다.

다만, 본 연구에서는 실내 환경에서 인공광원을 이용한 실험 환경을 구현함에 따라 대기 온도 및 풍속, 태양광 분광 특성 등 외부 대기 환경 조건과의 차이가 있다는 점과 수치해석 모델의 단순화를 위해 집열판의 반복적인 형상을 축소, 설계함에 따라 실제 실험장치와 크기 차이에 의한 집열기 내부 유동발달 및 형상의 다름, 그리고 이로 인한 집열판, 집열기 내부, 외벽 간 복사 및 대류 열전달 해석의 차이가 있다는 점은 본 실험의 한계점으로 판단된다. 다만 이러한 한계점 보완을 통해 외부 환경 조건에서의 수치해석 기반 무창기공형 태양열 집열기 열성능 평가, 연중 활용을 위한 집열기 배기 방향 변화 및 야간 복사냉각을 통한 냉방 성능 평가, 태양광 패널 적용을 통한 공기식 태양광/열(PV/T) 성능 평가 등 농업시설에서의 활용을 위한 가능성을 제시한다면 공기식 태양열 시스템은 농업시설 에너지 절감 및 이를 통한 농가 에너지 자립도 향상에 충분히 기여할 수 있을 것으로 전망된다.