기호 및 약어 설명

Alens : Concentrating area of the Fresnel lens [m2]

cp : Specific heat capacity [J/kgㆍK]

DR : Diffuse fraction

ID : Direct normal irradiance [W/m2]

IG : Global normal irradiance [W/m2]

Io : Extraterrestrial irradiance [W/m2]

Is : Diffuse horizontal irradiance [W/m2]

Isc : Solar constant [W/m2]

It : Global horizontal irradiance [W/m2]

Kt : Clearness index

m : Mass [kg]

m˙ : Mass flow rate [kg/s]

n : Day of the year

Qcol : Useful heat gain of collector [W]

Qin : Solar energy input [W]

Qtank : Useful heat stored in tank [w]

Ta : Ambient temperature [°C]

Ti : Initial temperature [°C]

Tin : Collector inlet fluid temperature [°C]

Tm : Mean fluid temperature in the collector [°C]

Tout : Collector outlet fluid temperature [°C]

Tt : Target temperature [°C]

t : Heating time [s]

Ws : Sunset hour angle

그리스 기호 설명

α : Heat loss coefficient [W/m2ㆍK]

δ : Solar declination

ηo : Maximum collector efficiency [%]

ηsys : System efficiency [%]

ηth : Collector efficiency [%]

ϕ : Latitude

1. 서 론

한국의 시설재배 온실 농가 수는 2014년 177,483가구에서 2024년 130,884가구로 약 26.2% 감소하였다. 반면, 시설재배 온실 면적은 45,678 ha에서 53,517 ha로 약 17.2% 증가하였다. 2024년 기준, 시설재배 온실 면적 중 36.2%인 19,374 ha가 가온 시설로 운영되고 있으며, 이 중 약 79.1%가 경유, 등유와 같은 유류 난방 방식을 이용하고 있다. 이러한 난방 방식은 가온 방식 중 1.7%를 차지하는 지열 난방과 0.26%에 불과한 태양열 복합 기반 난방에 비해 높은 비중을 보인다^1,2).

2024년 대한민국의 에너지 수입 의존도는 약 93.6%로 화석연료의 절대량을 해외에 의존하고 있다³⁾. 국제에너지기구의 “세계에너지전망”에 따르면, 화석연료 중심의 소비는 2035년까지 지속될 것으로 예상되어 화석연료 의존도를 낮추기 위한 대안이 필요하다⁴⁾. 현재 농업 부문에서 가장 많이 소비되는 에너지원은 약 826,545 TOE의 경유이며, 그 다음으로는 약 129,169 TOE의 연탄으로 분석되었다⁵⁾. 이러한 높은 경유 소비는 주로 시설재배 시 난방을 위한 에너지 투입과 농기계 사용이 원인으로 판단된다⁵⁾.

화석연료의 연소는 이산화탄소를 비롯한 온실가스를 배출하여 지구 온난화와 기후 변화를 가속화할 뿐만 아니라, 다양한 오염 물질로 대기 및 토양 오염까지 유발한다⁶⁾. 기후 변화가 가속화되고 온실가스 감축의 중요성이 강조되면서, 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지에 대한 연구가 주목받고 있다⁷⁾. 특히 농업 분야에서 온실 난방은 많은 에너지를 소비하는 영역으로, 신재생에너지로의 전환은 에너지 효율성 향상과 환경 부하 저감에 크게 기여할 수 있다⁸⁾. 이는 농가 경영비를 절감하고 지속 가능한 농업 실현에도 기여할 것으로 기대된다.

신재생에너지 중 태양에너지는 화석연료에 대해 가장 중요한 대체 에너지원 중 하나이다. 태양에너지는 청정하고 무한한 에너지원으로 환경오염 물질이 발생하지 않기 때문에 탄소 배출을 줄이고 기후 변화와 환경오염에 대한 부담을 줄일 수 있다⁹⁾. 태양에너지는 전력을 생산하는 태양광 시스템과 열을 생산하는 태양열 시스템의 형태로 가장 보편적으로 사용되고 있다.

태양열 시스템은 태양으로부터 방사되는 복사 에너지를 흡수하여 열에너지로 변환시킨 후, 이를 온수 공급, 냉난방, 발전 등 다양한 용도로 활용하는 기술이다. 최종 에너지원의 절반 가량이 열에너지로 활용되는 태양열 시스템은 높은 성능을 보이며, 활용성 및 경제성이 뛰어난 신재생에너지 설비이다¹⁰⁾. 집광형 태양열 시스템은 태양열을 효율적으로 사용하기 위해 집광기와 집열기로 구성되며, 집광기에서 태양열을 굴절 또는 반사시켜 집열기로 집중시키는 방식으로 열에너지를 얻는다. 다양한 태양열 집광기 중 프레넬 렌즈는 전통적인 볼록 렌즈의 기능을 유지하면서도 두께와 무게를 크게 줄인 구조로 광학적 효율성과 경제성이 뛰어난 태양광 집광 소자이다. 최적의 초점 거리에서 프레넬 렌즈는 넓은 면적의 태양광을 한 점에 효율적으로 집중시킬 수 있다. 프레넬 렌즈가 높은 집광률을 가지면서도 경량화와 저비용 제작이 가능하다는 점에서 소형 태양열 시스템 및 분산형 에너지 시스템에 매우 적합한 기술로 평가된다¹¹⁾. 또한 설치 및 운반이 용이하며 실제 사용자의 설계와 맞는 맞춤 제작이 가능하여 농업시설과 같은 넓은 면적에 적용이 필요한 환경에서 효율적인 활용이 가능하다. 선행 연구에서는 선형 프레넬 렌즈 배열을 적용한 태양광 시스템에서 80% 이상의 집광 성능을 달성하였으며 이는 프레넬 렌즈가 구조적 간결성과 고정밀 집광 성능을 동시에 확보할 수 있는 장점을 보여준다¹²⁾.

프레넬 렌즈 기반 태양열 시스템의 선행 연구로 Hussain et al. (2015)¹³⁾는 국내 온실 난방을 대상으로 선형 및 점형 프레넬 렌즈 집광기를 동일한 기상 및 운전 조건에서 비교하였다. 연구 결과, 점형 프레넬 렌즈 집광기가 선형 집광기보다 단위면적당 가용에너지와 열효율이 더 높았으며, 전체 성능도 약 7 ~ 12% 우수한 것으로 보고되었다. 또한 저장용량이 증가할수록 경제성과 태양열 활용성이 함께 향상되는 경향을 제시하여, 프레넬 렌즈 기반 태양열 시스템의 온실 난방 적용 가능성을 보여주었다. Asrori et al. (2020)¹⁴⁾는 PMMA 프레넬 렌즈와 원추형 집열기를 적용하여 기하학적 집광비에 따른 열 성능 차이를 분석하였다. 그 결과, 기하학적 집광비가 높은 소형 집열기는 집광비가 낮은 대형 집열기보다 더 짧은 시간 내에 포화 상태에 도달하였고, 열효율 또한 33.31%로 더 높게 나타났다. Cheng et al. (2016)¹⁵⁾는 프레넬 렌즈와 고도-방위각 방식의 2축 태양추적 시스템을 결합한 집광형 태양열 시스템을 설계하고, 초점 위치와 가열부 배치 조건이 성능에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 그 결과, 집광된 태양광이 가열부를 충분히 덮고 열 손실이 작을 때 최대 집열 성능을 확보할 수 있었으며, 맑은 날에는 가열부 온도가 1,000℃ 이상에 도달할 수 있음을 확인하였다. 이는 프레넬 렌즈 기반 고집광 시스템에서 태양 추적 정확도와 초점 제어가 핵심 성능 요소임을 보여준다.

이와 같은 선행 연구는 각각 온실 난방 적용 가능성, 집열기 설계 변수의 중요성, 그리고 2축 태양추적 기반 집광 시스템의 구현 가능성을 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 그러나 기존 연구들은 집열기 형식 비교, 집열기 형상 최적화, 추적 시스템 구현 등 개별 요소에 대한 검토에 주로 초점을 두고 있어, 농업시설 난방을 대상으로 집광부-집열부-축열부-순환부를 통합한 시스템에서 운전 조건 변화에 따른 열전달 및 축열 성능을 종합적으로 분석한 연구는 아직 충분하지 않다. 이에 본 연구에서는 점형 프레넬 렌즈와 2축 태양추적 장치를 기반으로, 구리 소재의 소형 집열기와 축열조 및 순환부를 결합한 추적 집광형 태양열 시스템을 구축하였다. 또한 열매체 유량 조건에 따라 일사량, 집열기 표면 온도, 집열기 입·출구 열매체 온도, 축열조 온도 등을 계측함으로써, 집열 성능과 전체 시스템 성능을 함께 평가하였다. 이러한 분석은 농업시설 난방에 적용 가능한 프레넬 렌즈 기반 태양열 시스템의 설계 및 운전 조건 설정을 위한 기초 자료를 제공하고, 화석연료 기반 난방을 대체할 수 있는 실용적 가능성을 제시하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 추적 집광형 태양열 시스템

추적 집광형 태양열 시스템은 Fig. 1과 같이 집광/집열부, 추적/구동/제어부, 축열/순환부로 구성하였다. 태양광을 집열기에 집중시키기 위한 집광기는 점형 프레넬 렌즈를 이용하였으며, 프레넬 렌즈는 태양광이 렌즈면에 정확히 수직으로 입사될 때 집광 성능이 최대화된다. 따라서 프레넬 렌즈를 태양의 위치 및 각도에 정확하게 정렬시키기 위해 추적부와 구동부를 구성하였다. 추적 및 구동부의 제어를 통해 위치, 시간에 따라 실시간으로 변화하는 태양의 위치를 자동으로 추적하고 집광/집열을 통해 집열부와 순환하는 열매체로서 물을 가열 및 축열하는 시스템을 구성하였다.

Fig. 1

Configuration of the tracking concentrating solar thermal system

점형 프레넬 렌즈는 PMMA (Polymethyl methacrylate) 소재로서 크기는 가로 395 mm, 세로 395 mm, 집광 면적 0.156 m², 두께 3 mm, 나사선 골 간격 0.5 mm, 초점 거리는 330 mm와 같다. 이와 같은 규격에 따라 태양열 시스템에 사용된 집열기 상면의 면적은 0.0064 m²이며, Asrori et al. (2020)¹⁴⁾에 따르면, 기하학적 집광비는 프레넬 렌즈 면적과 집열기 면적의 비로 정의된다. 제시한 정의에 따라 산정한 기하학적 집광비는 약 24.4이다. 프레넬 렌즈의 크기와 초점 거리를 기준으로 실외 자연 태양광 조건에서 집광에 따른 집열부의 온도 변화 확인을 위한 예비 실험을 수행하였으며, 집열부의 초점 형상 및 온도 상승 범위를 바탕으로 프레넬 렌즈와 집열부의 초점 거리는 295 mm로 설정하였다. 이는 공칭 초점 거리와 실제 운전 조건에서의 유효 초점 위치가 다를 수 있음을 반영한 설계 조건이다.

점형 프레넬 렌즈의 집광 성능을 최대화하기 위해서는 위치 및 시간에 따라 실시간으로 변화하는 태양의 위치를 정확히 추적해야 한다. 프레넬 렌즈와 태양을 수평으로 정렬하고 프레넬 렌즈를 기준으로 입사되는 태양광이 직각을 구성하기 위해 태양 추적 센서 및 컨트롤러를 이용하여 2축 태양 추적을 수행하였다. 센서는 광기반 센서를 사용하였으며 센서의 전압값을 이용하여 좌-우 및 상-하 센서 전압 차를 실시간으로 비교한다. 측정된 전압값을 이용하여 태양의 위치를 파악하고 이에 따라 XY축 방향으로 추적을 수행하며, 전압값에 따라 Fig. 2와 같은 논리에 따라 추적을 수행한다. 먼저, 1.5 V 미만의 전압값이 입력될 경우, 컨트롤러가 일몰로 판단하여 익일의 태양 위치를 바라보는 시스템 초기 위치로 이동한다. 1.5 ~ 2.2 V의 전압값이 입력될 경우, 흐린 날로 판단하여 일출 때 설정된 구동 주기와 작동 시간 값을 활용하여 태양의 위치를 예상하여 추적을 수행한다. 2.2 ~ 4.9 V의 전압값이 입력될 경우, 일출로 판단한 후 태양의 실시간 위치를 추적함과 동시에 구동 주기와 구동 모터 작동 시간 값을 설정한다. 이러한 제어 알고리즘을 적용하여 태양의 위치 변화에 대응하는 2축 태양 추적을 수행하였으며, 프레넬 렌즈에 입사되는 태양광이 렌즈 중심부에 수직으로 도달하도록 집광 조건을 유지하였다.

Fig. 2

System flow chart

구동부는 정밀한 태양 추적을 위해 고감속비와 높은 토크의 웜기어 모터를 사용하였으며, 컨트롤러의 DC 24 V의 전원 출력을 통해 모터를 구동하였다. 웜기어 모터의 규격은 정격 최대 부하 조건에서 회전 속도는 7.3 rpm이며, 토크는 20 kgf·cm이다. 모터에 타이밍 풀리와 타이밍 벨트를 결합하여 구동축을 구성한 후, 모터의 회전력을 구동축에 전달하는 턴테이블 형식 구조를 구현하였다. 타이밍 벨트의 규격은 피치 5.08 mm, 총 높이 2.3 mm, 치의 높이 1.27 mm, 폭 10 mm이다. 방위각 및 고각을 조절하는 구동축의 과도한 회전에 의해 추적부와 구동부가 손상되는 것을 방지하기 위해, B접점 스위치와 10 A 다이오드를 병렬로 연결한 구동축 보호회로를 구성하였다. 이 보호회로는 시스템이 설치된 스위치에 도달할 경우 스위치가 개방되어 모터의 신호를 차단함으로써 시스템을 정지시키도록 제어한다. 태양 추적 센서 및 컨트롤러, 전원공급장치, 구동 모터 및 구동축 보호회로의 전기적 연결 구성은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

System circuit diagram

프레넬 렌즈를 통해 집광된 태양에너지를 열매체에 효과적으로 전달하기 위해 집열 및 순환 시스템을 제작하였다. 태양에너지를 흡수하는 집열기는 높은 열전도율을 고려하여 구리 소재의 집열판을 사용하였으며, 크기는 가로 80 mm, 세로 80 mm, 높이 10 mm와 같다. 태양열 흡수율 향상을 위해 집열기 표면에 흑색의 내열 코팅제를 균일하게 도포하였다.

집열된 열에너지를 열매체로 전달하기 위해 순환 펌프를 사용하여 집열판 내부로 물을 순환시키는 열전달 시스템을 구성하였다. 펌프는 DC 12 V, 5 A로 최대 5 L/min의 유량 성능을 가진다. 유량 제어는 열교환 성능 및 시스템의 안정성 분석에 중요한 변수로 작용하여, 유량 조절기를 통한 순환 유량을 1 ~ 5 L/min 범위에서 정밀하게 제어할 수 있도록 하였다. 가열된 열매체는 축열조로 이동하여 열에너지를 저장하게 된다. 저장된 열에너지를 효율적으로 활용하기 위해 축열조의 표면을 단열 처리하여 열 손실을 최소화하였다.

2.2 데이터 수집 및 실험 방법

태양열 시스템의 성능을 분석하기 위해 센서 및 데이터 수집 장치를 이용하여 데이터를 수집하였다. 온도 측정은 열전대를 사용하였으며, 다채널 범용 데이터로거를 이용하여 수집하였다. 태양 센서의 추적 정확도를 분석하기 위해 집열기 표면 온도를 측정하였으며, 집열된 열량을 산출하기 위해 집열기 입·출구 열매체 온도를 측정하였다. 추가로 시스템의 성능을 산출하기 위해 축열조 내부 열매체 온도 및 외기 온도를 측정하였다. 본 연구에서 측정한 항목, 측정 위치 및 사용 계측 장치는 Table 1에 정리하였다. 실험 결과의 신뢰성 평가를 위해 각 계측기의 측정 범위, 정확도, 분해능 및 검교정 상태를 Table 2에 정리하였다.

태양열 시스템의 집열 성능 분석을 위해 프레넬 렌즈에 입사되는 일사량 대비 집열기에서 열매체로 전달되는 유효 열에너지를 기준으로 집열 성능을 분석하였다. 집열 성능 분석에 사용된 일사량은 법선면 직달 일사량 데이터를 기반으로 분석하였다. 전일사량 센서를 프레넬 렌즈와 동일 선상에 배치하여 W/m² 단위의 법선면 전일사량 데이터를 측정하였다. 측정된 데이터는 4 - 20 mA 값으로 출력되며, 마찬가지로 다채널 범용 데이터로거를 이용하여 기록하였다. 추가 전일사량 센서를 사용하여 수평면에 배치하여 W/m² 단위의 수평면 전일사량 데이터를 측정하였다. 측정된 데이터는 다기능 측정기를 통해 기록되었다. Lee (2013)¹⁶⁾이 제시한 방법에 따라, 본 연구에서는 측정된 법선면 전일사량과 수평면 전일사량 데이터를 활용하여 법선면 직달 일사량을 산정하였다. 식(1), (2), (3)은 각각 태양 적위, 일몰 시간각, 대기권 외 일사량을 계산하기 위한 식이며, 식(4)는 측정 일사량과 대기권 외 일사량의 비로부터 청명지수를 산출하는 식이다. 또한 식(5)는 청명지수와 일몰 시간각을 이용하여 전일사량 중 산란 일사 비율을 추정하는 식이며, 식(6)은 이를 바탕으로 법선면 직달 일사량을 산정하는 식이다. 이와 같이 산정된 법선면 직달 일사량을 프레넬 렌즈에 의해 집광된 유효 일사량으로 간주하였다.

태양열 시스템의 열매체 유량은 유효취득열량 산정에 직접 반영되는 질량유량으로서 집열 성능에 영향을 미치는 핵심 변수이다. 유량 변화에 따라 열매체의 집열기 체류 시간과 집열기 입·출구 온도차가 달라지므로, 본 연구에서는 별도의 펄스 출력형 유량계를 사용하여 열매체 유량을 계측하였다. 유량 측정에는 스테인리스 재질의 수류 센서를 사용하였다. 해당 센서는 내부 로터의 회전에 따라 홀 센서가 펄스 신호를 발생시키는 방식이며, 유량 범위는 1 ~ 30 L/min, 구동 전압은 DC 3.5 ~ 24 V, 유량 펄스 출력 정확도는 1 ~ 30 L/min 구간에서 ±3% 내외이다. 또한 1 L의 물이 통과할 때 약 897개의 펄스를 출력하므로, 계수된 펄스 수를 이용하여 체적 유량을 산정할 수 있다. 유량계는 Fig. 1의 배관 배치를 기준으로 축열조 하부에서 순환펌프를 거쳐 집열기로 유입되는 집열기 입구 측 배관에 설치하였다. 센서 출력은 Arduino Uno의 디지털 입력 신호로 수집하였으며, 실험 전 5 L/min 조건에서 측정값 보정을 수행하였다. 수집된 유량 데이터는 다른 계측값과 동일하게 10초 간격으로 SD 카드에 저장하였다.

실험은 국립순천대학교 생명대 1호관 옥상(34.9699, 127.4813)에서 수행하였다. 태양열 시스템의 열매체로는 물을 사용하였으며, 축열조 용량은 10 L로 설정하였다. 실험은 2025년 12월 29일부터 2026년 1월 18일까지의 기간 동안 수행되었으며, 오전 10시 30분부터 오후 3시 30분까지 데이터를 10초 간격으로 수집하였다. 유량 변화에 따른 태양열 시스템의 성능 분석을 수행하기 위해 1, 2, 3 L/min의 유량 조건에 대해 복수의 실외 실험을 수행하였다. 다만 실외 실험 특성상 실험 조건별 일부 실험에서 기상 조건 변화에 따라 일사량이 급격히 감소하여 실험 조건별 성능 비교가 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 유량 조건별 복수의 실외 실험을 수행하였으며, 최종 분석 데이터는 태양열 집열기 성능평가 기준 KS B ISO 9806을 참고하여 법선면 직달 일사량이 700 W/m² 이상의 구간을 기준으로 데이터를 선별하였다. 선별된 구간 중 일사량이 비교적 안정적으로 유지된 실험일의 데이터를 활용하여 유량 조건별 성능을 분석하였다. 실외 실험에 사용한 추적 집광형 태양열 시스템의 설치 모습은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4

Experimental setup

2.3 성능 분석

추적 집광형 태양열 시스템 열 성능 분석을 위해 다음과 같이 분석하였다.

(1)태양 추적 정확도를 평가하기 위해 일사량과 집열기 표면 온도의 관계를 분석하였다.

(2)기상 조건과 집열기 온도 변화를 측정하기 위해 기상 데이터와 집열기 입·출구 수온의 시계열 변화를 분석하였다.

(3)집열기의 열적 성능을 평가하기 위해 집열기 내 열매체 평균 온도와 외기 온도 차이를 분석하였다.

(4)시스템 전체 성능을 평가하기 위해 축열조 내부 열매체 온도 변화와 목표 온도 도달에 소요되는 가열 시간을 분석하였다.

태양열 시스템 집열 성능 분석의 핵심 요소는 집열기 입·출구 열매체 온도 차와 축열조 내부 열매체의 온도 변화이다. 집열 성능은 집광기를 통해 집열기에 입사된 총 태양에너지와 집열기 내 열매체가 실제로 흡수한 열량의 상관관계로 정의된다. 집광기를 통해 집열기에 입사된 태양에너지 Qin는 식(7)과 같다.

집열기의 입·출구 온도를 비교하여 집열기 내 열매체가 실제로 흡수한 열량 Qcol는 식(8)과 같이 계산된다.

태양열 시스템의 순간 집열 성능 ηth은 식(7)과 식(8)을 이용하여 산출된다. 식(9)는 집열기에 입사된 태양에너지 중 열매체가 실제로 흡수한 열량의 비를 의미하며, 시스템의 순간적인 집열 성능을 나타낸다.

순간 집열 성능을 통해 집열기 내 열매체 평균 온도와 외기 온도 차이에 따른 시스템의 열 손실 계수를 산출할 수 있다. 집열기 내 열매체 평균 온도 Tm는 집열기 입구와 출구의 열매체 온도를 합산하여 평균 값으로 정의하였다. 이는 집열기 내부의 열적 상태를 대표하는 온도로서, 외기 온도와의 온도차에 따른 열 손실 특성을 평가하기 위한 기준값으로 사용된다. 식(11)은 순간 집열 성능과 집열기 내 평균 열매체 온도와 외기 온도의 차이를 일사량으로 나눈 환산 온도차와의 선형 관계를 나타내며, 절편 ηo는 최대 집열 성능, 기울기 α는 열 손실 계수를 의미한다.

태양열 시스템 열 성능 분석의 핵심 요소는 열매체 가열 시간과 축열조 내부 열매체 온도 변화이다. 시스템의 최종 목적인 온수 난방 성능은 축열조 내 열매체의 온도 변화에 의존하므로, 본 연구에서는 축열조 온도 변화 데이터를 기반으로 시스템의 열 성능을 분석하고자 한다. 열매체 가열 시간에 따른 축열조 내부 열매체가 실제로 흡수한 열량 Qtank는 식(12)과 같이 계산된다¹⁷⁾.

집열기를 통해 축열조에 입사된 태양에너지는 식(7)과 같다. 태양열 시스템의 열 성능 ηsys는 식(7)과 식(13)을 이용하여 산출된다.

3. 결과 및 고찰

3.1 일사량과 집열기 표면 온도에 따른 추적 정확도

태양열 시스템 집열기에 생성되는 초점의 온도는 프레넬 렌즈에 입사되는 일사량과 초점 거리 및 추적 정확도에 의해 결정된다. 추적 집광형 태양열 시스템의 추적 성능을 검증하기 위해, 일사량과 집열기 표면 온도 간의 회귀분석을 수행하였다. 실험결과 데이터는 Table 3과 같으며, 일사량에 따른 집열기 표면 온도 변화와 회귀식은 Fig. 5에 나타내었다. 회귀분석을 수행한 결과, 일사량이 증가함에 따라 집열기 표면 온도가 지수 함수 형태로 증가하는 경향을 확인하였다. 이는 태양 추적 시스템이 태양 위치를 추적함에 따라 일사량 증가 시 입사되는 태양에너지가 집열기에 집중되고 있음을 보여준다. 다만, 결정계수가 R² = 0.4312로 다소 낮은 값으로 나타났다. 이는 유효 집열 면적이 가로 약 5 mm, 세로 약 5 mm로 매우 작고, 표면 온도 측정에 사용된 열전대가 국부 영역의 온도만을 반영하므로, 미세한 추적 오차 또는 구동 중 초점 이동에 의해 초점이 열전대 부착 위치를 부분적으로 벗어나 측정 온도에 산포가 증가했기 때문으로 판단된다.

Fig. 5

Variation of collector surface temperature with solar irradiance

3.2 기상 데이터 및 집열기 입·출구 수온의 시계열 변화

프레넬 렌즈 기반 태양열 시스템의 성능은 외부 기상 조건의 영향을 크게 받는다. 집열 및 시스템 성능을 분석하기 전, 실험 기간 동안의 유량 조건별 일사량, 외기 온도, 집열기 입·출구 열매체 온도 변화를 분석하였다. 유량 조건별 일사량, 외기 온도 및 집열기 입·출구 열매체 온도의 시계열 변화는 Fig. 6에 나타내었다. 시간 경과에 따라 일사량은 점차 감소하는 경향을 보였으며, 이에 따라 집열기 입·출구 열매체 온도는 일정 시점까지 상승한 후 완만한 변화를 나타냈다. 유량 1 L/min 조건에서 집열기 출구 온도는 9.2℃에서 시작하여 19.2℃까지 상승하였으며, 입·출구 열매체 온도 차는 평균 0.56℃로 다른 조건 대비 비교적 크게 나타났다. 이는 낮은 유량 조건에서 열매체 체류 시간이 증가하여 열 흡수량이 증가한 것으로 판단된다. 유량 2 L/min 조건에서 집열기 출구 온도는 15.0℃에서 시작하여 33.8℃까지 상승하였으며, 입·출구 열매체 온도 차는 평균 0.45℃로 유량 1 L/min 조건 대비 약간 낮은 경향을 보였다. 유량 3 L/min 조건에서 집열기 출구 온도는 13.7℃에서 시작하여 26.1℃까지 상승하였으며, 입·출구 열매체 온도 차는 평균 0.23℃로 유량 1 L/min 조건 대비 비교적 크게 낮은 경향을 보였다. 이는 높은 유량 조건에서 열매체 체류 시간이 부족하여 열 흡수량이 감소한 것으로 판단된다. 다만, 유량 3 L/min 조건 실험의 일사량은 유량 1, 2 L/min 조건에 비해 상대적으로 낮은 조건에서 수행되었으므로, 해당 결과를 유량의 영향만으로 직접 비교 및 해석하는 데에 한계가 있다. 유량 조건별 비교의 적합성을 정량적으로 확인하기 위해, 최종 분석에 사용한 구간의 평균 외기 온도, 평균 법선면 직달 일사량 및 각 표준편차를 Table 4에 제시하였다.

Fig. 6

Variation of meteorological data and heat transfer fluid temperature by flow rate

3.3 집열기 내 열매체 평균 온도와 외기 온도 차이에 따른 집열 성능

유량 조건별 기상 데이터와 집열기 입·출구 열매체 온도 변화를 바탕으로, 식(11)에 따라 환산 온도차와 순간 집열 성능의 관계를 선형회귀로 분석하였으며, 회귀분석 결과의 통계적 요약은 Table 5에 제시하였다. 환산 온도차에 따른 유량 조건별 순간 집열 성능의 변화와 선형회귀 결과는 Fig. 7에 나타내었다. 본 회귀분석은 환산 온도차를 이용하여 외기 온도 및 일사량 차이를 고려한 상태에서 유량 조건별 집열 성능을 비교하기 위한 것이다. 식(11)에서 회귀식의 절편은 최대 집열 성능을, 기울기의 절댓값은 열 손실 계수를 의미하므로, 회귀계수의 부호와 크기를 통해 유량 조건별 열 손실 특성을 해석할 수 있다. 회귀분석 결과, 유량 조건별 회귀식의 기울기는 환산 온도차가 증가할수록 집열 성능이 감소하는 경향이 확인되었다. 또한 Table 5에 제시한 F-통계량과 p-value를 검토한 결과, 1, 2, 3 L/min 조건의 회귀식은 각각 F = 37.04, 19.70, 10.27 및 p = 1.26 × 10^-6, 1.20 × 10^-4, 3.28 × 10^-3으로 나타나 모두 통계적으로 유의하였다. 다만 결정계수는 유량 조건별로 차이를 보였으며, 1 L/min 및 2 L/min 조건의 R²는 각각 0.5609와 0.4045로 3 L/min 조건의 R² = 0.2615보다 상대적으로 높게 나타났다. 특히 3 L/min 조건은 회귀식이 통계적으로 유의하였으나 설명력은 다른 유량 조건에 비해 상대적으로 낮게 나타나, 해당 조건의 결과는 경향 해석 중심으로 검토하였다. 회귀식으로부터 산정한 최대 집열 성능은 유량 1, 2, 3 L/min 조건에서 각각 74.7%, 87.5%, 72.3%로 분석되었으며, 열 손실 계수는 각각 29.078, 20.451, 11.079 W/m²·K로 산정되었다. 이 중 1 L/min 조건은 최대 집열 성능이 74.7%로 나타났으나 열 손실 계수가 가장 크게 산정되어 환산 온도차 증가에 따른 성능 저하가 가장 큰 조건으로 해석된다. 2 L/min 조건은 최대 집열 성능이 가장 높고 열 손실 계수도 1 L/min보다 낮아, 본 연구에서 분석한 환산 온도차 범위 내에서 상대적으로 유리한 집열 특성을 보였다. 반면 3 L/min 조건은 열 손실 계수가 가장 낮아 열 손실 측면에서는 유리한 경향을 보였으나, 최대 집열 성능이 2 L/min보다 낮고 평균 일사량이 상대적으로 낮은 조건에서 도출된 결과이므로 이를 유량 증가의 영향만으로 해석하기에는 한계가 있다. 따라서 2 L/min 조건이 본 실험 조건과 분석 구간에서 최대 집열 성능과 열 손실 계수를 종합적으로 고려할 때 가장 양호한 조건으로 판단된다.

Fig. 7

Collector performance according to temperature difference and flow rate

3.4 축열조 내부 열매체 온도 변화에 대한 전체 시스템 성능

유량 조건별 축열조 내부 열매체 온도를 측정하여 초기 온도 대비 10℃ 상승하는 데 소요된 시간을 기준으로 전체 시스템 성능을 분석하였다. 유량 조건별 축열조 내부 열매체 온도 변화와 법선면 직달 일사량의 시계열 변화는 Fig. 8에 나타내었다. 전체 실험의 일사량이 감소하기 시작하는 시점에서 축열조 내부 열매체 온도가 최대값에 도달하는 경향을 보였다. 이는 일사량이 증가하는 동안 축적된 열로 인해 온도가 상승하다가, 일사량이 감소함에 따라 유입 열량이 줄어들면서 온도 상승률이 점차 낮아진 것으로 판단된다. 유량 1 L/min 조건에서 9.0℃에서 18.9℃까지 가열하는 데 소요된 시간은 16,561초이며, 이때의 시스템 성능은 20.3%로 분석되었다. 유량 2 L/min 조건에서 14.7℃에서 24.7℃까지 5,820초 소요되었으며, 시스템 성능은 60.6%로 분석되었다. 이후 온도는 최대 33.6℃까지 상승하였다. 유량 3 L/min 조건에서 13.8℃에서 23.8℃까지 10,140초 소요되었으며, 시스템 성능은 48.4%로 분석되었다. 이후 온도는 최대 25.7℃까지 상승하였다. 유량 1 L/min 조건에서 낮은 성능은 다른 실험 조건 대비 현저히 낮은 외기 온도로 인한 높은 열 손실 계수가 원인으로 판단된다. 유량 3 L/min 조건은 2 L/min 조건에 비해 열 손실 계수가 낮게 산정되었으나, 시스템 성능은 오히려 더 낮게 분석되었다. 이는 동일 비교 조건에서 상대적 낮은 집열 성능이 원인으로 판단된다. 유량 2 L/min 조건일 때 가장 높은 전체 시스템 성능을 확인하였다.

Fig. 8

Overall system performance with thermal storage tank temperature variation

4. 결 론

본 연구에서는 농업시설의 에너지 자립도 향상 가능성을 제시하고 화석연료 기반의 난방 방식이 지닌 에너지 비용 부담과 환경 문제를 완화할 수 있는 대안 기술로서 친환경 태양열 난방 시스템의 실용적 활용 가능성을 제시하고자 하였다. 이를 위해 농업용 태양열 난방 시스템 개발을 위한 기초 연구로서 점형 프레넬 렌즈 기반의 추적 집광형 태양열 시스템을 제작하였으며 실험을 통해 태양열 시스템의 집열 및 열전달 성능, 운전 조건에 따른 성능 변화를 분석하였다. 본 연구의 의의는 점형 프레넬 렌즈, 2축 태양 추적, 구리 소재의 집열기 및 축열·순환부가 결합된 소형 분산형 태양열 시스템의 열 성능을 실험적으로 분석하여, 농업용 태양열 시스템의 설계 및 운전 조건 설정을 위한 기초 자료를 제시했다는 데 있다. 연구 수행 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 태양 추적 시스템은 일사량 증가 시 집열기에 태양에너지를 효과적으로 집중시켜 표면 온도를 상승시키는 것으로 확인되었으며, 일사량과 집열기 표면 온도 사이에서 지수 함수 형태의 증가 경향이 확인되었다.

2) 다양한 유량 조건에서 성능을 분석한 결과 유량 2 L/min 조건에서 집열 성능은 33.3 ~ 74.8% 범위였으며, 최대 집열 성능은 87.5%로 분석되었다.

3) 유량 2 L/min 조건에서 온도가 14.7℃에서 24.7℃까지 상승하는 데 5,820초 소요되었으며 시스템 성능은 60.6%로 산정되었다. 이후에도 최대 33.6℃까지 상승하였다.

4) 최종적으로 유량 2 L/min 조건에서 열 손실 및 집열기 내 열매체 체류 시간이 균형을 이루어 집열 및 시스템 성능이 상대적으로 우수한 것으로 판단된다.

다만, 본 연구는 농업시설 난방용 태양열 시스템 구축을 위한 선행 연구로서 프레넬 렌즈의 크기 등 시스템 규모가 제한된 조건에서 수행되었으며, 태양 추적 및 집열 성능, 온도 상승 가능성을 확인하는 것을 목적으로 하였다. 또한 추적 정확도 분석에서 비교적 낮은 결정계수가 나타난 것은 유효 집열 면적이 매우 작고 표면 온도 측정에 사용된 열전대가 국부 영역의 온도만을 반영하기 때문으로 판단된다. 특히 미세한 추적 오차나 구동 중 발생하는 초점 이동으로 인해 초점이 열전대 부착 위치를 부분적으로 벗어나면서 온도 측정 범위가 확장된 것으로 판단된다. 또한 높은 열 손실 계수는 집열기의 단열 성능이 충분하지 않아 낮은 외기 온도 조건에서 열 손실이 크게 발생한 것으로 판단되며, 유량 조건별 실외 실험은 동일한 기상 조건에서 수행되지 않아 운전 조건에 따른 성능을 정량적으로 비교하는 데에는 한계가 있다. 향후 집열기의 단열 구조를 개선하여 열 손실을 저감하고 프레넬 렌즈 크기 및 집열 면적을 확대하여 시스템 규모를 보완함으로써 농업시설 난방에 필요한 에너지 생산 및 실용화를 위한 후속 연구가 이루어질 필요가 있다. 또한 동일 또는 유사한 기상 조건에서의 반복 실험과 실제 농업시설 연계 실증을 통해 시스템 성능과 실용성을 정밀하게 검증할 필요가 있다. 후속 연구를 통해 최종적으로 농업시설 에너지 절감 및 신재생에너지 활용 확대에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.