Energy Grid 와 태양열 에너지 2010. 11. 30 부산대학교 기계공학과 201093106 강율호.

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1 Energy Grid 와 태양열 에너지 부산대학교 기계공학과 강율호

2 목 차 Energy Grid 태양열 에너지의 개요 태양열 집열기의 개요 건물의 에너지 부하 태양열을 이용한 시스템의 분석 사례

3 Smart Grid

4 Energy Grid

5 태양 에너지 태양표면 복사에너지 : 3.8 x 1023 kW 1시간 지표면 도달 태양에너지 : x 1021 kcal(1.77 x 1014 kW) 연간 일사량은 연간 전세계 에너지소비 (100억 kW)의 약 2만 배 맑은 날 지표면 도달 태양에너지 밀도 : 1100 W/m2 (윤용상, 2010) 한국 도달 태양에너지 : 1.29 x 1014 kWh 2000년 국내 최종 에너지소비 (1.74 x 1012 kWh) 74배

6 지표면에 도달하는 입사광선의 형태 <지표면에 도달하는 입사광선의 형태(에너지관리공단, 2008)>

7 태양열 복사 에너지 지구의 대기권을 통과할 때, 복사 광선은 대기 구성 물질에 의해 산란, 흡수, 반사되어 약 70% 가 지표에 도달 지표면에 도달하는 복사광선의 형태에 따라 전일사 = 직달일사 + 산란일사 - 직달복사란 그림자를 만드는 일사성분을 말하며, 확산복사란 태양일사가 지면에 도달되기 전에 구름이나 대기 중의 먼지에 의해 반사되고 확산된 일사로서 그림자를 만들지 않는 일사성분이다 - 직달일사 : 태양으로부터 구름이나 먼지 등에 산란되지 않고 지표면에 직접 도달되는 복사광선으로 임의의 면에 도달되는 이들 광선의 입사각도는 동일 산란일사 : 태양으로부터 지구로 오는 도중에 구름이나 먼지 등에 산란되어 지표면에 도달되는 복사광선으로 임의의 면에 도달되는 이들 광선의 입사각도는 산란 정도에 따라 제각각 다름

8 기상 상태에 따른 일사 강도

9 전일사량 자원의 평가 <전국 연평균 1일 수평면 전일사량 자원분포도 (kcal/m2/day)
(에너지관리공단, 2008)> <전국 연평균 청명일수 (Days)>

10 집열유체온도 Ti [℃] ( 외기온도 Ta 25 ℃, 일사량 G=800 W/m2 일때)
태양열 집열기 집열 효율 일정한 일사량과 외기 온도에서 집열기 내부의 유체온도가 증가할 수록 외기와 온도차이에 의한 열손실이 증가하여 집열효율은 감소함 가장 고온을 얻을 수 있는 진공관형 집열기의 효율감소 폭이 가장 적음 집열기 내부 유체의 온도가 41 ℃ 까지는 Pool(수영장) heating이 가능하고, 81 ℃까지는 온수 공급 및 난방 그리고 81 ℃ 이상의 유체는 흡수식 냉동기와 연결하여 냉방도 가능함 집열유체온도 Ti [℃] ( 외기온도 Ta 25 ℃, 일사량 G=800 W/m2 일때) 집열기 효율 [%] (Ti-Ta)/G [m2℃/W]

11 덮게없는 집열기 저가 저온(~30℃)활용 울퉁불퉁하고 자유롭 게 설치 가능 가볍다 계절별 수영장 가열용 낮은 압력에서 운전
춥거나 바람이 불면 효율 저하

12 평판형 태양열집열기 적정 가격 저·중온(~60℃) 건물의 급탕 활용 무겁고 파손 우려 심함
단열된 금속 box내부에 집 열 흡수판(absorber plate), 유리 덮게(glass cover)로 구성 집열 흡수판의 재질은 동 , 알루미늄 및 스테인레스 등의 금속 표면에 선택 흡수막 코팅 처리-태양에너지를 잘 흡수하도록

13 진공관형 태양열집열기(1/4) 이중진공관형(All-Glass Tube) 중저가 보온병 원리로 열손실 최소 온수급탕 활용
안쪽과 바깥쪽 유리관사이를 진공으로 형성 안쪽 유리관 외부 표면에 흡수막 코팅처리 추운 기후에서 열손실 발생 파손우려가 심함 U-tube type Heat Pipe Thermoshphon type Heat Pipe type

14 진공관형 태양열집열기 (2/4) 이중진공관형(All-Glass Tube) Thermoshphon type
Heat Pipe Heat Pipe type

15 진공관형 태양열집열기 (3/4) 단일 진공관형(Single Glass Tube) 고가 열손실(대류,전도)없다
고온을 얻을 수 있어 온수 급탕 뿐만 아니라 냉난방 , 산업공정열원 활용 추운 기후에서도 고효율 파손 우려 유지보수 편리 설치 간편 풍압 또는 눈 등으로부터 안전

16 진공관형 태양열집열기 (4/4) 단일 진공관형(Single Glass Tube)

17 •Metal to Metal 열교환(매니폴더)
단일진공관 집열기 구성 요소 •Metal to Metal 열교환(매니폴더) • Glass to Copper 접합 • Heat Pipe Technology • Titanium Coating & 초음파 용접(집열판)

18 냉난방 부하 계산식 각 존을 한 개의 공기노드로서 나타냄
전달함수법에 근거하여 공간에서 일어나는 열취득과 열평형을 통해 동적 열에너지 해석 수행 존 i의 공기노드로 전달된는 열에너지의 열전달율 Q는 아래와 같음 각부하요소는 상호독립적 가정하에 냉방부하를 따로 계산한 후 합산을 통해 총 냉방부하를 계산 : 내부의 모든 표면으로부터의 대류 열전달율 : 침입공기로부터의 열취득율 (Infiltration) : HVAC 장치의 환기를 통한 열취득율 : 사람이나 컴퓨터 등의 내부 발열원에 의한 열취득율 : 인접한 다른 존이나 경계조건으로부터의 대류 공기유동에 의한 열취득율

19 냉난방 부의 동적 해석법 동적해석법 (해석적인 방법, 수치적인 방법) 실제로 건물의 실내외 조건은 수시로 변화하는 비정상상태
정확한 열부하를 계산하기 위해서는 각각의 변화요소들을 시간의 함수로 처리하는 동적 계산이 필요 (벽체를 통해서 유출입되는 열량은 결국 1차원 에너지 방정식) 수시로 변화하는 실내외 경계조건을 반영함으로써 정확하게 산출 (엄밀하게는 3차원이나 대부분의 경우 1차원으로 충분) 방정식의 해법에는 라플라스 변환을 통한 해석적인 방법과 차분 등의 수치적인 방법으로 컴퓨터를 이용 해석적 방식에서 건물의 과도 열전달을 모델링하는 기본적 도구는 전달행렬방식(transmission matrix method)  전달행렬내의 각 원소를 전달함수(transfer fuction)라 함 <해석적 방식의 개념도>

20 건물 에너지 부하 모델 <백화점 건물의 에너지 부하 모델>

21 Solar-Absorption Chiller Ratio Solar-Absorption Cooling Ratio
태양열 냉방 시스템 분석 예제 Cooling load of Building Collected solar energy Caculating of the capacity of cooling equipment Energy consumption of cooling equipments Applying the energy cost system Analysis of energy cost and CO2 emission Solar-Absorption Chiller Ratio EHP Ratio Solar-Absorption Cooling Ratio 0% 100% 0.0 5% 95% 0.05 ∙∙∙ 0.95 1.0 <Schematic diagram of simulation for cogeneration system> <분석 조건> 1) EHP System 만을 적용한 건물을 기준으로 함 2) 냉방 설비의 총 용량은 최대 냉방부하를 기준으로 함 3) 최대 냉방부하를 기준으로 태양열 집열기의 면적은 고정(5m2/RT, 10m2/RT, 20m2/RT) 4) 태양열을 기본 열원으로 하는 흡수식 냉동기의 용량 증가에 따른 에너지비와 이산화탄소 저감 효과를 분석 (이때 흡수식 냉동기 + EHP의 용량은 일정) 5) 태양열 집열기 및 모든 설비를 대상으로 LCC 분석을 실시

22 LiBr-H2O Absorption Chiller
예제 건물개요 위치 : 부산대학교 양산캠퍼스 파워플랜트내 중앙감시실 < Building layout > Component Parameter Specification 태양열 집열기 타입 단일 진공관형 면적 200 m2 경사각 32º 방위 정남향 용도 파워플랜트 관리사무실 급탕/냉방 축열조 급탕용 20 ton 냉방용 10 ton 판형 열교환기 500,000kcal/h 중온수용 840,000kcal/h 흡수식 냉동기 LiBr-H2O Absorption Chiller 용량 10RT COP 0.7 구동열원 냉수온도 / 유량 입구 : 12.5 ℃, 출구 : 7 ℃ / 1.53 l/sec 중온수 온도/ 유량 입구 : 88 ℃, 출구 : 83 ℃ / 2.4 l/sec 크기 760W x 970D x 1920H 건축물 방향 남동 45º 면적 중앙감시실 : 175 m2 ( 7명 상주 ) 층고 2.7m2 장비현황 태양열 흡수식냉동기 천정형 FCU EHP 에어컨 1대 ★ 22

23 시스템 계통도 <Office Room> 23 Temperature Sensor Flow Meter
FCU EHP Grid W <Office Room> Absorption Chiller Storage Tank FM City Water Temperature Sensor Flow Meter Integrating Watt Meter DHW Supply Heat Exchanger 23

24 냉방 부하 계산 by TRNSYS 24 < Parameters for the building>
그래프출력 Element Value Area 175 m2 Ceiling Height 2.7 m2 Work Schedule 09 : 00 ∼ 18 : 00 Wall Type flower ACCESS FLOOR ConductivePVC Tile Interna lExternal Polymer Cement Mortar Acrylic paints ceiling LIGHT WIGHT STEEL CONSTRUCTION M-bar THK 12 Mineralwool Sound Absorbing Tex Window THK 12 Clear Glass 압력단위환산 습공기선도 천공온도 온도데이터 출력 기상데이터 (건구온도, 상대습도, 직달일사 / 산란일사) 건축적 요소 & 공조조건  냉난방부하계산 < TRNSYS types used for modeling the load > 부하계산치 출력 24

25 냉방 부하 산정 결과 -. 부산지역 기후 데이터(기상청제공) 사용하여 부하 산정
< Building heating and cooling loads (MJ) on hourly base > < Building heating and cooling loads (MJ) on monthly base > -. 부산지역 기후 데이터(기상청제공) 사용하여 부하 산정 -. 중앙공조실의 순간 최고 냉방부하는 MJ/h 로 약 10RT에 해당 -. 6월~9월의 총 냉방부하는 GJ 25

26 유효집열량 산정 결과 -. 부산지역 일사량 데이터(기상청제공) 사용하여 유효집열량 계산
< Hourly solar radiation on horizontal surface in Busan (South Korea) > < Useful energy gain on monthly base > -. 부산지역 일사량 데이터(기상청제공) 사용하여 유효집열량 계산 -. 피크 유효집열량은 집열 면적이 50m2, 100m2, 200m2인 경우에 각각 126.2MJ/h, MJ/h, MJ/h -. 6월~9월의 총 유효집열량은 집열 면적이 50m2, 100m2, 200m2인 경우에 각각 44GJ, 105GJ, 252GJ 26

27 LCC 분석의 절차 초기투자비 각종지원금 태양열 흡수식 냉동기 에너지비 EHP 보전비 갱신비 일반관리비 폐각비
분석목표 및 기본자료 대안 결정 대안의 비용분류체계 결정 LCC 모델 결정 비용항목의 변수 가정 조건 결정 LCC 계산 감도 분석 의사 결정 태양열 흡수식 냉동기 EHP 이자율(할인율) 물가상승률 내용연수 에너지비상승률 일반관리비상승률  Risk factor 가치환산법  현가법

28 에너지 요금 체계 28 Electric charges of general facilities Basic price
(Won/kWh) Power demand price(Won/kWh) Summer (Jul.～Aug.) Spring, Fall (Mar.～Jun., Sep.～Oct.) Winter (Nov.～Feb.) 6,120 Small load 38.30 Medium 81.10 59.40 74.40 Maxium 142.50 101.70 District heating price for the various systems LNG price for the various systems Basic price (Won/Mcal/h) Unit cost (Won/Mcal) Hot Water 371.18 86.32 Items Unit cost (Won/Nm3) For Cooling System 551.04 Emission factor of carbon dioxide (Eggleston, 2006) Energy type Unit TOE1) CEF2) CCF3) CO2 emission factor Electricity MWh 0.424 LNG Nm3 0.637 44/12 1) TOE : Tons of oil equivalent 2) CEF : Carbon emission factor 3) CCF : CO2 conversion factor 28

29 에너지비용 -. 태양열을 일정한 에너지를 공급하지 못하기 때문에 보조열원 필요
(a) (b) (c) < The total energy costs with increaseing absorption cooling ratio (Collector area : (a) 5m2/RT, (b) 10m2/RT, (c) 20m2/RT) > -. 태양열을 일정한 에너지를 공급하지 못하기 때문에 보조열원 필요 -. 흡수식 냉동기의 보조열원으로 LNG, 지역난방, 전기코일 사용 -. 흡수식 냉동기의 비율이 증가하면 보조열원의 사용이 증가 -. 보조열원(에너지비가 비싸고, 효율은 1이하)의 사용 증가는 전체 냉방 에너지비의 증가 초래 -. 집열기 면적이 5m2/RT, 10m2/RT, 20m2/RT 인 경우 에너지비용은 흡수기냉동기의 비율이 30%, 40%, 60%에서 최저 -. LNG는 냉방요금이 별도 존재하고, 저렴하여 지역난방과 전기코일에 비해 유리 29

30 LCC 분석의 방법 ■ 경제성 분석 방법 : LCC(Life Cycle Cost) ■ 현가법(現價法)
시스템의 전과정인 기획, 설계, 설비, 건설, 유지, 관리, 폐기,처분 단계에서 발생되는 모든 비용을 분석하는 방법 ■ 현가법(現價法) 설비투자를 하고자 하는 현재시점의 가치로 환산하는 방법 ▪ 변수의 상승률이 있는 경우 < Assumptions for LCC simulation > Element Value Interest rate escalation (%) 8 Electricity escalation (%) 10 LNG price escalation (%) Initial cost of EHP (Thousand won/RT*) 3,500 Initial cost of Aabsorption chiller (Thousand won/RT) 2,500 Initial cost of Vacuum tube collector (Thousand won/m2) 1,160 P : 현가(현재가치의 합계) A : n년간 걸쳐 계속되는 일정한 기말지불액 i : 할인율 e : 상승률 n : 내용연수

31 LCC 결과 -. 현 수준에서는 경제성을 기대하기 힘듬
< 흡수식 냉동기의 비율 증가에 경제성 평가 : 집열기 면적 50m2 > < Analysis of LCC with increasing absorption ratio (funding rate : 91%) > < Analysis of LCC with increasing absorption ratio (funding rate : 95%) > -. 현 수준에서는 경제성을 기대하기 힘듬 -. 현 수준보다 에너지비용이 크게 증가, 저온 흡수식 냉동기의 효율 증가, 집열기 가격의 하락시 경제성을 기대 -. 태양열 집열기를 난방과 급탕에도 사용할 경우 경제적 이익은 크게 증가 -. 온실가스 저감효과를 비용으로 환산하게 되면 추가적인 경제적 효과 발생 31