농림축산식품부장관귀하 이보고서를 원추형태양광 - 열 (CPV/T) 복합집광시스템을이용한에너지자 립형농산물건조장치개발 ( 개발기간 : 2015. 12. 18 2017. 12. 17) 과제의 보고서로제출합니다. 2017 년 12 월 17 일 주관연구기관명 : 강원대학교산학협력단정재연 ( 인 ) 참여기관명 : 나우솔리드김용식 ( 인 ) 주관연구책임자이귀현 ( 인 ) 참여기관책임자김용식 ( 인 ) 국가연구개발사업의관리등에관한규정제 18 조에따라보고서열람에동의 합니다.
보고서요약서 과제고유번호 115063-2 해당단계 연구기간 2016. 12. 18 2017. 12. 17 단계구분 2 단계 /( 총 2 단계 ) 단위사업 농식품기술개발사업 연구사업명 사업명 첨단생산기술개발사업 대과제명 ( 해당없음 ) 연구과제명 세부과제명 원추형태양광 - 열 (CPV/T) 복합집광시스템을이용한에너지자립형 농산물건조장치개발 해당단계 참여 연구원수 총 : 내부 : 외부 : 8 명 5 명 3 명 해당단계 연구개발비 정부 : 90,000 천원 민간 : 30,000 천원 계 : 120,000 천원 연구책임자 총연구기간 총 : 11 명 정부 : 180,000 천원 참여 내부 : 8 명 총연구개발비 민간 : 60,000 천원 연구원수 외부 : 3 명 계 : 240,000 천원 연구기관명및소속부서명강원대학교바이오시스템공학과참여기업명 : 나우솔리드 위탁연구 연구기관명 : 없음 연구책임자 : 이귀현 < 요약 > 보고서면수 : 147-2 -
국문요약문 코드번호 D-01 연구의 목적및내용 연구개발성과 집광효율을극대화한원추형태양광집광기요소기술을개발하고, 원추형집광기의고집광부흡수기표면에집광형태양전지 (CPV) 를설비한원추형태양광 -열(CPV/T) 복합집광시스템을설계 제작하여성능검증후농산물건조장치에적용하여실증실험을수행하며, 시설비및유지보수관리비를포함한에너지경제성분석을통해개발된원추형복합집광시스템을이용한건조장치를실용화하는데있음. -반사율 96.56% 를갖는알루미늄반사판을이용한 45도각의원추형반사판및 Al 프로파일을이용한반사판지지대설계 / 제작 -Linear Actuator 과 Slew Driver 를이용한고도및방위 2축정밀태양추적장치설비 / 열교환기를내재축열조설비 -고집광부에 CPV 셀부착및셀간직렬배선 -CPV 과열방지및집광율향상을위한보조집광기설계 / 설비 -원추형반사판, CPV 셀, 흡수기를일체화하여모듈화설비 -CPV 셀부착원추형집광기 1개및 4개로구성된단일, 다모듈집광시스템설계 / 설비 -다모듈원추형태양광 -열복합시스템용태양추적장치설비 -CFD 분석을통한흡수관내열매체온도분석 (20 21 ) -열화상분석에의한흡수관표면 CPV 셀온도분석 : 45 이하 -최적열매체유량분석 : 4L/min -단일모듈원추형복합시스템합산효율 : 78%( 집열율 : 57%, 발전효율 : 21%) -다모듈원추형복합시스템합산효율 : 76%( 집열효율 : 56%, 발전효율 : 20%) -건조실크기및재료선정, 공기순환유로결정, 건조실구조설계및제작 -건조온도제어를위한유량제장치및건조온도제어장치설비 -태양광발전부대설비 -다모듈원추형집광기, 태양추적장치, 축열조, 열교환기, 건조장치설계 / 제작 -축열조및건조실유로설계 / 설비 -순환펌프, 밸브, 유량계등으로구성된유체순환배관설비 -온수순환유동관과일체화된열교환기설계및설비 -건조장치에너지경제성분석 -시스템설비수익성과투자회수기간분석 연구개발성과의활용계획 ( 기대효과 ) - 집광형태양전지 (CPV) 를부착한다모듈원추형태양광 - 열복합집광시스템 (CPV/T) 개발은농업시 설에필요한열과전기에너지를동시에생산할수있어건조장치뿐만아니라농업시설물 ( 온실, 축사 등 ) 의난방에너지원으로이용될수있어농가의에너지난을다소나마해결하는데기여. - 기존태양에너지시스템의열또는전기독립생산시스템의경제성문제점을극복하고세대교체를이 룰수있으며, 고효율의열및전기동시생산시스템으로의전환점을마련할수있을것임. - 원추형태양광 - 열 (CPV/T) 복합시스템을기업체에기술이전함으로서기술료징수가가능하며, 기업체 의독자적인기술확보및기업체의주생산기종이될수있어경제적효과가클것임. 중심어 (5 개이내 ) 원추형집광기 태양광 - 열복합 집광시스템 집광형태양전지건조장치태양에너지 - 3 -
Purpose& Contents Results Expected Contribution Keywords < SUMMARY > 코드번호 D-02 n this study, the objectives of this study were to develop the concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system with CPV solar cell with conical solar concentrator, and to construct an agricultural dryer with CPV/T system. The results obtained from this study are as follows: 1. Development for the concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system with one conical solar concentrator 2. Development for the concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system with four conical solar concentrators 3. Development of agricultural drying system with using four concentrated photovoltaic -thermal (CPV/T) system Average solar collecting efficiency of one conical solar concentrator system without CPV cell was 73.6%, 81.4%, and 78.5% for each flow rate of 2L/min, and 4L/min, 6L/min. Thus, The highest efficiency was at the flow rate of 4L/min. 2. Solar collecting and electrical efficiency for one concentrated photovoltaic -thermal (CPV/T) system at 4L/min with the highest solar collecting efficiency are each 57% and 21% with aggregated efficiency of 78%. 3. Average solar collecting efficiency of four conical solar concentrator system without CPV cell was 68.0%, 70.0%, 66.7%, and 65.0% for each flow rate of 3L/min, and 4L/min, 5L/min. 6L/min. Thus, The highest efficiency was at the flow rate of 4L/min. 4. Solar collecting and electrical efficiency for four concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system at 4L/min with the highest solar collecting efficiency are each 56% and 20% with aggregated efficiency of 76%. 5. Drying temperature was kept within the error range of ±2.0 in compared with setting temperature. 6. Result of economic analysis for agricultural dryer with using four concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system showed that it takes 9 year for economic advantage in the case of government support of 60% for construction cost. 1. Concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system developed in this study can be used for heating of agricultural facilities in addition to agricultural dryer. 2. It can be helpful for saving of energy cost for agricultural farms by using agricultural dryer with four concentrated photovoltaic-thermal (CPV/T) system developed in this research. 3. It would give economic benefits to agricultural farms by using developed solar dryer. Conical concentrator Concentrated photovoltaicthermal system concentrated solar cell agricultural dryer solar energy - 4 -
CONTENTS - 5 -
목차 ------------------------------ ------------------------- - 6 -
- 7 -
- 8 -
- 9 -
- 10 -
- 11 -
- 12 -
- 13 -
- 14 -
- 15 -
- 16 -
- 17 -
- 18 -
- 19 -
- 20 -
- 21 -
- 22 -
- 23 -
- 24 -
- 25 -
- 26 -
- 27 -
- 28 -
- 29 -
- 30 -
- 31 -
- 32 -
- 33 -
- 34 -
- 35 -
원추형집광기의집광면적 흡수관집광부표면적 - 36 -
- 37 -
- 38 -
- 39 -
- 40 -
- 41 -
- 42 -
- 43 -
- 44 -
Ω - 45 -
- 46 -
- 47 -
Ω Ω Ω - 48 -
- 49 -
- 50 -
Figure 2-3 Experimental setup of conical solar concentrator system. Figure 2-4 Schematic diagram of conical solar concentrator system. - 51 -
- 52 -
Ω Ω - 53 -
Ω - 54 -
- 55 -
- 56 -
- 57 -
- 58 -
- 59 -
- 60 -
- 61 -
Q use = Q total Q loss Q total = αβi a A - 62 -
- 63 -
ln ln ln - 64 -
- 65 -
Figure 2-13. Thermo Gear G100. - 66 -
- 67 -
max - 68 -
- 69 -
- 70 -
- 71 -
- 72 -
- 73 -
- 74 -
- 75 -
- 76 -
- 77 -
- 78 -
- 79 -
- 80 -
- 81 -
- 82 -
- 83 -
- 84 -
- 85 -
- 86 -
- 87 -
- 88 -
- 89 -
- 90 -
- 91 -
- 92 -
- 93 -
- 94 -
- 95 -
- 96 -
- 97 -
- 98 -
- 99 -
- 100 -
축열조온도저감율 축열조초기온도 외기온도 - 101 -
- 102 -
- 103 -
- 104 -
- 105 -
- 106 -
- 107 -
- 108 -
- 109 -
- 110 -
- 111 -
- 112 -
- 113 -
- 114 -
tan - 115 -
- 116 -
- 117 -
- 118 -
- 119 -
- 120 -
- 121 -
- 122 -
- 123 -
- 124 -
- 125 -
- 126 -
MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)를 사용하여 에피 성장하는 기술 로 만들며, 적층하여 태양광의 대부분의 스펙트럼을 효율적으로 사용하는 것이 가 능하기 때문에, 50% 이상의 초고효율 태양전지를 개발할 수 있는 가능성을 가지고 있다(오병두, 2008, Daniel, 2012). Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양전지는 1980년 중반부터 개발이 시작되었고, 1990년 탠덤(tandem) 셀 개발로 높은 효율을 얻었다. 그 이후 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양 전지 효율은 매년 약 1%의 빠른 효율 향상을 보이고 있으며, 2007년에는 Spectrolab에서 격자부정합(metamorphic) 성장기법을 이용한 InGaP/GaAs/Ge 적층 형 태양전지를 이용하여 효율 40.7% (240배 집광시)를 달성하였다. [그림 6-3]은 NREL(Natontional Renewable Energy Labortary)에서 2012년 발표한 태양전지의 최대 효율의 연도별 발전 현황을 보여주고 있다. [그림 6-3] 2012년 NREL 발표 태양전지 최고 변환 효율 Ⅲ-Ⅴ족 태양전지가 높은 효율을 가질 수 있는 이유는 다중접합(multi-junction) 탠덤 셀 구조를 갖고 있기 때문인데, 이러한 구조가 높은 변환 효율을 갖는 이유는 다음과 같다. [그림 6-4]에서와 같이 세 개의 층을 적층할 경우에 가장 밴드갭이 큰 물질이 맨 위에 위치하고, 중간 밴드갭을 갖는 물질이 가운데, 그리고 가장 밴드갭 이 작은 물질이 맨 아래에 위치하도록 한다. 이 경우 맨 위의 셀에서 태양광의 짧 은 파장 부분(밴드 갭 에너지보다 큰 부분)의 스펙트럼을 흡수하고 나서, 그 다음에 - 127 -
- 128 -
- 129 -
- 130 -
- 131 -
- 132 -
- 133 -
- 134 -
- 135 -
- 136 -
- 137 -
- 138 -
- 139 -
- 140 -
- 141 -
- 142 -
- 143 -
< 별첨 > 1. 과제현황 코드번호 D-15 과제번호 115063-2 사업구분농식품기술개발사업 ( 자유응모과제 ) 연구분야농업동력 / 에너지단위과제구분사업명첨단생산기술개발사업주관 총괄과제기재하지않음총괄책임자기재하지않음 과제명 원추형태양광 - 열 (CPV/T) 복합집광시스템을 이용한에너지자립형농산물건조장치개발 과제유형 응용 연구기관강원대학교산학협력단연구책임자이귀현 연구기간 연구비 ( 천원 ) 참여기업 나우솔리드 연차 기간 정부 민간 계 1차년도 2015. 12. 18 90,000 30,000 120,000 2016. 12. 17 2차년도 2016. 12. 18 90.000 30,000 120,000 2017. 12. 17 3차년도 4차년도 5차년도계 180,000 60,000 240,000 상대국 상대국연구기관 총연구기간이 5 차년도이상인경우셀을추가하여작성요망 2. 평가일 : 2017. 12. 25 3. 평가자 ( 연구책임자 ) : 소속 직위 성명 강원대학교 교수 이귀현 4. 평가자 ( 연구책임자 ) 확인 : 본인은평가대상과제에대한연구결과에대하여객관적으로기술하였으며, 공정하게평가하였음을확약하며, 본자료가전문가및전문기관평가시에기초자료로활용되기를바랍니다. 확약이귀현 ( 인 ) - 144 -
Ⅰ. 연구개발실적 1. 연구개발결과의우수성 / 창의성 등급 : ( 아주우수, 우수, 보통, 미흡, 불량 ) 본연구지금까지개발되어실용화되고있지않는포물원통형과접시형집광기의복합개념인집광효율을극대화한원추형집광장치및흡수기표면의고집광부에 CPV셀을부착하고흡수기내에열매체를순환하게하여 CPV셀냉각으로인한고효율의태양광발전을가능케하는태양열집열및태양광발전이동시에가능한원추형태양광- 열복합집광시스템을개발하여, 집광시스템으로부터생산된에너지를이용하는농산물건조장치개발연구로연구개발결과의우수성및창의성은매우큼. 2. 연구개발결과의파급효과 등급 : ( 아주우수, 우수, 보통, 미흡, 불량 ) 유류비용의증가로에너지난을겪고있는농촌의에너지원으로이용함으로써농업에너지난을타개할수있을뿐만아니라정부의적극적지원하에원추형태양광- 열 (CPV/T) 복합집광시스템을이용한건조장치를확대보급할수있을것임. 농업분야뿐만아니라타분야의산업적으로이용이확대될수있어기술적우위에의한국내시장점유율증가와수입대체및수출에의한경제적이익뿐만아니라에너지절약의파급효과가크게기대됨. 3. 연구개발결과에대한활용가능성 등급 : ( 아주우수, 우수, 보통, 미흡, 불량 ) 집광형태양전지 (CPV) 를부착한원추형태양광- 열복합시스템개발은열과전기에너지를동시에생산할수있어건조장치뿐아니라농업시설물 ( 온실, 축사 ) 및농가의냉난방용열원으로효율적으로이용될수있을것으로기대됨. 4. 연구개발수행노력의성실도 등급 : ( 아주우수, 우수, 보통, 미흡, 불량 ) 본연구에참여하는주관기관연구원들의적정한연구업무와역할분담을통해본연구개발을성공적으로수행할수있었음. 참여기업의연구인력을태양광발전자체생산전력이용독립형건조장치구축및고도각추적을위한 Slew Drive 설비, 방위각추적을위한 Linear Actuator 설비, 고도및방위각축의 DC 모터제어를위한컨트롤러설비에큰기여를하였음. - 145 -
5. 공개발표된연구개발성과 ( 논문, 지적소유권, 발표회개최등 ) 등급 : ( 아주우수, 우수, 보통, 미흡, 불량 ) 본연구를통해특허출원 2건, 국제학술지논문발표 3건, 국내외학술회의발표 14건, 인력양성학 / 석사 7명배출, 타연구활용 1건등을달성하여연구개발성과는매우우수함. Ⅱ. 연구목표달성도 세부연구목표비중달성도 ( 연구계획서상의목표 ) (%) (%) 자체평가 원추형집광기개발 20 반사율 96.56% 의알루미늄판을이용한 100 원추형집광기개발완료 태양추적장치및축열조설비 10 고도및방위 2축정밀태양추적장치설비 100 및열교환기를내재한축열조설비완료 CPV 셀부착원추형집광기 1개및 4개로구단일및다모듈 CPV/T 복합집광시 20 100 성된단일및다모듈집광시스템설계및스템개발설비완료 집광시스템성능분석완료 : 단일모듈원추 형복합시스템합산효율 : 78%( 집열효율 : 원추형 CPV/T 복합집광시스템 10 100 57%, 발전효율 :21%), 다모듈원추형복합성능분석시스템합산효율 : 76%( 집열효율 :56%, 발 전효율 : 20%) 다모듈원추형복합집광시스템과통합된에너지자립형건조장치설계 / 제작 20 100 다모듈원추형집광기, 태양추적장치, 축열조, 열교환기, 건조실일체형건조장치설계및제작완료 건조장치운전성능및건조특성분건조기내설정건조온도유지성능분석및 10 100 석농산물건조특성분석수행완료 복합집광시스템을이용한건조장치건조장치에너지경제성분석및시스템설 10 100 경제성분석비수익성과투자회수기간분석완료 합계 100 점 - 146 -
Ⅲ. 종합의견 1. 연구개발결과에대한종합의견 본연구는당초계획대로단일및다모듈원추형태양광- 열복합집광시스템개발및성능평가, 다모듈원추형태양광 -열복합집광시스템을이용한농산물건조장치설계 / 제작및운전성능분석과농산물건조특성분석및건조장치경제성분석등전체적으로연구수행이잘되었음. 2. 평가시고려할사항또는요구사항 계획된연구성과목표대비달성도의평가가매우중요한것으로사료됨. 3. 연구결과의활용방안및향후조치에대한의견 본과제를성공적으로완료함으로써여러용도처개발을단계적으로추진할예정이며, 본과제를통해축적된자체설계기술, 시스템화기술및성능최적화기술등의 Know-How를바탕으로차후에는저비용의에너지절약형농산물건조장치로의활용성을극대화할것임. 다모듈원추형태양광-열복합시스템을기업체에기술이전하여기술료징수를가능케할것이며, 기업체의독자적인기술확보및기업체의주생산기종이되도록할것임. 본연구개발을통해 Pilot Plant 규모의원추형태양광-열복합시스템을이용한건조장치를산업화시켜 1차적으로농가에보급할계획임. 다모듈원추형태양광-열복합시스템을이용한건조장치는신기술인증획득을통해국가지원하에농가보급을극대화할것임. Ⅳ. 보안성검토 해당없음 1. 연구책임자의의견 2. 연구기관자체의검토결과 - 147 -