As fossil fuel, present main energy source, has limited deposit, and power generation system using fossil fuel entail air pollution, many countries has looked for alternative energy sources. The one of the representative green energy source is the sun. Especially, environment of middle east countries including UAE that have enough sunlight and high temperature is the best condition for the solar thermal power generation. As the thermal efficiency of solar thermal power generation is more than 40%, it can produce electricity with low cost.
This research describes a methodology for developing the system that maximizes radiative heat transfer from heliostat to thermal receiver using hybrid solar tracking device and reflection angle. Unit vector directed from heliostat center to sun, normal unit vector from heliostat surface and unit vector directed from heliostat to receiver are all applied to optimally control heliostat. Tracking the sun by detecting the sun position, reinstating the hybrid solar tracking device and heliostat towards the east again, and shutting down the system after sunset were successfully implemented here by using illuminance sensor (CdS) and astronomic data. By developing and applying the optimized algorithm that maximizes the reflection angle between heliostat, receiver and sun in real time programmed with Simulink, the elevation and azimuthal angles of the heliostat have been accurately controlled so that the efficiency of the solar absorption in thermal receiver could be maximized.
The second objective of this study is to increase the generating efficiency of concentrated photovoltaic (CPV) technology within a restricted area using solar tracking and heat pipes. A system with the ability to extract thermal energy from CPV devices using a thermal absorber containing heat pipes and cooling water is also proposed in this work. This energy can then be used for a heating system or hot water supply.
A parametric analysis of the velocity and entrance location of the cooling water in the thermal absorber with respect to the operating temperature of the CPV devices and the outlet temperature of the cooling water in the thermal absorber were performed. We also examined the effect of the lens concentration ratio. The results show that simulated and experimental results for the thermal absorber containing heat pipes were in good agreement.
Given that the results of an economic feasibility study were positive in terms of payback time, the proposed system is practical and realistic.
본 연구의 목적은 형상계수와 태양추적장치를 이용하여 헬리오스타트에서 흡수기로 복사열전달이 최대화 될 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. 헬리오스타트에서 타워 상단에 위치한 흡수기로의 열전달은 대부분 복사에 의해 일어나기 때문에, 복사 열전달에서 사용되는 형상계수를 헬리오스타트 제어에 이용하였다. 태양 추적 및 태양 위치 계산은 CdS 센서와 시뮬링크 프로그램을 이용하였다. 시뮬링크 프로그램을 이용하여 실시간으로 헬리오스타트, 흡수기, 태양 사이의 형상계수가 최대화되는 알고리즘을 적용함으로서, 헬리오스타트에서 흡수기로의 복사 열전달이 최대화 될 수 있도록 하였다. 또한 다양한 조건에 따른 헬리오스타트 제어에 필요한 각을 시뮬레이션 함으로서 각 조건에 필요한 각을 도출할 수 있었다.
두번째 연구는 센서식 및 프로그램식을 통합한 태양추적장치를 이용하여 집광형 태양전지의 발전효율을 높이고 동시에 집광에 따른 태양전지에서 발생한 열을 히트파이프를 포함한 흡열기로 회수함으로써 열효율을 높이는 연구를 진행하였다.
집광비가 증가함에 따라 흡열기 출구온도 및 태양전지의 온도는 증가하였다. 하지만 집광비 증가에 따른 열효율의 변화는 미미하였다. 유량 증가에 따른 태양전지의 온도는 감소하였으며 이를 통해 냉각수의 대류 열전달 증가를 확인하였다. 또한 입구 유량 증가에 따라 흡열기 출구온도는 감소하게 되지만 유량이 증가하였기 때문에 열효율 변화는 크지 않았다. 흡열기 표면 및 출구온도 실험결과는 해석한 결과와 일치하였으며, 히트파이프를 이용 함으로써 전기효율 및 열효율이 향상됨을 확인하였다.
경제적 실행가능성 연구를 통해 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 현실 가능성이 높음을 확인하였다. 복합식 태양광 발전 및 난방장치의 장점은 지구 온난화 가스 발생을 감소시킬 수 있으며, 태양이 떠있는 한 이용 할 수 있는 지속가능성이 높다.
