Recently, the direct absorption solar collector (DASC) often employs nanoparticle suspensions to enhance the optical absorption of the working fluids. Thermal performance of DASC is very sensitive to optical properties of the working fluid, such as absorption and scattering coefficients. Most of the existing studies have neglected the particle scattering by assuming that nanoparticle suspensions are much smaller than the wavelength of solar radiation (i.e., Rayleigh scattering is applicable). However, if the nanoparticle is made of metal and its diameter is greater than 50 nm, the scattering could be comparable to the absorption, especially when the localized surface plasmon occurs. Therefore, for the DASC utilizing plasmonic nanofluids, light scattering from particle suspensions must be taken into account in thermal analysis. The present study investigates the scattering effect of the working fluid on the thermal performance of DASC. In the analysis, Monte Carlo method is employed to solve the radiative transfer equation inside the nanofluid. It is found that the light scattering can improve a collector performance because nanofluid absorbs more solar intensity by an increase of optical path length of photons incident on the solar collector. The results obtained from this work suggest that the DASC with equal or higher collector efficiency can be made with fewer particle suspensions by using the scattering effect.
최근, 체적 기반 태양열 집열기는 작동 유체의 태양 복사 흡수를 증가시키기 위해 나노입자를 이용한다. 이 태양열 집열기의 열적 성능은 작동 유체의 흡수 계수와 산란 계수와 같은 광학적 성질에 매우 민감하다. 기존에 행해졌던 다른 연구는 나노입자의 크기가 태양 복사의 파장보다 매우 작기 때문에 입자 산란을 무시했다. 하지만, 나노입자가 금속재질이면서 직경이 50 nm 이상인 경우, 특히, 국부 표면 플라즈몬이 발생할 때 나노입자의 산란 효율은 흡수 효율에 비교될 만큼 증가한다. 그러므로 플라즈모닉 나노유체를 이용한 태양열 집열기에 대해 열 해석을 할 때, 입자에 의한 산란은 반드시 고려되어야 한다. 본 학위논문에서는 태양열 집열기의 열적 성능에 대해 작동유체의 산란 효과를 알아보고자 한다. 작동유체에 대한 복사 전달 방정식을 풀기위해 몬테카를로 방법이 이용된다. 나노입자에 의한 산란은 태양열 집열기에 입사한 광자의 광 경로 길이를 증가시키므로 작동유체는 더 많은 태양 복사를 흡수하게 된다. 따라서 산란 효과는 태양열 집열기의 성능을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 산란 효과를 이용하면 더 적은 나노입자를 이용하여도 동일하거나 높은 효율의 태양열 집열기를 만들 수 있음이 확인되었다.
