Nanofluid means a suspension containing evenly dispersed nanometer-sized particles in a base fluid. In the present study, we propose three kinds of nanofluids based on Therminol VP-1 and investigate the optical and thermophysical properties of the nanofluids for the direct absorption solar thermal collector. $Au@SiO_2$ and $Ag@SiO_2$ plasmonic nanofluids which make high absorption performance with localized surface plasmon effect are newly proposed. The graphite nanofluid is also proposed for the broad absorption enhancement in the solar spectrum. The demonstration of the thermal durability and dispersion stability has shown the applicability of proposed nanofluids in high temperature solar thermal collectors. To characterize the optical properties for nanofluids, the measurement system of absorption/scattering has been customized with the integrating sphere and the monochromator. The present study also proposes a determination of the absorption coefficient of nanofluids with an unknown refractive index from reflection and transmission spectra. The graphite nanofluids that can achieve the broad absorption in the solar spectrum are finally selected among the proposed nanofluids and their thermophysical properties such as thermal conductivity and dynamic viscosity are measured to develop the numerical simulation model. Furthermore, the experiment of the static solar thermal collector is conducted as well as a verification of the numerical simulation model using COMSOL. Consequently, the numerical simulation models in real scale are developed and it shows that the energy conversion efficiency is enhanced 38% point by only adding the 0.004 wt. % graphite nanopowder in Therminol VP-1. We finally achieve a 23% point higher energy conversion efficiency than a conventional surface-based type solar thermal collector with the direct absorption solar thermal collector employing graphite nanofluids.
나노유체란, 나노미터 크기의 미세 입자가 유체 내에 고르게 분산된 상태의 혼합물을 의미한다. 나노유체는 나노입자를 통해 유체의 물성을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 태양에너지를 열 형태로 직접 흡수하는 체적식 태양열 흡수체를 위한 나노유체의 열전달 성능 향상에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 금속 입자 내의 자유 전자의 공진 현상을 이용하는 금과 은 플라즈모닉 나노유체와 광대역에서의 흡수율 향상을 도모할 수 있는 Graphite nanopowder 기반 나노유체를 합성하여 이를 평가하고 시스템에 적용하였다. 나노유체는 고온 영역에서도 활용이 가능하도록 Therminol VP-1을 기반으로 하였다. 합성된 세 가지 나노유체는 분산과 고온 안정성 실험을 통해 태양열 흡수체에서의 활용 가능성을 확인하였다. 본 연구는 합성된 나노유체의 흡수 성능을 정량적으로 평가하기 위해 적분구로 구성된 분광장치를 설계 및 구성, 운용하였고 이를 통해 나노유체의 산란과 흡수 성능을 구분하였다. 또한 체적식 태양열 흡수체에서 중요한 요소인 나노유체의 소광계수를 선험적 지식 없이 해석적 접근을 통해 구할 수 있는 방법을 개발하고, 통계학적 분석과 실험적 검증을 통해 그 타당성을 증명하였다. 결국, 태양 스펙트럼 내에서 균일한 흡수율 향상 도모가 가능한 Graphite nanopowder 기반 나노유체를 선정하였고, 열전도도 및 점도 등 열 물성에 대한 측정을 수행하여 추후 해석 모델에 반영하였다. 더 나아가, 본 연구는 정적 체적식 태양열 흡수체 실험으로 나노유체의 안정성과 성능을 직접 확인하였고, 수치해석 결과와의 일치를 통해 해석 모델의 예측 가능성을 증명하였다. 마지막으로 실 규모의 동적 태양열 흡수체 성능에 대한 해석적 연구를 수행하여, Therminol VP-1 대비 38% 높고, 기존 평판형 태양열 흡수체보다 23% 높은 에너지 변환 효율을 Graphite nanopowder 기반 나노유체를 적용하여 달성하였다.
