소식

Jun 12, 2023

태양열의 열 전달 강화

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9476(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구의 목적은 해양 산업에서 온실가스 배출과 화석 연료 의존도를 줄이기 위한 수단으로 태양열 동력 선박(SPS)의 사용을 탐구하는 것입니다. 이 연구는 탄소나노튜브(CNT)를 함유한 하이브리드 나노유체(HNF)를 사용하여 SPS의 열 전달 효율을 향상시키는 데 중점을 두고 있습니다. 또한 SPS의 성능을 향상시키기 위해 재생 에너지와 전자기 제어를 활용하는 새로운 접근 방식이 제안됩니다. 이 연구는 선박에 사용되는 포물선형 트로프 태양열 집열기에서 비뉴턴식 맥스웰 유형과 Cattaneo-Christov 열유속 모델을 구현합니다. 본 연구에서는 CNT 기반 HNF의 열전도도 및 점도를 평가하기 위해 이론적 실험과 시뮬레이션을 수행합니다. 태양열 복사, 점성 소산, 미끄러운 속도 및 다공성 매체를 포함한 다양한 특성을 평가하여 SPS의 열 전달 효과를 결정합니다. 본 연구에서는 유사성 변수를 사용하여 복잡한 편미분 방정식을 상미분 방정식으로 단순화하고 체비쇼프 배열 스펙트럼 방법을 사용하여 이를 해결합니다. 결과는 MWCNT-SWCNT/EO 하이브리드 나노유체가 열전도도를 크게 향상시켜 열 전달을 향상시키는 것을 나타냅니다. HNF는 약 1.78%의 효율과 2.26%의 최소 효율을 나타냅니다.

전 세계 에너지 수요는 계속 증가하고 있지만, 화석 연료의 고갈과 전기와 같은 전통적인 에너지원의 비용 증가로 인해 최근 몇 년간 과학자들은 재생 에너지에 초점을 맞추게 되었습니다1. 지속 가능한 자원에서 전기를 생산하는 것은 온실가스를 배출하지 않기 때문에 친환경적인 전력 생산 방법입니다. 대조적으로, 화석 연료의 연소는 대기 중으로 이산화탄소를 방출하여 지구 온난화에 기여합니다2. 또한, 환경론자들은 지속 가능한 자원을 사용하는 것이 탄소 오염을 줄이고 지구 온난화 속도를 늦추는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다고 강력하게 믿습니다3. 최근 몇 년 동안 태양 에너지는 접근성, 유해한 배출이 적고 환경에 미치는 영향이 최소화되어 지속 가능한 에너지에 대해 널리 논의되는 옵션이 되어 에너지 생산을 위한 매우 매력적인 선택이 되었습니다4. 태양 에너지는 모든 에너지원 중에서 장기간 사용 가능성과 접근성이 가장 높으며 환경에 대한 부정적인 영향이 가장 적습니다. 이 에너지원을 적절하게 활용하면 현재 전 세계에서 사용되는 전력량의 약 4배를 생산할 수 있는 잠재력이 있습니다5. 최근 연구에 따르면 2050년까지 전세계 CO2 배출량은 19856년에 기록된 수준에 비해 75% 감소할 것으로 예상됩니다. 미국 에너지부가 실시한 연구에 따르면 지구 표면에 도달하는 태양 에너지의 양은 단 90분이면 전 세계의 1년 전체 에너지 수요를 충족할 수 있습니다7. 미국의 한 보고서에서는 태양에너지가 다른 형태의 에너지를 자연적으로 대체할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 태양광 발전 시스템은 난방 및 냉방 목적으로 활용될 수 있는 열 에너지를 생성할 수 있습니다. 따라서 이제 주요 관심사는 태양 에너지를 활용하는 가장 효과적인 방법을 찾는 것입니다.

햇빛을 전기로 변환하는 두 가지 주요 방법은 현재 널리 사용되고 있으며 여러분에게도 친숙할 것입니다. 바로 광전지 시스템(PV)과 집중형 태양 에너지(CSE)8입니다. PV 시스템은 (a) 가정과 기업을 위한 전력 생산9 (b) 우주선 및 위성에 전력 공급10 (c) 자동차, 버스, 보트 등 다양한 유형의 차량에 전력 공급, (d) 원격 지역 전원 공급 장치 등 다양한 응용 분야에 적용됩니다. (RAPS) 발전기, 가로등, 무선 통신 장치로 구성되어 도심에서 멀리 떨어진 지역에 전기를 공급하는 시스템입니다. 간단히 말해서, PV 시스템은 지속 가능하고 전력망과 독립적으로 작동할 수 있는 전기를 생산할 수 있는 환경 친화적이고 저렴하며 유지 관리가 적은 방법을 제공합니다. 광전지 장치는 주로 전자를 통해 전기를 전도하는 반도체 재료로 구성됩니다. 무제한의 전자를 전도할 수 있는 도체와 달리 반도체는 전자의 흐름을 조절할 수 있는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특징은 반도체를 광전지 장치용 귀중한 부품으로 만듭니다. 한편, CSP는 반사면이나 광학기술을 이용하여 태양광을 아주 작은 면적에 집중시켜 전기를 발생시키는 방식이다. 이렇게 집중된 햇빛은 열로 변환되어 터빈에 동력을 공급하고 전기를 생산하는 증기를 생성하는 데 사용될 수 있습니다11. CSP 플랜트는 대량의 전기를 생산할 수 있으며 특히 일사량이 높은 지역에서 유용합니다. 또한, 이러한 플랜트는 대규모로 건설될 수 있습니다. 태양 에너지로부터 전기를 생산하기 위해서는 반사경이나 광학 장치를 통해 태양 광선을 작은 영역에 집중시키는 집중형 태양광 발전 기술이 사용됩니다. 이 과정에서 생성된 열은 발전기를 통과하여 전기를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 일부 기술은 광학이나 기타 시스템을 사용하기 때문에 모든 기술이 햇빛을 집중시키기 위해 거울에 의존하는 것은 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 또한 햇빛이 열로 변환되는 과정은 흡수라고 하는 물리적 과정을 통해 발생한다는 점도 주목해야 합니다12. ref13에 따르면, 미국의 캘리포니아와 애리조나와 같이 건조하고 더운 기후로 특징지어지는 지역은 집중형 태양열 발전을 활용하는 대규모 발전소의 개발에 도움이 됩니다. 이러한 형태의 재생 가능 에너지는 환경 친화적이고 유해한 오염 물질 배출이 적기 때문에 화석 연료와 같은 재생 불가능한 대체 에너지보다 선호됩니다. 결론적으로, 태양 에너지는 기존 에너지원보다 선호되는 깨끗하고 지속 가능한 옵션입니다.