이중효용 흡수냉동기의 고효율화 방안과 당사(한국 캐리어)에서 개발한 흡수식 냉동기를 소개 하고자 한다. 흡수냉동기는 1777년 영국의 NAIRNE에 의해 흡수냉동기 이론을 발표한 이후 1945년 미국 CARRIER사가 냉매로서 물, 흡수제로서 리튬브로마이드(LiBr)를 이용한 일중 효용 흡수냉동기가 세계 최초로 상용화되면서 공조용 및 산업용 냉방기기로서 보급되기 시작하였다. 이러한 흡수식 기술은 일본에서 이중효용 흡수냉동기 및 냉온수기를 개발하면서 공조용 및 산업용 냉. 난방기기로서 널리 보급되기 시작하였으며, 최근에는 고 효율 이중효용 흡수냉동기 및 냉온수기(COP 1.2-l.3)를 개발하여 제작. 판매하고 있으며 또한 삼중효용 흡수냉온수기(COP 1.6)를 개발하고 있다. 그리고 세계 흡수냉동기 시장은 일본 및 중국을 중심으로 고 효율 흡수냉동기 시장으로 재편되고 있다. 그러나, 우리나라에는 아직 일본기술에 의존한 표준 COP 이중효용 흡수냉동기 및 냉온수기(COP 1.01)를 제작 판매하고 있는 실정이다. 따라서 본 고에서는 이중효용 흡수냉동기의 고효율화 방안과 당사(한국 캐리어)에서 개발한 흡수식 냉동기를 소개하고자 한다.
본 연구에서 원추형 태양열 집광기의 흡수관 표면의 흑색 도색 여부에 따른 효율분석을 수행하였다. 원추형 집광기 시스템은 열 손실 최소화 및 집광비가 우수한 $45^{\circ}$의 원추각을 갖는 원추형 집광기를 설계 및 제작하였다. 원추형 태양열 집광시스템은 열매체 축열을 위한 온도센서가 내장된 축열조와 태양에너지를 집열시키는 원추형 집광기, 유량측정을 위한 유량계, 열매체의 강제순환을 위한 펌프로 구성되어있다. 또한 지속적인 태양추적을 위해 2축 태양 추적 장치를 설치하였다. 흡수관은 원추형 집광기의 중심부에 설비되었으며, 열매체의 순환을 위해 이중 열교환기 구조로 제작되었다. 흡수관의 길이는 열 손실을 최소화하기 위하여 집광기의 높이와 동일하게 설계하였다. 원추형 집광시스템의 작동유체인 물은 펌프에 의해 흡수관과 축열조를 강제순환 하게되고, 용량이 70L인 축열조에 흡수관으로부터 흡수된 태양 복사열이 저장된다. 원추형 집광시스템의 성능실험은 청명한 날 유량 2L/min, 4L/min, 6L/min에 대해 수행되었으며, 집열효율을 계산하여 비교 및 분석하였다. 흑색으로 도색된 흡수기를 부착한 원추형 집광시스템의 집열효율은 82.25%로 나타났으며, 무 도색 흡수관을 갖는 원추형 집광시스템은 73.26%의 집열효율을 나타내었다. 따라서 본 연구를 통해 흡수관 표면의 흑색 도색이 원추형 집광시스템의 집열효율에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 실험실 규모의 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서의 출력값으로부터 흡수제의 실시간 흡수효율을 평가하기 위한 연구를 진행하였다. 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서는 센서표면에서의 가스 흡 탈착반응으로 발생되는 전기적인 변화를 출력신호로 나타내는 측정장치이며, 스크러버의 흡수제와 암모니아 가스와의 반응시간(3시간, 6시간 및 12시간)에 따른 암모니아 가스의 흡수량을 산출하였다. 또한 가스센서의 출력값으로부터 산출된 암모니아 흡수량을 기존의 암모니아 분석방법인 인도페놀법에 의한 흡수량 산정방법과 비교해 보았으며, 약 20%의 차이를 보이긴 하나 0.99 이상의 높은 상관성을 보이고 있음을 확인하였다. 또한, 반응시간에 따른 pH와 흡수량과의 높은 상관성을 확인할 수 있었으며, 흡수제에 대한 암모니아 흡수량을 실시간으로 파악함으로써 흡수제의 파과시간을 예측할 수 있었다. 향후 다양한 연구를 통하여 악취배출시설의 스크러버에 이와 같은 가스센서를 적용하여 흡수제의 흡수 효율을 실시간으로 평가하여 교체주기 및 효율 등을 실시간으로 평가할 수 있는 시스템으로 발전이 가능함을 확인하였다.
파력발전시스템의 에너지 흡수 효율은 입사파의 파력과 발전기 구동 동력의 비로 정의된다. 흡수 효율은 파력발전시스템의 동적 거동에 의존하기 때문에 파력발전시스템의 에너지 흡수 효율을 예측하기 위해서 파력발전시스템의 동적 해석이 요구된다. 본 논문에서는 에너지 흡수 효율을 예측하기 위하여 파력발전시스템의 동적 해석을 수행하였다. 파력발전시스템의 동적 해석을 위해서 상용 다물체동역학 해석 프로그램인 RecurDyn을 사용하였고, 부유체에 작용하는 파력을 모델링하기 위해서 Morison equation을 적용하였다. 효율분석 결과 파고가 낮고, 주기가 짧을수록 흡수효율이 높아지는 경향을 보인다.
현재 친환경 에너지에 대한 관심의 증대로 인하여 박막 태양전지 연구에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히 InGaN 기반의 박막태양전지는 태양 스펙트럼 전체를 흡수 할 수 있는 넓은 흡수 대역, 비교적 높은 흡수 계수 ($>{\sim}10^5cm^{-1}$) 및 전자의 이동도 등으로 인하여 연구가 활발히 진행되고 있다. InGaN 박막 태양전지의 경우 ITO 층을 전류확산 층으로 많이 사용되는데, 일반적으로 평평한 박막의 형태를 갖는다. 이 평면 ITO 층에 dot을 형성하게 되면 상대적인 굴절률의 차이를 감소시켜 반사되는 빛의 양을 감소시킬 수 있어 태양전지가 흡수할 수 있는 빛의 양을 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 장파장대의 빛의 경우 투과도가 높아 태양전지의 흡수 층을 투과할 가능성을 인하여 효율이 저하될 수 있다. 따라서 반사판을 사용하게 되면 빛의 광학적 경로를 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있다. 알루미늄의 경우 InGaN 태양전지의 흡수대역에서 반사도가 90% 이상으로 알려져 있어 반사판으로 사용되기에 적절하여 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 FDTD 툴을 이용하여 ITO dot과 알루미늄 반사판을 이용하여 효율이 향상된 InGaN 박막태양전지의 시뮬레이션을 수행하였다. ITO dot이 존재하는 전류 확산층과 알루미늄 반사판의 투과도 및 반사율을 먼저 계산한 후 태양전지 구조에 적용하여 전류-전압 특성, 외부 양자효율 특성을 예측하였다. Fig. 1은 시뮬레이션된 InGaN 박막태양전지의 구조이다.
실리콘 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 밴드갭이 다른 흡수층을 적용한 tandem형 적층 태양전지를 이용하고 있다. 일반적으로 1.7eV이상의 밴드갭이 큰 비정질 실리콘을 이용하여 단파장의 빛을 흡수하고, 상대적으로 낮은 1.1eV 정도의 밴드갭을 갖는 미세결정 실리콘 층으로 장파장을 흡수하게 된다. 이렇게 연결된 tandem형 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 각 태양전지에서 발생하는 전류 밀도를 일치시키는 것이 필요하다. 이를 위해 비정질 실리콘의 두께가 증가되는 경우가 있는데 이러한 경우 비정질 실리콘의 광열화 특성(Lihgt-induced degradation)으로 안정화 효율이 감소하게 된다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상 시켜 두께를 최소화하는 것이 매우 중요하다. Tandem형 태양전지에서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상시키기 위해 두 개의 전지사이에 광 반사층을 적용하여 태양전지를 제조하게 된다. 이러한 경우 비정질 실리콘의 전류 밀도는 증가하지만, 광 반사 층의 장파장 흡수로 인하여 하부 태양전지의 전류 밀도 감소가 더 커지게 되어 전체 발생 전류 밀도는 오히려 감소하게 된다. 본 논문에서는 비정질 실리콘의 밴드갭을 제어하여 광 흡수 파장 영역 확대로 전류 밀도를 향상시키는 연구를 진행하였다. PECVD의 RF power 조건을 제어하여 1.75eV에서 1.67eV까지 밴드갭을 변화시켰다. 이와 같은 조건의 박막을 광 흡수층으로 갖는 p-i-n 구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. i층의 밴드갭이 감소됨에 따라 장파장 영역의 흡수가 확대되어 전류 밀도가 증가 하였지만, Voc의 감소가 컸다. 이는 i층의 밴드갭이 좁아짐에 따라 p층과의 불연속성이 커졌기 때문이다. 이러한 악영향을 줄이기 위해 p층과 i층 사이에 buffer층을 삽입하여 태양전지를 제작하였다. 이와 같은 최적의 buffer층 삽입을 통하여 불연속성을 줄임으로써 Voc의 상승효과를 확인하였다. 본 연구의 결과로 좁은 밴드갭을 갖는 광 흡수 층을 적용하여 전류 밀도를 향상시키고, 최적화된 buffer층 삽입으로 Voc를 향상시킴으로써 고효율의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 이를 tandem형 태양전지에 적용할 경우 초기 효율뿐만 아니라 얇은 두께에서 제조할 수 있기 때문에 광열화 특성이 향상되어 안정화 효율의 증가를 가져올 수 있다.
질소(窒素)의 정조생산효율을 높이는 방법(方法)을 찾고자 정조수량(精租收量)(Y) 질소효율(E) 및 질소흡수량(窒素吸收量)(N)간(間)의 상호관계(相互關係)를 우리나라와 일본자료(日本資料)에 의(依)하여 찾아보았다. E와 N간(間)의 관계는 수개(數個) 계층(階層)으로 구분(區分)할 수 있었으며 각계층내(各階層內)에서 Y=EN=(b-aN)N 관계(關係)가 성립(成立)되었으며 여기서 b는 E의 이론적최대치(理論的最大値)였고 a는 이론적(理論的) 최대수량(最大收量)에서의 E/N치(値)였다. 수도고수량(水稻高收量) 연구(硏究)에 있어 현재(現在)의 기술(技術)은 효율 56.8에 이르렀으며 이때 질소흡수량(窒素吸收量)은 15.5kg이었다. 장래(將來)의 목표(目標)는 질소(窒素) 흡수량(吸收量) 17kg에서 효율 63에 이르는 것으로 나타났다. 일본독농가(日本篤農家)에서는 이 수준(水準)에 이미 도달(倒達)했을 가능성이 있다. 질소효율(窒素效率)의 증가(增加)없이는 고수량(高收量)을 달성(達成)할 수 있는 질소흡수(窒素吸收)가 증가(增加)되지 않는 것으로 보였다. 토양질소(土壤窒素)의 효율(效率)과 흡수량(吸收量)의 증대(增大)가 전체질소(全體窒素)의 효율증대에 필수요건(必須要件)으로 나타났다.
흡수식 2중 효용 냉온수기의 개발 현황을 소개하고자 하며, 흡수식 관련 연구개발이 보다 활성화되는 방향을 제시하고자 한다. 하절기 및 동절기의 중대형 빌딩의 냉난방 부하 대응에 흡수식 냉온수기가 차지하고 있는 비율이 높음으로 흡수식 냉온수기의 고효율화가 경제 및 산업적으로 건물 에너지 절감 및 국가 전체 가스 에너지 절약에 미치는 파급 효과는 매우 크다. 흡수식냉동기는 근본적으로 오존파괴의 문제가 없는 냉매를 사용하고 있고, 고급연료인 LNG를 주로 사용하고 있기 때문에, 지구온난화 유발물질인 $CO_2$ 배출량이 다른 연료에 비해 작다. 아울러 극소량의 공해물질(Nox, Sox)을 방출하며 공해문제를 별로 발생시키지 않기 때문에 흡수식냉동기의 연구개발을 거의 하지 않은 서방 선진국에서도 환경친화적인 흡수식 제품에 대한 관심이 최근에 급증하고 있다.(중략)
근해에 설치되는 3차원 착저식 OWC 파력발전 챔버 구조물의 파 에너지 흡수효율과 구조물에 작용하는 1차 및 시간 평균 2차 파랑하중의 해석기법을 보였다. 쌍동형 OWC챔버 내부의 변동압력을 각 챔버의 내부 자유표면 경계조건에 도입하였으며 챔버 내부는 Rankine, 외부는 유한수심 3차원 자유표면 Green함수에 연계된 하이브리드 적분방정식을 사용하여 포텐셜 유동을 해석하였다. 수치실험 결과로서 3차원 착저식 OWC 파일럿 플랜트의 파력발전 1차변환 효율과 구조물에 작용하는 반복 및 지속적인 파랑하중을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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