축열조(TES, Thermal Energy Storage) 해석
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축열조(TES, Thermal Energy Storage) 해석
Thermal Energy Storage (TES) Analysis
◇ 연구배경
현대 사회에서 재생 가능한 에너지의 활용이 점점 더 중요해지면서 에너지 저장 기술의 발전이 필수적이다. 에너지를 효율적으로 저장하고 활용하는 것은 에너지 손실을 최소화하고 에너지 수요와 공급 사이의 불균형을 해결하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 기술 중 하나로 주목받는 것이 P2H(Power-to-Heat) 기술이며, 이는 잉여 재생 에너지를 열 에너지 형태로 변환하여 저장하는 방식이다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 장치는 축열조이며, 그 성능을 높이기 위해 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)을 적용한다. PCM은 상변화 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 많은 에너지를 저장할 수 있어 높은 에너지 밀도를 가지며, 공간 효율성이 중요한 시설에서 효과적으로 활용될 수 있다. 기존 연구에서는 PCM이 적용된 축열조가 기존의 물탱크보다 높은 에너지 저장 성능을 보이지만, 충전 시간이 증가하는 문제를 확인했다. 또한 PCM의 저장 성능을 최적화하기 위해 냉방용과 난방용 PCM의 적절한 비율이 중요하다는 연구 결과가 있었다. 그러나 잠열재의 크기가 축열조 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 냉방용과 난방용 PCM의 비율을 5:5로 설정한 축열조에서 잠열재의 크기에 따른 에너지 저장량을 비교하여 최적의 잠열재 크기를 제안하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 ANSYS Fluent를 활용한 시뮬레이션을 통해 잠열재의 크기에 따른 축열 및 축냉 성능을 분석하였다. 실험에 사용된 축열조는 실험용으로 제작된 것이며, 실제 현장에 설치되는 축열조와 비교하면 규모가 작다. 축열조의 지름은 1,150mm, 높이는 1,220mm이며, 내부에는 유체 분배기가 설치되어 있다. 연구에서는 세 가지 크기의 PCM을 비교하였으며, 기준이 되는 중간 크기의 PCM은 지름 130mm로 설정하고, 작은 크기는 65mm, 큰 크기는 195mm로 설정하였다. PCM은 구형 형태로 제작되었으며, 3mm 두께의 PE로 감싸져 있다. 각 크기의 PCM이 동일한 비율로 축열조 내부에 충전되었으며, 온도 조건과 열전달 특성을 고려하여 상단에는 난방용 PCM을, 하단에는 냉방용 PCM을 배치하였다. 축열 및 축냉 과정에서 PCM의 상변화 온도는 각각 47.3℃와 4.16℃로 설정되었으며, 축열과 축냉 시의 유체 유입 온도는 각각 55℃와 3.5℃로 설정되었다. 시뮬레이션에서는 유체의 흐름과 PCM의 상변화 과정을 분석하여 축열 및 축냉 성능을 평가하였다.
◇ 연구결과
시뮬레이션 결과, 잠열재의 크기에 따라 축열 및 축냉 성능에 차이가 발생하였다. 축열 과정에서 전체 에너지 저장량은 PCM 크기에 관계없이 유사한 값을 나타냈지만, 개별 PCM의 에너지 저장량은 크기가 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 작은 PCM의 경우 에너지 저장 속도는 빠르지만 전체 저장량이 제한적이었고, 큰 PCM의 경우 저장 속도가 느려지는 반면 개별 PCM의 저장량은 크게 증가하였다. 축냉 과정에서도 유사한 결과가 나타났으며, 작은 PCM이 빠르게 냉각되지만 에너지 저장 밀도가 낮고, 큰 PCM은 냉각 시간이 길지만 높은 에너지 저장량을 보였다. 따라서 PCM의 크기가 클수록 축열조의 총 에너지 저장 성능이 향상될 가능성이 있지만, 저장 속도를 고려하면 크기가 너무 클 경우 충전 및 방출 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 연구를 통해 잠열재의 크기가 축열 및 방열 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 작은 크기의 PCM은 빠른 응답성을 가지지만 에너지 저장량이 상대적으로 적으며, 큰 크기의 PCM은 높은 에너지 저장 밀도를 가지지만 응답 속도가 느려질 수 있다. 따라서 최적의 축열 성능을 위해서는 저장량과 응답 속도를 동시에 고려한 적절한 크기의 PCM을 선택하는 것이 중요하다. 향후 연구에서는 실제 환경에서의 실험을 통해 본 연구 결과를 검증하고, 다양한 PCM 조합 및 구조를 고려하여 최적화된 축열조 설계를 제안할 필요가 있다. 본 연구는 PCM을 활용한 축열 시스템의 성능을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.