방적된 탄소나노튜브 구조체를 이용한 태양열 증기발생

Abstract

In order to solve the scarcity of water, we propose solar steam generation research. This study consists of a process of absorbing solar energy in the form of light and evaporating the water by using heat energy obtained by photo - thermal conversion. A device that performs this series of processes is called a steam generation system, and if we add a condensation system to collect the evaporated water, then the two systems constitute one desalination system. This system is able to solve the water shortage by converting seawater, sewage and wastewater into potable water and water that we can use. Solar steam generation systems use efficient energy harvesting methods that use solar energy, which is an endless resource that is constantly being abandoned, as thermal energy through photothermal conversion. The advantage of using solar energy is that it is an environmentally friendly, non-powered, repeatable and sustainable system. From an economic standpoint, it is a low-cost, high-efficiency system with low installation costs and long-term drivability that can reduce the cost of water supply. In this study, a wick - based isolation system was chosen as the steam generation system. A wick-based isolation system is a system that supplies water to a steam generator using a water tube called a wick. It was selected because it minimizes the heat loss to the surrounding water and the steam generation efficiency is high. The system consists of a steam generator, a insulator, and a water tube. The steam generator is located at the top of the system and is a component in which photo-thermal conversion occurs. It absorbs solar energy in the form of light energy and converts it to thermal energy through photothermal conversion. Thermal energy is transferred to the water supplied through the water tube to generate steam. The insulator is positioned immediately below the steam generator to minimize the heat loss of the steam generator. The water tube is composed of a wick. The wick should have sufficient water supply capacity as the only component that supplies water to the steam generator. In conclusion, we succeeded in producing the most efficient steam generator. The heating layer of the steam generator having the highest performance has 20 sheets stacked in two axial directions with 90 degrees of spun carbon nanotubes, and the absorbent layer has a porous tape on the melamine foam. The sample rises to 40 degrees in 20 minutes and has a maximum steam output of 1.59. Therefore, this study is expected to have a great impact on the study of seawater desalination system to solve the water shortage. This study is focused on the steam generator, which is a component of the steam generation system in the seawater desalination system. Therefore, additional research is needed. Further research is needed using other types of steam generation systems, as well as studies on insulator and wicks. In addition, research on condensation system should be conducted to optimize seawater desalination system as a whole.

점차 심화되고 있는 물 부족 현상을 해결하기 위해서 태양열 증기 발생 연구를 제시하고자 한다. 본 연구는 빛 형태의 태양에너지를 흡수하고 이를 광열 변환하여 얻은 열에너지를 이용하여 물을 증발시키는 과정으로 이루어진다. 이러한 일련의 과정을 수행하는 장치를 증기 발생 시스템이라고 하며, 여기에 증발된 물을 수집하는 응축 시스템을 추가 한다면 두 시스템은 하나의 담수화 시스템을 구성한다. 이 시스템은 해수, 오수, 폐수 등을 우리가 사용할 수 있는 식수와 사용수로 변환하여 물 부족을 해결 할 수 있는 시스템이다. 태양열 증기 발생 시스템은 끊임없이 버려지고 있는 무한한 자원인 태양에너지를 광열변환을 통해 열에너지로 사용하는 효율적인 에너지 수확(Energy harvesting)방법을 이용한다. 태양에너지를 사용하기 때문에 친환경적이고 무동력이며 반복적이고 지속가능한 증기발생이 가능한 시스템이라는 장점이 있다. 경제적인 측면으로 보면, 설치비용은 적고 장기적으로 구동 가능한 저비용 고효율 시스템으로서 물 공급에 필요한 비용을 절감 한다. 본 연구에서는 증기 발생 시스템으로 심지 기반 고립 시스템을 선택하였다. 심지 기반 고립 시스템이란 심지라는 물관을 이용하여 증기발생부로 물을 공급하는 시스템이다. 주변 물로의 열 손실을 최소화시켜 증기 발생 효율이 높기 때문에 선택하였다. 시스템은 증기발생부, 열차단부, 물관으로 구성된다. 증기발생부는 시스템의 최상단에 위치하고 있으며 광열변환이 일어나는 구성요소이다. 빛 에너지 형태의 태양에너지를 흡수하여 광열변환을 통해 열에너지로 전환시킨다. 열에너지는 물관을 통해 공급된 물에 전달되어 증기를 발생시킨다. 열차단부는 증기발생부 바로 아래에 위치하여 증기발생부의 열 손실을 최소화 시키는 역할을 한다. 물관은 심지의 형태로 구성된다. 심지는 증기발생부로 물을 공급하는 유일한 구성요소인 만큼 충분한 물 공급능력을 가져야 한다. 결론적으로, 최고 효율의 증기발생부 제작에 성공하였다. 최고 성능을 가지는 증기발생부의 가열층은 방적된 탄소나노튜브가 90도를 이루는 두 개의 축 방향으로 20장 올려진 형태를 가지고, 흡수층은 멜라민폼 위에 포러스테입이 붙여진 형태를 가진다. 이 샘플은 20분 안에 40도 까지 온도가 올라가며, 1.59라는 최대 증기발생량을 가진다. 그렇기 때문에, 본 연구는 물 부족을 해결하기 위한 해수 담수화 시스템 기반 연구로서 큰 영향력을 가질 것으로 보인다. 이번 연구는 해수 담수화 시스템 안의 증기 발생 시스템의 구성요소인 증기발생부에 국한하여 집중적으로 진행한 연구이기 때문에 추가적인 연구가 필요한 상황이다. 증기 발생 시스템의 열차단부와 심지에 대한 연구뿐만 아니라, 다른 종류의 증기 발생 시스템을 이용한 추가연구가 필요하다. 또한, 응축 시스템에 대한 연구를 진행하여 해수 담수화 시스템 전체적으로 최적화하는 연구가 필요할 것이다.