태양열 집광시스템과 반응기 및 배관을 이용한 메탄 분해반응 시스템을 연구하였다. 태양열 집광시스템은 광학계산을 통해, 반응기는 열유동 해석 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 대용량 회전형 반응기에서의 메탄 전환율을 계산하고, 열손실을 줄이는 캐비티 형태를 제안하였다. 또한, 반응기의 내구성 향상을 위해 최고 열유속을 낮추고 가열 면적을 확대하기 위해 반응기 위치를 조정하였다.
<p>본 논문에서는 촉매를 이용하는 간접가열 방식의 메탄분해 태양열 반응기 개발을 목표로 광학 특성 및 열전달, 화학 반응을 각각 시뮬레이션 하였다. 이를 통하여 대용량이 가능한 회전형 반응기에서의 메탄 전환율을 계산하였으며 간접가열식에 따른 열손실을 줄이기 위한 방안을 찾기 위하여 Full-cavity, Semi-cavity의 \(2 \)가지 캐비티를 적용하였다.</p> <h1>2. 메탄 분해반응 시스템</h1> <p>태양열을 이용한 메탄 분해반응 시스템은 태양에너지를 공급하는 태양열 집광시스템과 여기서 열에너지를 공급받아 메탄을 분해하는 반응기 및 메탄을 공급하는 배관으로 구성되어 있다. 본 연구는 메탄 분해반응의 해석적 연구로서 태양열 집광시스템은 광학계산으로 수행하였고 반응기는 열유동 해석 소프트웨어를 사용하였다.</p> <h2>2.1 태양열 집광시스템</h2> <p>광학해석 대상인 태양열 집광시스템은 Fig. \(1 \)과 같이 한국에너지기술연구원에 설치되어 있는 \( 40 \mathrm { ~kW } \) th 급 태양로의 사양을 적용하였다. \( { } ^ { [20] } \) 태양로는 크게 헬리오스타트, 포물반사경, 블라인드로 구성된다. 태양을 추적하는 헬리오스타트를 통해 태양광이 포물반사경으로 전달되고 최종적으로 초점부에 위치한 반응기에 집광되어 고온의 열이 발생한다. 블라인드는 헬리오스타트와 포물반사경 사이에 위치하여 개폐율 조절을 통해 집광되는 태양광의 양을 조절한다. 본 해석에서는 헬리오스타트로부터 반사된 태양광이 포물반사경의 모든 면을 비추고 블라인드를 완전히 개방한다고 가정하여 포물반사경만을 시뮬레이션에 적용하였다. 대신 헬리오스타트의 반사율과 블라인드 두께로 인한 반사면적 손실을 고려하여 광학효율을 산정하였다. 즉, 분광측색계로 측정한 헬리오스타트와 포물반사경의 반사율은 각각 \( 84 \%, 94 \% \) 이며 블라인드에 의한 유효면적 비율은 \(85% \)로서 계산시 \( 67 \% \) 의 총괄 광학효율을 포물반사경에 적용하였다.</p> <p>포물반사경은 Fig. \(2 \) 와 같이 외경은 \( 9.0 \mathrm { ~m } \), 내경은 \( 1.5 \)</p> <p>\( \mathrm { m } \) 로 태양광 반사에 사용되는 순수 거울면적은 \( 55.38 \mathrm { ~m } ^ { 2 } \) 이며 초점거리는 \( 4.98 \mathrm { ~m } \) 이다. 반응기를 집광 초점에 위치할 경우 가열 면적이 좁고 최고 열유속이 높음으로 인해 열적 피로도가 높아 반응기의 내구성이 낮아짐으로 이를 개선하고자 최고 열유속을 낮추고 가열 면적을 확대하기 위하여 반응기를 초점위치에서 \( 100 \mathrm { ~mm } \) 뒤에 위치하였다. 실제 태양로에 설치한 반응기는 Fig. \(3 \)과 같으며 Semi-cavity 방식이다.</p>