데맥스 태양열 시스템에 사용되는 열전달 유체는 무엇인가요?

데맥스 태양열 시스템용 열전달 유체의 주요 옵션

물: 저온 및 가압식 데맥스 설치에 가장 적합

100도 섭씨 이하에서 작동하는 태양열 열응용 분야에서는 물이 여전히 가장 경제적이고 효율적인 열매체 중 하나입니다. 물은 비교적 높은 비열(약 4.18 kJ/kg·K)을 가지며, 펌프 동력 소비가 적다는 장점을 지니고 있습니다. 가압식 데맥스(Demax) 시스템을 이용해 냉각할 경우, 물은 끓지 않으며 안전하고 환경 친화적이기 때문에 이상적인 열매체입니다. 그러나 물은 0도 섭씨에서 어는 특성이 있어, 이러한 시스템은 서리가 내리지 않는 지역에서만 운영이 가능합니다. 겨울 기상 조건으로 인해 시스템이 동결될 위험이 있는 경우에는 기술자가 손상을 방지하기 위해 물을 완전히 배수해야 합니다. 대륙성 지중해 지역 주택의 실적 자료에 따르면, 2023년 유럽 태양열 산업 연맹(ESTIF, European Solar Thermal Industry Federation)은 물 기반 시스템이 계절별 효율 약 60%를 달성했음을 입증했습니다.

안전성 및 동결 방지에 초점을 둔 솔루션

동결 방지 측면에서 프로필렌 글리콜과 물의 혼합물은 매우 유망한 성능을 보입니다. 이 혼합물은 영하 30도 섭씨까지도 정상적으로 작동하며, 에틸렌 글리콜을 사용하는 다른 동결 방지제에 비해 위험성이 낮고 누출 시 유해할 가능성이 적습니다. 또한, 스테인리스강 및 특정 기타 플라스틱을 사용하여 시스템을 적절한 가이드에 따라 제작할 경우, 이러한 혼합물은 부식을 효과적으로 억제합니다. 다만, 프로필렌 글리콜/물 혼합물은 20도 섭씨에서 물보다 점도가 30~50% 높기 때문에 펌프의 부하가 크게 증가합니다. 그러나 이 혼합물은 저온 환경에서 뛰어난 성능을 발휘하므로, 북미 및 북유럽 대부분 지역에서 주로 사용되는 열전달 유체입니다. 최근 제조사들은 유체의 분해 속도를 줄이기 위해 특허 출원된 특정 화학 첨가제를 유체에 추가함으로써 성능 개선을 달성하기도 했습니다. 이 유체는 업계에서 규정한 표준에 따라 폐루프 Demax 시스템에서 시험 평가되었으며, 수명은 약 5~7년으로 추정됩니다.

열 안정성 실리콘 유체 및 공기: 압력이 없는 고온 환경에서의 태양열 집광 응용 분야를 위한 특수 용도

열전달용 실리콘 유체는 200~400°C의 고온에서 작동하는 비가압 개방 루프 집광 태양열 시스템 내에서 장기간에 걸쳐 지속적으로 작동할 수 있는 유일한 유체이다. 실리콘 유체는 또한 집광 태양열 시스템의 고온 영역에서 사용하기에 충분한 열전달 능력을 갖추고 있다. 그러나 열전달 유체는 공기가 작동 유체로 사용되는 시스템에서는 사용되지 않는다. 공기는 개방 루프 시스템과 결합될 때 비가압 태양열 시스템에서 운영 신뢰성과 정비 용이성을 제공한다. 이러한 특수 유체들의 조합은 최적화되더라도 전 세계 태양열 시스템 설치 총량의 15퍼센트 미만에 불과하다.

해당 수치는 국제에너지기구(IEA)의 2024년 SolarPACES 이니셔티브에서 발표한 최신 시장 분석 자료에서 나온 것입니다.

태양열 열전달 유체 선정 핵심 기준

열 안정성 및 열분해 저항성

태양열 응용 분야에서 열전달 유체(HTF)는 장기간에 걸쳐 화학적으로 안정해야 하며, 일부 경우 수년간 약 200도 섭씨 근처에서 지속적으로 작동해야 한다. 유체가 화학적으로 불안정할 경우 전체 시스템에 부정적인 영향을 미치는데, 이는 열성능 저하를 포함한다. 기록된 사례 중 일부에서는 유체의 열성능이 5년 동안 22% 감소하기도 했다. 이는 일반적으로 유체의 산화로 인한 점도 증가 및 그 결과로 발생하는 슬러지 형성 때문이며, 이러한 조건은 유지보수 빈도 증가와 열교환기 성능 저하를 초래한다. 비록 산화 방지제가 위에서 언급한 일부 문제를 완화할 수는 있으나, 시간 경과에 따른 유체와 시스템 재료 간의 상용성에 대한 보다 집중적인 검토가 필요하다. 구리 및 알루미늄과 같은 시스템 재료는 물론 일부 밸브 실링재에 사용되는 고무까지도 시간이 지남에 따라 유체와 다양한 화학 반응을 일으킬 수 있다. 특히 가압식 데맥스(Demax) 시스템의 경우, 안정적인 유체를 사용할 때의 부식 속도가 불안정한 유체를 사용할 때보다 약 30% 높다고 추정된다.

이러한 마모 및 손상은 단순히 장비의 수명을 단축시키는 것에 그치지 않으며, 장기적으로 유지보수 예산을 상당히 증가시킵니다.

북미 및 유럽 태양열 시장에서 기후 구역에 따른 열매체 선택

설치 지역의 기후 극단 조건을 고려하여 열매체 선택을 엄격히 준수해야 합니다.

1. 북유럽 및 중부 유럽: –30°C까지 동결 방어가 필요합니다. 이를 위해 프로필렌 글리콜과 물을 50:50 비율로 혼합한 용액이 한랭 기후용 Demax 설치에 대한 사실상의 표준으로 자리 잡고 있으며, 이는 물의 열전달 효율을 85% 이상 유지합니다.

2. 지중해 지역 및 미국 남서부: 정체 온도가 정기적으로 300°C를 초과함. 따라서 정체 온도는 고온 안정성과 낮은 증기압을 동시에 요구함. 이 점에서 실리콘계 유체는 글리콜계 유체보다 우수한데, 최대 작동 온도에서 실리콘계 유체의 증기압이 글리콜계 유체보다 40% 낮아 압력 방출 장치의 작동 빈도를 줄이고, 결과적으로 유체 손실을 감소시킴.

3. 혼합 기후의 예시로서 미국 북동부: 이 지역에서는 이중 보호 설계가 필요함. 최신 세대의 탄화수소계 폼(foam)은 –25°C 이하에서도 펌프 작동이 가능하며, 최고 290°C까지 열적 분해에 견딜 수 있음. 이를 통해 효율성을 훼손하지 않으면서 연간 운영 안전성을 확보할 수 있음.

그러나 이들의 사용은 점도를 12–15% 증가시켜 펌프 작동 부하를 높이고, 더 큰 펌프 실린더 지름을 필요로 하게 하지만, 추가적인 안전 제약 조건을 수반함에도 불구하고 열적으로 더 안정적인 액체를 사용하려는 경향이 뚜렷해지고 있다.

태양열 응용 분야에서 효율성, 안전성 및 시스템 호환성 측면의 성능 비교

태양열 수득량과 관련된 유동 특성에 대한 비열, 점도 및 펌핑 에너지 고려 사항을 반영한 열물리적 상호보상 관계

각 유체의 전반적인 열 성능은 유체의 세 가지 물리화학적 특성과 관련하여 분석되었다: 유체의 열 에너지 저장 용량(비열), 유체의 점도(점성), 그리고 유체의 열 분해(열 안정성). 물은 탁월한 열 에너지 흡수체이다(비열은 약 4.18 kJ/kg·K). 그러나 이 시스템에서 물을 사용할 경우, 온도가 어는점 이하로 떨어질 수 있기 때문에 문제가 발생한다. 이러한 경우에는 글리콜 혼합물을 사용해야 하며, 이 유체들은 물보다 점성이 30~50% 더 크다. 이로 인해 추가적인 점성 저항이 발생하므로, 펌프가 더 많은 일을 해야 하게 되고, 대규모 산업용 시스템에서는 일반적으로 에너지 소비가 15~30% 증가하게 되어 수집되는 순 태양열 에너지가 감소한다. 실리콘 유체는 가열 시 점성이 크게 증가하지는 않으나, 그 비열은 1.5~1.8 kJ 범위로 제한된다. 따라서 실리콘 유체를 사용하는 운영자는 물을 사용할 때보다 두 배 이상의 유체 유량을 확보해야 한다. 이러한 유체 관리는 더 큰 규격의 펌프 도입을 필요로 하며, 전기 요금 관련 비용과 유지보수 부담도 증가시킨다.

볼록한 트로프형 태양광 발전소에서 실세계 테스트를 통해, 부적합한 열매체와 펌프를 사용할 경우 시간이 지남에 따라 열 출력이 12~18퍼센트 감소한다는 사실이 확인되었습니다. 특히, 품질이 낮은 열매체는 더 빠르게 열분해되며, 단 5년 만에 점도가 50~80퍼센트 증가할 수 있어 유량에 영향을 미칩니다. 따라서 엔지니어는 새로운 열매체를 시스템 내 접촉하게 될 모든 구성 요소—팽창 탱크, 밸브, 특히 브레이즈드 플레이트 열교환기까지—와 함께 종합적으로 평가해야 합니다.

자주 묻는 질문

데맥스(Demax) 시스템에서 열전달 유체로 물을 사용하는 주요 이점은 무엇인가요?

물은 다른 유체보다 비열 용량이 높아 열을 이동시키는 데 더 효율적입니다. 서리가 발생하지 않는 지역에서는 저온 응용에 적합하며, 펌핑 에너지 손실 또한 낮아 매우 선호되는 열전달 유체입니다.

한랭 기후에서 프로필렌 글리콜/물 혼합물을 사용하는 장점은 무엇인가요?

이 혼합물은 물보다 점성이 높으며, 에틸렌 글리콜 기반 제품보다 안전합니다. 특히 북미 및 북유럽과 같은 한랭 지역에서는 저온 저항성과 점도 증가 특성 덕분에 선호되는 옵션입니다.

고온 응용 분야에서 실리콘 유체를 사용할 수 있게 하는 특성은 무엇입니까?

실리콘 유체는 뛰어난 열 안정성을 지니고 있어 집광형 태양열 시스템과 같은 고온 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 또한 실리콘 유체는 증기압이 낮아 최고 온도에서 압력 방출 장치가 작동할 가능성을 최소화합니다.

열전달 유체를 선택할 때 지역의 기후 조건을 고려한 선정 기준은 어떤 영향을 미칩니까?

시스템의 신뢰성과 효율성을 극대화하기 위해, 한랭 지역에서는 열전달 유체의 동결 방지 기능을 활용해야 하며, 고온 지역에서는 열 안정성이 뛰어난 유체를 사용해야 합니다.