태양열 난방을 이용한 태양열 정수 시스템

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그림 4: 태양열 물 소독 시스템

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태양열 제염 시스템은 태양열을 추가로 사용하는 태양열 처리 및 물 증류를 기반으로 하는 가정용 정수 시스템입니다. SODIS(Solar Water Disinfection System) 와 태양 증류 공정의 두 가지 정수 공정이 결합된 것입니다 . Aftim Acra 교수가 시작한 SODIS는 미생물학적으로 오염된 소량의 탁도가 낮은 물을 소독하는 데에만 이상적이기 때문에 태양열로 가열된 증류기를 시스템에 추가하여 심하게 오염된 물(해수, 물 등) 문제를 해결합니다. 탁도가 높고 중금속 또는 병원성 미생물 에 의해 오염된 물 ).

저탁도의 물을 구할 수 없는 경우 오염된 물을 태양열 증류기로 식수로 증류하여 염분, 침전물, 중금속, 미생물 등 비휘발성 고체 불순물을 제거합니다. ^{[1] 일부 우물이나 개울의 물은 눈에 띄게 깨끗할 수 있지만(탁도가 30 [2]} Nephelometric Turbidity Units 미만 ) 물에 여전히 병원성 미생물이 포함되어 있을 수 있으므로 마실 수 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해 오염된 물은 깨끗하고 투명한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 병에 담겨 햇빛의 강도에 따라 일정 시간 동안 햇빛에 노출되어 태양 복사가 비활성화됩니다.오염된 물에 있는 수인성 병원체 ^{[3] .} 태양열 소독은 세계보건기구 에서 권장하는 식수 소독에 효과적인 방법입니다 . ^[4] 태양열 정수 시스템은 태양 에너지만을 사용하고 재활용 재료를 사용하여 구축할 수 있으므로 시스템이 환경적으로 지속 가능합니다.

원칙

물 증류는 휘발성 의 차이에 따라 유체에서 고체 불순물을 걸러내는 물리적 공정입니다 . 주어진 온도와 압력에서 휘발성이 높은 물질(이 경우 물)은 휘발성이 낮은 물질(고체 불순물)보다 더 쉽게 증발합니다. 그런 다음 수증기는 수증기를 다시 액체 상태로 응축하는 냉각 영역으로 이동하여 염, 퇴적물, 병원성 미생물 및 중금속과 같은 모든 비휘발성 고체 불순물을 남깁니다. 그러나 증류수는 일부 휘발성 유기 화합물을 포함할 수 있기 때문에 식수로 적합하지 않을 수 있습니다 . ^[5] 증발 속도는 증기압, 유체 표면적 및 유체 온도에 비례합니다.

SODIS의 원리는 자외선 수처리를 기반으로 합니다 . 물 소독 과정에서 햇빛의 두 가지 구성 요소인 자외선 과 적외선을 사용합니다 . UV-A 방사선(파장 320-400nm)은 유기 세포의 DNA, 핵산 및 효소와 상호 작용하여 세포 분자 구조를 파괴하여 세포 사멸을 초래합니다. UV-A 방사선은 또한 물에 용해된 산소와 반응하여 살균 과정을 도울 수 있는 반응성이 높은 형태의 산소(산소 자유 라디칼 및 과산화수소 )를 생성합니다. 적외선은 장파 형태의 태양 방사선으로 느낄 수 있습니다. 유체 온도를 높이는 역할을 하기 때문에 열로 연구 결과 99.9%가 입증되었습니다. ^[6]물을 50~60°C로 1시간 동안 가열하면 물속의 미생물이 제거됩니다. 오염된 물을 효과적으로 소독하여 음용하기 위해서는 투명한 페트병을 사용하여 오염된 물을 햇빛에 6[ ^7] 시간 동안 노출시키는 것이 좋습니다. 수온이 50°C를 초과하는 경우 1시간 정도 노출되면 안전한 음용이 가능합니다. 날씨가 50% 이상 흐리면 오염된 물을 연속 2일 동안 노출시켜야 합니다. 유체 온도를 높이고 오염된 물을 알루미늄이나 파형 철판과 같은 추가 반사 표면에 노출시켜 처리 효율을 높일 수 있습니다.

설계

이 시스템은 태양 에너지 수집기, 태양 증류 시스템 및 태양열 살균 시스템의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 태양열 집열기는 태양 복사열을 모아 SODIS 및 태양 증류 공정을 위한 열 에너지로 변환하는 장치입니다. 태양열 증류 시스템은 끓는 온도에서 물을 증발시키지 않는다는 점을 제외하고는 기존의 물 증류 시스템과 유사합니다. 태양광 물살균 시스템은 탁도가 낮고 미생물에 오염된 물을 태양열을 이용하여 식수로 소독하는 시스템입니다. 프로세스는 그림 1에 요약되어 있습니다. 절연 또는 열 저항 배관 시스템은 세 시스템 모두를 연결하는 데 사용되며 배관 시스템은 열 손실을 최소화하기 위해 가능한 한 짧아야 합니다. 해상운송의 경우,폴리염화비닐(PVC) 배관은 내약품성이 충분하므로 권장합니다.

그림 1: 태양열 난방 회로도 레이아웃을 갖춘 태양열 정수 시스템

태양 에너지 수집기

이 아이디어는 Cansolair Inc. 에서 처음 개발했습니다., 알루미늄 캔을 사용하여 태양 에너지를 주택 난방 에너지로 변환합니다. 태양 에너지 수집기는 검은색으로 칠해진 알루미늄 캔 기둥, 기둥을 수용하는 프레임 및 열 수송을 위한 환기구로 구성됩니다. 모든 캔을 접착하여 수집 기둥을 형성하기 전에 알루미늄 캔의 상단과 하단을 제거해야 합니다. 햇빛 아래에 놓이면 기둥은 태양 복사를 흡수하고 열은 기둥 내부의 공기로 대류됩니다. 공기 밀도의 차이로 인해 따뜻한 공기는 기둥의 상단으로 올라가고 찬 공기는 하단에서 기둥으로 빨려 들어갑니다. 그런 다음 따뜻한 공기 흐름이 기둥 상단에 모입니다. 기둥은 방사선 흡수성을 높이기 위해 검은색으로 칠해져 있으며 기둥의 크기는 요구 사항에 따라 달라질 수 있습니다.

그림 2: 태양 에너지 수집기

태양열 증류 시스템

태양열 증류 시스템은 물을 담는 기화기, 증기를 모으고 응축하는 증기 응축기 및 증류수를 모으는 집수기로 구성됩니다. 증발 속도는 유체 표면적과 유체 온도에 비례합니다. 증류기의 성능을 높이려면 기화기를 최대한 크게 만들어야 합니다. 또한 기화기 바닥에는 태양 에너지 수집기에서 나오는 따뜻한 공기 흐름이 향하는 구불구불한 가스 채널이 있습니다. 물과 기류의 온도차로 인해 열이 기화기로 전달되어 수온이 상승하여 기화 과정이 빨라집니다. 열전도성 물질을 사용하는 등의 다른 방법,

그림 3: 태양열 증류 시스템

증발 속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. ^[8]

큐=η씨시간ㅏNN이자형엘⋅에스+η에스티나엘엘⋅ㅏ⋅G시간이자형ㅏ티영형에프Vㅏ피영형아르 자형나지ㅏ티나영형N{\displaystyle Q={\frac {\eta _{채널}\cdot S+\eta _{스틸}\cdot A\cdot G}{HeatOfVaporization}}\,}

어디

• 기화열은 물의 기화열 = 2.27 MJ/L ^[9]
• Q 는 증류수의 일일 생산량(리터/일)입니다.
• η에스티나엘엘{\displaystyle \eta _{여전히}}는 증류기의 효율성으로, 총 흡수된 태양 에너지에 대한 물에 전달된 에너지의 비율입니다. 단일 분지 태양열 증류기의 일반적인 효율은 60 ^[10] 퍼센트에 이릅니다.
• η씨시간ㅏNN이자형엘{\displaystyle \eta _{채널}}는 태양 에너지 수집기에서 수집된 에너지에 대한 물에 전달된 에너지의 일부로서 흐름 채널 매니폴드의 효율입니다.
• G 는 일일 글로벌 일사량( 태양 일사량 참조 )(MJ/m^2)입니다. 지구 표면의 일반적인 태양 일사량은 맑은 날 해수면에서 태양 광선에 수직인 표면의 경우 평방 미터당 약 1,000 ^{[11] [12] 와트입니다.} 하루 5시간의 햇빛을 받는다고 가정하면 일일 일사량은 약 18MJ/m^2입니다.
• A 는 정지된 표면적(태양광에 수직)입니다.
• S 는 태양 에너지 수집기에서 얻은 열 에너지입니다. 엔탈피(ΔH)를 사용하여 계산할 수 있습니다 .

δ시간= 시간에프 - 시간나=중˙⋅씨피⋅(티2-티1){\displaystyle \delta H=\ H_{f}\ -\ H_{i}={\dot {m}}\cdot C_{p}\cdot (T_{2}-T_{1})}

어디

• δ시간{\displaystyle \delta H}  엔탈피 변화이다.
• H _final은 MJ로 표현되는 시스템의 최종 엔탈피입니다.
• H _initial은 MJ로 표현되는 시스템의 초기 엔탈피입니다.
• 중˙{\displaystyle {\dot {m}}}공기 흐름의 질량 유량 (kg/s) 입니다 .
• C _p 는 공기의 비열 (MJ/kg/K) 입니다 .
• T ₂ 는 태양 에너지 수집기의 유출구 온도( Kelvin 단위) 입니다 .
• T ₁ 은 태양 에너지 수집기의 흐름 입구 온도(Kelvin 스케일)입니다.

다음과 같이 간단한 계산을 수행할 수 있습니다.

추정:

• 일일 햇빛 시간 = 5시간/일 = 5시간/일 x 3600초/시간 = 18,000초/일
• η에스티나엘엘{\displaystyle \eta _{여전히}}=η씨시간ㅏNN이자형엘{\displaystyle \eta _{채널}}= 60%
• 일일 글로벌 일사량(G) = 1.0kW
• Consolair.In의 모델 RA 240 SOLAR MAX를 기준으로 태양열 집열기(S)에서 얻은 태양 에너지 = 1.2kW

큐=60%⋅0.0012중승⋅18,000에스이자형씨/디ㅏ와이+60%⋅1중2⋅0.001중제이⋅18,000에스이자형씨/디ㅏ와이2.27=10.33엘/디ㅏ와이/중2{\displaystyle Q={\frac {60\%\cdot 0.0012MW\cdot 18,000초/일+60\%\cdot 1m^{2}\cdot 0.001MJ\cdot 18,000초/일}{2.27}}=10.33 L/일/m^{2}\,}

태양광 물 소독 시스템

태양열 물 소독 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 반사 표면을 사용하여 오염된 물을 향한 태양 복사를 강화할 수 있습니다. 시스템 성능을 향상시키는 또 다른 방법은 유체 온도를 높이는 것입니다. 연구에 따르면 수온이 50°C를 초과하면 안전한 식수를 얻기 위해 1시간 정도 노출되면 충분합니다. 이것은 태양 에너지가 제자리에 들어오는 때입니다. 태양 에너지 수집기에서 수집된 열 에너지의 일부는 생수를 가열하는 데 사용됩니다.

그림 4: 태양열 물 소독 시스템

시스템 구축

이 시스템을 구축하기 위해서는 다음과 같은 재료와 도구가 필요합니다.

재료

• 부품 본체용 열전도성 금속(예: 알루미늄, 구리 또는 아연) 시트
• 알루미늄 캔
• 투명 페트병(물병)
• 재목
• PVC 배관 시스템(부품은 시스템의 크기 및 레이아웃에 따라 다름)
• 못 또는 나사(크기는 목재 크기에 따라 다름)

도구

• 측정 테이프
• 금속 시트 절단기
• 손보고
• 실리콘 접착제
• 정확한 칼
• 전기 또는 핸드 드릴

더 많은 도구와 재료 및 판금 부품: https://www.tradeindia.com/Seller/Automobile/Sheet-Metal-Parts-Components/

태양열 집열기 공사

태양열 집열기의 시공은 알루미늄 캔을 준비하는 것부터 시작됩니다. 건설 과정은 다음과 같이 표시됩니다.

1

캔 하단의 이미지에 표시된 패턴을 자릅니다.

2

그림 6: 한 방향으로 패턴을 꼬는 데모.

그림 7: 캔 바닥의 완성된 패턴.

그림 8: 캔 바닥의 완성된 패턴(2).

컷아웃을 한 방향으로 비틀어 베인 세트를 형성합니다. 캔 바닥의 베인은 흐름에 소용돌이를 유도하는 데 사용되어 기둥을 통한 공기 흐름으로 열 대류 프로세스를 개선합니다.

삼

그림 9: 캔의 위아래 절단 시연

그림 10: 캔의 위아래 절단 시연(2)

캔의 윗부분을 잘라냅니다.

5

그림 11: 캔 기둥 시연

모든 캔을 기둥에 붙입니다. 기둥의 크기는 필요에 따라 다양할 수 있습니다. 다른 실리콘/라텍스 또는 순수 라텍스 접착제는 연기가 사라지는 데 오랜 시간이 걸리므로 실리콘 접착제를 사용하는 것이 좋습니다.

6

그림 12: 태양 에너지 수집기의 메인 프레임.

그림 13: 태양 에너지 수집기의 상단 프레임.

그림 14: 태양 에너지 수집기 어셈블리

그림 15: 태양 에너지 수집기 2D 도면(mm 단위)

모든 열을 보관하십시오. 프레임은 여러 개의 입구/출구를 가질 수 있으며 목재 또는 금속으로 만들 수 있습니다. 그림 15에 표시된 모델의 치수는 2인치 x 4인치 목재 및 355ml 알루미늄 팝 캔을 기반으로 합니다. 가능한 경우 밀봉된 투명 케이스를 디자인에 추가하여 날씨로부터 보호할 수 있습니다. 태양 에너지 수집기는 태양의 경로를 수용하기 위해 남쪽을 향하고 수평선 위로 22-70도 ^[13] 의 각도를 향해야 합니다 . 온도 이득은 240캔 시스템에서 주변 온도보다 약 섭씨 10-20 ^{[14] 도 높습니다.} 제조 공정에 대한 자세한 설명은 여기에서 확인할 수 있습니다 .

태양열 증류 시스템 구축

태양 증류 시스템은 기화기, 응축기, 집수기 및 채널 매니폴드의 4개 주요 부품으로 구성됩니다. 아래 표시된 디자인은 개념 데모용입니다. 금속 시트로 제작할 수 있으며 필요에 따라 크기를 조정할 수 있습니다. 시스템의 열전도율을 극대화하기 위해 알루미늄, 구리 또는 아연과 같은 열전도성 재료를 제조하는 것이 좋습니다.

기화기는 오염된 물을 포함하고 증발시키는 데 사용됩니다. 모든 물이 기화되면 오염된 물이 담긴 다른 탱크를 적재하기 전에 기화기의 잔여물을 제거해야 합니다.

그림 16: 태양열 증류 시스템용 기화기

응축기는 증기를 다시 액체 상태의 물로 응축하도록 설계되었습니다. 지붕의 경사를 설계할 때 주의를 기울여야 합니다. 지붕의 경사가 너무 작으면 응축수가 응축기 가장자리로 흘러내리지 못할 수 있습니다. 응축기는 2개의 반대쪽 벽에 나사로 고정된 4개의 스탠드로 지지되며 충분한 열 교환 능력을 위해 가능한 한 얇게 만들어야 합니다.

그림 17: 태양열 증류 시스템용 응축기

그림 18: 태양열 증류 시스템용 응축기(2)

그림 19: 태양열 증류 시스템용 응축기(mm 단위)

집수기는 응축기 가장자리에서 떨어지는 응축수를 모으는 데 사용됩니다. 이를 위해서는 그루브의 위치가 콘덴서의 가장자리 아래에 오도록 그루브의 치수를 조정해야 합니다. 워터 콜렉터는 기화기에 안착하고 콘덴서를 지지하도록 설계되었습니다. 워터 콜렉터를 고정하기 위해 기화기의 내부 치수에 맞는 돌출부가 워터 콜렉터 바닥에 추가됩니다.

그림 20: 태양열 증류 시스템의 집수기

그림 21: 태양열 증류 시스템의 집수기(하단 보기)

그림 22: 태양열 증류 시스템의 집수기(그림은 mm)

배수를 위해 그루브 베드에 접하는 워터 콜렉터의 벽에 컷아웃이 배치됩니다. 증류기는 가능하면 수평면에 놓아야 합니다. 그런 다음 증류수는 태양열 소독 과정을 위해 수집됩니다.

그림 23: 물 홈의 배수 설계.

흐름 채널 매니폴드는 흐름에서 기화기로 열을 전달하여 유체 온도를 높이고 기화 프로세스 속도를 높이도록 설계되었습니다. 채널 레이아웃은 흐름 속도에 따라 달라질 수 있습니다. 구불구불한 디자인은 직선 디자인에 비해 더 큰 교환 영역을 제공할 수 있습니다. 그러나 열 대류로 구동되는 공기 흐름은 손실로 인해 구불구불한 채널을 통해 흐르지 못할 수 있습니다. 저유속의 경우 직선 설계 레이아웃을 권장합니다.

그림 24: 태양열 증류 시스템의 흐름 채널 디자인.

태양열 증류 시스템은 다음과 같이 조립됩니다.

그림 25: 태양열 증류 시스템 어셈블리.

태양광 물살균 시스템 구축

태양 소독의 효과를 향상시키기 위해 거울이나 미세 마감 금속 표면과 같은 반사 표면을 사용하여 오염된 물에 방사선을 집중시킬 수 있습니다. 일부 방사선 반사 아이디어는 여기에서 찾을 수 있습니다 . 방사선을 반사하는 간단한 방법 중 하나는 알루미늄 팝 캔 본체를 사용하는 것입니다. 단계는 다음과 같습니다.

1

그림 26: 캔 몸체 절단 시연

원통형 튜브를 얻기 위해 알루미늄 팝 캔의 상단과 하단을 잘라냅니다.

2

그림 27: 팝 캔에서 알루미늄 시트를 얻는 시연

원통형 튜브를 잘라 알루미늄 시트를 얻습니다.

삼

그림 28: 알루미늄 캔 반사 표면을 PET 병에 맞추는 시연

PET 병의 크기에 따라 시트의 크기를 조정하십시오. 시트는 그림과 같이 병의 절반을 덮을 만큼 충분히 넓어야 합니다. 캔의 원래 모양으로 인해 알루미늄 시트가 페트병에 딱 맞습니다.

태양열 소독 시스템은 병 홀더(그림 28)와 열 분배기(그림 29)의 두 가지 구성 요소로 조립할 수 있습니다. 병 홀더는 반사 물질로 만들어진 경우 방사선을 반사하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그림 29: SODIS용 병 홀더

병 홀더 바닥과 열 분배기의 구멍은 태양 에너지 수집기에서 뜨거운 공기 흐름이 흐르도록 설계되어 유체 온도를 높입니다.

그림 30: SODIS용 열 분배기

태양열 소독 시스템은 열전도성 재료로 만드는 것이 좋으며 아래와 같이 조립할 수 있습니다.

그림 31: SODIS 트레이 도면

그림 32: 열 분배기 도면

그림 33: SODIS 어셈블리

제한 사항

수원

SODIS는 수질의 화학적 수질을 변화시킬 수 없고 태양열은 여전히 ​​휘발성 물질을 여과할 수 없기 때문에 수원은 처리 전에 물리적 및 화학적 수질(탁도, 산소 및 색상)과 미생물학적 수질(병원성 미생물)에 대해 테스트해야 합니다. 유기 화합물.

증류수에 미네랄 첨가

증류는 물보다 더 쉽게 휘발되고 증기와 함께 옮겨져 증류수에서 다시 응축되는 일부 휘발성 유기 화합물을 제외하고 물에서 거의 모든 것을 제거하는 능력이 있습니다.

다른 모든 것이 생략되기 때문에 미네랄 염은 증류수에 없습니다. 물이 인간이 소비하기에 적합하려면 최소 수준의 무기염이 필요합니다. 따라서 미네랄 소금은 마시기 전에 증류수에 첨가해야 하며, 화강암 블록을 물에 잠시 동안 그대로 두어 수행할 수 있습니다.

물을 마실 수 있게 만드는 데 필요한 미네랄 염의 농도에 대한 정확한 프로세스와 참고 자료가 필요합니다.

페트병

PET병은 PVC(PolyVinylChloride) 병보다 사용해야 합니다. 자외선 안정제는 플라스틱 병에 첨가되어 안정성을 높이거나 내용물의 산화를 방지합니다. PVC 대신 PET로 만든 병을 사용하는 것이 좋습니다. PET는 PVC로 만든 병보다 첨가물이 훨씬 적기 때문에 더 많은 자외선을 투과할 수 있기 때문입니다. 플라스틱 병은 사용하기 전에 세척해야 하며 오래되었거나 긁힌 병은 교체해야 합니다. PVC 병에서 PET 병을 식별하기 위해 PVC를 태우면 연기 냄새가 매운 반면 PET 냄새는 달콤합니다.

유리 병

실험 결과 2mm 두께의 일반 유리창은 산화철 함량으로 인해UV-A 빛이 거의 투과되지 않는 것으로 나타났습니다 ^{[15] . 즉, 유리(Pyrex, Corex, Vycor, Quartz 제외) 병은 SODIS에 사용할 수 없습니다.}

PET 병에 대한 건강 문제

암을 유발하는 PET 병의 물질에 대한 전 세계의 보고서는 내용물을 오염시킬 수 있습니다. WHO에 따르면 많은 연구 기관에서 이러한 보고서의 과학적 정확성을 테스트하고 자료에 대한 자체 분석을 수행했습니다. 다음 물질에 대한 연구가 이루어졌습니다: 안티몬 , 아디페이트 , 프탈레이트 , 아세트알데히드 및 ​​포름알데히드. 이러한 연구는 SODIS 방법을 PET 병에 올바르게 적용하면 인체 건강에 위험이 없음을 보여줍니다. 처리된 물은 병에 보관하고 병에서 직접 마시거나 마시기 직전에 컵이나 유리잔에 따라야 합니다. 이러한 방식으로 처리된 물이 다시 오염될 가능성을 제거할 수 있습니다.

병 크기

SODIS에 사용되는 용기는 수심 10cm를 넘지 않아야 합니다. 자외선은 수심이 깊어질수록 감소합니다. 10cm의 수심에서 UV-A 방사선은 50%로 감소합니다. ^[16] SODIS는 1~2L PET병 사용을 권장한다.

빗물

SODIS는 장기간 비가 오는 동안 만족스럽게 작동하지 않습니다. 요즘에는 빗물을 모으는 것이 좋습니다.

참조

위에 제시된 모든 그림, 그림 및 그림은 Jianlang Mai 의 원본 작품입니다 . 이 프로젝트에 대한 의견이 있으시면여기를 클릭하십시오 .