차세대 태양광 시스템 위한 나노 복합 상변화 물질 열성능

이 연구는 태양 에너지 수확 시스템의 효율을 높이기 위해 새로운 콜로이드 용액 기반의 복합 상변화 물질(PCM)을 개발하고 그 열성능을 분석했습니다. 기존 시스템의 열 변환 및 저장 한계를 극복하고자, 혁신적인 코어/쉘 구조를 가진 PCM 기반 복합 재료를 물에 분산시켜 열 변환 및 저장 기능을 동시에 수행하는 용액을 설계했습니다. 연구팀은 n-Hexadecane, n-Octadecane, n-Nonadecane 등 다양한 PCM과 Au, Cu, Ag, Al 등 쉘 물질의 종류, 캡슐 크기, PCM 질량 농도, 작동 온도 및 기하학적 매개변수가 시스템 성능에 미치는 영향을 비교 분석했습니다. 특히 플라즈몬 나노입자를 쉘 물질로 활용하여 태양광 흡수율을 극대화하고 열전달 효율을 높이는 데 중점을 두었습니다. 실험 결과, n-Nonadecane@Au, Cu, Ag, Al 기반 콜로이드 용액은 기존 나노유체 대비 열전달률을 각각 35.1%, 27.4%, 27.8%, 47.8% 향상시키는 것으로 나타났습니다. 그러나 PCM 캡슐 크기가 25nm에서 55nm로 증가하면 표면적 대비 부피 비율이 감소하여 캡슐 응집을 유발하고 열전달을 저해하여 온도 상승률이 감소했습니다. 또한, PCM 농도 및 입구 온도 증가는 복사 및 대류 손실을 증가시켜 전반적인 온도 상승률을 저하시켰습니다. 본 연구는 차세대 태양 에너지 수확 시스템의 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 나노 복합 상변화 물질의 설계 원리와 성능 최적화 방안을 제시합니다. 특히 플라즈몬 나노입자를 활용한 열전달 증진 기술은 미래 태양광 에너지 활용 기술 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.