태양 energy 이용의 개발을 위하여 각종의 energy collector를 시작(試作)하고 또 이에 필요한 자료를 위하여 지표면에 있어서의 복사 energy의 교환을 측정하였다.
지면으로 부터 도산하는 복사선은 특히 파괴성강상에 큰 영향을 미치는 파장이 1.8-15.5μ까지 사이의 적외선을 진공열전대에 Ge, InSb filter를 설치하여 주야간을 계속해서 측정하였다. 이 측정에서 복사선의 세기는 새로운 온도측도를 썼다. 청청(clear sky)에서는 지표면에서의 대기온도 보다 습도에 크게 의존하고 있으며 운천(cloudy sky)에서는 구름의 복사선 방출도에 비례한다. 입사복사선은 주간을 주로 Si-cell의 검지한 계내에서의 전파장영역과 Corning 2550 Black Glass band pass filter의 투과영역인 0.75-4.0μ사이의 좁은 근적외선을 대상으로 했다. 여기서 Si-cell의 output는 volt 혹은 mA로 표시했는데 이 cell에서 1volt는 약 2.542cal/㎠·min.에 해당한다. Filter없이 cell에 직달되는 복사선량은 청천에서 약 0.42-0.48V(1.066-1.219cal/㎠·min.) 혹은 30-65mA이고, 운천에서는 약 0.15-0.40V 를 얻었다. 한편 filter를 쓸 때는 청천에서 0.12-0.26V혹은 1.5-1.8mA였다. Si-cell에 의한 관측에서도 복사선은 대기중에 포함되어 있는 수증기의 양에 의존하고 있는 것을 알았다.
태양 energy의 collector는 직경 180cm., 초점거리 78cm, 구경비 2.3, concentration ratio 34, 600인 plastic제의 것과 초점거리 25cm., 구경비 3.7 concentration ratio 45,600 평면경 조립형의 두가지를 제작하였다.
Plastic collector는 반사면의 피막으로 aluminum을 coating 한 plastic Mylar를 이용하고 포물면의 조형제로서는 polyester resin 과 glass fiber를 사용하였다. 포물면은 모래를 쌓아 올린 것과 목편으로 만든 포물선 knife edge를 회전시키고 표면에 cement mortar를 덮어 만들었으며 표면을 vinyl로 매끈하게 하였다.
평면경조립형 collector는 넓이 4cm×4cm, 두께 2mm인 작은 평면경 528매를 조립하였으며, frame은 중량을 줄이기 위하여 aluminum과 강철선을 이용하였다. Collector의 성능은 초점부의 heat flux와 이 점에 둔 표적물체의 도달 온도를 측정하여 조사하였으며 heat flux 측정에는 water flow calorimeter와 water calorimeter를 이용하고, 온도측정에는 thermocouple을 사용하였다.
측정결과는 plastic collector에 있어서는 지면에 입사하는 태양 energy가 1.1cal/min·㎠ 일 때, collector가 받는 total energy 27,900 cal/min, calorimeter 밑면에 접속되는 energy 11,700cal/-min. 유수가 운바하는 energy 7,800cal이고 접속비율 42%를 얻었다. 이것은 Daniels들이 얻은 결과와 비교할 때 근사한 값이었음을 알았다. 온도측정의 결과는 일조량이 0.95cal/min·㎠일때 최고 525℃이었으며 이 온도는 PbTe, Bi_2Te_3등의 열전소자를 이용하는 발전에 적당함을 알았다. 또한 이 온도에 도달하는 시간은 10 분이었다.
평면경 조립형 collector에 있어서는 일조량 1.1cal/min·㎠일때 최고온도 357℃, 집광비율 33%를 얻었는데 이것은 평면경을 조립할 때 orientation이 완전하지 못한데 기인되는 것으로 생각된다.
대형조립형 태양로의 제작가능성을 조사하기 위하여 넓이 15cm×15cm, 두께 4mm인 유리판을 금강사로 연마하여 필요한 곡률을 얻고 이에 aluminum을 진공증착시켜 초점거리 120cm인 구면 반사경을 만들었다. Al피막의 반사률은 98%였고 초점에 생기는 태양상의 크기는 직경이 5cm였다. 이로서 연마작업의 속도를 높이는 장치를 고안한다면 대형 태양로의 제작도 가능함을 알았다. 증착한 aluminum피막을 보호하기 위하여 표면에 plastic피막을 입히기로 하였다. 피막은 polyvinyl acetate를 lacquer thinner에 1:5의 비율로 녹인 것에 증착판을 적시어서 가열하여 만들었으며 생긴 피막에 의한 광의 흡수를 조사한 결과 투과율 98% 이상을 얻었다.
Measurements of the outgoing radiation from the earth's surface to the zenith sky in the spectral region 1.8 to 15.5 microns which is presumedly responsible for the formation of destructive frost were made, by day and by night, at the ground level, employing a Ge and an InSb IR filters.
For a clear sky, a strong dependence of the net outgoing radiation which is expressed in ^oR the new temperature scale on the atmospheric humidity was found. On the contrary, for a cloudy sky ^oR is proportional to the emissivity of the clouds as if they were black bodies at the local temperature at their altitudes. Meanwhile, the solar energy directly from the sun through the atmosphere has been measured by chiefly a silicon solar cell. For the near IR spectral region of 0.75 to 4.0 microns, a Corning Black Glass IR band pass filter was used. The output produced by the Si-cell is expressed in volts or mA. In these measurements, 1 volt of emf is equivalent to approximately 2.54cal/㎠·min. For a clear sky, when the cell is directed toward the sun, about 0.42 to 0.48 volts (1.066 to 1.219cal/㎠·min.) for without filter and about 0.12 to 0.26 volts for with filter, were obtained, while the emf of the cell without filter was about 0.15 to 0.40 volts for a cloudy sky.
Attempts have been made to develope focusing collectors which can be constructed without highly skilled labor and without special manufactual facilities. High optical precision is unnecessary for producing temperatures in the neighborhood of 500℃, which is sufficient for thermoelectric converters. These temperatures can be achieved with reflectors made of aluminized sheet plastics supported on plastic shells made by hand.
A 180cm-parabolic reflector was made by revolving a parabolic knife edge around a central vertical tube. The central tube was surrounded with a pile of sand, which was shaped by rotating knife. Building plaster was then piled on top of the sand, and while setting it was shaped to a parabolic shape with the rotating knife edge. The paraboloidal plaster mold was then used to form the focusing reflector. Long sections of aluminized Mylar were laid over the mold and the outer edge of these sections were attached to a ring of aluminum tubing with adhesive tape and the ring was then forced down around the edge of the plaster mold. The fiber-glass matt and liquid plastic were then applied and allowed to set over night. Good focusing was obtained with this reflector.
The total radiation hitting the target was determined with a water-flow calorimeter, and the temperature of the target was measured with a thermocouple. The solar radiation on the collector side was measured with a collimated silicon photovotaic cell which has been calibrated against an Epply pyroheriometer. When the experiments were carried out, the incident radiation was about 1.1cal/㎠·min. Typical data of the measurements were as the following:
Radiation intercepted by the collector---27,900cal/min.
Radiation focused on to the target---11,700cal/min.
Heat removed in flowing water---7,800cal/min.
Percent of radiation focused on the target---42%.
A multiple-mirror type collector was made by mounting 528 pieces of small flat mirror on parabolic aluminum frames, and the temperature of the target placed at the focus was measured. The maximum temperature attained was 357℃ which was smaller than the expected value. This result may be ascribed to the poor orientation of each mirror in spite of its excellent reflectivity.
In order to check the possibility of construction of a large solar furnace several pieces of spherical mirror were made by grinding flat window glass with emery, and thin aluminum layer was coated on their surfaces in vacuum. Their reflectivity was over 98% and the sun image was 5cm in diameter.
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