KR100272212B1 - 중앙 태양열 수열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집결된 입사 태양열의 복사선의 진입을 허용하는 윈도우를 갖는 하우징, 상호 이격되어 있고 자유 단부들이 상기 윈도우와 마주보게 기부 본체의 한면에서 돌출된 흡열기 부재들의 어레이를 유지하는 상기 기부 본체를 포함하는 하우징 내의 3차원 태양열 흡열기, 이 흡열기 부재를 교차하는 흐름 방향으로 일 유체를 3차원 태양열 흡열기내로 주입하는 수단 및 가열된 일 유체의 제거 수단을 포함하는 중앙 태양열 수열기를 제공한다. 중앙 태양열 수열기의 윈도우는 하우징과 동축 선상에 있는 관형의 절두 원추형 본체이므로, 높은 입력시에 이 수열기는 동작할 수 있다.

Description

중앙 태양열 수열기

제1도는 본 발명에 따른 중앙 태양열 흡열기의 축단면도.

제2도는 제1도의 선 II-II에 따라 절취한 중앙 태양열 흡열기의 단면도.

제3도는 제1도의 선 III-III에 따라 절취한 중앙 태양열 흡열기의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속 하우징 2 : 전방 단부 벽

3 : 후방 단부 벽 4 : 절연층

5 : 중앙 원형 홀 6 : 윈도우

12 : 블럭 22,24 : 접속기

30 : 흡열기 32 : 흡열기 부재

33 : 주입기 38′,38″ : 파이프

본 발명은 3차원 태양열 흡열기를 가진 중앙 태양열 수열기에 관한 것이다.

중앙 태양열 수열기는 통상 약 700°-1300℃인 고온의 집결된 햇빛을 받아들여 이 열을 내부에 있는 태양열 흡열기로부터 일 유체(working fluid)에 전달한다. 일 유체는 열 운반 유체로서 작용하거나 또는 일 유체의 성분들간의 열 유도 아니면 촉매 작용, 흡열 화학 반응을 수행하도록 설계되어 있다. 발전용 가스 터빈의 동작 또는 특정한 종류의 흡열 반응의 수행과 같은 다양한 산업적 응용을 위해, 일 유체는 10-30 대기압의 높은 압력에서 시스템을 통해 순환할 필요가 있다. 이러한 압력에서 순환 가스 일 유체의 밀도는 비압력 상태에서 보다 훨씬 높으므로, 결과적으로 순환 중의 압력 손실이 낮아진다.

3차원 흡열기를 구비한 직적 조사되는 중앙 태양열 수열기는 집결된 입사 태양열 복사선을 입사시키기 위한 윈도우를 갖는 하우징을 포함하고, 압력식 중앙 태양열 수열기에 관련한 가장 심각한 문제중 하나는 수열기의 윈도우의 역학적 힘이다. 요구되는 광학적 및 열적 특성을 갖는 물질들은 깨지기 쉽고, 이것은 이들 물질이 큰 압축 응력에는 견딜 수 있지만 비교적 적은 인장 응력 하에서도 균열되거나 부서지기 쉽다는 것을 의미한다. 윈도우내의 응력은 수열기 내부의 가스 압력에 의해 발생되고 또한 동작중 가열될때 윈도우 및 다른 수열기 성분의 불균일한 열적 팽창에 의해서도 발생된다. 불균일한 응력은 일반적으로 중앙 태양열 수열기의 어떤 윈도우 내의 다양한 점들에 존재하므로, 결과적으로 이제까지의 중앙 태양열 수열기는 높은 압력 상태에서는 동작할 수 없다.

이스라엘 특허 출원 제97091호 및 대응 미합중국 특허 출원 제07/820,418호, 유럽 특허 출원 제495395 A1호 및 기타 다른 특허 출원에서, 상호 이격되어 있으며 자유단부들이 윈도우와 마주하도록 기부 본체의 한면으로부터 돌출해 있는 흡열기 부재들의 어레이를 갖는 기부 본체를 구비하는 3차원 태양열 흡열기를 수용하는 것으로서, 집결된 입사 태양열 복사선을 받기 위한 윈도우를 갖는 하우징을 포함하고, 일 유체가 흡열기 부재를 교차해서 흐르는 식으로 3차원 태양열 흡열기내로 주입되는 개량된 중앙 태양열 수열기에 대해 기술하고 있다.

본 발명의 목적은 이스라엘 특허 출원 제97091호의 기술 사상에 기초하고 높은 압력 상태에서 동작하도록 설계된 중앙 태양열 수열기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 압력 상태에서 동작하는 중앙 태양열 수열기의 하우징에 결합하기 적합한 윈도우 유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 압력 상태에서 동작하는 특정 종류의 중앙 태양열 수열기에 결합시키기 위한 3차원 태양열 흡열기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 집결된 태양열의 입사를 허용하는 윈도우를 갖는 관형의 하우징, 서로 이격되어 있으며 자유 단부들이 윈도우와 마주하도록 기부 본체의 한면으로부터 돌출해 있는 흡열기 부재들의 어레이를 홀딩하는 기부 본체를 포함하는 하우징 내의 3차원 태양열 흡열기, 이 흡열기 부재를 교차하는 흐름 방향으로 일유체를 3차원 태양열 흡열기내로 주입하는 수단 및 가열된 일 유체를 제거하기 위한 수단을 포함하는 중앙 태양열 수열기에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기는 축 대칭 관형체이고 여기서 상기 흡열기 부재들은 상기 축을 향해 돌출하며, 상기 관형 3차원 흡열기는 상기 관형 하우징과 동축상에 있고 복사선 입사 허용 애퍼츄어를 갖고 있는 축 대칭 관형체이고, 상기 윈도우는 상기 3차원 태양열 흡열기와 동축상에 있으면서 이 흡열기에 의해 둘러싸여 있는 축 대칭 관형의 절두 원추형체이며, 그러므로써 상기 중앙 태양열 수열기가 높은 압력하에서도 동작할 수 있는 것을 특징으로 한다.

윈도우가 절두 원추형이기 때문에, 본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기의 하우징내로부터 윈도우에 작용하는 어떤 압력에 의해 발생되는 압축 응력 성분도 윈도우가 근본적으로 견딜수 있게 된다.

양호하게는, 절두 원추형 윈도우는 양단부 이 윈도우를 고정하여 유지시키는 원통형 림(rim) 부분을 포함한다.

원한다면, 본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기내의 절두 원추형 윈도우는 2중 페인(pane)형일 수 있다.

본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기에 있어서, 관형의 절두 원추형 윈도우는 큰직경과 작은 직경의 단부 부분을 갖는다. 이들 중에는, 큰 직경의 단부 부분은 복사선 입사 허용 애퍼츄어를 형성하고 하우징의 단부 벽들 중 한 벽내의 정합 개구내에 배치되고, 작은 직경의 단부 부분은 윈도우의 배면에 있다. 양호하게는, 윈도우의 배면은 윈도우 상에 부가적인 스팀을 발생시키지 않고서도 하우징에 관련하여 윈도우의 임의 움직임을 완충하는 벨로우(bellow)에 의해 수열기의 하우징에 접속된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 반사기 수단은 윈도우를 관통하지 않은 임의 집결된 입사 태양열 복사선을 태양열 수열기내로 반사시키도록 관형의 절두 원추형 윈도우의 내부 작은 직경 근처에 제공된다.

본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기내의 축 대칭의 관형 3차원 태양열 흡열기는 다면체-프리즘, 원통형, 절두 원추형, 포물선 형태, 및 타원형 등과 같은 소정의 적합한 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기의 양호한 실시예에 있어서, 윈도우가 냉각되도록 압축된 일 유체로 윈도우의 내부면을 소제하기 위한 수단이 제공된다.

또한, 윈도우를 세척하고 더 냉각시키기 위해 환류 공기로 상기 윈도우의 외부면을 소제하기 위한 수단이 제공된다.

또한 본 발명은 흡열기체의 내부면으로부터 돌출된 흡열기 부재가 설치된축대칭 관형인 3차원의 흡열기체를 특정한 종류의 중앙 태양열 수열기내에 사용하기 위해 제공한다.

또한, 본 발명은 윈도우를 형성하는데 적합한 축 대칭의 관형의 절두 원추형 투명체를 중앙 태양열 수열기의 본체내에 결합시키기 위해 제공한다. 양호하게는, 상기 관형 절두 원추형 투명체가 양쪽 단부에 원통형 림 부분을 포함한다. 본 발명에 따른 중앙 태양열 흡열기내의 윈도우는 예를 들어, 용융된 석영과 같은 요구되는 광학 및 열적 특성을 갖는 기존의 재료로 제조된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특정한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기는 전방 및 후방 단부벽(2 및 3)을 갖고 있고 절연층(4)에 의해 안으로부터 정렬된 금속 하우징(1)을 포함한다. 전방 단부벽(2)의 중앙 원형 홀(5)를 통하여 태양열의 복사선을 받기에 적합하고 고온에 견딜 수 있는 관형 절두 원추형 윈도우(6)가 삽입된다. 큰 직경의 단부 근처에서 윈도우(6)는 원통형 림(7)을 포함하고 작은 직경 단부 근처에서 윈도우는 원통형 림(8)을 포함한다. 전방 단부 벽(2) 내의 림(7)에 의한 윈도우(6)의 셋팅은 단부 벽(2)내의 적합한 형상의 환형 홈내에 홀딩된 밀봉부(9) 및 위치 설정 O-링(10)을 포함한다.

윈도우(6)의 협 단부 가까이에는, 원통형 부분(14) 및 고광택의 반사기부(15)를 포함하는 공동부(13)를 갖는 예를 들어, 알루미늄과 같은 금속 블록(12)이 배치되어 있다. 블록(12)내의 림 부분(8)에 의한 윈도우(6)의 셋팅은 블록내의 적합하게 형상화된 환형 홈내에 홀드된 밀봉부(16) 및 위치 설정 O-링(17)을 포함한다.

블럭(12)는 절연 슬리브(18)내에 홀드되고 벨로우(19)의 한 단부에 접속되어 있으며, 이 벨로우의 대향 단부는 후방 단부 벽(3)의 중앙 밀봉 판(20)상에 있다. 접속기(22)가 있는 튜브(21)와 접속기(24)가 있는 동축 슬리브(23) 각각은 블록(12)의 반사기 부분(15)이 냉각되도록 블록(12)의 중공부(13)의 내부로 냉각수를 들여보내고 그로부터 냉각수를 내보내기 위해 사용된다.

블록(12) 및 복수의 공기 통로 구멍(26)을 포함하고, 밀봉판(20)은 슬리브(23)를 둘러싸는 원통형 덕트(28)와 함께 윈도우(6)의 내부 공간으로부터 하우징(1)의 후방으로 공기를 흐르게 하는 통로를 제공하는 복수의 공기 통로 구멍(27)을 포함한다.

하우징(1) 내부에는 3차원 태양열 흡열기가 장착되어 있는데 이것은 내부 표면으로부터 돌출된 스파이크 형상의 흡열기 부재(32)의 어레이를 보유하는 절두 원추형 기부 본체(31)를 포함하고, 본체(31)과 흡열기 부재(32)는 세라믹 재료, 세라믹 코팅된 금속 합금, 실리콘 카바이드, 알루미나, 특정 형태의 스테인레스 강, 니켈 합금 등과 같은 적합한 내열성 물질로 이루어진다. 중앙 태양열 흡열기(30)가 일 유체의 성분들간의 열 유도 흡열 화학 반응을 수행하기 위해 작용하는 경우에, 흡열기 부재(32)는 적합한 촉매제로 코팅될 수 있다.

이것은 큰직경 단부 가까이에 있는 3차원 태양열 흡열기(30)에는 흡열기 부재(32)를 교차하도록 환형 덕트(34)로부터 일 유체를 흡열기내로 주입시키기 위해 기능하는 다공성 금속 링(33)이 설치되어 있다.

3차원 태양열 흡열기(30)의 후방과 그것의 작은 직경 단부상에는 입구(49)와 관형 출구(36)를 갖추고 있는데, 3차원 태양열 흡열기(30)의 외측후방부로도 연장하는 절연 물질(37)의 층에 둘러싸인 환형 챔버(35)가 제공된다.

후방 단부 벽(3)에 인접한 영역에서, 하우징(1)에는 원형 매니폴드(도시 안됨)에 연결된 복수 쌍의 축 입구 파이프(38′, 38″)가 설치되어 있고, 각 파이프(38′)는 후방의 환형/원통형 덕트(39)에 개방되고 각 파이프(38″)는 환형 덕트(34)에 이르는 원통형 덕트(40)내로 개방된다. 덕트(39 및 40)은 환형 격벽(41)에 의해 분리되어, 파이프(38′, 38″)를 통해 주입된 일 유체가 윈도우(6)의 후방부로 향하는 환형 노즐(42)과, 주입기(33)을 통하여 3차원 태양열 흡열기(30)내로 주입되는 환형 덕트(34)로 분리하여 도통된다.

원한다면, 환형 덕트(40)는 각각 관형 세그멘트의 형태로 되어 있고 개별적인 입구 파이프를 갖추고 있는 2개 이상의 개별적인 덕트로 축 배향 절연 격벽에 의해 세분될수 있다. 대안적으로 환형 덕트는 나선형 격벽에 의해 복수의 환형 덕트로 세분될 수 있다. 어떠한 방식으로도 수열기내의 소정의 열적 조건하에서 바람직할 수 있는 불균일한 유체 주입을 발생하는 것이 가능하다.

전방 단부 벽(2)는 공기 펌핑 수단(도시 안됨)에 접속되고 환형 홈(45)내로 개방되는 복수의 덕트(44)를 포함하여, 그러므로써 공기가 미러(6)의 캐비티내로 주입되어 구멍(26), 덕트(28) 및 구멍(27)을 통하여 방전되도록 그의 외부 표면을 따라 흐른다.

본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기의 동작은 다음과 같다.

집결된 태양열 복사선은 관형 절두 원추형 윈도우(6)의 큰직경 단부에 의해 형성된 애퍼추어를 통해 받아들여진다. 임의의 입사 태양열 복사선중 어떤 것은 윈도우를 통해 직접 침투하여 3차원 태양열 흡열기(30)의 흡열기 부재(32) 상에 부딪힌다. 윈도우(6)을 통해 침투하지 못하는 거의 모든 입사 태양열 흡열기(30)를 향해 진행한다. 결합된 입사 태양열 복사선은 3차원 태양열 흡열기(30)을 가열시킨다.

압축된 일 유체는 접속된 매니폴드로부터 복수 쌍의 파이프(38′, 38″)를 통하여 수열기로 주입된다. 파이프(38″)를 통해 도달한 주입된 일 유체의 일부는 덕트(40 및 34)를 통해 안내되고, 주입된 일 유체가 흡열기 부재(32)를 교차하는 흐름 방향으로 주입기(33)을 통하여 3차원 태양열 흡열기(30)에 주입된다.

파이프(38′)를 통해 주입된 압축 일 유체는 환형 노즐(42)를 통해 배출되어, 윈도우를 냉각시키기 위해 윈도우(6)의 내부면을 따라 흐른 다음, 환형 주입기 장치(33)를 통해 주입된 일 유체와 혼합된다. 흡열기 부재(32)의 어레이를 가로질러 이동한 후에, 경우에 따라서 흡열 화학 반응의 산물로서 간단히 가열될 수 있거나 그 외의 것일 수 있는 일 유체는 포트(49)를 통해 환형 챔버(35)로 들어가서, 예를 들어 발전 터빈을 동작시키기 위해 산업에 이용되는 반응물 또는 고온 가스로서 출구(36)을 통하여 방출된다.

압축된 일 유체의 주입 및 방출의 기하 구조는 특정한 설계 요구 조건에 부합하도록 변형시킬 수 있다.

동작 과정중에 반사기(15)는 파이프(21)를 통해 주입되고 슬리브(23)을 통해 방출되는 냉각수에 의해 냉각된다.

동작 과정에 있어서, 반사기를 냉각시켜 이에 침착된 먼지를 제거하기 위해 윈도우(6)의 외부면을 소제하는 공기가 덕트(44)를 통해 공기가 계속 주입된다.

그러므로, 윈도우는 노즐(42)를 통해 주입된 일 가스에 의해 내부로부터 그리고 덕트(44)로부터 주입된 공기에 의해 외측으로부터 냉각된다.

관형의 윈도우(6)가 절두 원추형이기 때문에, 내부로부터 윈도우에 작용하는 압력은 윈도우 표면에 평행하게 배치되어 압축을 일으키는 성분을 갖고 있다. 따라서, 윈도우는 압축된 일 유체가 입구(38′ 및 38″)를 통하여 주입되는 압축된 일 유체의 주입으로 인해 본 발명에 따른 중앙 태양열 수열기내에 가해진 높은 압력에도 잘 견딜수 있다.

동작 과정중에, 대칭이든 비대칭이든 열 팽창은 벨로우(19)에 의해 흡수되어, 결과적으로는, 윈도우나 수열기의 다른 부품이 균열되지 않게 된다.

절두 원추형의 3차원 태양열 흡열기(30)는 제한적이 아니고, 대신에, 임의 다른 축 대칭 형의 구조 예를 들어, 원통형, 포물선 형태, 타원형 등과 같은 사용될 수도 있다는 것을 당해 분야에 숙련자 기술자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 도면에 도시된 스파이크 형상 구조의 흡열기 부재(32) 또한 제한적인 것이 아니고, 소정의 다른 적절한 구조, 예를 들어, 봉, 공동 원통형 튜브, 절두 원추형, 및 평판넬 등과 같은 구조일 수 있다.

상술한 수열기의 실험용 모델을 약 10KW의 전력 레벨에서 검사 되었다. 이러한 검사중에 수열기의 압력은 15와 25 대기압 사이였고, 최대 흡열기 온도는 약 1100℃이었으며, 이에 소요되는 총 노출 시간은 약 50 시간이었다. 수열기의 부품들은 테스트중에 어떠한 것도 손상을 입지않을 뿐만 아니라 고장을 일으키지도 않았다.

상술한 본 발명의 실시예들은 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니라, 본 발명의 실시예를 설명하고자 하는 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위내에서만 제한되고, 본 발명의 범위내에서 본 발명을 여러 가지로 실시할 수 있다.

Claims (18)

1. 집결된 입사 태양열의 복사선의 진입을 허용하는 윈도우를 갖는 하우징, 상호 이격되어 있으며 자유 단부들이 상기 윈도우와 마주보고 있도록 기부 본체로부터 돌출해 있는 흡열기 부재들의 어레이를 보유하는 상기 기부 본체를 상기 하우징내에 포함하는 3차원 태양열 흡열기, 상기 흡열기 부재들을 교차하는 흐름 방향으로 일 유체를 상기 3차원 태양열 흡열기내로 주입하는 주입 수단, 및 가열된 일 유체의 제거 수단을 포함하는 중앙 태양열 수열기에 있어서, 상기 3차원 태양열 수열기는 상기 흡열기 부재들이 축을 향해 돌출해 있는 축 대칭 관형체이고, 상기 관형 3차원 태양열 흡열기는 상기 관형 하우징과 동축을 이루며 복사선 진입 허용 애퍼츄어를 갖고 있으며, 상기 윈도우는 상기 3차원 태양열 흡열기와 동축상에 있으면서 이 흡열기에 의해 둘러싸여 있는 축 대칭 관형의 절두 원추형체이며, 그러므로써, 높은 압력에서도 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
2. 제1항에 있어서, 상기 윈도우는 2중 페인(pane)형인 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기는 다면체의 프리즘인 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기는 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기가 원통형인 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기가 포물선 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형의 3차원 태양열 흡열기가 타원형인 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 윈도우의 배면이 벨로우(bellow)에 의해 상기 수열기의 하우징에 접속되는 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 윈도우가 냉각되도록 압축된 일 유체로 내측에서부터 상기 윈도우의 내부면을 소제하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 윈도우가 세척되고 더 냉각되도록 환류 공기로 상기 윈도우의 외부면을 소제하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 중앙 태양열 수열기.
11. 제1항에 따른 중앙 태양열 수열기에 이용되는, 흡열기 부재들이 축을 향해 돌출해 있는 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 3차원 태양열 흡열기.
12. 제11항에 있어서, 원통형인 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 3차원 태양열 흡열기.
13. 제11항에 있어서, 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 3차원 태양열 흡열기.
14. 제11항에 있어서, 포물선형인 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 3차원 태양열 흡열기.
15. 제11항에 있어서, 타원형인 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 3차원 태양열 흡열기.
16. 제1항에 따른 중앙 태양열 수열기내의 윈도우로서 사용되는 것을 특징으로 하는 축대칭 관형 절두 원추형 투명체.
17. 제16항에 있어서, 양쪽 단부에 있는 원통형 림 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 축 대칭 관영 절두 원추형 투명체.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 관형 절두 원추형체가 2중 페인인 것을 특징으로 하는 축 대칭 관형 절두 원추형 투명체.