KR100779547B1 - 양면코팅 집열판 태양열집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기에 있어서, 내부를 진공상태로 형성하는 단일 유리관내에 열매체 유동관으로서 히트파이프가 위치하며, 상측으로부터 태양열을 흡수하도록 상기 히트파이프의 하측면에 집열용 코팅처리된 태양열 집열판을 부착하고,

반사되거나 태양열을 흡수하도록 상기 집열기의 하측에 상기 유리관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판을 설치함과 동시에 상기 태양열 집열판 하부면에 집열용 코팅처리하여, 상기 히트파이프내의 작동유체를 가열하여, 히트파이프내에 증발부를 형성하며, 히트파이프의 길이방향에 대하여 상측에 장착된 매니폴드내에 응축부를 형성하여 히트파이프내의 작동유체의 열을 방출하도록 이루어진 양면코팅 집열판 태양열집열기에 관한 것이다. 또한, 집열효율 증가를 위하여, 열매체 유동관으로서 히트파이프의 표면에 집열용 코팅처리 된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 집열판의 상측면 및 하측면을 이중으로 코팅하여, 집열판의 상측면에 태영열이 직접 입사되는 성분을 포함하여, 집열기 하측에 반사판을 설치하여 반사되는 성분까지 흡수하여 집열효율을 향상시키는 태양열집열기를 제공하고자 하는 것이다. 또한 집열판 양면을 통해 흡수함으로 동일 집열면적에 적은 수의 집열기를 설치하더라도 집열면적에 입사되는 모든 태양복사를 흡수할 수 있도록 하는 것이다.

진공관형 태양열집열기, 집열기, 집열판, 반사판, 히트파이프

Description

양면코팅 집열판 태양열집열기 {SOLAR COLLECTOR WITH REFLECTOR AND DOUBLE-SIDED COATING TO COLLECT SOLAR THERMAL}

도 1은 종래기술에 따른 태양열집열기를 나타낸 개략도.

도 2는 종래기술에 따른 경사진 태양열집열기를 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 태양열집열기를 나타낸 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1 : 매니폴드 2 : 히트파이프

3 : 태양열 집열판 4 : 진공유리관

5 : 태양열집열기 6 : 반사판

본 발명은 유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기에 있어서, 내부를 진공상태로 형성하는 단일 유리관내에 열매체 유동 관으로서 히트파이프가 위치하며, 상측으로부터 태양열을 흡수하도록 상기 히트파이프의 하측면에 집열용 코팅처리된 태양열 집열판을 부착하고,

반사되거나 태양열을 흡수하도록 상기 집열기의 하측에 상기 유리관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판을 설치함과 동시에 상기 태양열 집열판 하부면에 집열용 코팅처리하여, 상기 히트파이프내의 작동유체를 가열하여, 히트파이프내에 증발부를 형성하며, 히트파이프의 길이방향에 대하여 상측에 장착된 매니폴드내에 응축부를 형성하여 히트파이프내의 작동유체의 열을 방출하도록 이루어진 양면코팅 집열판 태양열집열기에 관한 것이다. 또한, 집열효율 증가를 위하여, 열매체 유동관으로서 히트파이프의 표면에 집열용 코팅처리 된 것을 특징으로 한다.

무제한 에너지원인 태양열 에너지의 이용에 있어서 무엇보다도 중요한 점은 태양열을 모으는 집열기의 고효율화에 있다고 할 수 있으며, 이러한 고효율화는 고효율 전열소자인 히트파이프와 함께 진공 기술을 적용하여 어느 정도 성과를 거두고 있다.

그러나, 효율적으로 태양열 에너지를 집열하여도 이를 제대로 전달하지 못한다면 고효율의 집열기는 무용지물이 되는 바, 집열된 열에너지를 열매체 흐름관을 통하여 온수기에 열 손실 없이 전달하는 문제가 태양열 에너지의 이용에 있어서 전체적인 에너지 이용 효율을 결정짓는 또 다른 중요 변수가 된다.

최근, 에너지를 획득함에 있어, 자원의 고갈과 화석연료의 연소에 따른 환경오염이 심각한 문제로 대두되고 있다. 이에 따라, 신재생 에너지원 확보의 중요성이 부각되고 있으며, 주요 선진국을 중심으로 그 개발이 활발히 진행되고 있다.

상기 진공관형 태양열 집열기는 크게 집열판, 진공유리관, 히트파이프로 구성된다.

도 1은 종래기술에 따른 태양열집열기를 나타낸 개략도로서, 진공관형 태양열 집열기(5)는 태양열을 흡수하는 태양열 집열판(3)으로부터 열을 공급받아, 열전달 시키는 고효율 전열소자인 히트파이프와, 열손실을 최소화하기 위하여 진공상태로 태양열 집열판(3)과 히트파이프를 내장하고 있는 진공유리관(4)으로 구성된다.

도 2는 종래기술에 따른 경사진 태양열집열기를 나타낸 개략도로서, 진공관형 태양열 집열기(5)의 히트파이프 내부의 작동유체가 증발부에서 흡수한 태양열에 의해 기화하여 열매체가 순환하는 매니폴드(1)가 있는 응축부에 열을 방출하고 응축되어 중력장에 의해 다시 증발부로 귀환하며 다시 기화하는 형태로 사이클을 형성하며 열이송을 수행한다.

도 2에 보는바와 같이, 히트파이프를 이용하는 대부분의 태양열 집열기는 중력장 방향과 중력장에 수직인 방향 사이의 적절한 경사각을 유지하여 설치된다. 이러한 경사각은 히트파이프 특히 열사이폰을 이용하여 흡수한 태양열을 이송하는 형태의 집열기에 있어서는 집열효율에 상당한 영향을 미치게 된다.

이러한 이유는 특히 증발부로 귀환하는 작동유체가 파이프 용기 벽면에 분포되는 형태에 따라 비등 열저항이 달라지기 때문이다. 또한 이러한 불균일한 분포는 히트파이프의 열이송 한계의 한 형태인 드라이-아웃 (Dry-out) 한계를 촉진시켜 높은 일사량에서 더 이상 흡수한 태양열을 이송하지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 여기서 제안하는 집열판 상측면에 히트파이프 (열사이폰) 가 부착되는 형태 는 흡수한 태양열에 의해 기화되는 작동유체 사이의 열전달 경로가 최단 거리로 열저항을 감소시켜 집열효율을 향상시킬 뿐만 아니라 경사각에 따른 열전달 성능 (드라이-아웃 한계 등) 에 큰 영향을 받지 않게 된다.

상기 집열판은 일정면적을 가져 태양에너지를 집열하는 것이고, 상기 히트파이프는 내부에 작동유체가 충진된 채 상기 집열판과 접합되어 상기 집열판을 통해 집열된 태양에너지의 열이 내부 작동유체로 흡수될 수 있도록 한다. 또한, 상기 진공 유리관은 상기 히트파이프 및 집열판을 감싸, 상기 히트파이프 및 집열판이 수용된 공간에 진공을 형성시킨다.

상기와 같은 진공관형 태양열 집열기는 고진공의 확보와 상기 집열판과 히트파이트 내부의 작동유체 간의 열전달 효율이 중요하다. 또한, 상기 진공관형 태양열 집열기 작동의 핵심은 태양에너지의 집열에 있는 바, 상기 집열판의 집열성능 및 효율이 무엇보다 중요하다.

그런데, 상기와 같은 종래의 단일 진공관 태양열 집열기의 경우 태양복사가 직접 입사되는 상측면만을 고려하여 코팅처리가 되어 있어 반사되거나 굴절되어 하측면에 입사되는 복사는 고려되어 있지 않아, 집열효율이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 히트파이프와 상호 장착된 집열판의 위치는 히트파이프의 상측면에 장착되어 있으며, 이로 인하여 히트파이프의 하측에 유동되는 액체상의 작동유체가 집열판과 직접 접촉되지 못하여 히트파이프의 열전달 성능을 감소시키는 문제점을 안고 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 반사되는 태양열을 흡수하도록 상기 집열기의 하측에 반사판을 설치하고 반사된 태양열을 흡수하도록 히트파이프와 결합된 태양열 집열판 하측면에 집열용 코팅처리 되도록 이루어진 양면코팅 집열판 태양열집열기를 제공하도록 하여, 집열판을 양면으로 코팅할 경우에, 직접 또는 간접으로 반사 또는 굴절되어 입사되는 태양복사도 고려되어 집열효율이 향상되게 하였다.

이는 집열효율를 증대하기 위해 간접적으로 반사되어 입사되는 태양복사를 반사판을 사용하여 직접 입사되는 효과를 나타내게 하도록 하며, 반사판이 없는 종래의 경우 집열판을 비껴 지나가는 태양복사는 반사되는 면의 성질에 따라 다르나, 대부분 흡수되거나 반사되지만 집열판에 초점이 맞는 경우는 드물다.

따라서 초점이 집열판의 뒷면을 균일하게 조사하도록 설계된 반사판을 태양열 집열기 하측에 설치함으로써 직접 태양복사를 흡수하는 동시에 비껴가는 성분도 다시 반사하여 집열함으로써 고효율의 집열성능을 포함하는 태양열집열기를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 히트파이프와 상호 장착된 집열판의 위치를 히트파이프의 하측면에 장착하여, 히트파이프의 하측에 유동되는 액체상의 작동유체를 보다 밀접하도록 접촉하여 히트파이프의 열전달 성능을 증가시키는 태양열집열기를 제공하고자 하는 것이다.

다음은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양면코팅 집열판 태양열집열기에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 태양열집열기를 나타낸 개략도로서, 본 발명에 대하여 상세히 설명하면,

유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기(5)에 있어서,내부를 진공상태로 형성하는 단일 유리관(4)내에 열매체 유동관(2) 역할을 하는 히트파이프가 위치하며,

상측으로부터 태양열을 흡수하도록 상기 히트파이프의 하측면에 집열용 코팅처리된 태양열 집열판(3)을 부착하고,

반사되거나 태양열을 흡수하도록 상기 집열기(5)의 하측면에 상기 유리관(4)과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판(6)을 설치함과 동시에 상기 태양열 집열판 하부면에 집열용 코팅처리하여, 상기 히트파이프내의 작동유체를 가열하여, 히트파이프내에 증발부를 형성하며, 히트파이프의 길이방향에 대하여 상측에 장착된 매니폴드(1)내에 응축부를 형성하여 히트파이프내의 작동유체의 열을 방출하도록 이루어진 양면코팅 집열판 태양열집열기에 관한 것이다.

종래의 단일 진공관 태양열집열기의 경우에, 태양복사가 직접 입사되는 집열판의 한쪽 면만을 고려하여 집열용 코팅처리가 되어 있으므로, 이로 인하여 태양열이 반사되거나 굴절되어 하측면에 입사되는 복사는 고려되어 있지 않다.

본 발명에서는 집열판의 양면으로 코팅하여, 태양열을 직접 또는 간접으로 반사 또는 굴절되어 입사되는 태양복사를 포함하여 더욱 더 집열효율이 향상되게 하도록 하는 것이다.

이를 위하여, 간접적으로 반사되어 입사되는 태양복사를 반사판을 사용하여 직접적으로 받는 효과를 나타내게 하는 것이다.

일반적으로 집열판을 비껴 지나가는 태양복사의 경우 반사되는 면의 성질에 따라 다르나 대부분 흡수되거나 반사되지만 집열판에 초점이 맞는 경우는 드물다. 따라서 초점이 집열판의 뒷면을 균일하게 조사하도록 설계된 반사판을 태양열 집열기 하측에 설치함으로써 직접 태양복사를 흡수하는 동시에 비껴가는 성분도 다시 반사하여 집열함으로써 고효율의 집열성능을 나타내게 된다.

도 3에 나타난 히트파이프를 이용한 태양열집열기인 경우에는, 히트파이트내의 응축부로부터 열을 간접적으로 이용하여, 필요로 하는 장소에 열을 공급하고자 하는 반면에, 본 발명의 다른 실시예로서는 열매체 유동관을 통상의 파이프를 이용하는 것으로서, 태양열을 이용하여 파이프내의 작동유체를 가열하며, 이를 필요로 하는 장소에 공급하거나, 간접적으로 이용하고자 하는 것이다.

유리관내에 열매체 유동관이 히트파이트인 경우에는, 히트파이프의 열적특성으로 인하여, 히트파이프를 포함하는 태양열 집열기를 수직 형성하거나, 수직에 대하여 경사각을 갖도록 하는 것이다. 이는 히트파이프내의 증발된 작동유체가 길이방향에 대해 상측으로 유동하며, 응축된 작동유체가 하측으로 유동하도록 하기 위한 것이다.

태열열 집열기의 하측에 설치하여 간접으로 반사 또는 굴절되어 입사되는 태 양복사를 고려되어 집열효율이 향상하도록 설치되는 상기 반사판(6)은 상기 유리관(4)과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상으로서, 원형굴곡된 형상인 경우에는 간접적인 태양열을 수평면보다는 효율적으로 집열시킬 수 있으며, 상기 수평면인 경우에는 현장설치의 편리성 등을 고려하여 이용되는 것이다.

또한, 히트파이프와 상호 장착된 집열판의 위치를 히트파이프의 하측면에 장착하여, 히트파이프의 하측에 유동되는 액체상의 작동유체를 보다 밀접하도록 접촉하여 히트파이프의 열전달 성능을 증가시키는 태양열집열기를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 상기 유리관(4)내부는 진공상태로 형성하여, 태양열을 보다 효과적으로 이용하고자 하는 것이다.

집열효율를 더욱더 증가시키기 위하여, 열매체 유동관(2)으로서 히트파이프의 표면에 집열용 코팅처리된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 양면코팅 집열판 태양열집열기는 집열판을 양면으로 코팅하며 직접 또는 간접으로 반사 또는 굴절되어 입사되는 태양복사도 고려하였으며 집열효율이 향상되도록 초점이 집열판의 하측면을 균일하게 조사하도록 설계된 반사판을 태양열 집열기 하측에 설치함으로써 직접 태양복사를 흡수하는 동시에 비껴가는 성분도 다시 반사하여 집열함으로써 고효율의 집열성능을 나타내게 하도록 하며, 히트파이프와 상호 장착된 집열판의 위치를 히트파이프의 하측면에 장착하여, 히트파이프의 하측에 유동되는 액체상의 작동유체를 보다 밀접하도록 접촉하여 히트파이프의 열전달 효율을 증가시키는 태양열집열기를 제공하고자 하는 것이다.

Claims (2)

1. 유리관내에 열매체 유동관과 집열판을 포함하는 태양열집열기(5)에 있어서,

   내부를 진공상태로 형성하는 단일 유리관(4)내에 열매체 유동관(2) 역할을 하는 히트파이프가 위치하며,

   상측으로부터 태양열을 흡수하는 동시에 반사되거나 태양열을 흡수하도록 상기 집열기(5)의 하측에 상기 유리관(4)과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판(6)을 설치하고,

   태양열 집열판(3) 하부면에 집열용 코팅처리하여, 상기 히트파이프내의 작동유체를 가열하여, 히트파이프내에 증발부를 형성하며, 히트파이프의 길이방향에 대하여 상측에 장착된 매니폴드(1)내에 응축부를 형성하여 히트파이프내의 작동유체의 열을 방출하도록 이루어지며, 상기 열매체 유동관(2)으로서 히트파이프의 표면에 집열용 코팅처리를 하고, 히트파이프 하측면에 태양열 집열판(3)을 부착하여, 설치 경사각에 따른 히트파이프의 열전달 성능을 유지하고, 히트파이프 내부 작동유체와 집열판과의 접촉을 밀접하게 하여 열전달 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 양면코팅 집열판 태양열집열기.
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