KR100879369B1 - 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내측 유리 파이프와 외측 유리 파이프의 온도 차이에 의한 열적 스트레스로 인한 파손을 줄이도록 한 태양열 집열장치를 제공한다. 태양열 집열장치는 축열조와 연결된 복수의 유리 파이프가 이중벽 구조로 된 태양열 집열장치에 있어서, 복수의 유리 파이프 중에서 외측에 배치되며, 외주를 따라 절개되어 이격되는 환형 이격부를 갖는 외측 유리 파이프, 외측 유리 파이프의 외측에서 환형 이격부를 감싸도록 배치되며, 외측 유리 파이프의 외측에 결합되는 밀봉환체, 및 외측 유리 파이프의 외측에 구비되며, 밀봉환체의 상부와 하부에 나사 체결되는 복수의 캡을 포함한다.

태양열, 집열기, 진공, 부동액, 이중벽 유리관

Description

태양열 집열장치{SOLAR COLLECTORS}

도 1은 본 발명에 따른 태양열 집열장치를 도시한 단면도.

도 2는 종래 태양열 집열장치를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 종래 태양열 집열장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도.

본 발명은 태양열 집열기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 태양열 집열기에서 태양열을 집열하게 되는 집열장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양열 에너지를 이용하기 위한 태양열 집열기는 일반적으로 그 작동 온도에 따라 저온용, 중온용 및 고온용으로 구분되며, 입사되는 태양광을 흡수하는 방식에 따라 비집속식과 집속식으로 구분되고, 이동하는 태양을 축적하는 장치의 부가여부에 따라 고정형과 태양 추적형으로 분류된다.

무제한의 에너지원인 태양열 에너지의 이용에 있어서 무엇보다도 중요한 점은 태양열을 모으는 집열기의 고효율화에 있다고 할 수 있으며, 이러한 고효율화는 집열 효율을 높임과 함께 집열된 열의 손실을 줄임으로써 달성될 수 있는 바, 이러한 열손실은 집열기의 작동 온도와 외기 온도의 차이에 의해서 필연적으로 발생하 는 현상인 전도, 대류 및 복사 등을 통한 열전달에 의해 집열기를 둘러싼 대기 중으로 유실됨을 의미한다.

입사되는 태양광을 그대로 흡수하게 되는 비집속식이나, 입사된 태양광을 한 곳으로 집중시켜 흡수하게 되는 집속식 태양열 집열기에서 전도에 의한 열손실은 집열기를 구성하는 재료를 통한 열전도에 위해 모아진 열이 대기 중으로 손실되는것이고, 대류 열손실은 태양 복사 에너지를 흡수하는 흡수면과 외기 사이의 온도 차이로 발생되는 공기의 유동에 의해 손실되는 것이며, 복사 열손실은 태양복사 에너지를 흡수하는 표면과 외기 사이의 복사 열전달에 의해 손실되는 것을 의미한다.

상기와 같이 열의 전달 방식인 전도, 대류, 복사에 의한 열손실 중에서 대류에 의한 열손실이 가장 크기 때문에 대류에 의한 열손실을 줄이는 것이 집열기의 전체 열손실을 줄이는 가장 효과적인 방법이 된다.

비집속식인 평판형 집열기는 현재 가장 널리 보급되어 있는 태양열 집열기로서 그 모양이 사각 평판 형태로 주로 낮은 온도 범위(80℃미만)의 태양열 활용에 적용되고 있으며 태양열 집열 효율이 대개 50% 이하이다.

이 평판형 집열기는 물을 직접 집열기에서 가열하여 이용하는 경우도 있지만 우니나라와 같이 겨울철 혹한기가 존재하는 지역에서는 열매체로써 물보다는 부동액을 사용하며, 부동액이 집열기를 통과하여 가열된 후 뜨거워진 부동액이 다시 물을 데우는 방식을 취한다.

비집속식인 평판형 집열기의 경우는 기본적으로 열손실 면적, 즉 태양광 입사 면적 자체가 크기 때문에 태양열에 의해 가열된 뜨거워진 집열판으로부터 대류 에 의해 외부로 열손실이 발생하므로 그 적용에는 한계가 있다.

이러한 열손실을 줄이기 위한 방안으로 제안된 것이 진공관식 태양열 집열기이다. 이 진공관식 태양열 집열기는 투과체와 흡수면 사이에 진공을 형성시켜 대류에 의한 열전달을 차단하는 장치로서, 직경이 작은 유리 파이프를 내측에 그리고 직경이 큰 파이프를 외측에 배치하여 양단을 접속 밀봉시켜서 유리병과 같이 일측이 막히고 타측이 개방된 유리관을 형성하고, 두 유리 파이프의 사이에는 열을 흡수하는 흡수판을 설치한 후 내부를 진공으로 처리하여 대류에 의한 열손실을 근본적으로 봉쇄함으로써 태양열 집열의 극대화를 꾀한다.

이와 같은 진공관식 집열기의 경우에는 대류에 의한 열손실이 상당히 낮아져 집열기의 효율이 높아지나, 태양열을 흡열하는 내측 유리 파이프이 외측 유리 파이프에 비하여 온도 변화가 크기 때문에 길이 방향으로 상당한 열 스트레스를 받게 된다.

따라서 내측 유리 파이프와 외측 유리 파이프 사이의 온도차는 두 유리 파이프의 길이 방향에 대한 열적 팽창에도 차이가 나게 하여 내측 유리 파이프와 외측 유리 파이프 사이에 열적 스트레스가 발생하게 되고, 이로 인하여 두 유리 파이프가 접속되는 양단의 연결부위에 균열이 발생하게 된다.

도 2에서는 종래 진공관식 집열장치를 개략적으로 나타내고 있다.

집열장치는 알파벳 "U"자 형태로 형성된 집열 튜브(1)가 물저장조(3)와 연통되어 있고, 집열 튜브(1)의 내부에 물을 가득 채워 가열하는 방식이다.

도 3에서는 종래 다른 집열장치를 개략적으로 나타내고 있다.

이 집열장치는 집열 튜브(5) 내에 얇은 구리판(7)을 말아서 집열 튜브(5)의 내면에 밀착시켜 삽입한 후, 다시 히트 파이프(9)나 "U"자형의 구리관을 집열 튜브(5)의 내벽과 삽입된 구리판(7) 사이에 끼워 넣는 형식이다.

그러나 전자의 집열장치는 집열 튜브에 물을 직접 가열하기 때문에 집열 튜브의 파손시 집열 튜브 내부의 물뿐만 아니라 축열조의 물이 모두 누수되거나, 태양열에 의해 가열된 집열 튜브 내에 물이 갑자기 유입될 때 열응력에 의해 집열 튜브가 파손되거나, 동절기에 집열 튜브가 동파하거나, 물의 열용량이 크기 때문에 집열 튜브의 크기를 증가시키는 방식으로는 집열 성능을 향상시키지 못하는 문제점들이 있다.

그리고 후자의 집열장치는 구리판을 삽입하여 설치하는 구조가 복잡하고, 제작 비용이 증가하며, 구리판과 히트 파이프 또은 "U"자 형의 파이프 사이의 접촉 불량으로 인한 열저항의 증가와 이로 인한 집열 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 연구의 연속선상에서 하여 제안된 것으로, 내측 유리 파이프와 외측 유리 파이프의 온도 차이에 의한 열적 스트레스로 인한 파손을 줄이도록 한 태양열 집열장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 태양열 집열장치는 축열조와 연결된 복수의 유리 파이프가 이중벽 구조로 된 태양열 집열장치에 있어서, 복수의 유리 파이프 중에서 외측에 배치되며, 외주를 따라 절개되어 이격되는 환형 이격부를 갖는 외측 유리 파이프, 외측 유리 파이프의 외측에서 환형 이격부를 감싸도록 배치되며, 외측 유리 파이프의 외측에 결합되는 밀봉환체, 및 외측 유리 파이프의 외측에 구비되며, 밀봉환체의 상부와 하부에 나사 체결되는 복수의 캡을 포함한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 태양열 집열장치를 도시한 단면도이다.

본 발명의 집열장치는 직경이 다른 두 유리 파이프(11,13)가 상호 겹치는 이중벽 구조로 되어 있고, 두 유리 파이프(11,13)의 양단은 상호 연결 형성된 채로 축열조(15) 등에 접속 밀봉된다. 두 유리 파이프 중에서 직경이 작은 내측 유리 파이프(11)의 중심에는 부동액(에틸렌 글리콜-Ethylene Glycol-이 주성분인 부동액)이 흐르며, 내측 유리 파이프(11)보다 직경이 큰 외측 유리 파이프(13)와 내측 유리 파이프(11)의 사이는 진공을 유지하게 된다.

여기서 외측 유리 파이프(13)의 중간부분은 횡방향으로 절개되어 환형 이격부(17)를 형성한다.

그리고 환형 이격부(17)의 외측에는 밀봉환체(19)와 이 밀봉환체(19)의 상하부 각각에 나사 체결되는 복수의 캡(21,23)이 배치된다. 상부 캡(21)과 하부 캡(23)이 밀봉환체(19)에 나사 체결됨에 따라 분리 결합이 가능하다. 따라서, 복수의 유리 파이프 사이에 온도 차이가 발생하더라도 외측 유리 파이프(13)에 형성된 환형 이격부(17)에 의해 열팽창을 완충시킬 수 있다. 그리고 필요한 경우 상부 캡(21)과 하부 캡(23)을 밀봉환체(19)로부터 분리하고 밀봉환체(19)도 외측 유리 파이프(13)로부터 분리하여 열팽창에 대응할 수 있다. 또한, 밀봉환체(19)와 외측 유리 파이프(13)의 환형 이격부(17)에 대해 유지보수를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 환형 이격부(17)를 더 넓게 형성할 수 있으며, 이에 대응하여 밀봉환체(19)도 설계변경할 수 있다.

밀봉환체(19)는 외측 유리 파이프(13)의 외측에 결합되어 외측 유리 파이프의 길이방향 팽창을 안내한다. 밀봉환체(19)의 중간부분에 환형 이격부(17)가 위치하도록 결합되고, 밀봉을 위하여 밀봉환체(19)의 내주에는 복수의 밀봉링(25)이 삽입된다. 이 복수의 밀봉링(25)은 환형 이격부(17)를 기준으로 외측 유리 파이프(13)의 상부와 하부 각각에 위치한다.

밀봉환체(19)의 외측 상부 끝부분과 하부 끝부분에는 수나사산이 형성된다.

이러한 밀봉환체(19)에 나사 체결되는 상부 캡(21)과 하부 캡(23)은 밀봉환체(19)의 상단 및 하단과 밀착되는 면에 밀봉을 위한 오링(27)이 배치된다.

한편, 태양열에 대한 집열 효율을 향상시키기 위해서 내측 유리 파이프(11)의 외측면에 태양열을 원활하게 흡수하는 검은색 계열의 코팅을 실시하여 코팅막(29)을 형성한다. 코팅시 질소/알루미늄을 이용한 스퍼터링방식(N/Al selective surface sputtering)으로 코팅하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 집열장치는 다음과 같은 작용을 나타낸다.

태양열이 집열장치로 비추게 되면, 태양에너지가 코팅막(29)에서 흡수되어 집열이 이루어지고, 이와 동시에 내측 유리 파이프(11) 내부의 부동액도 함께 가열된다.

집열장치는 그 일단이 축열조(15)와 연결되고, 내측 유리 파이프(11)의 중심을 흐르게 되는 부동액이 순환하면서 부동액으로 흡수된 열을 축열조(15)로 전달하게 된다. 이러한 열 전달 매체로 사용되는 부동액은 동절기에도 파이프가 동파되는 것을 방지하게 되는 것이다.

이러한 열 전달 과정에서 태양열에 의해 가열되지 않는 외측 유리 파이프(13)의 열 팽창과, 코팅막(29)을 통해 태양열을 흡수함과 동시에 직접적으로 가열되는 부동액에 의해 열적 스트레스를 받는 내측 유리 파이프(11)의 열 팽창 사이에는 차이가 발생하게 되지만, 본 발명의 특징에 따라 제안된 바와 같이, 외측 유리 파이프(13)에 환형 이격부(17)가 형성됨으로써 두 유리 파이프의 팽창 차이만 큼을 환형 이격부(17)에서 완충하는 효과를 나타낸다.

그리고 두 유리 파이프(11,13) 사이의 진공이 완전히 밀봉될 수 있도록 외측 유리 파이프(13)와 밀봉환체(19) 사이와, 밀봉환체(19)와 복수의 캡(21,23) 사이에 밀봉링(25)과 오링(27)을 배치하여 진공 상태를 유지하게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 두 유리 파이프 사이에 온도 차이가 발생하여도 길이 방향으로는 같은 정도로 수축 또는 팽창하게 되어 두 유리 파이프 사이의 열적 스트레스를 근복적으로 제거하게 된다.

따라서 종래의 진공관식 태양열 집열기에 비해 장비의 손상이 덜 발생된다.

Claims (7)

1. 축열조와 연결된 복수의 유리 파이프가 이중벽 구조로 된 태양열 집열장치에 있어서,

   상기 복수의 유리 파이프 중에서 외측에 배치되며, 외주를 따라 절개되어 이격되는 환형 이격부를 갖는 외측 유리 파이프;

   상기 외측 유리 파이프의 외측에서 상기 환형 이격부를 감싸도록 배치되며, 상기 외측 유리 파이프의 외측에 결합되어 상기 외측 유리 파이프의 길이방향 팽창을 안내하는 밀봉환체, 및

   상기 외측 유리 파이프의 외측에 구비되며, 상기 밀봉환체의 상부와 하부에 나사 체결되는 복수의 캡

   을 포함하는 태양열 집열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 밀봉환체와 상기 외측 유리 파이프의 사이에 개재되는 복수의 밀봉링을 더 포함하는 태양열 집열장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 복수의 밀봉링은 상기 환형 이격부를 기준으로 상기 외측 유리 파이프의 길이방향을 따라 상부와 하부 각각에 구비되는 태양열 집열장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,

   상기 복수의 캡과 상기 밀봉환체의 상단 및 하단과 밀착되는 면 사이에 개재되는 오링을 더 포함하는 태양열 집열장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 내측 유리 파이프의 중심부로는 부동액이 흐르는 태양열 집열장치.
7. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내측 유리 파이프의 외측면에 검은색 계열의 코팅을 실시하여 코팅막을 형성하는 태양열 집열장치.

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