KR101233976B1 - 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기 - Google Patents

곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공관; 진공관의 내측에 설치되고, 열매체의 이동 경로를 제공하는 열매체파이프; 진공관의 내측면 일부에 곡률을 가지도록 설치됨으로써 열매체파이프 둘레에 위치하고, 집광을 위하여 광을 반사시키는 반사판; 및 반사판과 열매체파이프 사이에 위치하되, 반사판에 의해 집광됨으로써 열매체파이프에 열을 전달하도록 설치되는 흡수판을 포함하도록 한 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기가 제공된다.
본 발명에 따르면, 흡열 효율을 높이도록 하여 고온 및 고효율을 구현할 수 있고, 나아가서, 구조가 간단하여 제조 원가를 낮출 수 있으며, 효율과 성능향상으로 설치하는 수량이나 면적을 최소화함으로써 설치 비용을 저감할 수 있다.

Description

곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기{Condenser for solar heat absorber of vacuum tube type for concentrating sunlight having curvature type reflector}
본 발명은 진공관 내부에 곡률로 형성된 반사판을 적용한 기술로서, 외부에 반사판을 설치할 때의 문제점을 개선한 방법을 채택한 제품으로써 조립 및 유지보수가 용이하도록 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기에 관한 것이다.
일반적으로, 진공관 태양에너지 집열기는 집광 여부에 따라 비집광 집열기와 집광 집열기의 2개 유형으로 분류된다.
또한, 집광 집열기는 추적 시스템이 있는 집광 집열기와 추적 시스템이 없는 집광 집열기로 나뉜다.
추적 시스템이 있는 집광 집열기는 반사경이 전문적인 시스템의 협조를 통하여 자동적으로 태양을 추적해서 태양복사를 수시로 진공관의 흡열체에 모아주도록 하는 시스템으로서, 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 추적 시스템이 있는 집광 집열기는 예컨대, 미국 캘리포니아주 태양에너지 열력 발전소의 집광 집열기에 적용되고 있으며, 이는 포물기둥면 반사경, 직통식 진공관과 자동 추적시스템으로 구성된다.
그러나, 이와 같은 종래의 추적 시스템이 있는 집광 집열기는 구조가 복잡하고, 제조원가가 매우 높기 때문에 대규모 보급과 사용이 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 추적시스템이 없는 집광 집열기는 일종의 비이미징 광학시스템으로 이루어져서 태양을 추적할 필요없이 다양한 방향에서 투사된 태양복사를 고정된 흡열체에 집중시키도록 한다.
그러나, 종래의 추적시스템이 없는 집광 집열기는 비교적 간단한 구조로 인해 제조원가가 저렴한 반면, 흡열 효율을 높이는데 한계를 가지는 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 효율을 높일 수 있는 추적 시스템이 없는 집광 집열기의 개발이 필요하게 되었다.
또한, 비추적식 집광 집열기 뿐만 아니라, 추적식일 경우에도 성능 향상을 극대화할 수 있는 집광 집열기의 개발이 필요하게 되었다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 흡열 효율을 높이도록 하여 고온 및 고효율을 구현할 수 있고, 나아가서, 구조가 간단하여 제조 원가를 낮추도록 한다.
또한, 본 발명은 효율과 성능향상으로 설치하는 수량이나 면적을 최소화함으로써 설치 비용을 저감하도록 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 태양열 집열기에 있어서, 진공관; 상기 진공관의 내측에 설치되고, 열매체의 이동 경로를 제공하는 열매체파이프; 상기 진공관의 내측면에 곡률을 가지도록 설치됨으로써 상기 열매체파이프 둘레에 위치하고, 집광을 위하여 광을 반사시키는 반사판; 및 상기 반사판과 상기 열매체파이프 사이에 위치하되, 상기 반사판에 의해 집광됨으로써 상기 열매체파이프에 열을 전달하도록 설치되는 흡수판을 포함하는 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기가 제공된다.
상기 열매체파이프는, 상기 진공관의 길이방향으로 삽입되는 히트파이프로 이루어질 수 있다.
상기 열매체파이프는, 상기 진공관을 길이방향으로 관통하는 열교환파이프로 이루어질 수 있다.
상기 열매체파이프는, 상기 진공관의 길이방향으로 삽입되어 내측튜브와 외측튜브로 구성되는 이중관으로 이루어지고, 상기 내측튜브 및 상기 외측튜브 사이와 상기 내측튜브 내측이 서로 연결될 수 있다.
상기 열매체파이프는 상기 진공관의 길이방향으로 삽입되는 U자 튜브로 이루어지고, 상기 반사판은 상기 U자 튜브의 나란한 양측에 각각 대응되도록 다수로 설치되며, 상기 흡수판은 상기 반사판 각각과 상기 U자 튜브의 나란한 양측 사이마다 설치되도록 다수로 이루어질 수 있다.
상기 반사판은, 폴리싱 처리된 알루미늄 시트, 스테인레스스틸 시트, 구리 시트 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 흡수판은, 알루미늄판, 스테인레스스틸판, 구리판 중 어느 하나로 이루어지고, 질화산소가 코팅될 수 있다.
본 발명에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기에 의하면, 흡열 효율을 높이도록 하여 고온 및 고효율을 구현할 수 있고, 나아가서, 구조가 간단하여 제조 원가를 낮출 수 있으며, 효율과 성능향상으로 설치하는 수량이나 면적을 최소화함으로써 설치 비용을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 정면도이고,
도 2는 도 1의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 단면도이고,
도 4는 도 3의 사시도이고,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5의 사시도이고,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 단면도이고,
도 8은 도 7의 사시도이고,
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기를 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1의 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)는 진공관(110)과, 진공관(110)의 내측에 설치되는 열매체파이프(120)와, 진공관(110)의 내측면에 설치되는 반사판(130)과, 반사판(130)과 열매체파이프(120) 사이에 설치되는 곡률형상의흡수판(140)을 포함할 수 있다.
진공관(110)은 내측이 진공상태를 유지하도록 진공관으로 이루어지고, 일례로 봉규산염 유리로서 강화유리로 이루어질 수 있고, 이로 인해 자연재해에 의한 파손 우려를 최소화시키도록 하는데, 이러한 규격 및 재질은 집열 면적에 따라 달리 정해질 수 있다.
열매체파이프(120)는 진공관(110)의 내측에 설치되고, 태양광의 집광에 의해 가열되는 열매체의 이동 경로를 제공하며, 일례로 무산소 동관으로 제작되거나, 동과 강철의 복합재료로 제작될 수 있다. 여기서, 열매체는 저온에서 기화를 시작하여 겨울철 일사량에도 고온을 발생할 수 있다.
열매체파이프(120)는 다양한 방식을 이룰 수 있는데, 본 실시예에서처럼 진공관(110)의 길이방향으로 삽입되는 히트파이프로 이루어짐으로써 히트파이프 방식이 사용될 수 있으며, 진공관(110)이 다수로 나란하게 배열되는 경우 진공관(110) 각각의 열매체파이프(120) 끝단이 열매체 분배를 위한 매니폴드(미도시)에 연결될 수 있다.
반사판(130)은 진공관(110)의 내측면에 곡률을 가지도록 진공관(110)의 길이방향을 따라 설치됨으로써 열매체파이프(120)의 둘레, 예컨대 열매체파이프(120)의 둘레 일측에 부분적으로 위치할 수 있고, 집광을 위하여 광을 반사시키며, 폴리싱(Pholising) 처리된 알루미늄 시트, 스테인레스스틸 시트 구리 시트 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반사율을 극대화시킬 수 있고, 이외에도 광의 반사를 위한 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
반사판(130)은 본 실시예에서처럼 진공관(110)의 내측면으로부터 이격되도록 설치될 수 있으며, 필요에 따라 진공관(110)의 내측면에 밀착되도록 고정될 수 있고, 곡률의 형태가 포물면, 나아가서, 복합 포물면을 이룰 수 있고, 진공관(110) 내측으로 광이 조사되도록 허용하기 위하여 진공관(110)의 내측면 중에서 일부에 위치하도록, 예컨대 반원 형태로 이루어질 수 있다.
흡수판(140)은 반사판(130)과 열매체파이프(120) 사이에 위치하되, 반사판(130)에 의해 집광됨으로써 열매체파이프(120)에 열을 전달하도록 진공관(110)의 길이방향을 따라 설치되며, 본 실시예에서처럼 반사판(130) 상에서 열매체파이프(120)에 접촉하도록 고정되거나, 이와 달리, 진공관(110)의 내측면으로부터 반사판(130)을 통과하여 열매체파이프(120)에 접하도록 고정될 수 있다. 또한, 흡수판(140)과 열매체파이프(120) 또는 진공관(110) 등의 고정은 압착 또는 용접 등의 접착기술을 사용하여 밀봉 접착될 수 있다.
흡수판(140)은 일례로 알루미늄판, 스테인레스스틸판, 구리판 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 질화산소가 선택적으로 코팅될 수 있는데, 이때 태양열의 흡수 효율을 높이도록 코팅, 증착, 도장, 도금 등이 사용될 수 있으며, 금속 세라믹 복합재료 중온 선택성 흡수 코팅층이 형성될 수도 있으며, 이로 인해 태양열의 집열 효율을 최대화시킨다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(200)는 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와 마찬가지로, 진공관(210), 열매체파이프(220), 반사판(230) 및 흡수판(240)을 포함하고, 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와의 차이점을 설명하면 다음과 같다.
제 2 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(200)에서 열매체파이프(220)는 진공관(210)을 길이방향으로 관통하는 열교환파이프로 이루어짐으로써, 헤더 방식을 이룰 수 있다. 이때, 진공관(210)이 다수로 나란하게 설치되는 경우 진공관(210) 각각의 열매체파이프(220) 양단이 열매체 분배를 위한 매니폴드에 연결될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(300)는 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와 마찬가지로, 진공관(310), 열매체파이프(320), 반사판(330) 및 흡수판(340)을 포함하고, 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와의 차이점을 설명하면 다음과 같다.
제 3 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(300)에서 열매체파이프(320)는 진공관(310)의 길이방향으로 삽입되어 내측튜브(321)와 외측튜브(322)로 구성되는 이중관으로 이루어지고, 내측튜브(321) 및 외측튜브(322) 사이와 내측튜브(321) 내측이 서로 연결됨으로써, 내측튜브(321)의 내측을 따라 열매체가 이동하여 내측튜브(321)와 외측튜브(322) 사이를 통과하거나, 그 역방향으로 열매체가 이동하도록 한다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(400)는 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와 마찬가지로, 진공관(410), 열매체파이프(420), 반사판(430) 및 흡수판(440)을 포함하고, 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와의 차이점을 설명하면 다음과 같다.
제 4 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(400)의 열매체파이프(420)는 진공관(410)의 길이방향으로 삽입되는 U자 튜브로 이루어질 수 있다. 여기서, 반사판(430)은 열매체파이프(420)인 U자 튜브의 나란한 양측에 각각 대응되도록 다수, 예컨대 한 쌍으로 이루어져서 설치된다. 또한, 흡수판(440)은 반사판(430) 각각과 열매체파이프(420)인 U자 튜브의 나란한 양측 사이마다 각각 설치되도록 다수로 이루어질 수 있으며, 한 쌍이 서로 일체를 이루도록 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(500)는 제 1 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100)와 마찬가지로, 진공관(510), 열매체파이프(520), 반사판(530) 및 흡수판(540)으로 이루어지되, 흡수판(540)은 반사판(530)으로부터 열매체파이프(520)를 향해서 지그재그를 이루도록 형성됨으로써, 집열 면적을 최대화시킬 수 있다. 이때, 흡수판(540)은 직각보다 엇각으로 지그재그를 이루도록 함으로써 집열 면적을 보다 최대화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서의 흡수판(540)은 제 1 내지 제 4 실시예에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100,200,300,400)의 흡수판(140,240,340,440)에 모두 적용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100,200,300,400,500)에 의하면, 진공관(110,210,310,410,510) 내에 반사판(130,230,330,430,530)이 설치됨으로써 태양열이 원형의 진공관(110,210,310,410,510) 내부에 위치한 흡수판(140,240,340,440,540)에 집열되고, 흡수판(140,240,340,440,540)에 전달된 열은 흡수판(140,240,340,440,540) 끝단에 있는 열매체파이프(120,220,320,420,520)로 전달되어 흡열 효율을 높일 수 있도록 하며, 조립 및 유지보수가 용이하며, 고온의 열을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100,200,300,400,500)는 금속을 흡수판(140,240,340,440,540)으로 형성할 수 있고, 이로 인해, 태양을 추적하지 않는 조건하에서 비교적 높은 작동 온도에 도달할 수 있고, 압력 감당 능력이 뛰어나며, 내열 충격 성능이 우수하다. 또한, 반사판(130,230,330,430,530)은 진공관(110,210,310,410,510) 내에 설치됨으로써 오염을 받지 않으며, 이로 인해 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100,200,300,400,500)의 사용수명을 연장할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기(100,200,300,400,500)는 추적시스템이 불필요함으로써 종래에 비하여 구조가 간단하고, 제조원가가 낮기 때문에 보급 및 응용 전망이 높고, 반사판(130,230,330,430,530)이 복합 포물면 반사경의 역할을 하도록 할 수 있으며, 이로 인해 태양복사를 열매체파이프(120,220,320,420,520)에 집중시켜서 태양을 추적하지 않는 상황에서도 작동온도가 종래 기술의 제품보다 높은 온도에 도달할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기는 회전 포물면 반사경 집광 집열기, 포물기둥면 반사경 집광 집열기 등에 모두 적용될 수 있다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110,210,310,410,510 : 진공관
120,220,320,420,520 : 열매체파이프
130,230,330,430,530 : 반사판
140,240,340,440,540 : 흡수판
321 : 내측튜브
322 : 외측튜브

Claims (7)

  1. 태양열 집열기에 있어서,
    진공관;
    상기 진공관의 내측에 설치되고, 열매체의 이동 경로를 제공하는 열매체파이프;
    상기 진공관의 내측면에 곡률을 가지도록 설치됨으로써 상기 열매체파이프 둘레에 위치하고, 집광을 위하여 광을 반사시키는 반사판; 및
    상기 반사판과 상기 열매체파이프 사이에 위치하되, 상기 반사판에 의해 집광됨으로써 상기 열매체파이프에 열을 전달하도록 설치되는 흡수판을 포함하고,
    상기 반사판은,
    폴리싱 처리된 알루미늄 시트, 스테인레스스틸 시트, 구리 시트 중 어느 하나로 이루어지고,
    상기 흡수판은,
    알루미늄판, 스테인레스스틸판, 구리판 중 어느 하나로 이루어지고, 질화산소가 코팅되는 것을 특징으로 하는 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열매체파이프는,
    상기 진공관을 길이방향으로 관통하는 열교환파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체파이프는 상기 진공관의 길이방향으로 삽입되는 U자 튜브로 이루어지고,
    상기 반사판은 상기 U자 튜브의 나란한 양측에 각각 대응되도록 다수로 설치되며,
    상기 흡수판은 상기 반사판 각각과 상기 U자 튜브의 나란한 양측 사이마다 설치되도록 다수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡률타입 반사판을 가지는 내집광 진공관식 태양열 집열기.
  6. 삭제
  7. 삭제
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