KR101336617B1 - Solar energy collection apparatus and method - Google Patents

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Abstract

태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하는 장치로서 실질적으로 원형의 개구를 가지고 태양 에너지 집속기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 실질적으로 원형의 개구를 구비한 신장된 캐비티로 정의되는 등온체(isothermal body)를 포함하며, 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비한다. 원형 개구는 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 수직이 되며, 태양 에너지 집속기의 주축과 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어진다. 상기 등온체내에서 생성된 열은 히트 싱크에 대하여 열 결합된 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 한다. 상기 캐비티의 길이는 캐비티로 인입되는 태양광선내 에너지의 일정 비율을 흡수하기에 충분한 길이로 캐비티 개구 직경의 약 5 내지 9 배이다. 사용된 재료에 따라, 상기 등온체는 캐비티 벽들의 반사율을 유지하도록 하기 위하여 환원성 대기내에서 차폐될 수 있다.An apparatus for collecting heat from a solar energy collector, an isotherm defined by an elongated cavity having a substantially circular opening and having a substantially circular opening having a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector. isothermal body), the cavity having reflective walls such that the sun rays in contact with the reflective wall are substantially reflected. The circular opening is located at the focal point of the solar energy collector and is perpendicular to the main axis of the solar energy collector, and is aligned in a direction to be aligned with the main axis of the solar energy collector. Heat generated in the isothermal body is absorbed by the heat sink thermally coupled to the heat sink. The length of the cavity is about 5 to 9 times the cavity opening diameter in a length sufficient to absorb a certain percentage of the energy in the sun that enters the cavity. Depending on the material used, the isotherm may be shielded in a reducing atmosphere to maintain the reflectivity of the cavity walls.

Description

태양 에너지 수집 장치 및 방법{Solar energy collection apparatus and method}Solar energy collection apparatus and method

본 발명은 태양 에너지 분야에 속하며, 특히 열-화학, 열-기계학적 또는 기타 다른 열 프로세스를 목적으로 집광된 태양 광 방사 에너지를 수집하는 것에 관한 것이다.The present invention belongs to the field of solar energy, and in particular relates to the collection of concentrated solar radiation energy for thermo-chemical, thermo-mechanical or other thermal processes.

오늘날에는 많은 열 구동 프로세스들을 위하여 재생 가능 태양열 에너지를 동력화하는 것에 대하여 상당히 많은 관심이 모아지고 있다. 이것들에는 스털링 엔진(sterling engine) 또는 스팀 터빈 전력 생성 시스템(steam turbine power generation system), 열화학 개질(reforming), 열균열, 프로세스 히팅, 일반 히팅, 재료 처리, 등과 같은 열-기계 분야가 포함된다. 태양열 수집 시스템은 보통 태양이 충분히 받아들일 수 있는 장소에 위치하게 된다. 통상의 시스템 미러들내에는 플랫-세그멘트형(flat-segmented) 또는 커브형(curved)의 미러들이 포물면(parabolic) 또는 홈통(trough)내에 배치되어 입사되는 태양 방사 에너지를 미리 지정된 표적 상에 집광한다. 태양이 하늘을 가로지르는 동안 트래킹 제어 시스템들 또는 미리 프로그래밍된 알고리즘이 미러들을 이동시킴으로써 요구되는 광학적 형상을 유지하도록 하고 있다.There is a great deal of attention today for powering renewable solar energy for many thermal drive processes. These include thermo-mechanical applications such as sterling engines or steam turbine power generation systems, thermochemical reforming, thermal cracking, process heating, general heating, material processing, and the like. Solar collection systems are usually located in a location where the sun is sufficiently acceptable. In conventional system mirrors, flat-segmented or curved mirrors are disposed in a parabolic or trough to focus incident solar radiation on a predetermined target. . While the sun traverses the sky, tracking control systems or pre-programmed algorithms keep the optical shape required by moving the mirrors.

상기 표적은 보통 캐비티(cavity) 또는 얕은 접시(shallow dish)와 같은 형상을 이루고 이 표적으로 집광된 광원뿔(light cone)이 유도된다. 상기 캐비티는 통상 작업 공정상으로 흡수된 열을 운반하기 위한 냉각재가 흘러들어 가게 되는 복수 개의 튜브들과 함께 배치된다. 미국특허번호 제5,113,659호에서와 같은 일정한 캐비티 디자인은 열에너지를 복수 개의 자유 피스톤 스털링 제너레이터들(free piston sterling generators)로 운반하기 위하여 캐비티내에 일련의 핫슈(hot shoes)들을 통합적으로 포함하고 있다. 어떤 열-화학 공정에서는 투광성 프로세스 튜브내의 촉매 베드들(catalyst beds)을 직접 가열하기 위하여 이미지 파이어볼(image fireball)이 적용되는데, 이는 촉매 소결 및 열악한 공정 온도 제어의 원인이 되는 핫스팟들(hotspots)을 종종 유발한다.The target is usually shaped like a cavity or shallow dish, and a light cone focused on this target is induced. The cavity is typically arranged with a plurality of tubes into which coolant for carrying the absorbed heat flows into the working process. Certain cavity designs, such as in US Pat. No. 5,113,659, incorporate a series of hot shoes in the cavity to deliver thermal energy to a plurality of free piston sterling generators. In some thermo-chemical processes, image fireballs are used to directly heat the catalyst beds in the translucent process tube, which causes hotspots that cause catalyst sintering and poor process temperature control. Often causes

이러한 모든 수집 구조들에서는 열교환 및 캐비티 변수에 대해서 스폿 사이즈 및 모양이 가공되어야 한다. 국부적인 오버히팅 현상들을 방지하기 위해서는 종종 파이어볼을 디포커싱시키거나 균일한 히트존을 제공하기 위하여 복수 개의 파이어볼 이미지들을 공정 열교환 튜브들이 자리 잡고 있는 곳으로 스큐드(skewed)시킨다. 이는 표적상의 최적 초점보다 작고 확대된 태양 이미지 크기로 인하여 고열 방사면의 면적 증가가 수반되면서 방사 손실을 증가시키게 된다.In all these collection structures the spot size and shape must be machined for heat exchange and cavity parameters. To prevent local overheating phenomena often skew a plurality of Fireball images to where process heat exchange tubes are located to defocus the fireball or provide a uniform heat zone. This is accompanied by an increase in the area of the high heat radiation plane due to the enlarged solar image size which is smaller than the optimal focal point on the target, increasing radiation loss.

태양 집약 기술의 규모와 코스트는 전체적인 생산 변환 효율에 크게 관계되므로, 모든 태양 집약 시스템의 목표는 최소한의 가능한 태양 집약 면적에서 최대로 생산물을 생산하는 것이다. 이러한 목적을 이루기 위한 핵심 요소는 재방사로 인한 기생 손실(parasitic losses)을 최소화하는 것이다.Since the scale and cost of solar-intensive technology is highly related to the overall production conversion efficiency, the goal of any solar-intensive system is to produce the maximum yield at the lowest possible solar-intensive area. A key factor in achieving this goal is to minimize parasitic losses due to re-radiation.

수집 수단은 요구되는 공정온도와 관계되는데, 저급 열 응용분야의 경우에는 홈통 리플렉터들(trough reflectors)가 적용되고, 보다 높은 온도의 경우에는 포물면 집광기가 적용된다. 스팀 시스템은 화씨 800K 미만의 약한 온도에서 동작할 수 있지만, 높은 평형 계수를 얻기 위하여 노력하는 열화학 분야에서는 실질적으로 보다 높은 온도를 요구할 수 있다. 불행하게도 공정온도가 상승함에 따라 기생 방사 손실은 스테판의 법칙(Stefan's Law)인

Figure 112007043641010-pct00001
을 따른다. 그리하여 열방사로 인한 손실은 공정 온도인 표적의 절대온도가 두 배가 되면 16 곱 상승하게 된다. 이는 가능한 파이어볼 이미지를 최소화하거나 흑점 면적이 집광된 태양 이미지와 같게 캐비티 수신기 구조를 최적화하는 것과 연동하여 태양 집광을 최대로 함으로써 최소 방사 손실을 실현할 수 있게 된다.The collecting means are related to the required process temperature, trough reflectors for low heat applications and parabolic condensers for higher temperatures. Steam systems can operate at weak temperatures below 800K Fahrenheit, but may require substantially higher temperatures in thermochemistry that strive to achieve high equilibrium coefficients. Unfortunately, as the process temperature rises, the parasitic radiation losses are Stefan's Law.
Figure 112007043641010-pct00001
. Thus, the loss due to thermal radiation rises 16 times when the absolute temperature of the target, which is the process temperature, is doubled. This can be achieved by minimizing the possible fireball image or by optimizing the cavity receiver structure, such as sun image condensed with sunspot area, to maximize solar condensation to achieve minimal radiation losses.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제를 극복한 태양열 수집 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a solar collection device and method which overcomes the above problems of the prior art.

본 발명의 제1 실시예에 따르면 태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 실질적으로 원형의 개구를 가지고 태양 에너지 집속기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 실질적으로 원형의 개구를 구비한 신장된 캐비티로 정의되는 등온체(isothermal body)를 포함하며, 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비한다. 상기 등온체는 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어진다. 상기 등온체는 히트 싱크에 대하여 열 결합 되어 상기 등온체내에서 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 한다. 상기 캐비티의 길이는 캐비티로 인입되는 태양광선내 에너지의 일정 비율을 흡수하기에 충분한 길이를 가진다.According to a first embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from a solar energy concentrator and transferring the collected heat to a heat sink. The device comprises an isothermal body defined by an elongated cavity having a substantially circular opening and having a substantially circular opening having a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector, the cavity The reflective walls have reflective walls such that the sun rays contacting the reflective walls are substantially reflected. The isotherm is aligned in a direction such that the circular opening is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the major axis of the solar energy collector, so that it is substantially aligned with the major axis of the solar energy collector. The isotherm is thermally coupled to the heat sink such that heat generated in the isotherm is absorbed by the heat sink. The length of the cavity has a length sufficient to absorb a certain percentage of the energy in the sunlight that enters the cavity.

본 발명의 제2 실시예에 따르면 태양으로부터의 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 태양 에너지 집속기 및 태양 에너지 집속기 초점의 직경과 실질적으로 동일한 직경의 원형 개구를 가지는 실질적으로 실린더형 캐비티로 정의되는 등온체를 포함하며, 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비한다. 상기 등온체는 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어진다. 상기 등온체는 그 등온체내에서 생성된 열이 히트싱크에 의하여 흡수되도록 열결합되도록 맞추어지며, 캐비티의 길이는 원형 개구 직경의 5 내지 9 배이다.According to a second embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from the sun and transferring the collected heat to a heat sink. The device comprises an isotherm defined as a substantially cylindrical cavity having a diameter opening having a diameter substantially equal to the diameter of the solar energy collector and the solar energy collector focal point, wherein the cavity has a Reflective walls are provided to reflect substantially. The isotherm is aligned in a direction such that the circular opening is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the major axis of the solar energy collector, so that it is substantially aligned with the major axis of the solar energy collector. The isothermal body is adapted to be thermally coupled such that heat generated in the isothermal body is absorbed by the heat sink, and the length of the cavity is 5 to 9 times the diameter of the circular opening.

본 발명의 제3 실시예에 따르면 히트 싱크로 전달하기 위하여 태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 태양 에너지 수집기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경의 실질적으로 원형 개구를 가지는 신장된 캐비티로 정의되는 등온체를 제공하는 것을 포함한다. 상기 캐비티는 벽들에 닿는 태양광선들이 실질적으로 반사되도록 하는 반사벽들을 구비하고, 상기 등온체를 실질적으로 태양 에너지 수집기의 초점에 원형 개구가 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대하여 실질적으로 수직이 되도록 향하게 하여 태양 에너지 집속기의 주축과 캐비티의 축이 실질적으로 얼라인 되도록 하며, 태양 광선내에 포함된 에너지의 일정 비율이 상기 반사벽에 의하여 흡수될 때까지 각 태양 광선에 포함되어 있는 에너지의 일부가 각 접촉점에서 반사벽에 의하여 흡수되도록 반사벽상의 제1 접촉점으로부터 반사벽상의 제2 접촉점과 반사벽 상의 복수 개의 연속된 접촉점들로 태양 광선을 반사시키며, 상기 등온체내에서 흡수된 태양 광선 에너지에 의하여 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 히트 싱크를 상기 등온체와 열적으로 결합시킨다.According to a third embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from a solar energy concentrator for transfer to a heat sink. The apparatus includes providing an isotherm defined by an elongated cavity having a substantially circular opening of diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector. The cavity has reflective walls that allow the sun rays that hit the walls to be substantially reflected and direct the isotherm such that a circular opening is positioned substantially at the focal point of the solar energy collector and substantially perpendicular to the main axis of the solar energy collector. So that the axis of the solar energy collector and the axis of the cavity are substantially aligned, and some of the energy contained in each of the sun rays is absorbed until a certain percentage of the energy contained in the sun rays is absorbed by the reflecting wall. Reflects the sun's rays from the first contact point on the reflecting wall to the second contact point on the reflecting wall and the plurality of consecutive contact points on the reflecting wall so as to be absorbed by the reflecting wall at the contact point, and is generated by the sunlight energy absorbed in the isotherm The heat sink so that the heat is absorbed by the heat sink It is coupled to the body and a thermal.

태양 복사는 상기 등온체내에 배치된 반사 캐비티내에서 복수의 내부 반사에 의하여 열로 변환되며, 이 캐비티 수신기 조립체는 요구되는 열 공정 또는 히트 싱크에 열적으로 결합되고, 상기 등온체는 열적 변동을 통합시켜 사소한 단열 또는 파이어볼 이미지 편차와 무관하게 실질적으로 일정한 온도를 가지고 결합된 공정을 제공할 수 있도록 충분한 질량을 가진다. 캐비티 개구는 광원뿔이 캐비티 입구에서 최소의 직경이 되도록 주광축상에 있는 포물면 태양 에너지 집속기의 초점에 위치한다. Solar radiation is converted into heat by a plurality of internal reflections in a reflective cavity disposed within the isothermal body, the cavity receiver assembly being thermally coupled to the required thermal process or heat sink, and the isotherm incorporates thermal fluctuations. Sufficient mass to provide a combined process with a substantially constant temperature independent of minor thermal insulation or fireball image variations. The cavity opening is located at the focal point of the parabolic solar energy concentrator on the main optical axis such that the cone of cone is of minimum diameter at the cavity inlet.

계적 구성은 전체적으로 구리와 같은, 그러나 그에는 한정되지 않는, 화학적으로 환원 가능한 재료를 구비하고나 전체적으로 그렇게 이루어지는 두꺼운 벽을 둔 공동 원통 클래드(hollow cylinder clad)와 닮은 구조이다.The hierarchical configuration resembles a hollow walled cylinder clad with a thick-walled, chemically reducible material such as, but not limited to, copper as a whole.

상기 등온체는 캐비티의 개구단이 태양 에너지 집속기로부터의 초점상에서 광원뿔을 차단하는 상태에서 열 공정에 열적으로 결합되어 있다. 태양 유동은 캐비티로 인입되어 다수의 내부 반사를 겪게 되면서 고르게 퍼지고 점차 복사 에너지가 줄어즐면서 수신기의 등온체에 의하여 그리로 흡수되고 공정으로 전달된다. 캐비티 벽의 반사율은 불활성 분위기 또는 국부적 환원성 대기(reducing local atmosphere)에서 일정하게 유지된다.The isotherm is thermally coupled to the thermal process with the open end of the cavity blocking the cone of light on the focal point from the solar energy concentrator. Solar flow enters the cavity, undergoes a number of internal reflections, spreads evenly and gradually decreases in radiant energy, absorbed therein by the receiver's isotherm, and transferred to the process. The reflectivity of the cavity walls remains constant in an inert atmosphere or in a reducing local atmosphere.

상술한 본 발명의 목적 및 효과들과 부가적인 목적 및 효과들은 바람직한 실시예들의 상세한 설명에서 보다 온전하게 이해될 것이며, 도면상에서 동일한 참조 부호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.The above objects and effects, as well as additional objects and effects, will be more fully understood in the detailed description of the preferred embodiments, wherein like reference numerals designate like elements in the drawings.

도 1 및 도 2는 스털링 엔진을 전기적 변환기로 구동하도록 이루어진 종래 기술의 태양열 수집 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.1 and 2 show the structure of a prior art solar collection system adapted to drive a Stirling engine with an electrical transducer.

도 3은 종래 기술에서 태양 에너지 집속을 허용 가능한 수준으로 줄이기 위하여 사용되는 방사상으로 스큐드된 태양 에너지 수집기의 표적 조사를 나타낸 도면이다.FIG. 3 shows a target survey of radially skewed solar energy collectors used in the prior art to reduce solar energy focus to an acceptable level.

도 4는 종래 기술과 본 발명에서의 방사상 흐름 분포를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the radial flow distribution in the prior art and the present invention.

도 5는 표적 온도 및 면적과 관련된 흑체 열 복사 손실(blackbody thermal radiation loss)을 나타낸 도시한 도면이다.FIG. 5 shows blackbody thermal radiation loss associated with target temperature and area. FIG.

도 6은 스털링 엔진 구동 제너레이터 시스템 내에 적용된 본 발명의 실시예를 나타낸 측단면도이다.6 is a side cross-sectional view showing an embodiment of the present invention applied in a Stirling engine driven generator system.

도 7은 과열(overheating) 응용 분야에서 다른 실시예를 나타낸 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view showing another embodiment in an overheating application.

도 8 및 도 9는 열-화학 반응 시스템에 적용된 본 발명의 일실시예의 측단면도이다.8 and 9 are side cross-sectional views of one embodiment of the present invention applied to a thermo-chemical reaction system.

도 10은 코액셜 캐비티로 정의되는 본 발명의 등온체를 나타낸 아이소메트릭 투시도이며, 단일 광 경로 및 캐비티 동작 기본 원리를 나타내고 있다.10 is an isometric perspective view of the isotherm of the present invention, defined as a coaxial cavity, illustrating a single light path and the principle of cavity operation.

도 11은 내부 광선 경로를 나타낸 도 10의 열 전도체의 단부를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is an end view of the thermal conductor of FIG. 10 showing an inner ray path. FIG.

도 1 및 도 2에는 열 엔진 및 전기 생성 결합 구조를 구동하는 종래의 태양 열 수집 시스템을 도식적으로 나타내었다. 태양 열 수집 시스템은 넓은 다양한 목적으로 열을 공급하는데 사용되고, 수집된 열은 원칙적으로 그 내부에 열을 소모하는 도시된 열 엔진과 같은 히트 싱크로 전달된다. 공정 온도는 목적에 따라 변동되며, 상기 시스템은 모든 수집된 열이 히트 싱크에 의하여 일단은 공정 온도가 약 100℃에서 1400℃ 또는 그 이상에서 일정 온도로 떨어지도록 설계된다.1 and 2 schematically show a conventional solar collection system for driving a heat engine and an electricity generating coupling structure. Solar heat collection systems are used to supply heat for a wide variety of purposes, and the collected heat is in principle transferred to a heat sink such as the illustrated heat engine that consumes heat therein. The process temperature varies with purpose, and the system is designed such that all collected heat is once dropped by the heat sink to a constant temperature from about 100 ° C. to 1400 ° C. or more.

이 예제에서 태양 빔의 태양 광선(7)중에서 태양 에너지 복사(1)는 태양 에너지 집속부에 의하여 반사되고, 캐비티(11)내 포물면 집속기(2)의 초점상에 위치한 표적(8)상으로 포커싱된다. 표적(8)은 포물면 태양 에너지 수집기(2)의 주축(9)이 광원뿔을 차단하도록 그 주축(9)에 대하여 대칭이도록 배치되는 복수 개의 금속 튜브(3)들로 구성된다. 열 전달 손실을 줄이기 위하여 석영 윈도우(5)가 표적(8)을 덮도록 한다. 튜브들상에서 방사 흡수에 의하여 생성된 열을 제거하기 위하여 냉각재가 튜브들(3)을 따라 흘러 이 열을 전도에 의하여 열 엔진(4)으로 전달한다. 이 예제에서는 열 엔진에 의한 변환된 기계적 에너지는 샤프트(10)에 의하여 제너레이터(6)로 교신되고, 이 기계적 에너지는 전기적 에너지로 변환된다.In this example the solar energy radiation 1 in the sun beam 7 of the sun beam is reflected by the solar energy concentrator and onto the target 8 located on the focal point of the parabolic concentrator 2 in the cavity 11. Focused. The target 8 consists of a plurality of metal tubes 3 arranged so as to be symmetrical about the main axis 9 so that the main axis 9 of the parabolic solar energy collector 2 blocks the light cone. The quartz window 5 covers the target 8 to reduce heat transfer loss. Coolant flows along the tubes 3 to remove heat generated by radiation absorption on the tubes and transfers this heat to the heat engine 4 by conduction. In this example, the mechanical energy converted by the heat engine is communicated to the generator 6 by the shaft 10, which is converted into electrical energy.

이 예제에서 태양 유동성 강도 수준을 열교환 설계 한계치로 줄이기 위한 노력으로, 표적(8)상으로 향하는 흐름 분포는 관상(tubular) 열교환 구조상에 복수 개의 파이어볼 이미지들을 스큐잉(skewing)함으로써 도 3에 나타낸 것과 같은 환상 고리로 나타난다. 도 4에서 곡선들 W는 도 3의 스큐잉된 파이어볼 이미지들에 의하여 유발된 표적(8)에서의 결과적인 방사 유동성 분포를 도식적으로 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 표적 내에서 근사적으로 원형 부분은 실질적으로 태양 광선(7)에 노출되지 않는다. 그리하여 표적(8)상 태양 빔(7)의 집속은 조사된 표적 면적이 증가됨에 의하여 감소된다.In an effort to reduce the solar fluidity strength level to the heat exchange design limit in this example, the flow distribution towards the target 8 is shown in FIG. 3 by skewing a plurality of Fireball images onto a tubular heat exchange structure. Appears as an annular ring, such as Curves W in FIG. 4 diagrammatically show the resulting radial flow distribution at the target 8 caused by the skewed Fireball images of FIG. 3. As shown in FIG. 3, approximately circular portions within the target are substantially not exposed to the sun's rays 7. Thus the focusing of the sun beam 7 on the target 8 is reduced by increasing the irradiated target area.

태양 에너지 집속은 통상 "suns"의 단위로 측정된다. 1 sun은 태양에 수직인 단위 면적상에 조사되는 에너지를 나타내며, 이는 대략 제곱 미터당 1000 와트(W/m2)가 된다. 계속해서 예를 들면 초점에서의 가능한 태양 에너지 집속은 대략 5500 suns가 될 것이어서 열교환 튜브(3)는 그 집속부에서 만들어지는 열을 견디지 못하게 될 것이다. 열교환의 열전달 변수들과 함께 열 용량과 냉각재의 부피 흐름이 주어질 때, 최대 안전 태양 집속은 대략 877 suns 또는 877000 W/m2 로 제한된다. 태양 집속 메카니즘을 줄이기 위하여 포물면 집속기(2)를 스큐잉함으로써 보다 넓은 면적이 조사되어지고 그러면 태양 집속도는 줄어들게 되어, 설계 한계 범위 내에서 교환기의 온도는 유지되면서 요구되는 열 전달에 영향을 주게 된다. Solar energy focusing is usually measured in units of "suns". One sun represents the energy irradiated on a unit area perpendicular to the sun, which is approximately 1000 watts per square meter (W / m 2 ). Continuing, for example, the possible solar energy focus at the focal point would be approximately 5500 suns so that the heat exchange tube 3 would not withstand the heat generated at that focus. Given the heat capacity of the heat exchange and the volumetric flow of coolant, the maximum safe solar focus is limited to approximately 877 suns or 877000 W / m 2 . By skewing the parabolic concentrator 2 to reduce the solar focusing mechanism, a larger area is irradiated and the solar focusing rate is reduced, thus affecting the required heat transfer while maintaining the temperature of the exchanger within the design limits. do.

표적 크기를 증기시키면 주어진 온도에서의 방사 손실이 증가되고 태양 에너지 수집기의 효율이 감소된다. 도 5에 나타낸 바와 같이 1.0의 방사율에서 표적 재방사로 인한 에너지 손실의 크기는 실질적으로 공정 온도와 표적의 방사 면적에 영향을 주게 된다. 도 1 및 도 2에 나타낸 위에서의 예에서, 표적(8)의 직경은 15 인치이고 대략 177 제곱 인치의 표적 면적(실질적으로 태양 광선(7)에 노출되지 않는 표적의 중심 부분의 원형 부분을 포함)에서 태양 에너지 집속은 877 suns가 될 수 있다. Vaporizing the target size increases radiation loss at a given temperature and reduces the efficiency of the solar energy collector. As shown in FIG. 5, the magnitude of energy loss due to target re-radiation at an emissivity of 1.0 substantially affects the process temperature and the radiation area of the target. In the example above from FIGS. 1 and 2, the diameter of the target 8 is 15 inches in diameter and includes a target area of approximately 177 square inches (the circular portion of the center portion of the target that is not substantially exposed to the sun's rays 7). At) the solar energy concentration can be 877 suns.

초점에서의 단일 파이어볼을 집속하기 위하여 포물면 태양 에너지 집속기(2)를 재배치함으로써 표적은 대략 6 인치의 직경을 가질 수 있고, 그로써 대략 28 제곱 인치의 표적 면적 상의 초점에서 태양 에너지 집속은 5500 suns이 된다. 즉 표적 면적을 대략 6.25의 비율로 줄일 수 있고 따라서 집속은 6.25의 비율로 증가된다.By repositioning the parabolic solar energy concentrator 2 to focus a single fireball at the focal point, the target can have a diameter of approximately 6 inches, whereby the solar energy focus is at 5500 suns at the focal point on the target area of approximately 28 square inches. Becomes In other words, the target area can be reduced at a rate of approximately 6.25 and thus the focusing is increased at a rate of 6.25.

도 5에 나타낸 바와 같이 표적 크기를 15 인치에서 6 인치로 줄임에 의하여 850℃의 공정 온도에서 방사 손실은 13%에서 2%로 줄일 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 보다 큰 표적에서의 방사 손실은 공정 온도가 상승되면서 급격히 증가되는 반면, 적은 표적에 대하여 방사 손실은 휠씬 적게 증가하게 된다.By reducing the target size from 15 inches to 6 inches as shown in FIG. 5, the radiation loss can be reduced from 13% to 2% at a process temperature of 850 ° C. As shown in FIG. 5, radiation losses at larger targets increase rapidly as the process temperature increases, while radiation losses increase even less for smaller targets.

이러한 데이터는 도시된 온도에서의 흑체 태양열 수신기 설계와 부합하는 열역학적 실제이다. 하지만 태양 에너지 집속이 너무 높아지면 실제로 그러한 보다 적은 직경의 수집기를 만들 때 문제가 생긴다.These data are thermodynamic realities consistent with the blackbody solar receiver design at the temperatures shown. However, if the solar energy concentration is too high, problems actually arise when making such a smaller diameter collector.

도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양 에너지 수집기로부터 열을 수집하여 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 도시하였다. 도시한 실시예에서의 히트 싱크는 도 1 및 도 2의 그것과 유사한 스털링 엔진 제너레이터이다.FIG. 6 illustrates an apparatus for collecting heat from a solar energy collector and transferring the collected heat to a heat sink according to an embodiment of the present invention. The heat sink in the illustrated embodiment is a Stirling engine generator similar to that of FIGS. 1 and 2.

여기서 스큐잉 집속기 대신에 포물면 집속기(2)에 의하여 집속된 태양 에너지 방사(1)는 신장된 캐비티(13)의 개구 입구에 단일 파이어볼로 날카롭게 포커싱된다. 여기서 태양 에너지 집속은 최대가 되고 표적의 직경과 캐비티(13)의 개구 입구의 직경은 최소가 된다. 도 4에서 곡선(S)은 단일 파이어볼 이미지에 대하여 표적(8)에서의 결과적인 방사 흐름을 나타낸다.The solar energy radiation 1 focused here by the parabolic collector 2 instead of the skew collector is sharply focused in a single fireball at the opening inlet of the elongated cavity 13. Here, the solar energy focus is maximized and the diameter of the target and the diameter of the opening inlet of the cavity 13 are minimum. Curve S in FIG. 4 shows the resulting radial flow at target 8 for a single Fireball image.

캐비티(13)의 개구는 태양 에너지 수집기(2)의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가진다. 캐비티(13)는 원형 개구가 태양 에너지 수집기(2)의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기(2)의 주축(9)에 대하여 실질적으로 수직이 되며 캐비티(13)의 축은 실질적으로 주축(9)과 얼라인되도록 배향된다.The opening of the cavity 13 has a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector 2. The cavity 13 has a circular opening at the focal point of the solar energy collector 2 and is substantially perpendicular to the main axis 9 of the solar energy collector 2 and the axis of the cavity 13 is substantially parallel to the main axis 9. Oriented to be aligned.

캐비티(13)는 스테인리스 스틸 또는 그와 유사한 재질로 만들어진 등온체(12) 내로 한정된다. 캐비티(13)는 화학적 환원 상태에서 우수한 반사율을 보이고 뛰어난 열전도율을 보이는 구리와 같은 메탈 라이너(32)로 대어진다. 대안적으로 상기 등온체(12)는 전체적으로 화학적으로 환원되고 열적으로 전도성 물질인 구리로 구성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 어찌되었든 캐비티(13)는 상기 벽들에 접촉하는 태양 광선(7)이 실질적으로 반사되도록 하는 반사벽들을 구비한다. 캐비티(13) 내에서 광선의 복수 차 반사는 캐비티(13) 내의 벽들에서 태양 광선을 열로 변환하며, 이 열은 전도에 의하여 등온체(12)로 전달되어 그 온도를 상승시켜 이 열 에너지를 히트 싱크 공정에서 사용할 수 있게 한다.The cavity 13 is confined within an isotherm 12 made of stainless steel or similar material. The cavity 13 is treated with a metal liner 32, such as copper, which exhibits good reflectivity and excellent thermal conductivity in a chemically reduced state. Alternatively, the isotherm 12 may be made of copper, which is chemically reduced and thermally conductive as a whole, but is not limited thereto. In any case, the cavity 13 has reflective walls that allow the sun beam 7 in contact with the walls to be substantially reflected. The multiple order reflection of light rays in the cavity 13 converts the sun's rays into heat at the walls in the cavity 13, which is transferred to the isotherm 12 by conduction, raising its temperature to heat this heat energy. It can be used in sink processes.

반사벽에 접촉하는 태양 광선(7)이 반사벽상의 제1 접촉점으로부터 반사벽상의 제2 접촉점과 반사벽상의 다수의 연속 접촉점들로 반사됨에 의하여 수신기의 실효 면적은 캐비티의 개구 면적에서 캐비티의 벽 면적으로 증가된다. 캐비티는 캐비티의 개구에 비하여 신장되어 있기 때문에 벽에서 벽으로 반사하고 그리하여 흡수되기 전에 개구를 통해 빠져나가는 태양 광선의 비율은 적다.The effective area of the receiver is reflected by the sun rays 7 in contact with the reflecting wall from the first contact point on the reflecting wall to the second contact point on the reflecting wall and the plurality of continuous contact points on the reflecting wall. Increased to area Because the cavity is elongated relative to the opening of the cavity, there is a small percentage of the sun's rays exiting through the opening before it is reflected from the wall to the wall and thus absorbed.

흡수되는 태양 에너지의 비율은 캐비티의 길이를 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다. 광선의 전체 흡수는 비현실적이지만 반사 캐비티(13)의 길이가 캐비티 입구의 개구 직경의 5 내지 9 배가 되면 캐비티의 길이는 캐비티로 들어오는 태양 광선의 일정 유의한 비율을 흡수하기에 충분한 것이 일반적이다. 실험에서는 반사 캐비티(13)의 길이가 캐비티 입구 개구 직경의 대략 7 배에서 흑체 흡수의 아주 우수한 근사를 구현한 것으로 나타났다. 그러한 구조에서는 태양 에너지의 95%가 흡수된다.The proportion of solar energy absorbed can be increased by increasing the length of the cavity. The total absorption of the light rays is impractical, but when the length of the reflective cavity 13 is 5 to 9 times the diameter of the opening of the cavity inlet, the length of the cavity is generally sufficient to absorb a certain significant proportion of the sun's rays entering the cavity. Experiments have shown that the length of the reflective cavity 13 achieves a very good approximation of blackbody absorption at approximately seven times the diameter of the cavity inlet opening. In such a structure, 95% of the solar energy is absorbed.

캐비티(13) 길이의 증가는 흡수되는 태양 광선의 비율을 증가시키게 될 것이지만, 등온체(12)의 길이도 역시 증가하게 된다. 등온체(12)의 크기가 증가하면 등온체로부터의 전도성 열 손실 역시 증가하고 등온체(12)의 확장된 표면적을 통한 전도 손실에 의하여 방사 저감에서의 이득이 제한된다. 캐비티(13) 길이의 감소는 보다 큰 광선 비율이 캐비티(13) 밖으로 반사되어 손실되게 됨으로써 흡수되는 태양 광선(7) 에너지 비율의 감소를 초래한다. Increasing the length of the cavity 13 will increase the proportion of sun light absorbed, but the length of the isotherm 12 will also increase. Increasing the size of the isotherm 12 also increases the conductive heat loss from the isotherm and limits the gain in radiation reduction by conduction loss through the expanded surface area of the isotherm 12. The reduction of the cavity 13 length results in a decrease in the energy ratio of the sun rays 7 absorbed by the larger light ratio being reflected off the cavity 13 and lost.

산화되면 반사율이 줄어들게 되고 그럼으로써 장치의 효율을 떨어뜨리게 되는 노출된 금속성 부품의 화학적 변형 때문에 캐비티(13)는 국부적 환원성 대기내에서 보존된다.When oxidized, the reflectance is reduced and the cavity 13 is preserved in the local reducing atmosphere because of the chemical deformation of the exposed metallic parts, thereby reducing the efficiency of the device.

도 10 및 도 11에는 모든 열 추출 수단들을 배제한 본 발명의 등온체(12)와 캐비티(13)를 나타내었으며, 여기서 태양 광빔(7)의 단일 광 경로를 따라가 보면 캐비티(13)의 입구(20)를 통과하여 캐비티(13)의 반사벽에 부딛치게 된다.10 and 11 show an isotherm 12 and a cavity 13 of the present invention excluding all heat extraction means, where a single light path of the solar light beam 7 is followed by an inlet ( It passes through 20 and hits the reflective wall of the cavity 13.

이 예제에서 태양 광선(7) 또는 광자는 최종적으로 캐비티 벽에 의하여 흡수되기 까지 많은 반사를 겪게 되고, 그 에너지가 등온체(12)로 전달되어 그 내부 에너지 또는 온도를 상승시키게 된다.In this example, the sun's rays 7 or photons undergo a lot of reflection until they are finally absorbed by the cavity wall, and their energy is transferred to the isotherm 12 to raise its internal energy or temperature.

도 10 및 도 11에서 나타낸 광자에 의하여 따르게 되는 경로는 단지 설명의 목적으로 나타낸 것으로 무수한 가능한 경로들중의 하나에 불과하다. 캐비티 입구로 향하는 가우시안 빔 프로파일을 가지는 집광된 광 에너지는 캐비티내에서 모든 가능한 경로를 따라 가면서 그 내에서 열을 고르게 분포시키게 된다.The path followed by the photons shown in FIGS. 10 and 11 is shown for illustrative purposes only and is one of countless possible paths. Condensed light energy with a Gaussian beam profile directed to the cavity inlet will follow all possible paths within the cavity and evenly distribute heat therein.

등온체(12)의 온도가 증가하면서 노출면(14)은, 그 방사율과 면적에 따라, 총 기생 손실에 기여하는 에너지를 방사하게 된다. 표면 방사율을 저감시킴으로써 열 방사 손실을 저감시키기 위한 노력으로 도 6 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 노출면 또는 캐비티 개구와 등온체의 외부 모서리 사이 등온체(12)의 모든 노출면을 덮는 구리와 같은 유사 환원성 재료의 실드(30)를 구성하는 것이 유리하다. 화학적으로 환원성 및 유사한 실드들은 공정 온도에서 노출된 모든 부품들을 덮는데 사용될 수 있다.As the temperature of the isotherm 12 increases, the exposed surface 14 emits energy that contributes to the total parasitic loss, depending on its emissivity and area. Similar to copper, covering all exposed surfaces of the isotherm 12 between the exposed surface or cavity opening and the outer edge of the isotherm as shown in FIGS. 6-9 in an effort to reduce thermal radiation loss by reducing surface emissivity. It is advantageous to construct the shield 30 of the reducing material. Chemically reducible and similar shields can be used to cover all exposed parts at the process temperature.

도 7에는 증기 또는 가열 공정의 작동 유체에 사용되는 과열 히팅 배치 구조를 나타내었다. 상술한 바와 같이 기술된 태양 에너지는 다수의 내부 캐비티 반사와 흡수 메카니즘에 의하여 흡수되고, 이는 등온체(12)를 요구되는 공정 온도까지 가열한다. 작동 유체는 참조번호 18의 수신기로 들어가고 등온체(12) 내에 대칭적으로 위치하는 경로 17을 따라 주기적으로 순환하여, 본체로부터 에너지를 흡수해서 참조 번호 19의 요구되는 공정으로 빠져나간다.Figure 7 shows the superheated heating arrangement used for the working fluid of the steam or heating process. The solar energy described as described above is absorbed by a number of internal cavity reflections and absorption mechanisms, which heat the isotherm 12 to the required process temperature. The working fluid enters the receiver of reference 18 and periodically circulates along path 17 located symmetrically within isothermal body 12, absorbing energy from the body and exiting to the required process of reference 19.

도 6 내지 도 9의 실시예에서 모든 요구되는 단열과 함께 환원성 대기(15)를 저장하도록 제공하는 차폐된 인클로저(16)가 제공된다.In the embodiment of FIGS. 6-9 a shielded enclosure 16 is provided which provides for storing the reducing atmosphere 15 with all the desired insulation.

윈도우(5)는 반사 캐비티(13)으로 태양 방사의 유입이 되도록 하며, 인클로저(16)을 위한 가스 봉인을 제공한다.The window 5 allows the entry of solar radiation into the reflective cavity 13 and provides a gas seal for the enclosure 16.

인클로저(16)는 5% 수소 및 동작 온도에서 환원성인 밸런스 필러 가스(balance a filler gas)와 같은 환원성 대기로 채워진다. 질소는 좋은 선택인데, 이는 가격이 저렴하고 높은 동작 온도에서 환원성을 가지기 때문이다. 다른 환원성 가스들로는 아르곤등이 있으며, 이들 역시 사용할 수 있을 것이다.Enclosure 16 is filled with a reducing atmosphere such as 5% hydrogen and a balance a filler gas that is reducing at operating temperature. Nitrogen is a good choice because it is inexpensive and reducible at high operating temperatures. Other reducing gases include argon, which may be used as well.

환원성 대기는 무산소 고전도도(oxygen free high conductivity : OFHC) 구리 또는 그와 유사한 금속 화합물들과 같은 환원 금속들이 요구되는 금속 상태에 있도록 유지시킨다. The reducing atmosphere keeps reducing metals such as oxygen free high conductivity (OFHC) copper or similar metal compounds in the desired metal state.

이러한 상태에서, 반사 캐비티(13)의 라이너(32)의 반사성 표면들과 실드(30)는 낮은 방사율을 유지함으로써 본 발명에서 그들의 기능을 충족하도록 한다. In this state, the reflective surfaces of the liner 32 of the reflective cavity 13 and the shield 30 maintain their low emissivity to meet their function in the present invention.

열 손실을 저감시키기 위하여 환원성 가스를 저장하는 인클로저(16)는 단열된다. 도 6 내지 도 9에서 태양 방사가 캐비티(13)을 가열하면서 캐비티(13)의 금속 벽들을 이루는 금속 캐비티 라이너(32)의 열 팽창은 등온체(12)의 내부벽들에 대해서 높은 압축력을 유발한다. 이러한 부품들 사이의 밀접한 접촉은 라이너(32)와 등온체(12) 사이 금속 경계의 열 저항을 저감시켜 열을 수신하는 등온체(12)로의 열전달을 향상시키고 캐비티 라이너와 수신기 조립체를 실질적으로 등온상태로 만듬에 의하여 캐비티의 최대 정격 광속 밀도(maximum rated flux density)를 증가시킨다.In order to reduce heat loss, the enclosure 16 storing the reducing gas is insulated. In FIGS. 6-9, thermal expansion of the metal cavity liner 32, which forms the metal walls of the cavity 13 as the solar radiation heats the cavity 13, results in a high compressive force against the inner walls of the isotherm 12. . Intimate contact between these components reduces the thermal resistance of the metal boundary between the liner 32 and the isotherm 12 to improve heat transfer to the isotherm 12 receiving heat and substantially isothermal the cavity liner and receiver assembly. By making the state increase the maximum rated flux density of the cavity.

도 8 및 도 9에는 열-화학 반응기를 나타내었으며, 여기서, 집속된 태양 광빔(7)은 석영 윈도우(5)를 통해 가스 밀폐된 인클로저(16)로 들어가고, 다수의 캐비티 반사를 거쳐 태양 광빔(7)의 에너지가 등온체(12)에 의하여 흡수되고 열로 변환된다.8 and 9 show a thermo-chemical reactor, where the focused solar light beam 7 enters the gas sealed enclosure 16 through a quartz window 5 and passes through a plurality of cavity reflections. The energy of 7) is absorbed by the isotherm 12 and converted into heat.

반응 가스는 공급 라인(22)과 예열 채널(24)로 주입된다. 예열 채널들(24)를 빠져나오는 뜨거운 반응체는 촉매 흡열 반응이 일어나는 등온체내의 반응 베드들(25)로 들어간다.The reactant gas is injected into the feed line 22 and the preheat channel 24. The hot reactant exiting the preheat channels 24 enters the reaction beds 25 in the isotherm where the catalytic endothermic reaction takes place.

이러한 예제들에서 산출물들이 튜브(23)에서 등온체를 빠져나온다. 도 6 내지 도 9에 도시한 다른 실시예들은 환원성 금속 또는 세라믹으로 이루어진 고체성 등온체를 포함하여 반사 캐비티 라이너 또는 실드의 필요성을 제거할 수 있다. 다른 환원 가스들과 같이 핵심 부품들의 산화를 방지하는 다른 수단들 또는 전술한 가스들의 농도들을 변경하는 것이 본 발명의 범위내에서 생각되어 질 수 있을 것이 다.In these examples, the outputs exit the isotherm in the tube 23. Other embodiments shown in FIGS. 6-9 can include a solid isotherm made of a reducing metal or ceramic to eliminate the need for a reflective cavity liner or shield. It would be conceivable within the scope of the present invention to change the concentrations of the aforementioned gases or other means of preventing the oxidation of key components, such as other reducing gases.

본 발명의 장치는 방사 손실이 수집된 태양 에너지의 중요한 부분으로 나타나는 보다 높은 공정 온도를 사용하는 곳에 적합하다. 낮은 공정 온도에서는 방사 손실이 덜 중요하여 상기 장치를 사용하는 것 유의성이 있는 이익을 제공하지 않는 것이 통상적이다.The apparatus of the present invention is suitable for use at higher process temperatures where radiation losses represent an important part of the collected solar energy. At low process temperatures, radiation losses are less important and typically do not provide a significant benefit in using the device.

즉 상술한 설명들은 발명의 원리를 설명하기 위한 목적만으로 이해되어질 것이다. 또한 당업자에 의하여 언제라도 많은 변경들 및 수정이 있을 수 있으므로 도시되고 설명된 구성 및 작용 효과 그자체로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 따라서, 모든 그러한 적절한 변경들 및 수정들은 청구된 발명의 범위내에 속하게 되는 것으로 구분되어야 할 것이다.In other words, the above description will be understood for the purpose of illustrating the principles of the invention. It is also not intended to limit the invention to the configurations and effects shown and described per se, as many changes and modifications may occur at any time by those skilled in the art, and therefore, all such suitable changes and modifications are to be considered the scope of the claimed invention. It should be divided into what belongs to.

Claims (20)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 태양 에너지 집속기로부터 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 열 수집 장치에 있어서,A heat collecting device for collecting heat from a solar energy collector and transferring the collected heat to a heat sink, 실질적으로 원형의 개구를 가지고 태양 에너지 집속기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 실질적으로 원형의 개구를 구비한 신장된 캐비티로 정의되고 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비하는 등온체;를 포함하고,An elongated cavity having a substantially circular opening and having a substantially circular opening having a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector is defined as an elongated cavity, wherein the cavity is configured to substantially reflect the sunlight that contacts the reflective wall. An isotherm having reflective walls; 상기 등온체는 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어지고,The isotherm is oriented in a direction such that the circular opening is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the main axis of the solar energy collector, so that the isotherm is substantially aligned with the main axis of the solar energy collector, 상기 등온체는 히트 싱크에 대하여 열 결합 되어 상기 등온체내에서 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 하며,The isotherm is thermally coupled to the heat sink so that heat generated in the isotherm is absorbed by the heat sink, 상기 등온체를 차폐하는 캐비티 반사벽의 산화를 실질적으로 방지하는 작용을 함으로써 반사벽들의 반사율을 유지하도록 하기 위하여 내부에는 환원성 대기를 저장하는 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And an enclosure storing a reducing atmosphere therein to maintain reflectance of the reflecting walls by acting to substantially prevent oxidation of the cavity reflecting wall shielding the isotherm. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 반사벽들은 OFHC 구리를 포함하고, 상기 환원성 대기는 수소 및 필러 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And the reflective walls comprise OFHC copper and the reducing atmosphere comprises hydrogen and filler gas. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 인클로저의 벽들내에는 단열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And heat insulation in the walls of the enclosure. 삭제delete 삭제delete 태양으로부터의 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치에 있어서,An apparatus for collecting heat from the sun and transferring the collected heat to a heat sink, 태양 에너지 집속기; 및Solar energy collector; And 상기 태양 에너지 집속기 초점의 직경과 실질적으로 동일한 직경의 원형 개구를 가지는 실질적으로 실린더형 캐비티로 정의되고 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비하여 이루어며 그 길이는 원형 개구 직경의 5 내지 9 배로 이루어지고, 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어지고, 그 등온체내에서 생성된 열이 히트싱크에 의하여 흡수되어 열결합되도록 맞추어지는 등온체; 및The cavity is defined as a substantially cylindrical cavity having a circular opening having a diameter substantially equal to the diameter of the solar energy focuser, the cavity having reflecting walls such that the sun rays in contact with the reflecting wall are substantially reflected. Is 5 to 9 times the diameter of the circular aperture, the circular aperture is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the major axis of the solar energy collector, substantially aligning with the major axis of the solar energy collector. An isotherm adapted to be aligned in a direction such that the heat generated in the isotherm is absorbed by the heat sink and thermally coupled; And 상기 등온체를 차폐하는 인클로저를 포함하고,An enclosure that shields the isotherm, 상기 인클로저의 내부는 상기 캐비티 반사벽의 산화를 실질적으로 방지하는 작용을 함으로써 반사벽들의 반사율을 유지하도록 하기 위하여 환원성 대기를 저장하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.The interior of the enclosure stores a reducing atmosphere to maintain reflectivity of the reflecting walls by acting substantially to prevent oxidation of the cavity reflecting wall. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 반사벽들은 OFHC 구리를 포함하고, 상기 환원성 대기는 수소 및 필러 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And the reflective walls comprise OFHC copper and the reducing atmosphere comprises hydrogen and filler gas. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 히트 싱크로 전달하기 위하여 태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하는 장치에 있어서,A device for collecting heat from a solar energy concentrator for transfer to a heat sink, 태양 에너지 수집기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경의 실질적으로 원형 개구를 가지는 신장된 캐비티로 정의되어 제공되고 상기 캐비티는 벽들에 닿는 태양광선들이 실질적으로 반사되도록 하는 반사벽들을 구비하여 이루어지는 등온체;를 포함하고,An isotherm defined and provided as an elongated cavity having a substantially circular opening of a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector, the cavity comprising reflective walls that allow the sun rays that strike the walls to be substantially reflected; Including, 상기 등온체를 상기 태양 에너지 수집기의 초점에 원형 개구가 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대하여 실질적으로 수직이 되도록 향하게 하여 태양 에너지 집속기의 주축과 캐비티의 축이 실질적으로 얼라인 되도록 하며,Directing the isotherm to a circular opening at the focal point of the solar energy collector and substantially perpendicular to the main axis of the solar energy collector so that the axis of the solar energy collector and the axis of the cavity are substantially aligned, 태양 광선내에 포함된 에너지의 일정 비율이 상기 반사벽에 의하여 흡수될 때까지 각 태양 광선에 포함되어 있는 에너지의 일부가 각 접촉점에서 반사벽에 의하여 흡수되도록 반사벽상의 제1 접촉점으로부터 반사벽상의 제2 접촉점과 반사벽 상의 복수 개의 연속된 접촉점들로 태양 광선을 반사시키고,The first on the reflective wall from the first contact point on the reflective wall such that a portion of the energy contained in each sun ray is absorbed by the reflective wall at each contact point until a percentage of the energy contained in the sun's rays is absorbed by the reflective wall. 2 reflects the sun's rays into contact points and a plurality of consecutive contact points on the reflecting wall, 상기 등온체내에서 흡수된 태양 광선 에너지에 의하여 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 히트 싱크를 상기 등온체와 열적으로 결합시키며,Thermally coupling the heat sink with the isotherm such that heat generated by the solar energy absorbed in the isotherm is absorbed by the heat sink, 상기 등온체는 그 등온체를 차폐하고 상기 캐비티 반사벽의 산화를 실질적으로 방지함으로써 반사벽들의 반사율을 유지하도록 하기 위하여 내부에 환원성 대기를 저장하는 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And the isotherm includes an enclosure that stores a reducing atmosphere therein to maintain the reflectivity of the reflecting walls by shielding the isotherm and substantially preventing oxidation of the cavity reflecting wall. 제19항에 있어서,20. The method of claim 19, 상기 반사벽들은 OFHC 구리를 포함하고, 상기 환원성 대기는 수소 및 필러 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 수집 장치.And the reflective walls comprise OFHC copper and the reducing atmosphere comprises hydrogen and filler gas.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2927156A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-07 Sycomoreen Sarl Direct solar radiation converting device i.e. hyper-thermic reflector solar concentrator device, for stair building, has mirror collecting beams penetrating in confinement box, where rays are reflected by clearance of complementary mirrors
ITBO20080359A1 (en) * 2008-06-06 2009-12-07 Xelos S R L ENERGY GENERATOR FROM THE SUN
US8707947B2 (en) * 2008-09-25 2014-04-29 Solfast Pty Ltd Solar collector
TW201036185A (en) * 2009-03-27 2010-10-01 tong-qin Su Thermal collection apparatus of solar power generation and thermal collection unit of power generation
MD148Z (en) * 2009-03-27 2010-10-31 Борис ЛАЗАРЕНКУ Solar panel
US8960185B2 (en) 2009-05-08 2015-02-24 Arthur Ashkin Compound collector system for solar energy concentration
US8546686B2 (en) * 2009-05-08 2013-10-01 Arthur Ashkin Solar energy collection system
US8207625B1 (en) 2009-09-28 2012-06-26 Constantine Gus Cristo Electrical power generating arrangement
IT1399952B1 (en) * 2010-04-29 2013-05-09 Magaldi Ind Srl HIGH-LEVEL STORAGE AND TRANSPORTATION AND TRANSPORT SYSTEM OF ENERGY EFFICIENCY
ES2370730B1 (en) 2010-06-02 2012-08-06 Abengoa Solar New Technologies, S.A. SOLAR SERPENTIN RECEIVER FOR STIRLING DISC AND THE MANUFACTURING METHOD.
ES2370731B1 (en) 2010-06-02 2012-08-06 Abengoa Solar New Technologies, S.A. CONCAVE RECEIVER FOR STIRLING DISK AND MANUFACTURING METHOD.
US8701653B2 (en) * 2010-06-22 2014-04-22 Alan J. Spero High energy density thermal storage device and method
JP5621555B2 (en) * 2010-11-30 2014-11-12 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 Solar power generator
WO2013037045A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 Shec Energy Corporation Thermal energy storage system with input liquid kept above 650°c
CN102628410A (en) * 2011-11-17 2012-08-08 兰州理工大学 Short-time and high-temperature heat storage device of multi-cylinder disc type Stirling engine and packaging process
ITRM20120135A1 (en) * 2012-04-03 2013-10-04 Magaldi Ind Srl HIGH-LEVEL ENERGY DEVICE, PLANT AND METHOD OF ENERGY EFFICIENCY FOR THE COLLECTION AND USE OF THERMAL ENERGY OF SOLAR ORIGIN.
CN203189213U (en) * 2012-10-04 2013-09-11 西门子公司 Solar radiation collector assembly and solar field
US20180347858A1 (en) * 2012-10-18 2018-12-06 Thermolift, Inc. Combination Solar and Combustion Heater
KR101438436B1 (en) 2013-05-21 2014-09-12 한국에너지기술연구원 Solar thermal power generation system
KR101438434B1 (en) * 2013-05-21 2014-09-12 한국에너지기술연구원 Solar thermal power generation system
CN104895750B (en) * 2014-03-03 2018-01-30 聂再安 Pulse water supply external-heat solar engine
CN103868245A (en) * 2014-03-10 2014-06-18 兰州理工大学 Mixed heat collecting structure of disc type solar thermal power generation system
WO2015174236A1 (en) * 2014-05-13 2015-11-19 国立大学法人新潟大学 Concentrated sunlight heat receiver, reactor, and heater
US10451313B2 (en) * 2017-11-10 2019-10-22 Aaron Liss Efficient solar energy collector
CN109655237B (en) * 2019-01-18 2024-02-27 湖南科技大学 Focused radiation energy flow density measuring system of solar cavity receiver
CN109973341B (en) * 2019-02-28 2023-09-15 华电电力科学研究院有限公司 Dish type solar power generation and comprehensive energy utilization system and working method thereof
CN111981710A (en) * 2020-05-26 2020-11-24 浙江大学 Tower type solar heat absorber with heat storage capacity

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4033118A (en) * 1974-08-19 1977-07-05 Powell William R Mass flow solar energy receiver
US4402306A (en) * 1980-03-27 1983-09-06 Mcelroy Jr Robert C Thermal energy storage methods and processes
US6541694B2 (en) * 2001-03-16 2003-04-01 Solar Enterprises International, Llc Nonimaging light concentrator with uniform irradiance

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1661473A (en) * 1924-06-10 1928-03-06 Robert H Goddard Accumulator for radiant energy
US3029596A (en) * 1959-11-17 1962-04-17 Gen Motors Corp Power plant heat storage arrangement
US3085565A (en) * 1961-03-10 1963-04-16 Sundstrand Corp Solar energy device
US3208447A (en) * 1961-11-13 1965-09-28 Avco Corp Apparatus for trapping radiant energy and particles
US3869199A (en) * 1973-12-13 1975-03-04 Itek Corp Solar energy absorber
US3986490A (en) * 1975-07-24 1976-10-19 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Reducing heat loss from the energy absorber of a solar collector
DE2937529C2 (en) * 1979-09-17 1983-05-11 Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim Solar power plant
US4281900A (en) * 1979-10-31 1981-08-04 Ford Aerospace & Communications Corp. Frontal reflector bracing
US4414812A (en) * 1981-04-30 1983-11-15 R & D Associates Hot air solar engine
US4505258A (en) * 1982-03-16 1985-03-19 Yu Taek Yoon Light collecting type of solar energy collecting system
US4505260A (en) * 1982-09-09 1985-03-19 Metzger Research Corporation Radiant energy device
US4549528A (en) * 1984-02-21 1985-10-29 Focus Environmental Systems Method and apparatus for solar destruction of toxic and hazardous materials
US4945731A (en) * 1988-12-12 1990-08-07 Parker Robin Z Absorbing fluid receiver for solar dynamic power generation and solar dynamic power system
US5214921A (en) * 1991-01-18 1993-06-01 Cooley Warren L Multiple reflection solar energy absorber
US5113659A (en) * 1991-03-27 1992-05-19 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Solar thermal energy receiver
IL100743A (en) * 1992-01-23 1994-11-28 Yeda Res & Dev Central solar receiver
US5716442A (en) * 1995-05-26 1998-02-10 Fertig; Robert T. Light pipe with solar bulb energy conversion system
US6619283B2 (en) * 2001-09-11 2003-09-16 Manu Ghela Solar collector pipe

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4033118A (en) * 1974-08-19 1977-07-05 Powell William R Mass flow solar energy receiver
US4402306A (en) * 1980-03-27 1983-09-06 Mcelroy Jr Robert C Thermal energy storage methods and processes
US6541694B2 (en) * 2001-03-16 2003-04-01 Solar Enterprises International, Llc Nonimaging light concentrator with uniform irradiance

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