KR101341447B1 - 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기는 종래 석영유리를 사용하지 않고 열전도성이 우수하며 튜브와 동일한 재질의 탄화규소(SiC)를 사용함으로써 흡수기의 구조 및 제조를 단순화할 수 있으며, 그 결과 체적식 형태의 흡수기를 튜브식 형태로 마련할 수 있기 때문에 넓은 집광 영역에 대한 면적 확장 시 횡방향으로 쉽게 적층할 수 있다.

Description

압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기{Solar receiver for compressed air}

본 발명은 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조가 단순하며 확장성이 우수한 태양열 흡수기에 관한 것이다.

일반적으로 태양열 발전 시스템은 태양열을 집열하는 집열장치와, 집열된 열에 의해 발생된 증기로 구동되는 발전장치로 구성된다. 집열장치는 태양광을 반사시키는 반사수단과, 반사수단에 의해 집광된 빛의 열로 작동유체를 가열하여 증기를 발생시키는 태양열 흡수기를 포함한다. 태양열 발전 시스템의 일례로 도 1에 도시한 CRS(Central Receiver) 방식은 복수의 반사수단(1)에 의해 집광된 빛을 중앙 타워(2)에 설치된 흡수기(3) 한 곳에 집중시켜 작동유체를 가열한다.

태양열 흡수기는 크게 튜브형과 체적형으로 분류할 수 있다. 도 2는 종래의 체적형 흡수기를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 체적형 흡수기는 전면에 석영 유리창(SiO₂)(3)이 마련되어 있으며 후방에는 내부 유로(4)를 갖는 덕트프레임(5)이 마련되어 있는 하우징(6)을 포함한다. 덕트프레임(5)의 내부 유로(4) 상에는 다공성 흡열재(7)가 마련되며, 덕트프레임(5)과 하우징(6) 사이에는 작동유체(공기, 증기 등)를 내부 유로(4)로 공급하기 위한 통로(7)가 외부 인렛라인(8)과 연통해서 마련되어 있다. 인렛라인(8)을 통해 덕트프레임(5)의 내부 유로(4)로 유입되는 작동유체는 석영 유리창(3)과 다공성 흡열재(7)를 통과한 태양열에 의해 가열된 후 내부 유로(4)를 통해 빠져나간다.

그런데, 종래 체적형 흡수기는 집광된 복사에너지는 투과시키며 하우징(6) 내부의 작동유체는 밀봉시키기 위해 석영 유리창(3)이 반드시 필요한데, 이 석영 유리창(3)은 고온에서 깨지기 쉬우며 나아가 고온에서 열팽창 하기 때문에 하우징(4)과의 접합 부위(C)를 통해 작동유체가 누설될 우려가 있었다. 종래에는 이를 해소하기 위해 석영 유리창(3) 앞에 2차 집광기(9)를 설치하여 체결부위를 가리는 한편 추가 집광이 가능하도록 하여 효율을 높였으나, 반대 급부로 흡수기의 구조가 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다. 일부 체적형 흡수기는 석영 유리창(3)을 냉각하기 위한 별도의 냉각 유로를 구비하는 구조도 있었다. 또한, 현재 기술로는 석영 유리창(1)을 크게 제조할 수 없기 때문에 흡수기의 사이즈를 키우는데 제한이 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술에 착안한 것으로서, 본 발명의 목적은 석영 유리를 사용하지 않으며 확장성이 우수한 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기는 태양광이 정면으로 입사되는 일단에 밀폐벽이 마련되는 중공 형태의 튜브와, 튜브의 개구된 후방에서 밀폐벽과 접촉하게 마련되는 다공성 흡열재와, 튜브의 후방으로부터 다공성 흡열재 내부까지 연장 마련되는 유체유로를 포함한다.

본 발명에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기는 종래 석영유리를 사용하지 않고 열전도성이 우수하며 튜브와 동일한 재질의 탄화규소(SiC)를 사용함으로써 구조 및 제조를 단순화할 수 있으며, 그 결과 체적식 형태의 흡수기를 튜브식 형태로 마련할 수 있기 때문에 넓은 집광 영역에 대한 면적 확장 시 횡방향으로 쉽게 적층할 수 있다.

도 1은 종래 태양열 발전장치를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 체적형 태양열 흡수기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양열 흡수기(10)는 중공을 가지며, 중공 중간에 밀폐벽(12)이 마련되는 튜브(14)와, 튜브(14) 내부에서 밀폐벽(12)의 후방에 밀접하게 마련되는 다공성 흡열재(16)와, 세라믹 튜브(14)의 후방으로부터 다공성 흡열재(16) 내부까지 연장 마련되는 유체유로(18)를 포함한다.

튜브(14)는 고강도, 내열성, 내식성을 가지는 세라믹 또는 스테인레스강 등의 합금이 이용 가능하며, 바람직하게는 팽창 계수가 낮아 고온에서 변형이 거의 일어나지 않으며 화학적으로 안정하여 수명이 긴 탄화규소(SiC)를 이용한다. 본 실시예에서 튜브(14)는 원형으로 예시하였으나 원형 외에 사각, 오각, 육각 등의 다각형도 가능하다.

밀폐벽(12)은 세라믹 튜브(14)와 동일한 소재인 탄화규소로 마련된다. 탄화규소는 약 1600℃ 까지 견딜 수 있기 때문에 정면에서 입사되는 집광된 태양광에 의해 고온 상태가 되더라도 안정적이며, 같은 규소 화합물인 SiO₂와 달리 열전도성이 높은 발열체 특성을 구비하여 히터 등에도 사용되기 때문에 집광된 태양광의 복사 에너지 전달 효율을 보다 높일 수 있다. 밀폐벽(12)은 세라믹의 제조 특성상 튜브 성형 시 함께 성형한 후 고온에서 소결하여 형상을 제조할 수 있다. 예컨대, 밀폐벽(12)과 튜브(14)가 일체로 성형된 세라믹 튜브(14)는 종단면이 'H' 자를 옆으로 눕힌 형태로 마련되어, 밀폐벽(12)을 중심으로 전방과 후방에 각각 일측이 개구된 파이프 형상을 가진다. 밀폐벽(12)의 전방은 캐비티 공간(A)을 형성하여 복사 에너지의 열전달 손실을 방지하며, 후방은 다공성 흡열재(16)를 설치하기 위한 내부 공간(B)을 형성한다. 본 실시예에서는 밀폐벽(12)의 전방에 형성되는 캐비티 공간(A)을 튜브 및 밀폐벽과 일체로 형성하는 것으로 예시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 튜브 및 밀폐벽과 분리하고 다른 합금 소재로 제조할 수 있음은 물론이다.

다공성 흡열재(16)는 세라믹 소재도 가능하지만 상대적으로 팽창율이 높은 금속 소재의 와이어 메쉬(wire mesh)를 이용한다. 와이어 메쉬는 열전달 효율이 높아지도록 밀폐벽(12)의 후면과 직접 접촉하게 배치되어 태양열에 의해 고온 상태가 되면, 팽창하면서 세라믹 튜브(14)의 벽면과도 밀착되어 복사 에너지의 열전달 면적 및 효율을 더욱 높일 수 있다.

작동유체는 태양광의 입사 방향과 나란하게 세라믹 튜브(14)의 후방에서 유입된다. 작동유체를 밀폐벽(12)에 최대한 근접시킬 수 있도록 유체유로(18)의 입구는 다공성 흡열재(16)의 내부에 매립된다. 유체유로(18)는 도 4에 도시한 바와 같이 복수개가 상호 간격을 이격하여 설치된다.

상기와 같이 마련되는 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기는 유체유로(18)를 통해 다공성 흡열재(16) 내부로 유입된 작동유체가 태양열에 의해 데워진 밀폐벽(12)에 접근할 수 있기 때문에 열 전달 효율이 우수하며, 종래 석영 유리창을 사용하지 않음으로 인해 하우징이 불필요해지기 때문에 체적식 흡열기의 외형 구조가 단순해진다. 특히, 밀폐벽(12)과 튜브(14)를 동일한 재질로 성형할 경우 제조가 용이하며, 체적식 형태의 흡수기를 튜브식 형태로 마련할 수 있기 때문에 넓은 집광 영역에 대한 면적 확장 시 도 5에 도시한 바와 같이 복수의 흡수기(10)를 횡방향으로 적층하여 흡수기모듈(20)을 쉽게 구성할 수 있어 확장성이 우수하다.

3..석영 유리창 6..하우징
7..다공성 흡열재 10..태양열 흡수기
12..밀폐벽 14..튜브
16..다공성 흡열재 18..유체유로
20..흡수기모듈

Claims (7)

1. 태양광이 정면으로 입사되는 일단에 탄화규소(SiC)로 이루어지는 밀폐벽이 일체로 마련되는 중공 형태의 튜브와,
   상기 튜브의 개구된 후방에서 밀폐벽과 직접 접촉하게 마련되는 다공성 흡열재와,
   상기 튜브의 후방으로부터 상기 다공성 흡열재 내부까지 연장 마련되는 유체유로를 포함하는 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 밀폐벽의 전방에는 중공형 캐비티가 더 마련되는 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 다공성 흡열재는 와이어 메쉬인 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.
5. 중공을 가지며, 중공 중간에 밀폐벽이 형성되는 세라믹 튜브와,
   상기 세라믹 튜브의 개구된 후방에서 밀폐벽과 직접 접촉하게 마련되는 다공성 흡열재와,
   상기 세라믹 튜브의 후방으로부터 상기 다공성 흡열재 내부까지 연장 마련되는 유체유로를 포함하는 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 다공성 흡열재는 와이어 메쉬인 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.
7. 제 1항, 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 튜브는 다수개를 횡방향으로 적층해서 모듈화할 수 있는 압축 공기를 이용하는 태양열 흡수기.

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