KR101533265B1 - 복사 스크린을 갖는 진공 태양열 패널 - Google Patents

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Abstract

양면 진공 태양열 패널은 진공화될 때 대기압을 견딜 수 있는 진공-밀봉 외피(30)를 포함하고, 상기 외피(30)는 태양 복사선을 투과시키고 서로 마주하는 제 1 및 제 2 유리 플레이트(1, 2), 상기 외피(30)의 측면을 형성하는 주변 프레임(3)을 포함하고, 상기 태양열 패널(solar panel)은 하나 이상의 제 1 집열기(11), 제 2 집열기(12), 상기 외피(30)에 들어가 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12) 사이를 지나 나가는 파이프(13), 및 파이프(13)의 외면을 둘러싸는 박스형 부재(10)를 포함한다.

Description

복사 스크린을 갖는 진공 태양열 패널{Vacuum solar thermal panel with radiative screen}
본 발명은 주 청구항의 도입부에 따른 양면 진공 태양열 패널에 대한 것이다.
양면 진공 태양열 패널들은 2개의 활성면(active surface)들로부터 태양 복사선을 흡수하도록 실현되고, 하나의 활성면은 직접 태양광을 받고 다른 하나는 거울에 의해 반사된 태양광을 받는다. 이들은 예를 들어, EP0387843호, DE103 06 532호, DE203 19 299U1호, EP1 342 964호, DE 202 20 874호에 공지되어 있다.
EP0387843호는 태양 복사선을 투과시키는 2개의 유리 플레이트들로 형성된 진공-밀봉(vacuum-tight) 외피(envelope)를 포함하는 태양열 패널(solar panel)들에 관한 것이다. 하나 이상의 집열기(heat absorber)가 태양 복사선을 흡수하여 이를 열 에너지로 변환하도록 외피 내에 배치된다. 집열기는 일반적으로 가시광선에 대해 흡수율이 높지만 적외선을 투과시키는 것을 포함하는 선택적인 흡수 코팅으로 덮인 높은 열전도계수와 낮은 적외선 방출 계수(emission coefficient)의 구리, 알루미늄 또는 다른 금속(예를 들어, 크롬 또는 니켈 산화물)의 직사각형인 금속 플레이트이다. 일반적으로 물인 열-벡터(thermo-vector) 유체가 유동하는 파이프는 외피에 들어가고 나오며 이 외피는 일반적으로 그 외면의 모선(generatrix)을 따라 이루어진 용접부에 의해 집열기들과 양호한 접촉을 이룬다. 이러한 용접부는 금속 플레이트의 변형 및 그 코팅에 대한 손상을 최소화하기 위해 전형적으로 레이저 또는 초음파로 이루어진다. 집열기에 의해 채집된 열 에너지는 전도(conduction)에 의해 상기 용접부를 통해 파이프로 전달되므로, 이를 지나는 유체를 가열한다.
양면 태양열 패널들의 양 측면들은 태양 복사선을 수용한다. 이러한 이유로, 성능을 최대화하기 위해, 상기 선택적인 흡수 코팅이 파이프의 외면에도 배치되어서, 집열기의 한 측면과 접촉한다. 이러한 파이프는 통상적으로 낮은 적외선 투과율을 달성하도록 구리로 만들어진다.
게터 펌프(getter pump)들이 패널의 전체 작동 기간에 대해 적절한 진공 레벨을 유지하도록, 진공화된 후에 외피에 여전히 존재하는 임의의 가스 잔류물을 화학적 효과에 의해 흡수하도록 진공 패널들에 또한 배치된다. 이러한 게터 펌프들은 통상적으로 진공 외피 내에 위치한 덩어리 요소(massive element)들 또는 상기 외피의 내면 상의 플래시 게터(flash getter)의 증착(evaporation)에 의해 형성된 박막 코팅들로 구성된다. 그러나 이들은 유익하게는 EP1706678호에 설명된 바와 같이 선택적인 흡수 코팅 하에서 집열기들의 표면 상에 배치된 박막 코팅들로서 형성될 수도 있다.
현재의 양면 진공 태양열 패널들의 문제점은 선택적 흡수 코팅 하에서 집열기 표면에 얇은 게터 필름을 배치하면 가시광선 흡수를 감소시키는 동시에 집열기의 적외선 투과율을 증가시켜 상기 코팅의 특성들을 부정적으로 수정한다는 것이다.
다른 문제점은 선택적 흡수 코팅을 구비한 표면의 적외선 투과율 계수가 코팅 자신이 아닌 상기 표면의 구성 재료에 의존한다는 것이다. 결과적으로, 파이프 복사(irradiation)에 의한 열 에너지 손실들을 제한하기 위해, 바람직하게는 낮은 적외선 투과율을 보이지만 패널 제조 비용을 상당히 증가시키거나 또는 열-벡터 유체의 최대 작동 압력을 제한하는 재료인, 구리로 만들어진다.
추가 문제점은 집열기와 파이프 간의 용접부는 특히 용접층(weld seam)의 횡방향 치수가 매우 작은 레이저 용접의 경우에, 접촉면 면적이 매우 작으므로 상기 구성요소들의 위치결정에 주의를 필요로 한다.
DE 103 06 532호는 얇은 박스형 구조 및 그 측면들 상에서 개방된 집열기들 내에 동봉된 파이프들을 포함하는 비진공 태양열 수집 패널을 제시한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상기 단점들을 극복할 수 있고 복사 및 전도 모두로 인한 열 발산이 제한되는 태양열 패널을 제공하는 것이다.
일 특정 목적은 집열기들에 의한 전자기적 복사의 흡수 및 반사 특성들을 변경시키지 않는 게터 펌프를 포함하는 양면 진공 태양열 패널을 제공하는 것이다.
추가 목적은 구리보다 덜 비싸고 더욱 견고하면서 동시에 적외선 반사 손실을 제한하는 재료로 열-벡터 유체 파이프를 제조하는 것이다.
다른 목적은 파이프를 흐르는 열-벡터 유체와 집열기 간의 열전달을 개선하는 동시에, 특히 레이저 기술에 의해서 그 용접을 촉진시키는 것이다.
상기 목적들은 본 발명의 특징들이 청구범위에 정의된 양면 진공 태양열 패널에 의해 획득된다.
본 발명은 첨부한 도면들에 예시되고 비-제한적인 예로서 제공되는, 일 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해진다.
도 1은 본 발명의 태양열 패널의 사시도.
도 2는 태양열 패널의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 태양열 패널의 단면도.
도 4는 열-벡터 유체 수송 파이프가 가로지르는 박스형 부재의 사시도.
도 5는 횡 지지 부재와 차단 판(screening plate)을 갖는 제 2 집열기의 일부의 사시도.
도 6은 횡 지지 부재에서 태양열 패널의 단면도.
도 1은 양면 진공 태양열 패널의 사시도를 도시한다. 이 태양열 패널은 진공화될 때 대기압을 견딜 수 있는 진공-기밀 외피(30)를 포함하고, 이 진공-기밀 외피(30)는 태양 복사선을 투과시키는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 유리 플레이트(1, 2)를 포함한다. 제 1 및 제 2 유리 플레이트(1, 2)는 태양열 패널의 2개의 활성 면(active surface)들을 형성한다. 단면(single-sided) 패널들은 단일 유리 플레이트를 제공하는 반면, 제 1 플레이트와 마주하는 제 2 플레이트는 금속으로 만들어질 수 있다. 양면 패널들은 열 에너지 생산을 증가시키도록 마주하는 2개의 유리 플레이트들을 제공하고, 여기서 제 2 유리 플레이트는 거울에 의해 반사된 태양 복사선에 의해 횡단된다.
도 2의 분해도에서 알 수 있듯이, 진공-기밀 외피(30)는 외주(perimeter) 금속 프레임(3)에 의해 측방향으로 제한되어 있다. 외주 프레임(3)은 가요성 금속 벨트(4, 5)에 의해 유리 플레이트(1, 2)들에 결합되고, 이 가요성 금속 벨트(4, 5)는 용접, 브레이징(brazing), 솔더링(soldering)에 의해 외주 프레임(3)에 결합되고 그리고 벌크형(bulk type) 유리-금속 밀봉(seal)에 의해 유리 플레이트(1, 2)에 결합되며, 금속 벨트의 에지(edge)는 특허 MI2008A 001245호에 따라 유리에 매립된다.
제 1 집열기(11)들은 제 1 유리 플레이트(1)와 마주하도록 외피(30) 내에 배치되어 제 1 유리 플레이트(1)에 의해 직접 외피(30)에 들어가는 태양 복사선을 받아 흡수한다. 제 2 집열기(12)들은 또한 상기 외피(30) 내에 배치되어 제 2 유리 플레이트(2)와 마주하여, 제 2 유리 플레이트(2)에 의해 외피(30)에 들어가는 태양 복사선을 받아 흡수한다. 이러한 집열기(11, 12)들은 그 표면이 유리 플레이트(1, 2)들과 평행한 직사각형 금속 시트들이다. 가시광선에 대해 흡수력이 높지만 적외선을 투과시키는 선택적 코팅이 유리 플레이트(1, 2)들과 마주하는 상기 집열기(11, 12)들의 표면에 배치된다.
이러한 집열기(11, 12)들은 구리가 높은 열전도성과 낮은 적외선 방출 계수를 제공하므로, 선택적 흡수 코팅으로 덮혀지는 구리로 만들어지는 것이 바람직하다. 사실, 선택적 흡수 코팅에 의한 적외선 방출은, 선택적 흡수 코팅이 적외선 방사선을 투과시키는 한, 표면의 금속 구성에 의존한다. 가시광선을 투과시키고 적외선을 반사하는 코팅은 외피(30) 내의 집열기(11, 12)들과 마주하는 유리 플레이트(1, 2)의 표면에 배치된다. 이런 식으로 태양으로부터 발생한 가시광선은 낮은 감쇠율로 유리 플레이트들을 통과하여, 집열기(11, 12)들의 표면에 도달하고, 여기서 흡수되어 열 에너지로 변환되는 한편, 동시에 이러한 집열기들이 구리로 만들어지고 적외선-투과 선택적 코팅에 의해 코팅된다는 사실에 의해 이미 매우 제한된, 집열기들의 적외선 조사(irradiation)는 외피 내부에 있는 유리 플레이트(1, 2)의 표면에 배치된 코팅에 의해 대체로 반사되고 가시광선을 투과시키지만 적외선을 반사하여, 외부로의 손실을 추가로 감소시킨다.
외주 프레임의 일 측면에는 전도(conduction)로 인한 최소 열전달 손실을 갖도록 진공-기밀 외피(30)에 파이프(13)가 들어가고 나갈 수 있게 설치된 2개의 출구 포트(20)들과, 상기 외피(30)를 진공화하기 위한 펌핑 포트(19; pumping port)가 설치되어 있다. 파이프(13)는 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들 사이를 통과하여 상기 외피(30)에 들어가고 나오며, 태양열 패널 외피(30)를 통과시 가열되어야 하는 일반적으로 물인 열-벡터 유체를 수송하는 역할을 한다. 파이프(13)의 외면은 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)와 접촉하고, 이들은 집열기(11, 12)들과 파이프(13) 간의 양호한 열 접촉을 생성하고, 집열기(11, 12)들로부터 파이프(13)로 및 이를 통해 흐르는 유체로의 전도에 의한 용이한 열 에너지 전달을 위해, 파이프(13)의 외면의 2개의 대향하는 모선들을 따라 일반적으로 용접된다. 접촉면을 증가시키는 동시에 용접을 촉진하고 집열기(11, 12)들과 파이프(13) 간의 열 전도성을 개선하기 위해, 파이프(13)는 유익하게는 각각의 집열기(11, 12)와 편평한 접촉면(21, 22)을 형성하도록(도 3), 그 중심에서 납작해진 형상일 수 있다. 이러한 편평한 접촉면(21, 22)은 파이프(13)와 집열기(11, 12)들 간의 용접이 쉬워지게 한다. 또한, 이는 집열기(11, 12)들과 파이프(13) 간의 열 전달을 더 양호하게 한다.
파이프(13)와 더 낮은 온도인 외주 프레임(3) 간의 조사(irradiation)에 의한 발산을 제한하기 위해, 태양열 패널은 이를 떠나는 적외선 복사선에 대한 방사 스크린을 형성하도록, 파이프(13)의 외면을 둘러싸는 박스형 부재(10)들을 포함한다. 일반적으로 외피(30)에 들어간 후에 물결형상(serpentine) 코일을 형성하게 구부려진 파이프(13)가 상기 박스형 부재(10)들에 들어가고 나온다. 이런 식으로 그 복사선 방출을 차단(screen)하는 박스형 부재(10)들 내를 통과하는 것에 의해, 파이프(13)는 특히 고온에서 훨씬 높은 적외선 방출계수를 갖더라도, 확실히 덜 비싼 알루미늄과 같은, 구리 이외의 재료들로 만들어질 수 있다.
상기 박스형 부재(10)들은 파이프(13)의 외측 측면 둘레에 닫힌 체적을 형성하고, 파이프(13)의 외부 측면을 둘러싸게 구부러진 그 에지(14, 15, 16, 17)들을 갖는 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들과, 박스형 부재(10)의 기저(base) 단부들을 밀폐하기 위한 제 1 및 제 2 플러그(31, 32)를 포함한다. 도 2에서 이러한 플러그(31, 32)들이 파이프(13)를 측방향에서도 차단하게 연장함을 볼 수 있다. 집열기(11, 12)들의 에지(14, 15, 16, 17)들은 각각 개개의 집열기(11, 12)에 대해 실질적으로 "C자형" 단면을 얻기 위해 구부려져 있다(도 3). 이런 식으로 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)는 박스형 부재(10)의 측면을 함께 형성한다. 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들의 에지(14, 15, 16, 17)들은 상기 파이프(13)에 의해 측방향으로 방출된 열 복사선을 포집하도록 파이프(13)의 외면에 대해 겹쳐져 있다. 각각의 집열기의 에지는 "L자형" 단면을 갖는 집열기를 제공하도록 구부려질 수도 있다. "L자형" 단면의 2개의 커플링된 집열기들은 박스형 부재의 측면을 형성할 수 있다. 박스형 부재(10)는 파이프(13)를 둘러싸는 측면을 제공할 수 있지만, 플러그(31, 32)들의 부재로 인해 기저 단부들에서 개방되어 있다. 이는 복사 손실을 악화시키지만, 태양열 패널의 더 낮은 생산 비용으로 정당화될 수 있다. 박막 코팅에 의해 형성된 게터 펌프가 상기 박스형 부재(10)의 내면에 배치되므로, 외면에 배치된 선택적 흡수 코팅의 특성들에 간섭하지 않는다. 상이한 타입의 벌크 게터 펌프들이 상기 박스형 부재들의 내면과 접촉하게 배치되는, 예를 들어, 알약(pill) 또는 스트립(strip)들의 형태로, 박스형 부재(10)에 삽입될 수도 있다. 마지막으로 플래시 게터가 외부로부터 발생한 지령(command)에 따라 박스형 부재(10)의 내면에 증착되도록, 전자기파들의 형태인 에너지를 인가하여 박스형 부재(10)의 내면 상에 증발될 수 있다. 이러한 게터 펌프들 중 어느 것도 이들이 모두 박스형 부재(10) 내에 배치되므로 집열기(11, 12)들의 전자기 복사선 흡수 및 방출 특성들에 간섭하지 않는다.
삭제
외피(30)는 종방향 부재(27)들과 횡방향 부재(28)를 포함하는 지지 프레임(26)에 의해 지지된다. 상기 종방향 부재(27)들과 횡방향 부재(28)는 또한 상기 외피 내의 물결형 코일을 형성하는 파이프(13)를 지지하는 역할을 한다. 몇 개의 평행 파이프들이 물결형 코일을 형성하지 않고 외피(30)에 들어가고 나올 수도 있고, 이 경우 몇 개의 출구 포트(20)들이 제공된다.
도 5 및 도 6은 집열기(11, 12)들이 구멍(18)들을 제공하고 이 구멍들을 통해 파이프(13)를 위한 지지부(24)들이 집열기(11, 12)들과 접촉하지 않고 통과하고, 잠금 부분(33; locking piece)들이 이러한 지지부(24)들의 단부들에 나사들에 의해 고정됨을 도시한다. 이러한 구멍(18)들은 상기 구멍(18)들을 통해 박스형 부재(10)들의 내부를 나가는 적외선 복사선을 차단하도록, 파이프(13)의 지지부(24)들에 고정된 구리 판(23)들에 의해 닫혀 있다. 이러한 판(23)들이 없으면 비록 작지만 구멍(18)들이 구리 표면 상에 배치된 양호한 선택성 코팅의 것보다 약 20배와 같은, 흑체의 투과율을 가지므로, 태양열 패널 전체의 효율을 악화시킨다.
삭제
작동 중에 본 발명의 태양열 패널이 태양 복사선을 받고, 태양 복사선은 유리 플레이트(1, 2)를 통과하고, 선택적 코팅에 의해 덮인 집열기(11, 12)들의 표면에 의해 흡수되어, 열 에너지로 변환된다. 이 열 에너지는 주로 전도에 의해 파이프(13)로 전달된 다음에 대류에 의해 파이프(13) 내의 열-벡터 유체로 전달된다. 집열기들과 파이프로부터 외피(30)의 외벽들로의 대류 손실은 외피(30) 내에 확립된 진공에 의해 억제되는 한편, 파이프(13)로부터의 조사 손실은 이에 대한 방사 스크린들로서 작용하도록 파이프(13)에 의해 형성된 다양한 물결형 코일 부분들을 둘러싸는 박스형 부재(10)들에 의해 강하게 제한된다. 외피(30) 내의 강한 진공은 박스형 부재(10) 내에 배치된 게터 펌프에 의해 시간이 흐름에 따라 유지된다.
본 발명의 태양열 패널의 장점들 중 하나는 박스형 부재 내에 배치된 게터 펌프가 집열기들의 적외선 방출 특성들을 바꾸지 않아, 선택적 흡수 코팅들이 태양 복사선 흡수를 최적화하도록 효과적으로 사용될 수 있게 한다.
다른 장점은 파이프로부터의 복사 손실들이 이에 의해 복사 스크린을 형성하도록 이를 둘러싸는 박스형 부재들의 존재에 의해 강하게 제한된다는 것이다. 이는 파이프(13)가 여전히 복사 손실들을 제한하면서, 구리보다 덜 비싼 재료, 예를 들어, 알루미늄으로 만들어지고, 열-벡터 유체를 수송하는데 사용될 수 있게 한다.
파이프(13)의 편평한 접촉면(21, 22)들은 파이프(13)와 집열기(11, 12)들 간의 접촉 면이 증가되게 할 수 있어, 파이프를 통해 흐르는 열-벡터 유체로의 열전달을 개선하는 동시에 레이저 기술에 의해 용접이 쉽게 한다.
다른 장점은 박스형 부재가 집열기들의 에지들을 "C" 형상으로 구부리기 쉽고 경제적으로 제조될 수 있다는 점이다.
1: 제 1 유리 플레이트 2: 제 2 유리 플레이트
3: 주변 금속 프레임 4, 5: 가요성 금속 벨트
11: 제 1 집열기 12: 제 2 집열기
13: 파이프 14, 15, 16, 17: 에지(edge)
21, 22: 접촉면 30: 외피

Claims (10)

  1. 진공화될 때 대기압을 견딜 수 있는 진공-기밀 외피(30; envelope)를 포함하는 양면 진공 태양열 패널로서, 상기 외피(3)는 태양 복사선을 투과시키고 태양열 패널(solar panel)의 두 개의 활성 면(active surface)들을 형성하도록 서로 마주하는 제 1 및 제 2 유리 플레이트(1, 2), 및 상기 외피(30)의 측면을 형성하는 외주 프레임(3)을 포함하고, 상기 태양열 패널은 상기 외피(30) 내에 배치되어 상기 제 1 유리 플레이트(1)를 통해 태양 복사선을 받아 들이는 적어도 하나의 제 1 집열기(absorber)(11), 상기 외피(30) 내에 배치되어 상기 제 2 유리 플레이트(2)를 통해 태양 복사선을 받아 들이는 제 2 집열기(12), 및 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12) 사이의 안으로 통과하여 상기 외피(30)에 들어가고 나오며 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)와 접촉하는 외면을 제공하는 파이프(13)를 포함하는, 양면 진공 태양열 패널(double-sided vacuum thermal solar panel)에 있어서,
    상기 태양열 패널은 상기 파이프(13)의 외면을 둘러싸는 박스형 부재(10)를 상기 외피(30) 내에 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스형 부재(10)는 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)를 포함하는 측면을 제공하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스형 부재(10)는 상기 파이프(13)의 외면의 적어도 일부분 둘레에서 밀폐된(closed) 체적을 형성하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 박스형 부재(10)는 2개의 기저 단부들을 제공하고 상기 기저 단부들을 밀폐할 수 있는 제 1 및 제 2 플러그(31, 32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 집열기(11, 12)들은 각각의 집열기(11, 12)에 대해 실질적으로 C자-형상의 단면을 형성하도록 구부러진 에지(14, 15, 16, 17)들을 갖는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)의 에지(14, 15, 16, 17)들은 상기 파이프(13)의 외면에 대해 겹쳐져 있는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프(13)는 집열기(11, 12)와 접촉하는 편평한 표면(21, 22)을 그 외면에 제공하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스형 부재(10) 내에 배치된 게터(getter) 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스형 부재(10)는 상기 파이프(13)를 지지하도록 구성된 지지부(24)들의 통과(passage)를 위한 구멍(18)들을 제공하고, 상기 태양열 패널은 상기 구멍(18)들을 나가는 적외선 복사선을 차단할 수 있는 작은 판(23; small plate)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  10. 제 1 항에 있어서,
    열-벡터 유체를 수송하기 위한 상기 파이프(13)는 알루미늄의 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
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