KR102337926B1 - 메타물질을 이용한 수동형 복사 공랭식 모듈/시스템 - Google Patents
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Abstract
수동형 복사 냉각 시스템에서 울트라-블랙 방사체는 금속 시트의 최상부 표면에 배치되는 메타물질 나노구조체를 포함하고, 도관 구조체는 금속 시트의 바닥 표면에 대항하여 냉각재를 흘려 보낸다. 메타물질 나노구조체 (예를들면, 테이퍼형 나노공극)는 냉각재로부터 공지 대기 투명 구간에 속하는 파장/진동수 (예를들면, 8-13㎛ 또는 16-28㎛)를 가지는 방사형 복사에너지 형태로 방열하고, 방사형 복사에너지는 반사층을 통해 냉각 근-공간으로 전달된다. 울트라-블랙 방사체는 개량된 양극 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 기술에 이어 무전해 도금으로 형성되는 금속-도금 테이퍼형 나노공극에 의해 형성되고, 반사층은 분산 브랙 반사체를 포함한다. 냉각 시스템은 대형 발전소에 적합한 공랭 시스템을 형성하기 위하여 직렬 및 병렬로 연결되는 모듈화 냉각 유닛 (모듈)으로 확장 가능하다.
Description
대형 냉각 시스템은 발전에 있어서 중요한 역할을 수행한다.
대부분의 발전소는 열원 (예를들면, 원자로심, 가스로/석탄로/유로, 또는 태양열 집광장치)을 이용하여 냉각재 (전형적으로 물)를 가열된 기체 상태 (예를들면, 증기)로 전환한 후, 가열된 기체 냉각재를 발전기 (즉, 기계 동력을 전력으로 전환시키는 회전 기계)에 통과시켜 발전한다. 발전기에서 유출되는 냉각재가 열원으로 복귀하기 전에, 냉각재는 기체 상태로부터 액체 상태로 전부 재전환되어야 하고, 이때 전형적으로 냉각재로부터 열이 충분히 발산되어 냉각재 온도는 비점 이하로 떨어진다. 대형 발전소에서 사용되는 냉각재 용량이 거대하므로, 이러한 냉각 기능은 전형적으로 발전기에서 나오는 냉각재를 발전소 외부에 배치되는 대형 냉각 시스템으로 관으로 연결하여 수행되고, 이로써 냉각재로부터 열은 무해하게 주변 환경으로 발산된다. 발전소 복귀 전에 냉각재가 액체 상태로 완전히 재-전환되지 않는다면 발전소 효율은 상당히 감소된다. 따라서, 대형 냉각 시스템은 발전에 있어서 중요한 기능을 한다.
냉각 시스템은 크게 두 종으로 분류된다: 물을 소모하는 (즉, 원하는 냉각력을 달성하기 위하여 증발에 의존하는) 수랭식 (wet cooling) 시스템, 및 물을 소모하지 않고 열을 제거하기 위하여 대류 또는 복사를 적용하는 공랭식 시스템. 일반적으로, 종래 기술 기반의 공랭식 시스템은 상당히 더욱 넓은 면적을 차지하고 동일한 냉각력을 발생시킬 수 있는 동등한 수랭식 시스템보다 더욱 높은 운전 비용이 요구된다. 따라서, 특히 전통적 공랭식이 비현실적인 고온 다습 기후대에서 대부분의 대형 발전소는, 엄청난 양의 물을 (즉, 매일 수십억 갤론의 물) 한꺼번에 소모하는 수랭식 시스템을 활용한다. 즉, 물이 풍부하고 저렴한 경우, 수랭식 시스템이 종래 기술 기반의 공랭식 시스템에 비하여 건설 및 운전에 있어서 상당히 저렴하다. 그러나, 건조 지역 또는 물 부족 지역 (예를들면, 가뭄 등)에서, 발전소에서 사용되기 위하여 소중한 수자원이 주거 또는 농업 지역으로부터 전용되어야 한다면 수랭식 시스템을 이용하는 것은 문제이다.
복사 냉각은 복사에너지에 의해 방열이 달성되는 공랭식 형태이다. 모든 물체는 일정하게 복사에너지를 방사하고 (emit) 흡수하고, 순에너지 흐름이 외향이면 복사 냉각이 진행되지만, 순에너지 흐름이 내향이면 열 취득이 생긴다. 예를들면, 건물의 수동형 복사 냉각 (예를들면, 냉각 팬을 돌리기 위한 전력 소모 없이 복사 냉각이 달성)은 전형적으로 맑은 하늘로부터의 장파 복사선이 건물 옥상에서 방사되는 장파 적외선보다 적은 야간에 발생된다. 반대로, 주간에는 건물 지붕을 향하는 태양 복사가 방사되는 장파 적외선보다 크고, 따라서 공중으로 순 흐름이 존재하다.
간단한 용어로, 복사 표면의 냉각력, P냉각, 은 복사력, Prad, 에서 공기로부터의 대기 열 복사의 흡수력, Patm, 일사량, Psun, 및 전도 및 대류 영향, Pcon를 제한 것과 같다:
P냉각 = Prad - Patm - Psun - Pcon (식 1)
실제 설정에 있어서, Patm 은 주변 온도에 의해 결정되고, Psun 은 낮 시간, 구름량, 등에 따라 달라지고, 야간에는 0이고, Pcon 은 냉각기의 구조적 사양에 따라 결정된다. 식 1로부터, 주간에 P냉각을 극대화하기 위하여 표면 방사율을 증가시켜 Prad를 높이고, Psun 영향을 최소화하고 (예를들면, 광대역 반사체를 이용), 전달성 열원으로부터 냉각기를 보호하여 대류 및 전도 영향 Pcon을 줄이는 것이 요구된다. 조합적인 비-복사 열계수를 6.9 W/m2K로 가정하면, Eq. 1에 의하면 실제 최소 목표 Prad 값은 주간에 55 W/m2이고, 야간에 100 W/m2이며, 이는 주변보다 약 5℃ 하강된다는 것이다.
이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기는 따라서 다음 3가지 조건들을 만족하는 수동형 복사 냉각 장치로 정의될 수 있다. 첫째, 적어도 (대부분 가시광선 및 근적외선 파장에서) 94%의 태양광을 반사시켜 냉각 패널이 가열되는 것을 방지하고, 따라서 Psun을 최소화하는 것이다. 둘째, 대기 투명 구간 (window) (예를들면 8-13 ㎛ (지배 구간), 16-25 ㎛, 등)에서 방사율은 거의 1을 보이고 이들 구간 외에서는 방사는 0을 보인다. 이는 대기가 불투명한 파장에서 패널이 강하게 방사되지 않고, 따라서 Patm가 최소화되는 것을 보장한다. 셋째, 장치는 환경에서 차폐되어 달리 추가 열 부하에 기여할 수 있는 대류를 최소화하여, 따라서 Pconv를 최소화하는 것이다. 주변 온도 이하에서 작동되는 경우 장치 최상부에서의 대류는 유해하다. 정리하면, 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기는 직사 일광에 노출되는 경우에도, 냉각력을 달성하기 위하여 전력 입력 또는 재료 상변화가 필요하지 않은 주변 온도 이하로 "자기-냉각"할 수 있는 공학적 구조체이다.
현재 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기를 정의하는 3가지 조건들을 충족시키는 상업적 이용 가능한 수동형 복사 냉각 기술이 존재하지 않는다. 현존 복사 냉각 포일은 고가는 아니지만, 일광 부재 (즉, 대부분 야간)에서의 작동으로 제한된다. 주간 수동형 복사 냉각을 달성하기 위한 본 분야의 현재 기술적 시도는 방사체 (emitter)-상부 (over)-반사체 구조를 이용하는 것이지만, 이는 복잡한 고가의 분광-선택적 방사체 재료가 요구되어 전통적 전력 냉각 방법에 대한 현실적 상업적 대안을 제공하지 못한다. 또한, 고온 또는 다습 지역 대형 발전소용 공랭 방식을 제공하도록 쉽게 확장될 수 있는 상업적 또는 대안의 수동형 복사 냉각 기술이 존재하지 않는다(즉, 제로). 즉, 발전소 공랭 방식에 대한 도전은 쉽게 제작되고 매우 큰 면적 (예를들면 1 km2)으로 저렴하게 확장될 수 있는 광 구조체를 구성하는 것이다.
전통적으로 공랭식이 비현실적인 및/또는 발전소 수랭식 시스템에서 요구되는 상당한 물 소비를 지원할 수 있는 충분한 물이 가용되지 않는 고온 다습 기후대에서 또는 물 공급 부족을 경험하는 기타 지역에서 비용 효율이 높은 발전소 공랭식 시스템을 제공할 수 있는 확장 가능한 고성능의 수동형 (즉, 전력/전기 입력이 풀요하지 않은) 복사 냉각 시스템이 요구된다.
본 발명은 저렴한, 고성능 수동형 복사 냉각 시스템에 관한 것이고 도관 구조체는 냉각재 (예를들면, 냉각수)로 하여금 금속 시트의 바닥 표면에 대항하여 유동하도록 하여 냉각재로부터 열적 에너지 (열)는 금속 시트를 통해 시트의 최상부 표면에 배치되는 메타물질 나노구조체로 전달된다. 메타물질 나노구조체 (즉, 주문형 광학 특성을 가지는 광파장 이하의 공학적 가공된 구조체)는 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 금속 시트의 최상부 (제1) 표면에 배열되고 적어도 주요 대기 투명 구간 (즉, 8㎛ 내지 13㎛ 및/또는 16㎛ 내지 28㎛ 파장 범위를 가지는)의 복사에너지를 방사하도록 구성된다. 주간 및 야간 모두에서 수동형 복사 냉각을 구현하기 위하여, 반사층은 메타물질 나노구조체 상부에 배치되어 입사 태양 복사를 반사하고 (즉, 금속 시트를 차폐 또는 가려 방사되는 복사에너지는 대개 액체 냉각재로부터 전환된 열적 에너지이다), 반사층은 또한 방사되는 ATW 복사에너지를 전달하도록 구성된다 (즉, 메타물질 나노구조체에서 방사되는 ATW 복사에너지는 반사층을 통과하여 냉각 근-공간(cold near-space)으로 전달된다). 이러한 배열로, 수동형 복사 냉각 시스템은 전통적으로 공랭식이 비현실적인 및/또는 발전소 수랭식 시스템에서 요구되는 상당한 물 소비를 지원할 수 있는 충분한 물이 가용되지 않는 고온 다습 기후대에서 또는 물 공급 부족을 경험하는 지역의 발전소에서 활용될 수 있는 공성능 공랭 방식을 제공한다.
본 발명의 양태에 의하면, 냉각 시스템에 의해 활용될 수 있는 3-층 (즉, 도관-금속 시트/방사체-반사체) 배열으로 임의의 기타 통상 방법보다 상당히 낮은 비용으로 공랭을 구현한다. 금속 시트는 생산 및 운전 비용 감소 목적이고: 먼저, 저렴하고, 높은 처리율의 제작 공정 (예를들면, 양극 산화 및 무전해 도금)을 이용하여 실현됨으로써 필요한 메타물질-보강된 울트라-블랙 패턴 생성에 잠재적으로 저렴한 매질을 제공하고 (예를들면, 알루미늄 포일을 이용하여 구현할 때); 둘째, 금속 시트는 냉각재 열을 메타물질-보강된 울트라-블랙 재료로 전달할 수 있는 상당히 효율적인 열 전도체이고, 따라서 잠재적으로 냉각 시스템에 의해 차지되는 총 면적을 감소시키고; 셋째, 금속 시트는 신뢰할 수 있고 내구성의 습기 차단재를 제공하여 방사 및/또는 복사 전달을 지연시킬 수 있는 냉각재에 의한 메타물질-보강된 울트라-블랙 재료 및/또는 반사층 오손 (fouling)을 방지한다. 다음, 금속 시트 최상부 표면 상에 반사층 장착으로, 방사체-하부-반사체 배열이 형성되고 이러한 배열로 상업적으로 입수 가능한 태양 미러 필름을 사용하여 반사층을 구현할 수 있고, 따라서 종래 방사체-하부-반사체 구조에 의해 요구되었던 복잡하고 고가의 재료에 필요성이 없어지므로 생산 비용을 더욱 낮춘다. 마지막으로, 도관 구조체 상부 벽을 제공하기 위하여 금속 시트의 바닥 표면을 이용하여 (즉, 냉각재는 도관 구조체를 통과할 때 금속 시트의 바닥 표면과 접촉한다) 도관 구조체와 연관된 재료 비용을 단순화하고 최소화하여, 총 생산 비용을 더욱 줄일 수 있다.
또 다른 양태에 의하면, 고성능 수동형 복사 냉각은 형성된 울트라-블랙 방사체는 거의 1의 방사율로 ATW 복사에너지를 방사하도록 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 배열된 메타물질 나노구조체에 의해, 그리고 적어도 94%의 입사 태양 복사 (즉, 진동수 2㎛ 이하의 태양 복사)를 반사하고 방사되는 ATW 복사에너지를 이를 통해 통과시키는 재료를 이용하여 반사층을 구현함으로써 달성된다. 대안의 실시태양들에서, 울트라-블랙 방사체는 임의의 여러 메타물질 나노구조체 타입으로 구현되고, 이는 나노공극, 또는 기타 침상, 수지상 또는 다공 처리 (textured) 표면, 탄소 나노튜브 숲, 또는 기타 블랙 필름 (예를들면 블랙 크롬, 블랙 규소, 흑동, 니켈 인 (NiP) 합금)을 포함한다. 반사층은 울트라-블랙 방사체 상부에 배치되고 거의 모든 입사 태양 복사를 반사하므로, 울트라-블랙 방사체는 낮 시간에 반사층에 의해 일광으로부터 차폐되고 (가려지고), 우수한 수동형 복사 냉각력을 보이는 수동형 복사 냉각시스템을 제공한다.
식 1 (상기)의 열수지식을 풀어 유도되는 순 냉각력 추정치에 기초한 예비 실험 결과, 본 발명에 따라 형성되는 저렴한 수동형 복사 냉각 시스템의 순 냉각력은 주간 및 야간, 각각 75 W/m2 및 130 W/m2 에 도달되고, 초기 프로토타입에 의하면 알루미늄 기재는 한낮에 주변 온도보다 6℃ 냉각되고, 이는 주간 복사 냉각에 있어서 기록적 성능으로 판단된다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 울트라-블랙 방사체는 금속 시트 상에 배치되는 테이퍼형 나노공극 어레이로 구성되고, 각각의 테이퍼형 나노공극은 구멍-유사 (pit-like) 공동으로 최상부 표면에 놓이는 개방 상단, 폐쇄 하단, 및 실질적으로 개방 상단 및 폐쇄 하단 사이 연장되는 원추형 측벽을 가진다. 일 실시태양에서, 양극 산화 과정에서 시간에 따라 인가 전압을 높임으로써 개방 상단은 폐쇄 하단보다 더욱 큰 직경을 가지므로 원추 측벽 직경은 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에서 감소하고, 시간에 따라 인가 전압을 감소시키면 역 테이퍼가 생성된다. 테이퍼형 구조는 효과적으로 프레넬 반사 (Fresnel reflection)를 방지하는 고르게 가변되는 굴절률 (격자화 지수 매질)을 가지므로 (예를들면, 100nm 내지 1㎛의 공칭 폭을 가지는) 적합한 크기의 테이퍼형 나노공극을 이용하면 높은 방사율로 ATW 복사에너지를 방사할 수 있는 우수한 울트라-블랙 재료 생산이 가능하다. 특정 실시태양들에 의하면, 각각의 수동형 복사 냉각 패널의 방사체 층은 기본 (제1) 금속 재료 및 도금 (제2) 금속 층 모두를 포함하되 후자는 제1 금속 (기본 금속 층) 최상부 표면에 배치되어 도금 금속 층 일부는 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에 배치된다. 임피던스 정합외에도, 이러한 금속-도포 테이퍼형 나노공극은 또한 울트라-블랙 재료 내부 빛을 산란시키고, 이는 ATW 복사에너지의 방사에 크게 기여한다. 또한, 금속의 큰 굴절률 허수부는 재료 내부에서 광 감쇄에 기여하여, 낮은 반사율을 일으켜 물리적으로 표면 외관은 암흑으로 보인다. 예시적 실시태양에서, 기본 금속 층은 알루미늄으로 구현되고, 도금 (제2) 금속 층은 니켈 (Ni) 구리 (Cu) 및 금 (Ag) 중 하나 이상을 포함한다. 현재 바람직한 실시태양에 의하면, 금속-도금 테이퍼형 나노공극들은 개량된 양극 (Anodic) 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 형판 (self-assembly template) 기술로 제작되고, 여기에서 알루미늄 시트 (금속 시트)는 산 중에서 양극 산화 처리되고 다공 알루미나 (산화알루미늄) 층이 알루미늄 시트 상부에 형성되고 자기-형성된, 육각 적층 나노공극 어레이를 포함하고, 원하는 테이퍼를 생성하기 위하여 알루미나 층 형성은 인가 전압을 변경시켜 조절한다. 이러한 AAO 방법은 높은-처리율, 상향식 (bottom-up), 및 저렴한 제조 방법으로 광파장 이하의 (예를들면, 서브-50 nm) 및 매우 높은-종횡비 (1:1000) 테이퍼형 나노공극을 제조할 수 있다. 수동형 복사 냉각은 본질적으로 대면적 (즉, 대규모 발전소 적용에 있어서 1 평방 킬로미터 이상)을 덮는 패널이 필요하므로, 수동형 복사 냉각 패널 개발에 있어서 주요 기술적-경제적 도전은 비용-효과적으로 패널을 대량-생산하는 것이다. 다음, 적합한 도금 공정 (예를들면, 무전해 도금)에 의해 도금 금속 층 (예를들면, Ni, Cu 또는 Ag)은 알루미나 (산화알루미늄) 층 상에 형성되어 도금 금속은 테이퍼형 나노공극 내부 표면에 형성된다. 임피던스 정합 외에도, 니켈/구리/금 금속-도금은 테이퍼형 나노공극 내부에서 빛을 산란시켜, ATW 복사에너지 방사에 크게 기여한다. 또한, 니켈/구리/금 금속-도금 굴절률의 큰 허수부는 테이퍼형 나노공극 내부 광 감쇄에 기여하여, 낮은 반사율을 일으켜 물리적으로 표면에서 암흑 외관을 보인다. 따라서, 알루미늄-기반의 테이퍼형 나노공극 및 니켈/구리/금 금속-도금의 조합으로 높은 방사율로 ATW 복사에너지를 발생시킬 수 있는 우수한 울트라-블랙 방사체 생산이 가능하다. 또한, 본원에 기술된 새로운 개량된 AAO 자기-조립 형판 기술을 이용하여 형성되는 테이퍼형 나노공극을 형성, 이어 알루미나에 제2 금속 (예를들면, Ni, Cu 또는 Ag)의 무전해 도금으로, 우수한 울트라-블랙 재료가 고효율로, 및 비용 효율이 높은 롤-투-롤 (roll-to-roll) 대량-생산 제조 기술을 이용하여 저렴한 수동형 복사 냉각 시스템 대량 생산이 가능한 방식으로 생산된다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 각각의 모듈의 상부 반사층은 분산 브랙 (distributed Bragg) 반사체를 포함하고 이는 집합적으로 0 내지 2㎛ 파장 범위의 입사 태양 복사를 반사하고(즉, 반사율 0.8 이상을 보이고), 예를들면, 8㎛ 내지 13㎛ 파장 범위의 ATW 복사에너지를 전달/통과시키는 (즉, 반사율 0.2 이하를 보이는) 다중 내부층을 포함한다. 일부 실시태양들에서, 집중화 태양 발전 (CSP) 집열판에서 현재 사용되는 상업적으로 입수 가능한 태양 미러 필름은 (예를들면, St. Paul, Minn. USA의3M Corporation에서, 또는 Arvada, CO USA의 ReflecTech, Inc.에서 생산되는 태양 필름) 원하는 분광에 충분히 가까운 분광학적 특징을 보이고, 비용-효과적으로 예를들면, 선택적인 개재 접착층으로 방사체 층의 최상부 표면에 부착된다. 광대역 복사에너지의 ATW 일부만을 선택적으로 전달하는 반사층이 요구되는 기타 실시태양들에서, 맞춤 공학적 가공 반사층이 필요하다.
본 발명의 현재 바람직한 실시태양에 의하면, 도관 구조체는 하부 벽 및 올라온 주변벽을 포함하고 이들은 집합적으로 개방 최상부를 가지는 상자-유사 프레임을 형성하고, 이는 도관 구조체가 울트라-블랙 방사체와 작동 가능하게 장착될 때 금속 판에 의해 덮힌다 (밀폐된다) (즉, 금속 판의 바닥 표면, 하부 벽의 상향 대면 표면, 및 주변 벽의 내향-대면 표면이 실질적으로 갇힌 영역을 둘러싸고/형성하고 이는 이하 "열-교환 채널"로 칭한다). 도관 구조체를 통해 냉각재 유동이 가능하도록, 입구 포트는 상자-유사 프레임 일단에 형성되고, 출구 포트는 반대 단에 형성되어, 냉각재는 입구 포트를 통해 도관 구조체에 들어가고, 열-교환 채널를 통과하여, 출구 포트를 통해 도관 구조체에서 유출된다. 금속 판의 바닥 표면이 열-교환 채널의 상부 표면을 형성하므로, 냉각재는 열-교환 채널을 통과할 때 반드시 금속 시트의 표면에 대항하여 흐르고 (즉, 접촉되고), 이에 따라 울트라-블랙 방사체로 열 전달이 구현된다. 선택적인 방해판 (baffle)이 상자-유사 프레임의 하부 벽 또는 주변 측벽에 장착되고 열-교환 채널을 통과할 때 좁은 채널 구역을 따라 냉각재 흐름을 유도하여 울트라-블랙 방사체로의 열 전달을 개선시킨다. 대안적 실시태양들에서, 저비용 도관 구조체는, 예를들면, 주름 (corrugated) 금속 시트를 이용하여 구현된다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 시스템은 모듈화 유닛 (모듈) 및 연관된 유동 제어 시스템을 이용하여 발전소 (또는 기타 물체)에 대한 확장 가능한 공랭 방식이 구현된다. 각각의 모듈은 실질적으로 동일 형상 (예를들면, 정사각형 또는 직사각형) 구조를 가지고 연관된 울트라-블랙 방사체 유닛 (즉, 상기와 이 메타물질 나노구조체이 상부에 형성되는 고정된 크기, 예컨대 1m2의 금속 시트), 방사체 유닛을 차폐할 수 있는 크기 및 형상의 반사층 부분 (역시 상기됨), 및 방사체 유닛 아래에 실질적으로 전체에 끼워지는 크기 및 형상의 도관 구조체 (즉, 방사체 유닛은 도관 구조체을 흐르는 냉각재 및 반사층 사이에 있다)를 포함한다. 다중 모듈을 직렬 연결하여 선형 배열되는 모듈 열 그룹 (row group)을 형성하기 위하여, 각각의 도관 구조체는 일단에 입구 포트 및 반대 단에 출구 포트를 포함하고 이들은 용이한 연결이 가능하게 배치되어 (예를들면, 중간 파이프 섹션으로) 하나의 모듈 출구 포트를 나온 냉각재는 동일한 열 그룹에 있는 인접 모듈 입구 포트로 들어간다. 실제 실시태양에서, 주어진 냉각재 유량의 주어진 목표 온도 하강을 (선택적으로) 달성하기 위하여 경제적으로 확장될 수 있는 공랭식이 가능하도록, 유동 제어 시스템은 가열된 냉각재를 피-냉각 물체 (예를들면, 발전소)에서 직렬-연결된 모듈의 하나 이상의 열 그룹으로 공급하기 위한 하나 이상의 유입 파이프, 냉각된 냉각재를 모듈로부터 피-냉각 물체로 복귀시키는 하나 이상의 유출 파이프, 및 하나 또는 양 파이프와 작동 가능하게 연결되고 모듈을 통해 원하는 속도로 냉각재를 편향 (유동)시키기 위한 최적 압력을 가하여 유체 흐름을 발생시키는 펌프를 활용한다. 즉, 냉각재가 순차적으로 유입 및 유출 파이프들 사이에 흘러야 하는 각각의 열 그룹에서 직렬-연결된 모듈의 개수를 조정하여 수동형 복사 냉각 시스템은 용이하게 확장 가능하고 목표 온도 하강을 달성한다 (즉, 각각의 모듈은 단위 방열량을 제공하므로, 유입 파이프에서 유출 파이프로 흐르는 냉각재의 총 방열, 및 따라서 온도 하강은 냉각재가 각각의 주어진 열 그룹에서 통과하는 모듈 개수에 비례한다). 또한, 충분한 개수의 열 그룹을 유입 및 유출 파이프 사이 병렬로 연결함으로써 수동형 복사 냉각 시스템은 주어진 유량에 대한 이러한 목표 온도 하강을 달성하도록 확장 가능하다. 따라서, 본 발명은 전통적으로 공랭식이 비현실적인 고온 다습 기후대에서 및 발전소 수랭식 시스템을 지원할 수 있는 충분한 물이 가용되지 않는 물 공급 부족을 경험하는 지역에서 임의 크기의 발전소에 대한 비용 효율이 높은 공랭식을 제공하기 위하여 확장 가능한 고성능 수동형 복사 냉각 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 물체 공랭 방법은 물체 및 냉각재가 금속 시트 바닥 표면에 대항하여 흐른 후 물체로 복귀하도록 형성되는 열-교환 채널 사이에 냉각재를 순환시키는 단계, 및 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 금속 시트의 최상부 표면에 배치되는 메타물질 나노구조체에 의해 냉각재로부터 열적 에너지를 발산시키는 단계를 포함하고, 상기 메타물질 나노구조체는 열적 에너지를 하나 이상의 대기 투명 구간 파장을 가지는 복사에너지로 전환시키고 이어 태양 복사 반사층을 통해 냉각 근-공간 (cold near-space)으로 전달하도록 구성된다. 냉각재로부터 열적 에너지를 반사층을 통해 전달되는 대기 투명 구간 복사에너지로 전환함으로써, 본 발명은 전통적으로 공랭식이 비현실적인 고온 다습 기후대에서 및 발전소 수랭식 시스템을 지원할 수 있는 충분한 물이 가용되지 않는 물 공급 부족을 경험하는 지역에서 발전소 공랭 방식을 제공할 수 있는 고성능 수동형 복사 냉각 시스템을 제공한다.
본 발명의 이들 및 기타 특징부, 양태 및 장점은 하기 설명, 첨부 청구항 및 도면에서 더욱 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 예시적 실시태양에 따른 간략 수동형 복사 냉각 시스템을 보이는 상측 사시도이다;
도 2는 작동 과정의 도 1의 시스템을 보이는 간략 도표이다;
도 3은 본 발명의 특정 실시태양에 의한 개량된 AAO 자기-조립 기술을 이용하여 형성되는 금속-도금 테이퍼형 나노공극을 포함한 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다;
도 4는 도 3의 방사체 층에서 활용되는 방사체 층의 예시적 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 5는 도 1의 수동형 복사 냉각 시스템에 활용되는 상부 반사층의 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 수동형 복사 냉각 시스템에서 활용되는 도관 구조체를 보이는 상측 사시도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 유입 및 유출 파이프들 사이에 연결되는4개의 모듈을 포함하는 예시적 열 그룹을 보이는 상측 사시도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 유입 및 유출 파이프들 사이 병렬 연결되는 다중 열 그룹들을 보이는 상측 사시도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 도관 구조체를 보이는 상측 사시도이다;
도 10은 작동 과정에 있는 도 9의 도관 구조체 일부를 보이는 간략 측단면도이다.
도 2는 작동 과정의 도 1의 시스템을 보이는 간략 도표이다;
도 3은 본 발명의 특정 실시태양에 의한 개량된 AAO 자기-조립 기술을 이용하여 형성되는 금속-도금 테이퍼형 나노공극을 포함한 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다;
도 4는 도 3의 방사체 층에서 활용되는 방사체 층의 예시적 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 5는 도 1의 수동형 복사 냉각 시스템에 활용되는 상부 반사층의 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 수동형 복사 냉각 시스템에서 활용되는 도관 구조체를 보이는 상측 사시도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 유입 및 유출 파이프들 사이에 연결되는4개의 모듈을 포함하는 예시적 열 그룹을 보이는 상측 사시도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 유입 및 유출 파이프들 사이 병렬 연결되는 다중 열 그룹들을 보이는 상측 사시도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시태양에 의한 도관 구조체를 보이는 상측 사시도이다;
도 10은 작동 과정에 있는 도 9의 도관 구조체 일부를 보이는 간략 측단면도이다.
본 발명은 수동형 반사 냉각 개량에 관한 것이다. 이하 설명은 당업자가 특정 적용 및 요건으로 본 발명의 실시 및 사용이 가능하도록 제시된다. 본원에 사용되는 바와 같이, 방향 용어들 예컨대 "상부", "상향-대면", "하부", "하향-대면", "최상부", 및 "바닥"은, 설명 목적으로 상대 위치를 제공할 의도인 것이지, 반드시 지시 대상의 절대 구조적 위치를 지정할 의도는 아니다. 바람직한 실시태양에 대한 다양한 변형들이 당업자들에게 명백할 것이고, 본원에 제시되는 포괄적 원리는 기타 실시태양들에 적용될 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 실시태양들에 국한되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규한 특징부와 일치되는 최광의 범위에 따르는 것이다.
도 1은 본 발명의 포괄적 실시태양에 의한 예시적인 간단한 수동형 복사 냉각 시스템 (300)의 사시도이고, 도 2는 시스템 (300) 일부를 상세하게 보이는 부분 측단면 분해도이다.
도 1의 상측을 참고하면, 수동형 복사 냉각 시스템 (300)의 주요 구성요소들은 도관 구조체 (210) 및 반사층 (120) 사이에 배치되는 울트라-블랙 방사체 (110)를 포함한다. 더욱 상세하게 하기되는 바와 같이, 울트라-블랙 방사체 (110)는 포괄적으로 금속 시트 (113)로 구성되고 이는 바닥 표면 (111) 및 반대측 최상부 (제1) 표면 (112)을 가진다. 도관 구조체 (210)는 냉각재 (예를들면, 냉각수) (301)가 금속 시트 (113)의 바닥 표면 (111)에 대항하여 및 횡단하여 흐르도록 유도하여, 도 2에 표기된 바와 같이, 열적 에너지 TE (열)는 냉각재 (301)로부터 금속 시트 (113)를 통해 메타물질 나노구조체 (118)로 전달된다. 울트라-블랙 방사체 (110)는 또한 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴 (117)으로 금속 시트 (113)의 최상부 표면 (112)에 배치되는 메타물질 나노구조체 (118)를 포함하고, 상기 메타물질 나노구조체 (118)는 냉각재 (301)로부터 열적 에너지 TE를 대기 투명 구간 (ATW) 복사에너지 RE-ATW (즉, 적어도 주요 ATW 범위가 8㎛ 내지 13㎛, 및 선택적으로 또한 2차 ATW 범위가 16㎛ 내지 28㎛의 파장을 가지는 적외선 에너지)로 전환하고 이어 복사에너지 RE-ATW는 최상부 표면 (112) (즉, 도관 구조체 (210)로부터 상향)으로부터 방사되도록 제작된다. 도 2에 표기된 바와 같이, 반사층 (120)은 두 가지 기능을 수행한다: 먼저, 그렇지 않다면 울트라-블랙 방사체 (110)에 인가될 수 있었던 적어도 94%의 입사 태양 복사 ISR (도 2에 도시된 바와 같이)를 반사시킴으로써 울트라-블랙 방사체 (110)를 차폐시키고; 둘째, 반사층 (120)은 복사에너지 RE-ATW를 전달한다 (즉, 복사에너지 RE-ATW는 반사층 (120)을 통과하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 복사에너지 RE-ATW는 지구 대기를 통해 냉 근-공간 (cold near-space, CNS으로 전달된다).
일 실시태양에서 시스템 (300)의 주요 구성요소들은 이하 모듈 (200)으로 칭하는 모듈화 유닛을 이용하여 구현될 수 있다. 이 경우, 다중 모듈들이 하기 방식으로 전형적으로 병렬 및/또는 직렬 연결되어 주어진 냉각재 체적 유량에 대한 목표 온도 하강 달성을 위한 확장성을 제공한다. 가능한 대안적 실시태양에서, 본원에 제공되는 것들과 유사한 특징부들을 포함한 단일 주문-제작 구조체가 다중 모듈 (200) 대신 사용될 수 있다.
도 1의 상측을 참고하면, 일 실시태양에서 울트라-블랙 방사체 (110) 및 반사층 (120)은 적층된 2-층 패널 (100)로 생산된 후 도관 구조체 (210)에 부착된다. 패널 (100)은 하기 특정 울트라-블랙 방사체 (110) 및 반사층 (120)를 이용하여 조립될 수 있지만, 패널 (100)은 또한 공유되고 공동-계류 중인 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널 명칭의 미국특허출원 일련번호 14/740009에 기술된 임의의 추가 특징부 및 대안 재료 조합을 포함할 수 있다.
상기 주요 구성요소들 외에도, 시스템 (300) 또한 주어진 체적의 냉각재 (301)를 주어진 유량으로 피-냉각 물체 (예를들면, 발전소, 미도시) 및 상기 주요 구성요소들 사이로 순환시켜, 주요 구성요소들를 통과할 때 냉각재 온도를 목표 온도만큼 감소시키기 위한 (목표 온도 하강) 유동 제어 시스템 (305)을 포함한다. 도 1에 도시된 예시적 실시태양에서, 유동 제어 시스템 (305)은 이를 통해 가열된 냉각재 (301)가 물체에서 도관 구조체 (210)로 흐르는 유입 파이프 (310), 이를 통해 냉각된 냉각재 (301)가 도관 구조체 (210)에서 물체로 복귀되는 유출 파이프 (320), 및 유입 파이프 (310) 및 유출 파이프 (320)의 하나 또는 모두와 작동 가능하게 연결되고, 도관 구조체 (210)을 통해원하는 냉각재 유량을 일으키는 선택적인 펌프 (330)를 포함한다. 하기된 바와 같이, 피-냉각 물체 크기 및 타입에 따라 일반적으로 달라지는 냉각재 (301) 요구 용량 및 유량이 구현되도록 유동 제어 시스템 (305)은 공지 기술로 확장 가능하다. 유사하게, 시스템 (300)의 주요 구성요소들 (즉, 하나 이상의 울트라-블랙 방사체 (110), 하나 이상의 반사층 (120), 및 하나 이상의 도관 구조체 (210))은 다중 모듈 (200)의 직렬/병렬 연결에 의해, 또는 각각 모듈 (200)과 유사한 특징부들을 포함하는 하나 이상의 맞춤-규모의 주요 구성요소 조립체를 제공함으로써 목표 온도 하강 달성 및 냉각재 (301) 요구 용량 및 유량을 수용하기 위하여 확장 가능하다.
도 2는 낮 동안 작동되는 (즉, 태양으로부터 입사 태양 복사 ISR이 반사층 (120)의 상부 표면 (122)로 향할 때) 시스템 (300)을 도시한 것이다. 실제 구성에서, 패널 (100)은 수평 평면으로 배향되어 방사체 (110)의 바닥 표면 (111)은 지면을 향하고 (즉, 하향 대향), 반사층 (120)의 상부 표면 (122)은 하늘을 향한다 (즉 상향). 도 2 하측을 참고하면, 방사체 층 (110)은 기본 재료 층 (113)을 포함하고, 이는 바닥 표면 (111) 및 반사층 (120) 하부 (하향-대면) 표면 (121)을 향하는 반대 최상부 표면 (112)을 가진다. 도 2에서 설명 목적으로 방사체 (110)는 반사층 (120)과 분리되도록 도시되지만, 최상부 표면 (112)은 전형적으로 하부 표면 (121)과 접촉된다. 복사에너지 RE-ATW는 상부 표면 (122)으로부터 지구 표면의 하층 대기를 통과하여 냉각 근-공간CNS로 전달된다. 즉, 복사에너지 RE-ATW의 진동수는 하나 이상의 대기 투명 구간과 연관되므로, 흡수 및 재-방사 없이 지구 대기를 직접 통과하여 (즉, 패널 (100) 위의 대기를 가열하지 않고) 우주로 전달됨으로써 시스템 (300)은 낮 시간에도 순 냉각효과를 달성한다.
대안의 실시태양들에 의하면, 울트라-블랙 방사체 (110)는 임의의 여러 메타물질 나노구조체 타입으로 구현될 수 있다. 도 2에 도시된 일반적 실시태양에서, 메타물질 나노구조체 (118)는 기호 방식으로 도시되고, 이는 나노공극, 탄소 나노튜브 숲, 나노구조 코팅재 (예를들면, 블랙 규소), 니켈 인 (NiP) 합금, 또는 울트라-블랙 재료 생성에 공지된 기타 구조체를 포함한다. 도 3에 도시된 현재 바람직한 실시태양에서, 방사체 층 (110A)은 기본 재료 층 (금속 시트) (113A) 상에 형성된 금속-도금 테이퍼형 나노공극 (118A)을 포함하고, 상기 층은 알루미늄 층 (114A) 및 알루미늄 층 (114A) 상에 배치되는 산화알루미늄 층 (115A)을 포함하고, 상기 테이퍼형 나노공극 (118A)은 산화알루미늄 층 (115A) 내부에 전체적으로 형성된다. 방사체 층 (110A)은 개량된 양극 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 형판 기술로 제작되고, 여기에서 알루미늄 층 (114A)은 산중에서 양극 산화 처리되어 상부에 다공 알루미나 (산화알루미늄) 층 (115A)을 형성하여 알루미나 층 (115A)은 자기-형성된, 테이퍼형 나노공극의 육각 적층 어레이를 포함한다. 양극 산화 과정에서 공정 변수를 점차 변경시킴으로써, 알루미나 형성 공정에서 테이퍼형 나노공극 (118A)이 전체에 제작된다. 이러한 방법으로 형성되는 각각의 테이퍼형 나노공극 (118A)의 구멍 및 직경 (공칭 폭 WNOM)은 부분적으로 양극 산화 전압 및 공정 조건들에 따라 달라지고 목표 광학 특성에 의해 결정된다. ATW 복사에너지를 발생시키기 위하여, 테이퍼형 나노공극 (118A)의 공칭 폭 WNOM 은 전형적으로 100nm 내지 1 미크론 범위이다. 각각의 나노공극 높이는 양극 산화 시간으로 조절된다. 이러한 AAO 방법은 높은-처리율, 상향식, 및 저렴한 제작 방법으로 광파장 이하 (예를들면, 50 nm 이하) 및 매우 높은-종횡비 (1:1000)의 테이퍼형 나노공극 제작이 가능하다. 수동형 복사 냉각은 실제 적용, 예컨대 발전소 공랭에 있어서 본질적으로 대면적 (즉, 평방 킬로미터)의 패널이 필요하므로, 수동형 복사 냉각 패널 개발에 있어서 주요 기술적-경제적 도전은 비용-효과적으로 패널을 대량-생산하는 것이다. AAO 자기-조립 형판 기술, 이어 상기 방식으로 알루미나 층 (115A)상에 제2 금속 (116A) (예를들면, Ni, Cu 또는 Ag)의 무전해 도금으로 테이퍼형 나노공극 (118A)을 가지는 방사체 층 (110A)을 형성함으로써, 고효율, 및 비용 효율이 높은 롤-투-롤 대량-생산 제조 기술을 이용한 모듈의 저렴한 대량 생산에 가능한 방식으로 우수한 금속-도포 테이퍼형 나노공극이 생산된다. 유한요소법 (FEM) 모의에 의해 생성된 방사율 값을 나타내는 도 4의 점선은 울트라-블랙 방사체 (110A)는 8㎛ 내지 13㎛의 대기 투명 구간에서 1에 가까운 방사율을 보인다. 패널 (100A) 생산과 관련된 추가 사항들은 공유 및 공동-계류 중인 수동형 복사 냉각 패널 및 모듈 생산이라는 명칭의 미국특허출원 일련번호 14/740032에 제공된다.
다시 도 2를 참고하면, 반사층 (120)은 상향-대면 표면 (122)을 향하는 입사 태양 복사 ISR을 반사시켜 방사체 (110)를 태양 복사로부터 차폐하고 동시에 이를 통해 (즉, 하향-대면 표면 (121)로부터 상향-대면 표면 (122)로) 방사체 층 (110)으로부터 상향 방사되는 적어도 복사에너지 부분 RE-ATW를 전달한다. 일 실시태양에서, 반사층 (120)은 적어도 94%의 입사 태양 복사 ISR을 반사하다. 바람직한 실시태양에서, 반사층 (120)은 분산 브랙 반사체로 구성되고 이는 집합적으로 입사 태양 복사를 반사하고 이를 통해 도 5에 도시된 그래프에 도시된 것과 유사한 특성의 ATW 복사에너지를 전달하는 다중 내부층 (125)을 포함한다. 즉, 바람직한 실시태양에서, 반사층 (120)은 반사율 값 0.8 이상으로 0 내지 2㎛ 파장 범위의 입사 태양 복사 ISR의 반사율을 보이고, 이를 통해 ATW 에너지 부분 RE-ATW를 효과적으로 전달/통과시킨다 (즉, 적어도 주요 ATW 8-13㎛의 복사에너지에 대하여0.2 이하의 반사율을 보인다). 일부 실시태양들에서, 집중화 태양 발전 (CSP) 집열판에서 현재 사용되는 상업적으로 입수 가능한 태양 미러 필름 (예를들면, St. Paul, Minn. USA의 3M Corporation에서 생산되거나, 또는 Arvada, CO USA의 ReflecTech, Inc.에서 생산되는 태양 필름)은 원하는 분광에 가까운 분광학적 특징을 보이고, 비용-효과적으로 예를들면, 선택적인 개재 접착층에 의해 방사체 층 (110)의 최상부 표면 (112)에 부착된다. 선택적으로 ATW 복사에너지만을 전달하는 반사층을 필요로 하는 다른 실시태양들에서, 맞춤 공학적 가공 반사층이 요구된다.
도 1의 중앙 도면을 참고하면, 도관 구조체 (210)는 하부 벽 (211) 및 올라온 주변벽 (212)을 포함하고 이들이 집합적으로 개방 최상부 (214)를 가지는 상자-유사 프레임를 형성한다. 도 2에 표기된 바와 같이, 도관 구조체 (210)가 작동 가능하게 울트라-블랙 방사체 (110)에 장착되면 개방 최상부는 금속 판 (113)으로 덮힌다 (밀폐된다). 열-교환 채널 (217)은 금속 판 (113) 바닥 표면 (111), 하부 벽 (211) 상향 대면 표면, 및 주변벽 (212) 내향-대면 표면들에 의해 형성된다 (즉, 이들에 의해 둘러싸인 실질적으로 중공 영역이다). 도관 구조체 (210)를 통한 냉각재 유동을 구현하기 위하여, 입구 포트 (215)는 상자-유사 프레임 일단에 형성되고, 출구 포트 (216)는 반대측 단에 형성된다. 작동 과정에서, 냉각재 (301)는 입구 포트 (215)를 통해 도관 구조체 (210)로 들어가고, 열-교환 채널 (217)을 통과하여, 출구 포트 (216)를 통해 도관 구조체 (210)에서 유출된다. 금속 판 (113) 바닥 표면 (111)은 열-교환 채널 (217) 상부 표면을 형성하므로, 냉각재 (301)는 열-교환 채널 (217)을 통과할 때 필연적으로 바닥 표면 (111)에 대항하여 흘러 (즉, 접촉되어), 울트라-블랙 방사체 (110)로 열 전달됨으로써 복사에너지 RE-ATW로 전환된다.
도 6은 본 발명의 대안 실시태양에 의한 도관 구조체 (210B) 사시도이고 선택적인 방해판 (218A)이 열-교환 채널 (217B) 내부에 (예를들면, 하부 벽 (211A) 또는 주변 측벽 (212A)에 연결) 장착되어 열-교환 채널 (217A)을 통과할 때 (도 6에서 점선 화살표로 표기된 바와 같이)좁은 채널 구역을 따라 냉각재 (301)가 흐르도록 유도하여 울트라-블랙 방사체 (미도시) 열 전달을 향상시킨다.
상기된 바와 같이, 현재 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 수동형 복사 냉각 시스템은 다중 모듈화 유닛 (모듈)을 이용하여 구현되고 이들은 주어진 냉각재 용적 및 유량에 대한 목표 냉각재 온도 하강을 달성하기 위하여 직렬 연결될 수 있다. 도 1은 단일 모듈 (200)을 이용한 단순 형태로 이러한 모듈-기반의 시스템을 도시한 것이고, 유동 제어 시스템 (305)은 가열된 냉각재 (301)를 물체 (예를들면, 발전소)에서 모듈 (200)로 전달 (안내)하기 위하여 유입 파이프 (310)를 이용하고, 냉각된 냉각재 (301)를 다시 물체로 전달하기 위하여 유출 파이프 (320)를 이용하고, 유입 파이프 (310) 및 유출 파이프 (320) 중 하나 또는 양자와 작동 가능하게 연결되는 선택적인 펌프 (330)는 모듈 (200)을 통과하는 냉각재의 소망 유량이 형성하도록 구성된다. 도 1에서 간략하게 도시된 바와 같이, 유입 파이프 (310)는 도관 구조체 (210) 벽 (예를들면, 주변 측벽 (212))에 형성되고 모듈 (200) 입구로서 기능하는 입구 포트 (215)와 작동 가능하게 연결되어, 냉각재 (301)는 열-교환 채널 (217)로 유입될 수 있다. 유사하게, 출구 포트 (216)는 유출 파이프 (320)와 작동 가능하게 연결되어 모듈 (200)에서 유출되는 냉각재 (301)는 열-교환 채널 (217)를 통해 유출 파이프 (320)로 전달된다. 주어진 "표준" 크기 (예를들면, 단위 커버리지 면적 1m2 의 패널 (100) 및 1 리터 용적의 열-교환 채널 (217))를 가지는 모듈 (200)을 생산함으로써, 주어진 물체 (예를들면, 발전소)에 대한 충분한 냉각력을 제공하기 위하여 요구되는 모듈 (200) 개수 및 배열은 목표 냉각재 온도 하강 및 냉각재 용적/유량에 대하여 용이하게 결정될 수 있다. 냉각재 (301)의 유입 파이프 (310) 및 유출 파이프 (320) 사이 온도 차이는 따라서 각자 모듈 (200)의 순 냉각력, 총 커버리지 면적, 수리 기하 및 크기, 유체 유량, 수온, 및 전도 손실에 따라 달라진다. 유입 파이프 (310) 및 유출 파이프 (320)의 적정한 규모를 정하고 주어진 표준 크기의 충분한 개수의 모듈 (200)을 도 7 및 8을 참고하여 하기되는 방식으로 연결함으로써, 모듈-기반의 시스템 (300)은 임의의 냉각재 용적/유량에 대한 목표 온도 하강을 달성하기 위하여 충분한 냉각력을 제공하도록 쉽게 확장 가능하다. 프로토타입을 이용한 예비 실험 결과에 기초하면, 수온 하강 8℃가 달성될 수 있다고 판단된다. 전형적인 폐-루프 유량 105 gal/min으로 1 km2 를 덮는 모듈 (~10 MW의 총 복사 냉각력)을 포함하는 시스템에 있어서, 각각의 모듈은 흐름의 적합한 병렬 분포를 위하여 대략 30 gal/min로 처리되면, 패널 마다 1 psi 이하의 압력 강하가 생긴다. 이는 유압 대략 1.3 MW의 펌프 이용을 의미하고, 이는 500 MW 발전소의 유압에서 0.5% 이내 증가한 것이다. 이는 냉각 수온 하강로 쉽게 보완되어, 순 발전소 효율 이익은 대략 3%에 이른다.
도 7은 목표 온도 하강을 달성하기 위하여 다중 모듈이 직렬 연결되는 방식을 보이는 간단한 예시적 수동형 복사 냉각 시스템 (300C)을 도시한 것이다. 각각의 모듈 (200C-1 내지 200C-4)은 도 1을 참조하여 상기된 방식으로 구성된다 (예를들면, 모듈 (200C-1)은 울트라-블랙 방사체 (110C) 및 연관된 도관 구조체 (210C-1) 상부에 배치되는 반사층 (120C)을 포함한다). 예시 목적으로, 시스템 (300C)은 유입 파이프 (310C) 및 유출 파이프 (320C) 사이 작동 가능하게 직렬 연결되는 4개의 모듈 (200C-1, 200C-2, 200C-3, 200C-4)로 이루어진 열 그룹 (row group)을 포함하여 (예를들면, 모듈 (200C-1) 출구 포트는 인접 모듈 (200C-2) 입구 포트에 도시되지 않은 짧은 중간 파이프로 연결), 점선 화살표로 표기된 바와 같이, 냉각재 (301)는 유입 파이프 (310C)로부터 모듈 (200C-1) 입구 포트로 전달되고, 모듈 (200C-1) 도관 구조체 (210C-1)를 통해 모듈 (200C-2) 입구 포트로, 도관 구조체 (210C-2)를 통해 모듈 (200C-3) 입구 포트로, 도관 구조체 (210C-3)를 통해 모듈 (200C-4) 입구 포트로, 도관 구조체 (210C-4)를 통해 유출 파이프 (320C)로 이동된다. 냉각재 (301)가 순차적으로 도관 구조체 (210C-1 내지 210C-4)을 통과할 때 각각의 모듈 (200C-1 내지 200C-4)은 냉각재 (301)로부터 관련된 단위 열량을 방열하므로, 냉각재 (301)의 총 발열량 및 이에 따른 온도 하강은 직렬 연결된 모듈 개수에 비례한다. 즉, 주어진 유량에 대하여 더욱 높은 목표 온도 하강을 달성하기 위하여, (즉, 4개를 초과하는) 추가 모듈이 도 7에 도시된 열 그룹에 부가될 수 있다. 따라서, 수동형 복사 냉각 시스템 (300C)은 유입 파이프 (310C) 및 유출 파이프 (320C) 사이에서 냉각재 (301)가 순차적으로 흐르는 직렬-연결된 모듈 개수를 조정함으로써 목표 온도 하강을 달성하도록 쉽게 확장 가능하다.
도 8은 또 다른 일부 예시적 수동형 복사 냉각 시스템 (300D)을 도시한 것이고 각각 상기 임의의 실시태양들에 따라 구성되는 다중 모듈 (200D)은, 작동 가능하게 연결되어 다중 직렬-연결된 열 그룹을 형성하고 이들은 다시 유입 파이프 (310D) 및 유출 파이프 (320D) 사이에서 병렬 연결되어, 냉각재 (301)는 동시에 유입 파이프 (310D)에서 각각의 열 그룹을 통과하여 유출 파이프 (320D)로 전달된다 (즉, 점선 화살표로 도시된 바와 같이). 각각의 열 그룹은 한정된 체적의 냉각재 (301)를 처리할 수 있으므로, 요구되는 냉각재 유량이 단일 열 그룹 용량을 초과할 때, 도 8에 도시된 바와 같이 다중 열 그룹이 병렬로 적용되어 요구되는 냉각력을 제공한다. 즉, 수동형 복사 냉각 시스템 (300D)은 충분한 개수의 열 그룹을 유입 파이프 (310D) 및 유출 파이프 (320D) 사이에 병렬 연결함으로써 주어진 유량에 대하여 목표 온도 하강을 달성하기 위하여 확장 가능하다. 다중 모듈을 어레이 예컨대 도 8에 도시된 바로 쉽게 연결할 수 있으므로 본 발명의 수동형 복사 냉각 시스템은 경제적으로 실현될 수 있고 가까운 장래에 발전소 냉각용 물 부족을 경험할 위험 지역에 신속하게 적용될 수 있다. 제안된 기술은 또한 전통적 공랭식이 비현실적인 고온 다습 기후대에서 발전소 공랭 방식을 가능하게 한다. 2013년 미국에서 13.9 쿼즈 (Quads)의 전기가 생산되었고, 이중 90%는 냉각이 필요한 열전변환에 기초한다는 것을 인지하면 실제 효과를 잘 이해할 수 있다. 평균 전환 효율을 35%로 가정하면, 이 수치는 주요 소비 에너지의 대략 35.7 쿼즈로 커진다. 시스템 (300D) (도 8)과 유사한 방식으로 구성되는 수동형 복사 냉각 시스템은 발전에 있어서 1 쿼즈의 주요 에너지 및 수랭에 필요한 매일 수십 억 갤론의 물을 절약할 수 있는 잠재력이 있다. 이는 미국 내에서 냉각수 부족의 운전 및 경제적 충격을 완화하고 열적인 환경적 악영향을 줄이는데 직접 도움이 된다.
본 발명은 소정의 특정 실시태양들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 발명적 특징부들은 다른 실시태양들에도 적용된다는 것은 당업자들에게 명백하고, 이들 모두는 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 예를들면, 생산 비용을 더욱 줄익 위하여 기타 유형의 도관 구조체가 상기 상자-유사 도관 구조체 대신 사용될 수 있다. 도 9 및 10은 저렴한 (예를들면, 금속) 주름 시트 (211E)로 형성되는 도관 구조체 (210E)를 포함하는 모듈 (200E)의 분해 사시도 및 부분 측단면도를 도시한 것이다. 특히, 도 9는 상기 임의의 실시예에 의해 형성되는 울트라-블랙 방사체 (110E) 및 반사층 (120E), 및 (즉, 수직 점선 화살표로 표기된 바와 같이) 울트라-블랙 방사체 (110E)에 부착되기 직전의 주름 시트 (211E)를 보인다. 도 10에 표기된 바와 같이, 모듈 (200E) 조립 완성 후, 도관 구조체 (210E)는 융기된 병렬 리지 (212E)를 따라 금속 시트 (113E) 바닥 표면 (111E)에 부착되어 (예를들면, 접착 또는 달리 작동 가능하게 고착), 주름 시트 (211E) 상향-대면 표면 및 금속 시트 (113E) 바닥 표면 (111E) 사이에 병렬 열-교환 채널들 (217E)이 형성된다. 또한, 냉각재가 물체로 복귀되기 전에 금속 시트 일면에 대항하여 흐르도록 유도되고, 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 금속 시트의 반대 표면에 배치되는 메타물질 나노구조체에 의해 냉각재로부터 대기 투명 구간 복사에너지 형태로 방열되고, 복사에너지는 태양 복사 반사층을 통해 냉각 근-공간으로 전달되는 한 본원에 기재된 공랭 방법은 상기된 바와 다른 구조체로 구성될 수 있는 것이다.
Claims (15)
- 수동형 복사 냉각 시스템으로서,
제1 표면에 배치되는 다수의 메타물질 나노구조체를 가지는 금속 시트;
상기 금속 시트의 제1 표면 상에 장착되는 반사층; 및
상기 금속 시트 하부에 배치되고 냉각재를 안내하도록 구성되는 도관 구조체로서, 상기 냉각재가 상기 금속 시트의 제2 표면에 대하여 흐르도록 하여, 열적 에너지가 상기 냉각재로부터 상기 금속 시트를 통해 상기 다수의 메타물질 나노구조체로 전도되는, 상기 도관 구조체;를 구비하고,
상기 다수의 메타물질 나노구조체는 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 배열되고 8㎛ 내지 13㎛의 파장 범위를 갖는 복사에너지를 방사하도록 구성되고;
상기 반사층은 입사 태양 복사를 반사하고 상기 복사에너지를 전달하도록 구성되고,
상기 다수의 메타물질 나노구조체는 상기 금속 시트의 최상부 표면에 배치되는 테이퍼형 나노공극들의 어레이를 구비하고,
각각의 상기 테이퍼형 나노공극의 공칭 폭은 1 미크론 미만인, 수동형 복사 냉각 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 다수의 메타물질 나노구조체는 16㎛ 내지 28㎛의 파장 범위를 가지는 상기 복사에너지를 발생하도록 더욱 구성되는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 시트는 제1 금속을 구비하고, 도금 금속 층은 상기 금속 시트의 상향-대면 표면 상에 그리고 각각의 상기 테이퍼형 나노공극 내부에 배치되고, 상기 도금 금속 층은 상기 제1 금속과는 상이한 제2 금속을 구비하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 금속 시트는 알루미늄을 구비하고, 상기 도금 금속 층은 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 금(Ag) 중 하나 이상을 구비하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 금속 시트는 알루미늄 기본 층 및 상기 알루미늄 기본 층 상에 배치되는 산화알루미늄 층을 구비하고,
상기 테이퍼형 나노공극들은 상기 산화알루미늄 층 내부에 전체로 한정되고,
상기 도금 금속 층은 상기 산화알루미늄 층의 표면 상에 전체로 배치되는, 수동형 복사 냉각 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 반사층은 분산 브랙 반사체(distributed Bragg reflector)를 형성하는 다수의 내부층을 구비하고, 상기 분산 브랙 반사체는 0 내지 2㎛ 파장 범위를 갖는 입사 태양 복사를 반사하도록 구성되고, 8㎛ 내지 13㎛ 파장 범위를 갖는 복사에너지를 통과시키도록 구성되는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 도관 구조체는 하부 벽 및 주변 측벽들을 포함하는 상자-유사 프레임(box-like frame)을 구비하고,
상기 도관 구조체는 상기 금속 시트에 고정적으로 연결되어, 상기 도관 구조체의 하부 벽과 주변 측벽들 및 상기 금속 시트의 제2 표면은 실질적으로 둘러싸인 열-교환 채널을 형성하고, 상기 열-교환 채널은 상기 금속 시트의 제2 표면에 대하여 상기 냉각재의 흐름을 촉진하도록 구성되는, 수동형 복사 냉각 시스템. - 제7항에 있어서, 상기 하부 벽과 상기 주변 측벽들 중 하나는 상기 냉각재의 상기 열-교환 채널 내로의 흐름을 촉진하도록 구성되는 입구 포트, 및 상기 냉각재의 상기 열-교환 채널 밖으로의 흐름을 촉진하도록 구성되는 출구 포트를 한정하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 도관 구조체는 상기 하부 벽 및 상기 주변 측벽들 중 하나 상에 장착되는 다수의 방해판(baffle)을 더 포함하고, 상기 다수의 방해판은 상기 열-교환 채널을 통과하는 상기 냉각재의 흐름 방향이 상기 다수의 방해판에 의해 제어되도록 구성되는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 도관 구조체는 상기 금속 시트의 제2 표면에 부착되는 주름(corrugated) 시트를 구비하여, 다수의 평행한 열-교환 채널이 상기 도관 구조체의 상향-대면 표면과 상기 금속 시트의 제2 표면 사이에 한정되는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 수동형 복사 냉각 시스템으로서,
다수의 모듈; 및
상기 다수의 모듈을 통해 냉각재를 통과시키도록 구성되는 유동 제어 시스템;을 구비하고,
각각의 상기 모듈은,
금속 시트 및 상기 금속 시트의 제1 표면 상에 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 배열되는 다수의 메타물질 나노구조체를 포함하는 울트라-블랙 방사체로서, 상기 다수의 메타물질 나노구조체는 8㎛ 내지 13㎛의 파장 범위를 가지는 복사에너지를 방사하도록 구성되는, 상기 울트라-블랙 방사체;
상기 방사체 층의 상기 제1 표면에 장착되고 입사 태양 복사를 반사하도록 구성되는 반사층; 및
상기 금속 시트 방사체 층 하부에 배치되고 입구 포트와 출구 포트 사이에 상기 냉각재를 안내하도록 구성되어, 열적 에너지가 상기 냉각재로부터 상기 금속 시트를 통해 상기 다수의 메타물질 나노구조체로 전도되게 하는 도관 구조체;를 포함하고,
상기 금속 시트는 알루미늄 기본 층 및 상기 알루미늄 기본 층 상에 배치되는 산화알루미늄 층을 구비하고,
상기 다수의 메타물질 나노구조체는 상기 산화알루미늄 층 내부에 전체로 한정되는 테이퍼형 나노공극들의 어레이를 구비하고,
상기 울트라-블랙 방사체는 도금 금속 층을 더 구비하고, 상기 도금 금속 층은 전체로 상기 산화알루미늄 층 상에 및 각각의 상기 테이퍼형 나노공극 내부에 배치되고,
상기 도금 금속 층은 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 금(Ag) 중 하나 이상을 구비하는, 수동형 복사 냉각 시스템. - 제11항에 있어서, 상기 도관 구조체는 하부 벽 및 상부 개구를 한정하는 주변 측벽들을 포함하는 상자-유사 프레임을 구비하고,
상기 도관 구조체는 상기 금속 시트에 고정적으로 연결되어, 상기 도관 구조체의 하부 벽과 주변 측벽들 및 상기 금속 시트의 제2 표면은 실질적으로 둘러싸인 열-교환 채널을 형성하고, 상기 열-교환 채널은 상기 금속 시트의 제2 표면에 대하여 상기 냉각재의 흐름을 촉진하도록 구성되고,
상기 하부 벽과 상기 주변 측벽들 중 하나는 상기 입구 포트와 상기 출구 포트를 한정하는, 수동형 복사 냉각 시스템. - 제11항에 있어서, 상기 유동 제어 시스템은 가열된 냉각재를 물체로부터 상기 다수의 모듈로 안내하도록 구성되는 유입 파이프, 냉각된 냉각재를 상기 다수의 모듈로부터 상기 물체로 안내하도록 구성되는 유출 파이프, 및 상기 유입 파이프와 상기 유출 파이프 중 적어도 하나에 작동 가능하게 연결되는 펌프를 구비하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 다수의 모듈의 제1 열 그룹(row group)은 상기 유입 파이프와 상기 유출 파이프 사이에 직렬로 작동 가능하게 연결되어, 상기 냉각재가 상기 유입 파이프로부터 순차적으로 상기 제1 열 그룹의 각각의 상기 모듈의 상기 도관 구조체를 통해 상기 유출 파이프까지 통과하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 다수의 모듈의 하나 이상의 제2 열 그룹은 상기 유입 파이프와 상기 유출 파이프 사이에 직렬로 작동 가능하게 연결되어, 상기 냉각재가 상기 유입 파이프로부터 동시에 병렬로 상기 제1 열 그룹과 상기 하나 이상의 제2 열 그룹을 통해 상기 유출 파이프까지 통과하는, 수동형 복사 냉각 시스템.
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