KR102361493B1

KR102361493B1 - 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치

Info

Publication number: KR102361493B1
Application number: KR1020210087591A
Authority: KR
Inventors: 김성원; 박새한; 김수영
Original assignee: 한국교통대학교산학협력단
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2022-02-09

Abstract

확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치가 개시된다. 본 발명에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치는, 집광장치에 의해 수렴되어 전달된 태양광으로부터 고체입자를 매개로 열을 흡수하는 태양열 흡수장치로서, 상기 고체입자를 수용하고, 상단부가 개구된 하우징; 상기 고체입자에 의한 흡열이 상기 하우징의 하단까지 이루어지도록, 아래쪽으로 오목하게 함몰형성된 광투과 소재로 이루어져 개구된 상기 하우징의 상단부에 결합되는 투과창; 및 서로 이격된 상기 하우징과 상기 투과창이 형성하는 유동공간에서 상기 고체입자가 부유 또는 유동하도록 아래쪽에서 기체를 공급하고, 상기 고체입자에 의해 가열된 공급 기체를 외부로 송출하는 기체제공부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 하우징 내에서 기체의 공급으로 부유 또는 유동하는 고체입자는 일정 영역(입사 표면)에 제한되지 않고, 함몰형성된 투과창을 따라 하우징의 하단까지 보다 넓은 면적에서 태양광에 직접 노출되며 열접촉되므로, 고체입자에 대한 태양광의 열전달 효율이 종래에 비해 비약적으로 향상될 수 있고, 나아가 기체는 확장된 열전달 면적에서 태양광을 흡수한 고체입자와 긴 시간동안 열접촉되며 충분히 가열된 후 외부에 제공될 수 있게 된다.

Description

확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치{DEVICE THAT ABSORBS SOLAR HEAT BASED ON PARTICLES AND HAS AN ENLARGED EXPOSURE STRUCTURE TO LIGHT}

본 발명은, 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 흡수장치 내에서 유동화되는 고체입자에 대한 태양광의 열전달이 일부 영역이 아니라 흡수장치의 하단부까지 전체적으로 이루어지도록 개선한 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치에 관한 것이다.

증가하는 에너지 소비를 만족시키면서 동시에 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전력을 생산공급하는 전력회사들은 기존의 화석연료에 기반한 전력 생산을 태양광, 풍력, 지열, 바이오매스 등과 같이 탄소 배출이 거의 없는 재생에너지 자원들로 급격히 전환하고 있다.

다만, 인류의 궁극적 자원인 태양광, 풍력 등의 재생에너지 자원들은, 화석연료에 비해 현재 낮은 경제성과 안정적인 전력 운용이 어렵다는 한계 때문에 현재까지는 소용량의 전력시스템으로 독립 운용되거나 화석연료 기반의 대용량 전력시스템과 융복합된 형태로 운용되고 있다.

그러나 이러한 재생에너지 중에서 비교적 안정적인 자원인 태양광 분야는, 위와 같은 한계를 좁히기 위해, 태양광의 빛에너지를 직접 전력으로 변환하는 태양광기술(photovoltaics,PV))과, 태양광을 집광하여 얻어지는 열을 이용하는 태양열 기술(Concentrating Solar Power,CSP)과, 태양광을 이용하여 직, 간접적으로 매체를 가열하여 활용하는 열처리기술(Solar Thermal Collectors for heating and cooling,SHC) 등으로 분류되어 다양한 연구개발이 이루어지고 있다.

여기서 본 발명에서 다루게 되는 열처리기술(SHC)은, 태양광을 모으는 집광기술(렌즈 영역)과 태양열을 매체(Energy carrier)에 직접 또는 간접 방식으로 전달하는 기술로 구분될 수 있다.

집광된 고온의 태양열을 매체에 간접적으로 전달하는 방식은, 열전도도가 우수한 튜브 내에 채워진 염(salt) 또는 수증기를 간접적으로 가열(열교환기 방식)하는 방식으로, 튜브와 염 또는 수증기 간의 열전달 시에 저항의 증가로 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

또한, 집광된 고온의 태양열을 매체에 직접적으로 전달하는 방식은, 집광되어 투과창을 통과한 태양광이 실린더 내부의 수증기 또는 기체를 직접 가열하는 방식으로, 수증기 또는 기체 자체가 열 흡수능력이 우수하지 못하기 때문에 태양광의 열에너지가 효율적으로 전달되지 못하는 문제가 있었다.

상술한 문제들을 해결하기 위해, 최근에는 대한민국등록특허 제10-0818768호(공고일: 2008년04월01일) 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 위로 송출되는 기체에 의해 부유 또는 유동화된 상태로 집광된 태양열을 흡수하는 고체입자(흡열체인 분체)를 이용하여 기체를 가열하고 외부에 제공하는 입자기반 태양열 흡수장치에 대한 기술이 제시되고 있다.

이러한 입자기반 태양열 흡수장치는, 열저장능력이 우수한 고체입자를 통해 태양열을 흡수하고, 상방으로 송출되는 기체와 고체입자 간의 원활한 혼합을 유도함으로써, 태양열 에너지의 열효율을 향상시킨 점에서 주목할만한 기술로 인정받고 있다.

다만, 평평한 투과창(120')을 통과한 태양광(CS)은, 실린더 내부에서 상하로 부유 또는 유동하는 고체입자(P)와 위쪽 표면(HA)에서만 집중적으로 열접촉하고, 아래쪽에서 부유하는 고체입자(P)와는 효과적이고 충분한 열접촉이 이루어지지 못하는 가열의 불균형 문제가 있다.

따라서 이러한 태양광 가열의 불균형 문제로 인한 열효율의 저하를 해결하기 위해, 태양광이 고체입자 내부로 깊숙이 침투할 수 있는 입자기반 태양열 흡수장치에 대한 구조적인 개선 내지 개량이 필요한 실정이다.

대한민국등록특허 제10-0818768호(공고일: 2008년04월01일)

본 발명의 목적은, 태양광이 고체입자 내부로 깊숙이 침투할 수 있도록 투과창의 구조나 형상 등을 새롭게 제안함으로써, 고체입자에 대한 태양광의 열전달 효율을 향상시킨 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 집광장치에 의해 수렴되어 전달된 태양광으로부터 고체입자를 매개로 열을 흡수하는 태양열 흡수장치로서, 상기 고체입자를 수용하고, 상단부가 개구된 하우징; 상기 고체입자에 의한 흡열이 상기 하우징의 하단까지 이루어지도록, 아래쪽으로 오목하게 함몰형성된 광투과 소재로 이루어져 개구된 상기 하우징의 상단부에 결합되는 투과창; 및 서로 이격된 상기 하우징과 상기 투과창이 형성하는 유동공간에서 상기 고체입자가 부유 또는 유동하도록 아래쪽에서 기체를 공급하고, 상기 고체입자에 의해 가열된 공급 기체를 외부로 송출하는 기체제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치에 의해 달성된다.

상기 투과창은, 상단부로 갈수록 확장되는 하단부가 막힌 깔때기 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 하우징은, 상기 투과창과 함께 상단부가 벌어지는 U자형의 상기 유동공간을 형성하도록, 상기 투과창에 대응하는 깔때기 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 기체제공부는, 송출압을 제어하며 상기 하우징의 하단부에 구비된 챔버에 기체를 공급하는 기체공급장치; 상기 챔버에 공급된 기체를 복수의 구멍을 통해 상기 하우징의 하단부로 균일하게 분배하는 분산판; 및 상기 하우징의 상단부에 적어도 하나 이상 구비되어 상기 고체입자에 의해 가열된 기체를 외부에 제공하는 배기덕트를 포함할 수 있다.

상기 하우징의 내측에는, 상기 투과창을 통과한 태양광에 대한 상기 하우징의 열흡수를 억제하는 반사층이 형성될 수 있다.

상기 고체입자는, 실리콘카바이드(SiC), 상대적으로 짧은 나노튜브들이 입자 표면 위에서 서로 불규칙적으로 얽힌 형태인 ENCNT 및 입자 표면에서 탄소나노튜브가 수직방향으로 성장된 형태의 VACNT를 비드 유화법으로 제조한 CNT비드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 하우징의 내측면에는, 공급된 기체와 상기 고체입자가 나선 또는 사선방향으로 유동하도록 안내하는 복수의 배플이 돌출형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 광투과 소재인 투과창이 종래와 같이 단순히 평평한 형태로 하우징의 상부에 결합되는 것이 아니라 아래쪽 즉, 하우징의 내부로 함몰형성됨으로 인해, 하우징 내에서 기체의 공급으로 부유 또는 유동하는 고체입자는 일정 영역(입사 표면)에 제한되지 않고, 함몰형성된 투과창을 따라 하우징의 하단까지 보다 넓은 면적에서 태양광에 직접 노출되며 열접촉되므로, 고체입자에 대한 태양광의 열전달 효율이 종래에 비해 비약적으로 향상될 수 있게 된다.

이로 인해, 상방으로 공급된 기체는 확장된 열전달 면적에서 태양광을 흡수한 고체입자와 긴 시간동안 열접촉되며 충분히 가열된 후 외부에 제공될 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치가 적용된 태양광 융복합시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 하우징의 내부 구조를 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 중의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6은 종래 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 중의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 종래 입자기반 태양열 흡수장치 간의 열효율을 기체속도에 기반하여 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치가 적용된 태양광 융복합시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 변형예에 따른 하우징의 내부 구조를 보여주는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 전의 상태를 보여주는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 중의 상태를 보여주는 단면도이고, 도 6은 종래 입자기반 태양열 흡수장치의 가동 중의 상태를 보여주는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예와 종래 입자기반 태양열 흡수장치 간의 열효율을 기체속도에 기반하여 비교한 그래프이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.

본 발명에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치(100)는, 하우징(110) 내에서 기체(G)의 공급으로 부유 또는 유동하는 고체입자(P)가 일정 영역에 제한되지 않고, 함몰형성된 투과창(120)을 따라 하우징(110)의 하단까지 보다 넓은 면적에서 태양광(CS)에 직접 노출되며 열접촉되도록 하기 위해 안출된 발명이다.

이로 인해 고체입자(P)에 대한 태양광(CS)의 열전달 효율이 종래에 비해 비약적으로 향상될 수 있는데, 구체적으로 본 발명이 적용될 수 있는 태양광 융복합시스템은, 일례로 도 1에 도시된 바와 같다.

도 1을 참조하면, 태양광 융복합시스템은, 복수의 반사판을 이용하여 고에너지의 태양광(CS)을 수직방향으로 집광시키는 집광장치(10), 집광장치(10)로부터 제공된 고에너지의 태양광(CS)으로부터 고체입자(P)를 매개로 기체(G)를 가열하는 본 발명의 태양열 흡수장치(100), 태양열 흡수장치(100)와 연결되어 가열된 기체(HG,공기)를 터빈(30)의 연소용으로 제공하는 열저장소(20), 가열된 기체(HG)와 연료의 연소로 구동되는 터빈(30)에 의해 전력을 생산하는 발전장치(40), 발전장치(40)와 연결된 전력송출부(50) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 집광장치(10)는, 태양광(S)을 한 지점으로 수렴 내지 집광시키는 복수의 집광판(11)과, 집광된 태양광(CS)을 투과창(120)의 중앙부로 반사하는 반사판(12)으로 구성될 수 있다.

이러한 도 1의 태양광 융복합시스템은, 단지 일례로서 본 발명은 가열된 기체(HG) 등이 활용될 수 있는 난방시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 실시예에 따른 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치(100)는, 집광장치(10)에 의해 수렴되어 전달된 태양광(CS)으로부터 고체입자(P)를 매개로 열을 흡수하는 장치로서, 위와 같은 태양광(CS)의 열전달 효율의 향상을 구체적으로 실현하기 위해, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(110), 투과창(120) 및 기체제공부(130) 등을 포함하여 이루어지게 된다.

이하에서는 상술한 바와 같은 각 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 하우징(110)은, 상단부가 개구된 형태로 내부에 공간이 마련된 통형상의 구성요소로서, 그 형상은 특별하게 제한되지 않으므로, 원형, 타원형 또는 다각형 등의 통일 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 하우징(110)은, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 후술할 투과창(120)과 함께 상단부가 벌어지는 U자형의 유동공간(111)을 형성할 수 있도록, 투과창(120)에 대응하는 깔때기 형상으로 제작하게 된다.

일례로, 하우징(110)은, 내경이 대략 50mm 내지 80mm인 원통형상에서 상단부로 갈수록 외경이 80mm 내지 130mm로 확장되고, 높이가 대략 140mm 내지 160mm인 깔때기 형상으로 제작하게 된다.

이러한 형상의 하우징(110)과 후술할 투과창(120)으로 인해, 하우징(110) 내에서 부유 또는 유동하는 고체입자(P)는, 상단부가 벌어지는 U자형의 유동공간(111)을 따라 전체적으로 고르게 분포되며 분산될 수 있게 된다.

그리고 위와 같이 U자형의 유동공간(111)을 따라 전체적으로 고르게 분포된 고체입자(P)는, 상하 방향으로 집광되어 투과창(120)의 내삽부(122)를 향하여 입사 및 굴절되는 태양광(CS,RS)에 고르게 노출될 수 있게 된다.

이때, 태양광(CS)은, 도 4 등에 도시된 바와 같이, 집광장치(10)를 통해 내삽부(122)의 외경보다 큰 지름으로 집광되도록 조절하게 되는데, 이는 투과창(120)의 내삽부(122)로 입사되는 중앙부의 태양광(CS)과 달리 양측 가장자리의 태양광(CS)이 투과창(120)의 확장부(124)에 의해 굴절(RS)되어 양측면의 유동공간(111)에서 부유 또는 유동하는 고체입자(P)와 열접촉하도록 유도하기 위함이다.

상술한 바와 같은 하우징(110)은, 고에너지로 집광된 태양광(CS)을 취급하고, 유동 또는 부유하는 고체입자(P)와 지속적으로 충돌, 접촉하기 때문에 내열성, 내부식성 및 내마모성을 갖는 플라스틱, 금속, 세라믹 등의 소재로 제작될 수 있다.

그리고 하우징(110)의 내측면에는, 집광되어 투과창(120)을 통해 유동공간(111)으로 입사된 태양광(CS)에 대한 하우징(110) 자체의 열흡수를 억제하고, 태양광(CS)이 바깥쪽으로 투과되어 유실되지 않도록, 태양광(CS)을 반사하는 고강도의 반사층(114)이 형성될 수 있고, 하우징(110)의 외주면에는, 열손실을 저감하기 위한 단열부재(미도시)가 구비될 수 있다.

이러한 반사층(114)으로 인해, 집광되어 유동공간(111)으로 입사된 태양광(CS)에 대한 손실이 최소화됨으로써, 태양광(CS)에 대한 열효율 또한 향상될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 변형예에 따른 하우징(110')은, 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(110)의 내주면에서 나선방향 또는 사선방향으로 돌출형성된 복수의 배플(116)을 더 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

여기서 배플(116)은, 후술하는 바와 같이 아래쪽에서 공급되는 기체(G)에 의해 상방으로 유동하게 되는 고체입자(P)를 상대적으로 긴 경로인 나선 또는 사선방향으로 안내하기 위한 구성요소이다.

이러한 배플(116)의 형성으로 인해, 고체입자(P)와 투과창(120)을 통과한 태양광(CS) 간의 열접촉 시간이 증대됨에 따라 고체입자(P)에 의한 열흡수율이 더욱 향상될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 고체입자(P)는, 열흡수율이 우수한 소재로 제작된 입자 형태의 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 고체입자(P)는, 평균 입도가 0.1mm 내지 0.2mm인 실리콘카바이드(SiC), 상대적으로 짧은 나노튜브들이 입자 표면 위에서 서로 불규칙적으로 얽힌 형태로 평균 입도가 0.6mm 내지 0.9mm인 ENCNT(entangled carbon nanotubes,FloTube™ 9000, C Nano) 및 입자 표면에서 탄소나노튜브가 수직방향으로 성장된 형태의 VACNT(vertically aligned carbon nanotubes, FloTube™ 7000,C-Nano)를 비드 유화법으로 제조한 평균 입도가 0.4mm 내지 0.6mm인 CNT비드 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 CNT비드는, 다음과 같은 일련의 제조과정을 통해 제조될 수 있다.

먼저, m-cresol과 VACNT를 40mg/mL로 혼합한 페이스트 상태의 수용액을 교반기를 사용하여 마이크로미터 단위의 유화 액적이 형성되도록 분산하는 제1 단계를 수행하게 된다.

이때, 유화 액적 내에서 m-cresol의 친수기가 활성화되어 CNT 응집체가 높은 구형성을 띌 수 있도록 충분한 안정화 시간을 부여하게 된다.

다음으로, 유화 액적을 유기용매 흡수지(OAP,Oil Absorbing Paper) 위에 도포하고, 냉수(8℃)를 유기용매 흡수지(OAP,Oil Absorbing Paper)에 도포된 유화 액적에 분사하여 잔류하는 m-cresol을 제거하는 제2 단계를 수행하게 된다.

이때, 제거된 m-cresol은 유기용매 흡수지(OAP,Oil Absorbing Paper)를 통과하여 아래쪽의 트레이에 저장되고, 유기용매 흡수지(OAP,Oil Absorbing Paper) 위에는 CNT 응집체만이 남게 된다.

마지막으로, 추출된 CNT 응집체를 진공오븐에서 0.2ATM, 185℃로 48시간 1차 건조하는 과정, 건조된 CNT 응집체를 혼합과정, 순수를 이용한 2차 세정과정, 진공오븐에서 0.92ATM, 163℃로 2차 건조하는 제3 단계를 수행하게 된다.

위와 같은 제조과정에 따르게 되면, 우수한 구형성과 생산성, 낮은 입도를 가진 본 발명의 CNT비드가 제조될 수 있게 된다.

앞서 언급한 실리콘카바이드(SiC), ENCNT 및 CNT비드에 대한 구체적은 물성은 다음의 <표 1>과 같다.

상술한 바와 같은 하우징(110)에는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하단부 공간에는 고체입자(P)를 상방으로 부유 또는 유동시키기 위해 제공된 기체(G)가 채워지는 챔버(112)와, 유동공간(111)에서 상방으로 송출되는 기체(G)의 유속과 온도를 높이별로 측정하는 복수의 센서부(118)가 구비될 수 있다.

이때, 센서부(118)는, 압력을 측정하는 복수의 압력센서와, 유동공간(111) 내부의 온도를 측정하는 복수의 온도센서 등으로 구성될 수 있고, 센서부(118) 는 압력센서에 의해 측정된 압력에 기초하여 기체(G)의 유속을 산출하게 된다.(베르누이 법칙 참조)

투과창(120)은, 집광되어 입사된 태양광에 대한 고체입자(P)의 흡열이 상술한 하우징(110)의 하단까지 넓은 면적에 폭넓게 이루어지도록 하기 위해 본 발명에서 특별하게 제안된 구성요소로서, 종래 평평한 평판형 투과창(120')과 달리 아래쪽으로 오목하게 함몰형성되어 이루어지게 된다.

이러한 투과창(120)은, 평평한 평판 구조가 아니라 아래쪽으로 오목하게 함몰형성된 광투과 소재로 제작되어 하우징(110)의 상단부에 결합될 수 있는 구조라면, 특별하게 제한되지 않는다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 투과창(120)은, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 상단부로 갈수록 확장되는 하단부가 막힌 깔때기형 구조로 이루어지게 된다.

이때, 투과창(120)을 깔때기 형태로 제작하는 이유는, 상술한 하우징(110)과의 결합관계에서 기체(G) 공급에 의한 고체입자(P)의 부유 또는 유동을 제한하지 않는 유동공간(111)을 형성하면서도, 하우징(110)의 하단까지 보다 넓은 면적에서 태양광(CS)에 대한 고체입자(P)의 노출이 극대화될 수 있도록 하기 위함이다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 투과창(120)은, 하우징(110)의 내부 공간에 삽입되는 내삽부(122), 내삽부(122)에서 상방으로 갈수록 확장형성되어 가열된 기체(HG)의 유속을 감속시켜 고체입자(P)의 유동을 제한하는 확장부(124) 및 내삽부(122)의 하단부에 구비되어 집광된 태양광(CS)을 주변으로 확산시키거나 필요한 경우 수렴시키는 렌즈부(126,프레넬) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

일례로, 투과창(120)은, 투과율이 90% 이상인 석영유리 또는 내구성이 우수하고 투과율이 85% 이상인 파이렉스 유리를 소재로, 외경이 대략 20mm 내지 30mm인 원통 형상(내삽부(122))에서 상단부로 갈수록 외경이 80mm 내지 130mm로 확장(확장부(124))되고, 높이가 대략 120mm 내지 130mm인 깔때기 형상으로 제작하게 된다.

이러한 깔때기형 투과창(120)으로 인해, 내삽부의 외경보다 큰 지름으로 집광된 태양광(CS)의 양측 가장자리 영역은, 확장부(124)에 의한 굴절(RS)을 통해 양측면의 유동공간(111)에서 부유 또는 유동하는 고체입자(P)와 활발한 열접촉을 이룰 수 있게 된다.

그리고 내삽부(122)로 입사된 태양광(CS)의 중앙부 영역은, 하우징(110)의 하단부까지 깊숙하게 입사되어 렌즈부(126)를 통해 확산(굴절) 또는 수렴된 후, 하단의 유동공간(111)에서 부유 또는 유동하는 고체입자(P)와 활발한 열접촉을 이룰 수 있게 된다.

즉, 상술한 바와 같이 상하방향으로 집광되어 내삽부(122)를 향하여 입사된 태양광(CS)이 영역별(중앙, 양측 가장자리)로 상단부가 벌어진 U자형의 유동공간(111) 전체로 고르게 분산되며 상하 길이방향을 따라 넓은 면적에서 고체입자(P)와 활발한 열접촉을 이룸(열전달 면적의 확장)에 따라, 고체입자(P)에 대한 태양광(CS)의 열전달 효율은 종래의 평판형 투과창(120')에 비해 비약적으로 향상될 수 있는 것이다.

나아가 기체(G)는 종래 평판형 투과창(120')처럼 제한된 흡열 영역(입사 표면)의 짧은 거리에서만 일시적으로 가열되는 것이 아니라, 위와 같이 상하로 확장된 열전달 면적에서 태양광(CS)을 흡수한 고체입자(P)와 긴 시간동안 열접촉되며 충분히 가열된 후 외부에 제공될 수 있게 되는 것이다.

기체제공부(130)는, 서로 이격된 하우징(110)과 투과창(120)이 형성하는 유동공간(111)에서 고체 입자가 부유 또는 유동하도록 아래쪽에서 기체(G)를 공급하고, 고체입자(P)에 의해 가열된 공급 기체(G)를 외부로 송출하는 구성요소이다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 기체제공부(130)는, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 기체공급장치(132), 분산판(134) 및 배기덕트(136)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 기체제공부(130)는, 도면에 도시하지 않았지만 태양광 융복합시스템의 전반적인 작동을 제어하는 제어유닛(미도시)에 의해 제어될 수 있다.

기체공급장치(132)는, 송출압을 제어하며 하우징(110)의 하단부에 구비된 챔버(112)에 기체(G)를 공급하는 구성요소로서, 외기를 흡인하여 압축한 후 압축된 공기를 외부로 송출하는 컴프레셔 또는 고압으로 저장된 열교환용 기체(G)를 밸브 제어를 통해 외부로 송출하는 고압용기 등일 수 있다.

이러한 기체공급장치(132)는, 상술한 챔버(112)와 배관으로 연결될 수 있고, 배관에는 송출되는 기체(G)의 유량을 측정할 수 있는 유량계(132a) 등이 설치될 수 있다.

분산판(134)은, 상술한 바와 같이 챔버(112) 에 공급된 기체(G)를 복수의 구멍(134a)을 통해 하우징(110)의 하단부로 균일하게 분배하는 구성요소이다.

이러한 분산판(134)으로 인해 유동공간(111) 내부의 고체입자(P)는 유동공간(111)을 따라 균일하게 상방으로 부유 또는 유동한 상태에서 집광되어 입사된 태양광(CS)으로부터 열을 고르게 흡수할 수 있게 된다.

배기덕트(136)는, 하우징(110)의 상단부에 적어도 하나 이상 구비되어 고체입자(P)에 의해 가열된 기체(HG)를 외부(일례로 터빈(30) 등)에 제공하는 관체형상의 구성요소로서, 일측에는 부유 또는 유동화된 고체입자(P)의 외부 송출을 방지하는 여과필터(138)가 구비될 수 있다.

상술한 바와 같은 기체제공부(130)에 의해 제공되는 기체(G)가 최소유동화 속도 이상의 유량으로 하우징(110)에 공급될 때, 비로소 고체입자(P)의 부유 또는 유동현상이 발생하게 되는데, 최소유동화 속도는 도 7에 도시된 바와 같이 고체입자(P)의 종류에 따라 상이할 수 있다.

한편, 위와 같은 깔때기형 투과창(120)이 적용된 태양열 흡수장치(100)의 열흡수 작용을 도 6의 종래 평판형 투과창(120')과 대비하며 설명하면, 우선 도 5의 깔때기형 투과창(120)은, 내삽부(122)를 둘러싸는 넓은 면적(확장된 열전달 면적)에서 고체입자(P)와 태양광(CS) 간의 균일한 열접촉을 촉진하여 고체입자(P)의 흡열작용과 기체(G)의 가열(열전달 시간의 증대)이 광범위하게 이루어지도록 유도하는 작용을 수행하게 된다.

또한, 깔때기형 투과창(120)의 내삽부(122)는, 기체(G)의 가열에 의해 생성되고 기체(G)의 상방 이동에 따라 성장하는 기포(B)를 양측으로 분산시킴에 따라 도 6의 종래 평판형 투과창(120')과 대비시 기포(B)의 과도한 성장을 억제하며 분산하는 작용을 수행하게 된다.

이러한 내삽부(122)에 의한 기포(B)의 성장 억제와 분산은, 고체입자(P) 표층에 도달하는 동안 과도하게 성장한 기포(B)로 인해 야기되는 태양광(CS)의 반사와 산란을 저감하고, 고체입자(P)에 의한 태양광(CS)의 재흡수를 촉진하게 된 결과, 태양광(CS)의 열효율 향상에 기여하게 된다.

나아가 본 발명에 따른 깔때기형 투과창(120)과 종래 평판형 투과창(120')이 각각 적용된 입자기반 태양열 흡수장치(100) 간의 열효율 분포특성을 기체(G) 속도에 기반하여 비교 시험한 도 7의 그래프를 간략히 설명하면 다음과 같다.

우선, 하나의 시험예로 사용된 실리콘 카바이드(SiC)의 경우, 도 7에 따르면, 평판형 투과창(120')이 적용된 경우의 열효율은 기체(G) 속도에 비례하여 완만하게 증가하다가 특정 지점에서 수렴하는 특징이 있다고 할 수 있다.

반면에, 동일 조건의 실리콘 카바이드(SiC)에 대하여 깔때기형 투과창(120)이 적용된 경우의 열효율은, 시험된 기체(G) 속도의 범위에서 수렴하지 않고 기체(G) 속도의 증가에 비례하여 선형적으로 증가되는 특징이 있음을 알 수 있다.

또한, 실리콘 카바이드(SiC)의 경우, 기체(G) 속도가 대략 0.17m/s 일 때, 평판형 투과창(120')에서 20.5%의 열효율을 보였으나, 깔때기형 투과창(120)에서는 30.7%로 열효율이 크게 향상됨을 보여주고 있는데, 이에 따르면 기체(G) 속도가 증가할수록 열효율의 차이는 더욱 커질 것으로 예상할 수 있다.

또한, 최소 유동화 속도인 0.05m/s에서 실리콘카바이드(SiC)에 대한 깔때기 형 투과창(120)의 열효율 저하의 의미는, 고체입자(P)가 내삽부(114)에 의해 보다 넓은 면적에서 태양광(CS)에 직접 노출되며 열접촉되더라도 태양광(CS)으로부터 즉각적인 열전달이 이루어지는 것이 아니고, 초기의 기체(G) 속도가 임계적 의의가 있는 일정 수준 이상일 때, 종래와 비교시 비로소 열효율의 비약적 향상이 이루어지는 것으로 이해할 수 있다.

따라서 깔때기형 투과창(120)의 경우, 상술한 고체입자(P)의 종류나 혼합 비율을 결정하고, 이에 대응하여 초기의 기체(G) 속도를 임계 속도 이상에서 설정하여 운용하게 되면, 태양광(CS)의 열효율을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

S: 태양광 CS: 집광된 고에너지의 태양광
RS: 굴절된 태양광 10: 집광장치
11: 집광판 12: 반사판
20: 열저장소 30: 터빈
40: 발전장치 50: 전력송출부
100: 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치
110,110': 하우징 P: 고체입자
111: 유동공간 112: 챔버
114: 반사층 116: 배플
118: 센서부 120: 깔때기형 투과창
120': 평판형 투과창 122: 내삽부
124: 확장부 126: 렌즈부(프레넬)
130: 기체제공부 G: 기체
B: 기포 132: 기체공급장치
132a: 유량계 134: 분산판
134a: 구멍 136: 배기덕트
138: 여과필터

Claims

집광장치에 의해 수렴되어 전달된 태양광으로부터 고체입자를 매개로 열을 흡수하는 태양열 흡수장치로서,
상기 고체입자를 수용하고, 상단부가 개구된 하우징;
상기 고체입자에 의한 흡열이 상기 하우징의 하단까지 이루어지도록, 아래쪽으로 오목하게 함몰형성된 광투과 소재로 이루어져 개구된 상기 하우징의 상단부에 결합되는 투과창; 및
서로 이격된 상기 하우징과 상기 투과창이 형성하는 유동공간에서 상기 고체입자가 부유 또는 유동하도록 아래쪽에서 기체를 공급하고, 상기 고체입자에 의해 가열된 공급 기체를 외부로 송출하는 기체제공부를 포함하고,
상기 투과창은,
상단부로 갈수록 확장되는 하단부가 막힌 깔때기 형상으로 이루어지고,
상기 하우징은,
상기 투과창과 함께 상단부가 벌어지는 U자형의 상기 유동공간을 형성하도록, 상기 투과창에 대응하는 깔때기 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 기체제공부는,
송출압을 제어하며 상기 하우징의 하단부에 구비된 챔버에 기체를 공급하는 기체공급장치;
상기 챔버에 공급된 기체를 복수의 구멍을 통해 상기 하우징의 하단부로 균일하게 분배하는 분산판; 및
상기 하우징의 상단부에 적어도 하나 이상 구비되어 상기 고체입자에 의해 가열된 기체를 외부에 제공하는 배기덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내측에는,
상기 투과창을 통과한 태양광에 대한 상기 하우징의 열흡수를 억제하는 반사층이 형성되는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치.
제1항에 있어서,
상기 고체입자는,
실리콘카바이드(SiC), 상대적으로 짧은 나노튜브들이 입자 표면 위에서 서로 불규칙적으로 얽힌 형태인 ENCNT 및 입자 표면에서 탄소나노튜브가 수직방향으로 성장된 형태의 VACNT를 비드 유화법으로 제조한 CNT비드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내측면에는,
공급된 기체와 상기 고체입자가 나선 또는 사선방향으로 유동하도록 안내하는 복수의 배플이 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 확대된 광노출 구조를 갖는 입자기반 태양열 흡수장치.