KR200277017Y1 - 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 집속식 태양열 집열기의 흡수기 또는 반사면을 보호하는 외부 유리관 중의 하나를, 내벽과 외벽 사이에 진공이 형성된 2중벽의 진공 유리관으로 구성하여 대류에 의한 열손실을 감소시킨, 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기에 관한 것이다.

본 고안의 집속식 태양열 집열기는, 종래 집속식 집열기의 외부 유리관(11) 또는 흡수기(13) 중의 하나를, 양 단부가 상호 일체화된 대경 유리관(21A)(22A)과 소경 유리관(21B)(22B)으로 구성되고, 상기 각 대경 유리관(21A)(22A)과 소경 유리관(21B)(22B) 사이의 공간(S)에 진공을 형성시킨 파이프형 2중벽 진공 유리관(21)(22)으로 구성한 것이다.

본 고안을 구성하는 2중벽 진공 유리관은 자체적으로 외부와 완전히 밀폐되기 때문에 진공도가 떨어지지 않아 열손실 감소 효과가 지속되며, 흡수기를 2중벽 진공 유리관으로 사용하게 되면 유리관의 중공이 열전달 매체의 유로가 되면서 유로 형성을 위한 구조가 간단하면서 열 흡수 효율이 향상되는 이점이 있다.

Description

2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기{Solar concentrating collector with dual evacuated tube}

본 고안은 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기에 관한 것으로, 더 자세하게는 태양광을 집속하여 열 에너지로 변환시키는 집속식 태양열 집열기의 흡수기 또는 반사면을 보호하는 외부 유리관 중의 하나를, 원통형 대경 유리관의 중심부에 원통형 소경 유리관이 삽입되고 양 단부가 하나로 일체화되어 대·소경 유리관 사이에 진공이 형성된 파이프형 2중벽 진공 유리관으로 구성하여 대류에 의한 열손실을 감소시키므로써, 통상적으로 약 200℃정도의 열 에너지를 얻는데 사용되는, 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기에 관한 것이다.

태양열 에너지를 이용하기 위한 태양열 집열기는 일반적으로 그 작동 온도에 따라 저온용, 중온용 및 고온용으로 구분되며, 입사되는 태양광을 흡수하는 방식에 따라 비집속식과 집속식으로 구분되고, 이동하는 태양을 축적하는 장치의 부가여부에 따라 고정형과 태양 추적형으로 분류된다.

무제한의 에너지원인 태양열 에너지의 이용에 있어서 무엇보다도 중요한 점은 태양열을 모으는 집열기의 고효율화에 있다고 할 수 있으며, 이러한 고효율화는 집열 효율을 높임과 함께 집열된 열의 손실을 줄임으로써 달성될 수 있는 바, 이러한 열손실은 집열기의 작동 온도와 외기 온도의 차이에 의해서 필연적으로 발생하는 현상인 전도, 대류 및 복사 등을 통한 열전달에 의해 집열기를 둘러싼 대기 중으로 유실됨을 의미한다.

입사되는 태양광을 그대로 흡수하게 되는 비집속식이나, 입사된 태양광을 한 곳으로 집중시켜 흡수하게 되는 집속식 태양열 집열기에서 전도에 의한 열손실은 집열기를 구성하는 재료를 통한 열전도에 위해 모아진 열이 대기 중으로 손실되는 것이고, 대류 열손실은 태양 복사 에너지를 흡수하는 흡수면과 외기 사이의 온도 차이로 발생되는 공기의 유동에 의해 손실되는 것이며, 복사 열손실은 태양복사 에너지를 흡수하는 표면과 외기 사이의 복사 열전달에 의해 손실되는 것을 의미한다.

상기와 같이 열의 전달 방식인 전도, 대류, 복사에 의한 열손실 중에서 대류에 의한 열손실이 가장 크기 때문에 대류에 의한 열손실을 줄이는 것이 집열기의 전체 열손실을 줄이는 가장 효과적인 방법이 된다.

비집속식인 평판형 집열기의 경우에는 2중 유리로서 태양광이 처음 통과하게 되는 투과체를 구성하고, 유리 투과체 하부에 테프론 필름을 부착하거나 투과체와 흡수면 사이를 벌집의 형태로 분할하는 방법들이 적용되어 왔으나, 비집속식인 평판형 집열기의 경우는 기본적으로 열손실 면적, 즉 태양광 입사 면적 자체가 크기 때문에 상기와 같은 방법들을 적용하여도 열손실을 줄이는 데에는 한계가 있다.

그리고, 태양열 집열기에 있어서 대류에 의한 열손실을 줄이기 위하여 투과체와 흡수면 사이에 진공을 형성시켜 대류에 의한 열전달을 차단하는 방법이 개발되었고, 이와 같이 진공을 이용한 진공관식 집열기의 경우에는 유리병과 같이 일측이 막히고 타측이 개방된 유리관의 내부에 열을 흡수하는 흡수판을 설치한 후 유리관의 내부에 진공을 형성시키게 된다.

상기와 같은 진공관식 집열기의 경우에는 대류에 의한 열손실이 상당히 낮아져 집열기의 효율이 높아지나, 빛이 통과하게 되는 투과체인 유리관과 유리관의 내부로부터 외부로 연장되는 금속 재질의 히트 파이프의 유리-금속 접합이 쉽지 않고, 접합을 시켜도 장시간 사용시 외부 환경 조건에 따라 상기 유리-금속 사이의 접합부가 손상되어 유리관 내부의 진공 상태가 파괴될 가능성이 큰 단점이 있다.

상기와 같이 진공에 의한 방법외에 대류에 의한 열손실을 줄이기 위한 다른 방법으로는 태양열 에너지가 흡수되는 면적을 줄이는 것을 생각할 수 있으나, 태양열 에너지가 흡수되는 면적은 태양 에너지를 받아들이는 면적과 동일하기 때문에 단순히 흡수 면적을 줄여서는 안 되고, 흡수 면적을 줄임과 동시에 반사면을 구비하여 입사되는 태양광을 면적이 감소된 흡수면에 집속시킴으로서 흡수면에서의 에너지 밀도를 높여 주어야만 한다.

즉, 렌즈나 반사판 등으로 태양광을 한 곳으로 집중시켜 태양광 흡수면의 면적을 감소시키므로써 태양광 흡수 면적을 감소시켜 태양광 흡수면으로부터 발생되는 대류에 의한 열손실을 줄일 수 있도록 한, 집속식 집열기가 개발되었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 집속식 집열기(1)는 반사체 보호용 외부 유리관(11)의 내부에 설치되어 보호되는 반사체(12)와 반사체(12)로부터 반사되는 태양광을 흡수하는 흡수기(13) 및 흡수기(13)의 대류 열손실을 감소시키기 위하여 흡수기를 둘러싼 내부 유리관(14)로 구성된다.

따라서, 상기와 같이 태양광의 흡수 면적을 줄인 집속식 집열기의 경우 대류에 의한 열손실을 가능한 한 감소시키기 위해서는 상기 유리관들 중 적어도 하나의 중공 내부에 진공을 형성시켜 주어야 하나 종래의 단일벽으로 구성된 유리 진공관은 단부측에서 금속과의 접합이 쉽지 않고, 그 열전달 매체의 유로를 형성시키기 위하여 그 구조가 복잡하게 되는 문제가 있다.

본 고안은 종래 집속식 태양열 집열기의 대류에 의한 열손실 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 내벽과 외벽이 상호 일체화되어 밀폐되고 내벽과 외벽사이의 공간에 진공이 형성된 2중벽으로 이루어진 파이프형 2중벽 진공 유리관을 사용하여 유리 진공관과 금속의 접합이 필요 없으며, 진공 유리관 내부 중공을 열전달매체의 통로로 직접 사용할 수 있도록 함으로써 흡수기 구조의 단순화가 가능한 집속식 태양열 집열기를 제공함에 본 고안의 목적이 있다.

도 1. 종래 집속식 태양열 집열기의 개략 단면도.

도 2. 본 고안의 일실시예 집속식 태양열 집열기를 보인 것으로,

(가)는 반사체 보호 유리를 2중벽 진공 유리로 구성한 집열기의 개략 단면도이고,

(나)는 반사체 보호 유리 내부의 흡수기를 2중벽 진공 유리로 구성한 집열기의 개략 단면도이다.

도 3은 본 고안을 구성하는 2중벽 진공 유리관의 단면도.

도 4는 본 고안의 일실시예 집속식 태양열 집열기들로 이루어진 집열기 모듈을 보인 것으로,

(가)는 다수의 반사체 보호용 외부 유리가 하나의 평판 유리로 구성된 모듈의 사시도이고,

(나)는 다수의 반사체가 각각의 외부 유리관으로 보호된 모듈의 사시도이다.

도 5는 본 고안의 일실시예 집속식 태양열 집열기에 태양 추적장치가 부가된1축 태양 추적형 집속식 집열기의 개략 정면도.

도 6은 1축 태양 추적형 집속식 집열기를 구성하는 일실시예 흡수기의 개략 단면도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

1. 종래 집속식 태양열 집열기 2,2'. 본 고안 집속식 태양열 집열기

4,4'. 집속식 태양열 집열기 모듈 5. 1축 태양 추적형 집속집열기

11,42'. 외부 유리관 12,41,41',51. 반사체

13,43,43',56,56'. 흡수기 14. 내부 유리관

21,22. 2중벽 진공 유리관 42. 투명 유리판

44. 헤더관 52. 프레임

53. 태양 추적장치 54. 지지대

55. 지지구

본 고안의 상기 목적은 내벽과 외벽으로 구분되나, 양 단부가 서로 일체화 되는 원통형 대경 유리관과 이의 중심부에 삽입되는 소경 유리관 사이에 진공을 형성시킬 수 있는 내부 공간이 구비되는 2중벽 진공 유리관에 의하여 달성된다.

본 고안의 핵심 구성 요소인 상기 2중벽 진공 유리관은, 측벽이 내벽과 외벽의 2중 구조로 이루어진 파이프형 유리관으로서, 길이가 동일하나 직경이 다른 두 유리관들 중 대경 유리관의 중공에 소경 유리관을 상호 중심축이 일치되도록 넣은 상태에서 두 유리관의 양 단부를 서로 접착시켜 일체화하고, 두 유리관 사이에 형성된 내부 공간을 진공으로 만든 유리관이다.

이때, 상기 소경 유리관이 내벽을, 대경 유리관이 외벽을 이루게 되므로써, 소경 유리관의 중공이 하나로 일체화된 전체 유리관의 중심부를 관통하는 중공이 된다.

즉, 본 고안을 구성하는 상기 2중벽 진공 유리관은, 대·소경 유리관 사이에 진공이 형성되며, 2중벽 진공 유리관의 양 단부는 파이프와 같이 개방되어 2중벽 유리관의 중심부를 관통하는 중공이 형성되고, 이 중공을 열전달 매체의 유로로 활용할 수 있기 때문에 양 단부의 실링(sealing)만이 필요할 뿐 별도의 유로를 마련하기 위한 구조가 필요 없게 되며, 진공이 형성된 상기 대·소경 유리관 사이의 밀폐된 공간이 2중벽 진공 유리관의 중공과 외부를 차단하는 역할을 하게 된다.

따라서, 종래와 같이 진공을 유지시키기 위하여 금속과 유리를 접합시킬 필요가 없다.

본 고안을 구성하는 상기 2중벽 진공 유리관은 사용 방법에 따라 두 가지 용도로 사용될 수 있는 바, 태양광이 단순히 통과하는 투과체의 역할이 그 하나이고, 집속된 태양광을 흡수하는 흡수기의 용도가 다른 하나로서 그 차이점을 살펴보면 다음과 같다.

본 고안을 구성하는 2중벽 진공 유리관이 투과체의 역할을 하게 되는 것은, 상기 2중벽 진공 유리관으로 집속식 집열기의 반사체 전체를 둘러싸도록 하여 반사체의 반사면 보호 유리의 역할을 하는 종래 집속식 집열기의 외부 유리관용으로 사용되는 경우이다.

이때, 상기 2중벽 진공 유리관은 반사체로 향하는 태양광을 단순히 통과시키되 반사체와 흡수기가 있는 집속식 집열기의 내부 공간과 외부 대기를, 2중벽 진공 유리관의 내·외벽 사이에 형성된 진공에 의해 차단시키므로써 대류에 의한 열손실을 감소시키는 역할을 하게 되기 때문에 상기 2중벽 진공 유리관은 투명 유리로 이루어진다.

그리고, 종래 집속식 집열기의 흡수기 역할을 하게 되는 것은, 반사면을 보호하기 위한 종래의 외부 유리관을 그대로 사용한 상태에서 그 내부에 설치되는 종래의 흡수기 대신 상기 2중벽 진공 유리관을 사용한 경우로서, 상기 외부 유리관을 통과한 후 반사체로부터 집속되는 태양 에너지는, 상기 2중벽 진공 유리관의 중공을 흐르게 되는 열전달 매체로 흡수된다.

이때, 흡수기로 사용된 2중벽 진공 유리관의 태양 에너지 흡수 효율을 향상시키기 위하여 2중벽의 내벽을 이루는 소경 유리관의 외주면에 선택흡수 코팅층을 피복하는 것이 바람직하다.

즉, 2중벽 진공 유리관을 사용한 본 고안의 집속식 태양열 집열기는, 태양광을 집속하여 열 에너지로 변환시키는 집열기의 흡수기 또는 반사면을 보호하는 외부 유리관 중의 하나를, 상기 2중벽 진공 유리관으로 사용함에 그 특징이 있으며, 상기 2중벽 진공 유리관에 의해 대류 열손실이 현저히 감소되므로써 약 200℃정도되는 중고온의 열 에너지를 얻을 수 있게 된다.

상기 본 고안의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 고안의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 2에 본 고안 일실시예 집속식 태양열 집열기의 개략 단면도를, 도 2에 2중벽 진공 유리관의 단면도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 고안의 집속식 태양열 집열기(2)는 태양광을 흡수기(13)로 반사시키는 반사체(12)를 보호하기 위한 종래의 단일벽 원통형 외부 유리관(11)을, 외벽을 이루는 원통형 대경 유리관(21A)의 중공에 내벽을 이루는 원통형 소경 유리관(21B)이 삽입되어 동심원의 단면 형상을 하게되면서 상호 양 단부가 일체화되어 대경 유리관(21A)과 소경 유리관(21B) 사이의 공간에 진공을 형성시킨 2중벽 진공 유리 진공관(21)으로 구성한 것이다.

그리고, 다른 실시예 집속식 태양열 집열기(2')는 반사체(12)를 보호하기 위한 외부 유리관(11)은 종래와 같이 투명한 일반 유리 등으로 구성하되, 상기 외부 유리관(11) 내부에 설치되는 종래의 흡수기(13)를, 원통형 대경 유리관(22A)과 원통형 소경 유리관(22B)으로 이루어진 2중벽 진공 유리관(22)으로 구성한 것이다.

즉, 상기 2중벽 진공 유리관(21)(22)의 각 외벽이 되는 대경 유리관(21A)(22A)과 내벽이 되는 소경 유리관(21B)(22B)의 양 단부가 상호 일체화되므로써, 대향면이 되는 대경 유리관의 내주면과 소경 유리관의 외주면 사이에 외부와 차단되는 공간(S)이 형성되고, 소경 유리관의 중심부를 관통하는 중공이 2중벽 진공 유리관 전체의 축방향 중심부를 관통하는 중공(H)이 된다.

이때, 상기 소경 유리관(21B)(22B)과 대경 유리관(21A)(22A) 사이의 공간(S)은 전술한 바와 같이 진공 상태가 되며, 종래의 외부 유리관(11)을 대체한 본 고안 2중벽 진공 유리관(21)의 경우에는 대·소경 유리관(21A)(21B) 모두 투명한 유리로 이루어진다.

그러나, 종래 집속식 집열기의 흡수기(13)로 사용되는 2중벽 진공 유리관(22)의 경우, 대경 유리관(22A)은 투명 유리로 이루어지나, 소경 유리관(22B)의 외주면(22B1)에는 블랙크롬 등으로 선택흡수 코팅층이 피복되고, 진공 유리관(22)의 양 단부를 관통하는 중공(H)은 열전달 매체가 흐르는 유로로 사용된다.

그리고, 집속식 태양열 집열기는 크게 고정형과 태양 추적형으로 구분될 수 있는 바, 본 고안을 구성하는 2중벽 진공 유리관을 고정형 집속식 집열기 모듈과 1축 태양 추적형 집속식 태양열 집열기에 적용한 다른 실시예를 통하여 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상면에 반사체(41)를 보호하기 위한 투명 유리판(42)이 모듈(4) 상면을 덮는 구조이거나, 모듈(4')을 구성하는 각 반사체(41')가 각각의 투명 유리관(42')에 의해 개별적으로 보호되는 구조이거나 관계 없이 흡수기(43)(43')를, 도 3에 도시된 소경 유리관(22B)의 외주면(22B1)에 선택흡수 코팅층이 피복된 2중벽 진공 유리관(22)으로 사용할 수 있다.

그리고, 후자의 모듈(4')인 경우 상기 흡수기(43')는 종래 것으로 유지하는 경우에는 반사체 보호용 투명 유리관(42')을 대·소경 유리관(21A)(21B) 모두 투명한 2중벽 진공 유리관(21)으로 대체하므로써 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 열전달 매체는 흡수기(43)(43')와 모듈 양 단부에 결합되어 흡수기와 연결되는 헤더관(44)을 통하여 흐르게 된다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 1축 태양 추적형 집속식 태양열 집열기(5)는 태양 추적장치(53)가 구비된 지지대(54)에 결합된 프레임(52)에 직경이 큰 반사체(51)가 설치되고, 흡수기(56)는 프레임(52)에 고정되는 지지구(55)에 의해 반사체(51)의 초점에 위치하는 구조로서, 흡수기에서 고온이 얻어져 집열 효율이 높고 반사체의 직경이 크기 때문에, 상기 고정식 집속집열기의 투명 유리판(42)이나 투명 유리관(42')과 같은 반사체 보호 수단이 생략되는 것이 일반적이다.

따라서, 1축 태양 추적형 집속식 태양열 집열기(5)의 경우에는 상기 흡수기(56)를 선택흡수 코팅층이 피복된 2중벽 진공 유리관(22)으로 사용하거나, 도 6에 도시된 바와 같이 종래의 흡수기(56')를 그대로 사용하되 대·소경 유리관(21A)(21B)이 모두 투명한 2중벽 진공 유리관(21)내에 흡수기(56')가 설치되는 방식으로 할 수도 있다.

상기와 같이 흡수기(56')를 2중벽 진공 유리관(21)내에 따로 설치하는 것은 추적형 집속식 집열기의 경우 효율이 좋고 고온에서 작동되어 내부 압력이 상승되어 2중벽 진공 유리관을 흡수기로 사용할 경우에는 2중벽 진공 유리관의 양 단부 밀봉에 문제가 발생할 수도 있기 때문이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안을 구성하는 2중벽 진공 유리관은 자체적으로 외부와 완전히 밀폐된 진공 공간이 구비되기 때문에 장시간 사용하여도 진공도가 떨어지거나 손상되지 않아 대류에 의한 열손실 감소 효과가 지속적으로 유지되는 장점이 있다.

그리고, 흡수기를 2중벽 진공 유리관으로 사용하게 되면 유리관의 중공이 열전달 매체의 유로가 되면서 유로 형성을 위한 구조가 간단하게 되고 열 흡수 효율이 향상되는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 외부 유리관과 반사체 및 흡수기를 포함하여 구성되는 집속식 태양열 집열기에 있어서, 상기 외부 유리관(11) 또는 흡수기(13) 중의 하나가, 단면 형상이 동심원을 이루도록 원통형 대경 유리관(21A)(22A)의 중심부에 소경 유리관(21B)(22B)이 삽입되고 양 단부가 상호 일체화되어 상기 대경 유리관(21A)(22A)과 소경 유리관(21B)(22B) 사이에 만들어지는 밀폐 공간(S)에 진공이 형성된 파이프형 2중벽 진공 유리관(21)(22)으로 구성된 것을 특징으로 하는 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 외부 유리관(11)으로 사용된 2중벽 진공 유리관(21)은 투명 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 흡수기(13)로 사용된 2중벽 진공 유리관(22)을 구성하는 소경 유리관(22B)의 외주면(22B1)에는 선택흡수 코팅층이 피복된 것을 특징으로 하는 2중벽 진공 유리관을 사용한 집속식 태양열 집열기.
4. 지지대(54)에 결합된 프레임(52)상 반사체(51)가 설치되고 흡수기(56)는 프레임(52)에 고정되는 지지구(55)에 의해 반사체(51)의 초점에 위치하며 1축 태양 추적장치(53)가 구비된 집속식 태양열 집열기에 있어서, 상기 흡수기(56)가 선택흡수 코팅층이 피복된 2중벽 진공 유리관(22)인 것을 특징으로 하는 2중벽 진공 유리관을 사용한 태양열 집속집열기.