KR20110069826A - 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 시트(1, 2), 상기 외피(30)의 측면을 형성하는 주변 프레임(3)을 포함하고, 상기 태양 패널은 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 박스 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 흡수하게 형성되고, 하나의 활성면은 직접 태양광을 받고 다른 하나는 거울에 의해 반사된 태양광을 받는다. 이들은 예를 들어, EP0387843호에 공지되어 있다. 상기 태양 패널들은 태양 복사선을 투과하는 2개의 유리 시트들로 형성된 진공-밀봉(vacuum-tight) 외피를 포함한다. 하나 이상의 집열기(heat absorber)가 태양 복사선을 흡수하여 이를 열 에너지로 변환하도록 외피 내에 배치된다. 집열기는 가시광선에 대해 흡수율이 높지만 적외선을 투과하는 것을 포함하는 선택적인 흡수성을 갖는 높은 열전도계수와 낮은 적외선 방출 계수(emission coefficient)의 구리, 알루미늄 또는 다른 금속(예를 들어, 크롬 또는 니켈 산화물)의 일반적으로 직사각형인 금속 시트이다. 일반적으로 물인, 열-벡터(thermo-vector) 유체가 통과하는 파이프는 외피를 들어가고 나오고 일반적으로 그 외면의 모선(generatrix)을 따라 이루어진 용접부에 의해 집열기들과 양호한 접촉을 이룬다. 이러한 용접부는 금속 시트의 변형 및 그 커버(covering)에 대한 손상을 최소화하기 위해 전형적으로 레이저 또는 초음파로 이루어진다. 집열기에 의해 채집된 열 에너지는 전도에 의해 상기 용접부를 통해 파이프로 전달되므로, 이를 지나는 유체를 가열한다. 양면 태양 패널들의 일 측면은 각각의 집열기 상으로의 태양 복사선을 직접 받는 한편, 반대쪽 면에서 집열기의 정면에서 접촉하고 있는 파이프는 입사 태양 복사선의 일부를 또한 받는다. 이러한 이유로, 성능을 최대화하기 위해, 상기 선택적인 흡수 커버가 파이프의 외면에도 배치되고, 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 질량 요소(mass element)들 또는 상기 외피의 내면 상의 플래시 게터(flash getter)의 진공 증착(vacuum evaporation)에 의해 형성된 박막 커버들로 구성된다. 그러나 이들은 유익하게는 EP1706678호에 설명된 바와 같이 선택적인 흡수 커버 하에 집열기들의 표면 상에 배치된 박막 커버들로서 형성될 수도 있다.
현재의 양면 진공 태양 패널들의 문제점은 선택적 흡수 커버 하의 집열기 표면 상에 얇은 게터 필름을 배치하면 가시광선 흡수를 감소시키는 동시에 집열기의 적외선 투과율을 증가시켜 상기 커버의 특성들을 부정적으로 수정한다는 것이다.
다른 문제점은 선택적 흡수 커버를 구비한 표면의 적외선 투과율 계수가 커버 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 증가시키는 재료인, 구리로 만들어진다.
다른 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.
그러므로, 본 발명의 목적은 상기 단점들을 극복할 수 있고 복사 및 전도 모두로 인한 열 발산이 적은 태양 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 비싼 동시에 적외선 반사 손실을 제한하는 재료로 열-벡터 유체 파이프를 제조하는 것이다.
다른 목적은 파이프를 흐르는 열-벡터 유체와 집열기 간의 열전달을 개선하는 동시에, 그 용접, 특히 레이저 용접을 돕는 것이다.
상기 목적들은 본 발명의 특징들이 청구범위에 정의된 양면 진공 태양 패널에 의해 획득된다.
본 발명은 첨부한 도면들에 예시되고 비-제한적인 예로서 제공되는, 일 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해진다.
도 1은 본 발명의 태양 패널의 사시도.
도 2는 태양 패널의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 태양 패널의 단면도.
도 4는 열-벡터 유체 수송 파이프가 가로지르는 박스 부재의 사시도.
도 5는 횡 지지 부재와 차단 판(screening plate)을 갖는 제 2 집열기의 일부의 사시도.
도 6은 횡 지지 부재에서 태양 패널의 단면도.
도 1은 양면 진공 태양열 패널의 사시도를 도시한다. 이 태양 패널은 태양 복사선을 투과하는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 유리 시트(1, 2)를 포함하는, 진공화될 때 대기압을 견딜 수 있는 진공-기밀 외피(30)를 포함한다. 제 1 및 제 2 유리 시트(1, 2)는 태양 패널의 2개의 활성 면(active surface)들을 형성한다. 단면(single-sided) 패널들은 단일 유리 시트를 제공하는 반면, 제 1 시트와 마주하는 제 2 시트는 금속으로 만들어질 수 있다. 양면 패널들은 열 에너지 생산을 증가시키도록 2개의 마주하는 유리 시트들을 제공하고, 여기서 제 2 유리 시트는 거울에 의해 반사된 태양 복사선이 가로지른다.
도 2의 분해도에서 알 수 있듯이, 진공-기밀 외피(30)는 외주(perimetral) 금속 프레임(3)에 의해 측방향으로 경계지어져 있다. 외주 금속 프레임(3)은 덩어리(mass) 타입의 유리-금속 밀봉(seal)에 의해 유리 시트(1, 2)들에 또는, 용접, 경납땜 또는 브레이즈 용접(braze-welding)에 의해 외주 프레임(3)에 결합된 가요성 금속 벨트(4, 5)에 의해 유리 시트(1, 2)들에 결합되고, 여기서 금속 벨트의 에지(edge)는 특허 MI2008A 001245호에 따라 유리에 매립된다.
제 1 집열기(11)들은 제 1 유리 시트(1)를 통해 외피(30)에 직접 들어가는 태양 복사선을 받아 흡수하도록 제 1 유리 시트(1)와 마주하도록 외피(30) 내에 배치된다. 제 2 집열기(12)들은 다시 상기 외피(30) 내에 배치되지만 제 2 유리 시트(2)를 통해 외피(30)에 들어가는 태양 복사선을 받아 흡수하도록 제 2 유리 시트(2)와 마주한다. 이러한 집열기(11, 12)들은 그 표면이 유리 시트(1, 2)들과 평행한 직사각형 금속 시트들이다. 가시광선에 대해 흡수력이 높지만 적외선을 투과하는 선택적인 커버가 유리 시트(1, 2)들과 마주하는 상기 집열기(11, 12)들의 표면들 상에 배치된다. 이러한 집열기(11, 12)들은 바람직하게는 구리가 높은 열전도성과 낮은 적외선 방출 계수를 제공하므로, 선택적 흡수 커버를 제공하는 구리로 만들어진다. 이에 관해, 선택적 흡수 커버에 의한 적외선 방출은, 선택적 흡수 커버가 적외선 반사선을 투과하는 한, 표면의 구성 금속에 의존한다. 가시광선을 투과하고 적외선을 반사하는 커버도 외피(30) 내의 집열기(11, 12)들과 마주하는 유리 시트(1, 2)의 표면 상에 배치된다. 이런 식으로 태양으로부터 발생한 가시광선 복사선이 낮은 감쇠율로 유리 시트들을 통과하여, 이에 의해 흡수되어 열 에너지로 변환되는 집열기(11, 12)들의 표면들에 도달하는 한편, 동시에 이러한 집열기들이 구리로 만들어지고 적외선-투과 선택적 커버에 의해 커버되어 있다는 사실에 의해 이미 매우 제한된, 집열기들의 적외선 조사(irradiation)는 외피 내의 유리 시트(1, 2)의 표면 상에 배치된 커버에 의해 대체로 반사되고 가시광선을 투과하지만 적외선을 반사하여, 외부로의 손실을 추가로 감소시킨다.
외주 프레임의 일 측면은 전도로 인한 최소의 열전달 손실로 진공-기밀 외피(30)와, 상기 외피(30)를 진공화하기 위한 펌핑 포트(19; pumping port)에 파이프(13)가 들어가고 나갈 수 있도록 제공된, 2개의 출구 포트(20)들을 구비한다. 파이프(13)는 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들 사이를 통과하여 상기 외피(30)를 들어가고 나오고, 태양 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)들 간의 양호한 열 접촉을 생성하고, 파이프(13)가 집열기(11, 12)들로부터 파이프(13)로 및 이를 통해 흐르는 유체로의 전도에 의해 쉬운 열 에너지 통과를 위해, 파이프(13)의 외면의 대향하는 2개의 모선들을 따라 일반적으로 용접된다. 접촉면을 증가시키는 동시에 용접하기 쉽고 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 밀어넣어진 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 개선되게 한다.
더 낮은 온도인, 외주 프레임(3)과 파이프(13) 간의 조사에 의한 발산을 제한하기 위해, 태양 패널은 이를 떠나는 적외선 복사선에 대한 방사 스크린을 형성하도록, 파이프(13)의 외면을 둘러싸는 박스 부재(10)들을 포함한다. 일반적으로 외피(30)에 들어간 후에 물결형상(serpentine) 코일을 형성하게 구부려진, 파이프(13)가 상기 박스 부재(10)들을 들어가고 나온다. 이런 식으로 그 복사선 방출을 차단(screen)하는 박스 부재(10)들 내를 통과하여, 파이프(13)가 특히 고온에서 훨씬 높은 적외선 방출계수를 갖더라도, 확실히 덜 비싼, 알루미늄과 같은, 구리 이외의 재료들로 만들어질 수 있다.
상기 박스 부재(10)들은 파이프(13)의 외측 측면 둘레에 광학적으로 닫힌 체적을 형성하고 그 에지(14, 15, 16, 17)들이 파이프(13)의 외부 측면을 둘러싸게 구부러진 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들과, 박스 부재(10)의 기저(base) 단부들을 광학적으로 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)들이 각각의 개개의 집열기(11, 12)에 대해 실질적으로 "C자형" 단면을 얻게 구부려져 있다(도 3). 이런 식으로 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)가 박스 부재(10)의 측면을 함께 형성한다. 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)들의 에지(14, 15, 16, 17)들이 상기 파이프(13)에 의해 측방향으로 방출된 열 복사선을 포집하도록 파이프(13)의 외면에 대해 광학적으로 중첩되어 있다. 각각의 집열기의 에지는 "L자형" 단면을 갖는 집열기를 제공하도록 구부려질 수도 있다. "L자형" 단면의 2개의 커플링된 집열기들은 박스 부재의 측면을 형성할 수 있다.
박스 부재(10)는 파이프(13)를 둘러싸는 측면을 제공할 수 있지만, 플러그(31, 32)들의 부재로 인해 기저 단부들에서 개방되어 있다. 이는 복사 발산을 악화시키지만, 태양 패널의 더 낮은 생산 비용으로 정당화될 수 있다. 박막 외피에 의해 형성된 게터 펌프가 상기 박스 부재(10)의 내면 상에 배치되므로, 대신에 외면 상에 배치된 선택적 흡수 커버의 특성들과 간섭하지 않는다. 상이한 타입의 대량의 게터 펌프들이 상기 박스 부재들의 내면과 접촉하게 배치되는, 예를 들어, 알약(pill) 또는 스트립(strip)들의 형태로, 박스 부재(10)에 삽입될 수도 있다. 마지막으로 플래시 게터가 외부로부터 발생한 지령(command)에 따라 박스 부재(10)의 내면에 증착되도록, 전자기파들의 형태인 에너지를 인가하여 박스 부재(10)의 내면 상에 증발될 수 있다. 이러한 게터 펌프들 중 어느 것도 이들이 박스 부재(10) 내에 모두 배치되므로 집열기(11, 12)들의 전자기 복사선 흡수 및 방출 특성들과 간섭하지 않는다.
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 상기 외피 내의 물결형 코일을 형성하는 파이프(13)를 지지하는 역할을 한다. 몇 개의 평행 파이프들이 물결형 코일을 형성하지 않고 외피(30)를 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)와 접촉하지 않고 통과하고, 잠금 부분(33; locking piece)들이 이러한 지지부(24)들의 단부들에 나사들에 의해 고정됨을 보인다. 이러한 구멍(18)들은 상기 구멍(18)들을 통해 박스 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 커버의 것보다 약 20배와 같은, 흑체의 투과율을 가지므로, 태양 패널 전체의 효율을 악화시킨다.
작동 중에 본 발명의 태양 패널이 태양 복사선을 받고, 이는 유리 시트(1, 2)를 통과하고, 선택적 커버에 의해 커버된 집열기(11, 12)들의 표면에 의해 흡수되고, 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 형성된 진공에 의해 억제되는 한편, 파이프(13)로부터의 조사 손실은 이에 대한 방사 스크린들로서 작용하도록 파이프(13)에 의해 형성된 다양한 물결형 코일 부분들을 둘러싸는 박스 부재(10)들에 의해 강하게 제한된다. 외피(30) 내의 강한 진공은 박스 부재(10) 내에 배치된 게터 펌프에 의해 시간이 흐름에 따라 유지된다.
본 발명의 태양 패널의 장점들 중 하나는 박스 부재 내에 배치된 게터 펌프가 집열기들의 적외선 방출 특성들을 바꾸지 않아, 선택적 흡수 커버들이 태양 복사선 흡수를 최적화하도록 효과적으로 사용될 수 있게 한다.
다른 장점은 파이프로부터의 복사 손실들이 이에 의해 복사 스크린을 형성하도록 이를 둘러싸는 박스 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 레이저에 의한 용접이 쉽게 한다.
다른 장점은 박스 부재가 집열기들의 에지들을 "C자" 형상으로 구부려 쉽고 경제적으로 제조될 수 있다는 점이다.
1: 제 1 유리 시트 2: 제 2 유리 시트
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)와 상기 외피(30)의 측면을 형성하는 외주 프레임(3)을 포함하고, 상기 외피(3)는 태양 복사선을 투과하고 태양 패널의 2개의 활성 면들을 형성하도록 서로 마주하는 제 1 및 제 2 유리 시트(1, 2)를 포함하고, 상기 태양 패널은 제 1 유리 시트(1)를 통해 태양 복사선을 받을 수 있고 상기 외피(30) 내에 배치되는 하나 이상의 제 1 집열기(11)와, 제 2 유리 시트(2)를 통해 태양 복사선을 받을 수 있고 상기 외피(30) 내에 배치되는 제 2 집열기(12)와, 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12) 사이를 통과하여 상기 외피(30)를 들어가고 나오며 상기 제 1 및 제 2 집열기(11, 12)와 접촉하는 외면을 제공하는 파이프(13)를 포함하는, 양면 진공 태양열 패널에 있어서,
    상기 태양 패널은 상기 파이프(13)의 외면을 둘러싸는 박스 부재(10)를 상기 외피(30) 내에 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스 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 박스 부재(10)는 상기 파이프(13)의 외면의 적어도 일부분 둘레에서 광학적으로 밀폐된 체적을 형성하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 박스 부재(10)는 2개의 기저 단부들을 제공하고 상기 기저 단부들을 광학적으로 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)는 각각의 집열기(11, 12)에 대해 실질적으로 C자-형상의 단면을 형성하도록 구부려진 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)들이 상기 파이프(13)의 외면에 대해 광학적으로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프(13)는 상기 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 박스 부재(10) 내에 배치된 게터 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 박스 부재(10)가 상기 파이프(13)를 지지하는 구성의 지지부(24)들의 통과를 위한 구멍(18)들을 제공하고, 상기 태양 패널은 상기 구멍(18)들을 나가는 적외선 복사선을 차단할 수 있는 작은 판(23)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
  10. 제 1 항에 있어서,
    열-벡터 유체를 수송하기 위한 상기 파이프(13)가 실질적으로 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 양면 진공 태양열 패널.
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