KR20110100076A - 태양 복사 에너지의 흡수기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 입사되는 태양 복사 에너지를 집중하여 공급하는 반사경과, 상기 반사경으로부터 공급되는 태양 복사 에너지를 수용하며, 일측에는 내열성을 갖는 유리창과 작동 유체를 유입시키는 유입구가 형성되고, 타측에는 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체의 인출을 위한 유출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부 전면에 구비되며, 유입되는 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하는 작동 유체 가열부와, 상기 작동 유체 가열부의 후면에 배치되며, 상기 작동 유체 가열부에서 간접 조사된 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체로부터 수소를 발생시키고, 촉매가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부를 포함하는 태양 복사 에너지의 흡수기를 제공한다.
따라서, 상기 태양 복사 에너지의 흡수기에서, 상기 수소발생부의 전면부에 적층된 상기 작동 유체 가열부에 의해서 수소발생부의 촉매에 탄소 퇴적을 피할 수 있고, 태양 복사 에너지의 직접조사가 아닌 간접조사로 인해 수소발생부가 태양 복사 에너지의 열응력으로 인하여 파손 및 융해되는 현상을 억제할 수 있다.

Description

태양 복사 에너지의 흡수기{ABSORBER OF SOLAR RADIATION}
본 발명은 수소발생부의 전면부에 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열시키는 작동 유체 가열부를 구비한 태양 복사 에너지의 흡수기에 관한 것이다.
일반적으로, 중앙 태양열 수용기는 태양열 흡수기와 태양열 흡수기와의 직접 및 간접적인 열교환 관계로 작동 유체를 순환시키는 수단을 포함하는 장치로서 태양열 수용기는 집중되는 태양 광선을 통상 700 내지 1500℃의 고온에서 흡수하여 태양열 수용기 내의 태양열 흡수기에 의하여 발생된 열을 열운반 유체로서 역할을 하거나 열화학 공정을 수행하도록 된 작동유체를 전달한다.
소위 튜브형 수용기라 부르는 공지의 중앙 태양열 수용기에서, 작동 유체는 대개 태양열 수용기 하우징의 내주연부에 근접되게 위치된 튜브 내부를 유동한다.
이러한 수용기에서 태양 복사선은 상기 튜브의 외부면에서 흡수되어 열로서 작동 유체에 전달되면서 작동 유체가 가열된다.
이러한 튜브형 중앙 태양열 수용기의 전체 열전달 저항 및 이로 인한 열손실은 비교적 크다.
튜브형 중앙 태양열 수용기의 이러한 결점의 관점에서, 체적형 태양열 흡수기를 구비한 중앙 태양열 수용기가 제안되었고, 체적형 태양열 흡수기 형태의 중앙 태양열 수용기는 기존의 튜브형 수용기의 약 5 내지 10배의 태양 복사량(solar fluxes)을 취급하는 것이 가능하고 그에 따라 수용기의 크기 및 중량이 감소될 수 있다는 것을 제시하고 있다.
도 1은 전형적인 종래 기술에 의한 통상의 체적형 태양열 흡수기를 구비한 중앙 태양열 수용기를 도시하고 있다.
수용기는 타원형의 반사경에서 집중되는 태양 복사선을 수용할 수 있으면서 내열성을 갖는 유리창(2)이 설치된 하우징(1)을 갖는다.
프레임(4)으로 합체되는 후방벽(3)은 하우징(1)의 내부 공간을 중앙부(5) 및 주연부(6)로 분할한다.
프레임(4)은 복수개의 평행 강철망으로 구성되는 체적형 태양열 흡수기(7)를 보유한다.
상기 수용기는 작동 유체, 예컨데 주변 공기를 진입시키는 흡입 튜브(8)와, 가열된 작동 유체의 출구용 개구(9)를 추가로 포함한다.
흡입 튜브(8) 및 개구(9)는 적절한 덕트 수단에 의해 연결될 수 있으며, 흡입 튜브(8)를 통하여 유입되는 작동 유체는 하우징(1)의 주연부(6)를 통하여 유동하고, 입사되면서 집중되는 태양 복사선과 기본적으로 동일한 방향으로 체적형 태양열 흡수기(7)를 가로질러 유동되도록 창(2)에 의해 방향전환된다.
그러나, 종래 태양 복사 에너지의 흡수기는 수소발생부에 탄소가 퇴적되어 촉매의 비활성을 방지할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 태양 복사 에너지의 직접 조사로 인한 열응력 때문에 촉매가 코팅된 수소발생부가 파괴되는 문제점이 있었다.
또한, 태양 복사량이 변화하는 문제(예컨데, 구름으로 인한 일사량 감소)때문에 화학 반응이 불규칙적으로 일어나는 문제점이 있었다.
또한, 공급되는 작동 유체의 균일화가 이루어지지 않아, 촉매 접촉 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 수소발생부의 촉매에 탄소가 퇴적되는 걸 방지하여 촉매의 비활성을 방지하며, 직접 조사가 아닌 간접 조사로 태양 복사 에너지가 전달되어 수소발생부가 열응력으로 인하여 파손되지 않고 지속적으로 사용할 수 있도록 수소발생부의 전면부에 작동 유체 가열부를 구비한 태양 복사 에너지의 흡수기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 입사되는 태양 복사 에너지를 집중하여 공급하는 반사경과, 상기 반사경으로부터 공급되는 태양 복사 에너지를 수용하며, 일측에는 내열성을 갖는 유리창과 작동 유체를 유입시키는 유입구가 형성되고, 타측에는 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체의 인출을 위한 유출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부 전면에 구비되며, 유입되는 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하는 작동 유체 가열부와, 상기 작동 유체 가열부의 후면에 배치되며, 상기 작동 유체 가열부에서 간접 조사된 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체로부터 수소를 발생시키고, 촉매가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부를 포함하는 태양 복사 에너지의 흡수기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 작동 유체 가열부는 촉매가 코팅되지 않은 다공 물질로 형성되며, 상기 수소발생부의 다공 물질에 코팅되는 촉매에는 금속 계열로는 니켈, 알루미늄과 세라믹 계열로는 알루미늄 산화물과 실리콘이 사용되고, 상기 작동 유체 가열부와 상기 수소발생부는 다공도가 상이한 링으로 형성된 태양 복사 에너지의 흡수기를 제공한다.
본 발명에 의한 태양 복사 에너지의 흡수기는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 촉매가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부의 전면에 촉매가 코팅되지 않은 다공 물질로 이루어진 작동 유체 가열부를 적층시킴으로써, 수소발생부에 탄소 퇴적을 피할 수 있고, 이로 인하여 촉매의 비활성을 방지할 수 있다.
둘째, 직접 조사식인 경우 태양 복사 에너지의 열응력 때문에 촉매가 코팅된 다공 물질인 수소발생부가 파괴되는 현상이 발생하나, 본 발명인 간접 조사식은 직접적 태양 복사를 피하는 방식이기 때문에 촉매의 비활성화와 더불어 촉매의 지속적 사용에도 유리하다.
셋째, 태양 에너지의 경우 시간에 따른 태양 복사량이 변화하는 문제(예컨데, 구름으로 인한 일사량 감소 등)때문에 화학 반응이 불규칙적이나, 촉매가 코팅되지 않은 작동 유체 가열부를 이루는 다공 물질에서 열을 저장하여 구름이 끼었을 때에도 지속적으로 반응할 수 있다.
넷째, 작동 유체 가열부를 통과한 작동 유체는 균일한 흐름을 가지게되어 촉매에 접촉하는 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 체적형 태양열 흡수기를 구비한 종래 기술의 중앙 태양열 수용기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 촉매가 코팅된 수소발생부의 온도 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명인 태양 복사 에너지 흡수기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 작동 유체 가열부 및 수소발생부의 온도 분포 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 작동 유체 가열부 및 수소발생부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 촉매가 코팅된 수소발생부에 탄소가 퇴적되는 온도 분포 그래프를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.
도 2는 촉매가 코팅된 수소발생부의 온도 그래프를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명인 태양 복사 에너지 흡수기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 작동 유체 가열부 및 수소발생부의 온도 분포 그래프를 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 작동 유체 가열부 및 수소발생부를 확대하여 도시한 도면이며, 도 6는 촉매가 코팅된 수소발생부에 탄소가 퇴적되는 온도 분포 그래프를 도시한 도면이다.
본 발명인 태양 복사 에너지의 흡수기는, 도 2 내지 도 6을 참조하면, 입사되는 태양 복사 에너지를 집중하여 공급하는 반사경(10)과, 상기 반사경(10)으로부터 공급되는 태양 복사 에너지를 수용하며, 일측에는 내열성을 갖는 유리창(22)과 작동 유체를 유입시키는 유입구(24)가 형성되고, 타측에는 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체의 인출을 위한 유출구(26)가 형성된 하우징(20)과, 상기 하우징(20)의 내부 전면에 구비되며, 유입되는 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하는 작동 유체 가열부(30)와, 상기 작동 유체 가열부(30)의 후면에 배치되며, 상기 작동 유체 가열부(30)에서 간접 조사된 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체로부터 수소를 발생시키고, 촉매(42)가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부(40)를 포함한다.
여기서, 태양 복사 에너지의 흡수기는 입사되는 태양 복사 에너지를 흡수하여 열로 변환시킬 수 있는 물체 또는 구조물을 말한다.
상기 반사경(10)은 입사하는 태양 복사 에너지를 집중하여 하우징(20)의 일측에 형성된 유리창(22)으로 보내는 역할을 하며, 표면에는 복수 개의 거울(12)이 설치되어, 입사하는 태양 복사 에너지를 중심축 상에 위치된 초점 구역(14)으로 집중시키도록 설계되어 있다.
상기 하우징(20)의 일측에 구비되는 유리창(22)으로는 내열성을 갖는 석영이 주로 사용되며, 상기 반사경(10)에서 집중되어진 태양 복사 에너지를 받아 상기 하우징(20) 내부로 공급시키는 역할을 한다.
상기 하우징(20)은 원통형의 형상으로 일측에는 작동 유체를 유입시키는 유입구(24)가 구비되어 있고, 타측에는 상기 하우징(20) 내부에 구비된 작동 유체 가열부(30) 및 상기 수소발생부(40)와 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체가 인출되는 인출구(26)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 하우징(20)의 유입구(24)로 유입되는 작동 유체로는 CH₄+ CO₂가 사용된다.
상기 작동 유체인 CH₄+ CO₂가 반응하는 반응식은 다음과 같다.
반응식) CH₄+ CO₂ → 2CO + 2H₂
상기 반응식에 따라 일산화 탄소와 수소가 발생하며, 상기 작동 유체의 반응을 통해 열량을 28% 정도 증가시키며, 이때 생성된 합성가스는 소형공정, 분리공정 등을 통해 수소를 생산한다.
상기 반응은 메탄과 이산화탄소라는 두 가지 온실가스를 동시에 제거하는 우수한 기술로서 이산화탄소 감소와 활용이라는 측면에서 그 중요성이 부각되며, 쓰레기 매립지나 바이오 가스등에 이용될 수 있어, 화석연료(천연가스)의 고갈이라는 제약에 대해 자유로워 진다.(예컨데, 매립지의 부생가스나 바이오가스에는 이산화탄소 개질에 적합한 비율의 메탄과 이산화탄소를 함유한다)
메탄의 이산화탄소 개질반응은 1000K 이상에서 90% 이상의 전환이 이루어지고, 상기 온도를 얻기 위하여 태양열을 이용하는 경우 기존의 화석연료를 이용할 때 보다 약 20% 정도의 CO₂배출을 감소시킬 수 있다.
상기 하우징(20)의 내부에는 상기 유리창(22)을 통해 상기 하우징(20) 내부로 공급되는 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하는 작동 유체 가열부(30)가 구비되어 있다.
상기 작동 유체 가열부(30)는 촉매가 코팅되지 않은 다공 물질로 구성되며, 태양 복사 에너지의 전열 면적을 증가시키고, 상기 작동 유체 가열부(30)를 통과한 작동 유체의 흐름을 균일하게 한다.
상기 작동 유체 가열부(30)를 구성하는 다공 물질은 비열이 큰 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
그 이유로는 태양 에너지의 경우 시간에 따른 태양 복사량이 변화하는 문제(예컨데, 구름으로 인한 일사량 감소)때문에 화학 반응이 불규칙적인데, 이때 비열이 큰 재료를 사용하면 열 저장 능력을 갖추게 되어 구름이 끼어 있을 때에도 상기 작동 유체 가열부(30)를 구성하는 다공 물질이 열을 저장하여 지속적으로 반응을 할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 작동 유체 가열부(30)의 후면에는 촉매(42)가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부(40)가 배치된다.
상기 수소발생부(40)의 다공 물질에 코팅되는 촉매(42)에는 금속 계열로는 니켈, 알루미늄과 세라믹 계열로는 알루미늄 산화물과 실리콘 및 귀금속 계열인 루테늄이나 로듐이 사용되나, 귀금속 계열 촉매는 탄소 퇴적이 적게 이루어지는 장점은 있으나, 가격이 월등히 비싸고 이용에 제약이 따라, 금속 계열과 실리콘 계열이 보편적으로 사용된다.
상기 작동 유체 가열부(30)를 구비한 흡수기의 기본 원리를 살펴보면, 차가운 작동 유체는 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체 가열부(30)를 통과하면서 온도가 증가한다.
이러한 원리를 이용하여 촉매(42)가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부(40)의 전면부에 촉매가 코팅되지 않은 다공 물질로 이루어진 작동 유체 가열부(30)를 적층시켜 작동 유체의 온도를 870℃ 이상으로 증가시킴으로써, 작동 유체는 870℃ 이상의 반응 분위기에서 수소발생부(40)에 코팅된 촉매(42)와 접촉하게 되어 탄소 퇴적없이 반응을 시작하는 것이다.
상기 작동 유체는 도 5와 같이, 반응온도가 870 ~ 1040℃ 사이에서 상기 수소발생부(40)에 코팅된 촉매(42)에 접촉하면 탄소의 퇴적을 방지할 수 있다.
또한, 상기 작동 유체 가열부(30)와 상기 수소발생부(40)는 다공도가 상이한 링 형상으로 형성된다.
이는 상기 작동 유체 가열부(30)와 상기 수소발생부(40)가 구비되는 상기 하우징(20)의 몸체가 원통형인 것에 의한 것으로, 상기 작동 유체 가열부(30)와 상기 수소발생부(40)가 상기 하우징(20)의 몸체 내측에 내접되도록 설치되기 때문이다.
이와 같이 구성된 태양 복사 에너지의 흡수기는, 상기 하우징(20)의 내부에 구비된 촉매(42)가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부(40)의 전면부에 촉매(42)가 코팅되지 않은 다공 물질로 형성된 작동 유체 가열부(30)를 적층시킨 구조로서, 촉매(42)가 코팅된 수소발생부(40)에 탄소가 퇴적되는 걸 방지하여 촉매(42)의 비활성을 방지할 수 있으며, 직접 조사식이 아닌 간접 조사식으로 태양 복사 에너지의 열응력으로 인하여 촉매(42)가 코팅된 수소발생부(40)가 파손되는 걸 방지하여 수소발생부(40)를 지속적으로 사용 가능하도록 하고, 태양 복사량의 변화에도 상관없이 지속적으로 반응이 일어날 수 있도록 하며, 공급되는 작동 유체를 균일화하여 수소발생부(40)의 촉매(42)와 접촉 효율을 상승시키도록 한 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 반사경 12 : 거울
20 : 하우징 22 : 유리창
24 : 유입구 26 : 유출구
30 : 작동 유체 가열부 40 : 수소발생부
42 : 촉매

Claims (3)

  1. 입사되는 태양 복사 에너지를 집중하여 공급하는 반사경과,
    상기 반사경으로부터 공급되는 태양 복사 에너지를 수용하며, 일측에는 내열성을 갖는 유리창과 작동 유체를 유입시키는 유입구가 형성되고, 타측에는 태양 복사 에너지에 의해 가열된 작동 유체의 인출을 위한 유출구가 형성된 하우징과,
    상기 하우징의 내부 전면에 구비되며, 유입되는 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하는 작동 유체 가열부와,
    상기 작동 유체 가열부의 후면에 배치되며, 상기 작동 유체 가열부에서 간접 조사된 태양 복사 에너지를 이용하여 작동 유체로부터 수소를 발생시키고, 촉매가 코팅된 다공 물질로 이루어진 수소발생부를 포함하는 태양 복사 에너지의 흡수기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소발생부의 다공 물질에 코팅되는 촉매에는 금속 계열로는 니켈, 알루미늄과 세라믹 계열로는 알루미늄 산화물과 실리콘이 사용되는 태양 복사 에너지의 흡수기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동 유체 가열부와 상기 수소발생부는 다공도가 상이한 링으로 형성된 태양 복사 에너지의 흡수기.

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