KR20120098643A - 태양열 집열기 - Google Patents

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KR20120098643A
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solar collector
spacers
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KR1020127010220A
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줄리앙 셀리에
레네 기
디디에 주스
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쌩-고벵 글래스 프랑스
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Abstract

본 발명은 제1 벽(2)과 제2 벽(4)[이들은 그들 사이에 하우징(3)을 형성하도록 서로 대향되게 위치되고, 제1 벽(2)은 투명하고 태양 복사가 집열기에 입사되는 면 상에 위치되도록 의도됨], 및 하우징(3) 내측에 배열되고 열전달 유체가 흐르는 하나 이상의 파이프(7)를 포함하며, 태양 복사에 기인하는 에너지를 흡수하기 위한 수단(6, 7)을 포함하는 태양열 집열기(1)에 관한 것이다. 또한, 집열기(1)는 파이프(7) 상에서 제1 벽(2)과 흡수 수단(6, 7) 사이에 배열된 하나 이상의 투명한 스페이서를 포함한다.

Description

태양열 집열기 {SOLAR COLLECTOR}
본 발명은 구조체, 특히 빌딩의 지붕 또는 파사드(facade) 상에 장착되도록 의도된 평면형 태양열 집열기에 관한 것이다.
태양열 집열기는 태양 복사에 기인하는 에너지를 열전달 유체 내에 수집되는 열 에너지로 전환하도록 설계된 모듈이다. 통상적으로, 평면형 태양열 집열기는 서로 마주하며, 벽들 사이에 열전달 유체가 흐르는 하나 이상의 파이프에 열적으로 연결된 일반적으로 흡수 패널 형태의 에너지 전환 소자를 수용하는 하우징을 형성하는 2개의 벽을 포함한다. 2개의 마주하는 벽들 중 적어도 하나는 에너지 전환 소자를 향한 태양 복사의 양호한 투과를 허용하도록 투명하고 집열기 상에 입사하는 태양 복사의 방향으로 향하도록 의도된다.
이러한 태양열 집열기의 에너지 전환 효율을 증가시키기 위해서, 에너지 전환 소자를 수용하는 하우징 내에 진공을 생성하여 대류 및 분자 전도를 통한 열손실을 제한할 수 있도록 하는 것이 공지된 관행이다. 이러한 경우, 외기 압력의 결과로써 집열기의 벽에 가해진 압축력에 대응하기 위해서, 집열기에는 마주하는 벽들 사이에 일정한 간격을 유지할 수 있도록 스페이서가 끼워진다. 에너지 전환 소자는 또한 유리하게는 이들 벽에서의 접촉을 통한 열손실을 제한하려는 관점에서 그의 수용 하우징을 형성하는 벽으로부터 멀리 일정 거리를 유지한다.
WO-A-87/06328은 집열기의 2개의 마주하는 벽들 사이에 놓인, 스페이서가 봉(rod) 형태인 진공 태양열 집열기 구조체를 서술한다. 이들 봉은 집열기 내에서 열전달 유체가 흐르고 흡수 패널을 통과하는 파이프로부터 멀리 일정 간격으로 분포된다. 스페이서를 형성하는 봉이 금속으로 이루어지는 경우, 열손실이 이들 봉에서 일어나기 쉽다. 또한, 흡수 패널에는 이들 봉이 통과할 수 있는 구멍이 천공되어 있기 때문에, 태양 복사에 기인하는 에너지 흡수에 이용할 수 있는 패널의 활성 영역이 감소되고, 이것은 집열기의 에너지 전환 효율을 제한한다. 이 공지된 태양열 집열기 구조체의 다른 단점은, 스페이서를 형성하는 봉이 개별적으로 집열기에 끼워져야 하고 이것은 집열기 제조에 관련된 시간 및 비용을 증가시킨다는 것이다. 또한, 이 공지된 집열기는 두께가 두껍고, 이것은 빌딩의 지붕 또는 파사드에 미적으로 포함될 수 없음을 의미한다.
이러한 단점을 해결하기 위해서, 본 발명은 더 구체적으로 집열기의 열적 분포 및 집열기의 기계적 강도 양쪽 모두의 관점에서 최적화된 구조를 가짐으로써 집열기의 에너지 전환 효율을 개선시킬 수 있고, 또한 최소화된 크기 및 단순한 제조 방법을 가지는 태양열 집열기를 제안한다.
따라서, 본 발명의 한 주제는
- 서로 마주하는 제1 벽 및 제2 벽[제1 벽과 제2 벽은 그들 사이에 하우징을 형성하고, 제1 벽은 투명하고 집열기 상에 입사하는 태양 복사의 방향으로 향하도록 의도됨], 및
- 하우징 내에 위치되고, 열전달 유체가 흐르는 하나 이상의 파이프를 포함하는, 태양 복사에 기인하는 에너지를 흡수하기 위한 흡수 수단
을 포함하고, 파이프의 영역에서 제1 벽과 흡수 수단 사이에 배열된 하나 이상의 투명한 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기이다.
본 발명의 의미 내에서, 투명 요소는 적어도 흡수 수단에 의해 태양 복사에 기인하는 에너지를 열에너지로 전환하는 데 사용되는 태양 복사 파장 범위에서 투명한 소자이다. 또한, 스페이서는 그것이 제1 벽과 파이프 사이에 위치될 때 파이프의 영역에서 또는 그 안에서 제1 벽과 흡수 수단 사이에 위치되며 스페이서와 파이프 사이에는 다른 흡수 요소가 개재될 수도 아닐 수도 있다. 이때, 스페이서는 열전달 유체가 파이프를 통해 흐르기 때문에 흡수 수단의 비교적 더 차가운 부분과 열접촉한다.
각 스페이서가 열전달 유체 순환 파이프의 영역, 즉 흡수 수단의 차가운 지점에 위치된다는 사실 때문에, 스페이서를 통한 열손실이 제한된다. 또한, 제1 벽, 및 제1 벽과 흡수 수단 사이에 위치된 각 스페이서의 투명도는 집열기의 흡수 수단을 향한 태양 복사의 양호한 투과를 보장한다. 따라서, 태양 복사에 기인하는 에너지의 흡수 수단에 의한 수집 및 집열기의 에너지 전환 효율은 최적화된다.
본 발명에 따른 태양열 집열기의 다른 유리한 특징에 따르면, 이하 구성이 단독으로 또는 임의의 기술적으로 실현 가능한 조합(들)으로 고려된다:
- 흡수 수단은 파이프에 열적으로 연결된 흡수 패널을 포함하고, 스페이서는 제1 벽과 파이프와 열접촉하는 흡수 패널의 부분 사이에 배열됨;
- 스페이서는 흡수 수단의 방향으로 둥근 형상을 가짐;
- 스페이서는 유리로 이루어짐;
- 스페이서는 제1 벽과 일체임;
- 제1 벽 및 스페이서는 강화 유리로 이루어지고, 스페이서는 제1 벽과 함께 열강화됨;
- 제1 벽은 유리로 이루어지고, 스페이서는 제1 벽을 롤링(rolling)함으로써 얻어진 제1 벽에 대해 양각(in relief)된 특징부임;
- 스페이서는 화학적 강화 유리로 이루어진 스페이서임;
- 스페이서는 4 mm 미만, 바람직하게는 화학적 강화 스페이서인 경우 2 mm 미만, 및 바람직하게는 제1 벽과 일체인 스페이서인 경우 1 mm 미만의 두께를 가짐;
- 집열기는 제1 벽과 흡수 수단 사이에 제1 스페이서 및 제2 벽과 흡수 수단 사이에 제2 스페이서를 포함하는, 파이프의 각 측부 상에 하나씩 배열된 적어도 한 쌍의 스페이서를 포함함;
- 각 쌍의 스페이서의 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 제1 벽 및 제2 벽의 중간면(midplane)을 가로지르는 방향으로 서로 정렬되게 위치됨;
- 제2 스페이서는 제2 벽과 일체임;
- 제2 벽은 금속으로 이루어지고, 제2 스페이서는 제2 벽을 엠보싱(embossing)함으로써 얻어진 제2 벽에 대해 양각된 특징부임;
- 제2 벽은 제1 벽과 동일하고, 집열기의 정중면에 대해 제1 벽과 대칭임;
- 제2 스페이서는 화학적 강화 유리로 이루어진 스페이서임;
- 제2 스페이서는 4 mm 미만, 바람직하게는 2 mm 미만의 두께를 가짐;
- 하우징은 액밀성이고, 진공 하에 놓이도록 설계됨;
- 집열기는 제1 벽과 제2 벽 사이에 스페이서 프레임을 포함함;
- 집열기는 30 mm 미만, 바람직하게는 25 mm 미만의 두께를 가짐;
- 태양열 집열기의 제1 벽이 제1 태양열 집열기와 병치된 유사 제2 태양열 집열기의 제1 벽을 부분적으로 덮을 수 있도록 제1 벽의 자유 에지는 제2 벽의 대응 자유 에지를 넘어 돌출함.
본 발명의 다른 주제는 상기한 바와 같은 적어도 하나의 태양열 집열기를 포함하는 구조체, 특히 빌딩의 지붕 또는 파사드용 클래딩(cladding) 조립체이다.
본 발명의 특징들 및 이점들은 단지 예시적으로 주어지고 첨부된 도면들을 참조하는 본 발명에 따른 태양열 집열기의 4개의 실시양태에 대한 이하의 설명으로부터 분명해질 것이다.
- 도 1은 본 발명의 제1 실시양태에 따른 태양열 집열기의 단면이다.
- 도 2는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 태양열 집열기에 대한, 도 1과 유사한 단면이다.
- 도 3은 본 발명의 제3 실시양태에 따른 태양열 집열기에 대한, 도 1과 유사한 단면이다.
- 도 4는 구조체, 예를 들어 빌딩의 지붕 또는 파사드 상에 장착된, 본 발명에 따른 2개의 태양열 에너지 집열기의 상부에서의 개략 평면도이다.
- 도 5는 본 발명의 제4 실시양태에 따른 태양열 집열기가 장착된 지붕 구조체의 측면도이다.
도면의 명료함을 돕기 위해, 도 1 내지 도 5의 여러 요소들은 엄격하게 비율적으로 도시되지는 않았다.
도 1에 도시된 제1 실시양태의 태양열 집열기(1)는 집열기 상에 입사하는 태양 복사 방향으로 향하도록 의도된 투명 상부벽(2), 및 마찬가지로 투명한 하부벽(4)을 포함한다. 벽(2, 4)은 직사각형 형상이고 4 내지 6 mm 정도의 두께인 2개의 동일한 강화 유리 시트로 형성된다. 벽(2, 4)은 금속 프레임(5)에 의해 서로 접합되어, 프레임(5)과 함께 집열기(1)의 흡수 수단을 수용하기 위한 하우징(3)을 형성한다. 집열기(1)가 조립된 구성이면, 벽(2, 4)의 중간면(π, π')은 실질적으로 서로 평행하다. 중간면(π, π')에 실질적으로 수직인 집열기(1)의 두께 방향은 Z로 명기한다.
벽(2, 4) 각각은 액밀 시일(10), 특히 기밀 시일에 의해 프레임(5)에 고정된다. 바람직하게는, 금속 프레임(5)과 각각의 유리 벽(2 또는 4) 사이의 시일(10)은 프레임과 유리 벽 상에 퇴적된 금속 프리트(frit)를 납땜 합금을 사용하여 납땜함으로써 얻어진다. 유리 프리트 및 금속 입자를 포함하는 이 금속 프리트는 유리하게는 프레임(5)과 접촉하도록 의도되는 유리 벽(2 또는 4)의 면의 주연에 스크린 인쇄함으로써 적용된 후 유리 벽(2 또는 4)의 열강화 동안 베이킹된다. 유리와 금속 사이에 얻어진 시일(10)은 장기간에 걸쳐 양호한 기계적 강도 및 밀봉 특성을 갖는다. 특히, 시일(10)은 집열기의 흡수 수단이 위치하는 하우징(3)이 진공 하에 놓이고 유지되게 한다.
이들 흡수 수단은 흡수 패널로도 공지된 금속 패널(6), 및 열전달 유체가 흐르는 파이프(7)를 포함한다. 열전달 유체는 예를 들어 가능하게는 동결방지제와 혼합된 물이다. 흡수 패널(6)은, 그것이 벽(2)을 통과하는 태양 복사에 기인하는 열을 저장한 후, 이 열이 흡수 패널(6)로부터 파이프(7)를 통해 흐르는 유체로 전달될 수 있도록 상부벽(2)과 열전달 유체가 흐르는 파이프(7) 사이에 위치된다. 이를 위해, 파이프(7)는 하부벽(4)을 향하는 흡수 패널(6)의 하부면(6A)과 열접촉한다. 더 구체적으로는, 파이프(7)는 파이프와 흡수 패널 사이의 열접촉을 위한 면적을 최대화하도록 사형(serpentine) 코일 형태로 흡수 패널(6)의 하부면(6A)에 대해 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 흡수 수단(6, 7)은 바람직하게는 이들 벽에서 접촉을 통한 열손실을 제한하도록 집열기의 정중면(P)에 벽(2, 4)으로부터 일정 거리에 유지된다. 특히 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 흡수 패널(6)은 0.1 내지 1 mm 정도의 Z 방향으로의 두께를 갖는다. 특히 구리로 이루어진 파이프(7)는 8 mm 정도의 직경을 갖는 원형 단면을 갖는다.
파이프(7)는 2개의 열전달 유체용 유입 및 유출 커넥터(11)에서 집열기(1)의 외측으로 개방되고, 이들 커넥터는 도 4에 대칭적으로 도시된다. 바람직하게는, 2개의 커넥터(11)는 집열기(1)의 하나의 동일한 에지 측면 상에 제공되고, 즉 직사각형 프레임(5)의 하나의 동일한 측면(51)에 설치되고, 각각은 측면(51)의 한 단부(51A 또는 51B) 근방에 위치된다. 집열기(1)가 수평면, 예를 들어 지붕 또는 파사드에 대해 경사진 구조체(12) 상에 장착될 때, 커넥터(11)를 포함하는 프레임(5)의 측면(51)은 바람직하게는 프레임의 다른 측면과 비교하여 가장 높게 위치된다. 이렇게 하면, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 집열기(1)가 구조체(12) 상에 병치되어 클래딩 조립체(20)를 형성할 때, 제1 집열기(1)의 유입 커넥터를 예를 들어 U자형 호스(13)를 사용하여 그와 병치되는 제2 집열기(1)의 유출 커넥터에 연결되기 쉽다. 따라서, 열전달 유체가 복수의 집열기를 통해 연속으로 흐를 수 있는 태양열 집열기 시스템이 형성된다.
패드 형태의 복수의 스페이서(8, 9)는, 집열기가 진공 하에 놓여있을 때 상부벽(2)과 하부벽(4) 사이에 일정한 간격을 유지하기 위하여 집열기(1) 내에 제공된다. 따라서, 집열기(1)는 상부벽(2)과 흡수 수단 사이에 위치된, 상부 스페이서라고 하는 일련의 제1 스페이서(8), 및 하부벽(4)과 흡수 수단 사이에 위치된, 하부 스페이서라고 하는 일련의 제2 스페이서(9)를 포함한다. 스페이서(8, 9)는 스페이서 쌍을 형성하도록 집열기(1) 내에 분포된다. 각 쌍의 스페이서는 실질적으로 Z 방향으로 정렬되고 매번 파이프(7)의 영역에서 흡수 수단의 각 면 상에 위치된 상부 스페이서(8) 및 하부 스페이서(9)를 포함한다.
더 구체적으로는, 각 상부 스페이서(8)는 상부벽(2)과, 파이프(7)와 열접촉하는 흡수 패널(6)의 부분(61) 사이에 위치되는 반면, 각 하부 스페이서(9)는 하부벽(4)과 파이프(7) 사이에 위치된다. 항상 파이프(7)의 부분의 영역에 있는 스페이서(8, 9)의 공간적 배열은 스페이서를 통한 흡수 수단(6, 7)으로부터의 열손실을 제한하게 한다. 구체적으로는, 파이프(7) 및 파이프(7)와 열접촉하는 흡수 패널(6)의 부분(61)은 흡수 수단의 열적 분포에서 차가운 대역이어서, 스페이서를 통한 열 누출의 위험을 제한한다.
이 제1 실시양태에서, 각 스페이서(8 또는 9)는 대응 벽(2 또는 4)에 대해 돌출하는 양각된 특징부이고, 벽(2 또는 4)을 이루는 유리 시트를 롤링함으로써 형성된다. 바꾸어 말하면, 일련의 상부 스페이서(8)는 유리 시트를 고형물, 예를 들어 그의 표면 상에 형성되는 텍스처의 역 형상을 갖는 금속 롤러를 사용하여 그의 표면을 변형시킬 수 있는 온도까지 가열함으로써 벽(2)을 이루는 유리 시트의 편평면을 롤링함으로써 얻어진, 상부벽(2)의 표면 텍스처이다. 마찬가지로, 일련의 하부 스페이서(9)는 벽(4)을 이루는 유리 시트의 편평면을 롤링함으로써 얻어진, 하부 벽(4)의 표면 텍스처이다. 유리하게는, 롤링된 스페이서(8, 9)는 벽(2, 4)의 열강화 동안 강화된다. 따라서, 유리 벽(2 또는 4)에 포함되고 양호한 투명도 및 기계적 강도 특성을 갖는 스페이서(8, 9)가 얻어진다.
도 2에 도시된 제2 실시양태에서, 제1 실시양태와 유사한 요소들은 100을 더한 동일한 참조부호를 붙인다. 이 제2 실시양태에 따른 태양열 집열기(101)는 그의 스페이서(108, 109)의 구조가 제1 실시양태의 태양열 집열기(1)와는 상이하다. 제1 실시양태에서와 같이, 태양열 집열기(101)는 투명한 상부벽(102) 및 마찬가지로 투명한 하부벽(104)을 포함하고, 이들은 2개의 동일한 열강화 유리 시트로 형성된다. 벽(102, 104)은 그들 사이에 액밀 시일(110)에 의해 부착된 금속 프레임(105)과 함께 집열기의 흡수 수단(106, 107)을 수용하기 위한 액밀 하우징(103)을 형성한다. 제1 실시양태의 흡수 수단과 유사한 이들 흡수 수단은 흡수 패널(106) 및 열전달 유체가 흐르는 파이프(107)를 포함한다. 제1 실시양태에서와 같이, 파이프(107)는 그의 하부면(106A)의 면 상에서 흡수 패널(106)과 열접촉한다.
집열기(101)는, 집열기(101)가 진공 하에 놓일 때 상부벽(102)과 하부벽(104) 사이에 일정한 간격을 유지하도록 의도된 복수의 상부 스페이서(108) 및 복수의 하부 스페이서(109)를 포함한다. 제1 실시양태에서와 같이, 이들 스페이서(108, 109)는 집열기(101)의 두께의 Z 방향으로 쌍으로 정렬되어 각 상부 스페이서(108)가 상부벽(102)과, 파이프(107)와 열접촉하는 흡수 패널(106)의 부분(161) 사이에 위치되는 반면, 각 하부 스페이서(109)는 하부벽(104)과 파이프(107) 사이에 위치된다. 그러나, 이 제2 실시양태에서, 스페이서(108, 109)는 롤링에 의해 얻어진 양각된 특징부의 형태가 아니라, 예를 들어 결합에 의해 벽(102, 104) 상에 첨가된 유리 비드의 형태이다. 하우징(103) 내에 진공이 형성될 때 벽(102, 104)에 가해지는 압축력을 견디기 위해서, 유리 비드는 화학적 강화에 의해 강화된다. 이 화학적 강화 처리는 표면에 높은 압축력을 유도하는 관점에서 이온 교환에 의해 유리 내에 초기에 존재하고 표면에 근접한 알칼리 이온을 다른 더 큰 알칼리 이온으로 대체하기 위한 것이다. 따라서, 화학적 강화는 비드의 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있게 한다.
이 화학적 강화 처리를 위해서는, 비드를 이루는 유리는 강화 전에 알칼리 산화물을 함유할 필요가 있다. 비제한적인 예로써, 초기 산화물은 Na2O일 수 있고, 이 경우 이는 적어도 부분적으로 Na+ 이온을 K+ 이온으로 대체하도록 KNO3에 의한 처리에 의해 화학적 강화를 실시할 수 있고; 초기 산화물은 또한 Li2O일 수 있고, 이 경우 이는 적어도 부분적으로 Li+ 이온을 Na+ 또는 K+ 이온으로 대체하도록 NaNO3 또는 KNO3에 의한 처리에 의해 화학적 강화를 실시할 수 있다. 화학적 강화는 처리된 표면에 수직이고 이들 표면으로부터 먼 쪽으로 감소하는 이온, 특히 K+ 또는 Na+의 농도 구배를 야기한다. 실제로, 예를 들어 나트륨/칼륨 교환의 경우에, 이온 교환은 400 내지 500℃의 온도로 승온된 칼륨염의 조(bath) 내에 유리 비드를 담금으로써 수행된다. 이온 교환 파라미터, 특히 온도 및 기간은 높은 표면 응력을 조장하도록 선택된다. 이온 교환은 또한 전기장에 의해 도움을 받을 수 있다.
도 3에 도시된 제3 실시양태에서, 제1 실시양태와 유사한 요소들은 200을 더한 동일한 참조부호를 붙인다. 이 제3 실시양태에 따른 태양열 집열기(201)는 그의 하부벽(204)이 금속으로 이루어진 점에서 제1 실시양태의 태양열 집열기(1)와는 상이하다. 더 구체적으로는, 태양열 집열기(201)는 열강화 유리 시트로 형성된 투명 상부벽(202) 및 금속 트레이(215)를 포함한다. 금속 트레이(215)는 집열기(201)의 하부벽을 형성하는 저부(204), 및 저부(204)에 실질적으로 수직으로 연장하는 측면 테두리(205)를 포함한다. 상부벽(202)은 액밀, 특히 기밀 시일(210)에 의해 테두리(205)의 자유 에지에 연결된다. 이전과 같이, 금속 테두리(205)와 유리 상부벽(202) 사이의 시일(210)은 바람직하게는 테두리(205)의 자유 에지와 상부벽(202)에 적용된 금속 프리트를 서로 납땜함으로써 얻어진다. 벽(202, 204)은 그들 사이에 테두리(205)와 함께, 흡수 패널(206), 및 하부면(206A) 측 상에서 흡수 패널(206)과 열접촉하는 열전달 유체의 흐름을 위한 파이프(207)를 포함하는 집열기(201)의 흡수 수단(206, 207)을 수납하는 액밀 하우징(203)을 형성한다.
상기한 실시양태에서와 같이, 집열기(201)는 집열기(201)의 두께의 Z 방향으로 쌍으로 정렬되고 집열기(201)가 진공 하에 놓일 때 상부벽(202)과 하부벽(204) 사이에 일정한 간격을 유지하도록 설계된 복수의 상부 스페이서(208) 및 복수의 하부 스페이서(209)를 포함한다. 각 상부 스페이서(208)는 상부벽(202)과, 파이프(207)와 열접촉하는 흡수 패널(206)의 부분(261) 사이에 위치되는 반면, 각 하부 스페이서(209)는 하부벽(204)과 파이프(207) 사이에 위치된다.
이 제3 실시양태에서, 상부 스페이서(208)는 벽(202)을 이루고 유리하게는 벽(202)이 열강화될 때 강화되는 유리 시트를 롤링함으로써 형성된 상부 벽(202)에 대해 돌출하는 양각된 특징부이다. 하부 스페이서(209)는 금속 벽(204)을 엠보싱함으로써 형성된 하부벽(204)에 대해 돌출하는 양각된 특징부이다. 유리하게는, 단열 시트(214)가 열손실을 줄이기 위해 파이프(207)와 금속 하부 스페이서(209) 사이에 추가된다. 이 시트는 바람직하게는 집열기를 진공 하에 두는 것을 더 쉽게 하기 위해 비-다공성이고, 예를 들어 두께가 1 내지 4 mm 정도인 유리 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 이러한 단열 시트가 집열기(201) 내에서 파이프(207)와 하부 스페이서(209) 사이에 존재하면, 하부 스페이서(209)는 바람직하게는 파이프(207)와 Z 방향으로 정렬되지만, 이것이 필수적이지는 않다.
모든 실시양태에서, 각 상부 스페이서(8, 108, 208) 또는 하부 스페이서(9, 109, 209)는 4 mm 미만, 바람직하게는 2 mm 미만의 두께(e8, e108, e208 또는 e9, e109, e209)를 갖는다. 더 구체적으로는, 스페이서가 제2 실시양태에서와 같이 화학적 강화 처리를 겪은 유리 비드인 경우, 이들 비드는 바람직하게는 2 mm 미만의 두께를 갖는다. 스페이서가 제1 및 제3 실시양태의 롤링된 스페이서(8, 9, 208)의 경우와 같이 집열기의 유리벽과 일체인 유리로 이루어지고 벽의 열강화 동안 열강화된 경우, 이들 스페이서는 바람직하게는 1 mm 미만의 두께를 갖는다.
또한, 각 스페이서(8, 108, 208, 9, 109, 209)는 유리하게는 스페이서와 흡수 수단 사이의 접촉 면적을 최소화하여 스페이서를 통한 열손실을 제한하도록 흡수 수단의 방향으로 둥근 형상, 특히 구 또는 반구 형상을 갖는다. 특히, 스페이서들 사이의 피치(p)값을 최대화하여 상부벽 및 하부벽 각각에서의 스페이서 밀도를 최소화함으로써 스페이서를 통한 열손실을 제한하려는 시도도 행해진다. 더 구체적으로는, 각 벽 상의 스페이서들 사이의 피치(p)값은 한편으로는 스페이서를 통한 열손실을 최소화하는 것과, 다른 한편으로는 벽을 통한 응력 분포 사이에 절충안에 도달하기 위해 조정된다. 스페이서들 사이의 피치(p)를 증가시키면, 벽 내에 발생하는 기계적 응력의 집중이 증가하여 이 벽이 유리로 이루어지는 경우 깨질 위험이 증가한다. 양호한 절충안은 스페이서들 사이의 피치(p)값이 20 내지 100 mm일 때 얻어진다.
상기한 3개의 실시양태로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열 집열기는 상부벽의 투명도 및 상부 스페이서의 투명도 양쪽에 의해 집열기의 흡수 수단을 향한 태양 복사의 양호한 투과를 제공한다. 특히, 상부 스페이서의 투명도에 의해, 흡수 패널의 전체 활성 표면적이 태양 복사에 노출되어 흡수 패널에 의한 에너지의 수집을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 상부벽 및/또는 상부 스페이서는 매우 낮은 철 산화물 함량을 갖는 투명한, 클리어 또는 익스트라-클리어 유리, 예를 들어 쌩-고벵 글래스에 의해 시판되는 유리 "다이아먼트(DIAMANT)"류, 또는 특히 상부 스페이서가 집열기의 상부벽을 롤링함으로써 얻어진 양각된 특징부인 경우 롤링에 의해 제조된 "알바리노(ALBARINO)"류로 이루어진다.
본 발명에 따른 태양열 집열기에 의해 또한, 한편으로는 흡수 수단을 수용하는 하우징 내에 진공을 형성하고, 다른 한편으로는 스페이서가 집열기 내에 배열되는 구체적인 방식에 의해 열손실을 제한할 수 있다. 열전달 유체가 흐르는 파이프의 영역 내에서 흡수 수단의 차가운 지점에 스페이서를 두는 것에 의해 스페이서를 통한 열손실을 줄일 수 있으며, 흡수 수단의 방향으로 각 스페이서의 둥근 형상에서와 같이 스페이서와 흡수 수단 사이의 접촉 면적을 최소화하는 것도 마찬가지이다. 유리로 이루어진 스페이서의 경우 특히 열 또는 화학적 강화에 의해 스페이서를 강화함으로써, 또한 집열기의 기계적 온전성을 달성하는 데 필요한 스페이서의 수를 줄일 수 있고, 이는 또한 스페이서를 통한 열손실을 줄이는 것에 기여한다.
흡수 패널에 의해 에너지의 수집을 개선하고 열손실을 줄이기 때문에, 본 발명에 따른 태양열 집열기는 종래 기술의 태양열 집열기의 효율을 초과하는 에너지 전환 효율을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 집열기는 또한, 한편으로는 비교적 작은 두께를 가지더라도 양호한 기계적 강도를 나타내는 강화 유리 또는 금속으로 이루어진 벽 및 스페이서의 사용, 및 다른 한편으로는 상기한 유리-금속 시일의 설치를 통해 흡수 수단을 수용하는 하우징 내에 진공을 효과적으로 유지할 가능성에 의해 매우 콤팩트한 구조를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 태양열 집열기의 두께(e1, e101, e201)는 30 mm 미만, 바람직하게는 25 mm 미만이다. 그의 콤팩트함으로 인해, 본 발명에 따른 태양열 집열기는 빌딩의 지붕 또는 파사드에 쉽고 미적으로 포함될 수 있다. 상부벽에 강화 유리 시트를 사용하는 것은, 집열기가 빌딩의 지붕 또는 파사드 상에 장착될 때 악천후에 견딜 수 있음을 보장한다. 또한, 본 발명에 따른 태양열 집열기는 소기되기 때문에 이것이 설치되는 지붕 또는 파사드의 단열을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양열 집열기는, 이것이 집열기의 한 벽 상에 집단적으로 형성된 스페이서를 포함하는 경우, 집열기 내에 개별적으로 스페이서를 설치할 필요가 없다. 이것은 특히 집열기가 상기한 바와 같이 롤링되거나 또는 엠보싱된 스페이서 또는 별법으로 단일 패스의 스퀴지의 스크린 인쇄에 의해 벽에 유리 프리트를 적용한 후 이 유리 프리트를 베이킹함으로써 형성된 스페이서를 포함하는 경우에 그러하다. 이 집단적인 스페이서 제조로 인해, 태양열 집열기의 제조 방법은 더 단순하고 더 신속하여 산업 규모에 대해 제조가 유리하다.
본 발명에 따른 태양열 집열기는 유리하게는 구조체, 예를 들어 빌딩의 지붕 또는 파사드 상에 장착되도록 의도된 클래딩 조립체(20, 320)의 부분을 형성하고, 클래딩 조립체(20, 320)는 다른 요소들, 특히 다른 태양열 집열기 및/또는 광발전 모듈 및/또는 통상적인 타일 또는 슬레이트를 포함한다. 클래딩 조립체(20, 320)의 다양한 요소는 바람직하게는 중첩된 단계식 배열로, 타일 또는 슬레이트의 방식으로 서로에 대해 배열되고, 도시되지 않은 고정 수단, 예를 들어 US-A-2003/0213201에 서술된 바와 같은 톱니 에지를 갖는 레일 및 후크에 의해 서로 접합된다. 도 5에서 볼 수 있는 제4 실시양태에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열 집열기의 형상은 빌딩의 지붕 또는 파사드 상에 타일 또는 슬레이트의 방식으로 중첩된 단계식 배열의 집열기를 설치하기 쉽게 구성될 수 있다.
이 제4 실시양태에서, 제1 실시양태와 유사한 요소들은 300을 더한 동일한 참조부호를 붙인다. 이 제4 실시양태에 따른 각 태양열 집열기(301)는, 집열기(301)의 상부벽(302)이 집열기(301)의 높이 방향(Y)으로 집열기의 하부 부분의 Y 방향 높이를 초과하고 특히 집열기의 하부벽(304)의 높이(h304)보다 큰 높이(h302)가 주어지는 점을 제외하고는, 상기한 집열기(1, 101, 201) 중 임의의 하나와 동일한 구조를 갖는다. 또한, 집열기(301)가 조립된 구성이면, 벽(302, 304)은 상부벽(302)의 2개의 양쪽 자유 에지(321, 323)가 하부벽(304)의 대응 자유 에지(341, 343)를 넘어 거리 d만큼 돌출하도록 배열된다.
집열기(301)를 수용하는 구조체가 도 5에 도시된 구조체(312)의 경우와 같이 수평면에 대해 경사진 경우, 집열기(301)는 그의 높이 방향(Y)이 수평면에 대해 구조체의 경사 방향과 실질적으로 정렬된 상태로 구조체 상에 장착될 의도이다. 따라서, 집열기(301)가 경사진 구조체(312) 상에 장착되는 구성이면, 집열기(301)의 상부벽(302)은 구조체의 경사 방향으로 제1 집열기(301) 아래에 병치된 구조체(312) 상에 장착된 유사한 제2 집열기(301)의 상부벽(302)을 부분적으로 덮을 수 있다. 이 경우, 이것은 구조체 상에 타일의 방식으로 원하는 단계식 배열을 갖는 여러 집열기(301)를 포함하는 클래딩 조립체(320)를 산출한다. 집열기(301)의 이러한 단계식 배열은 강한 바람과 마주하는 경우에도 양호한 내후성 기밀성을 클래딩 조립체(320)에 제공한다.
본 발명은 서술되고 도시된 예에 제한되지 않는다. 특히 이하와 같다:
- 상부 및 하부 스페이서는 태양열 집열기의 벽과 일체(또는 벽의 일부)는 아니지만 임의의 적절한 수단, 특히 결합 또는 용접에 의해 이들 벽에 추가될 수 있음;
- 상부 스페이서는 유리 이외의 투명하고 높은 기계적 압축 응력에 견딜 수 있는 물질, 예를 들어 플라스틱으로 이루어질 수 있음;
- 하부 스페이서는 투명하거나 또는 달리 높은 기계적 압축 응력을 견딜 수 있는 임의의 물질, 예를 들어 유리, 금속, 세라믹으로 이루어질 수 있음;
- 태양열 집열기의 유리벽에 포함된 유리 스페이서는 롤링 이외의 기술, 특히 단일 패스의 스퀴지로 모든 스페이서를 적용할 수 있음을 의미하는 스크린 인쇄 또는 비교적 두꺼운 스페이서에 적용할 수 있는 분배기 중 어느 하나에 의해 유리 프리트를 벽에 적용함으로써 얻을 수 있고, 어느 경우든지 유리하게는 벽의 열강화 동안 프리트의 베이킹이 일어나고; 롤링된 스페이서의 경우에서와 같이, 유리벽과 일체인 이들 유리 스페이서는 바람직하게는 1 mm 미만의 두께를 가짐;
- 상부 스페이서가 태양열 집열기의 상부 유리벽을 롤링함으로써 얻어질 때, 집열기의 외측을 향하도록 의도된 상부벽의 면도 또한 미끄럼 방지 텍스처를 가지도록 롤링될 수 있고; 이것은 태양열 집열기가 지붕 상에서 이동하는 누군가가 낙하하는 것을 방지하도록 빌딩의 지붕 상에 설치되는 경우에 특히 유리함;
- 집열기의 외측을 향하도록 의도된 상부벽의 면은 또한, FR-A-2 896 596에 서술된 바와 같이 이미지가 태양의 직사광선을 방해하지 않고 태양열 집열기의 표면 상에 보여질 수 있도록 렌즈형의 텍스처를 제공하도록 롤링될 수 있음;
- 상부 및 하부 스페이서는 이들의 기능에 맞추어진 임의의 형상일 수 있고, 바람직하게는 흡수 수단 방향으로 둥글고; 상부 및 하부 스페이서는 특히 상기한 바와 같은 원형 또는 다각형 단면의 패드 형태, 또는 별법으로 그의 종방향이 바람직하게는 열전달 유체가 흐르는 상기 또는 각 파이프의 가로질러 진행되는 종방향으로 긴 세그먼트 형태일 수 있고; 금속으로 이루어진 하부벽을 포함하는 경우에, 이 벽은 하부 스페이서로서 작용하는 돌출 세그먼트를 형성하도록 파형일 수 있음;
- 태양열 집열기의 기계적 강도를 개선하기 위해서, 집열기의 상부벽 및/또는 하부벽은 유리로 이루어진 경우 적층된 유리 시트를 형성하도록 중합체 간층을 통해 다른 유리 시트와 함께 조립될 수 있음;
- 특히 금속 트레이 또는 프레임에 설치된 커넥터의 부근에서, 집열기의 유리벽과 금속 트레이 또는 프레임 사이의 시일 및 그에 따른 집열기의 밀봉에 손상을 야기할 수 있는 열응력에 대해 상기 시일을 보호하기 위해서, 금속 트레이 또는 프레임은 그것이 유리벽에 연결될 수 있도록 유리벽의 에지를 넘어 시일에 비해 외측을 향해 오프셋된 더 얇은 벽을 포함하여 유리-금속 접합의 영역과 일렬로 빈 단열 공간을 생성할 수 있음;
- 집열기는 사형 코일 형태의 단일 파이프가 아닌, 열전달 유체가 흐르는 다수의 파이프를 포함할 수 있음;
- 열전달 유체의 순환을 위한 상기 또는 각 파이프는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 흡수 패널과는 별도인 파이프가 아니라, 예를 들어 흡수 패널의 하부면에 U자형 구성요소를 고정함으로써 흡수 패널에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있음;
- 태양열 집열기의 하우징 내에 배열된 흡수 수단은 태양 복사에 기인하는 에너지를 열에너지로 전환하는 수단, 예를 들어 상기한 바와 같이 흡수 패널 및 열전달 유체가 흐르는 파이프를 포함하는 것에 더하여, 태양 복사에 기인하는 에너지를 전기 에너지로 전환하는 수단, 예를 들어 광발전 전지를 포함할 수 있음.

Claims (15)

  1. - 서로 마주하는 제1 벽(2; 102; 202; 302) 및 제2 벽(4; 104; 204; 304)[제1 벽과 제2 벽은 그들 사이에 하우징(3; 103; 203)을 형성하고, 제1 벽(2; 102; 202; 302)은 투명하고 집열기 상에 입사하는 태양 복사 방향으로 향하도록 의도됨], 및
    - 하우징(3; 103; 203) 내에 위치되고, 열전달 유체가 흐르는 하나 이상의 파이프(7; 107; 207)를 포함하는, 태양 복사에 기인하는 에너지를 흡수하기 위한 흡수 수단(6, 7; 106, 107; 206, 207)
    을 포함하고, 파이프(7; 107; 207)의 영역에서 제1 벽(2; 102; 202; 302)과 흡수 수단(6, 7; 106, 107; 206, 207) 사이에 배열된 하나 이상의 투명한 스페이서(8; 108; 208)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기(1; 101; 201; 301).
  2. 제1항에 있어서, 흡수 수단이 파이프(7; 107; 207)와 열적으로 연결되는 흡수 패널(6; 106; 206)을 포함하고, 스페이서(8; 108; 208)가 제1 벽(2; 102; 202; 302)과, 파이프(7; 107; 207)와 열접촉하는 흡수 패널(6; 106; 206)의 부분(61; 161; 261) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스페이서(8; 108; 208)가 흡수 수단(6, 7; 106, 107; 206, 207)의 방향으로 둥근 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서(8; 208)가 제1 벽(2; 202)과 일체인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  5. 제4항에 있어서, 제1 벽(2; 202) 및 스페이서(8; 208)가 강화 유리로 이루어지고, 스페이서가 제1 벽과 함께 강화되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 벽(2; 202)이 유리로 이루어지고, 스페이서(8; 208)가 제1 벽을 롤링(rolling)함으로써 얻어진 제1 벽(2; 202)에 대해 양각된 특징부인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서(108)가 화학적 강화 유리로 이루어진 스페이서인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서(8; 108; 208)가 4 mm 미만, 바람직하게는 2 mm 미만의 두께(e8; e108; e208)를 갖는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 벽(2; 102; 202; 302)과 흡수 수단 사이의 제1 스페이서(8; 108; 208) 및 제2 벽(4; 104; 204; 304)과 흡수 수단 사이의 제2 스페이서(9; 109; 209)를 포함하는, 파이프(7; 107; 207)의 각 측부 상에 하나씩 배열된 적어도 한 쌍의 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  10. 제9항에 있어서, 제2 벽(204)이 금속으로 이루어지고, 제2 스페이서(209)가 제2 벽을 엠보싱함으로써 얻어진 제2 벽(204)에 대해 양각된 특징부인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  11. 제9항에 있어서, 제2 벽(4; 104)이 제1 벽(2; 102)과 동일하고 집열기의 정중면(P)에 대해 제1 벽(2; 102)과 대칭인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(3; 103; 203)이 액밀성이고 진공 하에 놓이도록 설계된 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 벽(2; 102)과 제2 벽(4; 104) 사이에 스페이서 프레임(5; 105)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 30 mm 미만, 바람직하게는 25 mm 미만의 두께(e1; e101; e201)를 갖는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 하나 이상의 태양열 집열기(1; 101; 201; 301)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조체(12; 312), 특히 빌딩의 지붕 또는 파사드(facade)용 클래딩 조립체(20; 320).
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