KR20140073494A - 태양광 복사 수광기 - Google Patents

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KR20140073494A
KR20140073494A KR1020147005537A KR20147005537A KR20140073494A KR 20140073494 A KR20140073494 A KR 20140073494A KR 1020147005537 A KR1020147005537 A KR 1020147005537A KR 20147005537 A KR20147005537 A KR 20147005537A KR 20140073494 A KR20140073494 A KR 20140073494A
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photovoltaic
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KR1020147005537A
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카브레라 카를로스 갈돈
곤잘레스 카를로스 누네스
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카브레라 카를로스 갈돈
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Abstract

본 발명은 태양 복사(1) 패널(2)에 관한 것으로서, 이것은 유입 및 유출 집적부(9)들 및 유입 집적부(9)로부터 유출 집적부(9)로 연장되는 일련의 도관(8)들을 가진다. 태양 복사(1)에 의해 가열되는 작동 유체는 도관(8) 내부에서 유동한다. 패널(2)은 단일 부재이고, 상부층(5), 적어도 하나의 중간층(6) 및, 하부층(7)을 포함한다. 상부층(5)은 태양 복사(1)를 수광한다. 적어도 하나의 중간층(6)은 상부층(5) 아래에 위치되고, 작동 유체가 유동하는 도관(8)들을 포함한다. 하부층(7)은 중간층(6) 아래에 위치되고, 작동 유체 유입 및 유출 집적부(9)들은 상기 하부층(7)에 결합된다. 패널(2) 안에서 가열되는 작동 유체는 차후에 교류 발전기(4)에 의해 전기를 발전하는 연소 엔진(3)으로 진행된다.

Description

태양광 복사 수광기{Solar radiation receiver}
본 발명은 태양광 복사 수광기를 개시하며, 이것은 태양 에너지를 열에너지 및 전기 에너지로 변환시키는데 적용될 수 있다. 이것의 사용은 발전 산업에 관련 이해 관계를 가진다.
현재 태양 에너지를 열 및 전기 에너지로 변환시키도록 태양 에너지를 이용하는 기술에는 3 가지 큰 부류가 있는데, 이들은 실린더-포물 수광기, 일광 반사 장치 분야의 타워 태양광 시스템 및, 포물형 접시이다. 본 발명은 포물형 접시 기술에 집중하며, 여기에서는 태양광 복사가 포물면("포물형 접시", 즉, 통상적으로 원형 섹션을 가진 포물면)상에 가격되고, 열 기계가 그것의 초점에 위치된다. 상기 열 기계(heat machine)는 항상 완성된 스털링 엔진(Robert Stirling 에 의해 1816 년에 그의 특허에서 처음 소개되었으며, A.D. 1816 년 영국 특허 GB 4081 참조)으로서, 이것은 고온 초점(태양광 복사 수광기)과 저온 초점 사이에서 작동된다. 스털링 엔진 또는 등가의 엔진이 발생시키는 기계적 에너지는 전기 에너지를 발전시키는 교류 발전기를 작동시킨다.
이전에 언급된 바와 같이, 포물형 접시를 가진 시스템에서 태양광 복사는 수광기상에서 수광된다. 상기 수광기는 작동 기체를 가열하는데, 작동 기체는 열 엔진을 작동시킨다. 주어진 열 에너지에 대하여, 수광기 성능의 증가는 작동 기체 온도의 상승을 포함하고, 결과적으로, 엔진 성능을 향상시킨다. 이것은 기계의 전체 성능을 보다 효율적이게 한다.
이러한 태양열 플랜트에서 이용되었던 스털링 엔진들은 튜브 다발에 의해 형성된 수광기들을 이용하였는데, 튜브 다발은 포물면 축을 향하여 위치된다. 그러나, 이러한 구성에서, 집광기(포물형 접시)로부터 오는 열에너지에 의해 이용되었던 표면은 집광기 투사의 오직 1 퍼센트이다. 한편, 종래 기술에서 이용된 튜브 다발들은 복수개의 부재들로 구성된 장치들로서, 이들은 서로 접합되고 집적기에 용접된다. 이러한 유형의 접합된 구조는, 장치가 열적 사이클을 겪을 때, 상대적으로 자주 기계적인 장력의 문제를 발생시키며, 이것은 때때로 재료의 응력 및 차후의 파괴를 초래한다. 다른 한편으로, 스털링 사이클을 따르는 장치들은 그것의 성능을 향상시키도록 작동 유체로서 수소를 사용하는 것이 보통이다. H2 가 공기와 접촉한 상태에서 연소하면, 현재 기술에서 제공된 형상들은 화재 및 폭발의 위험성을 의미한다.
상기와 같은 문제점을 해결하도록, 본 발명은 집광기(concentrator)의 전체 투영 표면을 이용하여 사용 영역이 최대가 되는 태양열 수광기(일부 형상에서는 평탄하고, 다른 형상에서는 평탄하지 않음)를 제안한다. 더욱이, 그것의 구조는 이제까지 통상적으로 사용되었던 튜브 다발의 해법보다 안전하고 더욱 강력한 것인데, 왜냐하면 상이한 구성 요소들의 접합된 조인트들로부터 발생되는 현존하는 문제점들이 회피되기 때문이다.
스털링 엔진들에 연계된 태양광 수광기의 다양한 형상들이 현재 기술에 알려져 있다. 영국 특허 GB 2296047 A1 은 구조체가 그 위에 조립되는 크랭크샤프트를 가진 스털링 엔진을 개시하며, 작동 유체가 유동하는 고온과 저온의 작동 챔버들을 형성하는 일련의 유연성 다이아프램들이 그에 연계된다. 캐나다 특허 CN 201433829 Y 는 U 형상 채널들을 가진 태양광 장치의 스털링 엔진을 위한 열 공동 흡수기를 개시한다. 그러나, 본 발명에 의해 개시된 특정의 특징들을 가진 장치가 개시되어 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결한 개선된 태양광 복사 수광기를 제공하려는 것이다.
개시된 발명은 태양광 복사 수광기를 개시하는데, 이것은 유입 집적부 및 유출 집적부와, 유입 집적부로부터 유출 집적부로 연장되는 일련의 도관들을 가지며, 상기 도관들을 통하여 태양광 복사의 수광시에 가열된 작동 유체가 유동한다. 수광기는: (a) 태양광 복사가 가격되는 상부층; (b) 상부층 아래에 위치되고, 작동 유체가 유동하는 도관들이 배치되는, 적어도 하나의 중간층; 및, (c) 적어도 하나의 중간층 아래에 위치되고, 작동 유체를 위한 유입 집적부 및 유출 집적부들이 결합되는 하부층;을 포함한다. 장치 구조는 상부층, 적어도 하나의 중간층 및, 하부층이 하나의 단일 부재를 구성하는 방식으로 수행된다.
작동 유체가 유동하는 도관들은 삼각형 단면, 만곡된 단부들을 가진 사각형 단면, 타원형, 정다각형, 원형, 또는 상기 언급된 기하 형상들중 2 개의 조합을 가진다.
수광기에 하나 이상의 중간층이 있을 때, 이들 중간층들 각각은 그것의 내부에 작동 유체가 유동하는 도관이 제공된다.
중간층(들) 안에 위치된 도관들은 미로와 같이 배치되어, 수광기의 중간층(들)의 전체 이용 표면을 망라(網羅)한다.
수광기가 만들어진 상기 부재는 600℃ 를 넘는 고온을 견딜 수 있는 합금이며, 스틸, 스테인레스 스틸, 또는 Inconel (등록 상표) 또는 Hostelloy (등록 상표)와 같은 합금들이다.
수광기는 상이한 기하 형상을 따라서 형상화될 수 있어서, 원형, 또는 원형의 부채꼴, 중공형 절반의 원추, 중공형 절반의 반구 또는 절반으로 절단된 중공형 다면체와 같은 기하 형상들중 일부를 나타낸다.
본 발명은 도면들과 함께 상세한 설명의 내용으로부터 용이하게 이해될 것이며, 여기에서 참조 번호들은 본 발명을 형성하는 상이한 요소들을 나타내도록 이용된다.
도 1 은 포물형 접시를 가진 태양열 장치에 적용 가능한 외부 연소 열엔진의 개략적인 도면이다.
도 2 는 부분적으로 단면으로 도시된, 평탄한 형상의 수광기에 대한 사시도로서, 작동 유체가 유동하는 도관들이 도시되어 있다.
도 3 은 도관들의 상이한 형상들이 도시된 수광기 단면의 상세도이다.
도 4 는 평탄한 수광기 형상에 대한 다른 대안의 형상들을 도시하며, 도 4a 에서 절반의 원추 형상 수광기를 도시하거나, 도 4b 에서 반구형 형상을 도시하거나, 또는 도 4c 에서 12 면체와 같이 절반으로 절단된 정다면체의 형상을 도시한다.
이미 언급된 바와 같이, 그리고 도 1 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 외부 연소 엔진을 이용하는 태양열 파라볼릭 접시(heliothermic parabolic dish)에서 적용될 수 있는 태양광 수광기(solar receiver)로 이루어진다. 스털링 엔진(3) 또는 그와 유사한 것이 파라볼라 접시(미도시)의 초점에 위치한다; 열 엔진(3)은 일련의 채널들을 가진 태양광 복사(1) 수광기(2)를 가지고, 상기 채널들을 통하여 작동 유체(통상적으로 H2)가 유동하고, 또한 열 엔진은 냉각기-재생기(cooler-regenerator)를 가진다. 이들 모든 요소들은 종래 기술의 문헌들이 개시하는 바와 같이 엔진의 베이스에 걸쳐 조립되고, 따라서 도 1 에 도시되지 않았다. 항상 열 엔진(3)의 각각의 실린더 구성은 냉각기, 재생기 및 그에 연결된 수광기(2)를 가진다; 이러한 경우에, 이후에 설명되는 바와 같이 다른 구성들이 가능할지라도, 수광기(2)는 디스크 또는 원형의 형상을 가진 "평탄한" 형상을 가진다.
열 엔진(3)에서 유동하는 작동 유체는 열 엔진(3)의 사이클이 완료되었을 때 태양광 수광기(2)에 도달한다; 이러한 방식으로, 태양광 복사(1)의 수광시에 수광기(2)에서 발생되는 열 전달 프로세스에 기인하여, 작동 유체는 그것의 엔탈피(enthalpy)를 증가시키며, 다음에 그것이 유동하는 스털링 열 엔진(3)으로 향한다. 작동 유체는 열 엔진(3)에서 팽창하여, 크랭크샤프트 또는 그와 유사한 것(미도시)에 움직임을 제공하는데, 이는 교류 발전기(4)를 작동시켜서 전기 에너지를 생성한다. 따라서, 수광기(2)의 목적은 작동 유체의 엔탈피를 증가시키는 것이며, 작동 유체는 주기적으로 열 엔진(3)에서 유동하여 교류 발전기(4)를 통해 전기를 발전한다.
수광기(2)는 그것이 파라볼릭 접시(미도시)의 초점에 위치하고, 포물면(paraboloid)을 향한다면, 포물면의 내측 표면상의 반사에 의해 태양광 복사(1)를 수광한다. 따라서, 파라볼릭 접사에 도달하는 태양광 복사(1)는 그것의 초점에 집중되며, 수광기(2)를 균일하게 가열한다. 대안으로서, 조사는 프레즈넬(Fresnel) 유형 또는 그와 유사한 것과 같은 집중 렌즈를 통하여 수광기에 도달할 수 있다.
도 2 는 수광기(2)를 나타내는데, 4 분면중 하나가 단면으로 도시되어 있다. 상기 단면은 다시 평면(AA)을 따라서 절단되어 도관(8)을 도시하며, 수광기(2)에서 가열된 작동 유체가 상기 도관들을 통해 유동하며, 다음에 상기 유체는 스털링 엔진(3) 또는 그와 유사한 것 안으로 유동한다. 수광기(2)에는 일련의 집적부(collector, 9)들이 제공되어 집적부를 통하여 작동 유체가 진입하고 그로부터 배출된다. 처음에, 스털링 엔진(3)으로부터 오는 작동 유체는 유입 집적부(9)들중 하나에 도달하고, 수광기(2)의 도관(8)들을 통해 유동하여 수광기(2)를 가격하는 입사 태양광 복사(1)에 기인하여 가열된다. 일단 도관(8)에 의해 설정된 경로를 포함하였다면, 작동 유체는 수광기(2)를 떠나서 스털링 엔진(3)으로 가는데, 유출 집적부(9)를 통하여 상기 작동 유체가 엔진(3)으로 유동한다.
수광기(2)는 도 2 에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 그리고 보다 상세하게는 도 3 에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 그것의 구조를 3 개 층 또는 단층으로 가상의 구분을 할 수 있을지라도, 단일 부재로 만들어진 요소이다. 제 1 상부층(5)은 그것의 외부 부분이 태양광 복사(1)를 수광하며, 왜냐하면 외부 부분이 수광기(2)의 표면이기 때문이다. 상기 상부층(5)은 "d"의 두께를 가진다. 비록 다른 실시예들에서 하나 이상의 중간층(6)들을 포함할 수 있을지라도, 제 1 상부층(5) 아래에 적어도 하나의 중간 층(6)이 있으며, 이것은 두께가 "e" 이다. 그 어떤 경우에도, 중간 층(6)들 각각에는 도관(8)들이 제공되며, 도관을 통하여 작동 유체가 스털링 엔진(3)을 향하여 유동한다. 본 발명을 보다 명확하게 하기 위하여, 도 2 및 도 3 에는 오직 단일의 중간 층(6)이 도시되어 있다. 마지막으로 하부 층(7)은 두께가 "T" 이고, 이것은 중간 층(6) 아래에 배치되어 있다.
개략적으로, 열 전달 과정은 다음과 같다: 태양광 복사(1)가 수광기(2) 표면을 가격하면, 상부층(5)을 따라서 전도에 의해 열이 전달된다. 다음에, 상기 전도에 의한 전달은 수광기(2)의 요소들중 나머지에 전달되는데: 기존의 중간층(6)을 따라서, 하부층(7)으로, 그리고 도관(8)을 향하여 이루어진다. 따라서, 도관(8)들 안으로 유동하는 작동 유체는 열전달에 기인하여 엔탈피가 증가되는데, 열전달은 이제 대류에 의해서 수용되고, 또한 복사에 의하여 작은 정도로 수용된다. 중간층(6)을 따른 도관(8)들의 형상은 미로형이어서, 수광기(2)의 사용 표면에 대하여 경로를 증가시킴으로써 열 전달을 최적화시킨다. 따라서, 대부분의 열전달은 모든 층(5,6,7)들로부터 도관(8)들을 통해 유동하는 유체를 향하여 발생된다. 그렇다할지라도, 열의 일부는 여전히 하부 층(7) 영역을 향하여 전달된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 수광기(2)의 전체 표면을 따른 대기로의 복사 및 대류에 의한 다른 열전달 현상도 발생되는데, 그러한 과정들은 상이한 층(5,6,7)들로부터 도관(8)을 통해 유동하는 유체로의 열 전달보다 덜 현저한 것으로 간주될 수 있을지라도 발생된다.
도 2 및 도 3 은 도관(8)들의 기하 형상의 가능한 실시예들을 도시한다 (도 3 은 도 2 보다 더 상세하게 도시되어 있다). 설명을 단순화시킬 목적으로, 도관(8)들 단면의 5 개 실시예들이 도 3 에 도시되어 있으며, 이들 형상들은 삼각형 A; 만곡된 단부들을 가진 사각형 B; 타원형 C; 정다각형 D; 및 원형 C 이다. 단면 A 는 삼각형으로서 (통상적으로 2 등변 삼각형), 밑변(t) 및 정점(v)으로 수렴하는 측변(l)을 가지고, 정점은 하부층(7)을 향한다. 단면 B 은 사각 형상으로서, 반경 "c" 의 반원으로 되어 있는 상단부 및 저단부를 가질지라도 중간층(6)의 두께와 같은 측변 "e"을 가진다. 단면 C 는 타원형으로서 장축의 절반은 "a" 이고 단축의 절반은 "b" 이다. 단면 D 는 측변이 "m" 인 정다각형이며, 도 3 의 경우에는 8 각형이 도시되어 있다. 단면 E 는 반경 "r" 을 가진 원이다. 경험에 따르면 이들 도관(8)들의 기하 형상은 레이놀즈 수, 속도, 압력 및 온도와 같은 작동 유체의 다양한 물리적 파라미터들에 따라서 가장 적절한 것이다.
도 2 및 도 3 에 도시된 5 개의 형상(A,B,C,D 또는 E) 또는 그것의 조합들중 오직 일부만이 제공되어 있다:예를 들어, 절반은 다각형이고 절반은 원형인 도관, 또는 형상(A,B,C,D 또는 E)에 기초한 다른 가능한 조합들이 제공될 수 있다. 도 3 은 가능한 대안을 나타내도록 동일한 수광기에 걸친 모든 초기 형상들을 나타내지만, 주어진 수광기(2)에 대하여, 도관(8)들의 기하 형상은 도시된 A 내지 E 의 선택들중 하나일 뿐이다 (또는 그것의 조합이다).
실험적으로는 추가적인 층 제조 방법에 의해 수광기(2)를 제조하는 것이 가장 좋은 선택이라는 점이 증명되었다. 그러한 방식으로 상부 층(5), 중간 층(6)(들) 및 하부 층(7)이 단일 부재로 제조된다; 상기 부재가 바람직스럽게는, 600℃ 보다 높은 고온을 견딜 수 있는 합금으로 만들어진다. 실험적으로는 이러한 열 부하를 견딜 수 있는 적절한 재료들이 스틸, 스테인레스 스틸 또는 Inconel (등록 상표) 또는 Hastelloy (등록 상표)와 같은 합금들이라는 점이 밝혀졌다.
태영광 수광기(2)의 상이한 실시예들을 제공할 수 있으며, 때로는 이전에 설명된 디스크 기하 형상을 유지하거나, 또는 이후에 설명되는 것과 같은 다른 기하 형상을 가진 실시예를 제공할 수 있다. 만약 디스크 기하 형상이 사용된다면, 완전한 원이나, 또는 원의 부채꼴, 또는 원의 부채꼴의 1/4, 원의 부채꼴의 1/8, 또는 다른 약수(submultiple)들과 같은 것으로 태양광 수광기(2)를 형상화할 수 있다. 따라서, 도 2 에서 알 수 있는 태양광 수광부(2)는 전체적으로 스털링 엔진(3)을 위하여 타당할 수 있거나, 또는 상기 도 2 의 분할된 원의 사분면이 상기 스털링 엔진(3)의 실린더를 공급하도록 이용될 수 있다. 그 어떤 경우에도, 당업자가 이해하는 바로서, 선택된 실시예는 여기에 설명된 구성 또는 본 발명의 본질에 영향을 미치지 않는다.
도 4 는 도 2 에 도시된 접시와 상이한 기하 형상을 가진 수광기(2)의 다른 가능한 실시예를 도시한다. 따라서, 도 4a 는 중공형 절반 원추의 형상을 가진 수광기를 도시하며, 태양광 복사(1)는 절반의 원추 내부를 가격하고, 상기 복사(1)는 절반의 원추 표면을 따라서 반사된다. 절반의 원추의 벽들 내부에는 도 2 의 수광기에 대하여 설명된 도관(8)들의 구조가 반복되는데, 이것은 도 4 에서 명확성을 위하여 도시되지 않았다. 다른 기하학적 형상들도 가능한데, 도 4b 에 도시된 바와 같이 중공형 반구와 같은 것이 가능하며, 태양광 복사(1)는 반구의 내측 표면을 가격하고, 그것을 가열하며, 이후에 내부 도관(미도시) 안에서 유동하는 작동 유체를 가열한다. 도 4c 는 수광기(2)의 마지막 실시예를 도시하며, 이것은 중공형 정다면체의 형상으로서, 예를 들어 8 면체, 12 면체, 20 면체, 또른 다른 다면체와 같은 것이다. 이전의 경우와 유사하게, 태양광 복사(1)는 다면체의 내측 벽을 가격하여, 연속적인 반사 과정들을 지속하고 다면체의 내측 표면을 가열한다. 가열되었을 때, 상기 벽들은 그 안에서 유동하는 유체에 대하여 이미 설명된 대응 도관들(도 4 에 도시되지 않음) 안에서 열 전달을 수행한다.
당해 기술 분야의 당업자는 본 발명의 범위 및 그것에서 유도된 장점을 이해할 것이다. 본 발명을 설명하도록 사용된 용어들은 넓은 범위로 해석되어야 하며 제한적인 의미로 해석되어서는 아니되고, 본 발명의 주된 특징들은 다음의 청구 범위에서 설명된다.
1. 태양광 복사(직접 또는 반사) 2. 수광기
3. 포물형 접시에 결합된 열 엔진 4. 교류 발전기
5. 상부층 6. 중간층
7. 하부층 8. 도관
9. 작동 유체의 유입 및 유출 집적부
a. 타원의 절반인 단축 b. 타원의 절반의 장축
c. 반경 d. 상부층의 두께
e. 중간층의 두께 f. 하부층의 두께
m. 다각형의 변 r. 원의 반경
t. 도관의 밑변 l. 도관의 측변
v. 도관의 정점

Claims (9)

  1. 유입 집적부 및 유출 집적부(9), 유입 집적부로부터 유출 집적부로 연장되고 작동 유체가 그것을 통하여 유동하는 일련의 도관(8)들을 가지는 태양광 복사(1) 수광기(2)로서, 상기 작동 유체는 태양광 복사(1)를 수광할 때 가열되고, 수광기(2)는:
    태양광 복사(1)에 의해 가격되는 상부층(5);
    상부층(5) 아래에 위치된 적어도 하나의 중간층(6)으로서, 작동 유체들이 유동하는 도관(8)들이 배치되는, 중간층(6);
    적어도 하나의 중간층(6) 아래에 위치된 하부층(7)으로서, 작동 유체를 위한 유입 집적부 및 유출 집적부(9)가 결합되는, 하부층(7);을 포함하고,
    상부층(5), 적어도 하나의 중간층(6) 및 하부층(7)은 단일 부재를 구성하는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    작동 유체가 유동하는 도관(8)들은 삼각형, 또는 만곡된 단부들을 가진 사각형, 또는 타원형, 또는 정다각형, 또는 원형 또는 상기 기하형상의 2 개 이상의 조합들일 수 있는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  3. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 중간층(6)이 있는 경우에, 상기 중간층(6)들 각각은 그 내부에 도관(8)들이 제공되고, 도관들을 통하여 작동 유체가 유동하는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  4. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    증간층(들)(6) 안에 위치된 도관(8)들은 미로와 같이 배치되어, 미로는 수광기(2)의 중간층(들)(6)의 전체 사용 표면을 망라(網羅)하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    수광기(2)가 만들어지는 상기 부재는 강철, 스테인레스 스틸, 또는 합금 Inconel® 또는 Hastelloy ® 유형과 같이 600℃ 를 넘는 고온을 견디는 합금인, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    수광기(2)는 원형 또는 원형의 부채꼴 기하 형상으로 형상화되는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    수광기(2)는 중공형 절반 원추의 기하 형상으로 형상화되는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  8. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    수광기(2)는 중공형 반구(hollow hemisphere)의 기하 형상으로 형상화되는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
  9. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    수광기(2)는 절반의 중공형 다면체의 기하 형상으로 형상화되는 것을 특징으로 하는, 태양광 복사(1) 수광기(2).
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