KR20150021939A - 홈통형 컬렉터를 위한 흡열기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동 동안 길이에 걸쳐 집중된 복사광에 노출되고 흡열기 장치를 통해 열전달 유체를 이송하기 위한 수단을 가지는 홈통형 컬렉터를 위한 기다란 흡열기 장치에 관한 것이다. 상기 흡열기 장치는 집중된 복사광을 위한 하나 이상의 유체-없는 흡열기 공간을 가지며, 상기 흡열기 공간은 내부에 입사되는 열을 흡수하기 위해 벽과 내부로 이어지는 열 개구를 가진다. 유체를 이송하기 위한 수단은 유체가 흐르는 열교환기 장치에 의해 서로 작동 가능하게 연결된 배출 장치 및 공급 장치를 가지며, 상기 열교환기 장치는 흡열기 장치의 길이를 따라 연장되고, 흡열기 장치의 길이에 대한 횡단 흐름으로서 유체가 관통하여 흐를 수 있도록 구성되며, 하나 이상의 흡열기 공간에 열적으로 연결되어, 유체가 작동 동안 횡단 흐름에서 입구 온도로부터 작동 온도까지 가열되어 상기 온도에서 배출 장치에 도달된다.

Description

홈통형 컬렉터를 위한 흡열기 장치{ABSORBER ARRANGEMENT FOR A TROUGH COLLECTOR}

본 발명은 청구항 제1항에 따른 홈통형 컬렉터 설비를 위한 흡열기 장치에 관한 것이다. 이러한 타입의 홈통형 컬렉터는 태양광 발전 설비에 사용된다.

최근까지, 해결하지 못한 광발전(photovoltaics)의 단점으로 인해, 이러한 기술을 사용하여 비용-효율적인 방식으로 태양열 전기(solar electricity)를 생성하는 것이 가능하지 않았다. 그와 반대로, 일정 기간 동안, 태양광 발전 설비는 광발전 공법(photovoltaic method)에 비해, 통상적인 방식으로 생성되는 전력에 대해 이제 일반적인 상업적 비용에 가까운 비용으로 산업용으로도 전력을 생성하여 왔다.

태양열 발전(solar thermal power plant)에서, 태양의 복사광은 컬렉터를 통해 집광기를 사용하여 반사되고 특정 위치에 표적에 집중되어(concentrated) 그 결과 높은 온도가 구현된다. 집중된 열은 전도될 수 있으며 열엔진(thermal engine), 가령, 터빈을 작동시켜 이 터빈은 전기를 생성하는 발전기를 구동시키도록 사용될 수 있다.

이러한 태양열 발전의 3개의 기본 형태가 현재 사용되는데, 디쉬/스털링 시스템(dish/Sterling system), 솔라 타워 설비 시스템(solar tower plant system) 및 타원형의 홈통형 시스템(parabolic trough system)이다.

디쉬/스털링 시스템은 모듈당 최대 50 kW 범위에 있는 소형 유닛 용도로서 일반적으로 잘 사용되지 않는다.

솔라 타워 설비 시스템은 수백 내지 수천 개의 거울에 의해 반사되는 태양광을 위해 높게 장착된(타워에 장착된) 중앙 흡열기를 가지는데, 태양의 복사에너지는 다수의 거울 또는 집광기에 의해 흡열기 내에서 점 형태로 모여서 따라서 매우 집중될 수 있으며, 하류에 있는 열엔진(일반적으로 발전용 증기 또는 유체 터진 발전 설비)의 효율성을 위해 바람직한 최대 1300℃의 온도에 도달될 수 있다. 여기서, 솔라 타워 설비는 상대적으로 널리 사용되지 않는데, 그 이유는 이 기술이 구현하기에 상대적으로 난해하기 때문이다.

하지만, 타원형의 홈통형 시스템은 횡단 방향으로 작은 수치를 가진, 따라서, 촛점(focal point)이 아니라 촛점선(focal line)을 가지며 디자인이 디쉬/스털링 시스템 및 솔라 타워 설비와는 기본적으로 상이한 기다란 집광기를 가진다. 오늘날, 이러한 선형 집광기(linear concentrator)는 20 m 내지 150 m 사이의 길이를 가지며 그 폭은 5 m 또는 10 m 및 그 이상까지 도달할 수 있다. 집중된 열(최대 거의 500℃)을 위한 흡열기 라인(absorber line)이 촛점선에 배열되는데, 열을 흡수하고 이 열을 라인을 통해 발전 설비의 기계실(machine hall)에 이송하는(transport) 매체(medium)이 흡열기 라인을 통해 흐른다. 유체, 가령, 예를 들어, 이러한 열전달 매체를 위해 열유(thermal oil) 또는 과열 증기(superheated steam)이 가능하다.

남부 캘리포니아에 위치한 9개의 SEGS 타원형의 홈통형 설비는 대략 350 MW의 출력을 생성한다. 2007년 메인(main)에 연결된 발전 설비 "네바다 솔라 원(Nevada Solar One)"은 150 헥타르의 면적에 배열된 182,400개의 곡선 거울을 가진 홈통형 컬렉터를 가지는데, 이 발전 설비는 65 MW를 생성한다. 설비 안다솔(Andasol) 1 내지 3은 최대 출력 50 MW(안다솔 3은 2011년 후반기에 작동이 시작되었음)을 가진다. 전체적인 설비에 대해서는, 대략 20%의 피크 효율 및 약 15%의 연평균효율이 구현된다.

자연히, 열전달 매체 내의 온도를 가능한 최대한으로 증가시키는 것도 가능하며, 고온의 열전달 매체를 사용하여 설비 내에서 열을 전기로 변환시키는 효율성, 예를 들어, 높은 효율성이 구현될 수 있다. 태양광 설비가 산업용 생산을 위해 열을 전달하는 경우에, 가능한 고온이 바람직하다.

발전 설비의 효율성을 위해, 열전달 매체가 순환되는 라인을 통해 열이 복사되거나 배출되는 열(열 손실)도 고려해야 된다. 이는 100 W/m에 이르고 라인 길이는 약 최대 100 km일 수 있으며, 라인에 걸친 열 손실은 열 손실의 흡열기 파이프 부분을 포함하여 발전 설비의 전체 효율에 있어서 상당히 중요하다. 위에서 언급한 내용으로부터, 이러한 태양광 설비에서 홈통형 컬렉터의 전체 길이 및 이에 따른 흡열기 파이프의 길이는 수십 km에 달할 수 있으며, 따라서 열 손실은 발전 설비의 전체 효율성에 있어서 무시할 수 없다.

이에 따라, 흡열기 라인은 이러한 에너지 손실을 줄이기 위해 상당히 복잡하게 제작된다. 따라서, 광범위하게 퍼져 있는 종래의 흡열기 라인은 유리(glass)에 의해 둘러싸인 금속 파이프로서 구성되며, 금속 파이프와 유리 사이에는 진공(vacuum)이 형성된다. 금속 파이프는 내부에서 열전달 매체를 이송하며 입사광(incident light)을 가시 범위에서 더 잘 흡수하지만 적외선 범위에서 파장에 대해 큰 배출속도(emission rate)를 가지는 코팅(coating)을 가진 외측 표면 위에 제공된다. 둘러싸인 유리 파이프는 금속 파이프가 바람에 의해 냉각되는 것을 방지하며 열 복사(heat radiation)에 대한 추가적인 배리어(barrier)로서 작용한다. 둘러싸는 유리 벽은 집중된 태양 복사광을 부분적으로 반사하거나 또는 심지어 흡수하는 단점을 가지는데, 이는 반사광을 줄이는 층(layer)이 유리에 제공되는 것을 의미한다.

이러한 흡열기 라인에 대한 값비싼 세척 비용을 줄일 뿐만 아니라 유리가 기계적으로 파손되는 것으로부터 보호하기 위하여, 흡열기 라인에는 흡열기 라인을 둘러싸는 기계적인 보호 파이프가 추가로 제공될 수 있는데, 그럼에도 불구하고 이 기계적인 보호 파이프에는 입사 태양 복사광에 대한 개구(opening)가 공급되어야 하며, 그 외의 경우 흡열기 라인을 매우 안정적으로 보호해야 한다.

이러한 디자인은 제작 및 유지 측면에 있어서 매우 복잡하고 상대적으로 값비싸다.

WO 2010/078,668호(본 특허출원에서 참조문헌으로서 인용됨)에, 향상된 효율을 가진 외부-단열 흡열기 파이프가 기술되는데, 상기 흡열기 파이프의 기다란 열 개구(thermal opening)는 홈통형 집광기 내에서 사용하도록 제공되며 열 손실에 대해 최적화되고 슬롯 개구(slot opening)으로서 형성되며, 상기 열 개구는 흡열기 파이프를 통해 세로 방향으로(longitudinally) 흐르는 열전달 매체의 세로 방향으로 증가하는 온도에 따라 흡열기 파이프의 길이에 걸쳐 작게 형성된다. 열 복사가 온도의 4제곱(fourth power)에 비례하여 증가되기 때문에, 흡열기 파이프의 전체 에너지 손실의 피할 수 없는 부분(overwhelming part)이 방지되며, 그럼에도 불구하고, 열 개구를 더 작게 형성하기 위해 복잡한 구성이 흡열기 파이프의 상대적으로 작은 영역에서만 수행된다.

본 발명의 목적은 열 손실이 작고 저렴하게 연속적으로 제작될 수 있으며 높은 작동 온도의 열-흡수 매체에 적절한 흡열기 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 제1항의 특징에 따른 흡열기 장치에 의해 구현된다.

횡단 흐름(transverse flow)에서 열전달 유체가 관통하여 흐를 수 있도록(throughflow) 구성된 열교환기 장치에는, 열교환기로부터 하나 이상의 흡열기 공간(absorber space)를 분리하도록 흡열기 공간(absorber space)이 구성될 수 있는 수단이 제공되며, 상기 유체 흐름을 통해, 심지어 500℃ 이상의 고온, 예를 들어, 최대 650℃ 또는 그 이상의 온도에서도, 열 개구를 통과하는 열 복사는 상대적으로 덜 떨어지며, 그 결과, 열교환기 장치의 효율이 전체적으로 개선된다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 밑에서 보다 상세하게 설명된다.

도면에서:
도 1은 종래 타입의 흡열기 파이프를 가진 홈통형 컬렉터를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 흡열기 장치의 제1 실시예의 한 섹션을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 흡열기 장치의 제2 실시예의 한 섹션을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 흡열기 장치의 제3 실시예의 한 섹션을 도시한 도면,
도 5는 열교환기 장치의 한 부분에 의해 형성된 흡열기 공간을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 흡열기 장치를 가진 홈통형 컬렉터의 횡단면도로서, 2개 이상의 서로 평행하고 인접하게 배열되고 세로 방향으로 형성된 흡열기 공간을 가지며,
도 7은 도 6의 흡열기 장치를 절단하여 도시한 횡단면도이다.

도 1은 횡단면이 포물선 형태로 굽어지며 입사 태양광(3)을 반사하는 집광기(2)가 있는 종래 타입의 홈통형 컬렉터(1)로서, 반사광(4)은 흡열기 파이프(5)가 배열된 촛점선 영역 내에 집중된다(concentrated). 공급 라인(6)을 통해, 흡열기 파이프(5)에는 파이프를 통해 흐르는 열전달 매체가 공급되는데, 입구 온도(T_E)로부터 출구 온도(T_A)까지 가열되고 마지막으로 배출구(7)에 의해 전달된다.

개략적으로 예시된 링크(8)로 인해, 집광기(2)가 피벗축(10) 주위로 피벗회전될 수 있으며, 이에 따라 집광기(2)는 태양의 현재 위치를 일정하게 추적하도록 구성될 수 있다. 라인(6, 7)과 집광기(2)용 베어링(11)도 개략적으로 예시되어 있다.

그래프(D)에서, 열전달 매체의 온도(T)의 프로파일은 흡열기 파이프(5)의 길이(L)에 걸쳐 곡선(15)으로 정성적으로(qualitatively) 예시된다. 반사된 광(4)에 의해 길이(L)에 걸쳐 흡열기 파이프(5)에 균일하게 공급된 열(그리고, 따라서, 흡열기 파이프를 통해 세로 방향으로 흐르는 유체)에 따라 온도 곡선(15)은 실질적으로 선형이다.

흡열기 파이프(5)는 도면에서는 예시되지 않는 열 개구(thermal opening)를 가지는데, 이 열 개구를 통해 광은 흡열기 파이프(5)의 내부를 통과하고 열전달 유체를 가열시킨다. 이러한 타입의 장치는 당업자에게 위에서 언급한 WO 2010/078668호에 공지되어 있다. 반사광(4)에 의해 가열된 흡열기 파이프(5)의 내부(가열된 열전달 유체를 포함)는 적외선 범위 내에서 열을 복사하는데(radiate), 이 열 후방 복사(back radiation) 또는 재배출(reemission)은 열 개구를 통해 흡열기 파이프로부터 배출된다. 이러한 후방 복사 또는 재배출은 흡열기 파이프(5)의 내부에서 퍼지는 온도의 4제곱(fourth power)에 비례하여 증가된다. 곡선(16)은 흡열기 파이프(5)의 열 개구를 통과하는 복사 강도(radiation intensity)의 프로파일을 정성적으로 보여준다. 달리 말하면, 이는 흡열기 파이프가 내부 온도의 4제곱을 가진 에너지를 연속적으로 손실하는 경우로서, 이에 따라 기본적으로 출구 온도(T_A)를 500℃ 내지 예를 들어 650℃까지 또는 그 이상으로 증가시키는 것을 바라는 것은 문제가 있는데, 그 이유는 후방 복사 또는 재배출이 반사광(4)에 의해 방사(irradiation)와 같이 흡열기 파이프(5)의 특정 길이 후에와 같이 높아서, 유체 내의 추가적인 온도 증가는 발생되지 않기 때문이다.

도 2는 홈통형 컬렉터(1)(도 1) 내의 흡열기 파이프(5) 대신 사용될 수 있는 본 발명에 따른 흡열기 장치(20)의 개략적인 도면이다. 도면에는, 길이를 따라 임의의 원하는 지점에서 흡열기 장치(20)를 통해 횡단면으로부터 시작하여 상기 횡단면 뒤의 섹션 라인(22)에 있는 세로 섹션(21)의 한 부분까지, 흡열기 장치(20)의 오직 세로 섹션(21) 만이 도시되는데, 흡열기 장치(20)는 섹션 라인(22) 뒤의 각각의 홈통형 컬렉터의 단부에까지 지속된다(continued). 이 지점에서, 본 발명에 따르면, 길이가 100 m 이상, 바람직하게는 150 m 이상, 보다 바람직하게는 최대 200 m 또는 그 이상의 흡열기 장치가 제공될 수 있는데, 이에 따라 기다란 홈통형 컬렉터가 구현될 수 있으며 태양광 발전설비에서 홈통형 컬렉터의 산업적 개발에도 이득이 된다.

파이프라인(23, 24)으로서 구성된 공급 장치와 파이프라인(25)으로서 구성된 배출 장치를 포함하는 열전달 유체를 이송하기 위한 수단이 도시되는데, 상기 수단은 흡열기 장치(20)의 길이(L)를 따라 연장되며 파이프라인(26)으로서 구성된 라인들에 의해 서로 작동 가능하게 연결된다(operatively connected). 파이프라인(26)은 두 열(row)(27 및 28)에서 서로 옆으로 배열되며 열교환기 장치(29)를 형성한다. 열(28)은 서로 인접한 파이프라인(26)의 윤곽(contour)으로 표시되고, 열(27)은 예시된 도면에서는 가려져 있다(covered).

열교환기 장치(29)의 파이프라인(26)의 열(27, 28) 사이에는 집중 즉 반사 복사광(4)을 위한 흡열기 공간(30)이 배열되며, 상기 공간의 열 개구(35)를 통해 반사광(4)이 떨어진다(fall). 흡열기 공간(30)의 벽(36)들은 광(4)에 의한 입사열(heat incident)의 열을 흡수하며 이 열을 열교환기 장치(29)의 파이프라인(26)으로 통과시키는데, 반사광들은 예를 들어, 도면에 예시된 것과 같이, 벽(36)들과의 직접적인 접촉에 의해 상기 열교환기 장치에 열적으로 연결되며(thermally connected).

작동 동안, 열전달 유체는 공급 장치의 파이프라인(23, 24)의 입구 섹션(38)에 의해 입구 온도(T_E)로 길이(L)에 걸쳐 열교환기 장치(29)의 파이프라인(26)에 공급되는데, 유체는 파이프라인(26)에서 출구 온도(T_A)로 가열되며 이 온도에서 흡열기 장치의 길이(L)에 걸쳐 출구 섹션(39)으로부터 배출 장치의 파이프라인(25)으로 통과된다.

달리 말하면,

- 본 발명의 한 실시예에서, 공급 장치와 배출 장치는 공급 파이프(23, 24)와 배출 파이프(25)를 가지는데, 파이프(23, 24, 25)는 서로에 대해 평행하게 배열되고 하나 이상의 흡열기 공간(30)이 파이프(23, 24, 25) 사이에 배열되며 파이프(23, 24, 25)의 길이에 걸쳐 연장된다.

- 본 발명의 한 실시예에서, 공급 장치는 길이에 걸쳐 열교환기에 공급되고 가열되어야 하는 유체를 위한 공급 라인(23, 24)을 가지고, 상기 공급 라인은 흡열기 장치의 길이에 걸쳐 연장되며, 공급 라인(23, 24)은 가열된 유체의 공급을 위해 개구에까지 길이에 걸쳐 단열되는(thermally insulated) 것이 바람직하다. 이는 입구 온도(T_E)가 주변 온도(ambient temperature) 이상인 것이 바람직할 것이다.

- 본 발명의 한 실시예에서, 배출 장치는 열교환기 장치(29)로부터 길이에 걸쳐 흡열기 장치에 공급된 가열 유체를 위해 흡열기 장치의 길이에 걸쳐 연장되는 컬렉팅 라인(25)을 가지는데, 컬렉팅 라인(25)은 가열된 유체의 공급을 위해 개구에까지 길이에 걸쳐 단열된다.

그 뒤, 열전달 유체가 이전과 같이 흡열기 장치를 통해 세로 방향으로 흐르지만(flow longitudinally), 입구 온도(T_E)와 출구 온도(T_A)를 가진 2개의 개별 흐름으로 나뉘는데, 도면에서는 흐름 화살표로 표시된다. 게다가, 열전달 유체는 열을 흡수하는 동안 흡열기 장치의 길이에 대해 교차 방향으로(crosswise direction) 이동된다.

하지만, 열교환기 장치에서, 유체는 길이(L)에 대해 횡단 방향으로(transversely) 흐르며, 그 결과, 배출 장치의 라인(25)에서 흡열기 장치(20)의 전체 길이(L)에 걸쳐 출구 온도(T_A)를 가진 유체가 존재한다(present). 상기 횡단 흐름(transverse flow) 원리에 의해 하기 이점들이 제공된다:

당업자에게 형태에 있어서, 흡열기 공간(30)은 주어진 집광기(2)(도 1)를 위해 원칙적으로는, 흡열기 공간(30)의 입구 영역이 광(4)에 의해 조명되도록 배열될 수 있다. 열 개구(35)에 가까이 위치된 입구 영역에서, 유체는 입구 온도(T_E)에 가까운 또 다른 낮은 온도를 가지는데, 그 결과 입구 영역은 강력하게 냉각되며(strongly cooled), 따라서 열 반사/재배출도 그에 상응하게 낮다. 재배출 측면에 있어서, 열 개구(35)는 입구 영역을 향할 수밖에 없으며(overwhelmingly see) 하지만 입구 영역의 맞은편에 있는 흡열기 공간(30)의 벽(가장 멀리 있는, 최후방)과 이에 대한 부분은 출구 온도(T_A)까지 가열된다. 도면에 예시된 흡열기 공간들은 이런 점에서 이점을 제공하도록 구성된다. 이 위치에서, 본 발명에 따른 모든 실시예들에서, 예를 들어 열 반사/재배출을 줄이기 위하여 유리 커버(glass cover)에 의해 열 개구를 덮는(cover) 것이 바람직하다.

다른 한편으로, 흡열기 공간의 형태(여기서는, 원칙적으로, 높이 또는 광(4) 방향에서 볼 수 있는 것과 같이, 깊이)를 형성함으로써(shaping) 당업자는 열교환 표면(heat-exchanging surface)을 확대할(enlarge) 수 있다. 예를 들어, 열교환기 장치의 파이프라인(26)의 전체 내측 표면은 열교환 표면으로서 사용된다. 광(4)에 의해 파이프라인(26)의 오직 한 면(side)만이 복사되지만(irradiated), 파이프라인(26)은 열전도에 의해 파이프라인(26) 재료(예를 들어, 우수한 열전도 재료, 가령, 구리 또는 그보다 높은 온도에서도 우수하게 열을 전도하는 적절한 합금)의 모두에 실질적으로 균일하게 가열되어, 이에 따라 열교환 표면도 이에 상응하게 커진다. 열전달 유체에 열을 효과적으로 전달하기 위해 커다란 열교환 표면이 사용되며, 열교환 표면이 국부적으로 과열되는 것이(local overheating) 실질적으로 방지될 수 있다.

여기서, 본 출원인에 따르면, 종래의 흡열기 파이프에서는, 단부 영역(고온의 유체 영역)에서, 복사에 의해 가열된 벽들이 종종 과열되어, 그 결과, 반사가 아주 많이 증가된다. 그 이유는, 가열되어야 하는 유체의 세로방향 흐름(longitudinal flow)이 종래의 열교환 벽들과 흡열기 파이프의 고온 영역에서 자체적으로 이미 강력하게 가열되며, 따라서 단부 영역을 통해 흐르는 짧은 시간 동안, 단부 영역의 벽들은 더 이상 충분히 냉각될 수 없기 때문이다. (질량 흐름(mass flow)의 증가는 가능하지 않으며, 이 질량 흐름이 반사광(4)에 의해 주어진 열 입력(heat input)으로 설정 지점 온도(T_A)에 도달해야 하고, 질량 흐름이 증가되면 상기 온도는 절대 도달될 수 없다).

그 결과, 본 발명에 따른 흡열기 장치의 경우에도 불구하고, 열 개구(35)로 인해 출구 온도(T_A)에 상응하는 열 반사 또는 재배출이 발생되고, 횡단 흐름 원리로 인해, 과열은 거의 발생되지 않거나 아주 작게만 발생되고, 본 발명에 따른 흡열기 장치에서의 에너지 손실은 종래의 흡열기 파이프의 경우보다 더 낮다. 이에 따라, 열 복사에 관해 부정적인 영향 없이도 흡열기 장치는 실질적으로 임의의 원하는 길이(L)에서 구현될 수 있다. 또한, 종래의 흡열기 파이프에 비해, 출구 온도(T_A)에 상응하는 열 반사가 발생하며, 흡열기 파이프의 기하학적 형상(geometry)으로 인해, 열 반사 또는 재배출 벽들의 해당 부분들도 냉각된 상태로 유지된다.

본 발명에 따르면, 열 개구에 가까이 위치된 흡열기 파이프의 해당 벽 영역들은 냉각된 상태로 유지되며 열교환 표면의 과열은 종래의 흡열기 파이프의 경우보다 실질적으로 줄어든다.

이 지점에서, 흡열기 파이프의 디자인에 따라, 용어 "열 개구(thermal opening)"가 제공될 수 있는데, 도 2에 따라 흡열기 공간에 대한 물리적인 개구(physical opening)로서 형성된다. 또한, 용어 "열 개구"는 흡열기 공간의 그 외의 다른 디자인의 경우에서 물리적으로 밀폐된 영역(closed region)을 포함하는데, 상기 영역은 집중된 태양 복사광의 열의 통로(passage)를 위해 구성되고, 예를 들어, 열 복사의 위치에서 적절한 코팅(coating)에 의해 열의 반사가 최소가 될 수 있다. 이러한 타입의 디자인은 당업자에게 잘 알려져 있다. 그렇지만, 열 개구의 위치에서, 우수한 단열성을 구현하는 것이 가능하지 않으며, 따라서, 열 반사/재배출로 인해 상응하는 열 손실이 허용되어야 한다.

추가로, 에지(edge)로부터 오직 짧은 거리에 있는, 예를 들어, 유체가 100℃ 또는 그보다 약간 더 이상의 온도에 도달한 후에, 홈통형 컬렉터 내에 본 발명에 따른 흡열기 장치가 사용될 수 있다. 하지만, 홈통형 컬렉터의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 본 발명에 따른 흡열기 장치가 바람직하다.

여기서, 열교환기 장치(29)의 파이프라인(26)은 적어도 어느 정도로 흡열기 공간(30)의 벽들을 대체할 수 있으며, 이에 따라 파이프라인(26)은 직접적으로 복사되며 이는 즉 열전달 유체로 전달되는 열이 오직 최소한으로 지연된다는(impeded) 의미이다. 이와 비슷하게, 본 발명에 따르면, 하나 이상의 흡열기 공간의 벽의 몇몇 이상의 섹션들이 열교환기 또는 파이프라인에 의해 형성된다. 게다가, 본 발명에 따르면, 열교환기는 유체에 대한 서로 인접한 라인 섹션들을 가지며, 이들은 하나 이상의 흡열기 공간을 위한 하나 이상의 벽 섹션을 형성한다.

도 3에 예시된 실시예에서, 서로 인접한 감김부(winding)에서와 같이, 흡열기 공간은 예를 들어 열교환기 장치의 라인(42)들에 의해 형성될 수 있으며 따라서 흡열기 공간의 내부를 완전히 둘러싸는(envelop) 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 흡열기 장치(40)의 추가적인 실시예를 도시하는데, 이 흡열기 장치는 열교환기 장치(41)의 구성을 제외하고는 도 2의 구성에 실질적으로 상응하며, 파이프라인(42)으로서 구성되는 라인은 작은 루프(loop)에 배열되고 이는 각각의 경우에서 더 길게 형성된다는 의미이다. 세로 방향으로 배열되는 이러한 루프에도 불구하고, 열교환 유체는 세로 방향(L)에 대해 횡단 흐름으로 열교환기 장치(41)를 통해 흐른다. 파이프라인(42)을 볼 수 있도록 하기 위하여 튜브(24)(도 2)는 도 3에서 생략된다.

더 긴 파이프라인(42)은 유체의 부분 흐름(partial flow)에 대해 열교환 표면이 확대되는 이점이 있지만, 파이프라인(42)에서 압력 강하(pressure drop)가 더 커지는 단점이 생긴다. 실제 경우에서, 당업자는 파이프라인(42)의 흐름 및 열역학적 디자인을 결정할 수 있다. 기본적으로, 유체가 횡단 흐름에서 작동 동안 입구 온도로부터 작동 온도(operating temperature)까지 가열되고 배출 장치를 구현하도록, 열교환기 장치에 의해 이송 방향이 메인 방향에서 길이(L)에 대해 횡단 방향으로 수행되는 한, 열교환기 장치에 의해 열전달 유체의 임의의 적절한 이송은 본 발명에 따른다. 이와 유사하게, 본 발명에 따른 열교환기 장치에서, 유체를 통과하기 위해 사용되는 일반적으로 임의의 적절한 라인 구성은 본 발명에 따른다.

작은 흐름 화살표(44)는 열 이송 유체의 흐름 방향을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 흡열기 장치(50)의 추가적인 실시예를 도시하는데, 열교환기 장치(51)의 구성을 제외하고는 도 2의 흡열기 장치에 실질적으로 상응하며, 파이프라인(52)으로서 구성되는 라인들은 작은 코일(53) 내에 배열되고 이는 즉 각각의 경우에서 더 길게 구성된다는 의미이다. 코일(53)은 도 4에서는 개략적으로 표시되며 도 5에서는 상세하게 예시된다.

파이프라인(52)으로부터 형성된 코일(53)은 바닥(bottom)을 향해 개방되며 흡열기 공간(54)으로 인해 공간 섹션이 코일들에 의해 둘러싸인다(enclosed). 그 결과, 이러한 공간 섹션을 위한 따라서 흡열기 장치(50)의 길이에 걸쳐 열교환 표면은 실질적으로 더 커지고, 도 1에 관해 위에서 언급한 이점이 제공된다. 코일(53)의 영역들은 바닥에서 개방되고 열 개구(59)를 형성한다.

흡열기 공간(54)은 코일(53)의 도시된 배열로 인해 열(55)로 배열된다.

도 4에서, 파이프라인(24)은 생략되어서, 코일(53)이 더 명확해진다.

상기 도면에 예시된 실시예에서, 흡열기 장치(50)는 공급 장치 및 배출 장치가 공급 파이프(23, 24)와 배출 파이프(25)를 가지도록 구성되며, 파이프(23, 24, 25)는 서로에 대해 평행하게 배열되고 코일(53)에 의해 각각 형성된 다수의 흡열기 공간들은 흡열기 장치(50)의 길이에 걸쳐 연장되고 파이프(23 내지 25) 사이에 배열된다.

도 5는, 파이프라인(52)으로서 구성된, 본 발명에 따른 열교환기 장치(51)의 라인의 감김부(winding)으로부터 형성된, 도 4에 개략적으로만 도시된 코일(53)들 중 하나는 도시한다. 코일(53)은 대칭축(55)을 가지고 입사 복사광(4)에 대한 흡열기 공간(54)을 둘러싸며, 바닥에서 개방된 코일(53)의 단부는 열 개구(59)를 형성한다. 입구 온도(T_E)에서 열전달 매체는 파이프라인(52)의 연결 피스(57)를 통해 코일(53) 내로 흐르며, 출구 온도(T_A)에서 파이프라인(52)의 단부 섹션(58)을 통해 파이프라인(25)으로서 구성되는 컬렉팅 라인 내로 흐른다.

도 4와 함께, 흡열기 장치로 인해, 공급 장치와 배출 장치가 공급 파이프(23, 24)와 배출 파이프(25)를 가지며, 파이프(23, 24, 25)는 서로에 대해 평행하게 배열되고, 파이프(23, 24, 25) 사이에서 하나 이상의 열(55)로 배열되는 다수의 흡열기 공간(54)이 제공되며, 하나 이상의 열(55)은 파이프의 길이에 걸쳐 연장된다. 따라서, 일반적으로 (임의의 원하는 형상의) 복수의 흡열기 공간이 제공되는 것이 바람직하며, 이들 복수의 흡열기 공간은 공급 장치와 배출 장치 사이에서 평행하게 연결된다.

도 6은 본 발명에 따른 흡열기 장치(61)가 있는 홈통형 컬렉터(60)를 절단한 횡단면도로서, 예를 들어, WO 2009/135330호에 따라 형성된 2개의 집광기(62 및 63)가 제공된다(상기 특허출원은 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용됨). 홈통형 컬렉터(60)의 프레임워크(framework)는 예를 들어 WO 2009/135330호에 따라 구성된다.

두 집광기(62, 63)에 따르면, 흡열기 장치(61)는 흡열기 장치(61)의 길이(L)에 걸쳐 연장되는 2개 이상의 흡열기 공간(64 및 65)을 가진다. 하지만, 도 3 내지 5에 따른 실시예들과 비슷하게, 서로 앞뒤로 배열된 두 열(row)의 흡열기 공간을 제공되는데, 상기 도면들에서 열로 배열된 흡열기 공간들이 예시된다. 이 지점에서, 본 발명에 따르면, 더 많이 서로 인접한 집광기를 가진 홈통형 컬렉터의 경우, 흡열기 장치 내에 2개 이상의 열의 흡열기 공간이 제공된다.

도 7은 도 6의 흡열기 장치(61)를 절단한 횡단면도를 도시한다. 파이프라인(72)으로서 구성된 열전달 유체의 공급 장치의 라인이 예시되는데, 단열부(70)가 제공되며 컬렉팅 라인으로서 형성된 열전달 유체를 위한 배출 장치의 파이프라인(25) 및 2개의 열을 가진 열교환기 장치(74)가 제공된다. 예시된 실시예에서, 열교환기 장치(74)는 도 5에 예시된 것과 같이 서로 앞뒤로 배열된 두 열(75)의 나선부(53)를 가진다. 유체는 입구 온도(T_E)에서 라인(72)을 통해 연결 피스(57)로 통과하여 각각의 코일(53) 내에 유입되어, 코일을 통과하여 출구 온도(T_A)에서 파이프라인(52)의 단부 섹션(58)을 통해 배출 장치의 파이프라인(25) 내로 통과한다. 당업자에게 트럼펫(trumpet)으로서 알려져 있는 제2 집광기(73)가 제공되는 것이 바람직한데, 상기 집광기는 적절한 방식으로 흡열기 장치(61)의 길이(L)에 걸쳐 열 개구(59)를 따라 배열되며 따라서 홈통형 컬렉터의 횡단 방향에서 집광기(62, 63)에 의해 이미 집중된 복사광이 집중되어 이에 따라 열 개구의 폭을 줄일 수 있게 된다.

프레임과 구조 요소(71)는 도면에 도시된 장치를 지지하며 실제 경우에서는 당업자에 의해 적절하게 구성될 수 있다.

도면에 예시되지 않은 한 실시예에서, 일렬로 서로 앞뒤로 배열된 다수의 흡열기 공간이 흡열기 장치의 길이에 걸쳐 제공되며, 상기 흡열기 공간들은 서로로부터 일정 거리에 떨어져 서로 분리된 상태로 배열된다. 이러한 실시예는 하나 이상의 집광기(도 1)에 의해 또는 복수의 집광기(62, 63)(도 6)에 의해 반사된 복사광이, 세로방향 집광기들을 추가로 배열시킴으로써, 세로 방향에서 흡열기 장치의 상류에 집중되고, 이에 따라, 하나의 촛점선(focal point) 영역 대신에, 다수의 촛점선 영역(하나 또는 복수의 세로 방향으로 연장되는 촛점선 영역들의 열도 가능함)이 많이 집중되어 존재한다.

도 5에 도시된 코일(53)에 비해 개선된 코일도 본 발명에 따른다. 이 코일들은 예를 들어 둥근 형태 대신에 타원형 또는 다각형 형태의 흡열기 공간을 형성하거나 또는 도 5에 도시된 파이프(52)의 코일 대신에 단순한 뚜껑(lid)이 있는 열 개구 맞은편에 있는 벽에서 종료될 수 있다(terminated). (이와 비슷하게, 흡열기 공간들은 예를 들어 각각의 경우에서 라인에 의해 형성된 공간 대신에 하나의 박스(box)로 구성될 수 있다).

코일도 본 발명에 따르며, 대칭축은 열 개구에 대해 기울어져 있고(그리고 도 5에 예시된 것에 따라 수직이지 않고), 이러한 코일들은 사각(skew angle) 범위에 대해 바람직한 이점을 가진다. 사각(skew angle)은 당업자에게 태양을 향해 배열된 집광기 위에 태양이 떨어지는 각도를 표시하는 것으로 알려져 있다.

요약하면, 본 발명에 따르면, 열교환기 장치 및 따라서 하나 이상의 흡열기 공간은 디자인 측면에서 볼 때 실제 경우에 존재하는 열역학적 요구조건에 따라 구성되고 형성될 수 있지만, 열교환 유체는 횡단 흐름에서 작동 온도 즉 출구 온도(T_A)까지 가열되며, 이에 따라 배출 장치는 길이(L)에서 출구 온도(T_A)에 있는 유체를 공급한다. 당업자는 실제 경우에서 필요조건에 따른 위에서 언급한 다양한 실시예들에 설명한 특징들을 조합할 수 있으며, 본 명세서에 기술된 실시예들에만 제한되는 것은 아니다. 이와 비슷하게, 열교환기 장치는 파이프라인들에 의해서만 형성되는 것이 아니라 그 외의 다른 적절한 구성에 의해서도 형성될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 추가적인 실시예에 따라 압력 공급 때문에 공급 장치를 분리시키는(segment) 것도 바람직하며, 각각의 세그먼트는 유체 공급원(fluid source)을 위한 연결부(connection)를 가진다. 그 결과, 기다란 라인에서 압력 강하로 인한 에너지 손실은 최소화된다.

Claims (14)

1. 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)를 통해 열전달 유체를 이송하기 위한 수단을 포함하며, 작동 동안 길이에 걸쳐 집중된 복사광(4)에 노출되는 홈통형 컬렉터(1, 60)를 위한 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)에 있어서,
   흡열기 장치(20, 40, 50, 61)는 집중된 복사광(4)을 위한 하나 이상의 유체-없는(fluid-free) 흡열기 공간(30, 54, 67)을 가지며, 상기 흡열기 공간은 내부에 입사되는 열을 흡수하기 위해 벽(36)과 내부로 이어지는 열 개구(35, 59, 66)를 가지고, 유체를 이송하기 위한 수단은 유체가 흐르는 열교환기 장치(29, 41, 51, 64)에 의해 서로 작동 가능하게 연결된 배출 장치 및 공급 장치를 가지며, 상기 열교환기 장치는 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)의 길이를 따라 연장되고, 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)의 길이에 대한 횡단 흐름으로서 유체가 관통하여 흐를 수 있도록(throughflow) 구성되며, 하나 이상의 흡열기 공간(30, 54, 67)에 열적으로 연결되어, 유체가 작동 동안 횡단 흐름에서 입구 온도(T_E)로부터 작동 온도(T_A)까지 가열되어 상기 온도에서 배출 장치에 도달되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
2. 제1항에 있어서, 일렬로 서로 앞뒤로 배열된 다수의 흡열기 공간(30, 54, 67)은 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)의 길이에 걸쳐 제공되고, 상기 흡열기 공간들은 서로 직접 인접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
3. 제1항에 있어서, 일렬로 서로 앞뒤로 배열된 다수의 흡열기 공간(30, 54, 67)은 흡열기 장치의 길이에 걸쳐 제공되고, 상기 흡열기 공간들은 서로로부터 일정 거리에 떨어져 서로 분리된 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 흡열기 공간(54, 67)의 벽의 적어도 섹션(at least section)들이 열교환기 장치(51, 64)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
5. 제1항에 있어서, 열교환기 장치는 서로 인접한 유체용 라인 섹션(line section)들을 가지며, 상기 라인 섹션들은 하나 이상의 흡열기 공간을 위한 하나 이상의 벽 섹션을 형성하는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
6. 제2항 또는 제5항에 있어서, 열교환기 장치(51, 64)의 라인(52)에 의해 한 흡열기 공간이 형성되며, 서로 인접한 감김부(winding) 내에 배열되어 바람직하게는 흡열기 공간(54, 67)의 내부를 완전하게 둘러싸는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
7. 제1항에 있어서, 배출 장치는, 열교환기 장치(29, 41, 51, 64)로부터 길이에 걸쳐 공급되는 가열된 유체를 위해, 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)의 길이에 걸쳐 연장되는 컬렉팅 라인(25, 65)을 가지며, 컬렉팅 라인(25, 65)은 가열된 유체의 공급을 위해 길이에 걸쳐 개구들에까지 단열되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
8. 제1항에 있어서, 공급 장치는 길이에 걸쳐 열교환기 장치에 공급되고 가열되어야 하는 유체를 위해 공급 라인(23, 24, 62)을 가지며, 상기 공급 라인은 흡열기 장치의 길이에 걸쳐 연장되고, 공급 라인(23, 24, 62)은 가열된 유체의 공급을 위해 길이에 걸쳐 개구들에까지 단열되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
9. 제1항에 있어서, 공급 장치와 배출 장치는 공급 파이프(23, 24, 62)와 배출 파이프(25, 75)를 가지는데, 상기 파이프(23 내지 25, 62, 75)들은 서로 평행하게 배열되며 상기 파이프(23 내지 25, 62, 75) 사이에 배열되고 바람직하게는 흡열기 장치(20, 40, 50, 61)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
10. 제1항에 있어서, 공급 장치와 배출 장치는 공급 파이프(23, 24, 62)와 배출 파이프(25, 75)를 가지는데, 상기 파이프(23 내지 25, 62, 75)들은 서로 평행하게 배열되며 상기 파이프(23 내지 25, 62, 75) 사이에서 하나 이상의 열(row)로 배열된 다수의 흡열기 공간(54, 67)이 제공되고, 상기 하나 이상의 열은 파이프들의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
11. 제1항에 있어서, 공급 장치와 배출 장치 사이에서 평행하게 연결된 복수의 흡열기 공간(54, 67)이 제공되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
12. 제1항에 있어서, 공급 장치는 분리된(segmented) 공급 파이프(23, 24, 62)를 가지며, 각각의 세그먼트는 열전달 유체의 공급원(source)을 위한 연결부를 가지는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
13. 제1항에 있어서, 흡열기 장치의 길이는 100 m 이상, 바람직하게는 150 m 이상 그리고 특히 바람직하게는 200 m 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).
14. 제1항에 있어서, 제2 집광기가 제공되며, 상기 제2 집광기에는 하나 이상의 흡열기 공간의 상류에 있는 흡열기 장치의 세로 방향으로 입사 복사광이 집중되는 것을 특징으로 하는 기다란 흡열기 장치(20, 40, 50, 61).

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