KR20160065076A - 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 및 태양 흡수체 바디를 제조하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
집광형 태양 전력 시스템을 태양 흡수체 바디 및 태양 흡수체 바디를 제조하기 위한 방법. 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1) 로서, 상기 태양 흡수체 바디 (1) 는, - 열 전달 매체 (10) 를 포함하도록 설계되고, 일광에 노출되도록 설계된 제 1 부분 및 일광에 노출되지 않도록 설계된 제 2 부분을 포함하는 튜브 (2), - 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리 (3), 및 - 상기 튜브 (2) 의 상기 제 1 부분의 적어도 외부 표면 상에 배열되는 선택적 코팅을 포함하고, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브 내측에서 적어도 2 개의 종방향 통로들 (4) 을 정의하고, 상기 통로들 (4) 은 상기 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에 인접하며, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브의 상기 제 1 부분의 내부 표면의 적어도 일부로부터 상기 튜브의 상기 제 2 부분의 내부 표면의 적어도 일부까지 상기 튜브 내측에서 연속적인 열적 브리지를 생성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 열 전달 매체를 포함하도록 설계된 튜브를 포함하고, 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리를 포함하는 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디에 관한 것이다.
발명은 또한 태양 흡수체 바디를 제조하기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 방법은,
- 열 전달 매체를 포함하도록 설계된 튜브를 제공하는 단계,
- 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리를 튜브에 삽입하는 단계, 및
- 단일 동작으로 튜브 및 핀들의 어셈블리를 냉간 인발 (cold-drawing) 하여, 핀들의 어셈블리를 튜브 내부로 크림핑 (crimp) 하는 단계를 포함한다.
집광형 태양 전력 시스템들은 일광을 흡수하는 것에 의해 열을 수집하도록 설계된다. 일반적으로, 일광은 열 전달 유체 (스팀, 오일 또는 다른 열 전달 매체) 를 포함하는 태양 흡수체 바디 상에 집광되고 포커싱된다. 태양 흡수체 바디는, 예를 들어 가늘고 긴 흡수체 튜브일 수 있으며, 이 튜브의 내부를 통해 열 전달 매체를 유동시킨다. 태양 흡수체 바디는 일광을 흡수하고, 그것을 열로 변환한다. 그 후 열이 열 전달 유체로 전달된다. 그 후 유체의 온도가 강하게 증가한다.
열 전달 유체는 발전 (electricity generation) 을 위해 표준 터빈 발전기에 사용될 수 있다. 예를 들어, 파라볼릭 트로프 (parabolic trough), 프레넬 리플렉터, 및 태양 전력 타워들이 일광을 열 전기 전력으로 변환하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 태양 흡수체 바디는 기판, 보통 적외선 반사층을 포함하는 선택적 코팅에 의해 커버되는 가늘고 긴 튜브, 태양 흡수층 및 가장 빈번한 반사 방지층을 포함한다.
선택적 코팅은 높은 태양 흡수 및 낮은 열 방사율과 같은 특정 광학적 특성들을 나타내어야 한다. 게다가, 선택적 코팅은 반사 및 흡수 특성들을 악화시키지 않으면서 열적으로 안정적이어야 한다. 선택적 코팅의 수명은 특히 작업 분위기, 최대 동작 온도 및 튜브의 외부 표면에서의 온도 변화에 의존한다.
태양 흡수체 바디의 튜브는 반실린더 표면 상에서만 조사를 받기 쉬우며, 즉 여기서 일광이 포커싱된다. 이에 따라, 튜브는 그 외부 표면 상에서 큰 주변 열 플럭스 변동들에 영향을 받아서 튜브의 외부 표면 상에 주변의 열적 구배를 유도한다. 이러한 열적 구배들은 한편으로는 열기계적 (thermo-mechanical) 스트레스를 유도하고, 다른 한편으로는 고온의 영역을 유도하여, 선택적 코팅의 열화를 가속시킨다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 주변의 열적 구배를 감소시키기 위해서, 국제 출원 WO2011/055401 는 튜브의 내부 표면 상의 튜브의 조사된 부분 상에 엘리먼트들을 돌출시키는 것을 도입하여, 유체의 난류 및 이에 따른 열 교환 에너지를 증가시키는 것을 제안한다. 이들 엘리먼트들은 핀들일 수 있으며, 모두 일광이 포커싱되는 튜브의 측면 상에서 방사상 확장을 갖는다.
태양 튜브의 일부에서의 핀들의 존재는 주변의 열적 구배들을 국부적으로 저하시키는 것을 허용한다, 파라미터적 분석은 열 운반 유체로서 가스를 사용하여 열역학적 태양 전력 어플리케이션들을 위해 획득된 것들에 근접하는, 520 W/m2.K 의 대류 열 전달 계수의 레벨을 위한 열 전달 매체의 온도, 튜브에서의 핀들의 각도 배치, 핀들의 수 및 핀들 높이의 함수로서 행해졌다. 가령, 최대 온도는 핀들의 부재 시 370 ℃ 부터 튜브의 내부 표면에서 150 °아크 상부에 분포된 길이 5 mm 및 두께 2 mm 의 24 개의 핀들을 사용하여 323 ℃ 아래로 통과한다. 핀들의 존재는 튜브의 단면 (section) 의 변형을 10 % 만큼 감소시킨다.
하지만, 획득된 튜브의 단면은 선대칭이 아니며, 이에 따라 특별하고 복잡한 정교화의 프로세스를 필요로 한다.
국제 출원 WO2012/110341 는 태양 튜브를 기재하고, 이 튜브의 내면에는 나선 리브들이 제공된다. 그럼에도 불구하고, 그러한 구조화에 의한 주변의 열적 구배 감소는 열 전달 온도가 500 ℃ 에 도달하는 것을 수반하는 태양 어플리케이션들에 대해서는 무시될 정도가 된다.
발명의 목적은 종래 기술의 결점을 해결하기 위해서, 특히 주변의 열적 구배 및 최대 동작 온도를 감소시키는 것에 의해 장시간 서비스 수명을 갖는 태양 흡수체 바디를 제공하는 것이다.
발명의 추가 목적은 튜브의 표면에서 구배의 온도를 감소시키기 위한 엘리먼트를 포함하고 실질적으로 저비용으로 구현하는 것이 용이한 태양 흡수체 바디를 제조하기 위한 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 그러한 태양 흡수체 바디를 포함하는 집광형 태양 전력 시스템을 제공하는 것이다.
발명에 따라, 이들 목적들은 인덱싱된 청구항들에 따른 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 및 태양 흡수체 바디를 제조하기 위한 방법에 의해 달성된다.
다른 이점들 및 피처들은 한정이 아닌 예시의 목적으로만 주어지고 첨부된 도면들에 나타내는 발명의 특정 실시형태들의 다음의 설명으로부터 더 분명히 명백해지게 될 것이며, 도면들에서,
- 도 1 은 종래 기술에 따른, 태양 흡수체 바디의 3 차원도를 나타내고,
- 도 2 는 발명의 일 실시형태에 따른, 태양 흡수체 바디의 3 차원도를 나타내고,
- 도 3 내지 도 14 는 발명의 상이한 특정 실시형태들에 따른 핀들의 어셈블리의 횡단면도를 나타내고,
- 도 15 는 발명의 특정 실시형태에 다른 핀들의 어셈블리 및 튜브들의 주변 단면들 상부의 온도 분포의 횡단면도를 나타내며,
- 도 16 은 발명의 일 실시형태에 따른 선택적 코팅에 의해 오버코팅된 튜브의 횡단면도를 나타낸다.
각각의 층의 코팅 두께는 도시를 단순화하기 위해 실제 보다 더 크게 나타낸다.
도면들이 반드시 일정한 비율은 아니다.
- 도 1 은 종래 기술에 따른, 태양 흡수체 바디의 3 차원도를 나타내고,
- 도 2 는 발명의 일 실시형태에 따른, 태양 흡수체 바디의 3 차원도를 나타내고,
- 도 3 내지 도 14 는 발명의 상이한 특정 실시형태들에 따른 핀들의 어셈블리의 횡단면도를 나타내고,
- 도 15 는 발명의 특정 실시형태에 다른 핀들의 어셈블리 및 튜브들의 주변 단면들 상부의 온도 분포의 횡단면도를 나타내며,
- 도 16 은 발명의 일 실시형태에 따른 선택적 코팅에 의해 오버코팅된 튜브의 횡단면도를 나타낸다.
각각의 층의 코팅 두께는 도시를 단순화하기 위해 실제 보다 더 크게 나타낸다.
도면들이 반드시 일정한 비율은 아니다.
도 2 에 나타낸 바와 같이, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1) 는,
- 열 전달 매체 (10) 를 포함하도록 설계되고, 일광에 노출되도록 설계된 제 1 부분 및 일광에 노출되지 않도록 설계된 제 2 부분을 포함하는, 튜브 (2),
- 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리 (3), 및
- 튜브 (2) 의 제 1 부분의 적어도 외부 표면 상에 배열된 선택적 코팅
을 포함한다.
핀들의 어셈블리 (3) 는 열 전달 매체를 위해 튜브 내측에 적어도 2 개의 종방향 통로들 (4) 을 정의하도록 구성되고, 상기 통로들 (4) 은 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에 인접한다.
핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브의 적어도 제 1 부분의 내부 표면의 적어도 일부로부터 튜브의 제 2 부분의 내부 표면의 적어도 일부까지 튜브 내측에 연속적인 열적 브리지를 생성하도록 구성된다.
일광에 노출되도록 설계된 제 1 부분에 의해, 튜브의 부분에서 일광이 집광된다는 것을 이해해야 한다. 다른 부분은 일광에 노출되지 않도록 설계된 제 2 부분에 대응하며, 이것은 일광이 집광되지 않은 튜브의 부분이며, 각각의 부분은 서로 상보적이다. 우선적으로, 일광에 노출되도록 설계된 부분과 일광에 노출되지 않도록 설계된 부분은 튜브의 직경 상에서 서로 대향한다.
예를 들어, 각각의 부분은 반실린더 형상을 가질 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 튜브 (2) 는 바람직하게 DN15 에서 DN80 까지 범위의 공칭 직경 (DN) 및 공칭 파이프 사이즈들에 따라 sch 40 에서 sch 160 까지 범위의 벽 두께를 갖는다. 다른 사이즈들이 가능할 수 있다. 우선적으로, 튜브는 열 전달 매체, 예컨대 오일, 수분, 또는 수증기, 또는 임의의 다른 열 전달 유체를 포함하도록 구성된다.
튜브 (2) 의 두께는 동작 압력 및 온도에 의존하여 1,25 mm 와 6,35 mm 사이인 것이 바람직하다.
더 바람직한 실시형태에 따라, 튜브 (2) 는 DN40 의 공칭 직경, 즉 48,26 mm 의 외측 직경, 및 5,080 mm 의 벽 두께에 대응하는 sch 80 의 벽 두께를 갖는다.
튜브 (2) 는 심리스 또는 용접된 튜브일 수 있으며, 냉간 인발되거나 되지 않을 수 있다. 이롭게, 튜브 (2) 는 심리스 냉간 인발된 튜브이다.
또한, 튜브 (2) 는 고온에서 그리고 특히 압력 하에서 타이트한 공차, 우수한 표면 특성들, 우수한 기계적 특성들을 얻기 위해 냉간 인발된 심리스 튜브인 것이 이롭다. 온도의 바람직한 타겟 범위는 150 ℃ - 650 ℃ 이고, 특히 300 ℃ 와 600 ℃ 사이이며, 압력 범위는 2 bar - 200 bar, 특히 50 bar 와 200 bar 사이인 것이 이롭다.
튜브 (2) 는 철, 니켈 또는 티타늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 중량 당 퍼센트에 관하여, 이들 합금들의 주요 합금 엘리먼트들은 각각 철, 니켈 또는 티타늄이다.
이롭게, 철 합금은 비용과 열기계적 성능 사이의 최상의 절충을 나타낸다.
니켈 합금은 보다 양호한 기계적 강도를 가지며 고온에서 사용될 수 있다.
티타늄 합금은, 이롭게 경량이고 전체 구조의 중량을 감소시키는 것이 가능하다.
보다 우선적으로, 튜브 (2) 는 철 합금으로 이루어진다.
특히, 튜브 (2) 는 강 튜브이다. 튜브 (2) 는 스테인리스 강 튜브일 수도 있다. 튜브 (2) 는 낮은 합금 강 튜브 또는 높은 합금 강 튜브인 것이 바람직하다. 이러한 강의 등급들은 12.5 중량% 미만의 크롬, 바람직하게 10.5 중량% 미만의 크롬을 함유한다. 이들 강들은 보통 12.5 중량% 초과의 크롬을 함유하는 스테인리스 강들과 상이하다. 이들 강들은 보통 더 양호환 기계적 특성들, 예를 들어 높은 영률 (Young's Modulus) 을 가지며 특히 어떠한 니켈도 함유하지 않기 때문에 값이 더 싸다. 그럼에도 불구하고, 이들은 통상의 스테인리스 강들이 행하고 있는 바와 같이 Cr2O3, Al2O3, SiO2 또는 MgO 로 주로 구성된 얇은 패시브층을 형성하지 않는다. 낮은 합금 강은 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴과 같은 합금 엘리먼트들의 첨가의 결과로서 관련 기계적 특성들을 발현하는 철의 재료들의 카테고리를 구성한다. 전체 합금 엘리먼트들은 범위가 8 중량% 까지 일 수 있다. 예를 들어, P195GH, 13CrMo44 및 10CrMo9-10 는 낮은 합금 강이다. 이들은 상대적으로 가혹한 압력 조건들 하에서 350 ℃ 와 550 ℃ 사이의 온도까지 사용될 수 있다. 가혹한 압력 조건들에 의해, 압력은 50 bar 와 200 bar 사이임을 이해하였다.
높은 합금 강들은 낮은 합금 강보다 많은 합금 엘리먼트들을 함유하며, 크롬 함량은 12.5 중량% 미만으로 잔류한다. 이들은 적당한 크리프 내성 (creep resistance) 을 유지하면서 650℃ 까지 온도에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, X10CrMoVNb9-1 및 X11CrMoWVNb97 는 높은 합금 강들이다. 이들 합금 강들은 이롭게 스테인리스 강들, 특히 AISI 304 또는 316 과 같은 합금 엘리먼트들과 같이 니켈을 함유하는 것들 보다 더 싸다. 이롭게, 낮은 합금 강은 탁월한 열 전도성을 발현하여 기판으로부터 열 전달 매체로의 열 전달을 향상시킨다. 바람직하게, 튜브는 특히 10CrMo9-10 로 이루어진 낮은 합금 강 튜브이며, 이는 양호한 열 전도성, 낮은 열 팽창 계수 (예를 들어, 20 과 550 ℃ 사이에서 10-15 ppm/K 의 범위), 낮은 비용 및 크리프 변형에 대한 양호환 내성을 나타낸다.
바람직하게, 튜브 (2) 는 철, 니켈, 티타늄 합금, 또는 강, 예컨대 P195GH, 13CrMo44, 10CrMo9-10, X10CrMoVNb9-1 및 X11CrMoWVNb97 로 이루어진다.
태양 흡수체 바디는 열 전달 매체에 대해 튜브 내측에 적어도 2 개의 종방향 통로들 (4) 을 정의하는 핀들의 어셈블리 (3) 를 포함한다. 튜브 (2) 에서 적어도 2 개의 종방향 통로들 (4) 를 획득하기 위해서, 상기 종방향 통로들 (4) 은 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에 인접하며, 핀들 (3) 의 어셈블리는 적어도 하나의 핀을 포함한다. 종방향 통로들 (4) 은 또한 채널로 칭할 수 있다.
우선적으로, 핀들의 어셈블리 (3) 는 적어도 2 개의 핀들을 포함한다. 2-핀 어셈블리의 형상은, 횡단면도에 있어서, 도 3 에 나타낸 바와 같이 직선일 수 있고, 또는 예를 들어, L 형상을 가질 수 있다.
핀들은 튜브에서 유동하는 열 전달 매체에 대해 복수의 교차 채널들을 제공하도록 경로에서 확장한다.
핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브의 제 1 부분의 내부 표면의 적어도 일부로부터 튜브의 제 2 부분의 내부 표면의 적어도 일부까지 튜브 내측에 연속적인 열적 브리지를 생성하도록 구성된다. 열적 브리지는 또한 열적 커넥션 (connexion) 으로 칭할 수 있다.
연속적인 열적 브리지에 의해, 일광에 노출되도록 설계된 튜브의 면에서 다른 면 사이의 양호한 열적 접속성을 갖는 재료로 이루어진 엘리먼트가 연속적인 열적 경로를 생성하는 것을 이해해야 한다. 연속적인 열적 브리지는 튜브의 횡단면 영역을 통해 배치되고 일광에 노출되도록 설계된 면을 다른 면에 열적으로 접속시킨다.
이것은 튜브 내측에서, 그리고 일광에 노출되도록 설계된 튜브의 부분 또는 면과 일광에 노출되지 않도록 설계된 튜브의 다른 부분 또는 면 사이의 열적 브리지를 통해 열 전도를 증가시킨다.
열 전도성 재료는 40 W/m.K 이상 그리고 우선적으로는 200 W/m.K. 보다 높은 열 전도성을 갖는 재료로서 이해해야 한다.
종방향 통로들의 횡단면 표면은 핀들의 어셈블리들의 형상에 의해 정의된다. 핀들의 수 및 횡단면 형상은 각각의 핀 사이에서 규칙적인 간격으로 또한 달라질 수도 있다.
바람직한 실시형태들에 따라 그리고 도 4 내지 도 14 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브에서 3 과 8 사이의 종방향 통로들을 정의하며, 즉 핀들의 어셈블리가 3 내지 8 개의 핀들을 포함한다. 이로써 3 내지 8 개의 종방향 통로들을 포함하는 튜브를 제공하는 것이 가능하다.
이롭게, 핀들의 두께는 대략 1 mm 이다.
3 개 미만의 핀들을 갖는 핀들의 어셈블리 (3) 는 내부 열 전달 계수를 현저하게 충분히 증가시키기에 충분하지 않을 수 있다. 8 개의 핀들을 초과하면, 튜브는 과충진되기 시작하여, 압력 강하를 유도한다.
압력 강하는 튜브에서 유체가 유동함에 따른 마찰력에 기인하며, 상기 마찰력은 유동을 위한 저항에 의해 야기된다. 압력 강하는 일 지점에서 다른 지점 사이에서의 튜브 내측의 압력 감소이다.
바람직한 실시형태에 따라, 핀들의 어셈블리 (3) 는 별 형상 구조를 갖는다. 핀들은 튜브의 횡단면에 있어서 동일한 지점에 서로 접속한다.
도 9, 도 10 및 도 11 에 나타낸 바와 같이, 별 형상 구조는 중심축으로부터 바퀴살처럼 방사하는 지점들 (5) 로 또한 지칭되는, 암들이 제공된 코어를 특징으로 한다. 코어는 암들의 교차점에서만 대응할 수 있다.
이롭게, 그러한 형태는 실제로 용이하게 튜브 내에 삽입된다. 부가적으로, 이러한 형태는 압력 저하를 너무 많이 증가시키지 않으면서 열 교환을 개선하기 쉽다.
특정 실시형태에 따라, 모든 암들은 동일한 치수를 가지며, 이에 따라 이 치수는 튜브의 내부 반경에 대응한다. 코어는 튜브의 횡단면의 중심에 위치된다.
도 9 내지 도 13 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리 (3) 는 외부 케이싱 (6) 을 포함할 수 있고, 상기 외부 케이싱 (6) 은 튜브 (2) 의 내부 부분과 접촉하고 별 형상 구조의 적어도 2 개의 지점들 (5) 과 접속한다. 대안의 실시형태에서 그리고 도 3 내지 도 8 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리에 외부 케이싱이 제공되지 않는다.
이롭게, 불연속적인, 즉 별 형상 구조의 모든 지점들을 접속시키지 않는 외부 케이싱은, 튜브 내부로 유동하는 열 전달 매체가 튜브의 내부 직경과 직접 접촉하는 것을 가능하게 한다. 이것은 플럭스가 최대인 영역에서 삽입체 (insert) 와 튜브 사이의 계면에서 접촉 저항을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
특정 실시형태에 따라 그리고 도 9, 도 12 및 도 13 에 나타낸 바와 같이, 외부 케이싱 (6) 은 링이고, 외부 케이싱은 튜브의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 갖는다.
이롭게, 외부 케이싱은 튜브 내부로의 삽입체의 보유를 개선하는 것을 가능하게 한다. 그러한 삽입체는 또한, 예를 들어 압출 프로세스에 의해 제조하는 것을 더 용이하게 할 수 있다.
특정 실시형태에 따라 그리고 도 12 내지 도 14 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리는 별 형상 구조의 지점들 (5) 의 교차점에 위치된 차단 엘리먼트 (7) 를 포함한다.
이에 따라 이 핀들의 어셈블리 (3) 는 각지게 이격된 방사상으로 연장된 리브들이 제공된 가늘고 긴 고체 실린더 바디의 형상을 갖는다.
이러한 차단 엘리먼트 (7) 의 존재는 튜브의 단면 한정을 유도하여, 국부적으로 열 전달 매체 가속을 유도한다.
바람직한 실시형태에 따라, 차단 엘리먼트 (7) 는 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에서, 튜브의 내부 영역의 적어도 5 % 를 나타낸다.
이롭게, 그것은 튜브 (2) 내측에서 유동하는 열 전달 매체의 내부 저항을 현저하게 증가시키지 않도록 튜브의 내부 영역의 20 % 초과를 나타내지 않는다.
특정 실시형태에 따라 그리고 도 13 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 의 종축에 수직인 단면 평면에서 비대칭이다.
그러한 구성은 열 전달을 국부적으로 증가시키지만, 그럼에도 불구하고 제조하는 것은 더 어렵다.
특정 실시형태에 따라 그리고 도 3 내지 도 12 및 도 14 에 나타낸 바와 같이, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 의 종축에 수직인 부분 평면에서 대칭이다. 핀들의 어셈블리는 튜브 (2) 내부에 공축으로 삽입된다. 그러한 핀들의 어셈블리 (3) 는 이롭게도 구현하는 것이 용이하다. 부가적으로 핀들의 이러한 어셈블리 상에 냉간 인발 단계 동안 가해진 힘이 핀들 상에 균등하게 분포된다.
특정 실시형태에 따라 그리고 도 14 에 나타낸 바와 같이, 튜브 (2) 와 접촉하는 핀들의 부분은 수반된 재료들의 상이한 팽창을 흡수하기 위해서 가요성일 수도 있다.
횡단면도에서 그리고 바람직한 실시형태에서, 각각의 종방향 통로들은 적어도 2 개의 핀들에 의해 그리고 튜브의 내부 직경 또는 외부 케이싱에 의해 구획된다.
특정 실시형태에 따라, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 튜브 (2) 는 적어도 핀들의 부가 어셈블리 (8) 를 포함하고, 이 핀들의 어셈블리는 튜브 (2) 에서 종방향 통로들 (4) 의 제 1 그룹을 정의하고, 핀들의 부가 어셈블리 (8) 는 튜브 (2) 에서 종방향 통로들 (9) 의 제 2 그룹을 정의하며, 제 1 그룹의 종방향 통로들 (4) 은 튜브의 종축에서 제 2 그룹의 종방향 통로들 (9) 에 대해 시프트된다.
이것은 튜브를 따라 차갑고 뜨거운 유체 스트림들을 혼합하고 열적 구배의 감소를 개선하는 것을 가능하게 한다.
핀들의 상이한 어셈블리들의 기하학적 구조는 동일하거나 상이할 수도 있다. 상이한 어셈블리들의 핀들의 수는 상이할 수 있다.
핀들의 기하학적 구조가 동일한 경우, 핀들의 부가 어셈블리 (8) 는 핀들의 제 1 어셈블리 (4) 에 비해 π/n 각도만큼 시프트될 수 있으며, 여기서 n 은 핀들의 수이다. 이것은 첫째로 상이한 종방향 통로들에서 유체의 온도를 균질화하고, 두번째로 난류를 증가시키는 것에 의해 열 전달 계수를 증가시키기 위해서 유체 스트림들을 주기적으로 재혼합하는 것을 목적으로 한다.
핀들의 어셈블리들 (3 및 8) 은 튜브를 따라 불연속적으로 배열될 수도 있다. 이들은, 예를 들어 열적 구배가 가장 중요하고 이에 따라 열역학적 효과들이 가장 이롭게 되는 영역들에 배치될 수 있다. 이들은 또한, 튜브의 외부 표면의 온도가 가장 크고 이에 따라 선택적 처리에 대한 손상의 위험이 가장 중요한 영역에 배치될 수 있다. 적절한 실시는 그 후 열 교환기의 단면 또는 2 개의 매체들 사이에서 열을 교환하는 목적으로 열 전달 매체를 포함하는 임의의 디바이스를 따라 적어도 핀들의 어셈블리를 사용하는 것이고, 핀들의 어셈블리는 이 디바이스의 단면의 25 % 내지 50 % 를 커버한다.
어플리케이션은 매체를 순환하는 것에 의해 열 교환이 수행되는 임의의 유형의 디바이스에 대해 유효할 수 있다.
특정 실시형태에 따라, 핀들의 어셈블리 (3) 는 40W/m.K 이상, 바람직하게 200W/m.K 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진다.
바람직하게, 핀들의 어셈블리 (3) 는 알루미늄 합금, 강 또는 구리 합금으로 이루어진다.
핀들의 어셈블리의 재료는 높은 온도 및 압력으로 다양한 열 전달 매체들과의 그 호환성 및 제조성 목적을 위해 선정된다. 이롭게, 그러한 재료들은 저비용의 핀들의 어셈블리들을 제공하는 것을 가능하게 한다.
특정 실시형태에 따라, 튜브 및 핀들은 동일한 재료로 이루어진다. 이롭게, 핀들 및 튜브는 강으로 이루어진다. 핀들과 튜브 사이의 강화된 기계적 및 열적 접촉들이 획득된다. 이롭게, 열 팽창 차이는 없다. 이것은 튜브 (2) 및/또는 핀들의 어셈블리 (3) 의 수명 시간을 개선하는 것을 가능하게 한다.
일광에 노출되는 튜브의 면과 다른 면 사이의 온도의 평등화가 개선된다.
이롭게, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브에서 열 전달 매체를 균질하게 혼합하는 것을 가능하게 한다. 상기 열 전달 매체 내의 온도 차이가 감소된다.
핀들은 특히 튜브의 직경에 의존하여, 0.5 mm 와 4 mm 사이의 두께를 포함한다. 예를 들어, 핀들의 두께는 내부 직경이 38 mm 인 튜브에 대해 2 mm 이다.
우선적으로, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 내부로 크림핑된다.
바람직한 실시형태에 따라, 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 내부로 냉간 인발된다.
열적 구배에 대한 핀들의 수 및 핀들 재료의 성질의 영향을 결정하기 위해서, 몇몇 시뮬레이션들이 수행되었다.
사용된 모델은 특히 유체 스트림들의 수력학적 직경의 변화에 기인하는 내부 열 전달 계수의 증가를 고려한다.
시뮬레이션을 위해 사용된 튜브는 DN50 및 sch 80 특성들, 즉 외부 직경 60,33 mm 및 두께 5,537 mm 을 갖는 10CrMo9-10 강 튜브이다. 핀들의 어셈블리는 별 형상 구조를 가지며, 그 핀들의 두께는 2 mm 이다. 튜브에 부여된 플럭스는 집광 인자가 5 이며; 이러한 집광 인자는 햇빛에 의해 방사된 에너지가 태양흡수체 튜브 상에 50 배 집광되는 것을 의미한다. 열 전달 유체는 스팀이고 흡수체 내측의 유속은 선택적 처리의 파괴를 회피하도록 설계된다.
10CrMo9-10 강 핀들 (λ= 40W/m.K) 에 의하면, 열적 구배는 3-핀 구성으로 7% 만큼 그리고 8 핀 구성으로 20 % 만큼 감소한다.
알루미늄 핀들의 어셈블리 (λ= 200W/m.K) 에 의하면, 열적 구배는 도 15 에 나타낸 바와 같이 8 핀 구성으로 28% 만큼 감소한다.
구리 핀들의 어셈블리 (λ= 300W/m.K) 에 대해 획득된 결과들은 알루미늄 핀들의 어셈블리와 비교하여 유사한 이득들을 나타낸다.
획득된 시뮬레이팅된 결과들이 다음 표에 집결된다. 온도는 상이한 재료들에 대해 그리고 핀들의 수에 따른 온도에서의 최대 감소를 나타낸다:
이러한 온도에서의 감소는 선택적 코팅 및 튜브의 열화를 방지하는 것을 가능하게 하여, 그 서비스 수명을 증가시킨다.
바람직한 실시형태에 따라, 선택적 코팅 (11) 은 적어도 튜브 (2) 의 제 1 부분의 외부 표면 상에 배열될 수 있다.
선택적 코팅 (11) 은 고비율의 입사 태양광을 흡수하고 방사된 열만큼 흡수된 에너지의 비율을 방출하도록 설계된다. 우선적으로, 타겟은 들어오는 태양 광의 80 % 초과를 흡수하는 것인 반면, 방사율은 흡수체의 작동 온도에서 블랙 바디의 방사율의 25 % 아래에 머물러야 한다.
선택적 코팅 (11) 은 적어도 튜브 (2) 의 외부 표면의 노출된 부분 상에 그리고 일반적으로 튜브 (2) 의 모든 외부 표면 상에 형성된다. 선택적 코팅이 외부 표면의 노출된 부분 상에만 배열되는 특정 실시형태에 있어서, 튜브의 노출되지 않은 부분은 그럼에도 불구하고 또한 IR-미러로 칭하는 적어도 고 반사 코팅에 의해 코팅될 수 있다.
도 16 에 나타낸 바와 같이, 선택적 코팅 (11) 은 튜브 (2) 의 외부 표면 상에 배열된 스택을 포함한다 (명확성을 위해 핀들의 어셈블리 없이 도 16 에 나타냄). 스택은 원하는 광학 특성들을 생성하는 수개의 층들을 포함한다. 우선적으로, 선택적 코팅 (11) 은 반사 코팅, 태양 흡수층 (13) 그리고 가능한 대로 반사 방지층에 의해 형성된다.
고 반사 코팅은 또한 IR 미러로 칭한다. 이롭게, 그 층은 높은 태양 흡수 및 낮은 IR 방사율을 가지며, 반사 방지층은 태양 흡수를 개선한다.
반사 방지층 (14) 의 외부 표면은 태양 흡수를 증가시키고 표면 반사를 최소화하도록 텍스처링될 수 있다. 텍스처링은 임의의 적절한 방법들에 의해 적용될 수 있다.
예를 들어, 상부에 SiO2 반사 방지층을 갖거나 또는 다른 반사 방지 재료로 이루어진, Cr/Cr2O3, Mo/Al2O3 또는 W/Al2O3 의 서밋 (cermet) 과 함께 플래티늄 기재 IR 미러를 포함하는 스택이 사용될 수 있다. 다른 옵션은 SiO2 반사 방지층의 부가로 또는 부가없이, 내고온성 염료들을 함유하는 선택적 페인팅을 사용하는 것일 수 있다.
특정 실시형태에서, 확산 배리어층은, 특히 튜브가 P195GH, 13CrMo44, 10CrMo9-10 튜브들 중에서 선정될 때, 선택적 코팅에 부가될 수 있다. 이 경우 이러한 확산 배리어층은 튜브 (2) 의 외부 표면과 직접 접촉하도록 배열된다. 선택적 코팅의 층들은 확산 배리어층 (12) 에 의해 튜브 (2) 로부터 분리된다. 이롭게, 확산 배리어층 (12) 은 임의의 산화 종들, 예컨대 02 또는 그 이온들의, 대기로부터 튜브 (2) 로, 또는 그와는 반대로 기판 (2) 의 원자들로부터 태양 흡수체층으로 및/또는 외부 층으로부터 기판 (2) 으로의 확산을 감소 또는 방지한다. 확산 배리어층 (12) 은 적어도 내화성 재료, 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, Al2O3, Cr2O3, 니켈-크롬 합금, 코발트-크롬 합금, WC, ZrB2, 또는 ZrB2 와 SiC 의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 확산 배리어층 (12) 의 두께는 이롭게는 25 μm 를 초과하고, 바람직하게는 40 μm 와 200 μm 사이를 포함한다.
또 다른 실시형태에 있어서, 선택적 코팅은 확산 배리어 역할 및 흡수층 역할의 양자 모두를 수행하는 적어도 하나의 층을 포함한다.
태양 흡수체 바디 (1) 를 제조하기 위한 방법은,
- 선택적 코팅을 가지고 또는 선택적 코팅 없이, 열 전달 매체 (10) 를 포함하도록 설계된 튜브 (2) 를 제공하는 단계,
- 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리 (3) 를 튜브 (2) 에 삽입하는 단계로서, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 에서 적어도 2 개의 종방향 통로들을 정의하도록 설계되고, 상기 통로들 (4) 은 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에 인접하며, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 튜브 (2) 를 통해 연속적인 열적 브리지를 생성하도록 설계되는, 상기 튜브 (2) 에 삽입하는 단계,
- 튜브 (2) 및 핀들의 어셈블리 (3) 를 냉간 인발하여, 튜브 (2) 내부로 핀들의 어셈블리를 크림핑하는 단계,
- 적어도 튜브의 제 1 부분의 외부 표면 상에 선택적 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.
핀들의 어셈블리는 튜브 내부에 자동으로 또는 반자동으로 삽입될 수 있다.
냉간 인발 동작은 튜브 (2) 내부로의 핀들의 어셈블리 (3) 의 크림핑을 보장한다. 튜브 (2) 및 핀들의 어셈블리 (3) 는, 이롭게, 단일 엔티티, 단일 바디를 형성한다.
이롭게, 냉간 인발 프로세스는 매우 우수한 직진도를 갖는 튜브 (2) 를 획득하는 것을 가능하게 한다. 부가적으로, 이것은 다양한 직경들에 대해 적합하다. 이것은 정확하고 재생가능한 방법이다. 튜브의 획득된 표면은 어플리케이션의 광학적 그리고 기계적 요건에 대해 적절한 저조도 및 기계적 특성들을 각각 나타낸다.
핀들의 어셈블리 (3) 를 튜브 (2) 에 삽입하기 전에, 부식을 방지하기 위해 표면 패시베이팅 동작이 핀들의 어셈블리 (3) 및/또는 튜브 (2) 상에 수행될 수도 있다.
냉간 인발 단계 후에, 태양 흡수체 바디 (1) 를 제조하기 위한 방법은, 튜브 (2) 상에 선택적 코팅 (11) 을 성막하는 단계를 포함한다. 제 1 단계에서, 확산 배리어층 (12) 은 열적 분사에 의해 튜브 (2) 의 외부 표면 상에 성막될 수 있다.
후속하여, 태양 흡수체층 (13) 이 확산 배리어층 (12) 상에 성막된다. 태양 흡수체층 (13) 은 물리 기상 증착에 의해 성막될 수 있다.
바람직하게, 확산 배리어층 (12) 및 태양 흡수체층 (13) 은 냉간 인발 단계 후에 튜브 상에 성막된다.
획득된 태양 흡수체 바디 (1) 는 태양 파장 범위 이상의 높은 스펙트럼 흡수 용량을 가지며, 즉 이 흡수체 바디는 입사 태양 방사선을 흡수하고 그것을 인접 층으로의 전도에 의해 전달되는 다른 에너지, 즉 열로 변환한다. 높은 흡수 용량에 의해, 재료는 스펙트럼 범위 300nm < λ < 1600nm 에서의 입사 태양 방사선의 80% 초과 사이를 흡수하는 것을 이해하며, 입사 방사선의 높은 산출량에 의해, 태양 흡수체 바디에서의 열적 및 광학적 손실은 25 % 미만임을 이해한다. 손실은 예를 들어 분광 광도법에 의해 정량화될 수 있다. 이것은 태양 흡수체 바디 (1) 가 소량의 열만을 역조사하고 단지 반사를 통해 입사 태양 방사선의 경미한 양만을 손실한다는 것을 의미한다.
발명은 한정이 아닌 예시의 목적을 위해 상술한 실시형태들에 제한되지 않는다.
특히, 발명은 열 전달 매체로서 사용된 모든 튜브들에 적용될 수 있으며, 상기 튜브는 열 전달 매체, 특히 튜브 주위에 이종으로 분포된 외부 소스를 수반하는 것들을 포함한다.
Claims (15)
- 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1) 로서,
상기 태양 흡수체 바디 (1) 는
- 열 전달 매체 (10) 를 포함하도록 설계되고, 일광에 노출되도록 설계된 제 1 부분 및 일광에 노출되지 않도록 설계된 제 2 부분을 포함하는, 튜브 (2),
- 열 전도성 재료로 이루어진 핀들의 어셈블리 (3), 및
- 상기 튜브 (2) 의 상기 제 1 부분의 적어도 외부 표면 상에 배열되는 선택적 코팅을 포함하고,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브 내측에서 적어도 2 개의 종방향 통로들 (4) 을 정의하고, 상기 통로들 (4) 은 상기 튜브의 종축에 수직인 단면 평면에 인접하며,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브의 상기 제 1 부분의 내부 표면의 적어도 일부로부터 상기 튜브의 상기 제 2 부분의 내부 표면의 적어도 일부까지 상기 튜브 내측에서 연속적인 열적 브리지를 생성하도록 구성되는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브에서 3 과 8 사이의 종방향 통로들을 정의하는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 2 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 별 형상 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 3 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 외부 케이싱 (6) 을 갖고, 상기 외부 케이싱 (6) 은 상기 튜브 (2) 의 내부 부분과 접촉하고 상기 별 형상 구조의 적어도 2 개의 지점들 (5) 을 접속시키는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 별 형상 구조의 지점들 (5) 의 교차점에 위치된 차단 엘리먼트 (7) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 40W/m.K 이상, 그리고 바람직하게는 200W/m.K 보다 높은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 6 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 알루미늄 합금, 강 또는 구리 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브 (2) 내부로 크림핑 (crimp) 되는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜브 (2) 는 적어도 핀들의 부가 어셈블리 (8) 를 포함하고, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 는 상기 튜브 (2) 에서 종방향 통로들 (4) 의 제 1 그룹을 정의하고, 상기 핀들의 부가 어셈블리 (8) 는 상기 튜브 (2) 에서 종방향 통로들 (9) 의 제 2 그룹을 정의하며, 상기 제 1 그룹의 종방향 통로들 (4) 은 상기 튜브 (2) 의 종축에서 상기 제 2 그룹의 종방향 통로들 (9) 에 대해 시프트되는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜브 (2) 는 심리스 (seamless) 튜브, 그리고 이롭게는 심리스 냉간 인발된 (cold drawn) 튜브인 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜브 (2) 는 철, 니켈, 또는 티타늄 합금, 또는 12.5% 미만의 크롬 함량을 갖는 강, 예컨대 P195GH, 13CrMo44, 10CrMo9-10, X10CrMoVNb9-1 및 X11CrMoWVNb97 로 이루어진 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선택적 코팅 (11) 은 반사 코팅, 태양 흡수층 (13), 및 가능하게는 반사 방지층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 흡수체 바디 (1) 는 상기 튜브 (2) 의 외부 표면과 직접 접촉하는 확산 배리어층 (12) 을 포함하고, 상기 선택적 코팅은 상기 확산 배리어층 (12) 에 의해 상기 튜브 (2) 로부터 분리되는, 집광형 태양 전력 시스템을 위한 태양 흡수체 바디 (1). - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 태양 흡수체 바디 (1) 를 제조하기 위한 방법으로서,
- 상기 튜브 (2) 를 제공하는 단계,
- 상기 핀들의 어셈블리 (3) 를 상기 튜브 (2) 에 삽입하는 단계;
- 상기 튜브 (2) 및 상기 핀들의 어셈블리 (3) 를 냉간 인발하여, 상기 핀들의 어셈블리 (3) 를 상기 튜브 (2) 내부로 크림핑하는 단계; 및
- 상기 튜브 (2) 의 상기 제 1 부분의 적어도 외부 표면 상에 상기 선택적 코팅을 형성하는 단계를 포함하는, 태양 흡수체 바디 (1) 를 제조하기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 핀들의 어셈블리 (3) 를 상기 튜브 (2) 에 삽입하기 전에, 상기 핀들의 어셈블리 상에서 사전 처리 동작이 수행되는 것을 특징으로 하는, 태양 흡수체 바디 (1) 를 제조하기 위한 방법.
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