KR20190009564A

KR20190009564A - 태양열 집열관

Info

Publication number: KR20190009564A
Application number: KR1020170091480A
Authority: KR
Inventors: 심용군
Original assignee: 심용군
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-01-29

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 외관과 내관을 포함하고, 상기 외관과 내관은 사이에 진공부를 형성하고, 상기 외관은 유리 재질로 이루어지고, 상기 내관은 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 집열관{Solar Energy Collecting Pipe}

본 발명은 태양열 집열관에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 내관과 외관 사이에 진공부를 형성하되, 상기 내관은 금속 재질로 이루어지고, 상기 외관은 유리 재질로 이루어진 것을 특징으로 하여, 상기 내관으로 유동하는 열매체에 의한 상기 내관의 파손을 방지할 수 있어 종래 태양열 집열관에 비하여 향상된 내구성 및 집열효율을 가지는 태양열 집열관에 관한 것이다.

근래 화석 연료 자원의 고갈과 환경오염 등에 따른 문제로 자연 에너지의 활용에 대한 필요성이 커지고 있는 가운데 무한한 에너지원이라고 할 수 있는 태양열을 이용하여 전기를 생산하는 태양열 발전이나, 태양열을 이용한 보일러 시스템에 관한 연구 및 기술개발 역시 활발하게 이루어지고 있다. 태양열 발전이나 태양열 보일러 시스템은 태양광선의 파동으로서의 성질을 이용하는 것으로, 태양이 복사하는 열에너지를 흡수하여 열매체를 가열한 뒤 이를 발전, 난방이나 급탕 등에 활용하는 것이다.

태양열 발전이나 태양열 보일러 시스템은 공통적으로 태양열을 집열하여 열로 변환하여 주는 집열부를 필요로 하는데, 집열부는 태양열 집열관을 포함한다. 종래에는 태양열의 열손실을 최소화하고 집열효율을 높이기 위하여 태양열 집열관을 이중진공관으로 구성하는 기술이 사용되고 있다.

도 1에는 종래 태양열 집열관의 횡방향 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 종래 태양열 집열관의 일단부의 종방향 단면도가 나타나 있다. 이를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 종래 이중진공관 구조의 태양열 집열관은 외관(100)과 상기 외관(100)의 내부에 상기 외관(100)과 간격을 두고 설치되는 내관(300)을 포함하고, 상기 외관(100)과 상기 내관(300) 사이에는 진공부(500)을 형성하여, 상기 외관(100)을 투과한 태양광이 복사 형태로 상기 내관(300)에 도달할 수 있게 구성되어 있다. 상기 내관(300)의 내부로는 열매체가 진행하는데, 상기 내관(300)에 복사 형태로 도달한 태양열이 복사열로 흡수되어 상기 열매체를 가열하게 된다.

도 1 및 2에 나타난 바와 같은 종래 태양열 집열관은 상기 외관(100)과 상기 내관(300)이 모두 유리 재질로 이루어져 있으며, 상기 내관(300)의 표면에는 복사열의 효율적인 흡수를 위해 흡수코팅층(310)이 형성되어 있다. 그러나 유리 재질은 열에 의한 충격에 대한 내구성이 약한 관계로 상기 내관(300) 내를 진행하는 열매체가 가열되면서 발생하는 열 충격으로 인하여 상기 내관(300)에 손상이 발생하는 경우가 빈번하게 발생하였다. 따라서 태양열 집열관의 수명 및 교체주기가 짧아 태양열을 이용한 발전이나 보일러 시스템의 경제성을 저하시키는 문제가 발생하고 있는 실정이다.

공개특허 10-2012-0124300 "태양열 진공집열관 및 그 집열장치", 2012. 11. 13

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

본 발명의 목적은, 태양열 발전의 효율성 및 경제성을 향상시킬 수 있도록 내구성 및 효율성이 개선된 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 내관과 외관 사이에 진공부를 형성하고, 상기 외관은 유리 재질로 이루어지되, 상기 내관은 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하여, 상기 내관으로 유동하는 열매체에 의한 상기 내관의 파손을 방지할 수 있어 종래 태양열 집열관에 비하여 향상된 내구성을 가지는 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 내관과 상기 외관 사이의 진공상태가 상기 내관의 파손으로 인하여 훼손되는 것을 방지하여 열대류 현상을 차단함으로써, 집열에 있어서 높은 효율성을 보여주는 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 내관이 금속재질로 이루어지면서도 상기 내관은 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함함으로써 상기 내관의 열변형으로 인한 문제를 방지하여 주는 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 변형흡수부가 상기 내관의 길이방향의 단부 또는 상기 내관의 길이방향의 단부에서 외측으로 연장되어 상기 외관과 접합되는 연장부에 형성됨으로써 상기 내관의 열변형으로 인하여 상기 외관이 파손되는 것을 효과적으로 방지하여 주는 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 내관은 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 외관은 상기 내관에 접합되어 있고, 상기 변형흡수부는 상기 내관이 열에 의해 변형되어 상기 내관과 상기 외관의 접합 부위가 파손되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 변형흡수부는 신축부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 내관은, 내부에 열매체가 유동하도록 통로를 형성하는 본체부와, 상기 본체부의 양 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관의 본체부와 상기 외관 사이에 일정 간격을 형성시키는 연장부와, 상기 연장부의 외측 단부에서 상기 외관과 평형하게 연장 형성된 신축부와, 상기 신축부에서 연장 형성되어 상기 외관과의 접합 부위를 형성시키는 접합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 내관은, 내부에 열매체가 유동하도록 통로를 형성하는 본체부와, 상기 본체부의 양 단부에서 길이방향으로 연장 형성된 신축부와, 상기 신축부의 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관의 본체부와 상기 외관 사이에 일정 간격을 형성시키는 연장부와, 상기 연장부의 외측 단부에서 연장 형성되어 상기 외관과의 접합 부위를 형성시키는 접합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 내관은 티타늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 태양열 집열관은, 상기 티타늄은 산화처리된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전술한 구성을 통해 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 태양열 발전의 효율성 및 경제성을 향상시킬 수 있도록 내구성 및 효율성이 개선된 태양열 집열관을 제공하는 효과가 있다.

본 발명은 내관과 외관 사이에 진공부를 형성하고, 상기 외관은 유리 재질로 이루어지되, 상기 내관은 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하여, 상기 내관으로 유동하는 열매체에 의한 상기 내관의 파손을 방지할 수 있어 종래 태양열 집열관에 비하여 향상된 내구성을 가지는 태양열 집열관을 제공하는 효과를 나타낸다.

본 발명은 상기 내관과 상기 외관 사이의 진공상태가 상기 내관의 파손으로 인하여 훼손되는 것을 방지하여 열대류 현상을 차단함으로써, 집열에 있어서 높은 효율성을 보여주는 태양열 집열관을 제공하는 효과를 발휘한다.

본 발명은 상기 내관이 금속재질로 이루어지면서도 상기 내관은 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함함으로써 상기 내관의 열변형으로 인한 문제를 방지하여 주는 태양열 집열관을 제공하는 효과를 보여준다.

본 발명은 상기 변형흡수부가 상기 내관의 길이방향의 단부 또는 상기 내관의 길이방향의 단부에서 외측으로 연장되어 상기 외관과 접합되는 연장부에 형성됨으로써 상기 내관의 열변형으로 인하여 상기 외관이 파손되는 것을 효과적으로 방지하여 주는 태양열 집열관을 제공하는 효과를 보유한다.

도 1은 종래 태양열 집열관의 횡방향 단면도
도 2는 종래 태양열 집열관의 일단부의 종방향 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 사시도
도 4는 도 3의 A-A' 부분의 단면도
도 5는 도 3의 B-B' 부분의 단면도
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 사시도
도 7은 도 6의 C-C' 부분의 단면도
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 종방향 단면도

이하에서는 본 발명에 따른 태양열 집열관을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 사시도가 도시되어 있다. 또한, 도 4에는 도 3의 A-A' 부분의 단면도가 나타나 있고, 도 5에는 도 3의 B-B' 부분의 단면도가 도시되어 있다. 도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 집열관은 외관(1), 내관(3) 및 진공부(5)를 포함한다.

상기 외관(1)은 본 발명의 태양열 집열관이 가지는 이중진공관 구조에서 외측부를 형성하는 부분이다. 상기 외관(1)의 길이방향의 양단부는 상기 내관(3)과 접합되어 상기 외관(1)과 상기 내관(3) 사이에 진공부(5)를 형성할 수 있다.

상기 외관(1)을 통해서는 태양광의 투과가 이루어져야 하므로 상기 외관(1)은 유리 재질로 이루어진다. 상기 외관(1)을 통해 투과한 태양광은 상기 외관(1)와 상기 내관(3) 사이에 형성된 진공부(5)를 통해 복사 형태로 진행하여 상기 내관(3)에 복사열로 흡수되게 된다.

구체적으로, 상기 외관(1)의 재질로는 유리 소다(산화나트륨), 석회(산화칼슘), 규산(이산화규소)을 주성분으로 하는 소다석회 규산염계 유리, 규산 대신에 붕산을 주체로 하는 유리로 붕산을 적어도 5% 이상 함유하며, 붕소를 첨가함으로써 팽창계수가 저하하여 화학적 내성 및 내열충격성이 우수한 봉규산 유리, 산화철 함량이 낮아 광투과율이 우수한 저 철분유리 등이 사용될 수 있다.

물론, 상기 외관(1)의 재질이 나열한 예에 한정되는 것은 아니며, 태양광의 투과가 가능하고 일정 수준 이상의 내구성이 확보되는 것을 전제로 다양한 유리 재질이 사용될 수 있다.

상기 내관(3)은 본 발명의 태양열 집열관이 가지는 이중진공관 구조에서 내측부를 형성하는 부분이다. 상기 내관(3)의 길이방향 양 단부에 상기 외관(1)의 길이방향 양단부가 각각 접합되어 상기 내관(3)과 상기 외관(1) 사이에 진공부(5)를 형성할 수 있다. 상기 내관(3)의 내부에는 열매체가 유동하는데, 상기 외관(1)을 투과하여 상기 외관(1)과 상기 내관(3) 사이의 진공부(5)를 통해 복사 형태로 진행한 태양광이 복사열로 상기 열매체에 흡수됨으로써 태양열의 집열이 이루어지게 된다.

상기 내관(3)은 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 내관(3)은 티타늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 산화처리된 티타늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다. 티타늄은 질량 대 강도의 비가 큰 금속으로서 상기 내관(3)의 강도를 우수하게 만들어주면서도 경량화도 가능하게 해준다. 특히, 산화처리된 티타늄 재질은 내식성이 우수하므로 열매체에 의한 부식 등에도 매우 강한 저항성을 보인다.

상기 내관(3)은 티타늄 재질, 산화처리된 티타늄 재질로 한정되는 것은 아니며, 티타늄 합금, 스테인리스 강 등 다양한 금속 재질로 이루어질 수도 있으며, 스테인리스 강에 티타늄이 코팅되는 형태로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 내관(3)은 이와 같이 유리에 비하여 강도와 내식성 등이 우수한 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서 내관과 외관이 모두 유리 재질로 이루어진 종래 이중진공관 구조의 태양열 집열관이 가지고 있는 내관의 내구성 문제를 해결하여 준다. 즉, 종래 유리 재질의 내관은 내부를 유동하는 열매체의 충격에 의하여 쉽게 파손되고, 이로 인하여 내관과 외관 사이의 진공 상태가 훼손되어 열대류 현상이 발생함으로써 태양열 집열관의 집열 성능이 떨어지는 문제가 있었는데, 본 발명은 상기 내관(3)을 내구성이 우수한 금속 재질로 형성하여 태양열 집열관의 내구성을 개선시켜 준다. 그 결과 본 발명에 의할 경우 태양열 집열관의 수명이 늘어나고, 집열 효율성도 반영구적으로 유지될 수 있게 된다.

도 3 및 5를 살펴보면, 상기 내관(3)은 본체부(31), 연장부(33) 및 접합부(35)를 포함할 수 있다. 상기 본체부(31)는 내부에 열매체가 유동하도록 통로를 형성하는 부분이다. 또한, 상기 연장부(33)는 상기 본체부(31)의 양 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관(3)의 본체부(31)와 상기 외관(1) 사이에 일정 간격을 형성시키는 부분이다. 또한, 상기 접합부(35)는 연장부(33)의 외측 단부에서 연장 형성되어 상기 외관(1)과의 접합 부위(D)를 형성시키는 부분이다.

이와 같이 상기 연장부(33)에 의하여 상기 내관(3)과 상기 외관(1) 사이에 일정한 간격이 형성되고, 상기 연장부(33)의 외측 단부에서 연장 형성된 접합부(35)에 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 접합 부위(D)를 형성시킬 경우, 도 4에 나타난 바와 같이 상기 내관(3)의 본체부(31)와 상기 외관(1) 사이에 진공부(5)가 형성된다. 이러한 이중진공관 구조를 통해 태양열의 집열이 효율적으로 이루어질 수 있다.

상기 진공부(5)는 상기 외관(1)과 상기 내관(3) 사이에 형성되어 상기 외관(1)을 투과한 태양광이 복사 형태로 상기 내관(3)에 도달할 수 있도록 진공 상태를 제공하는 부분이다. 전술한 바와 같이, 상기 내관(3)의 내부에는 열매체가 유동하는데, 상기 외관(1)을 투과한 태양광이 상기 진공부(5)를 통해 복사 형태로 진행하여 복사열로 상기 내관(3) 내부의 열매체로 전달된다.

본 발명의 일 실시시예에 나타난 바와 같이, 상기 내관(3)을 금속 재질로 형성할 경우, 상기 내관(3)의 내구성을 강화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 열팽창계수가 상이하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 상기 내관(3)은 금속 재질로서 유리 재질에 비하여 큰 열팽창계수를 가지므로 상기 내관(3) 내의 열매체에 열이 전달되면서 상기 내관(3)에 열변형이 발생하게 되면 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 접합 부위의 파손이 발생할 위험이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 아래에 나타난 바와 같은 다른 실시예들을 제공한다.

도 6에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 사시도가 나타나 있고, 도 7에는 도 6의 C-C' 부분의 단면도가 도시되어 있다.

도 6 및 7을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관은 상기 내관(3)이 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 변형흡수부는 상기 내관(3)이 열에 의해 변형되어 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 접합 부위(D)가 파손되는 것을 방지하여 주는 역할을 수행한다.

조금 더 상세하게 살펴보면, 도 6 및 7에 나타난 실시예에서 상기 변형흡수부는 상기 내관(3)의 연장부(33)의 외측 단부에 형성된 신축부(37)로 이루어져 있다. 상기 신축부(37)는 상기 연장부(33)의 외측 단부에서 상기 외관(1)과 평형하게 연장 형성되어 있으며, 벨로우즈(bellows) 타입의 관으로 형성되어 있다.

이와 같이 상기 변형흡수부가 상기 연장부(33)의 외측 단부에서 상기 외관(1)과 평형하게 연장 현성된 신축부(37)로 형성될 경우 상기 내관(3) 내의 열매체가 가열되어 상기 내관(3)에 열에 의한 변형력이 발생하더라도 상기 신축부(37)의 신장을 통해 변형을 흡수할 수 있게 된다. 그 결과 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 접합 부위(D)에 상기 내관(3)의 열변형으로 인한 스트레스나 충격이 전달되지 않으며, 접합 부위(D)의 파손의 발생을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 연장부(33)는 상기 내관(3)의 단부에서 외측 방향으로 일정 각도 경사지어 연장되어 있는데, 상기 연장부(33)가 수직으로 연장되는 경우와 비교하여 상기 신축부(37)에 의한 열변형의 흡수를 효율적으로 달성할 수 있다는 측면에서 바람직하다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관의 종방향 단면도가 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양열 집열관 역시 상기 내관(3)이 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 다만, 도 6 및 7에 나타난 실시예와 비교하여 상기 변형흡수부가 상기 내관(3)의 본체부(31)의 양 단부에서 길이방향으로 연장 형성된 신축부(37)로 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다.

도 8에 나타난 실시예에서 상기 신축부(37)는 상기 본체부(31)의 양 단부에서 길이방향으로 연장 형성된 벨로우즈 타입의 관으로 되어 있으며, 상기 연장부(33)는 상기 신축부(37)의 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관(3)의 본체부(31)와 상기 외관(1) 사이에 일정 간격을 형성시키고 있다. 또한, 상기 접합부(35)는 상기 연장부(33)의 외측 단부에서 연장 형성되어 상기 외관(1)과의 접합 부위(D)를 형성시켜 준다.

상기 변형흡수부는 이와 같이 상기 내관(3)의 본체부(31)의 양 단부에서 길이방향으로 연장 형성된 신축부(37)로 형성될 수 있으며, 이 경우에도 도 6 및 7에 나타난 실시예와 마찬가지로 상기 내관(3) 내의 열매체가 가열되어 상기 내관(3)에 열에 의한 변형력이 발생하더라도 상기 신축부(37)의 신장을 통해 변형을 흡수할 수 있게 된다. 그 결과 상기 내관(3)과 상기 외관(1)의 접합 부위(D)에 상기 내관(3)의 열변형으로 인한 스트레스나 충격이 전달되지 않으며, 접합 부위(D)의 파손의 발생을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 연장부(33)는 상기 신축부(37)의 단부에서 외측 방향으로 연장될 때, 일정 각도 경사지어 연장되어 있는데, 상기 연장부(33)가 수직으로 연장되는 경우와 비교하여 상기 신축부(37)에 의한 열변형의 흡수를 효율적으로 달성할 수 있다는 측면에서 바람직하다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 외관
3: 내관
31: 본체부 33: 연장부
35: 접합부 37: 신축부
5: 진공부

Claims

외관과 내관을 포함하고,
상기 외관과 내관은 사이에 진공부를 형성하고,
상기 외관은 유리 재질로 이루어지고,
상기 내관은 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제1항에 있어서,
상기 내관은 열에 의한 변형을 흡수하는 변형흡수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제2항에 있어서,
상기 외관은 상기 내관에 접합되어 있고, 상기 변형흡수부는 상기 내관이 열에 의해 변형되어 상기 내관과 상기 외관의 접합 부위가 파손되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제3항에 있어서,
상기 변형흡수부는 신축부로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제4항에 있어서,
상기 내관은,
내부에 열매체가 유동하도록 통로를 형성하는 본체부와,
상기 본체부의 양 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관의 본체부와 상기 외관 사이에 일정 간격을 형성시키는 연장부와,
상기 연장부의 외측 단부에서 상기 외관과 평형하게 연장 형성된 신축부와,
상기 신축부에서 연장 형성되어 상기 외관과의 접합 부위를 형성시키는 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제4항에 있어서,
상기 내관은,
내부에 열매체가 유동하도록 통로를 형성하는 본체부와,
상기 본체부의 양 단부에서 길이방향으로 연장 형성된 신축부와,
상기 신축부의 단부에서 외측으로 연장되어 상기 내관의 본체부와 상기 외관 사이에 일정 간격을 형성시키는 연장부와,
상기 연장부의 외측 단부에서 연장 형성되어 상기 외관과의 접합 부위를 형성시키는 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내관은 티타늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
제8항에 있어서,
상기 티타늄은 산화처리된 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.