KR890000869B1 - 전자 에너지 흡수장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전자 에너지 흡수장치

제1도는 본 발명을 실시한 튜브형 태양 에너지 수집기를 도시하는 일부 절제 측면도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한 단면도.

제3도는 본 발명을 실시한 튜브형 수집기의 도 하나의 실시예의 일부 절제 측면도.

제4도는 제3도의 선 4-4를 따라 취한 단면도.

제5도는 본 발명의 덜 좋은 실시예를 도시하는 튜브형 흡수 장치의 사시도.

제6도는 제5도이 선 6-6을 따라 취한 단면도.

제7도와 8도는 주름통(bellows)에 부착되는 다른 구조의 흡수 튜브를 갖는 튜브형 수집기 실시예를 표시하는 일부 절제 측면도.

제9도는 인접하여 나열된 상태로 조립딘 흡수 튜브를 도시하는 횡단면도.

제9a도는 홈들이 확대되어 있는 제7도와 9도에 도시된 바와 같이 평행 홈들을 갖는 흡수 튜브의 개략적인 평면도.

제9b도는 나선형 홈들에 대해 각도 5를 가지고 음영효과(shading effect)와 감소를 도해하기 위해 홈들이 확대되어 있는 제8도에 도시된 바와 같이 나선형 홈들을 갖는 흡수 튜브이 개략적인 평면도.

제10도, 10a도와 10b도는 3개의 수집기의 외부 원통형 유리 튜브와 냅의 흡수 튜브의 종단면도.

제11도, 11a도와 11b도는 제10도, 10a도 및 10b도에 도시된 수집기의 횡단면도.

제12도, 제12a도, 12b도, 12c도와 12d도는 다른 구조를 가진 홈들의 측단면도로서, 제12도는 삼각형 홈의 도면, 제12a도는 불평행 측벽을 갖는 U형 단면의 도면, 제12b도는 홈들을 분리시키는 정점 융기를 갖는 직사각형 홈의 도면, 제12c도는 홈들 사이에 얇은 간막이가 있는 직사각형 홈의 도면, 제12d도는 평행 측벽을 갖는 U형 단면홉의 도면.

제13도, 13a도, 13b도는 태양으로부터의 평행 방사 에너지의 방향각과 흡수장치의 구조 사이의 관계를 도시한 도면.

본 발명은 태양 에너지와 같은 전자 방사 에너지를 비교적 저렴하고 효율적인 흡수장치를 통하여 열교환 형태로 흡수하여서 수집 및 변환시키는 것에 관한 것이다.

특히 본 발명의 튜브형 태양 에너지의 수집기에 관한 것으로, 이 튜브형 태양 에너지 수집기는 새로운 흡수 장치로서 열 혹은 에너지 교환용 유체 작용 매체를 전달, 순환시키기 위한 다기관(manifold)에 연결되는 일 열의 튜브 수집기로 작동된다.

태양의 방사 에너지는 2가지 주성분으로 이루어지며, 그중 하나는 어떤 주어진 시간에서도 태양의 위치로부터 지표에 입사되는 평행광선이다. 태양 에너지의 또 하나이 성분은 확산 방사 에너지이다. 이 성분은 지표의 여러 방향에서 얻어질 수 있으며 평행하지 않다. 태양 에너지를 수집하는데 있어서 한가지 기본적인 장치는 소위 평판 수집기들이 배열된 구조로 된다. 이것은 가장 간단한 형태로는 평판 수잡장치가 열을 흡수하는 흑체(black body)로 작용하도록 만들어진 에너지 흡수 평판위에 배치되는 한장의 유리 혹은 투명물질로 이루어진다. 흡수면의 뒤에서는 가스 혹은 유체형태의 열 교환 유체가 순환되어 태양열을 열교환 유체에 열교환시켜, 가열된 유체는 결국 집이나 수원 혹은 수영장을 덥히는데 사용된다. 평판 수집기에 에너지가 주로 흡수되는 것은 평행 광선이 머리위에 있거나 혹은 정오일때이다. 이때, 최대 에너지가 평판의 표면에 입사된다. 그러나 태양의 이동에 따라 평행 광선이 이동하면, 특히 적도에서 멀리 떨어져 있는 지역의 겨울에는, 평행 광선이 수평한 평면으로 들어오는 각도가 낮아져서 평행 광선의 입사각으로 인해 이용 가능한 에너지에 손실이 온다. 이 문제는 태양의 위치를 보상하기 위하여 평판 수집기의 경사각을 조절하여서 어느 정도 해결된다.

현재 사용중인 또 하나의 기본적인 태양 에너지 수집장치는 이중벽으로 된 튜브형 유리 수집기이다. 이 수집기는 하나의 유리 튜브가 나머지 하나의 유리 튜브의 내부에 있는 그둘 사이에 10^-4토르의 진공으로 되는 환형 공간이 형성되도록 함께 봉해진 동심 유리 튜브로 만들어진다. 외부의 ＂카버 튜브(cover tube)＂는 투명하고 내부의 ＂흡수 튜브＂는 진공 공간에 면한 표면이 선택적으로 코우팅된다. 선택적 코우팅은 내부의 유리 흡수장치 튜브의 외면에 알루미늄 박층(1000Å)을 진공 부착시켜서 되어진다. 그 다음은 크롬이 알루미늄 기층(substrate)위에 1500Å의 흑크롬으로서 전기 중착된다. 선택적 코우팅에 의해 흡수면은 흡수성이 0.8 혹은 그 이상으로 되며 적외선 방출이 0.1 혹은 그 이하로 된다. 동심 유리 튜브들은 액밀이 되게 다기관에 삽입되며 튜브들을 서로 교차접속시킨 다기관의 반대편을 딸 놓여져서 열교환 유체가 각 흡수 튜브안으로 펌핑되어 튜브들을 채우고 직렬로 된 튜브를 통해 펌핑되어 흡수 튜브에 의해 흡수된 태양 방사 에너지의 열을 추출 및 수집한다. 이런 형태의 태양 에너지 수집장치는 미합중국 특허 제3,952,724호, 제4,043,318호, 제4,018,215호, 제4,033,327호에 기술되어 있다.

이중벽 유리 수집기에는 확산 및 태양광이 흡수 튜브에 이르도록 다양한 반사가 설비된다. 예를 들어 미합중국 특허 제4,002,160호를 참조하면, 튜브형 유리 수집기들의 열(列)들은 평판형 수집기 보다 높은 출력은 도로 작동하는 장점이 있다. 그밖에도, 튜브형 유리 수집기는 평판 수집기 보다 무게가 작고 가격이 싸다.

예전에 태양 에너지 수집기 성능의 한가지 측정방법은 장파 열 방출(

)에 대한 단파 태양열 흡수(

) 비율이 있었다. 그러나 이 비율로는 실제 태양 에너지 수집기의 성능을 가장 적절히 결정할 수 없다. 왜냐하면 수집기의 성능이 태양에 대한 이 수집기의 방향에 따라 달라지기 때문이다. 어떤 태양 에너지 수집기에 있어서도 그 최대 성능은 그 표면이 태양 직사광에 수직 방향일 때만 얻어질 수 있다. 이같이 태양에 대한 방향이 고정된 태양 에너지 수집기에 있어서는 태양이 수집기의 평면에 수직일 때에만 최고 성능을 낸다. 이것은 태양력의 1년중 단지 짧은 기간동안 뿐이며

/

의 비율이 결코 높은 값(

/

=10)으로 되지 못하고 이같은 원리를 기초로한 공지의 수집기들은 50%이상의 효율로 카르노오 엔진(carnot engine)을 결코 운전할 수 없는 것이다. 태양 에너지는 광대한 것이며 비교적 개발되지 않은 에너지원으로 효율이 높고 구조가 간단한 태양 에너지 수집기가 요구되고 있다.

본 발명은 가스나 물 같은 유체 열 교환 매체로 작동되는 튜브형 수집기의 흡수장치를 제공한다. 이 흡수 장치는 회전 대칭이 되고 표면에 홈이 파져서 고성능으로 설계된다. 회전 대칭으로 되어서 태양 에너지를 360

전 각도에 걸쳐 같은 효율로 포착할 수 있으며, 한편 흡수 튜브의 홈 파진 구조에 의해 태양의 방향에 무관한 흡수 장치를 사용하는 태양 에너지 수집기를 사용할 수 있게 된다. 이들 특성에 의해, 본 발명의 태양 에너지 수집기는 태양의 직접 방사 에너지를 흡수 할 수 있으며 표면에서 직접 혹은 간접으로 반사되는 천체 도움(cele-stial dome) 전체에 포함되어 많은 양의 확산 에너지를 포착할 수 있다.

흡수 장치의 표면크기를 축소시킴으로써 방출 에너지를 줄일 수 있는 장점도 있다. 또 다른 장점들과 특징은 첨부도면을 참조하며 상세한 설명을 읽으면 이 기술분야에 숙련된 사람들이 쉽게 이해할 수 있음이 명백하다.

첨부도면을 참조하면, 제1도와 2도는 본 발명의 한 실시예를 도시하고 있으며 본 발명에 따른 튜브형 태양 에너지 수집기의 구조를 도시한다. 수집기(14)는 예를 들어 4에서 7피이트까지의 길이를 가지며, 형광등 튜브의 표준 직경과 비슷한 2인치 외부직경을 가지는 투명한 외부 유리 튜브(40)으로 만들어 진다. 내부 흡수 튜브(43)은 외부 튜브(40)의 내부에 배치되며(45)에서 외부 튜브에 봉해진다. 도시된 실시예에서, 내부 튜브(43)은 유리로 만들어지지만, 금속이나 플라스틱으로 만들어질 수도 있으며 벽을 따라 유리와 유리 혹은 유리와 금속 봉함으로 외부 튜브(40)에 봉해진다. 수집장치의 유리 튜브는 소다석회 유리 성분이나 규소 유리 성분의 공지된 표준 유리 형태로 만들어진다. 두 유리 모두 비교적 값이 싸다. 수집기(14)의 부품의 나머지는 플라스틱이나 금속으로 공지의 기술로 비교적 낮은 가격으로 쉽게 이루어진다. 흡수 튜브(43)은 Al-CrOx 화합물이나 적절한 합금, 혹은 희망하는 방출도와 흡수도를 가지는 그속 같은 흡수물질로 선택적으로 코우팅 될 수 있다.

튜브(40)과 (43)은 그 사이에 공간(46)이 마련되도록 다른 직경으로 만들어져야 한다. 공간(46)은, 단부벽을(45)에서 봉한 후에, 10^-4토르 정도의 진공으로 만들어진다. 진공은 외부 튜브(40)의 선단(51)에서 되어지고, 그것의 튜브형성은 공지의 공간 진공방법으로 되어진다. 공간(46)이 진공이 되므로써 수집기의 전도 및 대류 손실이 감소되고 제거될 것이다. 환형 교차 연결 튜브(47)은 수집기(14)의 튜브(43)의 닫혀진 단부 근처의 위치를 통하여 연장된다. 수집기는 교차 연결 튜브(47)만을 통하여 다기관 장치에 떼어질 수 있게 연결된 몇 개의 튜브형 수집기814)와 소통된다. 내부 튜브(43)에 입사되는 태양 에너지는 결과적으로 튜브(43)의 온도를 증가시킨다. 예를 들어 물등의 태양 에너지로 가열되는 작용 유체는 유체원으로부터 펌핑되어 적절한 입구를 통하여 다기관으로 들어간다. 본 발명이 유체 매체를 튜브로 공급하고 가열된 유체를 저장하거나 사용하기 위한 다기관 장치에 관한 것이 아니므로, 도면에는 설명을 쉽게 하기 위해 다기관 모둘(Module)이 포함되지 않았다. 그러나 본 기술에 숙련된 사람들에게는 그 상세한 구조가 명백할 것이다. 유체 매체는 내부 튜브(43)을 따라 그 안의 교차 연결 튜브(47)의 외부 둘레로 향해지며 수집기의 내부 튜브(43)의 내면과 열 교환 접촉이 된다. 유체는 튜브(43)의 길이를 따라 멀리 떨어진 단부 근처로 흘러가서 교차 연결 튜브(47)로 들어간다. 그곳에서부터, 유체는 튜브(47)의 길이를 따라 흘러서 가열된 유체를 열 교환기나 스팀 엔진등(도시되지 않음)과 같은 사용 장소로 보내는 이장치의 배출 파이프로 간다. 다기관 부분의 일열의 수집기들(14)는 필요에 따라 직렬로 연결되거나 다른 모둘 혹은 모둘들과 병렬로 연결된다. 흔히, 이 모둘은 8 혹은 12쌍의 수집기들로 구성되지만, 특별한 설비에 맞도록 그 숫자는 변할 수 있다.

내부 튜브(43)의 유리 표면 전 길이에 걸쳐서, 외부 표면(44)는 알루미늄, 동, 금 혹은 은 같은 방출도가 낮은 얇은 금속 코우팅으로 코우팅된다. 이 유리 튜브는 또한 태양 선택 코우팅으로 코우팅되어도 된다. (즉, 전이금속의 하나 혹은 여러가지와 적은 퍼센트(＜30%)로 합금된 동, 은 혹은 금을 포함한 귀금속 같은 흡수도가 높고 방출도 낮은 코우팅). 귀금속에는 금, 은 및 동이 포함된다. 금속 코우팅은 흡수 튜브(43)의 외부 표면에 얇은 층(1000에서 1500Å)의 금속을 진공 증착시켜서 만들어진다. 여기 기술된 이 같은 태양 선택 합금 코우팅은 그 자체만으로 본 출원의 발명이 아니며, 그러나 또 다른 특허출원의 주제가 될 수 있다. 이 같은 합금 코우팅의 사용은 본 발명의 홈이 나있는 흡수장치 구조와 함께 본 발명을 실현하는 잠정적인 최고의 방법으로 설명된다.

본 발명의 홈이 파진 흡수 튜브 구조와 함께 적용될 수 있는 종래 기술의 태양 선택 코우팅은 미합중국 특허 제4,016,860호, 제3,227,153호, 제3,173,801호, 제 3,920,413호와, 예일대학 출판사에서 발간된 (1964년) 페링톤 다니엘즈의 ＂태양 에너지의 직접적인 사용＂이란 제목의 책 제12장 및 그 책 제12장에 언급된 참조문헌 등의 문헌에 수록되어 있다.

흡수 튜브(43)의 외부 표면(44)는 제1, 3, 7 및 9a도에 도시된 바와 같은 흡수 튜브(43)의 회전축에 수직한 평행 홈들과 같이, 혹은 제8 및 9b도에 도시된 바와 같은 나선형 홈들과 같이 날카로운 삼각형 홈(44')의 형태로 형성될 수 있다. 여기 사용된 ＂홈＂이란 용어는 흡수 튜브(43)의 외부 표면에 있는 길고 좁은 벤 자리 혹은 결각을 뜻한다. 나선형에서나, 혹은 일련의 각 개의 평행홈의 형태에서와 같이 홈들은 연속으로 될 수 있다. 홈의 여러 단면구조가 제12도에서 12d도까지 도해되어 있으며, 여기서 r은 정상의 반경을 그리고 t는 두께를 나타낸다. 모든 도면에서 H/W의 비는 10보다 큰 것이 좋다. T/R의 비는 2이다. 제5도에 도시된 바와 같이, 흡수 튜브(43)은 또한 그 축이 회전축과 평행이 되는 세로 홈을 가져도 된다. 세로 홈이난 흡수 튜브들은 작동적으로 덜 바람직한데, 그 이유는 남-북 혹은 동-서의 튜브의 방향과는 무관하게, 흡수 장치 튜브의 위에 떨어지는 방사 에너지는 모든 홈들을 동일 입사각형으로 비추지 않을 것이고 따라서 직접 혹은 확산 방사 에너지를 포착하는 능력이 급속히 감소 할 것이기 때문이다.

제12b도와 12도의 삼각형 홈의 각이진 개방부(β)는 3

에서 30

까지 다양하며 홈의 깊이는 제12도에서 약 200미크론에서 1500미크론까지의 범위일 수 있다. 이 같은 고찰의 근거는 다음에 설명된 방정식 2와 3에 의한 것이다. 제12b도에서 H/W의 비는 방정식 2를 근거로 하면 10보다 크고 50보다 작아야 한다. 홈진 표면은 홈을 구성하는 주형내에 수용된 박벽의 흡수 튜브 내부에서 장악(charge)을 폭발시키거나 또는 선반 절단 혹은 연마등의 기계가공을 하거나 전기 화학적 밀이(milling)등에 의한것 같은 여러가지 수단으로 종래의 방법에 의해 이루어진다. 어떤 방법이 선택되더라도, 표면은, 비록 수마이크로 인치의 표면의 고르지 않은 것이 해롭다고 생각되지 않더라도, 거울처럼 다듬어져야 한다.

흡수 튜브에 사용되는 제12b도와 12도의 홈의 융기는, 비록 납작하거나 둥글게된 불완전한 유기의 직경이 20에서 25마이크로 인치가 넘지 않게하여 사용될 수 있지만 정상의 직경(t)이 100마이크로 인치가 되는 것이 좋다. 예컨대 제12도의 구조로는, 홈의 두벽 사이의 각 β와 홈의 거울면에 들어오는 방사에너지의 입사각 θi에 따라서 이 입사 에너지는 홈 내부에서 N 회의 연속적인 반사가 되어 N의 주 함수인 방사에너지 흡수도 A가 된다.

이 흡수도 A는 홈의 불투명한 물질의 반사도 R의 함수로 다음 관계로 더 쉽게 표현된다.

이에 의해 흡수도 A는 비교적 높은 반사도를 가진 물질에 대해서도 반사회수 N이 충분히 커지면 1에 접근함을 알 수 있다. N과

그리고 에너지 선의 입삭각θi 사이의 관계를 다음 식으로 주어진다.

제13a도에 도시된 바와 같이 태양의 직사광선에 대해 입사각θi는 천정각

의 함수로서의 다음 관계식에 의해 얻어진다.

이 입사각θi는 매 반사에 대해

와 같은 값 만큼 증가하며

일때는 태양의 직사광선에 대해 단지 1회만 반사된다.

이것은 N과 β, 혹은 R과 β, 혹은 N과 R사이에서 되어질 수 있는 상충관계를 보여준다. 커다란 홈으로 효율적으로 작동되기 위해서는, 반사도가 작은 물질이 사용되어야 하거나 혹은 태양 시간 각도

가 작아져야 한다. 즉, 태양 에너지가 포착되는 총 시간이 줄어들어야 할 것이다.

태양의 직사광선에 대해서는 홈의 축이 제13b도에 도시된 바와 같이 북-남으로 되어, N의 값이 태양의 황도상의 위치와 함께 변화한다. 즉, 태양의 광선은 일출과 정오 사이때는 홈의 우측벽을 때리고 반대로 정오에서 일몰까지는 좌측벽을 때린다. 제13a도에 도시된 바와 가타은 동-서 방향으로 된 홈으로는, 성능이 시간각

와는 무관하지만, 대신 위도

와 홈의 조사벽과 수명이 이루는 각도

에 따른 태양 경사각

에 의존될 것이다.

예를 들어 흡수 장치가 순수 알류미늄의 튜브 혹은 순수 알루미늄으로된 불투명 박막으로 코우팅된 유리 튜브로 만들어지고, 각도 β가 8

가 되는 홈을 가지고 있으며 그 축이 동-서 방향으로 되어있다고 가정하면, 지구에 도달하는 태양 에너지 스펙트럼내의 어떤 파장에서라도 흡수도 A는 최저 98%의 값에 이를 것이다. 773

K에서 전체 방출도 6%의 알루미늄으로도, 성취할 수 있는 비

/

는 16보다 클것이고, 그 다음에 지구에 도달하는 태양 에너지의 100밀리 왓트cm^-2에 대한 최소 단열회복 온도는 730

K가 되거나 카르노오 효율 60%가 될 것이다.

이들 결과는 고전적인 방식으로 얻어진다.

여기서 Ta는 주위온도이다.

제12도(b), 12(c), 12(d)도에 도시된 홈의 구조에서 홈들은 유리 흡수 장치에 불연속적인 패턴의 낮은 방출도 금속 혹은 다른 물질을 증착하거나 다른 방법으로 가하여서 형성될 수 있다. 제12도에 도시된 바와 같이 호의 높이(H)가 폭(W)에 비해 충분히 높을 때는(예를 들어 10 : 1 혹은 이상), 홈의 기부가 유리로 만들어졌다는 사실이 방출도의 손실에 큰 영향을 미치지 않는다.

예를 들어 태양의 직사광이 태양의 경사

와, 흡수 장치의 위도

, 그리고 태양시간 각도

의 함수로 다음 관계로 표시된다.

세로운 흡수 장치를 근거로한 태양 에너지 수집기의 성능이 근본적으로 태양의 방향과 무관하다는 것을 설명하기 위해, 이 튜브가 사용되는 위치가 고려되어야 한다. 일예로, 흡수 튜브가 그의 회전축이 남-북으로, 혹은 동서로, 혹은 튜브의 세로축이 이들 극단위치 사이의 어느 곳에서라도 땅에 수평하게 놓일 수 있다. 튜브의 표면 구조는 평행 홈이나, 하나 혹은 많은 피치의 나사홈이 파진 나선형 홈에 무관하게 만들어질 수 있다.

평행홈인 첫번째 경우, 이 튜브가 땅에 대해 평행하다면, 어떠한 위도에서도라도 홈의 벽은 수평과 각도Ψ를 이룰 것이다. 홈들이 나선형이라면 그 벽은 각 Ψ를 이루는 이외에도 남-북축 즉 경선이나 혹은 동-서축과 방위각

를 이룰 것이다. 태양의 직사광선이 표면의 수직방향과 이루는 각을 제공하는 여러가지의 각도를 고려한 일반 방정식은 하기와 같다.

여기서 태양 기울기

는 쿠우퍼 방정식(P.I. Cooper Solar Energy 12.3. (1969))으로 다음과 같이 주어진다.

여기서 D는 1년중의 날자이다.

흡수 장치 튜브가 튜브의 방향이 남-북으로 된 길이를 갖고 평행 홈들을 갖게 만들어질 때는 시간 각도

를 포함하고 있는 방정식이 없어지므로 식6은 간단해진다. 이것은 황도상에서 태양이 갖게될 시간 위치에 관계없이 홈의 각도

를 양분하는 축에 태양이 평행하게 될 것이라는 사실에서 오는 결과이다. 이것은 평행한 홈들을 가진 평판 흡수 장치를 태양이 움직이게 하는 것과 같은 효과를 낸다.

일예로, 평행 홈들의 축이 동서 방향인 흡수 장치에 식 6, 2 및 3을 적용하며, 예를 들어 40%의 최대 반사도를 가진 물질을 가정하면, 흡수도는 홈들의 벽들 사이의 각도인 각도

만의 함수로 되며, 예를 들어

=10

일때, 흡수도A는 적도위의 65

와 10

사이에 포함되는 어느 위도에 대해서도 동지중에는 100%로 일정하게 유지된다. 10

보다 작은 위도에 대해서는 흡수도는 감소하기 시작하여 북위 5

에서는 99.8%에 이른다. 그러나, 하지 동안에는 고위도에서 흡수도가 100%에 유지된다면, 354^-위도에서는 95.2%, 그리고 25

의 위도에서는 70.1%의 값으로 위도의 감소에 따라 흡수도가의 크기가 떨어진다. 이 예에서 흡수장치의 위치는 수평이었다.

그러나 흡수도는 각

의 값을 줄이거나 튜브를 기울임으로써 각 Ψ=90-

/2를 보정하여 어느 위도에서나 태양의 고도와 관계없이 100%에 유지될 수 있다. 예를 들면, 각

를 6

로 감소시키면 35

위도에서 하지때 95.2%에 비해 흡수도가 98.8%로 되며, 25

위도에서는

=10

일때 흡수도가 70.1%인데 비해 75.3%로 된다.

홈축이 튜브의 회전축에 수직이 되는 평행홈 구조 외에도 흡수장치의 홈은 나사홈과 같은 나선형도 가정할 수 있다. 나선형 홈은 그래도 평행한 홈이되며, 그러나 제8도에 도시된 바와 같이 홈축은 튜브의 회전축에 수직과 각 ζ를 이룬다. 오른 나사의 홈에 대해서, 튜브가 남북 방향으로 놓이며, 이것은 방위각

=ζ의 결과로 되고 오전에는 음이 되고 오후에는 양이되며 홈의 조사되는 벽은 동-서축에 평행하게 되지않고 이 축위에서 각도

-ζ 만큼 경사질 것이다. 만일 튜브가 동-서 방향으로 놓이면 방위각은

=90^-로 되어서 동쪽을 바라보는 홈의 벽은 오전시간 동안 조사될 것이며, 홈의 다른 벽은 오후 시간동안 조사될 것이다.

튜브의 방향이 남-북 혹은 동-서로 놓이는 것과 무관하게, 이 구조로서는 비 나선형 평행홈에 비하여 다음에 논거되는 이 구조 특유의 특징이외에는 아무 이득이 없다.

태양으로부터 적당한 양의 에너지를 수집하기 위하여 큰 면적의 수집면이 마련되어져야 하는데, 이것이 평판 수집기의 사용에 내포 되는 조건이다. 평행 혹은 나선형 홈들의 구조에 있는 홈이 파진 튜브형 구조는 홈의 양분축으로부터 큰 각도 범위내에서 작동할 수 있으므로, 이런 흡수 장치는, 특별히 홈의 표면이 거울면일 때, 입사광이 직사광이건 확산광이건 똑 같은 효율을 낸다. 결과적으로 홈이 있는 흡수 튜브(43)은 근접하게 혹은 제9도에 도시된 바와 같이 최적의 간격으로 나열되어 모아진다. 튜브들이 남-북 방향으로 놓인다고 가정하면, 제9도에서 흡수 튜브(43)의 반경 r1o, r2o 에 관련된 튜브들과 카버 튜브 사이의 주어진 간격 D에서 다음 관계로 주어지는 태양시간 각도

₀에서 음영이 생긴다.

₀=cos^-1[(r1o ＋r2o)/D] ……………………………… (8)

여기에서 D=4r2o이면, 각도

₀는 63

와 일치하거나 혹은 정오로부터 대략 4시간과 일치한다. 평행홈 튜브형 구조에서도 같은 결과가 얻어질 것이나, 경선과 튜브의 회전축 사이의 각이

가 되는 나선형 홈 튜브형 구조에서는 같은 결과가 얻어지지 않고

₀가 다음 식으로 표현된다.

₀=cos^-1{[(r1o ＋r2o)/D]cos

} ……………………………… (9)

이와 같이 되어서, 튜브형 수집기들 사이의 간격이 같아도 이 특수한 구조에서는 유용한 태양시간 각도

가 증가될 수 있다. 예를 들면, 나선각 ζ가 30

로 되는 다수의 나선홈이 있으면, 튜브 축간의 간격이 수집시간을 매일 2시간 증가시키는 것이 용이하다. 즉 수집시간이 25% 이득된다. 이 특징은 나선형 홈을 갖는 튜브형 구조의 독특한 특성이다.

본 발명의 흡수 장치에 홈들을 이용하는 것이 파장이 0.3μm에서 2.2μm까지의 범위가 되는 태양 에너지 흡수가 높아진다는 것이 밝혀졌다. 홈이 있는 구조를 사용하여 얻어지는 다중 반사로 인하여 흡수 튜브(43)은 적외선을 낮게 방출하면서 높은 흡수를 제공한다. 홈진 구조(44')는 그 위에 비추는 광파가 완전한 거울에서와 같이 즉 입사와 반사각이 거울면의 수직에 대해 같은 각이 되게 반사되도록 거울면 같이 끝처리 되는 것이 좋다. 그러므로, 홈의 표면이 낮은 흡수도를 가질지라도, 홈진 구조를 사용해서 성취되는 다중 반사에 의해 입사 태양 에너지의 흡수도가 99%이상으로 될 수 있다.

예를 들어 미합중국 특허 제4,154,220호에 기술된 바와 같이 동일 각도의 구조이고 동일 재료가 사용되었다고 가정하여도, 본 발명에서 제시된 튜브형 구조에 의해서는 회전 대칭의 장점이 있다. 평판의 경우에 있어서, 방출 표면적은 수집 표면적과 같으나, 반면에 튜브형 구조에서는 360

전체에 걸쳐서 같은 효율의 흡수를 할 수 있으므로 평판과 같은 개구가 있는 포물선 반사기의 초점에 놓여지는 작은 직경의 흡수 튜브는 다음과 같은 이득이 있다.

여기 기술된 홈진 흡수 장치는 제7도와 8도에 도시된 바와 같이 다른 구조로 실시될 수도 있다. 이 구조에서 주름통(53)은 유리 외부 튜브(40)와 흡수장치 사이의 온도 차이로 인한 흡수 장치의 길이의 변화를 흡수하기 위하여 흡수 튜브(43)에 부착된다. 주름통은 튜브의 일부로 만들어지거나 혹은 별도로 제조되어 흡수 튜브(43)에 용접될 수 있다.

제10도와 11도에 도시된 바와 같이, 방사 에너지의 흡수 장치는 태양광선의 직사광선이나 하늘 혹은 땅으로부터의 확산 방사 에너지의 어느 방사 입사각에 무관하게 전자 에너지를 수집하는데 있어서 그 효율을 달성하기 위해 회전 대칭에 의존한다. 제10도와 11도에 도시된 바와 같이 전자 에너지 수집기는 단순히 2개의 동심 튜브(40)과 (43)으로 이루어진다. 이 동심 튜브에서 내부 튜브(43)은 외부 직경이 r1o이고, 금속으로 만들어지거나 코우팅된 유리로 만들어지는 방사에너지 흡수 튜브이고 나머지 하나는 내부 직경이 r2i가 되는 투명한 유리로 만들어지는 외부 튜브(40)을 가리킨다.

홈진 구조물의 흡수도는 재료의 반사도와 호이 벽들 사이의 각도

와 그리고 태양반사와 입사각도의 함수이다. 그러므로, 이들 특성들은 서로 변화시키는 것이 가능하다. 예를 들면 각도

를 감소시키면, 반사도가 더 높은 재료를 사용할 수 있으며, 혹은 천정에 대한 태양의 각도가 클 수 있도록 입사각을 작게 하는 것도 가능하게 된다. 그러나, 구조물의 방출도가 낮은 필요조건을 만족시키기 위해서는, 다른 대책이 없으며, 특히 수집기가 높은 온도에서 작동될 때 낮은 방출도의 재료가 사용되어야 한다.

전술한 것으로부터, 본 발명의 새로운 흡사장치는 다음 장점을 제공하는 독특하고 특별한 특성이 있는 태양 에너지 수집기를 제공하는 것을 알 수 있다.

1. 홈진 구조의 회전 대칭에 의해 흡수장치는 360

에 걸쳐서 직사 혹은 확산 태양 에너지를 포착할 수 있다.

2. 광학적 특성과 홈들의 각도 사이의 관계를 바꿀수 있다.

3. 흡수 장치의 표면의 크기가 축소되는 결과 방출 에너지를 감소시킨다.

4. 대류에 의한 열손실을 최소화하는 수단으로서 회전 대칭이, 흡수 장치와 외부 유리 사이의 진공과 양립될 수 있다.

5. 태양을 향한 방향으로부터 무관하게 반응, 즉 성능, 높은 흡수도와 열 전달을 최적으로 한다.

6. 구조의 면적이 축소되므로써 열 전달 손실이 최소화 된다.

7. 광학적 특성에 따르지 않고 구성재료를 폭넓게 선택할 수 있다.

8. 만드는데 비교적 간단하고 저렴하다.

9. 화석 연료에 의존하지 않고 높은 효율의 대체 에너지 원이다.

Claims (1)

1. 입사광에 대해 충분히 투명한 외부 튜브와, 그 외부 튜브안에 동축으로 장치된 내부의 에너지 흡수 튜브와, 상기 튜브들로 인해 내부 튜브 주위에 생기는 밀봉된 환상 진공실과, 열교환 유체를 에너지 흡수 튜브안으로 유입시켜 그 내부 표면을 따라 흐르는 동안 에너지를 현열(顯熱)의 형태로 흡수하도록 하는 유체 유입관과, 상기의 현열상태의 에너지를 포함하고 있는 열교환 매체를 에너지 흡수 튜브로부터 되돌려 보내도록 하는 유체 유출관으로 이루어져, 입사되는 전자기 방사 에너지를 수집하기 위한 장치에 있어서, 상기 튜브의 축에 대해 360

   

   에 걸친 영역의 방사 에너지를 수집할 수 있게 상기 튜브의 축이 회전 대칭축으로 되어 있고, 에너지 흡수 튜브의 전체 둘레와 실질적으로 전체 길이에 해당되는 영역에 걸쳐 에너지 흡수 튜브의 외부 표면에 홈들이 형성되어 있고, 상기 홈들이 일반적으로 삼각형 형태의 단면을 취하며 사잇각이 3.0에서 30.0도의범위에 있고, 상기 홈들이 낮은 방출도(emissivity)의 물질로 만들어지거나 혹은 그러한 물질로 피복되어 있음을 특징으로 하는 전자기 에너지 흡수장치.

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