WO2014189173A1 - 태양열 발전 시스템 - Google Patents

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WO2014189173A1
WO2014189173A1 PCT/KR2013/007100 KR2013007100W WO2014189173A1 WO 2014189173 A1 WO2014189173 A1 WO 2014189173A1 KR 2013007100 W KR2013007100 W KR 2013007100W WO 2014189173 A1 WO2014189173 A1 WO 2014189173A1
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heat
pipe
absorber
power generation
circulation pipe
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강용혁
이상남
김종규
이현진
유창균
윤환기
채관교
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Korea Institute of Energy Research KIER
Original Assignee
Korea Institute of Energy Research KIER
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar power generation system, and more particularly, to a solar power generation system that can more efficiently transfer heat energy collected through a plate-type solar collector to a heat conversion electric generator to improve power generation efficiency.
  • Solar power generation is a technology that converts heat energy collected by condensing solar energy into electric energy.
  • Dish type light collectors are mainly used to collect solar heat in one place. The solar heat collected by the light collector is absorbed by the absorber and transferred to a heat conversion electric generator such as an engine to generate electricity.
  • Korean Patent Registration No. 10-1008500 discloses a content of a solar collector of a solar collector.
  • An object of the present invention is to provide a solar thermal power generation system that can improve heat transfer capacity and further improve efficiency.
  • the solar power generation system includes a solar collector, a solar collector, an absorber having a cavity that receives solar heat collected through the collector, and a heat pipe arranged to surround a circumferential surface of the absorber, and absorbing heat of the absorber. And a first heat exchanger configured to exchange heat with the heat pipe, and to absorb heat of the heat pipe, and a heat conversion electricity generator configured to generate heat by receiving heat from the first heat exchanger.
  • a solar power generation system comprising: a solar collector for collecting solar heat; a cylindrical absorber having one side opened to receive solar heat collected through the collector; and a cavity having a cavity;
  • a circulating pipe is formed in a curved pipe shape, and a plurality of radially arranged, heat pipes absorbing heat of the absorber, a circulation pipe filled with a circulating fluid that absorbs heat and circulates by heat exchange with the heat pipe, and the circulation pipe
  • a first heat exchanger including a casing formed to surround the heat pipe, and AMTEC configured to pass through the circulation pipe and generate electricity by receiving heat from the circulation pipe.
  • the solar collector and the solar collector the one side is opened to receive the solar heat collected through the collector, the cylindrical absorber formed with a cavity, the front is opened so as to extrapolate to the absorber It is formed in a cylindrical shape, the rear surface is formed with irregularities, the heat pipe absorbing the heat of the absorber, the circulation pipe filled with a circulating fluid that absorbs heat and circulates by heat exchange with the heat pipe, the unevenness of the heat pipe A convex and concave is formed on one side so as to correspond to the first heat exchange part and the circulation pipe is disposed to penetrate the heat pipe and the casing is formed so as to communicate with the circulation pipe, the circulation pipe, the circulation pipe It includes AMTEC, which receives heat from and generates electricity.
  • the heat pipe is disposed to surround the absorber, the heat storage capacity of the absorber is improved, and thus the system can be operated more stably and efficiently even in a rapidly changing weather condition.
  • the contact area between the absorber and the heat pipe can be increased, so that heat transfer can be made more effectively.
  • the contact area may be increased, and heat transfer may be more effectively performed.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a solar thermal power system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the absorber with the heat pipe shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a perspective view of the absorber with the heat pipe shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view of the absorber shown in FIG.
  • FIG. 4 is a side view of the absorber shown in FIG.
  • FIG. 5 is a rear view of the absorber shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a rear view of the absorber shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a view schematically showing the configuration of a solar thermal power system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the absorber showing the heat pipe shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a front surface of the heat pipe illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a rear surface of the heat pipe illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a solar power generation system 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the absorber with the heat pipe shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view of the absorber shown in FIG. 4 is a side view of the absorber shown in FIG.
  • FIG. 5 is a rear view of the absorber shown in FIG. 2.
  • the solar power generation system 10 includes a dish collector 20, an absorber 30, a heat pipe 40, a first heat exchanger 50, a second heat exchanger 60, and heat.
  • a conversion generator 70 is included in the solar power generation system 10.
  • the dish collector 20 also called a parabolic reflector, serves to collect the solar heat 2 in one place.
  • the dish collector 20 is disposed to face the cavity 31, which will be described later, and solar heat is collected in the cavity 31 through the dish collector 20.
  • the absorber 30 is disposed to face the dish collector 20.
  • the absorber 30 has a cylindrical shape in which a cavity 31 is formed at the center thereof.
  • the absorber 30 has a cylindrical shape and will be described with an example.
  • the absorber 30 has a tube portion 30a having a front surface opposed to the dish-shaped light collector 20 and having the cavity 31 formed therein, and extending rearward from the cylinder portion 30a and having a predetermined curvature. It consists of a curved surface portion 30b formed to be round.
  • a plurality of seating grooves 30c are formed on the circumferential surface of the tubular portion 30a so that a plurality of heat pipes 40 to be described later are seated.
  • the plurality of seating grooves 30c are radially formed to correspond to the plurality of heat pipes 40.
  • the plurality of seating grooves 30c are formed to extend in the longitudinal direction of the tubular portion 30a, respectively, and then extend to the curved portion 30b.
  • the heat pipe (Heat pipe or Heat-transfer pipe) 40 also referred to as heat transfer pipe, one end is a heating end and the other end is a cooling end, the heating end in the It serves to transport heat to the cooling stage.
  • the heat pipe 40 may be formed in a tubular shape, or may be formed in a chamber shape.
  • a working fluid is sealed in the heat pipe 40.
  • the working fluid may be sodium, methanol, acetone, water, mercury, or the like. Steam heated and evaporated at the heating end of the heat pipe 40 flows to the cooling end to condense, and the condensate is returned to the heating end again by capillary force through a wick formed on the inner wall surface.
  • the heat pipe 40 has a tubular shape and will be described with an example.
  • the heat pipe 40 is disposed in a plurality radially to surround the circumferential surface of the absorber (30).
  • the heat pipe 40 surrounds both side and rear surfaces of the absorber 30, and has a curved pipe shape bent along the circumferential surface of the absorber 30. That is, the plurality of heat pipes 40 may be formed to extend from the straight pipe portion 40a and the straight pipe portion 40a which are respectively disposed along the longitudinal direction of the tube portion 30a of the absorber 30. It consists of a curved pipe part 40b curved corresponding to the curved surface part 30b.
  • the straight pipe portion 40a is a heating end that is heated by heat absorbed by the absorber 30, and the curved pipe portion 40b serves as a cooling end that cools by transferring heat to a circulation pipe 52 to be described later.
  • the curved portion 40b of the heat pipes 40 is arranged to be gathered at the center of the curved portion 30b which is the rear surface of the absorber 30, and is collected at the center of the curved portion 30b.
  • the curved pipe portion 40b of the heat pipes 40 is cooled by transferring heat to a circulation pipe 52 which will be described later.
  • the first heat exchange part 50 includes a circulation pipe 52 and a casing 54.
  • the circulation pipe 52 is filled with a circulation fluid therein.
  • the circulating fluid is described by way of example as being water. However, the present invention is not limited thereto, and a heat pipe may be used as the circulation pipe 52.
  • a part of the circulation pipe 52 is disposed adjacent to the cooling end of the heat pipe 40.
  • the circulation pipe 52 guides the circulating fluid that absorbs heat from the heat pipe 40 and evaporates to the heat conversion electricity generator 70 side, and deprives heat from the heat conversion electricity generator 70 side to condense. The circulating fluid is circulated back to the heat pipe 40.
  • the circulation pipe 52 is provided with an auxiliary cooler 56 for cooling the circulating fluid condensed in the second heat exchanger 60 described later to a set temperature.
  • the auxiliary cooler 56 keeps the temperature of the circulation fluid circulating in the circulation pipe 52 constant.
  • the casing 54 is formed to surround the heat pipes 52 and communicate with the circulation pipe 52.
  • the casing 54 serves to insulate the heat pipe 52 and the circulation pipe 52 so that heat exchange is performed well.
  • the second heat exchanger 60 is a heat exchanger that connects the circulation pipe 52 and the heat conversion electricity generator 70 to heat exchange with each other.
  • the circulation pipe 52 passes through the second heat exchange part 60 to transfer heat to the heat conversion electricity generator 70.
  • an AMTEC Alkali Metal Thermal to Electric Converter
  • the AMTEC is a device that directly converts thermal energy into electrical energy.
  • the AMTEC when the temperature difference is applied to both ends of the beta alumina solid electrolyte having ion conductivity, the difference in vapor pressure of the liquid sodium filled in the cell becomes a driving force, and the movement of sodium ions occurs to the lattice oxygen gap layer that is loosely bonded.
  • the sodium ions passing through the electrolyte are neutralized at the electrode surface during the condensation to generate electricity.
  • the solar power generation system 10 a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the circulating fluid of the circulation pipe 52 passed through the second heat exchange unit 60, and the temperature sensor (not shown).
  • a control unit (not shown) for controlling the operation of the auxiliary cooler 56 in accordance with the temperature measured at).
  • Solar heat 2 is collected by the plate-type collector 20 into the cavity 31 of the absorber 30.
  • the heat pipe 40 absorbs heat of solar heat 2 collected in the cavity 31. Since the plurality of heat pipes 40 are radially disposed on the outer circumferential surface of the absorber 30, heat transfer from the absorber 30 to the heat pipes 40 may be better. In addition, since the first heat pipes 40 surround the absorber 30, a heat storage effect may be obtained in the absorber 30.
  • the working fluid in the heat pipe 40 absorbs heat from the cavity 31 and evaporates, and the evaporated working fluid moves to the curved portion 40b serving as a cooling end.
  • Heat exchange with the circulation pipe 52 is performed in the curved pipe portion 40b of the heat pipe 40.
  • the working fluid in the heat pipe 40 is deprived of heat and condensed, and the condensed working fluid moves back to the straight pipe portion 40a serving as a heating end through the wick in the heat pipe 40.
  • the circulating fluid in the circulation pipe 52 absorbs heat from the heat pipe 40 and evaporates, and the evaporated circulating fluid moves to the second heat exchanger 60.
  • Heat exchange occurs between the circulation pipe 52 and the heat conversion electricity generator 70 in the second heat exchange part 60.
  • the circulating fluid in the circulation pipe 52 loses heat, condenses, and circulates back to the casing 54.
  • the heat conversion electricity generator 70 generates electricity using heat transferred from the circulation pipe 52.
  • the temperature of the circulating fluid in the circulation pipe 52 passing through the second heat exchange part 60 is increased. It is higher than preset temperature.
  • the controller (not shown) operates the auxiliary cooler 56 to lower the temperature of the circulating fluid in the circulation pipe 52 that has passed through the second heat exchanger 60. Therefore, since the temperature of the circulating fluid in the circulation pipe 52 can be kept constant at all times, heat exchange can be efficiently performed even in the first heat exchange unit 50.
  • FIG. 6 is a view schematically showing the configuration of a solar thermal power system according to a second embodiment of the present invention.
  • 7 is a cross-sectional view of the absorber showing the heat pipe shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a front surface of the heat pipe illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a rear surface of the heat pipe illustrated in FIG. 7.
  • the solar power generation system 100 includes a dish-type light collector 120, an absorber 130, a heat pipe 140, a first heat exchanger 150, and a first heat exchanger 150. It is different from the first embodiment that includes a heat exchanger 160 and a heat conversion electricity generator 170, the heat pipe 140 is formed in a tubular shape with one side opened so as to extrapolate to the absorber 130. It demonstrates in detail centering on a different point.
  • the absorber 130 is disposed to face the dish collector 120, and has a cylindrical shape in which a front surface thereof is opened and a cavity 131 is formed at a center thereof.
  • the absorber 130 has a cylindrical shape and will be described with an example.
  • a stepped portion 130a is formed on at least part of the outer circumferential surface of the absorber 130 to extrapolate the heat pipe 140.
  • the heat pipe 140 has a tubular shape in which a front surface thereof is opened to be extrapolated to the absorber 130.
  • the heat pipe 140 has a shape corresponding to the absorber 130.
  • the absorber 130 is described as an example of a cylindrical shape
  • the heat pipe 140 is also described as an example of a cylindrical shape.
  • the heat pipe (Heat pipe or Heat-transfer pipe) 140 also referred to as heat transfer pipe, one end is a heating end and the other end is a cooling end, and serves to transport heat from the heating end to the cooling end. do.
  • a working fluid is sealed in the heat pipe 140.
  • the working fluid may be methanol, acetone, water, mercury or the like.
  • the vapor heated and evaporated at the heating end of the heat pipe 140 flows to the cooling end to condense, and the condensate is returned to the heating end again by capillary force through a wick 144 formed on the inner wall. do.
  • the front of the heat pipe 140 is extrapolated to the absorber 130, the rear is coupled to the first heat exchange unit (150). That is, the outer circumferential surface of the heat pipe 140 is extrapolated to the absorber 130 to serve as a heating end that is heated by the heat of the absorber 130, and the rear surface is cooled by depriving heat of the first heat exchanger 150. Serves as a cooling stage.
  • a coupling portion 141 which is extrapolated to the stepped portion (130a).
  • the first uneven portion 142 is formed on the rear surface of the heat pipe 140.
  • the first uneven portion 142 of the heat pipe 140 is coupled to the casing 154 of the first heat exchanger 150 to be described later in a block coupling manner. Since the heat pipe 140 and the casing 154 are coupled in a block coupling manner, the heat exchange area may be increased to improve heat exchange efficiency.
  • the first heat exchange part 150 includes a circulation pipe 152 and a casing 154.
  • the circulation pipe 152 is filled with a circulation fluid therein.
  • the circulating fluid is described by way of example as being water. However, the present invention is not limited thereto, and a heat pipe may be used as the circulation pipe 152.
  • the circulation pipe 152 guides the circulating fluid that has absorbed heat from the heat pipe 410 and evaporates to the heat conversion electricity generator 170 side, and takes heat away from the heat conversion electricity generator 170 side to condense it. The circulating fluid is circulated back to the heat pipe 140.
  • the circulation pipe 152 is provided with an auxiliary cooler 156 for cooling the circulation fluid condensed in the second heat exchanger 160 to be described later to a set temperature.
  • the auxiliary cooler 156 maintains a constant temperature of the circulating fluid circulating in the circulation pipe 152.
  • the casing 154 has a second uneven portion 154a formed on a surface corresponding to the first uneven portion 142 of the heat pipe 140, so that the first uneven portion 142 and the second uneven portion are formed.
  • the portions 154a are combined in a block combining manner.
  • the second heat exchanger 160 is a heat exchanger that connects the circulation pipe 152 and the heat conversion electricity generator 170 to heat exchange with each other.
  • the circulation pipe 152 passes through the second heat exchanger 160 to transfer heat to the heat conversion electricity generator 170.
  • an AMTEC Alkali Metal Thermal to Electric Converter
  • the AMTEC is a device that directly converts thermal energy into electrical energy.
  • the AMTEC when the temperature difference is applied to both ends of the beta alumina solid electrolyte having ion conductivity, the difference in vapor pressure of the liquid sodium filled in the cell becomes a driving force, and the movement of sodium ions occurs to the lattice oxygen gap layer that is loosely bonded.
  • the sodium ions passing through the electrolyte are neutralized at the electrode surface during the condensation to generate electricity.
  • the solar power generation system 100 a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the circulating fluid of the circulation pipe 152 passed through the second heat exchange unit 160, and the temperature sensor (not shown).
  • a control unit (not shown) for controlling the operation of the sub-cooler 156 according to the temperature measured in the).
  • the heat pipe 140 is extrapolated to the absorber 130, the absorber 130 and the heat pipe ( The area of contact of 140 may be increased to allow more efficient heat transfer.
  • the contact area between the heat pipe 140 and the first heat exchange unit 150 is also increased, resulting in more heat transfer. It can be done effectively.

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Abstract

본 발명에 따른 태양열 발전 시스템은, 흡수기의 둘레면에 히트 파이프를 방사형으로 배치함으로써, 흡수기와 히트 파이프 사이에 열전달이 보다 효과적으로 이루어져 열전달 효율이 향상될 수 있다. 또한, 열전달 능력이 향상되고, 일정시간 열저장이 가능하기 때문에, 급변하는 기상상태에서도 보다 안정적이고 효율적으로 시스템 운영이 가능한 이점이 있다. 또한, 히트 파이프가 흡수기에 외삽되는 경우, 흡수기와 히트 파이프 사이에 접촉 면적이 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 히트 파이프가 열교환부와 블록 결합 방식으로 결합됨으로써, 접촉 면적이 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.

Description

태양열 발전 시스템
본 발명은 태양열 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접시형 태양열 집광기를 통해 모아진 열에너지를 열변환 전기발생장치에 보다 효율적으로 전달하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 태양열 발전 시스템에 관한 것이다.
석탄이나 석유와 같은 화학 에너지의 고갈 및 화학에너지 사용에 따른 환경오염 문제로 인해, 최근에는 대체 에너지의 개발에 관심과 노력이 대두되고 있다. 따라서, 대체 에너지 중의 하나인 태양에너지를 이용해 발전을 하는 태양열 발전에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. 태양열 발전이란 태양 에너지를 집광하여 모아진 열에너지를 전기 에너지로 변환시키는 기술이다. 태양열을 한 곳에 모으기 위해서 접시형(Dish type) 집광기가 주로 사용된다. 상기 집광기에서 집광된 태양열은 흡수기에서 흡수하여 엔진 등의 열변환 전기발생장치로 전달하여 전기를 발생시키게 된다.
한국등록특허 10-1008500호에서는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템에 대한 내용을 개시하고 있다.
최근에는, 태양열 발전에서 태양 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환시키기 위해서는, 구조가 컴팩트하면서도 집광된 태양열을 보다 효율적으로 전기 에너지로 변환하는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 열전달 능력을 향상시켜 효율을 보다 향상시킬 수 있는 태양열 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열을 모아주는 집광기와, 상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받는 캐비티가 형성된 흡수기와, 상기 흡수기의 둘레면을 감싸도록 배치되고, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프와, 상기 히트 파이프와 열교환하여, 상기 히트 파이프의 열을 흡수하는 제1열교환부와, 상기 제1열교환부로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 열변환 전기발생기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열을 모아주는 집광기와, 상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받도록 일측면이 개구되어 캐비티가 형성된 통 형상의 흡수기와, 상기 흡수기의 둘레면을 길이방향으로 감싸도록 곡관 형상으로 이루어지고, 복수개가 방사형으로 배치되며, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프들과, 상기 히트 파이프와 열교환하여 열을 흡수하여 순환하는 순환유체가 채워진 순환배관과, 상기 순환배관과 상기 히트 파이프를 감싸도록 형성된 케이싱을 포함하는 제1열교환부와, 상기 순환배관이 관통하도록 배치되어, 상기 순환배관으로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 AMTEC을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열을 모아주는 집광기와, 상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받도록 일측면이 개구되어 캐비티가 형성된 통 형상의 흡수기와, 상기 흡수기에 외삽되도록 전면이 개구된 통형상으로 이루어지고, 후면에는 요철이 형성되며, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프와, 상기 히트 파이프와 열교환하여 열을 흡수하여 순환하는 순환유체가 채워진 순환배관과, 상기 히트 파이프의 요철에 대응되도록 일측면에 요철이 형성되어 상기 히트 파이프와 블록 결합 방식으로 결합되고, 상기 순환 배관이 연통하도록 형성된 케이싱을 포함하는 제1열교환부와, 상기 순환배관이 관통하도록 배치되어, 상기 순환배관으로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 AMTEC을 포함한다.
본 발명에 따른 태양열 발전 시스템은, 흡수기의 둘레면에 히트 파이프를 방사형으로 배치함으로써, 흡수기와 히트 파이프 사이에 열전달이 보다 효과적으로 이루어져 열전달 효율이 향상될 수 있다.
또한, 히트 파이프가 흡수기를 감싸도록 배치되기 때문에, 흡수기의 열 저장 능력이 향상되어, 급변하는 기상상태에서도 보다 안정적이고 효율적으로 시스템 운영이 가능한 이점이 있다.
또한, 히트 파이프가 흡수기에 외삽됨으로써, 흡수기와 히트 파이프 사이에 접촉 면적이 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 히트 파이프가 열교환부와 블록 결합 방식으로 결합됨으로써, 접촉 면적이 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열 발전 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 히트 파이프가 구비된 흡수기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 흡수기의 전면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 흡수기의 측면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 흡수기의 배면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열 발전 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 히트 파이프가 도시된 흡수기의 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 히트 파이프의 정면이 도시된 사시도이다.
도 9는 도 7에 도시된 히트 파이프의 배면이 도시된 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열 발전 시스템(10)의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 히트 파이프가 구비된 흡수기의 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 흡수기의 전면도이다. 도 4는 도 2에 도시된 흡수기의 측면도이다. 도 5는 도 2에 도시된 흡수기의 배면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 태양열 발전 시스템(10)은, 접시형 집광기(20), 흡수기(30), 히트 파이프(40), 제1열교환부(50), 제2열교환부(60) 및 열변환 전기발생기(70)를 포함한다.
상기 접시형 집광기(20)는, 포물선형 반사경(Parabolic reflector)이라고도 하며, 태양열(2)을 한 곳에 모아주는 역할을 한다. 상기 접시형 집광기(20)는 후술하는 캐비티(31)와 대향되게 배치되어, 상기 접시형 집광기(20)를 통해 태양열이 상기 캐비티(31)에 모이게 된다.
상기 흡수기(30)는, 상기 접시형 집광기(20)에 대향되게 배치된다. 상기 흡수기(30)는 중심에 캐비티(31)가 형성된 통 형상으로 이루어진다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 흡수기(30)는 원통형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 흡수기(30)는, 상기 접시형 집광기(20)에 대향되는 전면이 개구되어 내부에 상기 캐비티(31)가 형성된 통부(30a)와, 상기 통부(30a)에서 후방으로 연장 형성되고 소정의 곡률로 라운드지게 형성된 곡면부(30b)로 이루어진다.
상기 통부(30a)의 둘레면에는 후술하는 복수의 히트 파이프들(40)이 안착되도록 복수의 안착홈들(30c)이 형성된다. 상기 복수의 안착홈들(30c)은 상기 복수의 히트 파이프들(40)에 대응되도록 방사형으로 형성된다. 상기 복수의 안착홈들(30c)은 각각 상기 통부(30a)의 길이방향을 따라 길게 형성된 후 상기 곡면부(30b)까지 연장 형성된다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 히트 파이프(Heat pipe or Heat-transfer pipe)(40)는, 전열관이라고도 하며, 일측 단부가 가열단이 되고 타측 단부가 냉각단이 되어, 상기 가열단에서 상기 냉각단으로 열을 운반시키는 역할을 한다. 상기 히트 파이프(40)는 관 모양으로 형성되는 것도 가능하고, 챔버 모양으로 형성되는 것도 가능하다. 상기 히트 파이프(40)의 내부에는 작동 유체가 봉입된다. 상기 작동 유체는 소듐(Sodium), 메탄올, 아세톤, 물, 수은 등이 사용될 수 있다. 상기 히트 파이프(40)의 가열단에서 가열되어 증발한 증기는 상기 냉각단으로 흘러서 응축되고, 응축액은 내벽면에 형성된 윅(Wick)을 통해 모세관력에 의해 다시 상기 가열단으로 돌아가게 된다. 본 실시예에서 상기 히트 파이프(40)는 관형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 히트 파이프(40)는 상기 흡수기(30)의 둘레면을 감싸도록 복수개가 방사형으로 배치된다. 상기 히트 파이프(40)는 상기 흡수기(30)의 측면과 후면을 모두 감싸고, 상기 흡수기(30)의 둘레면을 따라 휘어진 곡관 형상으로 이루어진다. 즉, 상기 복수의 히트 파이프들(40)은, 각각 상기 흡수기(30)의 통부(30a)의 길이방향을 따라 길게 배치된 직관부(40a)와, 상기 직관부(40a)에서 연장 형성되어 상기 곡면부(30b)에 대응되게 휘어진 곡관부(40b)로 이루어진다. 상기 직관부(40a)는 상기 흡수기(30)에서 흡수한 열에 의해 가열되는 가열단이고, 상기 곡관부(40b)는 후술하는 순환배관(52)으로 열을 전달하여 냉각되는 냉각단 역할을 한다. 도 5를 참조하면, 상기 히트 파이프들(40)의 곡관부(40b)는 상기 흡수기(30)의 후면인 곡면부(30b)의 중심으로 모이게 배치되고, 상기 곡면부(30b)의 중심에 모인 상기 히트 파이프들(40)의 곡관부(40b)가 후술하는 순환배관(52)으로 열을 전달하여 냉각된다.
도 1을 참조하면, 상기 제1열교환부(50)는, 순환 배관(52)과 케이싱(54)을 포함한다.
상기 순환 배관(52)은, 내부에 순환 유체가 충진된다. 상기 순환 유체는 물 인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 순환 배관(52)으로 히트 파이프가 사용되는 것도 가능하다. 상기 순환 배관(52)은, 일부분이 상기 히트 파이프(40)의 냉각단과 인접하게 배치된다. 상기 순환 배관(52)은, 상기 히트 파이프(40)로부터 열을 흡수하여 증발한 순환 유체를 상기 열변환 전기 발생기(70)측으로 안내하고, 상기 열변환 전기 발생기(70)측에서 열을 빼앗겨 응축된 순환유체를 다시 상기 히트 파이프(40)측으로 순환시키도록 형성된다.
상기 순환 배관(52)에는 후술하는 제2열교환부(60)에서 응축되어 나온 순환유체를 설정 온도로 냉각시키는 보조 냉각기(56)가 설치된다. 상기 보조 냉각기(56)는, 상기 순환 배관(52)을 순환하는 순환유체의 온도를 일정하게 유지시켜 준다.
상기 케이싱(54)은, 상기 히트 파이프들(52)을 감싸고 상기 순환 배관(52)이 연통하도록 형성된다. 상기 케이싱(54)은 상기 히트 파이프(52)와 상기 순환 배관(52)사이에 열교환이 잘 이루어지도록 단열시키는 역할을 한다.
상기 제2열교환부(60)는, 상기 순환 배관(52)과 상기 열변환 전기발생기(70)를 연결하여, 서로 열교환시키는 열교환기이다. 상기 순환 배관(52)은 상기 제2열교환부(60)를 관통하여, 상기 열변환 전기발생기(70)에 열을 전달한다.
상기 열변환 전기발생기(70)는, AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter)가 사용된다. 상기 AMTEC는 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 상기 AMTEC는, 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나 고체 전해질의 양단에 온도차를 주면, 셀 내부에 충진된 액체 나트륨의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새 층으로 나트륨 이온의 이동이 일어나게 된다. 전해질을 통과한 나트륨 이온은 응축과정에서 전극표면에서 중성화되어 전기를 발생하게 된다.
또한, 상기 태양열 발전 시스템(10)은, 상기 제2열교환부(60)를 통과한 상기 순환 배관(52)의 순환유체의 온도를 측정하는 온도센서(미도시)와, 상기 온도센서(미도시)에서 측정된 온도에 따라 상기 보조 냉각기(56)의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열 발전 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
태양열(2)은 상기 접시형 집광기(20)에 의해 상기 흡수기(30)의 캐비티(31)로 모이게 된다.
상기 히트 파이프(40)는 상기 캐비티(31)에 모인 태양열(2)의 열을 흡수한다. 상기 복수의 히트 파이프들(40)이 상기 흡수기(30)의 외둘레면에 방사형으로 배치되기 때문에, 상기 흡수기(30)로부터 상기 히트 파이프들(40)로 열전달이 보다 잘 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1히트 파이프들(40)이 상기 흡수기(30)를 감싸기 때문에, 상기 흡수기(30)에서 열 저장 효과를 얻을 수 있다.
상기 히트 파이프(40) 내의 작동 유체는 상기 캐비티(31)로부터 열을 흡수하여 증발되고, 증발된 작동 유체는 냉각단 역할을 하는 상기 곡관부(40b)로 이동한다.
상기 히트 파이프(40)의 곡관부(40b)에서 상기 순환 배관(52)과의 열교환이 이루어진다. 상기 히트 파이프(40) 내의 작동 유체는 열을 빼앗겨 응축되고, 응축된 작동유체는 상기 히트 파이프(40)내의 윅을 통해 다시 가열단 역할을 하는 상기 직관부(40a)로 이동한다.
상기 순환 배관(52)내의 순환 유체는 상기 히트 파이프(40)로부터 열을 흡수하여 증발되고, 증발된 순환유체는 상기 제2열교환부(60)측으로 이동한다.
상기 제2열교환부(60)에서 상기 순환 배관(52)과 상기 열변환 전기발생기(70)사이에서 열교환이 일어난다. 상기 순환 배관(52)내의 순환 유체는 열을 빼앗겨 응축된 후 다시 상기 케이싱(54)측으로 순환한다.
상기 열변환 전기발생기(70)에서는 상기 순환 배관(52)으로부터 전달된 열을 이용해 전기를 발생시킨다.
이 때, 상기 순환 배관(52)과 상기 열변환 전기발생기(70)에서 열교환이 충분히 이루어지지 않을 경우, 상기 제2열교환부(60)를 통과한 상기 순환 배관(52)내의 순환 유체의 온도가 미리 설정된 설정 온도보다 높게 된다. 상기 제어부(미도시)는, 상기 보조 냉각기(56)를 작동시켜 상기 제2열교환부(60)를 통과한 상기 순환 배관(52)내의 순환 유체의 온도를 낮춰 준다. 따라서, 상기 순환 배관(52)내의 순환 유체의 온도가 항상 일정하게 유지될 수 있으므로, 상기 제1열교환부(50)에서도 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열 발전 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 히트 파이프가 도시된 흡수기의 단면도이다. 도 8은 도 7에 도시된 히트 파이프의 정면이 도시된 사시도이다. 도 9는 도 7에 도시된 히트 파이프의 배면이 도시된 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열 발전 시스템(100)은, 접시형 집광기(120), 흡수기(130), 히트 파이프(140), 제1열교환부(150), 제2열교환부(160) 및 열변환 전기발생기(170)를 포함하고, 상기 히트 파이프(140)가 상기 흡수기(130)에 외삽되도록 일측면이 개구된 통형상으로 이루어진 것이 상기 제1실시예와 상이하고, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명한다.
상기 흡수기(130)는 상기 접시형 집광기(120)에 대향되게 배치되고, 전면이 개구되고 중심에 캐비티(131)가 형성된 통 형상으로 이루어진다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 흡수기(130)는 원통형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 흡수기(130)의 외둘레면 중 적어도 일부에는 상기 히트 파이프(140)가 외삽되도록 단차부(130a)가 형성된다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 히트 파이프(140)는, 상기 흡수기(130)에 외삽되도록 전면이 개구된 통형상으로 이루어진다. 상기 히트 파이프(140)는 상기 흡수기(130)에 대응되는 형상으로 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 흡수기(130)가 원통형인 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 히트 파이프(140)도 원통형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 히트 파이프(Heat pipe or Heat-transfer pipe)(140)는, 전열관이라고도 하며, 일측 단부가 가열단이 되고 타측 단부가 냉각단이 되어, 상기 가열단에서 상기 냉각단으로 열을 운반시키는 역할을 한다. 상기 히트 파이프(140)의 내부에는 작동 유체가 봉입된다. 상기 작동 유체는 메탄올, 아세톤, 물, 수은 등이 사용될 수 있다. 상기 히트 파이프(140)의 가열단에서 가열되어 증발한 증기는 상기 냉각단으로 흘러서 응축되고, 응축액은 내벽면에 형성된 윅(Wick)(144)을 통해 모세관력에 의해 다시 상기 가열단으로 돌아가게 된다.
상기 히트 파이프(140)의 전방은 상기 흡수기(130)에 외삽되고, 후방은 상기 제1열교환부(150)에 결합된다. 즉, 상기 히트 파이프(140)의 외주면은 상기 흡수기(130)에 외삽되어 상기 흡수기(130)의 열에 의해 가열되는 가열단 역할을 하고, 후면은 상기 제1열교환부(150)에 열을 빼앗겨 냉각되는 냉각단 역할을 한다.
상기 히트 파이프(140)의 전방에는 상기 단차부(130a)에 외삽되어 결합되는 결합부(141)가 형성된다.
상기 히트 파이프(140)의 후면에는 제1요철부(142)가 형성된다. 상기 히트 파이프(140)의 제1요철부(142)는, 후술하는 제1열교환부(150)의 케이싱(154)과 블록 결합방식으로 결합된다. 상기 히트 파이프(140)와 상기 케이싱(154)이 블록 결합방식으로 결합됨으로써, 열교환면적이 증가되어 열교환 효율이 향상될 수 있다.
상기 제1열교환부(150)는, 순환 배관(152)과 케이싱(154)을 포함한다.
상기 순환 배관(152)은, 내부에 순환 유체가 충진된다. 상기 순환 유체는 물 인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 순환 배관(152)으로 히트 파이프가 사용되는 것도 가능하다. 상기 순환 배관(152)은, 상기 히트 파이프(410)로부터 열을 흡수하여 증발한 순환 유체를 상기 열변환 전기 발생기(170)측으로 안내하고, 상기 열변환 전기 발생기(170)측에서 열을 빼앗겨 응축된 순환유체를 다시 상기 히트 파이프(140)측으로 순환시키도록 형성된다.
상기 순환 배관(152)에는 후술하는 제2열교환부(160)에서 응축되어 나온 순환유체를 설정 온도로 냉각시키는 보조 냉각기(156)가 설치된다. 상기 보조 냉각기(156)는, 상기 순환 배관(152)을 순환하는 순환유체의 온도를 일정하게 유지시켜 준다.
상기 케이싱(154)은, 상기 히트 파이프(140)의 제1요철부(142)에 대응되는 면에 제2요철부(154a)가 형성되어, 상기 제1요철부(142)와 상기 제2요철부(154a)가 블록 결합 방식으로 결합된다.
상기 제2열교환부(160)는, 상기 순환 배관(152)과 상기 열변환 전기발생기(170)를 연결하여, 서로 열교환시키는 열교환기이다. 상기 순환 배관(152)은 상기 제2열교환부(160)를 관통하여, 상기 열변환 전기발생기(170)에 열을 전달한다.
상기 열변환 전기발생기(170)는, AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter)가 사용된다. 상기 AMTEC는 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 상기 AMTEC는, 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나 고체 전해질의 양단에 온도차를 주면, 셀 내부에 충진된 액체 나트륨의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새 층으로 나트륨 이온의 이동이 일어나게 된다. 전해질을 통과한 나트륨 이온은 응축과정에서 전극표면에서 중성화되어 전기를 발생하게 된다.
또한, 상기 태양열 발전 시스템(100)은, 상기 제2열교환부(160)를 통과한 상기 순환 배관(152)의 순환유체의 온도를 측정하는 온도센서(미도시)와, 상기 온도센서(미도시)에서 측정된 온도에 따라 상기 보조 냉각기(156)의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열 발전 시스템(100)은, 상기 히트 파이프(140)가 상기 흡수기(130)에 외삽되어 결합되기 때문에, 상기 흡수기(130)와 상기 히트 파이프(140)의 접촉 면적이 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 히트 파이프(140)와 상기 제1열교환부(150)가 블록 결합방식으로 결합되기 때문에, 상기 히트 파이프(140)와 상기 제1열교환부(150)의 접촉 면적도 증대되어 열전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 열저장 능력과 열전달 효율이 증가됨으로써, 일사량이 급변하는 기상상태에서도 보다 안정적이고 효율적인 시스템 운영이 가능해질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면 열전달이 보다 효과적으로 이루어져 열전달 효율이 향상될 수 있는 태양열 발전 시스템을 제조할 수 있다.

Claims (16)

  1. 태양열을 모아주는 집광기와;
    상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받는 캐비티가 형성된 흡수기와;
    상기 흡수기의 둘레면을 감싸도록 배치되고, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프와;
    상기 히트 파이프와 열교환하여, 상기 히트 파이프의 열을 흡수하는 제1열교환부와;
    상기 제1열교환부로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 열변환 전기발생기를 포함하는 태양열 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트 파이프는,
    복수개가 각각 상기 흡수기의 둘레면을 길이방향으로 감싸도록 방사형으로 배치된 태양열 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡수기는, 전면이 개구되어 상기 캐비티를 형성하는 통부와, 상기 통부에서 연장되고 후방을 향해 소정의 곡률로 라운드진 곡면부로 이루어지며,
    상기 히트 파이프는 복수개가 방사형으로 배치되고, 각각 상기 통부의 길이방향을 따라 길게 배치되는 직관부와, 상기 직관부에서 연장 형성되어 상기 곡면부에 대응되게 휘어진 곡관부를 포함하는 태양열 발전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 흡수기의 둘레면에는 상기 복수의 히트 파이프들이 안착되도록 복수의 안착홈들이 방사형으로 형성된 태양열 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡수기는, 전면이 개구되어 상기 캐비티를 형성하는 통 형상으로 이루어지고,
    상기 히트 파이프는, 상기 흡수기에 외삽되도록 전면이 개구된 통형상으로 이루어진 태양열 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 히트 파이프와 상기 제1열교환부는, 블록 결합 방식으로 상호 결합되는 태양열 발전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 히트 파이프와 상기 제1열교환부는, 전후방향으로 결합되고, 각각 서로 대응되는 면에 요철이 형성되어, 블록 결합 방식으로 상호 결합되는 태양열 발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환부는,
    상기 히트 파이프로부터 열을 흡수한 순환유체를 상기 열변환 전기발생기로 안내하고, 상기 열변환 전기발생기에서 열을 빼앗긴 순환유체를 다시 상기 히트 파이프측으로 순환시키는 순환 배관을 포함하는 태양열 발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 순환 배관과 상기 열변환 전기발생기를 연결하여, 서로 열교환시키는 제2열교환부를 더 포함하는 태양열 발전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 순환 배관에는, 상기 제2열교환부에서 응축되어 나온 순환유체를 설정 온도로 냉각시키는 보조 냉각기가 설치된 태양열 발전 시스템.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1열교환부는,
    상기 히트 파이프로부터 열을 흡수한 순환유체를 상기 열변환 전기발생기로 안내하고, 상기 열변환 전기발생기에서 열을 빼앗긴 순환유체를 다시 상기 히트 파이프측으로 순환시키는 순환 배관과,
    상기 복수의 히트 파이프들을 감싸고 상기 순환 배관이 연통하도록 형성된 케이싱을 포함하는 태양열 발전 시스템.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1열교환부는,
    상기 히트 파이프로부터 열을 흡수한 순환유체를 상기 열변환 전기발생기로 안내하고, 상기 열변환 전기발생기에서 열을 빼앗긴 순환유체를 다시 상기 히트 파이프측으로 순환시키는 순환 배관과,
    상기 히트 파이프에 대응되는 면에 요철이 형성되어 상기 히트 파이프와 블록 결합 방식으로 결합되고, 상기 순환 배관이 연통하도록 형성된 케이싱을 포함하는 태양열 발전 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 열변환 전기발생기는 AMTEC를 포함하는 태양열 발전 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기는 접시형상으로 이루어진 태양열 발전 시스템.
  15. 태양열을 모아주는 집광기와;
    상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받도록 일측면이 개구되어 캐비티가 형성된 통 형상의 흡수기와;
    상기 흡수기의 둘레면을 길이방향으로 감싸도록 곡관 형상으로 이루어지고, 복수개가 방사형으로 배치되며, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프들과;
    상기 히트 파이프와 열교환하여 열을 흡수하여 순환하는 순환유체가 채워진 순환배관과, 상기 순환배관과 상기 히트 파이프를 감싸도록 형성된 케이싱을 포함하는 제1열교환부와;
    상기 순환배관이 관통하도록 배치되어, 상기 순환배관으로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 AMTEC을 포함하는 태양열 발전 시스템.
  16. 태양열을 모아주는 집광기와;
    상기 집광기를 통해 모인 태양열을 받도록 일측면이 개구되어 캐비티가 형성된 통 형상의 흡수기와;
    상기 흡수기에 외삽되도록 전면이 개구된 통형상으로 이루어지고, 후면에는 요철이 형성되며, 상기 흡수기의 열을 흡수하는 히트 파이프와;
    상기 히트 파이프와 열교환하여 열을 흡수하여 순환하는 순환유체가 채워진 순환배관과, 상기 히트 파이프의 요철에 대응되도록 일측면에 요철이 형성되어 상기 히트 파이프와 블록 결합 방식으로 결합되고, 상기 순환 배관이 연통하도록 형성된 케이싱을 포함하는 제1열교환부와;
    상기 순환배관이 관통하도록 배치되어, 상기 순환배관으로부터 열을 전달받아 전기를 발생시키는 AMTEC을 포함하는 태양열 발전 시스템.
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