KR20070100714A - Solar energy collection apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양 에너지 분야에 속하며, 특히 열-화학, 열-기계학적 또는 기타 다른 열 프로세스를 목적으로 집광된 태양 광 방사 에너지를 수집하는 것에 관한 것이다.The present invention belongs to the field of solar energy, and in particular relates to the collection of concentrated solar radiation energy for thermo-chemical, thermo-mechanical or other thermal processes.
오늘날에는 많은 열 구동 프로세스들을 위하여 재생 가능 태양열 에너지를 동력화하는 것에 대하여 상당히 많은 관심이 모아지고 있다. 이것들에는 스털링 엔진(sterling engine) 또는 스팀 터빈 전력 생성 시스템(steam turbine power generation system), 열화학 개질(reforming), 열균열, 프로세스 히팅, 일반 히팅, 재료 처리, 등과 같은 열-기계 분야가 포함된다. 태양열 수집 시스템은 보통 태양이 충분히 받아들일 수 있는 장소에 위치하게 된다. 통상의 시스템 미러들내에는 플랫-세그멘트형(flat-segmented) 또는 커브형(curved)의 미러들이 포물면(parabolic) 또는 홈통(trough)내에 배치되어 입사되는 태양 방사 에너지를 미리 지정된 표적 상에 집광한다. 태양이 하늘을 가로지르는 동안 트래킹 제어 시스템들 또는 미리 프로그래밍된 알고리즘이 미러들을 이동시킴으로써 요구되는 광학적 형상을 유지하도록 하고 있다.There is a great deal of attention today for powering renewable solar energy for many thermal drive processes. These include thermo-mechanical applications such as sterling engines or steam turbine power generation systems, thermochemical reforming, thermal cracking, process heating, general heating, material processing, and the like. Solar collection systems are usually located in a location where the sun is sufficiently acceptable. In conventional system mirrors, flat-segmented or curved mirrors are disposed in a parabolic or trough to focus incident solar radiation on a predetermined target. . While the sun traverses the sky, tracking control systems or pre-programmed algorithms keep the optical shape required by moving the mirrors.
상기 표적은 보통 캐비티(cavity) 또는 얕은 접시(shallow dish)와 같은 형상을 이루고 이 표적으로 집광된 광원뿔(light cone)이 유도된다. 상기 캐비티는 통상 작업 공정상으로 흡수된 열을 운반하기 위한 냉각재가 흘러들어 가게 되는 복수 개의 튜브들과 함께 배치된다. 미국특허번호 제5,113,659호에서와 같은 일정한 캐비티 디자인은 열에너지를 복수 개의 자유 피스톤 스털링 제너레이터들(free piston sterling generators)로 운반하기 위하여 캐비티내에 일련의 핫슈(hot shoes)들을 통합적으로 포함하고 있다. 어떤 열-화학 공정에서는 투광성 프로세스 튜브내의 촉매 베드들(catalyst beds)을 직접 가열하기 위하여 이미지 파이어볼(image fireball)이 적용되는데, 이는 촉매 소결 및 열악한 공정 온도 제어의 원인이 되는 핫스팟들(hotspots)을 종종 유발한다.The target is usually shaped like a cavity or shallow dish, and a light cone focused on this target is induced. The cavity is typically arranged with a plurality of tubes into which coolant for carrying the absorbed heat flows into the working process. Certain cavity designs, such as in US Pat. No. 5,113,659, incorporate a series of hot shoes in the cavity to deliver thermal energy to a plurality of free piston sterling generators. In some thermo-chemical processes, image fireballs are used to directly heat the catalyst beds in the translucent process tube, which causes hotspots that cause catalyst sintering and poor process temperature control. Often causes
이러한 모든 수집 구조들에서는 열교환 및 캐비티 변수에 대해서 스폿 사이즈 및 모양이 가공되어야 한다. 국부적인 오버히팅 현상들을 방지하기 위해서는 종종 파이어볼을 디포커싱시키거나 균일한 히트존을 제공하기 위하여 복수 개의 파이어볼 이미지들을 공정 열교환 튜브들이 자리 잡고 있는 곳으로 스큐드(skewed)시킨다. 이는 표적상의 최적 초점보다 작고 확대된 태양 이미지 크기로 인하여 고열 방사면의 면적 증가가 수반되면서 방사 손실을 증가시키게 된다.In all these collection structures the spot size and shape must be machined for heat exchange and cavity parameters. To prevent local overheating phenomena often skew a plurality of Fireball images to where process heat exchange tubes are located to defocus the fireball or provide a uniform heat zone. This is accompanied by an increase in the area of the high heat radiation plane due to the enlarged solar image size which is smaller than the optimal focal point on the target, increasing radiation loss.
태양 집약 기술의 규모와 코스트는 전체적인 생산 변환 효율에 크게 관계되므로, 모든 태양 집약 시스템의 목표는 최소한의 가능한 태양 집약 면적에서 최대로 생산물을 생산하는 것이다. 이러한 목적을 이루기 위한 핵심 요소는 재방사로 인한 기생 손실(parasitic losses)을 최소화하는 것이다.Since the scale and cost of solar-intensive technology is highly related to the overall production conversion efficiency, the goal of any solar-intensive system is to produce the maximum yield at the lowest possible solar-intensive area. A key factor in achieving this goal is to minimize parasitic losses due to re-radiation.
수집 수단은 요구되는 공정온도와 관계되는데, 저급 열 응용분야의 경우에는 홈통 리플렉터들(trough reflectors)가 적용되고, 보다 높은 온도의 경우에는 포물면 집광기가 적용된다. 스팀 시스템은 화씨 800K 미만의 약한 온도에서 동작할 수 있지만, 높은 평형 계수를 얻기 위하여 노력하는 열화학 분야에서는 실질적으로 보다 높은 온도를 요구할 수 있다. 불행하게도 공정온도가 상승함에 따라 기생 방사 손실은 스테판의 법칙(Stefan's Law)인 을 따른다. 그리하여 열방사로 인한 손실은 공정 온도인 표적의 절대온도가 두 배가 되면 16 곱 상승하게 된다. 이는 가능한 파이어볼 이미지를 최소화하거나 흑점 면적이 집광된 태양 이미지와 같게 캐비티 수신기 구조를 최적화하는 것과 연동하여 태양 집광을 최대로 함으로써 최소 방사 손실을 실현할 수 있게 된다.The collecting means are related to the required process temperature, trough reflectors for low heat applications and parabolic condensers for higher temperatures. Steam systems can operate at weak temperatures below 800K Fahrenheit, but may require substantially higher temperatures in thermochemistry that strive to achieve high equilibrium coefficients. Unfortunately, as the process temperature rises, the parasitic radiation losses are Stefan's Law. Follow. Thus, the loss due to thermal radiation rises 16 times when the absolute temperature of the target, which is the process temperature, is doubled. This can be achieved by minimizing the possible fireball image or by optimizing the cavity receiver structure, such as sun image condensed with sunspot area, to maximize solar condensation to achieve minimal radiation losses.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제를 극복한 태양열 수집 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a solar collection device and method which overcomes the above problems of the prior art.
본 발명의 제1 실시예에 따르면 태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 실질적으로 원형의 개구를 가지고 태양 에너지 집속기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 실질적으로 원형의 개구를 구비한 신장된 캐비티로 정의되는 등온체(isothermal body)를 포함하며, 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비한다. 상기 등온체는 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어진다. 상기 등온체는 히트 싱크에 대하여 열 결합 되어 상기 등온체내에서 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 한다. 상기 캐비티의 길이는 캐비티로 인입되는 태양광선내 에너지의 소망의 비율을 흡수하기에 충분한 길이를 가진다.According to a first embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from a solar energy concentrator and transferring the collected heat to a heat sink. The device comprises an isothermal body defined by an elongated cavity having a substantially circular opening and having a substantially circular opening having a diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector, the cavity The reflective walls have reflective walls such that the sun rays contacting the reflective walls are substantially reflected. The isotherm is aligned in a direction such that the circular opening is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the major axis of the solar energy collector, so that it is substantially aligned with the major axis of the solar energy collector. The isotherm is thermally coupled to the heat sink such that heat generated in the isotherm is absorbed by the heat sink. The length of the cavity has a length sufficient to absorb the desired rate of energy in the solar light entering the cavity.
본 발명의 제2 실시예에 따르면 태양으로부터의 열을 수집하고 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 태양 에너지 집속기 및 태양 에너지 집속기 초점의 직경과 실질적으로 동일한 직경의 원형 개구를 가지는 실질적으로 실린더형 캐비티로 정의되는 등온체를 포함하며, 상기 캐비티는 반사벽에 접촉되는 태양광선이 실질적으로 반사되도록 반사벽들을 구비한다. 상기 등온체는 원형 개구가 실질적으로 태양 에너지 집속기의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대해 실질적으로 수직이 되어, 태양 에너지 집속기의 주축과 실질적으로 얼라인되도록 하는 방향으로 맞추어진다. 상기 등온체는 그 등온체내에서 생성된 열이 히트싱크에 의하여 흡수되도록 열결합되도록 맞추어지며, 캐비티의 길이는 원형 개구 직경의 5 내지 9 배이다.According to a second embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from the sun and transferring the collected heat to a heat sink. The device comprises an isotherm defined as a substantially cylindrical cavity having a diameter opening having a diameter substantially equal to the diameter of the solar energy collector and the solar energy collector focal point, wherein the cavity has a Reflective walls are provided to reflect substantially. The isotherm is aligned in a direction such that the circular opening is substantially at the focal point of the solar energy collector and is substantially perpendicular to the major axis of the solar energy collector, so that it is substantially aligned with the major axis of the solar energy collector. The isothermal body is adapted to be thermally coupled such that heat generated in the isothermal body is absorbed by the heat sink, and the length of the cavity is 5 to 9 times the diameter of the circular opening.
본 발명의 제3 실시예에 따르면 히트 싱크로 전달하기 위하여 태양 에너지 집속기로부터의 열을 수집하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 태양 에너지 수집기의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경의 실질적으로 원형 개구를 가지는 신장된 캐비티로 정의되는 등온체를 제공하는 것을 포함한다. 상기 캐비티는 벽들에 닿는 태양광선들이 실질적으로 반사되도록 하는 반사벽들을 구비하고, 상기 등온체를 실질적으로 태양 에너지 수집기의 초점에 원형 개구가 위치하고 태양 에너지 집속기의 주축에 대하여 실질적으로 수직이 되도록 향하게 하여 태양 에너지 집속기의 주축과 캐비티의 축이 실질적으로 얼라인 되도록 하며, 태양 광선내에 포함된 에너지의 소망 배율이 상기 반사벽에 의하여 흡수될 때까지 각 태양 광선에 포함되어 있는 에너지의 일부가 각 접촉점에서 반사벽에 의하여 흡수되도록 반사벽상의 제1 접촉점으로부터 반사벽상의 제2 접촉점과 반사벽 상의 복수 개의 연속된 접촉점들로 태양 광선을 반사시키며, 상기 등온체내에서 흡수된 태양 광선 에너지에 의하여 생성된 열이 히트 싱크에 의하여 흡수되도록 히트 싱크를 상기 등온체와 열적으로 결합시킨다.According to a third embodiment of the present invention there is provided an apparatus for collecting heat from a solar energy concentrator for transfer to a heat sink. The apparatus includes providing an isotherm defined by an elongated cavity having a substantially circular opening of diameter substantially the same as the focal diameter of the solar energy collector. The cavity has reflective walls that allow the sun rays that hit the walls to be substantially reflected and direct the isotherm such that a circular opening is positioned substantially at the focal point of the solar energy collector and substantially perpendicular to the main axis of the solar energy collector. So that the axis of the solar energy collector and the axis of the cavity are substantially aligned, and some of the energy contained in each of the sun rays is absorbed until the desired magnification of the energy contained in the sun rays is absorbed by the reflecting wall. Reflects the sun's rays from the first contact point on the reflecting wall to the second contact point on the reflecting wall and the plurality of consecutive contact points on the reflecting wall so as to be absorbed by the reflecting wall at the contact point, and is generated by the sunlight energy absorbed in the isotherm The heat sink so that the heat is absorbed by the heat sink It is coupled to the body and a thermal.
태양 복사는 상기 등온체내에 배치된 반사 캐비티내에서 복수의 내부 반사에 의하여 열로 변환되며, 이 캐비티 수신기 조립체는 요구되는 열 공정 또는 히트 싱크에 열적으로 결합되고, 상기 등온체는 열적 변동을 통합시켜 사소한 단열 또는 파이어볼 이미지 편차와 무관하게 실질적으로 일정한 온도를 가지고 결합된 공정을 제공할 수 있도록 충분한 질량을 가진다. 캐비티 개구는 광원뿔이 캐비티 입구에서 최소의 직경이 되도록 주광축상에 있는 포물면 태양 에너지 집속기의 초점에 위치한다. Solar radiation is converted into heat by a plurality of internal reflections in a reflective cavity disposed within the isothermal body, the cavity receiver assembly being thermally coupled to the required thermal process or heat sink, and the isotherm incorporates thermal fluctuations. Sufficient mass to provide a combined process with a substantially constant temperature independent of minor thermal insulation or fireball image variations. The cavity opening is located at the focal point of the parabolic solar energy concentrator on the main optical axis such that the cone of cone is of minimum diameter at the cavity inlet.
계적 구성은 전체적으로 구리와 같은, 그러나 그에는 한정되지 않는, 화학적으로 환원 가능한 재료를 구비하고나 전체적으로 그렇게 이루어지는 두꺼운 벽을 둔 공동 원통 클래드(hollow cylinder clad)와 닮은 구조이다.The hierarchical configuration resembles a hollow walled cylinder clad with a thick-walled, chemically reducible material such as, but not limited to, copper as a whole.
상기 등온체는 캐비티의 개구단이 태양 에너지 집속기로부터의 초점상에서 광원뿔을 차단하는 상태에서 열 공정에 열적으로 결합되어 있다. 태양 유동은 캐비티로 인입되어 다수의 내부 반사를 겪게 되면서 고르게 퍼지고 점차 복사 에너지가 줄어즐면서 수신기의 등온체에 의하여 그리로 흡수되고 공정으로 전달된다. 캐비티 벽의 반사율은 불활성 분위기 또는 국부적 환원성 대기(reducing local atmosphere)에서 일정하게 유지된다.The isotherm is thermally coupled to the thermal process with the open end of the cavity blocking the cone of light on the focal point from the solar energy concentrator. Solar flow enters the cavity, undergoes a number of internal reflections, spreads evenly and gradually decreases in radiant energy, absorbed therein by the receiver's isotherm, and transferred to the process. The reflectivity of the cavity walls remains constant in an inert atmosphere or in a reducing local atmosphere.
상술한 본 발명의 목적 및 효과들과 부가적인 목적 및 효과들은 바람직한 실시예들의 상세한 설명에서 보다 온전하게 이해될 것이며, 도면상에서 동일한 참조 부호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.The above objects and effects, as well as additional objects and effects, will be more fully understood in the detailed description of the preferred embodiments, wherein like reference numerals designate like elements in the drawings.
도 1 및 도 2는 스털링 엔진을 전기적 변환기로 구동하도록 이루어진 종래 기술의 태양열 수집 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.1 and 2 show the structure of a prior art solar collection system adapted to drive a Stirling engine with an electrical transducer.
도 3은 종래 기술에서 태양 에너지 집속을 허용 가능한 수준으로 줄이기 위하여 사용되는 방사상으로 스큐드된 태양 에너지 수집기의 표적 조사를 나타낸 도면이다.FIG. 3 shows a target survey of radially skewed solar energy collectors used in the prior art to reduce solar energy focus to an acceptable level.
도 4는 종래 기술과 본 발명에서의 방사상 흐름 분포를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the radial flow distribution in the prior art and the present invention.
도 5는 표적 온도 및 면적과 관련된 흑체 열 복사 손실(blackbody thermal radiation loss)을 나타낸 도시한 도면이다.FIG. 5 shows blackbody thermal radiation loss associated with target temperature and area. FIG.
도 6은 스털링 엔진 구동 제너레이터 시스템 내에 적용된 본 발명의 실시예를 나타낸 측단면도이다.6 is a side cross-sectional view showing an embodiment of the present invention applied in a Stirling engine driven generator system.
도 7은 과열(overheating) 응용 분야에서 다른 실시예를 나타낸 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view showing another embodiment in an overheating application.
도 8 및 도 9는 열-화학 반응 시스템에 적용된 본 발명의 일실시예의 측단면도이다.8 and 9 are side cross-sectional views of one embodiment of the present invention applied to a thermo-chemical reaction system.
도 10은 코액셜 캐비티로 정의되는 본 발명의 등온체를 나타낸 아이소메트릭 투시도이며, 단일 광 경로 및 캐비티 동작 기본 원리를 나타내고 있다.10 is an isometric perspective view of the isotherm of the present invention, defined as a coaxial cavity, illustrating a single light path and the principle of cavity operation.
도 11은 내부 광선 경로를 나타낸 도 10의 열 전도체의 단부를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is an end view of the thermal conductor of FIG. 10 showing an inner ray path. FIG.
도 1 및 도 2에는 열 엔진 및 전기 생성 결합 구조를 구동하는 종래의 태양 열 수집 시스템을 도식적으로 나타내었다. 태양 열 수집 시스템은 넓은 다양한 목적으로 열을 공급하는데 사용되고, 수집된 열은 원칙적으로 그 내부에 열을 소모하는 도시된 열 엔진과 같은 히트 싱크로 전달된다. 공정 온도는 목적에 따라 변동되며, 상기 시스템은 모든 수집된 열이 히트 싱크에 의하여 일단은 공정 온도가 약 100℃에서 1400℃ 또는 그 이상에서 소망의 온도로 떨어지도록 설계된다.1 and 2 schematically show a conventional solar collection system for driving a heat engine and an electricity generating coupling structure. Solar heat collection systems are used to supply heat for a wide variety of purposes, and the collected heat is in principle transferred to a heat sink such as the illustrated heat engine that consumes heat therein. The process temperature varies with the purpose, and the system is designed such that all collected heat is once dropped by the heat sink to the desired temperature from about 100 ° C to 1400 ° C or more.
이 예제에서 태양 빔의 태양 광선(7)중에서 태양 에너지 복사(1)는 태양 에너지 집속부에 의하여 반사되고, 캐비티(11)내 포물면 집속기(2)의 초점상에 위치한 표적(8)상으로 포커싱된다. 표적(8)은 포물면 태양 에너지 수집기(2)의 주축(9)이 광원뿔을 차단하도록 그 주축(9)에 대하여 대칭이도록 배치되는 복수 개의 금속 튜브(3)들로 구성된다. 열 전달 손실을 줄이기 위하여 석영 윈도우(5)가 표적(8)을 덮도록 한다. 튜브들상에서 방사 흡수에 의하여 생성된 열을 제거하기 위하여 냉각재가 튜브들(3)을 따라 흘러 이 열을 전도에 의하여 열 엔진(4)으로 전달한다. 이 예제에서는 열 엔진에 의한 변환된 기계적 에너지는 샤프트(10)에 의하여 제너레이터(6)로 교신되고, 이 기계적 에너지는 전기적 에너지로 변환된다.In this example the solar energy radiation 1 in the sun beam 7 of the sun beam is reflected by the solar energy concentrator and onto the
이 예제에서 태양 유동성 강도 수준을 열교환 설계 한계치로 줄이기 위한 노력으로, 표적(8)상으로 향하는 흐름 분포는 관상(tubular) 열교환 구조상에 복수 개의 파이어볼 이미지들을 스큐잉(skewing)함으로써 도 3에 나타낸 것과 같은 환상 고리로 나타난다. 도 4에서 곡선들 W는 도 3의 스큐잉된 파이어볼 이미지들에 의하여 유발된 표적(8)에서의 결과적인 방사 유동성 분포를 도식적으로 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 표적 내에서 근사적으로 원형 부분은 실질적으로 태양 광선(7)에 노출되지 않는다. 그리하여 표적(8)상 태양 빔(7)의 집속은 조사된 표적 면적이 증가됨에 의하여 감소된다.In an effort to reduce the solar fluidity strength level to the heat exchange design limit in this example, the flow distribution towards the
태양 에너지 집속은 통상 "suns"의 단위로 측정된다. 1 sun은 태양에 수직인 단위 면적상에 조사되는 에너지를 나타내며, 이는 대략 제곱 미터당 1000 와트(W/m2)가 된다. 계속해서 예를 들면 초점에서의 가능한 태양 에너지 집속은 대략 5500 suns가 될 것이어서 열교환 튜브(3)는 그 집속부에서 만들어지는 열을 견디지 못하게 될 것이다. 열교환의 열전달 변수들과 함께 열 용량과 냉각재의 부피 흐름이 주어질 때, 최대 안전 태양 집속은 대략 877 suns 또는 877000 W/m2 로 제한된다. 태양 집속 메카니즘을 줄이기 위하여 포물면 집속기(2)를 스큐잉함으로써 보다 넓은 면적이 조사되어지고 그러면 태양 집속도는 줄어들게 되어, 설계 한계 범위 내에서 교환기의 온도는 유지되면서 요구되는 열 전달에 영향을 주게 된다. Solar energy focusing is usually measured in units of "suns". One sun represents the energy irradiated on a unit area perpendicular to the sun, which is approximately 1000 watts per square meter (W / m 2 ). Continuing, for example, the possible solar energy focus at the focal point would be approximately 5500 suns so that the heat exchange tube 3 would not withstand the heat generated at that focus. Given the heat capacity of the heat exchange and the volumetric flow of coolant, the maximum safe solar focus is limited to approximately 877 suns or 877000 W / m 2 . By skewing the
표적 크기를 증기시키면 주어진 온도에서의 방사 손실이 증가되고 태양 에너지 수집기의 효율이 감소된다. 도 5에 나타낸 바와 같이 1.0의 방사율에서 표적 재방사로 인한 에너지 손실의 크기는 실질적으로 공정 온도와 표적의 방사 면적에 영향을 주게 된다. 도 1 및 도 2에 나타낸 위에서의 예에서, 표적(8)의 직경은 15 인치이고 대략 177 제곱 인치의 표적 면적(실질적으로 태양 광선(7)에 노출되지 않는 표적의 중심 부분의 원형 부분을 포함)에서 태양 에너지 집속은 877 suns가 될 수 있다. Vaporizing the target size increases radiation loss at a given temperature and reduces the efficiency of the solar energy collector. As shown in FIG. 5, the magnitude of energy loss due to target re-radiation at an emissivity of 1.0 substantially affects the process temperature and the radiation area of the target. In the example above from FIGS. 1 and 2, the diameter of the
초점에서의 단일 파이어볼을 집속하기 위하여 포물면 태양 에너지 집속기(2)를 재배치함으로써 표적은 대략 6 인치의 직경을 가질 수 있고, 그로써 대략 28 제곱 인치의 표적 면적 상의 초점에서 태양 에너지 집속은 5500 suns이 된다. 즉 표적 면적을 대략 6.25의 비율로 줄일 수 있고 따라서 집속은 6.25의 비율로 증가된다.By repositioning the parabolic
도 5에 나타낸 바와 같이 표적 크기를 15 인치에서 6 인치로 줄임에 의하여 850℃의 공정 온도에서 방사 손실은 13%에서 2%로 줄일 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 보다 큰 표적에서의 방사 손실은 공정 온도가 상승되면서 급격히 증가되는 반면, 적은 표적에 대하여 방사 손실은 휠씬 적게 증가하게 된다.By reducing the target size from 15 inches to 6 inches as shown in FIG. 5, the radiation loss can be reduced from 13% to 2% at a process temperature of 850 ° C. As shown in FIG. 5, radiation losses at larger targets increase rapidly as the process temperature increases, while radiation losses increase even less for smaller targets.
이러한 데이터는 도시된 온도에서의 흑체 태양열 수신기 설계와 부합하는 열역학적 실제이다. 하지만 태양 에너지 집속이 너무 높아지면 실제로 그러한 보다 적은 직경의 수집기를 만들 때 문제가 생긴다.These data are thermodynamic realities consistent with the blackbody solar receiver design at the temperatures shown. However, if the solar energy concentration is too high, problems actually arise when making such a smaller diameter collector.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양 에너지 수집기로부터 열을 수집하여 수집된 열을 히트 싱크로 전달하는 장치를 도시하였다. 도시한 실시예에서의 히트 싱크는 도 1 및 도 2의 그것과 유사한 스털링 엔진 제너레이터이다.FIG. 6 illustrates an apparatus for collecting heat from a solar energy collector and transferring the collected heat to a heat sink according to an embodiment of the present invention. The heat sink in the illustrated embodiment is a Stirling engine generator similar to that of FIGS. 1 and 2.
여기서 스큐잉 집속기 대신에 포물면 집속기(2)에 의하여 집속된 태양 에너지 방사(1)는 신장된 캐비티(13)의 개구 입구에 단일 파이어볼로 날카롭게 포커싱된다. 여기서 태양 에너지 집속은 최대가 되고 표적의 직경과 캐비티(13)의 개구 입구의 직경은 최소가 된다. 도 4에서 곡선(S)은 단일 파이어볼 이미지에 대하여 표적(8)에서의 결과적인 방사 흐름을 나타낸다.The solar energy radiation 1 focused here by the
캐비티(13)의 개구는 태양 에너지 수집기(2)의 초점 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가진다. 캐비티(13)는 원형 개구가 태양 에너지 수집기(2)의 초점에 위치하고 태양 에너지 집속기(2)의 주축(9)에 대하여 실질적으로 수직이 되며 캐비티(13)의 축은 실질적으로 주축(9)과 얼라인되도록 배향된다.The opening of the
캐비티(13)는 스테인리스 스틸 또는 그와 유사한 재질로 만들어진 등온체(12) 내로 한정된다. 캐비티(13)는 화학적 환원 상태에서 우수한 반사율을 보이고 뛰어난 열전도율을 보이는 구리와 같은 메탈 라이너(32)로 대어진다. 대안적으로 상기 등온체(12)는 전체적으로 화학적으로 환원되고 열적으로 전도성 물질인 구리로 구성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 어찌되었든 캐비티(13)는 상기 벽들에 접촉하는 태양 광선(7)이 실질적으로 반사되도록 하는 반사벽들을 구비한다. 캐비티(13) 내에서 광선의 복수 차 반사는 캐비티(13) 내의 벽들에서 태양 광선을 열로 변환하며, 이 열은 전도에 의하여 등온체(12)로 전달되어 그 온도를 상승시켜 이 열 에너지를 히트 싱크 공정에서 사용할 수 있게 한다.The
반사벽에 접촉하는 태양 광선(7)이 반사벽상의 제1 접촉점으로부터 반사벽상의 제2 접촉점과 반사벽상의 다수의 연속 접촉점들로 반사됨에 의하여 수신기의 실효 면적은 캐비티의 개구 면적에서 캐비티의 벽 면적으로 증가된다. 캐비티는 캐비티의 개구에 비하여 신장되어 있기 때문에 벽에서 벽으로 반사하고 그리하여 흡수되기 전에 개구를 통해 빠져나가는 태양 광선의 비율은 적다.The effective area of the receiver is reflected by the sun rays 7 in contact with the reflecting wall from the first contact point on the reflecting wall to the second contact point on the reflecting wall and the plurality of continuous contact points on the reflecting wall. Increased to area Because the cavity is elongated relative to the opening of the cavity, there is a small percentage of the sun's rays exiting through the opening before it is reflected from the wall to the wall and thus absorbed.
흡수되는 태양 에너지의 비율은 캐비티의 길이를 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다. 광선의 전체 흡수는 비현실적이지만 반사 캐비티(13)의 길이가 캐비티 입구의 개구 직경의 5 내지 9 배가 되면 캐비티의 길이는 캐비티로 들어오는 태양 광선의 소망의 유의한 비율을 흡수하기에 충분한 것이 일반적이다. 실험에서는 반사 캐비티(13)의 길이가 캐비티 입구 개구 직경의 대략 7 배에서 흑체 흡수의 아주 우수한 근사를 구현한 것으로 나타났다. 그러한 구조에서는 태양 에너지의 95%가 흡수된다.The proportion of solar energy absorbed can be increased by increasing the length of the cavity. The total absorption of the rays is impractical, but if the length of the
캐비티(13) 길이의 증가는 흡수되는 태양 광선의 비율을 증가시키게 될 것이지만, 등온체(12)의 길이도 역시 증가하게 된다. 등온체(12)의 크기가 증가하면 등온체로부터의 전도성 열 손실 역시 증가하고 등온체(12)의 확장된 표면적을 통한 전도 손실에 의하여 방사 저감에서의 이득이 제한된다. 캐비티(13) 길이의 감소는 보다 큰 광선 비율이 캐비티(13) 밖으로 반사되어 손실되게 됨으로써 흡수되는 태양 광선(7) 에너지 비율의 감소를 초래한다. Increasing the length of the
산화되면 반사율이 줄어들게 되고 그럼으로써 장치의 효율을 떨어뜨리게 되는 노출된 금속성 부품의 화학적 변형 때문에 캐비티(13)는 국부적 환원성 대기내에서 보존된다.When oxidized, the reflectance is reduced and the
도 10 및 도 11에는 모든 열 추출 수단들을 배제한 본 발명의 등온체(12)와 캐비티(13)를 나타내었으며, 여기서 태양 광빔(7)의 단일 광 경로를 따라가 보면 캐비티(13)의 입구(20)를 통과하여 캐비티(13)의 반사벽에 부딛치게 된다.10 and 11 show an
이 예제에서 태양 광선(7) 또는 광자는 최종적으로 캐비티 벽에 의하여 흡수되기 까지 많은 반사를 겪게 되고, 그 에너지가 등온체(12)로 전달되어 그 내부 에너지 또는 온도를 상승시키게 된다.In this example, the sun's rays 7 or photons undergo a lot of reflection until they are finally absorbed by the cavity wall, and their energy is transferred to the
도 10 및 도 11에서 나타낸 광자에 의하여 따르게 되는 경로는 단지 설명의 목적으로 나타낸 것으로 무수한 가능한 경로들중의 하나에 불과하다. 캐비티 입구로 향하는 가우시안 빔 프로파일을 가지는 집광된 광 에너지는 캐비티내에서 모든 가능한 경로를 따라 가면서 그 내에서 열을 고르게 분포시키게 된다.The path followed by the photons shown in FIGS. 10 and 11 is shown for illustrative purposes only and is one of countless possible paths. Condensed light energy with a Gaussian beam profile directed to the cavity inlet will follow all possible paths within the cavity and evenly distribute heat therein.
등온체(12)의 온도가 증가하면서 노출면(14)은, 그 방사율과 면적에 따라, 총 기생 손실에 기여하는 에너지를 방사하게 된다. 표면 방사율을 저감시킴으로써 열 방사 손실을 저감시키기 위한 노력으로 도 6 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 노출면 또는 캐비티 개구와 등온체의 외부 모서리 사이 등온체(12)의 모든 노출면을 덮는 구리와 같은 유사 환원성 재료의 실드(30)를 구성하는 것이 유리하다. 화학적으로 환원성 및 유사한 실드들은 공정 온도에서 노출된 모든 부품들을 덮는데 사용될 수 있다.As the temperature of the
도 7에는 증기 또는 가열 공정의 작동 유체에 사용되는 과열 히팅 배치 구조를 나타내었다. 상술한 바와 같이 기술된 태양 에너지는 다수의 내부 캐비티 반사와 흡수 메카니즘에 의하여 흡수되고, 이는 등온체(12)를 요구되는 공정 온도까지 가열한다. 작동 유체는 참조번호 18의 수신기로 들어가고 등온체(12) 내에 대칭적으로 위치하는 경로 17을 따라 주기적으로 순환하여, 본체로부터 에너지를 흡수해서 참조 번호 19의 요구되는 공정으로 빠져나간다.Figure 7 shows the superheated heating arrangement used for the working fluid of the steam or heating process. The solar energy described as described above is absorbed by a number of internal cavity reflections and absorption mechanisms, which heat the
도 6 내지 도 9의 실시예에서 모든 요구되는 단열과 함께 환원성 대기(15)를 저장하도록 제공하는 차폐된 인클로저(16)가 제공된다.In the embodiment of FIGS. 6-9 a shielded
윈도우(5)는 반사 캐비티(13)으로 태양 방사의 유입이 되도록 하며, 인클로저(16)을 위한 가스 봉인을 제공한다.The window 5 allows the entry of solar radiation into the
인클로저(16)는 5% 수소 및 동작 온도에서 환원성인 밸런스 필러 가스(balance a filler gas)와 같은 환원성 대기로 채워진다. 질소는 좋은 선택인데, 이는 가격이 저렴하고 높은 동작 온도에서 환원성을 가지기 때문이다. 다른 환원성 가스들로는 아르곤등이 있으며, 이들 역시 사용할 수 있을 것이다.
환원성 대기는 무산소 고전도도(oxygen free high conductivity : OFHC) 구리 또는 그와 유사한 금속 화합물들과 같은 환원 금속들이 요구되는 금속 상태에 있도록 유지시킨다. The reducing atmosphere keeps reducing metals such as oxygen free high conductivity (OFHC) copper or similar metal compounds in the desired metal state.
이러한 상태에서, 반사 캐비티(13)의 라이너(32)의 반사성 표면들과 실드(30)는 낮은 방사율을 유지함으로써 본 발명에서 그들의 기능을 충족하도록 한다. In this state, the reflective surfaces of the
열 손실을 저감시키기 위하여 환원성 가스를 저장하는 인클로저(16)는 단열된다. 도 6 내지 도 9에서 태양 방사가 캐비티(13)을 가열하면서 캐비티(13)의 금속 벽들을 이루는 금속 캐비티 라이너(32)의 열 팽창은 등온체(12)의 내부벽들에 대해서 높은 압축력을 유발한다. 이러한 부품들 사이의 밀접한 접촉은 라이너(32)와 등온체(12) 사이 금속 경계의 열 저항을 저감시켜 열을 수신하는 등온체(12)로의 열전달을 향상시키고 캐비티 라이너와 수신기 조립체를 실질적으로 등온상태로 만듬에 의하여 캐비티의 최대 정격 광속 밀도(maximum rated flux density)를 증가시킨다.In order to reduce heat loss, the
도 8 및 도 9에는 열-화학 반응기를 나타내었으며, 여기서, 집속된 태양 광빔(7)은 석영 윈도우(5)를 통해 가스 밀폐된 인클로저(16)로 들어가고, 다수의 캐비티 반사를 거쳐 태양 광빔(7)의 에너지가 등온체(12)에 의하여 흡수되고 열로 변환된다.8 and 9 show a thermo-chemical reactor, where the focused solar light beam 7 enters the gas sealed
반응 가스는 공급 라인(22)과 예열 채널(24)로 주입된다. 예열 채널들(24)를 빠져나오는 뜨거운 반응체는 촉매 흡열 반응이 일어나는 등온체내의 반응 베드들(25)로 들어간다.The reactant gas is injected into the
이러한 예제들에서 산출물들이 튜브(23)에서 등온체를 빠져나온다. 도 6 내지 도 9에 도시한 다른 실시예들은 환원성 금속 또는 세라믹으로 이루어진 고체성 등온체를 포함하여 반사 캐비티 라이너 또는 실드의 필요성을 제거할 수 있다. 다른 환원 가스들과 같이 핵심 부품들의 산화를 방지하는 다른 수단들 또는 전술한 가스들의 농도들을 변경하는 것이 본 발명의 범위내에서 생각되어 질 수 있을 것이 다.In these examples, the outputs exit the isotherm in the tube 23. Other embodiments shown in FIGS. 6-9 can include a solid isotherm made of a reducing metal or ceramic to eliminate the need for a reflective cavity liner or shield. It would be conceivable within the scope of the present invention to change the concentrations of the aforementioned gases or other means of preventing the oxidation of key components, such as other reducing gases.
본 발명의 장치는 방사 손실이 수집된 태양 에너지의 중요한 부분으로 나타나는 보다 높은 공정 온도를 사용하는 곳에 적합하다. 낮은 공정 온도에서는 방사 손실이 덜 중요하여 상기 장치를 사용하는 것 유의성이 있는 이익을 제공하지 않는 것이 통상적이다.The apparatus of the present invention is suitable for use at higher process temperatures where radiation losses represent an important part of the collected solar energy. At low process temperatures, radiation losses are less important and typically do not provide a significant benefit in using the device.
즉 상술한 설명들은 발명의 원리를 설명하기 위한 목적만으로 이해되어질 것이다. 또한 당업자에 의하여 언제라도 많은 변경들 및 수정이 있을 수 있으므로 도시되고 설명된 구성 및 작용 효과 그자체로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 따라서, 모든 그러한 적절한 변경들 및 수정들은 청구된 발명의 범위내에 속하게 되는 것으로 구분되어야 할 것이다.In other words, the above description will be understood for the purpose of illustrating the principles of the invention. It is also not intended to limit the invention to the configurations and effects shown and described per se, as many changes and modifications may occur at any time by those skilled in the art, and therefore, all such suitable changes and modifications are to be considered the scope of the claimed invention. It should be divided into what belongs to.
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