연료전지 기본개념 및 응용분야 - energy.cnu.ac.kr · 진공관형태양열집열기 진공관형태양열집열기요소기술 산업이용에적합한중온용고효율히트파이프(용

신에너지신에너지 첨단첨단 소재소재 및및 혁신혁신 융합융합 기술기술 -- 제제 16 16 강강

태양열발전태양열발전 시스템의시스템의 소재소재

목목 차차

평판형평판형 태양열태양열 집열기집열기

진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기

집광형집광형 태양열태양열 집열기집열기

태양열태양열 축열축열 기술기술


평판형평판형 집열기의집열기의 요소요소

투과체투과체 : : 태양태양 복사광선을복사광선을 투과시키면서투과시키면서

집열기로부터의집열기로부터의 열손실을열손실을 줄여주고줄여주고, , 흡수판을흡수판을

보호보호

흡수판흡수판 : : 복사광선을복사광선을 최대한최대한 흡수하여흡수하여 열에너지로열에너지로

변환변환

지관지관 : : 흡수판에서흡수판에서 변환된변환된 열에너지를열에너지를 열매체로열매체로

전달시켜서전달시켜서 축열조나축열조나 필요한필요한 곳으로곳으로 열을열을 이동이동

단열재단열재 : : 집열된집열된 열에너지열에너지 손실을손실을 줄여주는줄여주는 단열단열

역할역할


평판형평판형 집열기의집열기의 요소요소

단열재단열재 지관지관

흡수판흡수판

투과체투과체((유리유리))


집열판집열판 제작공정제작공정

납땜납땜/Seam /Seam 용접용접

Spot, Seam Spot, Seam 용접용접 및및 브레이징브레이징


진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기 요소기술요소기술

산업산업 이용에이용에 적합한적합한 중온용중온용 고효율고효율 히트파이프히트파이프((용용기기, , 작동유체작동유체, , wickwick형상형상) ) 개발개발

Selective black coatingSelective black coating된된 집열판으로부터의집열판으로부터의 열열

손실손실 방지를방지를 위한위한 진공기술과진공기술과 진공유지진공유지 기술기술 개발개발

진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기 설계설계 및및 실용실용 제작기술제작기술((용용접접, , 밀봉밀봉, , 세척세척 등등) ) 개발개발

태양열태양열 집열기를집열기를 이용한이용한 시스템시스템 응용기술응용기술


진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기각각 튜브는튜브는 작동매체로작동매체로 채워진채워진 밀봉된밀봉된 히트파이프히트파이프

파이프에는파이프에는 흑색흑색 구리구리 finfin이이 부착되어부착되어 있으며있으며, , 각각튜브의튜브의 상단상단 끝끝의의 돌출부는돌출부는 밀봉된밀봉된 파이프에파이프에 부착부착된된 금속금속 tiptip이이 있고있고, , 이러한이러한 튜브는튜브는 금속금속 tiptip이이 상부상부로로 향하여향하여 열교환기에열교환기에 연결연결

태양이태양이 finfin의의 흑색흑색 표면에표면에 비추면비추면, , 작동매체는작동매체는 가열가열되고되고, , 가열된가열된 뜨거운뜨거운 증기는증기는 파이프의파이프의 상단상단 끝으로끝으로이동이동

물물 혹은혹은 글리콜이글리콜이 열교환기를열교환기를 통해통해 흘러서흘러서 튜브로튜브로부터부터 열을열을 가져가며가져가며, , 가열된가열된 액체는액체는 다른다른 열교환기열교환기를를 통해통해 순환하고순환하고 그그 열은열은 물에물에 발산하고발산하고, , 태양열태양열저장조에저장조에 저장저장


히트파이프히트파이프 기술기술

높은높은 열전도도를열전도도를 갖는갖는 열전도체열전도체

열전달율은열전달율은 같은같은 크기의크기의 가장가장 열전도도가열전도도가 뛰어난뛰어난

고체고체 열전도체의열전도체의 열전달율보다열전달율보다 수수 천천 배배

기본적인기본적인 히트파이프는히트파이프는 모세관모세관 윅윅 구조와구조와 소량의소량의

증발유체로증발유체로 구성된구성된 밀폐용기로밀폐용기로 구성구성

히트파이프는히트파이프는 증발증발--응축응축 사이클을사이클을 형성하면서형성하면서

외부외부 열원으로부터열원으로부터 열을열을 흡수하여서흡수하여서, , 이이 열은열은

작동유체의작동유체의 증발에증발에 사용되고사용되고 히트히트 싱크에서싱크에서

역변환에역변환에 의해서의해서 잠열을잠열을 방출방출


진공기술진공기술

대기압을대기압을 극복하기극복하기 위해서위해서 투명유리판에투명유리판에 많은많은

내부내부 보강을보강을 도입하여야도입하여야 함함

원통형원통형 진공관형진공관형 태양집열기를태양집열기를 제작하는제작하는 것은것은

전등이나전등이나 TV TV 방전관에서방전관에서 높은높은 진공을진공을 유지하는유지하는

것과것과 유사유사

적절한적절한 배기배기 과정의과정의 수단에수단에 의해서의해서 얻어지는얻어지는

원통형원통형 진공관식진공관식 태양열집열기의태양열집열기의 이상적인이상적인 진공진공

단열은단열은 내부의내부의 가스형태의가스형태의 대기를대기를 통한통한 열손실을열손실을

줄이기줄이기 위해위해 시스템의시스템의 수명동안수명동안 진공진공 유지가유지가 필수필수

요소요소 기술기술


진공관형진공관형 태양열태양열 집열기의집열기의 장점장점태양태양 복사광에서복사광에서 직달성분과직달성분과 산란성분산란성분 모두모두

유효하게유효하게 이용이이용이 가능가능

비교적비교적 적은적은 온도차에서도온도차에서도 열열 수송능력과수송능력과

열응답성이열응답성이 빠른빠른 고효율고효율 전열소자인전열소자인 히트파이프를히트파이프를

사용함으로사용함으로 작동작동 유체의유체의 종류에종류에 따라따라 다를다를 수수

있지만있지만, , 대략대략 구리에구리에 비해비해 103103배배 정도의정도의 열전도율열전도율

진공기술을진공기술을 사용함으로사용함으로 인해인해 흡수판에서의흡수판에서의

열손실을열손실을 획기적으로획기적으로 줄일줄일 수수 있어있어, , 설치면적을설치면적을

30%30%정도정도 줄일줄일 수수 있고있고, , 중온중온 활용에서활용에서 높은높은 집열집열

효율효율 유지유지

경량이고경량이고, , 설치가설치가 용이하며용이하며, , 기존기존 건물의건물의 외외관과관과

친화적친화적


유리유리//금속의금속의 접합접합

고분자재료고분자재료, , 금속재료금속재료, , 무기재료무기재료 등의등의 접착제들을접착제들을

이용할이용할 수수 있지만있지만 접합부분의접합부분의 작동온도와작동온도와

요구되는요구되는 물성을물성을 얻기얻기 위해위해 나름대로의나름대로의

접합재료를접합재료를 선정하는선정하는 것이것이 중요중요

진공진공 밀봉에밀봉에 사용되는사용되는 금속금속//유리유리 접합에는접합에는

유리재료가유리재료가 지금까지지금까지 알려진알려진 재료재료 중중 가장가장 우수우수

고고 열팽창열팽창, , 저저 융점을융점을 특특징으로징으로 하는하는 접합용접합용 유리유리

조성물은조성물은 TV TV 브라운관의브라운관의 전면유리와전면유리와 후면후면 유리의유리의

접합접합 등에등에 주로주로 사용되고사용되고 있는데있는데 이러한이러한 유리유리

조성에조성에 적절한적절한 충진제를충진제를 사용하여사용하여 원하는원하는 열팽창열팽창

특성과특성과 점도점도 및및 유동성유동성, , 결정화결정화 특성을특성을 얻음얻음


유리유리//금속의금속의 접합접합접합용접합용 유리조성물에유리조성물에 대한대한 대부분의대부분의 연구가연구가 PbOPbO--BB22OO33--ZnOZnO계계 산화물산화물 조성을조성을 중심으로중심으로 이루어졌고이루어졌고

이들의이들의 유리화유리화 영역영역 내에서내에서 ZrSiOZrSiO44, Al, Al22OO33, Al, Al22OO33--SnOSnO22,, 바델라이트바델라이트 등의등의 충진제를충진제를 이용하여이용하여 원하는원하는

접합유리의접합유리의 물성을물성을 얻음얻음

유리를유리를 구성하는구성하는 산화물로산화물로 PbOPbO대신대신 SnOSnO를를

이용하려는이용하려는 연구연구 또한또한 이루어지고이루어지고 있으나있으나

저융점을저융점을 얻기얻기 위한위한 접합유리의접합유리의 망목형성체로는망목형성체로는

PbOPbO를를 선호선호


단일단일 진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기


이중이중 진공관형진공관형 태양열태양열 집열기집열기


집광형집광형 집열기집열기

집광형집광형 집열기의집열기의 경우경우 집광율이집광율이 10 10 이상이고이상이고

직접적인직접적인 복사광만을복사광만을 이용하는데이용하는데, , 태양태양 복사광을복사광을

받아들이는받아들이는 반사경의반사경의 개구부개구부 면적이면적이 넓어서넓어서 많은많은

복사광을복사광을 집광시킬집광시킬 수수 있는있는 반면반면 집광된집광된 열을열을

방출하는방출하는 흡수부의흡수부의 면적이면적이 적기적기 대문에대문에 열손실이열손실이

줄어들어서줄어들어서 중중··고온용에고온용에 이용될이용될 수수 있는있는 장점장점

집광특성에집광특성에 따라따라 점점 집광형집광형 집열기와집열기와 선선 집광형집광형

집열기로집열기로 나뉨나뉨


PTCPTC 집광형집광형 집열기집열기

PTCPTC 집광형집광형 집열기에서집열기에서 반사경의반사경의 포물곡면은포물곡면은

선선 집광형으로집광형으로 포물선포물선 형태의형태의 집광기에집광기에 의해서의해서

영향을영향을 받는받는 광학적인광학적인 집광의집광의 결과로결과로 약약 300300℃℃

까지의까지의 온도에서온도에서 작동작동

광학적광학적 집광은집광은 집열기집열기 개구부개구부 면적에면적에 비례하여비례하여

흡수부흡수부 면적을면적을 줄일줄일 수수 있으므로있으므로 열손실을열손실을 상당히상당히

줄일줄일 수수 있음있음

PTCPTC 집광형집광형 집열기는집열기는 하나의하나의 직선직선 튜브를튜브를 통하여통하여

유체가유체가 흐름에흐름에 따라서따라서 이이 시스템과시스템과 관련된관련된

압력강하는압력강하는 낮다는낮다는 장점장점



PTCPTC 집열기의집열기의 흡수관에흡수관에 있는있는 유체의유체의 양이양이 적기적기

때문에때문에 야간야간 열손실열손실 최소화최소화

반사판은반사판은 높은높은 스펙트럼스펙트럼 반사를반사를 갖는갖는 반사물질로반사물질로

덮여있고덮여있고, , 반사재료로는반사재료로는 주로주로 세세 가지가가지가

사용되는데사용되는데 polished aluminum sheets, polished aluminum sheets, aluminized plasticsaluminized plastics과과 silvered glasssilvered glass로로

이이 중에서중에서 가장가장 널리널리 사용되는사용되는 것은것은 aluminized aluminized plasticsplastics 필름으로필름으로 스펙트럼스펙트럼 반사는반사는 0.80~0.860.80~0.86




물물, , 열매체열매체, , 자갈자갈 등을등을 이용한이용한 현열현열 저장저장

현열을현열을 이용한이용한 태양열태양열 저장은저장은 냉냉··난방에서난방에서

보편적으로보편적으로 이용되고이용되고 있는있는 방법방법

태양열태양열 시스템시스템에에 따라따라 액체식과액체식과 공조식으로공조식으로

나뉘며나뉘며, , 액체식의액체식의 경우에는경우에는 축열조의축열조의 효율을효율을

높이기높이기 위해위해 온도성층화온도성층화(thermal stratification)(thermal stratification)기술기술 도입도입

액체액체 열매체는열매체는 그그 자체가자체가 열저장열저장 물질로물질로 사용될사용될 수수

있지만있지만, , 자갈자갈 또는또는 잠열재를잠열재를 이용한이용한 열저장의열저장의

경우에도경우에도 열전달열전달 매체로서매체로서 사용사용


물물, , 열매체열매체, , 자갈자갈 등을등을 이용한이용한 현열현열 저장저장

액체액체 열매체는열매체는 주로주로 집열온도가집열온도가 100100℃℃ 이상인이상인

저장의저장의 경우경우 사용사용

자갈자갈--오일오일 열저장열저장 시스템은시스템은 비교적비교적 높은높은 열을열을

저장할저장할 수수 있는있는 장치로장치로 사용사용, , 자갈은자갈은 열용량이열용량이

물에물에 비해서는비해서는 작지만작지만 중중··고온용고온용 액체액체 열매체와열매체와

비슷한비슷한 값을값을 갖기갖기 때문에때문에 고온저장을고온저장을 위해위해 많은많은

이점을이점을 가짐가짐

자갈은자갈은 반복사이클이나반복사이클이나 퇴화퇴화 등에등에 대한대한 문제가문제가

없고없고 쉽게쉽게 구할구할 수수 있으며있으며, , 열매체의열매체의 양을양을 줄일줄일 수수

있는있는 등등 가격이가격이 싼싼 것이것이 큰큰 장점장점


상변화를상변화를 이용한이용한 잠열저장잠열저장

잠열저장의잠열저장의 주된주된 이점은이점은 높은높은 축열밀도와축열밀도와 일정한일정한

방열방열 온도를온도를 얻는데얻는데 있음있음

잠열저장잠열저장 물질로는물질로는 저온의저온의 경우경우 현재현재 망초나망초나

CaClCaCl22··6H6H22OO등의등의 무기수화물이무기수화물이 이용이용

냉방에냉방에 사용되는사용되는 중고온의중고온의 경우에는경우에는 117117℃℃의의

용융점용융점을을 갖는갖는 MgClMgCl22··6H6H22OO 및및 135135℃℃ 의의

용융점을용융점을 갖는갖는 고밀도고밀도 폴리에틸렌폴리에틸렌 등을등을 이용이용

고온의고온의 경우에는경우에는 불화물이나불화물이나 금속의금속의 합금합금 등을등을

이용이용


화학반응열화학반응열 저장저장

화학반응열을화학반응열을 이용한이용한 태양열태양열 저장은저장은 현열현열 및및

잠열을잠열을 이용하는이용하는 경우보다경우보다 축열밀도가축열밀도가 크고크고

별다른별다른 단열이단열이 필요없음필요없음, , 화학열펌프로의화학열펌프로의 응용이응용이

가능가능

금속수소화물을금속수소화물을 이용한이용한 저장저장

금속수소화물을금속수소화물을 이용한이용한 축열은축열은 금속과금속과 수소간의수소간의

반응열을반응열을 이용하므로이용하므로 화학반응열을화학반응열을 이용한이용한

축열방법의축열방법의 일종일종

금속수소화물이금속수소화물이 액체수소액체수소 이상의이상의 수소수소 저장저장

밀도를밀도를 가지고가지고 있어서있어서 간접적인간접적인 축열방법으로축열방법으로

이용될이용될 수수 있는있는 다면성을다면성을 지님지님

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