태양열 집열기

Solar thermal collector
태양 복사로 전기를 생산하려면 태양 전지, 태양 전지 및 광전지를 참조하십시오.
평평한 지붕에 배치된 온수 시스템.열을 운반하는 파이프는 검은색으로 칠해진 평평한 플레이트인 업소버에 내장되어 있는 것을 볼 수 있습니다.이 예에서는 열이 패널 위의 탱크에 저장됩니다.
시리즈의 일부
지속 가능한 에너지
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
에너지 절약
재생 에너지
지속 가능한 수송

태양열 집열기는 햇빛을 흡수하여 열을 모읍니다.태양열 집열기(solar collector)란 일반적으로 태양열 온수 난방용 장치를 말하지만, 태양열 포물선 홈 및 태양열 타워와 같은 대형 발전 설비나 태양열 공기 [1]히터와 같은 비온수 난방 장치를 말하기도 한다.

태양열 집열기는 집중적이지 않거나 집중적이지 않습니다.비농축 집전체에서 조리개 영역(즉, 태양 복사를 받는 영역)은 흡수체 영역(즉, 방사선을 흡수하는 영역)과 거의 동일하다.그러한 시스템의 일반적인 예는 햇빛의 흡수를 최대화하기 위해 어두운 색으로 칠해진 금속판이다.그런 다음 플레이트에 부착된 파이프에 흐르는 작동 유체(종종 물 또는 글리콜)로 플레이트를 냉각하여 에너지를 수집합니다.

집광 컬렉터는 흡수기 면적보다 훨씬 큰 개구부를 가지고 있습니다.구멍은 일반적으로 미러 형태로 되어 있으며, 대부분의 경우 작동 오일을 [2]운반하는 파이프입니다.낮 동안의 태양의 움직임 때문에, 집중 수집기는 종종 어떤 형태의 태양 추적 시스템을 필요로 하며, 이러한 이유로 때때로 "활성" 수집기라고 불립니다.

비농축 집열기는 일반적으로 주거용, 산업용 및 상업용 건물에서 공간 난방을 위해 사용되는 반면, 집열기의 집열기는 [3]전열 유체를 가열하여 발전기에 연결된 터빈을 구동함으로써 전기를 생산한다.

물을 가열하는 태양열 집열기

평판형 및 진공관형 태양열 집열기는 주로 실내 난방, 가정용 온수 또는 흡수식 냉동기 냉각을 위한 열을 모으기 위해 사용됩니다.태양열 온수 패널과는 대조적으로, 그들은 순환 유체를 사용하여 분리된 저장소로 열을 이동합니다.지붕을 짓기 위해 설계된 최초의 태양열 집열기는 윌리엄 H. 괴틀에 의해 특허를 받았으며 "건물 [4]지붕을 위한 태양열 집열기와 라디에이터"라고 불렸습니다.

진공 평판형 태양열 집열기는 최신 기술이며 100°C(212°F) 이상의 온도가 [5][6]요구되는 산업용 태양열(SHIC) 및 태양열 에어컨(SAC)에 사용할 수 있다.이러한 비집광 수집기는 확산광과 직접광 모두를 수집하며 물 대신 증기를 유체처럼 사용할 수 있습니다.

평판 수집기

평판형 태양광 집열기 2개 나란히 배치

평판 수집기는 유럽에서 [7]가장 일반적인 태양열 기술이다.이러한 구성 요소는 (1) 인클로저에 (2) 유체 순환 통로가 있는 어두운 색상의 흡수판 및 (3) 인클로저에 태양 에너지를 전달할 수 있는 투명한 커버로 구성됩니다.일반적으로 인클로저의 측면과 후면은 주위 열 손실을 줄이기 위해 절연되어 있습니다.열전달 유체가 흡수기의 유체 통로를 순환하여 솔라 컬렉터로부터 열을 제거합니다.열대 및 아열대 기후의 순환 유체는 일반적으로 물이다.동결이 예상되는 기후에서는 자동차 부동액과 유사한 열전달 유체를 물 대신 또는 물과 혼합하여 사용할 수 있습니다.열전달유체를 사용할 경우 일반적으로 열교환기를 사용하여 태양열 집열유체로부터 온수저장탱크로 열을 전달한다.가장 일반적인 흡수체 설계는 구리 튜브가 전도성이 높은 금속 시트(구리 또는 알루미늄)에 접합되어 있습니다.흡수체 어셈블리의 태양광 흡수를 증가시키기 위해 햇빛을 마주보는 쪽에 다크코팅을 한다.일반적인 흡수체 코팅은 검은색 에나멜 페인트입니다.

고성능 솔라 컬렉터 설계에서 투명 커버는 태양광 발전 솔라 패널과 마찬가지로 산화철 함량이 낮은 강화 소다 석회 유리이다.또한 유리에는 투명성을 더욱 높이기 위해 스티플링 패턴과 하나 또는 두 개의 반사 방지 코팅이 있을 수 있습니다.흡수체 코팅은 일반적으로 선택적 코팅으로, 여기서 선택이란 적외선 스펙트럼의 낮은 방사율과 결합된 전자기 스펙트럼의 가시적인 부분에서 높은 흡수를 결합하는 특수 광학 특성을 갖는 것을 의미합니다.그러면 선택적인 표면이 생성되어 흡수기에서 방출되는 흑체 에너지가 감소하고 성능이 향상됩니다.일반적으로 롤 투 롤 공정에서 대형 코일에 접합하기 전에 배관을 레이저 또는 초음파 용접하여 선택적 코팅의 손상을 줄일 수 있습니다.

흡수기 배관 구성은 다음과 같습니다.

  • 하프: 저압 서모사이폰 및 펌프 시스템에 사용되는 하부 파이프 라이저 및 상부 수집 파이프가 있는 전통적인 설계.
  • 서펜타인: 가변 유량 시스템에서 온도를 최대화하지만 총 에너지 수율은 최대화하지 않는 연속 S자 파이프 1개로, 소형 태양열 가정용 온수 전용 시스템에 사용된다(공간 난방 역할이 없음).
  • Flooded: 열 전달을 개선하는 광범위한 순환 영역을 생성하기 위해 성형된 두 장의 금속판으로 구성됩니다.
  • 경계층: 경계층에서 흡수가 가능한 투명 및 불투명 시트의 여러 층으로 구성됩니다.에너지가 경계층에 흡수되기 때문에 흡수된 열이 순환액체에 [citation needed]축적되기 전에 재료를 통해 전도되는 집열기보다 열변환이 효율적일 수 있다.

유리측에서도 열손실을 줄이기 위해 벌집 구조를 이용한 평판 집열기도 시판되고 있다.대부분의 평판 수집가의 평균 수명은 25년 [citation needed]이상입니다.

진공관 수집기

진공관 수집기
직류 배기 튜브
히트 파이프 진공 튜브
지붕 위의 진공관 수집기 배열

진공관 수집기는 세계에서 [7]가장 흔한 태양열 기술이다.유리 튜브를 사용하여 흡수기를 고진공으로 둘러싸고 대기압에 효과적으로 저항합니다.흡수기를 둘러싼 진공은 대류 및 전도 열 손실을 크게 줄여 에너지 변환 효율을 높입니다.흡수기는 평판 수집기의 경우처럼 금속이거나 두 번째 동심원 유리 튜브("Sydney Tube")일 수 있습니다.열전달 오일은 각 튜브를 드나들거나 튜브 내부에 도달하는 히트 파이프와 접촉할 수 있습니다.후자의 경우 히트 파이프는 [citation needed]튜브에 대해 가로로 배치된 "매니폴드"라고 불리는 열 교환기의 유체로 열을 전달합니다.매니폴드는 단열재(유리 양털)로 포장되어 있으며 서포트에 고정하는 데에도 사용되는 보호 금속 또는 플라스틱 케이스로 덮여 있습니다.

유리 금속 진공관은 평판과 같은 평판 또는 곡면 금속 흡수체 시트로 제작됩니다.이러한 시트는 파이프 또는 히트 파이프에 접합되어 "핀"을 만들고 단일 붕규산염 유리 튜브 안에 넣습니다.이러한 튜브의 내측 및 외측 표면에 반사방지 피막을 부착하여 투명성을 향상시킬 수 있다.진공이 [8]손실될 때까지 선택적 코팅과 반사 방지 코팅(내부 튜브 표면)이 모두 저하되지 않습니다.단, 각 진공관 한쪽 또는 양쪽에는 고진공밀 유리금속 씰이 필요하다.이 씰은 수집기 작동 시 매일 주변 온도와 유체 온도 사이를 순환하므로 시간이 지남에 따라 고장이 발생할 수 있습니다.

유리 유리 진공 튜브는 한쪽 또는 양쪽 끝에 두 개의 붕규산 유리 튜브가 함께 용해된 상태로 제작됩니다(진공 병 또는 디와르 플라스크와 유사).업소버 핀은 대기압으로 내측 튜브 내부에 배치됩니다.유리관은 매우 신뢰할 수 있는 밀봉 기능을 가지고 있지만, 두 층의 유리는 흡수기에 도달하는 햇빛의 양을 줄여줍니다.이를 방지하기 위해 선택적 코팅이 내부 붕규산염 튜브(고진공 측)에 퇴적될 수 있지만, 이 경우 열이 내부 튜브의 전도성이 떨어지는 유리 두께를 통해 흐르게 됩니다.또한 습기가 내부 튜브 내부의 비방습 영역에 유입되어 이종 소재로 제조된 경우(갈바닉 부식) 흡수체 부식을 유발할 수 있습니다.

바륨 플래시 게터 펌프는 일반적으로 튜브 사이의 고진공 갭 안에서 증발하여 시간이 지남에 따라 내부 압력을 안정적으로 유지합니다.

진공관 내부에서 발생할 수 있는 고온은 과열을 방지하기 위해 특수 설계가 필요할 수 있습니다.일부 진공 튜브 수집기는 히트 파이프 때문에 열 단방향 밸브로 작동합니다.따라서 안전 기능으로 [9]기능하는 고유의 최대 작동 온도를 얻을 수 있습니다.진공관 수집기는 CPC [10]수집기를 실현하는 저농도 반사체를 튜브 배면에 설치할 수도 있다.

평판과 진공관 수집기의 비교

이 두 기술의 지지자들 사이에는 오랜 논쟁이 존재한다.이 중 일부는 불연속 흡광 영역을 가진 진공관 수집기의 구조와 관련이 있을 수 있습니다.지붕 위의 진공관 컬렉터 어레이는 개별관 사이에 공간이 있고 각 튜브와 내부 흡수체 사이에 진공 갭이 있어 지붕 설치 면적의 극히 일부만을 덮는다.대피 튜브를 지붕 점유 면적(총 면적)을 기준으로 평판 수집기와 비교하는 경우 흡수기 또는 개구부 영역을 비교할 때와 다른 결론에 도달할 수 있다.ISO 9806 표준의[11] 최근 개정판에는 태양광 집열기의 효율은 총 면적 측면에서 측정되어야 하며, 이는 직접 비교에서 진공관 집열기와 관련하여 평판을 선호할 수 있다고 명시되어 있다.

소형 태양광 집광기 옆에 진공 평판 집광기 배열
SolarCollectorsCompare1.jpg 평판 수집기(파란색 선)의 에너지 출력(kW.h/day) 비교열역학 S42-P[dubious – discuss], 흡수기 2.8m2) 및 진공 튜브 수집기(녹색 선, SunMaxx 20EVT[dubious – discuss], 흡수기 3.1m2).인터넷의 [dubious – discuss]SRCC 인증 문서에서 얻은 데이터.Tm-Ta = 수집기 내 수분과 주변 온도 간의 온도차.Q = 측정 중 일사.첫째, (Tm-Ta)가 증가함에 따라 평판 집전체 효율이 진공관 집전체보다 빠르게 감소한다.즉, 평판 수집기는 주변 온도보다 25°C 이상 높은 물(즉,[dubious – discuss] 그래프의 빨간색 표시 오른쪽)을 생성하는 데 덜 효율적입니다.둘째, 흐린 상태(낮은 일사)에서는 두 집전기의 출력이 크게 떨어지더라도(낮은 일사) 흐린 상태에서는 평판 집전기보다 훨씬 더 많은 에너지를 배출합니다.많은 요인이 2개의 수집기에서2개의 다른 테크놀로지로의 추정을 방해하고 있지만, 그 효율성의 기본적인 관계는 여전히[dubious – discuss] 유효합니다.
Panelcomp2.jpg 왼쪽 그림에서 설명한 차이점을 보여주는 현장 시험입니다.평판 수집기와 유사한 크기의 진공관 수집기가 지붕 위에 인접하게 설치되었으며, 각 수집기에는 펌프, 컨트롤러 및 저장 탱크가 있습니다.비와 구름이 간헐적으로 발생하는 하루 동안 몇 가지 변수가 기록되었다.녹색선 = 태양 조사.상단 마룬 라인은 펌프 사이클이 훨씬 느리고 낮의 서늘한 시간(방사선이 낮음)에 약 30분간 정지하는 진공관 수집기의 온도를 나타내며, 열 수집 속도가 느립니다.평판 집열기의 온도는 낮에는 크게 떨어졌지만(아래 보라색 선), 조사가 증가하자 이날 오후부터 다시 순환하기 시작했다.평판계통(연청색 그래프)의 저수탱크 내 온도는 낮 동안 8도 상승한 반면 평판계통(연청색 그래프)의 저수탱크 내 온도는 일정하게 유지되었다.ITS솔라 [12][dubious – discuss]제공

평판 수집기는 일반적으로 유리 쪽에 절연재가 없기 때문에 진공관보다 환경에 더 많은 열을 손실합니다.진공관 수집기는 본질적으로 평판보다 흡수체 대 총 면적 비율이 낮습니다(일반적으로 60~80% 더 작습니다). 튜브는 간격을 두어야 하기 때문입니다.몇몇 유럽 기업이 진공관 수집기(주로 유리 금속 타입)를 제조하고 있지만, 진공관 시장은 중국의 제조업체가 주도하고 있으며, 일부 기업은 15~30년 이상의 실적을 가지고 있습니다.두 설계의 장기적 신뢰성이 다르다는 명백한 증거는 없다.그러나 진공 튜브 기술(특히 유리 금속 씰과 히트 파이프가 있는 신형 모델)은 여전히 경쟁력 있는 수명을 입증해야 합니다.진공 튜브의 모듈성은 확장성과 유지 보수 측면에서 유리할 수 있습니다. 예를 들어, 히트 파이프 튜브의 진공이 손실된 경우 최소한의 노력으로 쉽게 교체할 수 있습니다.

평판 수집기가 주변 온도에서 67°C(120°F)까지 진공관을 능가하는 성능을 발휘하는 것을 보여 주는 차트 및 회색으로 음영 처리된 태양열 가정용 온수 [13]시스템의 정상 작동 범위.

대부분의 기후에서 평판 수집기는 일반적으로 진공 [14]튜브보다 비용 효율이 높습니다.그러나 진공관 수집기는 추운 주변 온도에 적합하며 낮은 태양 복사 강도의 상황에서 잘 작동하여 연중 보다 일관된 열을 제공한다.수영장 물을 데울 때 유리되지 않은 평판 수집기가 선호되는 장치입니다.가정용 온수를 주변 온도에서 20°C(36°F) 미만으로 가열해야 하는 경우 열대 또는 아열대 환경에 유리되지 않은 수집기가 적합할 수 있습니다.진공 튜브 컬렉터는 공기역학적 저항이 적기 때문에 바람이 많이 부는 곳의 지붕에 쉽게 설치할 수 있습니다.튜브 사이의 틈새로 인해 눈이 수집기를 통해 떨어질 수 있으며, 일부 눈 조건에서 생산 손실을 최소화할 수 있다. 단, 튜브에서 복사되는 열의 부족은 누적된 눈의 효과적인 배출을 방해할 수도 있다.평판 수집기는 청소하기가 더 쉬울 수 있습니다.외관이나 설치의 용이성 등 다른 속성은 보다 주관적이고 비교하기 어렵습니다.

진공 평판 수집기

진공 평판 태양 집열기는 평판과 진공 튜브 집열기의 모든 장점을 함께 제공합니다.그것들은 유리와 금속으로 만들어진 평평한 봉투 안에 고진공으로 넓은 면적의 금속판 흡수기를 둘러싸고 있다.비집중형 태양열 [15]집열기 중 가장 높은 에너지 변환 효율을 제공하지만, 제조에는 정교한 기술이 필요합니다.내부 진공이 낮은 평판 수집기와 혼동해서는 안 됩니다.고진공 단열재를 이용한 최초의 컬렉터는 [16]CERN에서 개발되었으며,[17] 스위스의 TVP SOLAR SA는 2012년에 Solar Keymark 인증 컬렉터를 최초로 상용화한 기업입니다.

진공 평판 태양열 집열기는 유리판을 금속 외피의 나머지 부분에 접합하기 위해 유리 금속 씰과 대기압에 대해 이러한 판을 지지하기 위한 내부 구조가 모두 필요합니다.이러한 구조를 수용할 수 있도록 흡수기를 분할하거나 적절한 구멍을 제공해야 합니다.모든 부품의 접합은 고진공밀이어야 하며 가스 배출을 방지하기 위해 증기 압력이 낮은 재료만 사용할 수 있습니다.유리-금속 씰 기술은 금속화된[18] 유리 또는 유리화[19] 금속을 기반으로 할 수 있으며 컬렉터의 유형을 정의합니다.진공 튜브 수집기와는 달리 비증발성 게터(NEG) 펌프를 사용하여 시간이 지남에 따라 내부 압력을 안정적으로 유지합니다.이 게터 펌프 기술은 햇빛에 노출되어 현장에서 약간의 재생을 제공할 수 있는 장점이 있습니다.진공 평판형 태양열 집열기는 소형 태양광 [20]집열기와 비교하여 태양 공기 상태에 대해 연구되어 왔다.

폴리머 평판 수집기

이러한 수집기는 금속 수집기의 대체품이며 현재 유럽에서 [21]생산되고 있습니다.이는 완전히 폴리머일 수도 있고 실리콘 고무로 만들어진 내결빙성 수로의 전면에 금속판을 포함할 수도 있습니다.폴리머는 유연성이 뛰어나 동결에 견딜 수 있으며 부동액 대신 일반 물을 사용할 수 있기 때문에 효율을 낮추는 열교환기 대신 기존 수조에 직접 배관할 수 있습니다.열교환기를 사용하면 순환 시스템이 켜지기 위해 온도가 그렇게 높을 필요는 없습니다. 따라서 이러한 직접 순환 패널은 폴리머든 다른 것이든, 특히 낮은 태양 복사 강도 수준에서 더 효율적일 수 있습니다.일부 초기 선택적으로 코팅된 고분자 수집기는 절연 시 고분자의 용해점을 [22][23]초과할 수 있기 때문에 과열로 고생했습니다.예를 들어 폴리프로필렌의 녹는점은 160°C(320°F)인 반면, 제어 전략을 사용하지 않을 경우 절연 열 수집기의 정체 온도는 180°C(356°F)를 초과할 수 있습니다.이러한 이유로 폴리프로필렌은 유약을 선택적으로 코팅한 태양 집열기에 자주 사용되지 않습니다.고온도 실리콘(이것들은 250°C(482°F) 이상에서 녹는다)과 같은 고분자가 점점 더 많이 사용되고 있다.일부 비폴리프로필렌 폴리머 기반 유리 태양 집열기는 정체 온도를 150°C(302°F) 이하로 낮추기 위해 선택적으로 코팅하지 않고 무광 블랙 코팅되어 있습니다.

동결 가능성이 있는 영역에서는 플렉시블 폴리머를 사용하여 동결 내구성(균열 없이 반복적으로 동결하는 기능)을 달성할 수 있습니다.실리콘 고무 파이프는 1999년부터 영국에서 이러한 목적으로 사용되어 왔습니다.기존 금속채취기는 동파손상에 취약하기 때문에 물을 채운 경우에는 중력을 이용해 완전히 배수한 후 균열이 발생하지 않도록 해야 한다.많은 금속 수집기가 밀폐된 열 교환기 시스템의 일부로 설치됩니다.음용수를 수집기를 통해 직접 흐르게 하는 대신 물과 프로필렌 글리콜과 같은 부동액을 혼합하여 사용합니다.열교환 오일은 혼합물의 프로필렌 글리콜 비율에 따라 국소적으로 결정된 위험 온도까지 동결 손상을 방지합니다.글리콜을 사용하면 물의 열 전달 용량이 약간 감소하지만, 열 교환기를 추가하면 낮은 [citation needed]조도 수준에서 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

풀 또는 무유리 컬렉터는 투명 커버가 없는 평판 컬렉터의 단순한 형태입니다.일반적으로 흡수체로 폴리프로필렌, EPDM 고무 또는 실리콘 고무가 사용됩니다.수영장 난방에 사용되므로 원하는 출력 온도가 주변 온도에 근접할 때(즉, 바깥이 따뜻할 때) 매우 잘 작동합니다.주변 온도가 낮아짐에 따라 이러한 수집기의 [citation needed]효율은 떨어집니다.

그릇 수집가

태양광 그릇은 포물선 접시와 비슷하게 작동하는 태양열 집열기의 한 종류이지만, 고정 수신기가 있는 추적 포물선 거울을 사용하는 대신 추적 수신기가 있는 고정된 구형 거울을 가지고 있다.이로 인해 효율은 떨어지지만 구축 및 운영 비용이 절감됩니다.디자이너들은 이것을 고정 거울 분산 초점 태양 발전 시스템이라고 부릅니다.그것의 개발의 주된 이유는 포물선 접시 [24]시스템과 같이 태양을 추적하기 위해 큰 거울을 옮기는 비용을 없애기 위해서였다.

고정된 포물선 거울은 태양이 하늘을 가로질러 움직일 때 다양한 모양의 이미지를 만들어냅니다.거울이 태양을 직접 향할 때만 빛이 한 점에 집중된다.그것이 포물선 접시 시스템이 태양을 추적하는 이유이다.고정된 구면 거울은 태양의 위치와 무관하게 같은 장소에 빛을 집중시킵니다.그러나 빛은 한 점을 향하지 않고 거울 표면에서 반경을 이루는 선(구체의 중심과 [citation needed]태양을 통과하는 선을 따라)에 분포됩니다.

구형 반사기의 1/2 반경 길이 초점선을 따른 일반적인 에너지 밀도

태양이 하늘을 가로질러 이동함에 따라, 고정된 수집기의 구멍은 변화합니다.이것은 포착된 햇빛의 양에 변화를 일으켜 출력의 부비강 효과라고 불리는 것을 생성한다.솔라볼 설계의 지지자들은 추적 포물선 거울에 비해 전체적인 출력 감소가 낮은 시스템 [24]비용으로 상쇄된다고 주장한다.

구형 반사체의 초점선에 집중된 햇빛은 추적 수신기를 사용하여 수집됩니다.이 수신기는 포커스 라인을 중심으로 회전하며 보통 밸런스됩니다.리시버는 열전달을 위한 유체를 운반하는 파이프 또는 빛을 전기로 직접 변환하는 광전지 셀로 구성될 수 있습니다.

솔라볼 디자인은 에드윈 오헤어가 이끄는 텍사스 공대 전기공학과가 5MWe 발전소를 개발하는 프로젝트에서 비롯됐다.텍사스 크로스비튼 마을을 위해 시범 [24]시설로 태양광 그릇이 건설되었다.볼의 지름은 65피트(20m)이며, 비용/수율 관계를 최적화하기 위해 15° 각도로 기울어져 있습니다(33°는 최대 수율입니다).반구의 테두리를 60°로 "자르기"하여 3,318 평방 피트(308.3 m2)의 최대 개구부를 만들었습니다.이 파일럿 볼은 피크 [citation needed]10kW의 속도로 전기를 생산했습니다.

직경 15m(49ft)의 오로빌 솔라볼은 1979-1982년 타타 에너지 연구소에 의해 3.5m(11ft)의 볼에 대한 초기 테스트에서 개발됐다.그 테스트에서는 요리용 증기의 생성에 태양열 그릇을 사용하는 것을 알 수 있었습니다.태양열 그릇과 부엌을 건설하는 본격적인 프로젝트는 1996년부터 진행되어 [citation needed]2001년까지 완전히 운영되었다.

평균적인 태양 에너지를 이용할 수 있는 장소에서, 평판 수집기의 크기는 하루 온수 사용량의 리터 당 약 1.2에서 2.4 평방 센티미터이다.

적용들

이 기술은 주로 온수 수요가 에너지 요금에 큰 영향을 미치는 주거용 건물에서 사용됩니다.이는 일반적으로 가족이 많은 상황이나 잦은 세탁으로 인해 온수 수요가 과도한 상황을 의미한다.상업적인 용도로는 빨래방, 세차장, 군용 세탁 시설, 식당 등이 있습니다.이 기술은 또한 건물이 그리드에 있지 않거나 전력 공급이 자주 중단되는 경우 공간 난방에도 사용할 수 있습니다.태양열 온수 시스템은 운영 비용이 많이 드는 온수 시스템을 갖춘 시설이나 다량의 온수를 필요로 하는 세탁소나 주방과 같은 운영에 비용 효율이 높을 가능성이 높다.유리를 사용하지 않은 액체 수집기는 일반적으로 수영장 물을 데우는 데 사용되지만 대규모 물 예열에도 사용할 수 있습니다.사용 가능한 수집기 영역에 비해 부하가 큰 경우, 대부분의 온수 난방은 시장에서 유리되지 않은 수집기가 잘 확립된 수영장 온도보다 낮은 저온에서 수행할 수 있습니다.이러한 수집기는 고온에 견딜 필요가 없기 때문에 플라스틱이나 고무와 같은 저렴한 재료를 사용할 수 있습니다.대부분의 유리되지 않은 수집기는 폴리프로필렌으로 만들어졌으며 맑은 [25]밤에 공기 온도가 44°F(7°C) 아래로 떨어질 때 동결 손상을 방지하기 위해 완전히 배출해야 합니다.유리를 사용하지 않은 수집기의 비율은 더 적지만 유연하므로 흡수기 내부의 동결 고형물을 견딜 수 있습니다.동결 우려 사항은 하드 동결 상태의 수분 충전 배관 및 수집기 매니폴드만 있으면 됩니다.태양 복사가 충분하지 않을 때마다 저장 탱크로 "배수"하기 위해 유리를 사용하지 않은 태양열 온수 시스템을 설치해야 한다.유리를 사용하지 않은 시스템에서는 열충격에 대한 우려는 없습니다.태양 에너지의 초기 단계부터 수영장 난방에 일반적으로 사용된, 무유리 태양열 집열기는 부동액이나 열 교환기 없이 수영장 물을 직접 가열합니다.온수 태양열 시스템은 오염 가능성으로 인해 열 교환기가 필요하며, 유리를 사용하지 않은 수집기의 경우 태양열 작동 유체(물)와 부하(가압된 냉수) 사이의 압력 차이입니다.BC 리치몬드의 미노루 아쿠아틱 센터에 있는 것과 같은 대규모 무유리 태양열 온수기는 진공관이나 박스형 및 유리로 된 수집기 시스템보다 낮은 온도에서 작동합니다.더 크고 더 비싼 열 교환기가 필요하지만 환기 저장 탱크 및 비절연 플라스틱 PVC 배관 등 다른 모든 구성 요소는 고온 수집기 유형에 비해 이 대체 장치의 비용을 크게 절감합니다.뜨거운 물을 데울 때, 우리는 실제로 차갑게 데우고 따뜻하게 데우고 있습니다.고온 [citation needed]수집기를 사용하면 온열에서 온열로 가열할 수 있는 것과 마찬가지로, 유리를 사용하지 않은 수집기로 냉열에서 온열로 효율적으로 가열할 수 있습니다.

태양열 집열기 난방

단순한 태양 공기 수집기는 태양으로부터의 방사선을 포착하고 전도 열 전달을 통해 이 열에너지를 공기로 전달하는 흡수체 물질로 구성됩니다.이 가열된 공기는 건물 공간 또는 가열된 공기가 공간 난방 또는 프로세스 난방 요구에 사용되는 프로세스 영역으로 덕트됩니다.기존 강제 공기로와 유사한 방식으로 작동하는 태양 열 공기 시스템은 에너지 수집 표면에서 공기를 순환시키고 태양의 열에너지를 흡수하고 접촉하는 공기를 덕트하여 열을 제공합니다.간편하고 효과적인 수집기는 다양한 에어컨 [citation needed]및 프로세스 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

많은 응용 프로그램이 태양열 공기 열 기술을 활용하여 화석 연료와 같은 기존 열원을 사용하여 탄소 배출량을 줄이고 열에너지를 생산하기 위한 지속 가능한 수단을 만들 수 있습니다.공간 난방, 온실 계절 연장, 예열 환기 보충 공기 또는 프로세스 열과 같은 애플리케이션은 태양열 공기 열 장치로 해결할 수 있습니다.'태양광 공동발전' 분야에서는 태양열 기술을 태양광 발전(PV)과 결합하여 PV 집열기에서 열을 제거하고 PV 패널을 냉각하여 전기 성능을 향상시키면서 동시에 공간 [citation needed]난방을 위한 공기를 가열함으로써 시스템의 효율을 높인다.

난방 및 환기 공간

주거용 및 상업용 공간 난방은 태양열 공기 난방 패널을 사용하여 수행할 수 있습니다.이 구성은 건물 외피 또는 실외 환경에서 공기를 흡입하여 콜렉터를 통과시켜 작동하며, 콜렉터는 흡수기에서 나오는 전도를 통해 공기가 따뜻해지고 수동적인 수단 또는 팬의 도움을 받아 주거 공간 또는 작업 공간에 공급됩니다.이러한 유형의 시스템의 선구자는 1945년 콜로라도 볼더에 있는 집을 위해 태양열 공기 시스템을 구축한 조지 뢰프입니다.그는 나중에 열을 [citation needed]저장하기 위한 자갈 침대를 포함했다.

대부분의 상업, 산업 및 기관 건물에서는 규정 요건을 충족하기 위해 환기, 신선한 공기 또는 보충 공기가 필요합니다.적절히 설계된 미유리 증산 공기 수집기 또는 공기 히터를 통해 공기를 흡입함으로써 태양열로 가열되는 외기는 주간 운전 시 난방 부하를 줄일 수 있습니다.현재 HRV의 성에 제거 시간을 줄이기 위해 발열된 컬렉터가 열 회수 환풍기로 유입되는 신선한 공기를 미리 가열하는 많은 애플리케이션이 설치되고 있습니다.환기와 온도가 높을수록 투자 회수 시간이 [citation needed]단축됩니다.

프로세스 가열

태양열 공기 열은 세탁물 건조, 농작물(차, 옥수수, 커피 등) 건조 용도에도 사용됩니다.태양열 집열기를 통해 가열된 후 건조 매체를 통해 전달되는 [citation needed]공기는 재료의 수분 함량을 감소시키는 효율적인 수단을 제공할 수 있다.

고온 공정열은 태양열로에서도 발생할 수 있습니다.

태양열 집열기 타입

수집기는 일반적으로 공기 전도 방법에 따라 다음 세 가지 유형 중 하나로 분류됩니다.

  • 스루패스 수집기
  • 프런트 패스
  • 백패스
  • 전면 및 후면 패스 수집기 조합

수집기는 외부 표면으로 분류할 수도 있습니다.

  • 유리를 입혔다
  • 유리를 바르지 않은

스루패스 공기 수집기

태양광 기술 중 가장 높은 효율성을 제공하는 스루패스 구성은 흡수기 한쪽에 덕트된 공기가 다공성 재료를 통과하며 재료의 전도성 특성과 이동 공기의 대류 특성에 따라 가열됩니다.스루패스 흡수기는 비교적 높은 전도성 열전달률을 가능하게 하는 대부분의 표면적을 가지고 있지만, 상당한 압력 강하는 더 큰 팬 파워를 필요로 할 수 있으며, 수년 동안 태양 방사선에 노출된 후 특정 흡수재 재질의 열화는 추가적인 공기 품질 및 성능 문제를 야기할 수 있다.

후면, 전면 및 조합 통로 공기 수집기

백패스, 프론트패스 및 콤비네이션 타입의 구성에서는 공기는 업소버의 후면, 전면 또는 양쪽으로 향하며 리턴에서 공급 덕트 헤더로 가열됩니다.업소버 양쪽의 공기를 통과시키면 전도성 열 전달을 위한 표면적이 넓어지지만, 업소버 전면의 공기를 통과시켜 먼지(풀링) 문제가 발생할 수 있으며, 이로 인해 햇빛을 받는 양이 제한되어 업소버 효율이 저하될 수 있습니다.추운 기후에서는 유리 옆을 통과하는 공기가 추가로 열 손실을 증가시켜 컬렉터의 전반적인 성능을 저하시킵니다.

유리 시스템

일반적으로 유리 시스템은 외부 공기로의 열 손실을 최소화하기 위해 투명한 상단 시트와 단열 측면 및 후면 패널이 있습니다.최신 패널의 흡수 플레이트는 93% 이상의 흡수율을 가질 수 있습니다.유리 태양 집열기(일반적으로 공간 난방에 사용되는 재순환 유형).공기는 일반적으로 흡수기 플레이트의 전면 또는 후면을 따라 흐르며 흡수기 플레이트에서 직접 열을 문지릅니다.가열된 공기는 공간 난방 및 건조와 같은 용도로 직접 분배하거나 나중에 사용하기 위해 보관할 수 있습니다.교체되는 연료에 따라 유리 태양 공기 가열 패널의 투자 회수 기간은 9-15년 미만이 될 수 있습니다.

유리되지 않은 시스템

상업, 산업, 농업 및 프로세스 응용 분야에서 보충 또는 환기 공기를 가열하기 위해 비유리 시스템 또는 증산 공기 시스템이 사용되었습니다.공기는 흡수기에서 열을 스크럽할 때 통과하거나 통과하는 흡수 플레이트로 구성됩니다.투명하지 않은 유리 재료는 가격이 저렴하고 예상 투자 회수 기간을 단축합니다.증산 수집기는 수집기 표면이 요소에 노출되어 투명하지 않고 밀폐되지 않은 경우가 많기 때문에 "유리가 없는" 것으로 간주됩니다.

무광택 증산 태양 집열기

배경

"무유리 공기 수집기"란 유리 또는 유리 덮개가 없는 금속 흡수체로 구성된 태양열 공기 가열 시스템을 말합니다.시중에 판매되고 있는 가장 일반적인 유형의 무유리 수집기는 증산 태양 수집기입니다.이 기술은 이러한 정부 기관에 의해 광범위하게 모니터링되어 왔으며, Natural Resources Canada는 실현 가능성 도구 RETScreen™을 개발하여 발전된 태양열 집열기의 에너지 절약량을 모델링했습니다.그 이후로 수천 개의 태양 집열기 시스템이 세계 각국에서 다양한 상업, 산업, 기관, 농업 및 프로세스 애플리케이션에 설치되었습니다.이 기술은 원래 높은 환기 요건, 층상 천장 열 및 종종 건물 내 음압이 요구되는 제조 및 조립 공장 등의 산업 애플리케이션에 주로 사용되었습니다.건물에 재생 에너지 시스템을 설치하려는 움직임이 증가함에 따라, 높은 에너지 생산량(최대 750 피크 열 와트/제곱 미터), 높은 태양열 변환(최대 90%) 및 태양광 발전 및 태양열 물 히트에 비해 자본 비용이 낮기 때문에, 이제 발화된 태양열 집열기가 전체 건물 재고에서 사용되고 있습니다.ng.

태양열 공기 가열은 태양으로부터 나오는 에너지, 즉 태양 일산을 흡수 매체로 포착하여 공기를 가열하는 태양열 기술이다.

태양열 공기 난방은 건물의 공기를 가열 또는 조절하거나 열 응용 프로그램을 처리하는 데 사용되는 재생 에너지 난방 기술입니다.이는 특히 대규모 응용 분야에서 모든 태양 기술 중 가장 비용 효율적이며 난방 기후에서 가장 많은 건물 에너지 사용, 즉 공간 난방과 산업 공정 난방에 대처합니다.그들은 유리를 입혔거나 유리를 입히지 않았다.

조작방법

유리되지 않은 공기 수집기는 재순환된 건물 공기 대신 주변(외부) 공기를 가열합니다.증산 태양 집열기는 보통 겨울 난방 달과 눈의 태양 반사를 포착하고 집열기 면적 1평방피트당 4-8 CFM(72~144m3/h.m2)의 유량으로 작동할 때 최적의 성능과 투자 수익률을 달성하기 위해 벽면에 설치된다.

태양 집열기의 외부 표면은 열의 경계층을 포착하여 외부 패널 뒤에 있는 공기 구멍으로 균일하게 흡입할 수 있도록 하는 수천 개의 작은 구멍으로 구성되어 있습니다.이 가열된 환기 공기는 부압으로 건물의 환기 시스템으로 흡입되며, 그런 다음 기존의 방법이나 태양열 덕트 시스템을 통해 분배됩니다.

HVAC 시스템에 들어갈 수 있는 열풍으로, 특히 컬렉터의 상부를 따라 배치된 송풍구가 있는 송풍구에 연결되어 있습니다.이 문제에 대처하기 위해 Matrix Energy는 낮은 공기 배출구 위치와 다공성 골조를 가진 발광 컬렉터를 특허 취득하여 다공성 흡수기 뒤에서 공기 난류를 증가시켜 성능을 향상시켰습니다.

이 컷어웨이 뷰는 MatrixAir의 태양 집열기 구성 요소와 공기 흐름을 보여줍니다.하부 공기 흡입구는 여름 작동 중에 HVAC 시스템으로의 가열된 공기 흡입구를 완화합니다.

Natural Resources Canada와 NREL의 광범위한 모니터링 결과, 증산형 태양열 집열기 시스템은 기존 가열 부하의 10-50%를 감소시키며 RETScreen은 시스템 성능의 정확한 예측 변수임을 알 수 있었다.증산된 태양열 집열기는 레인스크린 역할을 하며 건물 외피에서 빠져나오는 열 손실을 포착하여 집열기 공기 공간에 모아져 환기 시스템으로 다시 끌어옵니다.태양열 공기 난방 시스템은 유지보수가 필요하지 않으며 예상 수명은 30년 이상입니다.

증산 태양 집열기의 변화

또한 적절한 남쪽 벽이 없는 용도나 기타 건축상의 고려사항에 대해 유리되지 않은 증착식 집전기를 지붕에 장착할 수 있습니다.매트릭스 에너지 주식회사는 지붕 장착형 제품인 "델타"라는 이름의 특허를 취득했습니다.이것은 모듈러형 지붕 장착형 태양열 공기 난방 시스템으로, 남쪽, 동쪽 또는 서쪽 면은 사용할 수 없습니다.

각 10피트(3.05m) 모듈은 250CFM(425m3/h)의 예열된 외부 공기를 공급하며, 일반적으로 연간 1,100kWh(4GJ)의 에너지 절약을 실현합니다.이 독특한 2단계 모듈식 지붕 장착형 트랜스폼 컬렉터는 각 모듈이 거의 90%의 효율을 발휘하여 2m2 컬렉터당 118L/s 이상의 예열 공기를 공급합니다.한 줄에 최대 7개의 수집기를 직렬로 연결할 수 있으며, 중앙 덕트 하나를 따라 병렬로 연결된 열 수에 제한이 없습니다. 일반적으로 사용 가능한 지붕 영역의 평방 피트당 4 CFM의 예열 공기를 생성합니다.

송풍되는 공기 온도를 높이기 위해 공기를 두 번 가열하도록 구성될 수 있으므로 공간 난방은 물론 환기 공기 난방에도 적합합니다.2단계 시스템에서 첫 번째 단계는 일반적인 미유리 증착 컬렉터이며, 두 번째 단계는 증착 컬렉터를 덮는 유리를 가진다.유리창은 1단계에서 가열된 모든 공기를 2단계 태양열 난방을 위해 2단계 집열기를 통해 유도할 수 있게 해줍니다.

전기를 생산하는 태양열 집열기

이 절에서 설명하는 포물선 홈, 접시 및 타워는 태양광 발전소에서 또는 연구 목적으로 거의 독점적으로 사용된다.포물선 홈은 일부 상업용 태양열 에어컨 시스템에 사용되어 왔다.단순하지만, 이러한 태양 집중기는 이론적으로 최대 [26][27]농도와는 상당히 거리가 멀다.예를 들어 포물선 홈의 농도는 동일한 수용각, 즉 시스템의 전체 허용오차가 동일한 이론상 최대치의 약 1/3입니다.이론적인 최대치에 도달하려면 비이미징 [26]광학에 기초한 보다 정교한 콘센트레이터를 사용해야 합니다.태양열 집열기는 열과 전력을 [28][29]결합하기 위해 태양광 집열기와 함께 사용할 수도 있다.

포물선 홈

포물선 홈

주요 기사: 포물선 홈

이런 종류의 수집기는 일반적으로 태양광 발전소에서 사용된다.수조 모양의 포물선 반사기는 집열기에서 발전소의 보일러로 열을 전달하는 냉각수를 포함하는 단열관(이온관) 또는 히트 파이프에 햇빛을 집중시키는 데 사용됩니다.

포물선 접시

주요 기사:접시 스털링
태양 포물선 접시

포물선 모양의 접시 수집기를 사용하면 반사 망원경이 별빛에 초점을 맞추는 방식이나 접시 안테나가 전파에 초점을 맞추는 방식과 유사하게 하나 이상의 포물선 모양의 접시가 단일 초점에 태양 에너지를 집중시킵니다.이 기하학적 구조는 태양로 및 태양광 발전소에서 사용될 수 있습니다.

포물선 모양은 접시의 축에 평행한 입사 광선이 접시의 어디에 도착하든 초점을 향해 반사된다는 것을 의미합니다.태양으로부터의 빛은 지구 표면에 거의 완전히 평행하게 도착하고, 접시는 태양을 가리키는 축과 일직선이 되어, 들어오는 거의 모든 방사선이 접시의 초점 쪽으로 반사될 수 있습니다.이러한 수집가들의 손실은 포물선 형태의 불완전성과 불완전한 반사에 기인한다.

대기 산란으로 인한 손실은 일반적으로 미미하다.그러나 흐리거나 안개가 낀 날에는 빛이 대기를 통해 사방으로 확산되기 때문에 포물선 접시의 효율이 현저히 떨어집니다.접시 스털링 플랜트 설계에서는 접시의 초점에 발전기와 결합된 스털링 엔진을 배치한다.이것은 그것에 집중된 에너지를 흡수하여 전기로 변환합니다.

파워타워

주요 기사:태양광 발전탑
태양광 발전탑

전력탑은 헬리오스타츠라고 불리는 추적 거울로 둘러싸인 큰 탑이다.이 거울들은 스스로 정렬되어 탑 꼭대기에 있는 리시버에 햇빛을 집중시키고, 수집된 열은 아래의 발전소로 전달됩니다.이 디자인은 매우 높은 온도에 도달합니다.고온은 증기 터빈과 같은 [30]기존 방법이나 액체 소금과 같은 직접 고온 화학 반응을 사용하여 발전하는 데 적합합니다.햇빛을 집중시킴으로써, 현재의 시스템은 단순한 태양 전지보다 더 나은 효율을 얻을 수 있다.고가의 태양 전지를 사용하는 것보다 비교적 저렴한 거울을 사용하면 더 넓은 영역을 커버할 수 있다.집광은 광섬유 케이블을 통해 건물 조명 등의 용도로 적합한 위치로 리디렉션할 수 있습니다.흐림 및 야간 환경에서의 전력 생산을 위한 열 저장은 종종 가열된 유체의 지하 탱크 저장에 의해 달성될 수 있습니다.녹은 소금은 좋은 효과를 위해 사용되어 왔다.액체 금속과 같은 다른 작동 유체도 우수한 열 [31]특성 때문에 제안되었습니다.

그러나 집광 시스템은 집광기에 햇빛의 초점을 유지하기 위해 태양 추적을 필요로 합니다.확산광 조건에서는 상당한 전력을 공급할 수 없습니다.태양전지는 하늘이 흐려져도 어느 정도 출력을 낼 수 있지만, 흐린 상태에서는 확산된 빛이 잘 집중되지 않아 집광 시스템의 출력이 급격히 떨어진다.

표준

  • 태양광 [32]수집기를 위한 ISO 테스트 방법.
  • EN 12975:열태양계 및 부품.태양열 집열기.
  • EN 12976:열태양계 및 부품.공장에서 제조된 시스템.
  • EN 12977:열태양계 및 부품.맞춤형 시스템
  • Solar 키마크:[33]열태양계 및 부품.공장 견학을 포함한 상위 레벨의 EN 1297X 시리즈 인증.
  • 국제규정위원회/태양광등급인증공사:[34]테스트는 독립 연구소에서 수행되며 일반적으로 최소 6개의 태양 집열기로 구성된 표본 그룹에서 테스트할 집열기의 선택을 포함한다.
  • ICC 901/ICC-SRCC™ 100: 태양열 집열기 표준
  • ICC 900/ICC-SRCC™ 300: 태양열 시스템 표준
  • ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: Solar Pool 및 스파 난방 시스템 표준

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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