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KR101788730B1 - 태양열 에너지 속킹 및 집열 튜브, 트로프-타입 조립체, 및 열발전 시스템 및 기술 - Google Patents

태양열 에너지 속킹 및 집열 튜브, 트로프-타입 조립체, 및 열발전 시스템 및 기술 Download PDF

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KR101788730B1
KR101788730B1 KR1020157022461A KR20157022461A KR101788730B1 KR 101788730 B1 KR101788730 B1 KR 101788730B1 KR 1020157022461 A KR1020157022461 A KR 1020157022461A KR 20157022461 A KR20157022461 A KR 20157022461A KR 101788730 B1 KR101788730 B1 KR 101788730B1
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KR
South Korea
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steam
tube
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이롱 첸
킹핑 양
얀펭 장
Original Assignee
종잉 창지앙 인터내셔널 뉴 에너지 인베스트먼트 컴퍼니 리미티드
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Abstract

개시된 태양 에너지 자동 속킹 및 집열 튜브는 유리 튜브(1b2), 흡수 튜브(1b3), 및 배플(1b4)을 구비한다. 유리 튜브는 흡수 튜브를 둘러싸고; 흡수 튜브는 열흡수층으로 코팅되고; 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이고; 배플은 흡수 튜브의 내부 공간에 배치되고, 흡수 튜브 내부의 유체가 번갈아 가며 상,하로 구르게 구성되고; 배플은 나선 모양이고 흡수 튜브에 고정된다.
또한, 보충적인 빛과 열 발전소가 기상 조건에 영향을 받는 것을 방지하는 보충적인 빛과 열 발전을 사용한 열 발전 시스템과 기술이 개시된다. 이러한 시스템은 햇빛이 충분하지 않거나 야간에 안정적인 발전을 유지할 수 있다.

Description

태양열 에너지 속킹 및 집열 튜브, 트로프-타입 조립체, 및 열발전 시스템 및 기술{SOLAR ENERGY AUTOMATIC SOAKING AND HEAT-COLLECTING TUBE, TROUGH-TYPE ASSEMBLY, AND HEAT POWER GENERATING SYSTEM AND TECHNIQUE}
본 발명은 태양열 발전 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 물이 채워진 트로프 타입 태양열 집열기를 구비하는 열발전 장치/시스템 및 그것을 이용한 발전 방법에 관한 것이다.
태양 에너지는 광범위한 분포, 무제한의 보유량, 청정한 수집과 활용, 이산화탄소 무방출 효과 때문에 관심이 높아지고 있다. 전통적으로, 태양열 발전 기술은 3개의 발전 모드들 즉, 타워-타입, 디쉬-타입, 및 트로프-타입(포물면 트로프 집광기와 프레넬 트로프 집광기를 구비함)을 가진다.
일반적인 트로프 타입 태양열 발전 시스템은 터빈을 이용하여 모터를 구동하고 증기를 작동 매체로 이용한다. 현재, 트로프 타입 태양열 발전 시스템의 진공관형 태양열 집열기는 전도성 오일(또는 용융염)을 이용하여 태양 에너지를 집적하고, 가열된 전도성 오일(또는 용융염)이 물을 가열하여 스팀을 생성하여 발전을 위해 터빈을 구동한다. 도 1은 포물면 트로프 집광기(1b1) 및 포물면 트로프 집광기의 초점에 배치된 진공관형 태양열 집열기를 구비하는 진공관형 집열기 모듈을 도시한다. 진공관형 태양열 집열기는 유리 튜브(1b2)와, 열흡수층이 코팅된 흡수 튜브(1b3)를 구비한다. 유리 튜브는 흡수 튜브를 둘러싸고, 유리 튜브(1b2)와 흡수 튜브(1b3) 사이의 공간은 진공이다.
전술한 트로프 타입 태양열 발전 시스템의 설계는 다음과 같은 2가지 이유들을 주로 고려한다. 첫째, 태양 에너지는 기상 조건에 좌우되기 때문에 불안정하고 불연속적이다. 전도성 오일(또는 용융염)은 열에너지를 저장할 수 있으므로, 기상의 영향을 상쇄할 수 있다. 둘째, 트로프 태양열 발전 시스템은, 물이 태양 에너지에 의해 특정의 온도 및 압력으로 가열될 때 물의 물리적 성질에 적응할 수 없는 진공관형 태양열 집열기를 사용하기 때문에, 튜브들이 파열될 수도 있다.
태양 에너지는 트로프 집광기에 의해 집중되는 태양 에너지가 항상 포물면 트로프 집광기(1b1)에 근접한 진공관형 태양열 집열기의 측면(도 1의 유리 튜브(1b2)의 하측 부분)을 가열하는 한편, 반대 측면 즉, 도 1의 유리 튜브의 상측 부분은 집중된 강한 빛을 결코 수신할 수 없고 그 수렴 비율은 10:1이 될 것이다. 결과적으로, 상측 부분과 하측 부분 사이의 순시 온도 차이는 300℃ 이상이 된다. 유리 튜브(1b2)와 흡수 튜브(1b3) 사이의 공간은 진공이다. 흡수 튜브(1b3)가 전도성 오일(또는 용융염)로 충진되면, 액체 매체의 양호한 열전도성이 흡수 튜브(1b3)의 온도를 신속하게 균질화시킬 수 있으므로, 큰 온도 차이의 발생 및 내부 응력의 형성을 방지하게 된다. 흡수 튜브(1b3)가 물로 충진되는 경우, 물 온도가 100℃를 초과할 때, 수증기가 생성되어 수평으로 배치된 긴 진공관형 태양열 집열기의 상측 부분에 부유되고, 그 하측 부분은 액상의 물이다. 수증기와 액상 물의 열전도성 차이가 매우 크기 때문에, 진공관형 태양열 집열기의 상측 부분과 하측 부분의 큰 온도 차이가 불가피하게 발생 되고, 튜브들의 가열 팽창과 냉각 수축에 기인하여, 큰 내부 응력이 생성되고, 진공관형 태양열 집열기가 파열되는 경향이 있다.
따라서, 종래의 트로프 타입 태양열 발전 기술과 다른 신규한 태양열 발전 장치/시스템/방법을 신속하게 개발할 필요가 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위해, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브 및 그것을 구비하는 태양열 트로프 타입 집열 모듈을 제공하는 것이다. 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 직접적으로 물로 충진되어 작업하는 동안 파열되지 않는다.
또한, 일 측면에 따르면, 본 발명은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브를 구비하는 태양열 자동 집열 트로프 타입 모듈을 구비하는 태양열 보조 발전 시스템 및 이것을 이용한 태양열 보조 발전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 태양열 보조 발전 방법은 내후성이 있고, 야간 또는 구름 낀 날 또는 비 오는 날에도 한결같이 지속적으로 작업을 할 수 있으므로 에너지를 보존할 수 있고 환경 친화적이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 다음의 기술적 해결책들이 사용된다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브가 제공된다. 튜브는 유리 튜브, 흡수 튜브, 및 배플을 구비한다. 유리 튜브는 흡수 튜브를 둘러싸고; 흡수 튜브는 열흡수층이 코팅되고, 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이고; 배플은 흡수 튜브의 내부 캐버티에 배치되고 흡수 튜브에 있는 유체가 교대로 상,하로 구를 수 있도록 구동하고; 배플은 나선형 모양이고 흡수 튜브에 고정된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 있어서, 배플은 흡수 튜브에 나선형으로 연속적으로 배치되고, 배플의 축방향 피치는 동일하고; 또는 배플은 흡수 튜브에서 소정 간격으로 나선형으로 배치되고, 배플의 각각의 영역들의 축방향 피치는 동일하고; 흡수 튜브의 축방향을 따라, 배플의 일단은 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고, 배플의 타단은 자유단이고; 또는 배플은 액슬 로드에 고정된 다수의 나선형 블레이드들을 구비하고, 나선형 블레이드들의 일단은 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고, 나선형 블레이드들의 타단은 자유단이고; 나선형 블레이드들은 균일하게 배치되고 그 피치들은 동일하다.
태양열 자동 균등 트로프 타입 모듈은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브를 구비한다. 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 포물면 트로프 집열기의 초점에 배치된다.
본 발명은 태양열 보조 발전 시스템인 열발전 시스템을 제공하고, 시스템은 태양열 집열 및 열 공급 모듈, 보일러 열 공급 모듈, 및 터빈 발전 유니트를 구비한다. 태양열 집열 공급 모듈은 연속적으로 배치된 예열부와 스팀-물 2상 증발부를 구비하고; 예열부는 진공관 태양열 집열기를 구비하고, 스팀-물 2상 증발부는 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 구비하고; 적어도 하나의 스팀-물 분리기는 스팀-물 2상 증발부의 일단의 출력 튜브에 직렬로 연결되고; 스팀-물 분리기의 스팀 출력단은 보일러 스팀 드럼의 출력단에 수렴하고; 수렴된 스팀은 보일러 열 공급 모듈의 과열기를 통해 터빈 발전 유니트로 전송되고; 스팀-불 분리기의 분리된 물 출력단은 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 태양 자동 집열 및 균질 튜브에 백플로우 파이프를 통해 연결되고; 터빈 발전 유니트의 콘덴서 출력단은 물 공급 모듈에 연결되고; 물 공급 모듈은 하나의 물 입구 파이프와 2개의 물 출구 파이프들을 구비하고, 하나의 물 입구 파이프는 제1 진공관형 태양열 집열기와 연통하고, 제2 물 출구 파이프는 보일러 물 공급 파이프와 연통한다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 있어서, 최종 스팀-물 분리기의 스팀 출력은 스팀 밸브를 통해 보일러 스팀 드럼의 출력단에 수렴한다.
본 발명은 열발전 시스템을 이용한 발전 방법을 더 제공한다. 발전은 맑은 날에 태양열 보조 발전 모드와 야간 또는 흐리고/비 오는 날의 보일러 공급 발전 모드를 구비하고, 상기 방법은, 맑은 날에, 물 공급 파이프에 의해 제공되는 공급수를 태양 집중 및 열 공급 모듈로 도입시키는 단계, 예열부의 진공 태양열 집열기의 태양 에너지에 의해 공급수를 예열시키는 단계, 스팀-물 2상 증발부의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 공급수를 연속적으로 가열시킴으로써, 흡수 튜브의 온도를 신속하게 균등화시키는 배플의 작동하에 흡수 튜브의 물-스팀 2상 혼합 유동을 생성하여 혼합된 유동이 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 하는 단계, 혼합 유동을 스팀-물 분리기로 도입시켜서 물로부터 스팀을 분리하는 단계; 및 보일러 스팀 드럼으로부터 포화된 스팀을 분리된 스팀으로 수렴시키고, 보일러의 가열 모듈의 혼합된 스팀을 가열시켜서 과열된 스팀을 얻는 단계; 및 태양열 보조 발전을 위해 과열된 스팀을 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계; 야간 또는 흐리고/비 오는 날에, 보일러 가열 모듈에만 공습수를 도입하여 과열된 스팀을 생산하고, 과열된 스팀을 과열기를 통해 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계를 포함한다. 보일러 열 공급 발전 모드에서, 태양열 가열 모듈은 작동을 멈추고, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 물의 흐림이 중단되고 단열 상태로 머문다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 태양열 보조 발전 시스템인 열 발전 시스템이 제공되고, 이러한 시스템은 태양열 집열 및 공급 모듈, 보일러 열 공급 모듈, 및 터빈 발전 유니트를 구비한다. 태양열 집열 및 공급 모듈은 예열부, 스팀-물 2상 증발부, 및 과열부를 구비하고, 예열부는 진공관형 태양열 집열기를 구비하고, 스팀-물 2상 증발부와 과열부는 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 구비하고; 적어도 하나의 스팀-물 분리기는 스팀-물 2상 증발부의 일단의 출력 튜브에 직렬로 연결되고; 스팀-물 분리기의 스팀 출력단은 과열부의 제1 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브에 연결되고, 과열부의 최종 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 터빈 발전 유니트의 입구에 연결되고; 스팀-물 분리기의 분리된 물 출력단은 백플로우 파이프를 통해 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 자동 집열 및 균질 튜브에 연결되고; 보일러 스팀 드럼의 출력단은 과열기를 통해 터빈 발전 유니트의 입구에 연결되고; 터빈 발전 유니트의 콘덴서 출력단은 물 공급 모듈에 연결되고; 물 공급 모듈은 하나의 물 입구 파이프와 2개의 물 출구 파이프들을 구비하고; 하나의 물 출구 파이프는 제1 진공관형 집열기에 연통하고 제2 물 출구 파이프는 보일러 물 공급 파이프에 연통한다.
일 실시예에 있어서, 과열부의 최종 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 스팀 밸브를 통해 과열기의 출력에 수렴하고, 수렴 파이프는 터빈 발전 유니트의 입구에 연결되고; 수렴 전에, 스팀 스위치 밸브와 스팀 유동 조절기가 과열기의 출력 파이프에 제공된다.
일 실시예에 있어서, 물 공급 모듈은 탈기기와 공급수 펌프가 직렬로 연결되고; 연수 탱크가 물 입구 파이프를 통해 탈기기에 연결되고; 터빈 발전 유니트의 콘덴서 출력단이 탈기기에 연결되고; 공급수 펌프의 출구가 2개의 물 출구 파이프들에 연결되고; 각각의 물 출구 파이프에는 스위치 밸브가 마련되고; 하나의 물 출구 파이프에는 공급수 제어 밸브가 마련된다.
본 발명은 열발전 시스템을 이용한 발전 방법을 더 제공하고, 발전은 맑은 날 태양광 열발전 모드, 충분한 햇빛을 가진 주간의 태양 발전 모드, 및 야간 또는 흐리고/비 오는 날의 보일러 열 공급 발전 모드를 포함하고, 상기 모드는: 맑은 날에, 물 공급 파이프에 의해 제공되는 공급수를 태양열 집광 및 열 공급 모듈로 도입하고, 예열부의 진공관형 태양열 집열기의 태양 에너지에 의해 공급수를 예열한 후, 스팀-물 2상 증발부의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 공급수를 연속적으로 가열시켜 흡수 튜브의 물-스팀 2상 혼합 유동을 생성하여, 혼합 유동이 배플의 작용하에 흡수 튜브에 나선형으로 구르게 하여 흡수 튜브의 온도를 신속하게 평균화시키고, 혼합 유동을 스팀-물 분리기로 도입시켜서 물로부터 스팀을 분리하고; 분리된 물은 재증발을 위해 스팀-물 2상 증발부로 복귀시키고, 분리된 증기를 과열부의 자동 집열 및 균질 튜브로 이송시켜 과열된 증기를 생성하고; 과열된 증기가 흡수 튜브의 온도를 균등화하기 위해 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 하고, 과열된 스팀을 보일러의 과열기의 과열된 스팀과 수렴시켜서, 혼합된 과열된 스팀을 태양열 보충 발전을 위한 터보 발전 유니트로 이송하고;
야간 또는 흐리고/비 오는 날에, 공급수만을 보일러 가열 모듈로 도입시켜 과열된 스팀을 생성하고, 과열된 스팀을 과열기를 통해 열발전을 위한 터보 발전 유니트로 이송한다. 보일러 열 공급 발전 모드에서, 태양열 가열 모듈은 작동을 멈추고, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 물은 그 흐름을 멈추고 단열 상태로 머물고;
충분한 햇빛을 가진 주간에, 예열부와 2상 증발부에 의해 공급수를 가열하여 물-스팀 2상 혼합 유동을 생성하고, 스팀-물 분리기에 의해 혼합 유동을 분리하고 분리된 포화된 스팀을 과열부에 의해 더 가열하여 과열된 스팀을 생성하고, 과열된 스팀을 열발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송한다. 태양 발전 모드에 있어서, 보일러는 보일러의 시동 시간을 단축하기 위하여, 야간에 작동할 필요가 있고, 적은 양의 물만 보일러에 공급됨으로써 보일러가 낮은 부하(대략 10%)에서 작동하는 것을 보장한다.
일 실시예에 있어서, 공급수는 예열부의 진공관형 태양열 집열기에서 90℃로 예열된다.
일 실시예에 있어서, 보일러는 석탄 연소 보일러, 오일 연소 보일러, 가스 연소 보일러, 바이오매스 직접 연소 보일러 또는 석탄 가스 보일러, 바람직하게, 바이오매스 가스화 보일러 또는 바이오매스 직접 연소 보일러이다.
태양 트로프 집열 모듈에서, 스팀-물 2상 증발부는 적어도 하나의 스팀-물 분리기가 뒤따른다. 분리된 포화된 스팀은 발전을 위한 터빈 발전 유니트에 직접 전송되거나, 먼저 보일러에 의해 생성된 포화된 스팀에 수렴된 후 과열기에 의해 전송 및 가열되어 과열된 스팀을 생성하게 되고, 이것은 터빈 발전 유니트로 전송된다. 즉, 분리된 포화된 스팀은 과열부의 자동 열 균질 트로프 타입 모듈에 의해 가열되고, 보일러에 의해 생성되는 포화된 스팀과 수렴한 후 발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송된다. 스팀-물 분리기로부터 분리된 물은 배수 펌프를 통해 재증발을 위한 스팀-물 2상 증발부로 복귀한다. 서로 다른 발전 모드들이 기상 조건에 따라 시작될 수 있으므로, 이것은 에너지를 절약하고 환경 친화적이다.
배플은 태양열 자동 집열 트로프 타입 모듈의 흡수 튜브의 내부 캐버티에 배치되어, 흡수 튜브의 유체가 번갈아 가면서 상,하로 구르게 하도록 구동할 수 있다. 따라서, 2상 유체의 층류(laminar) 상태가 파괴되고, 유체는 흡수 튜브에서 상,하로 자동적으로 이동하여 셀프 서터링(self-stirring) 효과를 발생시킴으로써, 흡수 튜브의 상측 부분과 하측 부분의 열 에너지를 균질화시켜서 튜브의 파열을 방지한다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양열 보충 발전 시스템의 장점들은 다음과 같다.
시스템은 태양열 집중 모듈들을 구비하는 예열부와 스팀-물 2상 증발부를 구비한다(또는 예열부, 스팀-물 2상 증발부 및 과열부를 구비한다). 스팀-물 2상 증발부와 과열부 모두는 태양열 자동 집열 및 균질 튜브 및 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 구비하고, 적어도 하나의 스팀-물 분리기는 스팀-물 2상 증발부에 배치됨으로써, 태양열 모듈들과 보일러로부터 나오는 스팀의 보충과 수렴에 유용하다. 결과적으로, 발전소는 기상 상태의 영향으로부터 자유롭고, 야간에도 발전을 할 수 있다. 특히, 태양열 자동 집열 균질 튜브와 자동 열 균질 트로프 타입 모듈은 발전을 위해 직접적으로 물로 채워질 수 있다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 선행기술의 진공관형 태양열 집열기를 구비하는 진공관형 태양열 집열 모듈의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도이다.
도 4는 도 2 또는 도 3의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브를 구비하는 자동 열 균질화 트로프 타입 모듈의 단면도(도 2 또는 도 3의 A-A선을 따라 취한 자동 열 균질화 트로프 타입 모듈의 단면도)이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 열발전 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 열발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 참조부호 1b2는 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 외부 유리 튜브를 나타내고, 참조부호 1b3은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 내부 흡수 튜브를 나타내고, 내부 흡수 튜브(1b3)는 스테인리스 스틸, 베릴륨 합금(예, 베릴륨 청동)과 같은 고온 저항 금속재로 제조되고, 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이다. 흡수 튜브는 열흡수층으로 코팅된다. 참조부호 1b4는 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 배치된 배플을 나타낸다. 배플(1b4)은 흡수 튜브(1b3)와 동일 또는 유사한 물질로 제조된다. A-A선은 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 단면의 위치와 방향을 나타낸다. 즉, A-A선은 우측으로부터 단면을 관측할 때 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 절단선으로서, 태양열 자동 집열 균질 튜브는 도 4에 도시된다.
배츨(1b4)은 적절한 피치를 가진 나선이다. 나선의 외경은 흡수 튜브(1b3)의 내경과 같거나 더 작으므로, 배플은 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 연속적으로 배치될 수 있다. 흡수 튜브 안에서 균일한 유체의 구름 속도(tumbling speed)를 보장하기 위하여, 배플의 축방향 피치는 동일한 것이 바람직하다. 흡수 튜브의 축방향을 따라, 배플(1b4)의 일단은 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 고정되고, 배플의 타단은 자유단이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도이다. 도 3에서, 참조부호 1b2는 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 외부 유리 튜브를 나타내고, 참조부호 1b3은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 내부 흡수 튜브를 나타낸다. 흡수 튜브(1b3)는 스테인리스 스틸, 베릴륨 합금(예, 베릴륨 황동)과 같은 고온 저항 금속 물질로 제조되고, 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이다. 흡수 튜브는 열흡수층으로 코팅된다. 참조부호 1b4는 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 배치된 2개의 영역에 있는 배플을 나타낸다(실제로, 다수의 영역들의 배플 역시 적용될 수 있음). 배플(1b4)은 적절한 피치를 가진 나선이다. 나선의 외경은 흡수 튜브(1b3)의 내경과 동일하거나 더 작으므로, 배플은 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 연속적으로 배치될 수 있다. 흡수 튜브(1b3) 내부에서 유체의 균일한 구름 속도를 보장하기 위하여, 배플의 축방향 피치는 동일한 것이 바람직하다. 배플(1b4)은 흡수 튜브(1b3)와 동일하거나 유사한 재질로 제조된다. 참조부호 A-A선은 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 단면의 위치와 방향을 나타낸다. 즉, 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 A-A선을 따라 절단하여 우측으로부터 그것을 관측하기 위한 것이고, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 도 4에 도시된다. 흡수 튜브의 축방향을 따라, 배플(1b4)의 일단은 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 고정되고, 배플의 타단은 자유단이다.
도 4는 도 2 또는 도 3에 도시된 태양열 자동 집열 및 균질 튜브를 구비하는 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 단면도이다. 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 포물면 트로프 집광기의 초점에 배치된다. 참조부호 1b1은 포물면 트로프 집광기이고, 참조부호 1b2는 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 외부 유리 튜브를 나타내고, 참조부호 1b3은 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 내부 흡수 튜브를 나타내고, 흡수 튜브(1b3)는 스테인리스 스틸, 베릴륨 합금과 같은 고온 저항 금속 물질로 제조되고, 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이다. 흡수 튜브는 열흡수층으로 코팅된다. 참조부호 1b4는 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 배치된 배플을 나타낸다. 배플(1b4)는 흡수 튜브(1b3)와 동일 또는 유사한 재질로 제조된다. 도면의 화살표들은 포물면 트로프 집열기의 초점에 배치된 태양열 자동 집열 및 균질 튜브에 수렴하는 햇빛의 광학 경로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 개략도로서, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 중앙축을 따르는 종단면을 도시한다. 참조부호 1b2는 외부 유리 튜브를 나타낸다. 참조부호 1b3은 내부 흡수 튜브를 나타낸다. 유리 튜브와 흡수 튜브 사이의 공간은 진공이다. 참조부호 1b5는 액슬 로드(axle rod)를 나타낸다. 참조부호 1b4는 용접 또는 다른 고정 방식에 의해 액슬 로드에 고정된 나선형 블레이드들을 나타낸다. 블레이드들 사이의 공간은 동일하고, 2개 또는 그 이상의 블레이드들은 각각의 나선 사이클로 배치된다. 도 5에서, 2개의 블레이들은 각각의 나선 사이클이 마련된다. 태양열 자동 집열 및 균질 튜브를 구비하는 자동 열 균질 트로프 타입 모듈은 도 4에 도시된 그것과 동일한 구조를 가진다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 참조부호 1a는 직렬로 연결된 복수의 평범한 진공관형 태양열 집열기(도 1 참조)을 구비하는 예열부를 나타낸다. 참조부호 1b는 직결로 연결된 복수의 자동 열 균질 트로프 타입 모듈들을 구비하는 스팀-물 2상 증발부를 나타낸다. 참조부호 1c는 스팀-물 분리기를 나타내고, 참조부호 1d는 배수 펌프를 나타내고, 참조부호 1e는 직렬로 연결된 복수의 자동 열 균질 트로프 타입 모듈들(도 7에만 도시)을 구비하는 과열부를 나타내고, 참조부호 1f는 스팀 밸브를 나타낸다. 참조부호 2는 보일러 가열 모듈(보일러는 석탄 연소 보일러, 오일-연소 보일러, 가스-연소 보일러, 바이오매스 직접 점화 보일러, 또는 석탄 가스 보일러, 바람직하게, 바이오매스 가스화 가스 보일러 또는 바이오매스 직접 연소 보일러임)를 나타내고, 참조부호 2a는 과열기를 나타내고, 참조부호 2b는 보일러 스팀 드럼을 나타내고, 참조부호 3은 터빈 발전 유니트를 나타내고, 참조부호 3a는 터빈 발전 유니트의 컨덴서를 나타내고, 참조부호 3b와 3c는 스위치 밸브들을 나타내고, 참조부호 3d는 스팀 유동 제어 밸브를 나타내고, 참조부호 4는 탈기기를 나타내고, 참조부호 5는 급수 펌프를 나타내고, 참조부호 5a 및 5b는 스위치 밸브들이고, 참조부호 5c는 공급수 제어 밸브이고, 참조부호 6은 연수 탱크(연수는 화학 정수 처리장으로부터 나옴)를 나타낸다.
도 6의 열발전 시스템의 발전 방법은 다음과 같이 요약된다.
충분한 햇빛을 가진 주간에, 스위치 밸브들(5a)(5b)과 스팀 밸브(1f)가 개방되고, 배수 펌프(1d)가 개방된다. 탈기기(4)로부터 나오는 물은 급수 펌프(5)에 의해 구동되고, 그 대부분은 진공관형 태양열 집열기의 예열부(1a)로 유동하여, 거기서 물은 90℃로 가열된다. 물은 스팀-물 2-상 증발부(1b)로 연속적으로 흘러서 가열되어 물-스팀 2-상 혼합 유동을 생성한다. 혼합 유동은 배플의 작용하에 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 되고 스팀-물 분리기(1c)로 유동한다. 분리된 스팀은 보일러 스팀 드럼(2b)으로부터의 포화된 스팀과 혼합하고, 혼합된 스팀은 보일러의 과열기(2a)에서 더 가열되어 과열된 스팀을 생성하고, 과열된 스팀은 태양열 보충 발전을 위한 터빈 발전 유니트(3)로 전송된다. 스팀-물 분리기(1c)로부터 분리된 물은 재증발을 위해 배수 펌프(1d)를 통해 스팀-물 2-상 증발기로 복귀한다.
나선형 배플(1b4)이 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 흡수 튜브의 내부 캐버티에 배치되기 때문에, 2-상 증발부(1b)에서, 2-상 혼합 액체는 급수 펌프(5)에 의해 구동되어 흡수 튜브(1b3)에서 번갈아 가며 상하로 구르게 된다. 물은 양호한 열전도성을 가진다. 열에너지를 흡수하는 것은 흡수 튜브(1b3)의 하측 부분이지만, 물의 상,하 구름(tumbling)은 흡수 튜브(1b3)의 상측 부분으로 신속히 열을 전달하여, 흡수 튜브(1b3)의 상측 및 하측 부분들이 신속하게 열적으로 균등해져서, 물이 직접적으로 채워질 때 진공관형 태양열 집열기의 파열을 방지하게 된다.
흐리고/비오는 날에, 급수 펌프(5)의 출구에 있는 급수 제어 밸브(5c)의 개방을 낮추면, 진공관형 태양열 집열기로 유동하는 물이 감소되는 반면, 스위치 밸브(5b)를 통해 보일러 가열 모듈(2)로 유동하는 물은 증가된다. 보일러 가열 모듈(2)의 부하가 증가되고 더 많은 스팀이 생성되어 터빈 발전 유니트의 출력이 변화되지 않는 것을 보장한다.
야간에, 스위치 밸브(5a)와 스팀 밸브(1f)가 폐쇄되고, 배수 펌프(1d)가 폐쇄된다. 탈기기(4)로부터의 물은 모두 급수 펌프(5)에 의해 구동되어 보일러 가열 모듈(2)로 유동하여 과열된 스팀을 생성하게 된다. 과열된 스팀은 발전을 위해 터빈 발전 유니트(3)로 전송된다. 진공관형 태양열 집열기가 작동을 멈추고, 매체의 유동이 중단되고, 모든 것은 단열 상태로 머문다.
도 7의 열발전 시스템의 발전 방법은 다음과 같이 요약된다.
충분한 햇빛을 가진 주간에, 스위치 밸브들(5a)(5b)(3c)이 개방되고, 배수 펌프(1d)가 개방된다. 탈기기(4)로부터 나오는 물은 급수 펌프(5)에 의해 구동되고, 그 대부분은 진공관형 태양열 집열기의 예열부(1a)로 유동하여, 거기서 물은 90℃로 가열된다. 물은 스팀-물 2-상 증발부(1b)로 연속적으로 흘러서 가열되어 물-스팀 2-상 혼합 유동을 생성한다. 혼합 유동은 배플의 작용하에 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 되고 스팀-물 분리기(1c)로 유동한다. 스팀-물 분리기(1c)로부터 분리된 물은 재증발을 위해 배수 펌프(1d)를 통해 스팀-물 2-상 증발부(1b)로 복귀한다.
스팀-물 증발기(1c)로부터 분리된 스팀은 직렬로 연결된 복수의 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 구비하는 과열부(1e)로 유동하여, 거기서 스팀은 가열되어 과열된 스팀을 생성한다. 과열된 스팀은 종래의 보일러의 과열기(2a)로부터 나오는 과열된 스팀과 혼합하고, 혼합된 스팀은 발전을 위한 터빈 발전 유니트(3)로 전송된다.
나선형 배플(1b4)이 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 흡수 튜브의 내부 캐버티에 배치되기 때문에, 2-상 증발부(1b)에서, 2-상 혼합 액체는 급수 펌프(5)에 의해 구동되어 흡수 튜브(1b3)에서 번갈아 가며 상하로 구르게 된다. 물은 양호한 열전도성을 가진다. 열에너지를 흡수하는 것은 흡수 튜브(1b3)의 하측 부분이지만, 물의 상,하 구름(tumbling)은 흡수 튜브(1b3)의 상측 부분으로 신속히 열을 전달하여, 흡수 튜브(1b3)의 상측 및 하측 부분들이 신속하게 열적으로 균등해져서, 물이 직접적으로 채워질 때 진공관형 태양열 집열기의 파열을 방지하게 된다.
과열부(1e)에서, 나선형 배플(1b4)은 태양열 자동 흡열 및 균질 튜브의 흡수 튜브(1b3)의 내부 캐버티에 배치된다. 과열된 스팀은 흡수 튜브(1b3)에서 나선형으로 상,하의 구름을 계속한다. 하나의 유체의 나선형 구름은 강한 상,하 교반(stirring)을 발생시키고, 비록 가열된 스팀이 불량한 열전도성을 가지지만, 강한 교반 역시 흡수 튜브(1b3) 내부의 열에너지를 신속하게 균등화시킴으로써, 진공관형 태양열 집열기의 파열을 방지하게 된다.
흐리고/비오는 날에, 급수 펌프(5)의 출구에 있는 급수 제어 밸브(5c)의 개방을 낮추면, 진공관형 태양열 집열기로 유동하는 물이 감소되는 반면, 스위치 밸브(5b)를 통해 보일러로 유동하는 물은 증가된다. 보일러의 부하가 증가되고 더 많은 스팀이 생성되어 터빈 발전 유니트의 출력이 변화되지 않는 것을 보장한다.
야간에, 스위치 밸브들(5a)(3c)이 폐쇄되고, 배수 펌프(1d)가 폐쇄된다. 탈기기(4)로부터의 물은 모두 급수 펌프(5)에 의해 구동되어 보일러(2)로 유동하여 과열된 스팀을 생성하게 된다. 과열된 스팀은 발전을 위해 터빈 발전 유니트로 전송된다. 진공관형 태양열 집열기가 작동을 멈추고, 매체의 유동이 중단되고, 모든 것은 단열 상태로 머문다.
1b2...유리 튜브 1b3...흡수 튜브
1b4...배플 1b...자동 열 균질 트로프 타입 모듈
1c...스팀-물 분리기 1d...배수 펌프
1e...과열부 1f...스팀 밸브
2...보일러 가열 모듈 2a...과열기
2b...보일러 스팀 드럼 3...터빈 발전 유니트
3a...컨덴서 3b,3c...스위치 밸브
3d...스팀 유동 제어 밸브 4...탈기기
5...급수 펌프 5a,5b...스위치 밸브
5c...공급수 제어 밸브 6...연수 탱크

Claims (12)

  1. 진공관형 태양열 집열기를 가진 예열부(1a)와 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 가진 스팀-물 2상 증발부(1b)가 직렬로 연결된 태양열 집중 및 열 공급 모듈;
    상기 스팀-물 2상 증발부(1b)의 일단에 있는 출력 튜브에 직렬로 연결되어 물과 스팀을 분리할 수 있고, 보일러 스팀 드럼(2b)으로부터 나오는 포화된 스팀과 혼합되어 보일러 열 공급 모듈의 과열기(2a)를 통과하여 터빈 발전 유니트(3)로 공급될 수 있는 스팀을 출력시키는 스팀 출력단, 및 백플로우 파이프를 통해 상기 스팀-물 2상 증발부(1b)의 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 입구로 분리된 물을 출력시킬 수 있는 물 출력단을 포함하는, 적어도 하나의 스팀-물 분리기(1c); 및
    상기 터빈 발전 유니트(3)의 콘덴서 출력단에 연결될 수 있고 상기 예열부(1a) 또는 상기 과열기(2a)로 물을 공급할 수 있도록 구성된 물 공급 모듈을 구비하고;
    상기 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 포물면 트로프 집열기의 초점에 배치되고, 열흡수층으로 코팅된 흡수 튜브(1b3), 사이 공간에 진공이 형성되도록 흡수 튜브(1b3)를 둘러싸는 유리 튜브(1b2), 상기 흡수 튜브(1b3) 내부의 유체가 번갈아 가며 상,하로 구르도록 나선 모양으로 상기 흡수 튜브(1b3)의 내부 공간에 배치된 배플(1b4)을 포함하는, 열발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배플은, 축방향 피치가 동일하도록 연속적으로 배치되거나, 다른 영역들의 축방향 피치가 동일하도록 일정한 간격으로 배치되고, 상기 흡수 튜브의 축방향 길이를 따라, 상기 배플의 일단이 상기 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고 상기 배플의 타단이 자유단이고, 또는
    상기 배플은 액슬 로드에 고정된 복수의 나선형 블레이드들을 사용하고, 상기 나선형 블레이드들의 일단은 상기 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고 상기 나선형 블레이드들의 타단은 자유단이고, 상기 나선형 블레이들은 균일하게 배치되고 나선형 블레이들의 피치가 동일한, 열발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스팀-물 분리기의 스팀 출력단은 스팀 밸브(1f)를 통해 보일러 스팀 드럼(2b)의 출력단에 수렴하는, 열발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 공급 모듈은:
    물 입구 파이프를 통해 연수 탱크(6)로부터 물을 공급받을 수 있고 상기 터빈 발전 유니트(3)의 컨덴서(3a)에 연결된 탈기기(4);
    상기 탈기기(4)에 연통되고, 제1 출구 경로를 통해 상기 예열부(1a)로 또는 제2 출구 경로를 통해 상기 과열기(2a)로 물을 공급할 수 있도록 구성된 공급수 펌프(5); 및
    상기 제1 출구 경로와 상기 제2 출구 경로에 각각 설치된 스위치 밸브들(5a, 5b) 및 상기 제1 출구 경로 또는 상기 제2 출구 경로에 설치된 급수 제어 밸브(5c)를 구비하는, 열발전 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 열발전 시스템을 사용하는 열발전 방법에 있어서,
    맑은 날의 태양열 보충 발전 모드, 또는 야간 또는 흐린날/비 오는 날의 보일러 열 공급 발전 모드를 선택적으로 포함하고;
    상기 태양열 보충 발전 모드는:
    물 공급 파이프에 의해 태양열 집중 및 열 공급 모듈에 공급수를 도입하는 단계;
    예열부의 진공관형 태양열 집열기의 태양 에너지에 의해 공급수를 예열한 후, 스팀-물 2상 증발부의 태양열 자동 집열 균질 튜브의 공급수를 연속적으로 가열시킴으로써 흡수 튜브 안에서 물-증기 2상 혼합 유동을 생성시켜서, 상기 혼합 유동이 배플 작용 하에 흡수 튜브에서 나선형으로 구르도록 하여 흡수 튜브의 온도를 신속하게 균질화시키는 단계;
    혼합 유동을 스팀-물 분리기로 도입하여 물로부터 스팀을 분리하는 단계;
    분리된 물을 재증발을 위하여 스팀-물 2상 증발부로 복귀시키고, 분리된 스팀을 보일러 스팀 드럼으로부터 나오는 포화된 증기와 수렴시키고, 보일러의 가열 모듈의 혼합된 스팀을 가열하는 단계; 및
    과열된 증기를 태양열 보충 발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 보일러 열 공급 발전 모드는:
    보일러 가열 모듈로 공급수 만을 도입시켜 과열된 증기를 생성하는 단계;
    과열된 증기를 과열기를 통해 열발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계를 포함하고, 태양열 가열 모듈은 작동을 중단하고, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 물의 유동을 중단되어 단열 상태로 머무는, 열발전 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 예열부의 진공관형 태양열 집열기의 공급수는 90℃로 예열되는, 열발전 방법.
  7. 진공관형 태양열 집열기를 가진 예열부(1a), 자동 열 균질 트로프 타입 모듈을 가진 스팀-물 2상 증발부(1b), 및 최종 태양열 자동 집열 및 균질 튜브가 터빈 발전 유니트의 입구에 연결될 수 있는 과열부(1e)가 직렬로 배치된 태양열 집중 및 열 공급 모듈;
    상기 스팀-물 2상 증발부(1b)와 상기 과열부(1e) 사이에 배치되고, 백플로우 파이프를 통해 자동 열 균질 트로프 타입 모듈의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브에 연결될 수 있는 물 출력단을 포함하는, 적어도 하나의 스팀-물 분리기;
    보일러 스팀 드럼(2b)과 과열기(2a)를 포함하고, 포화 과열된 스팀을 터빈 발전 유니트(3)로 공급할 수 있는 보일러 열 공급 모듈; 및
    상기 터빈 발전 유니트의 콘덴서 출력단에 연결될 수 있고 상기 예열부(1a) 또는 상기 과열기(2a)로 물을 공급할 수 있도록 구성된 물 공급 모듈을 구비하고;
    상기 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 포물면 트로프 집열기의 초점에 배치되고, 열흡수층으로 코팅된 흡수 튜브, 사이 공간에 진공이 형성되도록 흡수 튜브를 둘러싸는 유리 튜브, 상기 흡수 튜브 내부의 유체가 번갈아 가며 상,하로 구르도록 나선 모양으로 상기 흡수 튜브의 내부 공간에 배치된 배플을 포함하는, 열발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배플은, 축방향 피치가 동일하도록 연속적으로 배치되거나, 다른 영역들의 축방향 피치가 동일하도록 일정한 간격으로 배치되고, 상기 흡수 튜브의 축방향 길이를 따라, 상기 배플의 일단이 상기 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고 상기 배플의 타단이 자유단이고, 또는
    상기 배플은 액슬 로드에 고정된 복수의 나선형 블레이드들을 사용하고, 상기 나선형 블레이드들의 일단은 상기 흡수 튜브의 내부 캐버티에 고정되고 상기 나선형 블레이드들의 타단은 자유단이고, 상기 나선형 블레이들은 균일하게 배치되고 나선형 블레이들의 피치가 동일한, 열발전 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 과열부의 최종 태양열 자동 집열 및 균질 튜브는 스위치 밸브(3c)를 통해 과열기(2a)의 출력과 혼합되고 혼합된 라인은 터빈 발전 유니트의 입구에 연결되고;
    상기 과열기(2a)의 출력 라인에 마련된 스위치 밸브(3b)와 유동 조절기(3d)를 구비하는, 열발전 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 물 공급 모듈은:
    물 입구 파이프를 통해 연수 탱크(6)로부터 물을 공급받을 수 있고 상기 터빈 발전 유니트(3)의 컨덴서(3a)에 연결된 탈기기(4);
    상기 탈기기(4)에 연통되고, 제1 출구 경로를 통해 상기 예열부(1a)로 또는 제2 출구 경로를 통해 상기 과열기(2a)로 물을 공급할 수 있도록 구성된 공급수 펌프(5); 및
    상기 제1 출구 경로와 상기 제2 출구 경로에 각각 설치된 스위치 밸브들(5a, 5b) 및 상기 제1 출구 경로 또는 상기 제2 출구 경로에 설치된 급수 제어 밸브(5c)를 구비하는, 열발전 시스템.
  11. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 열발전 시스템을 이용한 발전 방법에 있어서,
    맑은 날의 태양열 보충 발전 모드, 또는 야간 또는 흐린날/비 오는 날의 보일러 열 공급 발전 모드를 선택적으로 포함하고;
    상기 태양열 보충 발전 모드는:
    물 공급 파이프에 의해 제공되는 공급수를 태양열 집중 및 열 공급 모듈로 도입시키튼 단계;
    예열부의 진공관 형태의 태양열 집열기의 태양 에너지에 의해 공급수를 예열한 후, 스팀-물 2상 증발부의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 공급수를 연속적으로 가열하여 물-스팀 2상 혼합 유동을 흡수 튜브에서 생성하여, 혼합 유동이 배플의 작용하에 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 하여 흡수 튜브의 온도를 신속하게 균질화시킨 후, 혼합 유동을 스팀-물 분리기로 도입하여 물로부터 스팀을 분리하는 단계;
    분리된 물을 스팀-물 2상 증발부로 재증발을 위해 복귀시키고, 분리된 스팀을 과열부의 태양열 자동 집열 및 균질 튜브로 전송하여 과열된 스팀을 생성하는 단계; 및
    과열된 스팀이 흡수 튜브에서 나선형으로 구르게 하여 흡수 튜브의 온도를 균질화시키고, 과열된 스팀을 보일러의 과열기로부터 나오는 과열된 스팀과 수렴시키고, 혼합된 과열된 스팀을 태양열 보충 발전을 위해 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 보일러 열 공급 발전 모드는:
    보일러 가열 모듈에 공급수 만을 도입시켜 과열된 스팀을 생성하고, 과열된 스팀을 과열기를 통해 열발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계; 및
    보일러 열 공급 발전 모드에서, 태양열 가열 모듈은 작동을 중단하고, 태양열 자동 집열 및 균질 튜브의 물은 그 유동이 중단되어 단열 상태에서 머물게 하는 단계를 포함하고;
    상기 태양열 보충 발전 모드는, 충분한 햇빛을 가진 주간에, 예열부와 2상 증발부에 의해 공급수를 가열하여 물-스팀 2상 혼합 유동을 생성하고, 스팀-물 분리기에 의해 혼합 유동을 분리하여 과열부에 의해 분리된 포화된 스팀을 더 가열하여 과열된 스팀을 생성하고, 과열된 스팀을 열발전을 위한 터빈 발전 유니트로 전송하는 단계를 더 포함하고;
    태양열 보충 발전 모드에서, 적은 양의 물이 보일러에 공급되어 보일러가 낮은 부하로 운전하는 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 열발전 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    예열부의 진공관형 태양열 집열기의 공급수는 90℃로 예열되는, 열발전 방법.
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