BTE 태양열 평판형 집열기: 효율적인 저온 태양열 시스템을 위한 구성 요소, 기술 및 응용 분야

저온 태양열 활용을 위한 기본 구성 요소

평판형 태양열 집열기는 저온 태양열 활용에 필수적인 구성 요소입니다. 태양열 시스템에서 태양 복사열을 흡수하여 열을 열전달 매체로 전달하는 비집중형 구성 요소입니다. 평판형 태양열 집열기는 주로 열 흡수체, 투명 덮개, 단열층, 그리고 외피로 구성됩니다. 열 흡수체는 기본적으로 평평한 판입니다. 평판형 태양열 집열기가 작동하면 태양 복사열이 투명 덮개를 통과하여 열 흡수체에 투사되고, 흡수체에서 열에너지로 변환됩니다. 이 열은 흡수체 내부의 열전달 매체로 전달되어 흡수체의 온도를 높이고 집열기에서 유용한 에너지를 생성합니다.

구성 요소 및 기능

평판형 태양열 집열기는 저온 태양열 활용에 필수적인 부품으로, 오랫동안 세계 태양 에너지 시장을 선도해 왔습니다. 가정용 온수, 수영장 난방, 산업용 온수, 건물 난방, 냉방 등 다양한 용도로 널리 사용됩니다. 평판형 태양열 집열기는 주로 열 흡수체, 투명 덮개, 단열층, 그리고 외피로 구성됩니다. 평판형 태양열 온수기는 평판형 태양열 집열기를 사용하는 온수기이며, 평판형 태양열 온수 시스템은 평판형 태양열 집열기를 사용하는 온수 시스템입니다.

이러한 단열재는 구조가 간단하고, 열 흡수 면적이 넓으며, 압력에 대한 저항성이 높고, 사용 수명이 길며, 손상에 대한 저항성이 있고, 건축적으로 쉽게 통합할 수 있다는 특징이 있습니다.

흡열판

평판형 태양열 집열기에서 태양 복사열을 흡수하여 열을 열전달 매체로 전달하는 부품입니다. 본질적으로 평평한 판입니다. 

구조

평판형 열 흡수판은 일반적으로 튜브와 헤더로 구성됩니다. 튜브는 열 흡수판에 세로로 배치되어 유체 흐름 경로를 형성합니다. 헤더는 열 흡수판의 상단과 하단에서 여러 튜브를 가로로 연결하여 유체 흐름 경로를 형성하는 구성 요소입니다. 열 흡수판은 구리, 알루미늄 합금, 구리-알루미늄 복합재, 스테인리스강, 아연 도금강, 플라스틱, 고무 등 다양한 재질로 제작될 수 있습니다. 구조 유형은 다음과 같습니다.

1. 튜브 시트형: 튜브와 평판을 특정 방식으로 연결하여 열 흡수 스트립을 형성한 후, 이를 상하 헤더에 용접하여 열 흡수판을 형성합니다. 국내외에서 가장 널리 사용되는 방식입니다.

2. 핑 튜브형: 금속 튜브의 양쪽에 핀이 부착된 열 흡수 스트립을 다이 압출 및 인발 공정을 통해 성형합니다. 이 스트립을 상단 및 하단 헤더에 용접하여 열 흡수판을 형성합니다.

3. 플랫 박스형: 두 개의 금속판을 다이스탬핑으로 성형한 후 용접하여 열 흡수판을 만듭니다. 스네이크형: 금속관을 뱀 모양으로 구부린 후 평평한 판에 용접하여 열 흡수판을 만듭니다. 이러한 구조는 해외에서 널리 사용됩니다.

태양열 흡수 코팅

태양 복사열의 흡수를 극대화하고 열로 변환하기 위해 흡수체는 태양열 흡수 코팅이라고 하는 어두운 코팅으로 덮여야 합니다.

태양열 흡수 코팅은 비선택적 코팅과 선택적 코팅의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 비선택적 코팅은 광학적 특성이 복사선의 파장에 관계없이 나타나는 코팅이고, 선택적 코팅은 광학적 특성이 복사선의 파장에 따라 크게 달라지는 코팅입니다.

선택적 흡수 코팅은 분무, 화학, 전기화학, 진공 증착, 마그네트론 스퍼터링 등 다양한 방법을 사용하여 제조할 수 있습니다. 이러한 방법을 사용하여 제조된 대부분의 선택적 흡수 코팅은 0.90 이상의 태양열 흡수율(SAR)을 달성할 수 있지만, 달성 가능한 방사율 범위는 상당히 다양합니다. 방사율 성능 관점에서 이러한 방법들 중 가장 우수한 순서는 마그네트론 스퍼터링, 진공 증착, 전기화학, 화학, 분무 순입니다. 물론 각 방법은 특정 범위의 방사율을 가지며, 코팅의 실제 방사율은 코팅 제조 공정의 최적화 정도에 따라 달라집니다.

재료

TP2 구리는 헤더 및 분기관에 사용됩니다. TP2 구리-인 탈산 구리는 용융 공정을 통해 생산되는 고순도 원료입니다. 용융 구리에서 생성된 산소는 산소 친화성 인(P)으로 탈산되어 산소 함량을 100ppm 미만으로 낮춥니다. 이를 통해 연성, 내식성, 열전도도, 용접성 및 가공성이 향상되고 고온에서 수소 취성에 대한 저항성도 향상됩니다. 특성 및 용도: 매우 낮은 산소 함량, 높은 순도, 우수한 전기 및 열 전도성, 우수한 연성, 낮은 공기 투과도를 자랑하며, 수소 취성이 거의 없거나 전혀 없습니다. 또한 가공성, 용접성, 내식성 및 내한성이 뛰어납니다.

투명 커버 플레이트

투명 커버 플레이트는 평판형 집열기에서 흡수판을 덮는 투명(또는 반투명) 판 모양의 부품입니다. 투명 커버 플레이트는 세 가지 주요 기능을 합니다. 첫째, 태양 복사열을 투과시켜 열 흡수판으로 전달합니다. 둘째, 먼지, 비, 눈으로부터 열 흡수판을 보호합니다. 셋째, 온실 효과를 일으켜 온도가 상승할 때 열 흡수판이 대류와 복사를 통해 주변 환경으로 열을 방출하는 것을 방지합니다. 

재료

크게 평판 유리와 유리섬유 두 가지 유형이 있습니다. 평판 유리는 현재 국내외에서 더 널리 사용되고 있습니다.

평판 유리는 적외선 투과율과 열전도율이 낮으며 내후성이 우수합니다. 하지만 태양열 투과율과 충격 강도는 평판 유리의 두 가지 주요 고려 사항입니다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 투명 커버 소재는 3~5mm 두께의 평판 유리, 초투명 저철분 강화 유리 또는 초투명 저철분 질감 강화 유리입니다. 이러한 유리는 투과율이 높고 우박과 충격에 강하며 안전하고 신뢰할 수 있습니다. 일반적인 유리 두께는 3.2mm와 4.0mm입니다. 초투명 유리는 초투명 저철분 유리의 한 유형으로, 저철분 유리 또는 고투명 유리라고도 합니다. FRP 시트(즉, 유리 섬유 강화 플라스틱 시트)는 높은 태양열 투과율, 낮은 열전도율, 높은 충격 강도를 가지고 있지만, FRP 시트의 경우 적외선 투과율과 내후성이 중요한 고려 사항입니다. FRP 시트의 단색광 투과율 대 파장 곡선은 단색광 투과율이 2pm 이내에서 높은 값을 가질 뿐만 아니라, 2.5pm 이상에서도 높은 값을 가짐을 보여줍니다. 따라서 FRP 시트의 태양열 투과율은 일반적으로 0.88 이상이며, 적외선 투과율 또한 판유리보다 훨씬 높습니다. FRP 시트는 고결합 에너지 수지와 겔 코팅을 사용하여 자외선으로 인한 손상 정도를 줄일 수 있습니다. 그러나 FRP 시트의 수명은 무기물인 판유리의 수명과 비교할 수 없습니다. FRP 시트는 집열기의 커버 플레이트로 거의 사용되지 않으며, 현재 일부 저가 제품에만 사용되고 있습니다.

절연층

단열층은 집열기 내부의 구성 요소로, 흡수체에서 발생하는 열이 전도를 통해 주변 환경으로 손실되는 것을 방지합니다. 단열층에 사용되는 재료로는 암면, 유리솜, 폴리우레탄, 폴리스티렌 등이 있습니다. 현재 가장 널리 사용되는 재료는 유리솜입니다.

고효율 단열재

페놀 폼(PF)은 평판형 태양열 집열기의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 유형의 단열재입니다. 제조업체에서 점차 도입하고 있습니다. 페놀 폼은 페놀 수지를 유화제, 발포제, 경화제 및 기타 첨가제를 포함한 다양한 물질과 함께 과학적인 공식을 통해 발포 및 경화시켜 만든 폐쇄 셀 경질 폼 플라스틱입니다.

페놀폼의 특징은 다음과 같이 요약된다.

1. 열전도도가 0.03 W/m·K 미만으로 뛰어난 단열 성능을 발휘합니다.

2. 높은 작동 온도. 페놀폼 보드(PF 단열재)는 -200°C ~ 160°C(과도 온도 250°C 허용) 사이의 온도에서 수축 없이 장기간 작동할 수 있습니다.

3. 뛰어난 내후성. 고온에 장기간 노출되어도 뛰어난 단열 성능을 유지하며, 태양 복사열을 차단할 수 있는 휘발성 물질을 방출하지 않습니다.

4. 불연성. 페놀폼(두께 100mm)은 화염이 침투하지 않고 1시간 이상 견딜 수 있으며 연기나 유해가스도 배출하지 않습니다. 화염에 노출되면 페놀폼 보드(PF 단열재)는 표면에 구조적 탄소층을 형성하여 물이 떨어지거나 말리거나 녹는 것을 방지합니다. 연소 후 표면에 구조적 탄소의 흑연 층이 형성되어 폼의 내부 구조를 효과적으로 보호합니다.

5. 친환경적입니다. 불소 무첨가 발포 기술과 섬유를 사용하지 않아 국내 및 국제 환경 기준을 충족합니다.

두께

단열층의 두께는 사용 재료, 집열기 작동 온도, 사용 지역의 기후 조건 등의 요인을 고려하여 결정해야 합니다. 일반적으로 재료의 열전도도가 높고, 집열기 작동 온도가 높으며, 사용 지역의 온도가 낮을수록 단열층의 두께는 두꺼워야 합니다. 일반적으로 하단 단열층의 두께는 30~50mm이며, 측면 단열층의 두께도 거의 동일합니다.

주택

하우징은 집열기 내부의 흡수체, 투명 덮개, 그리고 단열층을 보호하고 고정합니다. 하우징은 그 기능에 따라 일정 수준의 강도와 강성, 우수한 밀봉성 및 내식성, 그리고 미적으로 아름다운 외관을 요구합니다. 

하우징에 사용되는 소재로는 알루미늄 합금, 스테인리스강, 탄소강, 플라스틱, 유리섬유 등이 있습니다. 하우징의 밀봉성을 향상시키기 위해 일부 제품은 탄소강을 사용한 단발 압축 성형 공정을 사용합니다. 현재 평판형 집열기의 하우징(프레임)에 가장 많이 사용되는 소재는 알루미늄 합금과 탄소강이며, 단발 압축 성형 공정을 통해 성형됩니다. 

알루미늄 합금: 6063T5 알루미늄 합금 프로파일이 일반적으로 사용됩니다. 6063 시리즈 알루미늄 합금은 건물의 알루미늄 문, 창문, 커튼월 프레임에 널리 사용됩니다. 높은 내풍성, 조립 성능, 내식성 및 장식적 특성을 보장하기 위해 알루미늄 합금 프로파일에 대한 종합적인 성능 요건은 산업용 프로파일보다 훨씬 뛰어납니다.