산업용 온수 시스템을 위한 최대 출력의 상업용 BTE 태양열 집열기

저온 태양열 이용을 위한 기본 구성 요소

평판형 태양열 집열기는 저온 태양열 이용을 위한 필수 구성 요소입니다. 이는 태양열 시스템에서 태양 복사를 받아 열전달 매체로 열을 전달하는 비집광형 구성 요소입니다. 평판형 태양열 집열기는 주로 열 흡수체, 투명 덮개, 단열층 및 외부 케이스로 구성됩니다. 열 흡수체는 기본적으로 평판 형태입니다. 평판형 태양열 집열기가 작동할 때, 태양 복사는 투명 덮개를 통과하여 열 흡수체에 투사되고, 여기서 흡수되어 열에너지로 변환됩니다. 이 열은 흡수체 내부의 열전달 매체로 전달되어 온도를 높이고, 집열기로부터 유용한 에너지 출력을 제공합니다.

구성 요소 및 특징

평판형 태양열 집열기는 저온 태양열 이용의 핵심 부품으로, 오랫동안 글로벌 태양에너지 시장에서 선도적인 제품으로 자리 잡아 왔습니다. 이들은 가정용 온수, 수영장 난방, 산업용 온수, 건물 난방 및 냉방 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 평판형 태양열 집열기는 주로 흡열판, 투명 덮개, 단열층 및 외부 케이스로 구성됩니다. 평판형 태양열 온수기는 평판형 태양열 집열기를 사용하는 온수기이며, 평판형 태양열 온수 시스템은 평판형 태양열 집열기를 사용하는 온수 시스템입니다.

구조가 간단하고, 흡열 면적이 넓으며, 내압성이 높고, 수명이 길며, 손상에 강하고, 건물과의 통합이 용이합니다.

흡열판

이것은 평판형 태양열 집열기 내에서 태양 복사를 흡수하고 열을 열전달 매체로 전달하는 구성 요소입니다. 기본적으로 평판 형태입니다. 

구조

평판형 열 흡수판은 일반적으로 튜브와 헤더로 구성됩니다. 튜브는 열 흡수판에 세로 방향으로 배열되어 유체 흐름 경로를 형성하며, 헤더는 열 흡수판의 상단과 하단에서 여러 튜브를 가로 방향으로 연결하는 구성 요소로 유체 흐름 경로를 형성합니다. 열 흡수판은 구리, 알루미늄 합금, 구리-알루미늄 복합재, 스테인리스강, 아연 도금 강판, 플라스틱 및 고무 등 다양한 재료로 제작될 수 있습니다. 구조 유형은 다음과 같습니다:

1. 튜브-시트형: 튜브와 평판이 특정 방식으로 연결되어 열 흡수 스트립을 형성한 후, 상단 및 하단 헤더에 용접되어 열 흡수판을 구성합니다. 이는 국내외에서 가장 일반적으로 사용되는 유형입니다.

2. 핀-튜브형: 금속 튜브의 양쪽에 핀이 부착된 흡열 스트립을 다이 압출 및 인발 공정을 통해 성형합니다. 그런 다음 이 스트립을 상부 및 하부 헤더에 용접하여 흡열판을 형성합니다.

3. 평판 상자형: 두 개의 별도 금속판을 다이 스탬핑으로 성형한 후 용접하여 흡열판을 형성합니다. 스네이크형: 금속 튜브를 뱀 모양으로 구부린 후 평판에 용접하여 흡열판을 형성합니다. 이 유형의 구조는 해외에서 널리 사용됩니다.

태양열 흡수 코팅

태양 복사 에너지의 흡수를 최대화하고 열로 변환하기 위해 흡수체는 태양열 흡수 코팅이라고 하는 어두운 코팅으로 덮어야 합니다.

태양열 흡수 코팅은 비선택성과 선택성 두 가지로 나눌 수 있습니다. 비선택성 코팅은 광학적 특성이 방사선의 파장과 무관한 코팅이며, 선택성 코팅은 광학적 특성이 방사선의 파장에 따라 크게 변하는 코팅입니다.

선택적 흡수 코팅은 분사, 화학적, 전기화학적, 진공 증발 및 마그네트론 스퍼터링을 포함한 다양한 방법을 사용하여 제조할 수 있습니다. 이러한 방법을 사용하여 제조된 대부분의 선택적 흡수 코팅은 0.90 이상의 태양 흡수율(SAR)을 달성할 수 있지만, 달성 가능한 방사율 범위는 크게 다릅니다. 방사율 성능 관점에서 이러한 방법 간의 우수성 순서는 마그네트론 스퍼터링, 진공 증발, 전기화학적, 화학적 및 분사여야 합니다. 물론 각 방법에는 특정 방사율 값 범위가 있으며, 코팅의 실제 방사율은 코팅 제조 공정의 최적화 정도에 따라 달라집니다.

재료

TP2 구리는 헤더 및 분기관에 사용됩니다. TP2 구리-인 탈산 구리는 용융을 통해 생산된 고순도 원료입니다. 용융 구리에서 발생한 산소는 산소 친화성 인(P)으로 탈산되어 산소 함량을 100ppm 이하로 낮춥니다. 이로 인해 연성, 내식성, 열전도성, 용접성 및 가공성이 향상되며, 고온에서 수소 취성에도 저항합니다. 특성 및 응용: 극히 낮은 산소 함량, 고순도, 우수한 전기 및 열 전도성, 뛰어난 연성, 낮은 기체 투과성, 수소 취성이 거의 또는 전혀 없습니다. 또한 우수한 가공성, 용접성, 내식성 및 내한성을 제공합니다.

투명 커버 플레이트

투명 커버 플레이트는 평판형 집열기에서 흡수판을 덮는 투명(또는 반투명) 판형 부품입니다. 세 가지 주요 기능이 있습니다: 첫째, 태양 복사를 투과시켜 흡열판에 전달합니다; 둘째, 흡열판을 먼지, 비, 눈으로부터 보호합니다; 셋째, 온실 효과를 만들어 흡열판이 온도 상승 시 대류와 복사를 통해 주변 환경으로 열을 방출하는 것을 방지합니다. 

재료

주로 두 가지 유형이 있습니다: 평판 유리와 유리 섬유입니다. 현재 국내외에서 평판 유리가 더 널리 사용되고 있습니다.

평판 유리는 적외선 투과율이 낮고 열전도율이 낮으며 내후성이 우수합니다. 그러나 태양광 투과율과 충격 강도는 평판 유리의 두 가지 주요 고려 사항입니다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 투명 커버 재료는 3-5mm 두께의 평판 유리, 초투명 저철분 강화 유리 또는 초투명 저철분 텍스처 강화 유리입니다. 이러한 유리는 투과율이 높고 우박 및 충격에 강하며 안전하고 신뢰할 수 있습니다. 일반적인 유리 두께는 3.2mm와 4.0mm입니다. 초투명 유리는 초투명 저철분 유리의 일종으로 저철분 유리 또는 고투명 유리라고도 합니다. FRP 시트(즉, 유리 섬유 강화 플라스틱 시트)는 태양광 투과율이 높고 열전도율이 낮으며 충격 강도가 높습니다. 그러나 FRP 시트의 경우 적외선 투과율과 내후성이 주의해야 할 두 가지 문제입니다. FRP 시트의 단색 투과율 대 파장 곡선을 보면 단색 투과율이 2pm 이내에서 높은 값을 가질 뿐만 아니라 2.5pm 이상에서도 높은 값을 가집니다. 따라서 FRP 시트의 태양광 투과율은 일반적으로 0.88 이상이지만 적외선 투과율도 평판 유리보다 훨씬 높습니다. FRP 시트는 고결합 에너지 수지와 겔 코트를 사용하여 자외선으로 인한 손상 정도를 줄일 수 있습니다. 그러나 FRP 시트의 수명은 무기 재료인 평판 유리와 결코 비교할 수 없습니다. FRP 시트는 집열기의 커버 플레이트로 거의 사용되지 않으며 현재 일부 저가 제품에만 사용됩니다.

단열층

단열층은 집열기에서 흡수체의 열이 전도를 통해 주변 환경으로 손실되는 것을 방지하는 구성 요소입니다. 단열층에 사용되는 재료로는 암면, 유리면, 폴리우레탄 및 폴리스티렌이 있습니다. 현재 유리면이 가장 널리 사용됩니다.

고효율 단열재

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

페놀 폼의 특성은 다음과 같이 요약됩니다.

1. 우수한 단열 성능으로 열전도율이 0.03 W/m·K 미만입니다.

2. 높은 작동 온도. 페놀 폼은 -200°C에서 160°C 사이의 온도에서 장시간 작동할 수 있으며(250°C의 일시적 온도 허용) 수축이 발생하지 않습니다.

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

4. 불연성. 페놀 폼(100mm 두께)은 1시간 이상 화염을 견디며 관통되지 않고, 연기나 유해 가스를 방출하지 않습니다. 화염에 노출되면 페놀 폼 표면에 구조적 탄소층이 형성되어 떨어짐, 휘어짐 또는 용융을 방지합니다. 연소 후 표면에 구조적 탄소의 흑연층이 형성되어 폼의 내부 구조를 효과적으로 보호합니다.

5. 친환경성. 불소를 사용하지 않는 발포 기술과 무섬유 기술을 사용하여 국내 및 국제 환경 기준을 충족합니다.

두께

단열층의 두께는 사용된 재료, 집열기의 작동 온도, 사용 지역의 기후 조건 등의 요소에 따라 결정되어야 합니다. 일반적으로 재료의 열전도율이 높을수록, 집열기의 작동 온도가 높을수록, 사용 지역의 온도가 낮을수록 단열층은 더 두꺼워야 합니다. 일반적으로 바닥 단열층은 30-50mm 두께이며, 측면 단열층도 이와 비슷한 두께입니다.

하우징

하우징은 집열기 내의 흡수체, 투명 덮개 및 단열층을 보호하고 고정합니다. 그 기능에 따라 하우징은 일정 수준의 강도와 강성, 우수한 밀봉성 및 내식성, 그리고 미적으로 보기 좋은 외관이 요구됩니다. 

하우징에 사용되는 재료는 알루미늄 합금, 스테인리스강, 탄소강, 플라스틱 및 유리 섬유를 포함합니다. 하우징의 밀봉성을 개선하기 위해 일부 제품은 탄소강을 사용한 단일 압축 성형 공정을 활용합니다. 현재 평판형 집열기의 하우징(프레임)에 가장 일반적으로 사용되는 재료는 알루미늄 합금과 탄소강이며, 단일 압축 성형 공정을 통해 성형됩니다. 

알루미늄 합금: 6063T5 알루미늄 합금 프로파일이 일반적으로 사용됩니다. 6063 시리즈 알루미늄 합금은 건축물의 알루미늄 문, 창문 및 커튼월 프레임에 널리 사용됩니다. 높은 내풍성, 조립 성능, 내식성 및 장식성을 보장하기 위해 알루미늄 합금 프로파일에 대한 종합적인 성능 요구 사항은 산업용 프로파일보다 훨씬 높습니다.

태양열 에너지의 경쟁 환경에서 효율성의 1% 포인트는 실질적인 ROI로 이어집니다. BTE의 평판형 집열기는 단순히 햇빛을 포착할 뿐만 아니라 특정 프로젝트 규모에 맞춰 장기적인 신뢰성과 낮은 LCOE(균등화 발전 비용)를 제공하도록 설계되었습니다.

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