태양열 집열기

태양열 집열기()는 햇빛을 흡수하여 열을 모으는 장치이다. "태양열 집열기"라는 용어는 일반적으로 태양열 온수 가열 장치를 의미하지만, 태양열 포물선형 트로프 및 태양열 타워와 같은 대규모 발전 설비 또는 태양열 조리기나 태양열 공기 가열기와 같은 비-물 가열 장치를 지칭할 수도 있다.

태양열 집열기는 비집중형과 집중형으로 나뉜다. 비집중형 집열기에서는 개구부 면적(즉, 태양 복사조도를 받는 면적)이 흡수기 면적(즉, 복사열을 흡수하는 면적)과 거의 같다. 이러한 시스템의 일반적인 예는 햇빛 흡수를 극대화하기 위해 어두운 색으로 칠해진 금속판이다. 에너지는 종종 판에 부착된 파이프를 통해 흐르는 물이나 글리콜과 같은 작동 유체로 판을 냉각하여 수집된다.

집중형 집열기는 흡수기 면적보다 훨씬 더 큰 개구부를 가지고 있다. 개구부는 일반적으로 흡수기에 초점을 맞춘 거울 형태이며, 대부분의 경우 작동 유체를 운반하는 파이프이다. 낮 동안 태양의 움직임 때문에 집중형 집열기는 종종 어떤 형태의 태양 추적 시스템을 필요로 하며, 이러한 이유로 때때로 "능동형" 집열기라고 불린다.

비집중형 집열기는 일반적으로 주거용, 산업용 및 상업용 건물에서 공간 난방에 사용되는 반면, 집광형 태양광 발전소의 집중형 집열기는 열 전달 유체를 가열하여 전기 발전기에 연결된 터빈을 구동함으로써 전기를 생성한다.

 물 가열 
평판형 및 진공관형 태양열 집열기는 주로 공간 난방, 생활 온수 또는 흡수 냉동기를 이용한 냉각을 위한 열을 수집하는 데 사용된다. 태양열 온수 패널과 달리, 이들은 순환 유체를 사용하여 열을 분리된 저장소로 전달한다. 건물 지붕용으로 설계된 최초의 태양열 집열기는 윌리엄 H. 괴틀(William H. Goettl)이 특허를 받았으며 "건물 지붕용 태양열 집열기 및 방열기"라고 불렸다.

진공 평판형 태양열 집열기는 최근 혁신 기술이며 산업 냉각을 위한 태양열(SHIC) 및 태양열 공기조화(SAC)에 사용될 수 있는데, 여기서는  이상의 온도가 필요하다. 이러한 비집중형 집열기는 확산광과 직사광을 모두 수확하며 물 대신 증기를 유체로 사용할 수 있다.

 평판형 집열기 
alt=|thumb|나란히 있는 두 개의 평판형 태양열 집열기
평판형 집열기는 유럽에서 가장 일반적인 태양열 기술이다. 이는 (1) 유체 순환 통로가 있는 어두운 색의 흡수판, (2) 인클로저로 태양 에너지를 투과시키는 투명 덮개로 구성된 인클로저를 포함한다. 인클로저의 측면과 후면은 일반적으로 주변 환경으로의 열 손실을 줄이기 위해 단열되어 있다. 열 전달 유체는 흡수기의 유체 통로를 통해 순환되어 태양열 집열기에서 열을 제거한다. 열대 및 아열대 기후에서는 순환 유체가 일반적으로 물이다. 동결 가능성이 있는 기후에서는 물 대신 또는 물과 혼합하여 자동차용 부동액 용액과 유사한 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 열 전달 유체를 사용하는 경우, 일반적으로 열교환기를 사용하여 태양열 집열기 유체에서 온수 저장 탱크로 열을 전달한다. 가장 일반적인 흡수기 설계는 구리 튜빙이 높은 전도성 금속 시트(구리 또는 알루미늄)에 결합된 형태로 구성된다. 태양을 향하는 흡수기 어셈블리 측면에는 태양 에너지 흡수를 증가시키기 위해 어두운 코팅이 적용된다. 일반적인 흡수기 코팅은 검은색 에나멜 페인트이다.

고성능 태양열 집열기 설계에서 투명 덮개는 태양광 패널과 동일하게 산화 철 함량이 감소된 강화 소다 석회 유리이다. 유리는 또한 점각 패턴과 하나 또는 두 개의 반사 방지 코팅을 가질 수 있어 투명성을 더욱 향상시킨다. 흡수기 코팅은 일반적으로 선택적 코팅으로, 선택적이라는 것은 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분에서 높은 흡광과 적외선 부분에서 낮은 방출을 결합하는 특수 광학 특성을 갖는 것을 의미한다. 이는 흑체 에너지 방출을 줄이고 성능을 향상시키는 선택적 표면을 생성한다. 배관은 흡수 시트에 레이저 또는 초음파 용접될 수 있어 선택적 코팅 손상을 줄인다. 선택적 코팅은 일반적으로 대형 코일에 롤투롤 공정으로 결합되기 전에 적용된다.

흡수기 배관 구성에는 다음이 포함된다.

 하프: 저압 열사이펀 및 펌프 시스템에 사용되는 하단 파이프 라이저 및 상단 수집 파이프가 있는 전통적인 설계;
 뱀 모양: 온도는 최대화하지만 가변 유량 시스템에서 총 에너지 수율은 최대화하지 않는 하나의 연속적인 S자형 파이프로, 소형 태양열 가정용 온수 전용 시스템(공간 난방 역할 없음)에 사용된다;
 침수형: 두 장의 금속 시트가 용범되어 넓은 순환 영역을 생성하여 열전달을 향상시키는 방식으로 구성된다;
 경계층: 여러 층의 투명 및 불투명 시트로 구성되어 경계층에서 흡수를 가능하게 한다. 에너지가 경계층에서 흡수되기 때문에, 흡수된 열이 순환 유체에 축적되기 전에 재료를 통해 전도되는 집열기보다 열 변환이 더 효율적일 수 있다.

열 손실을 줄이기 위해 유리 측면에도 벌집 구조를 활용한 평판형 집열기도 상업적으로 출시되었다. 대부분의 평판형 집열기는 25년 이상의 수명을 가진다.

 진공관형 집열기 
alt=|thumb|직접 흐름 진공관
진공관형 집열기는 전 세계에서 가장 일반적인 태양열 기술이다. 이들은 유리관을 사용하여 흡수기를 고진공으로 둘러싸고 대기압에 효과적으로 저항한다. 흡수기를 둘러싼 진공은 대류 및 전도 열 손실을 크게 줄여 더 큰 에너지 변환 효율을 달성한다. 흡수기는 평판형 집열기와 마찬가지로 금속일 수도 있고, 두 번째 동심 유리관("시드니 튜브")일 수도 있다. 열 전달 유체는 각 튜브 안팎으로 흐르거나 튜브 내부에 도달하는 히트파이프와 접촉할 수 있다. 후자의 경우, 히트 파이프는 튜브에 대해 횡단으로 배치된 "매니폴드"라고 불리는 열교환기로 열을 유체에 전달한다. 매니폴드는 단열재(유리섬유)로 싸여 있고 지지대에 고정하는 데 사용되는 보호 금속 또는 플라스틱 케이스로 덮여 있다.

유리-금속 진공관은 평판형과 동일한 평평하거나 구부러진 금속 흡수판으로 만들어진다. 이 판들은 파이프 또는 히트 파이프에 접합되어 "핀"을 만들고 단일 붕규산 유리 튜브 내부에 배치된다. 이러한 튜브의 내부 및 외부 표면에는 반사 방지 코팅이 증착될 수 있어 투명도를 향상시킨다. 선택적 코팅과 반사 방지 코팅(내부 튜브 표면)은 진공이 손실될 때까지 열화되지 않는다. 그러나 각 진공관의 한쪽 또는 양쪽에 높은 진공 밀착 유리-금속 밀봉이 필요하다. 이 밀봉은 집열기 작동 매일 주변 온도와 유체 온도 사이에서 순환되며 시간이 지남에 따라 고장이 발생할 수 있다.

유리-유리 진공관은 양쪽 끝(또는 한쪽 끝)이 융합된 두 개의 붕규산 유리관으로 만들어진다(보온병 또는 듀어 플라스크와 유사). 흡수 핀은 내부 튜브 내부에 대기압 상태로 배치된다. 유리-유리관은 매우 신뢰할 수 있는 밀봉을 가지고 있지만, 두 겹의 유리는 흡수기에 도달하는 햇빛의 양을 줄인다. 이를 피하기 위해 내부 붕규산 유리관(고진공 측)에 선택적 코팅을 증착할 수 있지만, 이 경우 열은 내부 튜브의 전도성이 낮은 유리 두께를 통해 흘러야 한다. 또한, 내부 튜브 내부의 비진공 영역으로 수분이 유입되어 특히 이종 재료(갈바닉 부식)로 만들어진 흡수기의 부식을 유발할 수 있다.

튜브 사이의 고진공 틈새에는 일반적으로 바륨 플래시 게터 펌프가 증발되어 시간이 지남에 따라 내부 압력을 안정하게 유지한다.

진공관 내부에서 발생할 수 있는 높은 온도는 열충격 및 과열을 방지하기 위한 특별한 설계가 필요할 수 있다. 일부 진공관형 집열기는 히트 파이프 덕분에 열 단방향 밸브로 작동한다. 이는 안전 기능으로 작용하는 본질적인 최대 작동 온도를 제공한다. 진공관형 집열기는 튜브 뒤에 낮은 집중 반사경을 장착하여 CPC 집열기를 구현할 수도 있다.

 평판형 및 진공관형 집열기 비교 
이 두 기술의 지지자들 사이에는 오랜 논쟁이 존재한다. 이 중 일부는 불연속적인 흡수 면적을 가진 진공관형 집열기의 구조와 관련이 있을 수 있다. 지붕에 설치된 진공관형 집열기 배열은 개별 튜브 사이에 공간이 있고, 각 튜브와 그 내부 흡수기 사이에 진공 틈이 있어 지붕 설치 면적의 일부만을 덮는다. 진공관형이 지붕 점유 면적(총 면적) 기준으로 평판형 집열기와 비교될 경우, 흡수 또는 개구 면적이 비교될 때와 다른 결론에 도달할 수 있다. ISO 9806 표준의 최근 개정판ISO 9806:2017. Solar energy – Solar thermal collectors – Test methods 국제 표준화 기구, Geneva, Switzerland은 태양열 집열기의 효율이 총 면적 기준으로 측정되어야 한다고 명시하고 있으며, 이는 직접 비교에서 진공관형 집열기에 비해 평판형에 유리할 수 있다.

평판형 집열기는 유리면에 단열재가 없기 때문에 진공관형보다 일반적으로 환경으로 더 많은 열을 손실한다. 진공관형 집열기는 튜브가 떨어져 있어야 하기 때문에 평판형보다 본질적으로 흡수기-총 면적 비율이 낮다(일반적으로 60~80% 낮다). 여러 유럽 기업에서 진공관형 집열기(주로 유리-금속 유형)를 제조하지만, 진공관 시장은 중국 제조업체가 지배하며, 일부 기업은 15~30년 이상의 실적을 가지고 있다. 두 설계가 장기적인 신뢰성 면에서 다르다는 명확한 증거는 없다. 그러나 진공관 기술(특히 유리-금속 밀봉 및 히트 파이프가 있는 새로운 변형)은 아직 경쟁력 있는 수명을 입증해야 한다. 진공관의 모듈성은 확장성 및 유지보수 측면에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 한 히트 파이프 튜브의 진공이 손실될 경우 최소한의 노력으로 쉽게 교체할 수 있다.

대부분의 기후에서 평판형 집열기는 일반적으로 진공관형보다 비용 효율적이다. 그러나 진공관형 집열기는 추운 주변 온도에 잘 맞으며 낮은 태양 복사조도 조건에서도 잘 작동하여 연중 내내 더 일관되게 열을 제공한다. 무유리 평판형 집열기는 수영장 물을 가열하는 데 선호되는 장치이다. 무유리 집열기는 주변 온도보다  미만으로 생활 온수를 가열해야 하는 경우 열대 또는 아열대 환경에 적합할 수 있다. 진공관형 집열기는 공기역학적 저항이 적어 바람이 많이 부는 지역의 지붕에 더 간단하게 설치할 수 있다. 튜브 사이의 틈은 눈이 집열기를 통해 떨어지게 하여 일부 눈이 오는 조건에서 생산 손실을 최소화하지만, 튜브에서 방출되는 열이 부족하면 쌓인 눈을 효과적으로 제거하지 못할 수도 있다. 평판형 집열기는 청소하기 더 쉬울 수 있다. 외관 및 설치 용이성과 같은 다른 속성들은 더 주관적이며 비교하기 어렵다.

 진공 평판형 집열기 
진공 평판형 태양열 집열기는 평판형 및 진공관형 집열기의 모든 장점을 결합하여 제공한다. 이들은 유리와 금속으로 만든 평평한 외피 내부에 고진공으로 넓은 면적의 금속판 흡수기를 둘러싼다. 이들은 비집중형 태양열 집열기 중 가장 높은 에너지 변환 효율을 제공하지만, 제조를 위해서는 정교한 기술이 필요하다. 이들을 내부 진공이 낮은 평판형 집열기와 혼동해서는 안 된다. 고진공 단열을 사용한 최초의 집열기는 CERN에서 개발되었으며, 스위스의 TVP SOLAR SA가 2012년에 Solar Keymark 인증 집열기를 최초로 상용화한 회사였다.

진공 평판형 태양열 집열기는 유리판을 나머지 금속 외피에 접합하기 위한 유리-금속 밀봉과 대기압에 대해 이러한 판을 지지하기 위한 내부 구조가 모두 필요하다. 흡수기는 이러한 구조를 수용하기 위해 분할되거나 적절한 구멍이 제공되어야 한다. 모든 부품의 접합은 고진공 밀착이어야 하며, 증기압이 낮은 재료만 사용하여 탈기를 방지해야 한다. 유리-금속 밀봉 기술은 금속화된 유리를 기반으로 하거나 유리화된 금속을 기반으로 할 수 있으며 이는 집열기의 유형을 정의한다. 진공관형 집열기와 달리, 이들은 비증발성 게터 펌프를 사용하여 시간이 지남에 따라 내부 압력을 안정하게 유지한다. 이 게터 펌프 기술은 햇빛 노출을 통해 현장에서 일부 재생을 제공하는 이점을 가지고 있다. 진공 평판형 태양열 집열기는 태양열 공조에 대해 연구되었으며 소형 태양열 집광기와 비교되었다.

 고분자 평판형 집열기 
이러한 집열기는 금속 집열기에 대한 대안이다. 이들은 전적으로 중합체로 만들어질 수도 있고, 동결 내성이 있는 실리콘고무로 만든 수로 앞에 금속판을 포함할 수도 있다. 고분자는 유연하므로 동결 내성이 있고 부동액 대신 일반 물을 사용할 수 있으므로 효율을 낮추는 열교환기가 필요 없이 기존 물탱크에 직접 배관할 수 있다. 열교환기가 필요 없으므로 순환 시스템이 켜지는 온도가 그렇게 높을 필요가 없어 이러한 직접 순환 패널은 고분자 또는 기타 재료에 관계없이 특히 낮은 태양 복사조도 수준에서 더 효율적일 수 있다. 일부 초기 선택적 코팅 고분자 집열기는 단열 시 과열로 고통받았는데, 이는 정체 온도가 고분자의 녹는점을 초과할 수 있었기 때문이다. 예를 들어, 폴리프로필렌의 녹는점은 인 반면, 단열된 태양열 집열기의 정체 온도는 제어 전략을 사용하지 않으면 를 초과할 수 있다. 이러한 이유로 폴리프로필렌은 유리 선택적 코팅 태양열 집열기에는 잘 사용되지 않는다. 점점 더 높은 온도 실리콘(녹는점  이상)과 같은 고분자가 사용되고 있다. 일부 비폴리프로필렌 고분자 기반 유리 태양열 집열기는 정체 온도를  이하로 낮추기 위해 선택적 코팅 대신 무광 검정 코팅이 되어 있다.

동결 가능성이 있는 지역에서는 유연한 중합체를 사용하여 동결 내성(반복적으로 동결되어도 균열이 발생하지 않는 능력)을 달성할 수 있다. 실리콘 고무 파이프는 1999년부터 영국에서 이 목적으로 사용되었다. 기존 금속 집열기는 동결 손상에 취약하므로, 물이 채워져 있는 경우 동결이 예상되기 전에 중력을 사용하여 완전히 배수되도록 주의 깊게 배관해야 균열이 발생하지 않는다. 많은 금속 집열기는 밀봉된 열교환기 시스템의 일부로 설치된다. 집열기를 통해 직접 식수를 흐르게 하는 대신 프로필렌 글리콜과 같은 물과 부동액 혼합물이 사용된다. 열교환 유체는 혼합물 내 프로필렌 글리콜의 비율에 따라 지역적으로 결정된 위험 온도까지 동결 손상으로부터 보호한다. 글리콜을 사용하면 물의 열 운반 능력이 약간 감소하는 반면, 추가 열교환기를 추가하면 낮은 조명 수준에서 시스템 성능이 저하될 수 있다.

풀 또는 무유리 집열기는 투명 덮개가 없는 단순한 형태의 평판형 집열기이다. 일반적으로 폴리프로필렌 또는 EPDM 고무 또는 실리콘 고무가 흡수기로 사용된다. 수영장 난방에 사용되는 이 집열기는 원하는 출력 온도가 주변 온도에 가까울 때(즉, 외부가 따뜻할 때) 상당히 잘 작동할 수 있다. 주변 온도가 낮아질수록 이러한 집열기는 효율이 떨어진다.

 보울형 집열기 
태양열 보울은 포물선 접시와 유사하게 작동하는 태양열 집열기의 한 유형이지만, 고정된 수신기가 있는 추적형 포물선 거울을 사용하는 대신, 추적형 수신기가 있는 고정된 구형 거울을 사용한다. 이는 효율을 감소시키지만 건설 및 운영 비용을 절감한다. 설계자들은 이를 고정 거울 분산 초점 태양열 발전 시스템이라고 부른다. 개발의 주요 이유는 포물선 접시 시스템과 같이 태양을 추적하기 위해 대형 거울을 이동하는 비용을 없애기 위함이었다.

고정된 포물선 반사경은 태양이 하늘을 가로질러 움직일 때 다양한 모양의 태양 이미지를 생성한다. 거울이 태양을 직접 가리킬 때만 빛이 한 점에 집중된다. 이것이 포물선 접시 시스템이 태양을 추적하는 이유이다. 고정된 구형 거울은 태양의 위치와 상관없이 빛을 같은 곳에 집중시킨다. 그러나 빛은 한 점으로 향하지 않고 거울 표면에서 반경의 절반까지 선을 따라 분포된다(구의 중심과 태양을 통과하는 선을 따라).

태양이 하늘을 가로질러 움직일 때, 모든 고정된 집열기의 개구부는 변한다. 이는 포획되는 햇빛의 양을 변화시켜 사인 효과라고 불리는 전력 출력을 생성한다. 태양열 보울 설계의 지지자들은 추적형 포물선 거울에 비해 전체 전력 출력 감소가 낮은 시스템 비용으로 상쇄된다고 주장한다.

구형 반사경의 초점선에 집중된 햇빛은 추적 수신기를 사용하여 수집된다. 이 수신기는 초점선을 중심으로 회전하며 일반적으로 균형추가 설치된다. 수신기는 열 전달을 위한 유체를 운반하는 파이프 또는 빛을 전기로 직접 변환하기 위한 태양 전지로 구성될 수 있다.

태양열 보울 설계는 에드윈 오헤어(Edwin O'Hair)가 이끄는 텍사스 공과대학교 전기공학과 프로젝트의 결과로 5MWe 발전소 개발을 목표로 했다. 크로스비톤(Crosbyton) 마을을 위해 태양열 보울이 시험 시설로 건설되었다. 보울은 직경이 였고, 비용/수율 관계를 최적화하기 위해 15° 각도로 기울어져 있었다(33°는 수율을 최대화했을 것이다). 반구의 테두리는 60°로 "트림"되어 최대 개구부 면적은 가 되었다. 이 시험 보울은 최고 10kW의 전력을 생산했다.

 직경의 오로빌 태양열 보울은 1979년부터 1982년까지 타타 에너지 연구소가 실시한  보울 초기 시험에서 개발되었다. 그 시험은 요리용 증기 생산에 태양열 보울을 사용하는 것을 보여주었다. 태양열 보울과 주방을 건설하는 전면적인 프로젝트는 1996년부터 진행되어 2001년에 완전히 가동되었다.

평균 태양 에너지를 사용할 수 있는 지역에서는 평판형 집열기가 하루 온수 사용량 1리터당 약 1.2~2.4제곱 데시미터 크기로 설계된다.

 응용 분야 
이 기술의 주요 사용처는 온수 수요가 에너지 비용에 큰 영향을 미치는 주거용 건물이다. 이는 일반적으로 대가족이거나 잦은 세탁으로 인해 온수 수요가 과도한 상황을 의미한다. 상업용 응용 분야에는 세탁소, 세차장, 군사 세탁 시설 및 식당이 포함된다. 이 기술은 건물이 오프그리드에 있거나 유틸리티 전력 공급이 자주 중단되는 경우 공간 난방에도 사용할 수 있다. 태양열 온수 시스템은 온수 가열 시스템 운영 비용이 비싸거나 세탁 또는 주방과 같이 많은 양의 온수를 필요로 하는 시설에 가장 비용 효율적일 가능성이 높다. 무유리 액체 집열기는 수영장 물을 가열하는 데 일반적으로 사용되지만 대규모 물 예열에도 적용될 수 있다. 사용량이 사용 가능한 집열기 면적에 비해 클 때, 물 가열의 대부분은 무유리 집열기가 시장에서 적절한 선택으로 잘 자리 잡은 수영장 온도보다 낮은 저온에서 이루어질 수 있다. 이러한 집열기는 고온을 견딜 필요가 없기 때문에 플라스틱이나 고무와 같은 저렴한 재료를 사용할 수 있다. 많은 무유리 집열기는 폴리프로필렌으로 만들어지며 맑은 밤에 기온이  이하로 떨어질 때 동결 손상을 피하기 위해 완전히 배수되어야 한다.Tom Lane, Solar Hot Water Systems, Lessons Learned 1977 to Today p7 더 작지만 증가하는 비율의 무유리 집열기는 유연하여 흡수기 내부에서 물이 완전히 얼어도 견딜 수 있다. 동결 문제는 심한 동결 조건에서 물이 채워진 배관 및 집열기 매니폴드에만 해당된다. 무유리 태양열 온수 시스템은 태양 복사량이 부족할 때마다 저장 탱크로 "배수"되도록 설치해야 한다. 무유리 시스템에는 열충격 문제가 없다. 태양 에너지의 초기부터 수영장 난방에 일반적으로 사용되는 무유리 태양열 집열기는 부동액이나 열교환기 없이 수영장 물을 직접 가열한다. 온수 태양열 시스템은 오염 가능성 때문에 열교환기를 필요로 하며, 무유리 집열기의 경우 태양열 작동 유체(물)와 부하(가압된 차가운 도시 물) 사이의 압력 차이 때문에 필요하다. 리치몬드, BC의 미노루 수영 센터와 같은 대규모 무유리 태양열 온수기는 진공관 또는 상자형 및 유리형 집열기 시스템보다 낮은 온도에서 작동한다. 이들은 더 크고 비싼 열교환기를 필요로 하지만, 환기되는 저장 탱크 및 단열되지 않은 플라스틱 PVC 배관을 포함한 모든 다른 구성 요소는 고온 집열기 유형에 비해 이 대안의 비용을 극적으로 줄인다. 온수를 가열할 때 우리는 실제로 차가운 물을 따뜻하게, 따뜻한 물을 뜨겁게 가열한다. 우리는 고온 집열기로 따뜻한 물을 뜨겁게 가열할 수 있는 것과 마찬가지로 무유리 집열기로 차가운 물을 따뜻하게 효율적으로 가열할 수 있다.

 공기 가열 
단순한 태양열 공기 집열기는 흡수 물질로 구성되어 있으며, 때로는 선택적 표면을 가지고 있어 태양으로부터의 복사열을 포착하고 이 열에너지를 전도 열전달을 통해 공기로 전달한다. 이렇게 가열된 공기는 난방 또는 공정 가열 목적으로 사용되는 건물 공간이나 공정 영역으로 덕트를 통해 전달된다. 기존의 강제 공기 용광로와 유사한 방식으로 작동하는 태양열 공기 시스템은 에너지 수집 표면 위로 공기를 순환시키고 태양의 열에너지를 흡수하며 공기와 접촉하는 공기를 덕트를 통해 전달하여 열을 제공한다. 간단하고 효과적인 집열기는 다양한 공기조화 및 공정 응용 분야에 사용될 수 있다.

많은 응용 분야에서 태양열 공기 가열 기술을 활용하여 화석 연료와 같은 기존 열원의 사용으로 인한 탄소 발자국을 줄이고 열에너지를 생산하는 지속 가능한 수단을 만들 수 있다. 공간 난방, 온실 계절 연장, 환기 보충 공기 예열 또는 공정 열과 같은 응용 분야는 태양열 공기 가열 장치로 해결할 수 있다. '태양열 열병합 발전' 분야에서는 태양열 기술을 태양광 발전(PV)과 결합하여 PV 집열기에서 열을 제거하여 시스템 효율을 높이고 PV 패널을 냉각하여 전기 성능을 향상시키는 동시에 공간 난방용 공기를 가열한다.

 공간 난방 및 환기 
주거용 및 상업용 공간 난방은 태양열 공기 난방 패널을 사용하여 수행할 수 있다. 이 구성은 건물 내부 또는 외부 환경에서 공기를 흡입하여 집열기를 통과시키고, 집열기에서 흡수기와의 전도를 통해 공기가 따뜻해지면 수동적인 수단 또는 팬의 도움을 받아 생활 또는 작업 공간으로 공급되는 방식으로 작동한다. 이 시스템의 선구자 중 한 명은 1945년에 콜로라도 주 볼더에 있는 한 집에 태양열 공기 난방 시스템을 구축한 조지 뢰프(George Löf)였다. 그는 나중에 열 저장용 자갈층을 추가했다.

대부분의 상업, 산업 및 기관 건물에서는 규정 준수를 위해 환기, 신선한 공기 또는 보충 공기가 필요하다. 적절하게 설계된 무유리 관통 공기 집열기 또는 공기 히터를 통해 공기를 흡입함으로써 태양열로 가열된 신선한 공기는 주간 작동 중 난방 부하를 줄일 수 있다. 현재 많은 응용 분야에서 관통형 집열기가 열회수 환기 장치로 들어오는 신선한 공기를 예열하여 HRV의 제상 시간을 줄이는 데 사용되고 있다. 환기 및 온도가 높을수록 회수 기간이 단축된다.

 공정 난방 
태양열 공기 가열은 세탁물, 농작물(예: 차, 옥수수, 커피) 건조 및 기타 건조 응용 분야와 같은 공정 응용 분야에서도 사용된다. 태양열 집열기를 통해 가열된 공기를 건조할 매체 위로 통과시키면 재료의 수분 함량을 줄이는 효율적인 수단을 제공할 수 있다.

고온 공정열은 태양로에 의해 생산될 수 있다.

 태양열 공기 가열 집열기 유형 
집열기는 일반적으로 공기 덕트 방식에 따라 세 가지 유형 중 하나로 분류된다.
 관통형 집열기
 전면 통과형
 후면 통과형
 전면 및 후면 통과 조합형 집열기

집열기는 또한 외부 표면에 따라 분류될 수 있다.
 유리형
 무유리형

 관통형 공기 집열기 

모든 태양열 기술 중 가장 높은 효율을 제공하는 관통형 구성은 흡수기의 한쪽에 덕트를 통해 유입된 공기가 천공된 재료를 통과하면서 재료의 전도성 특성과 움직이는 공기의 대류성 특성으로 인해 가열된다. 관통형 흡수기는 대부분의 표면적을 가지므로 비교적 높은 전도성 열전달 속도를 가능하게 하지만, 상당한 압력 강하는 더 큰 팬 동력을 필요로 할 수 있으며, 수년 간 태양 복사 노출 후 특정 흡수 물질의 열화는 추가적으로 공기 질 및 성능에 문제를 야기할 수 있다.

 후면, 전면 및 복합 통로 공기 집열기 
후면 통과, 전면 통과 및 복합형 구성에서 공기는 흡수기의 후면, 전면 또는 양면에 직접 공급되어 환기 공급 헤더로 돌아오는 동안 가열된다. 흡수기 양면에 공기를 통과시키면 전도성 열 전달을 위한 더 넓은 표면적을 제공하지만, 흡수기 전면에서 공기를 통과시키면 먼지(오염) 문제가 발생하여 흡수기가 받는 햇빛의 양을 제한하여 흡수기 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 추운 기후에서는 유리 옆으로 공기가 통과하면 추가적으로 열 손실이 커져 집열기의 전체 성능이 저하된다.

 유리형 시스템 
유리형 시스템은 일반적으로 투명한 상부 시트와 단열된 측면 및 후면 패널을 갖추어 주변 공기로의 열 손실을 최소화한다. 현대식 패널의 흡수판은 93% 이상의 흡광도를 가질 수 있다. 유리형 태양열 집열기(일반적으로 공간 난방에 사용되는 순환형)는 공기가 흡수판의 전면 또는 후면을 따라 흐르면서 직접 열을 흡수한다. 가열된 공기는 공간 난방 및 건조와 같은 응용 분야에 직접 분배되거나 나중에 사용하기 위해 저장될 수 있다. 유리형 태양열 공기 가열 패널의 회수 기간은 교체되는 연료에 따라 9~15년 미만일 수 있다.

 무유리 시스템 
무유리 시스템, 즉 관통 공기 시스템은 상업, 산업, 농업 및 공정 응용 분야에서 보충 또는 환기 공기를 가열하는 데 사용되어 왔다. 이들은 공기가 흡수기에서 열을 흡수하면서 흡수판을 가로지르거나 통과하는 방식으로 구성된다. 불투명한 유리 재료는 비용이 저렴하며 예상 회수 기간을 단축시킨다. 관통형 집열기는 집열기 표면이 외부에 노출되어 있고 종종 투명하지 않으며 밀봉되지 않기 때문에 "무유리"로 간주된다.

 무유리 관통형 태양열 집열기 

 배경 
"무유리 공기 집열기"라는 용어는 상단에 유리나 유리가 없는 금속 흡수기로 구성된 태양열 공기 가열 시스템을 의미한다. 시장에서 가장 흔한 무유리 집열기 유형은 관통형 태양열 집열기이다. 이 기술은 정부 기관에서 광범위하게 모니터링해왔으며, 캐나다 자연자원부는 관통형 태양열 집열기의 에너지 절약을 모델링하기 위한 타당성 도구인 RETScreen™을 개발했다. 그 이후로 수천 개의 관통형 태양열 집열기 시스템이 전 세계 여러 국가의 다양한 상업, 산업, 기관, 농업 및 공정 응용 분야에 설치되었다. 이 기술은 원래 높은 환기 요구 사항, 성층화된 천장 열, 그리고 종종 건물 내부의 음압이 있는 제조 및 조립 공장과 같은 산업 응용 분야에서 주로 사용되었다. 건물에 재생 가능 에너지 시스템을 설치하려는 움직임이 증가하면서, 관통형 태양열 집열기는 높은 에너지 생산량(최대 750 피크 열 와트/제곱 미터), 높은 태양열 변환율(최대 90%), 그리고 태양광 발전 및 태양열 온수 시스템에 비해 낮은 초기 비용으로 인해 전체 건물 재고에 걸쳐 사용되고 있다.

태양열 공기 가열은 건물 또는 공정 열 응용 분야를 위해 공기를 가열하거나 조절하는 데 사용되는 재생 가능 에너지 가열 기술이다. 이는 특히 대규모 응용 분야에서 모든 태양열 기술 중 가장 비용 효율적이며, 난방 기후에서 건물 에너지 사용량의 가장 큰 부분을 차지하는 공간 난방 및 산업 공정 난방 문제를 해결한다. 이들은 유리형 또는 무유리형이다.

 작동 방식 
무유리 공기 집열기는 재순환된 건물 공기 대신 주변(외부) 공기를 가열한다. 관통형 태양열 집열기는 일반적으로 겨울철 난방 기간에 낮은 태양 각도와 눈에서 반사되는 태양광을 포착하기 위해 벽에 설치되며, 집열기 면적 제곱 피트당 4~8 CFM(72~144 m3/h.m2)의 유량에서 최적의 성능과 투자 수익을 달성한다.

관통형 태양열 집열기의 외부 표면은 수천 개의 미세한 구멍으로 구성되어 경계층의 열을 포착하여 외부 패널 뒤의 공기 공동으로 균일하게 흡입되도록 한다. 이 가열된 환기 공기는 음압 하에 건물의 환기 시스템으로 흡입되어 기존 수단 또는 태양열 덕트 시스템을 통해 분배된다.

공기 배출구가 집열기 상단에 위치한, 특히 서향인 집열기와 연결된 HVAC 시스템으로 유입될 수 있는 뜨거운 공기가 문제가 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 매트릭스 에너지(Matrix Energy)는 낮은 공기 배출구 위치와 천공된 공동 프레임을 갖춘 관통형 집열기를 특허 받았는데, 이는 천공된 흡수기 뒤의 공기 난류를 증가시켜 성능을 향상시킨다.

이 단면도는 SolarWall 관통형 태양열 집열기 구성 요소와 공기 흐름을 보여준다. 낮은 공기 흡입구는 여름 작동 중 HVAC 시스템으로 가열된 공기가 유입되는 것을 완화한다.

캐나다 자연자원부(Natural Resources Canada)와 NREL의 광범위한 모니터링 결과, 관통형 태양열 집열기 시스템은 기존 난방 부하의 10~50%를 줄이며, RETScreen이 시스템 성능을 정확하게 예측한다는 것을 보여주었다.
관통형 태양열 집열기는 레인스크린 역할을 하며, 건물 외피에서 새어 나오는 열 손실을 포착하여 집열기 공기 공동에 모아 환기 시스템으로 다시 흡입한다. 태양열 공기 가열 시스템은 유지보수가 필요 없으며 예상 수명은 30년 이상이다.

 관통형 태양열 집열기의 변형 
무유리 관통형 집열기는 적합한 남향 벽이 없거나 기타 건축적 고려 사항이 있는 응용 분야를 위해 지붕에도 설치할 수 있다.

각 10피트(3.05m) 모듈은 250CFM(425m3/h)의 예열된 신선한 공기를 제공하며, 일반적으로 연간 1100kWh(4GJ)의 에너지 절약을 제공한다. 이 독특한 2단계 모듈형 지붕 설치형 관통형 집열기는 거의 90%의 효율로 작동하며, 각 모듈은 2제곱미터 집열기당 118L/s 이상의 예열된 공기를 제공한다. 최대 7개의 집열기를 한 줄로 직렬 연결할 수 있으며, 하나의 중앙 덕트를 따라 병렬로 연결할 수 있는 줄의 수에는 제한이 없으며, 일반적으로 사용 가능한 지붕 면적 1제곱피트당 4CFM의 예열된 공기를 제공한다.

관통형 집열기는 공기를 두 번 가열하여 공급되는 공기 온도를 높여 공간 난방 응용 분야 및 환기 공기 가열에 적합하도록 구성할 수 있다. 2단계 시스템에서 첫 번째 단계는 일반적인 무유리 관통형 집열기이고, 두 번째 단계는 관통형 집열기를 덮는 유리가 있다. 유리는 첫 번째 단계에서 가열된 모든 공기가 두 번째 단계의 태양열 가열을 위해 두 번째 관통형 집열기 세트를 통해 흐르도록 한다.

 발전 
이 섹션에서 설명하는 포물선형 트로프, 접시 및 타워는 거의 전적으로 태양열 발전소 또는 연구 목적으로 사용된다. 포물선형 트로프는 일부 상업용 태양열 공기조화 시스템에 사용되었다. 간단하지만 이러한 태양열 집광기는 이론적인 최대 집광과는 거리가 멀다.Roland Winston et al., Nonimaging Optics, Academic Press, 2004  예를 들어, 포물선형 트로프의 집광률은 동일한 수광각에 대해, 즉 시스템의 전체 허용 오차에 대해 이론적 최대치의 약 1/3이다. 이론적 최대치에 근접하는 것은 비이미징 광학을 기반으로 한 더 정교한 집광기를 사용하여 달성될 수 있다. 태양열 집열기는 또한 태양광 집열기와 함께 사용하여 열과 전력을 동시에 얻을 수도 있다.


 포물선형 트로프 

이 유형의 집열기는 일반적으로 태양열 발전소에 사용된다. 트로프 모양의 포물선 반사경은 햇빛을 단열 튜브(듀어관) 또는 히트파이프에 집중시키며, 이는 초점에 위치하고 발전소의 보일러로 열을 전달하는 냉각제를 포함한다.

 포물선 접시형 

alt=|thumb|태양열 포물선형 접시
포물선 접시형 집열기는 하나 이상의 포물선 접시가 단일 초점에 태양 에너지를 집중시키는 방식으로, 반사 망원경이 별빛을 집중시키거나 접시 안테나가 전파를 집중시키는 방식과 유사하다. 이 기하학적 구조는 태양로 및 태양열 발전소에 사용될 수 있다.

포물선의 모양은 접시 축에 평행한 입사광선이 접시의 어느 곳에 도달하든 초점 방향으로 반사된다는 것을 의미한다. 태양에서 오는 빛은 지구 표면에 거의 완전히 평행하게 도달하며, 접시는 축이 태양을 향하도록 정렬되어 거의 모든 입사 복사열이 접시의 초점 방향으로 반사된다. 이러한 집열기의 대부분의 손실은 포물선 모양의 불완전함과 불완전한 반사 때문이다.

대기 산란으로 인한 손실은 일반적으로 미미하다. 그러나 흐리거나 안개가 낀 날에는 빛이 대기를 통해 모든 방향으로 확산되어 포물선 접시의 효율을 크게 감소시킨다. 디시 스털링 발전소 설계에서는 발전기와 연결된 스털링 기관이 접시의 초점에 배치된다. 이는 초점에 집중된 에너지를 흡수하여 전기로 변환한다.

 파워 타워 

파워 타워는 헬리오스탯이라고 불리는 추적 거울에 둘러싸인 거대한 타워이다. 이 거울들은 정렬되어 타워 꼭대기의 수신기에 햇빛을 집중시키고, 수집된 열은 아래 발전소로 전달된다. 이 설계는 매우 높은 온도에 도달한다. 고온은 증기 터빈과 같은 기존 방법이나 액체 염과 같은 직접적인 고온 화학 반응을 이용한 발전소에 적합하다. 햇빛을 집중시킴으로써 현재 시스템은 단순한 태양 전지보다 더 나은 효율을 얻을 수 있다. 값비싼 태양 전지를 사용하는 대신 비교적 저렴한 거울을 사용하여 더 넓은 면적을 덮을 수 있다. 집중된 빛은 광섬유 케이블을 통해 건물을 밝히는 등의 용도로 적절한 위치로 재지향될 수 있다. 흐리거나 야간 조건에서 전력 생산을 위한 열 저장은 종종 가열된 유체의 지하 탱크 저장으로 달성될 수 있다. 용융염이 좋은 효과를 발휘하는 데 사용되어 왔다. 액체 금속과 같은 다른 작동 유체도 우수한 열 특성 때문에 제안되었다.

그러나 집중형 시스템은 집열기에서 햇빛 초점을 유지하기 위해 태양 추적이 필요하다. 이들은 확산광 조건에서 상당한 전력을 제공할 수 없다. 태양 전지는 하늘이 흐려도 일부 출력을 제공할 수 있지만, 확산광은 잘 집중될 수 없기 때문에 흐린 조건에서는 집중형 시스템의 전력 출력이 급격히 떨어진다.

 일반적인 작동 원리 

태양열 집열기는 태양 복사열을 열에너지로 변환하는 열교환기 역할을 한다. 이는 여러 면에서 기존 열교환기와 다르다. 지구 표면에 입사하는 태양 에너지 플럭스(복사조도)는 가변적이며 상대적으로 표면 밀도가 낮으며, 집중 시스템 없이는 일반적으로 1100 W/m2를 초과하지 않는다. 또한, 입사 태양 복사열의 파장은 0.3에서 3 μm 사이이며, 이는 대부분의 복사 표면에서 방출되는 복사열의 파장보다 훨씬 짧다.

집열기는 들어오는 태양 복사열을 흡수하여 열에너지로 변환한다. 이 열에너지는 집열기 내부를 순환하는 열 전달 유체로 전달된다. 열 전달 유체는 공기, 물, 기름 또는 글리콜(부동액)을 포함한 혼합물일 수 있으며, 특히 강제 순환 시스템에서 그렇다. 집중 시스템은 용융염과 같은 상변화 물질을 활용할 수 있다. 열 전달 유체의 열에너지는 직접 사용되거나 나중에 사용하기 위해 저장될 수 있다. 열에너지 전달은 시스템에 따라 자연적이거나 강제적인 대류를 통해 발생한다.

 표준 
 태양열 집열기용 ISO 시험 방법.
 EN 12975: 태양열 시스템 및 구성 요소. 태양열 집열기.
 EN 12976: 태양열 시스템 및 구성 요소. 공장 제조 시스템.
 EN 12977: 태양열 시스템 및 구성 요소. 맞춤형 시스템.
 Solar Keymark: 태양열 시스템 및 구성 요소. 공장 방문을 포함하는 EN 1297X 시리즈의 상위 수준 인증.
 국제 건축 법규/태양열 등급 및 인증 협회: 시험은 독립적인 실험실에서 수행되며 일반적으로 최소 6개의 태양열 집열기 샘플 그룹에서 시험할 집열기를 선택하는 것을 포함한다.
 ICC 901/ICC-SRCC™ 100: 태양열 집열기 표준
 ICC 900/ICC-SRCC™ 300: 태양열 시스템 표준
 ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: 태양열 수영장 및 스파 난방 시스템 표준

 같이 보기 

 각주 

 외부 링크 
 Canadian government ratings of solar collectors
 Crosbyton Inventory of Records
 Feasibility of photovoltaic Cells on a Fixed Mirror Distributed Focus Solar Bowl

분류:재생 에너지
분류:태양열 발전