진공관 솔라 시스템 후지 히트 P·SOLAR

히트 파이프 방식 태양 집열기의 개발

우스키 히로타카(Usuki Hirotaka) 후지에너지(주) 업무그룹 매니저

태양 집열기는 태양의 일사를 받아 집열한 열에너지로 열매체를 가열하는 장치이다. 크게 나누면 열매체로 액체(물 또는 부동액)를 사용하는 ‘액체식 시스템’과 공기를 사용하는 ‘공기식 시스템’이 있다. 또한 태양 집열기의 형식은 ‘평판형’과 ‘진공관형’으로 분류된다.

집열 방식으로 눈을 돌리면 집열체(집열하는 부분)로 태양에너지를 받아 집열하고 집열체 내부에 열매체를 유입시켜 가열하는 것이 일반적이지만, 후지에너지의 태양 집열기 ‘후지 히트 P·SOLAR’는 집열체 내부에 유체를 주입하지 않고 열매체를 가열하는 방법을 채용하고 있다. 히트 파이프를 활용한 것이지만, 이렇게 함으로써 종래의 집열기가 과제로 하던 사항이 해결됨과 동시에 고효율화를 달성했다.

이번 기사를 통해 후지 히트 P· SOLAR의 개발 개념, 제품의 개요, 집열 구조, 도입 사례를 소개하고자 한다.

후지 히트 P·SOLAR의 개발 개념

후지에너지는 1986년 후지솔라시스템으로 창업해 주로 가정용 태양열 시스템을 판매·설치해 왔다. 1988년부터 일본의 진공 유리관형 태양 집열기 제조업체의 특약점으로서 판매·설치·유지보수를 일관하게 실시해 왔다. 그러나 2007년 진공 유리관형 태양 집열기 제조업체가 제조 중지를 결정함에 따라 독자적으로 상품 개발을 결정했다.

개발 콘셉트로는 ‘집열 성능의 확보(고온 집열)’, ‘집열기 및 시스템 트러블의 해소’를 들었다. 이 두 가지를 만족할 수 있는 기술 요소로 단열·보온 성능이 높은 진공 2중 유리관을 채용, 집열체 내부에 주입하지 않는 것이 필요하며, 결과적으로 히트 파이프 방식을 채용하게 되었다.

제품의 개요 및 사양

집열체인 진공 2중 유리관은 외형 58mm로 길이가 2,100mm이며, 집열기 1대당 16개가 장착되어 있다. 표준품의 사양은 표 1과 같다.

후지 히트 P·SOLAR는 단열재로 보온된 헤더관, 진공 2중 유리관, 진공 2중 유리관 내에 장착되어 선단이 헤더관과 접촉하고 있는 히트 파이프, 그리고 이들 주요 부재를 유지하는 커버 프레임 등으로 구성되어 있다. 히트 파이프의 응축부는 헤더관 내에 장착되어 있지만, 응축부의 사이즈에 맞춘 삽입 스페이스가 형성되어 있으며, 급수된 물이 직접 히트 파이프에 접촉하지 않는다.

진공 2중 유리관 및 선택 흡수막 사이에서 집열된 열에 의해 유리관 내부의 온도가 상승해 히트 파이프도 가열된다. 이로써 히트 파이프 내의 액매체가 증발해 응축부에 순간적으로 열을 전달한다. 집열기는 16개의 유리관이 세팅되어 있으며, 히트 파이프에서의 가열에 의해 헤더부도 가온됨으로써 급수된 물을 가열·승온한다. 쾌청한 날엔 급수하지 않은 상태(빈 상태에서 데우는 상태)에서 히트 파이프 선단부가 200~250℃까지 상승해 이 열로 물을 가열한다.

진공 2중 유리관

집열 성능을 확보하려면 집열량을 늘려 방열량을 줄이는 것이 필요하다. 이런 점에서 후지 히트 P·SOLAR는 진공 2중 유리관을 채용하고 있다.

원통형의 유리관을 2중으로 설계해 유리(외관)와 유리(내관)의 사이를 진공으로 한 것이 진공 2중 유리관이다. 진공층에 의해 대류에 의한 열손실을 없애 단열 효과를 높이고 있다. 또한 내관의 표면에는 선택 흡수막이 진공 증착되어 있으며, 에너지 강도가 높은 가시광선에서, 근적외선을 흡수하기 쉽고 적외선 영역에서는 방사율을 억제하는 재료의 조합으로 구성되어 있다.

히트 파이프

히트 파이프란 파이프(금속관)와 파이프 내에 주입되어 있는 작동액으로 구성되며, 먼 거리의 장소에 고속으로 열을 전달하는 열전달 소자이다. 1942년에 미국에서 개발해 인공위성용과 폐열 회수 장치 및 열 교환용으로 이용해왔다. 그 후 전자기기, 컴퓨터의 진보에 따라 CPU 냉각용으로 소구경 히트 파이프가 개발·사용되기 시작했다.

히트 파이프 열전달의 기본 원리는 양끝이 가열부와 냉각부로 나뉘어 가열부에서 작동액의 증발이 일어나 그 증기가 냉각부로 이동해 응축함으로써 증발 잠열을 주고받게 되어 열을 전달한다. 또한 응축한 작동액은 가열부로 환류되어 이 사이클을 반복함으로써 가열부에서 냉각부로 열이 전달된다.

작동액의 선택에 따라 고온에서 저온용까지 적용 범위를 넓힐 수 있고 구경과 형상을 고안함으로써 다양한 히트 파이프가 제작되고 있으며, 주로 컴퓨터와 전자 기기의 냉각(방열)용으로 사용되고 있다.

진공 유리관형 태양 집열기에의 히트 파이프는 1988년 무렵부터 개발이 진행되어 1995년 무렵에는 상품화되었다. 하지만 제조 기간은 단기간으로 끝났다. 그 후 후지에너지의 후지 히트 P·SOLAR가 상품화되기까지 일본 내에서는 히트 파이프 방식에 의한 진공관형 태양열 집열기의 상품 개발 및 생산은 이루어지지 않았다. 그 동안 해외에서는 유럽과 중국에서 기술 개발이 진행되어 다양한 집열기가 제조되고 있는 것으로 보인다.

높은 집열 효율

태양 집열기의 성능은 집열 효율로 평가되는 것이 일반적이다. 집열 효율(η)은 집열량(Q)과 일사량(I)을 사용하면 다음 식으로 나타난다.

η = Q / I

집열 효율이란 태양에너지(일사량)를 취득(집열)한 비율이지만, 평판형 집열기와 진공관형 집열기에서는 일사를 받는 방법이 근본적으로 다르다. 평판형 집열기가 평면에서 일사를 받는 것임에 비해 진공관형 집열기는 곡면에서 일사를 받는다. 평판형 집열기는 집열체의 평면으로밖에 일사를 받을 수 없지만, 진공관형 집열기의 경우 유리관의 곡면으로 일사를 받기 때문에 직달 일사뿐만 아니라 산란 일사도 골라 집열한다.

그렇기 때문에 집열 면적을 어떻게 정의할지는 매우 어려운 부분이며 평판형 집열기와 진공관형 집열기의 집열 면적을 같은 개념으로 생각하는 것은 적절하지 않다고 개인적으로는 생각하고 있다. JIS 기준의 집열 면적으로 평가한 경우, 히트 파이프식 진공관형 집열기로는 저일사일 때 집열 효율이 100%를 넘기 때문이다.

집열체 내부에 급수하는 방식에서 정상 상태에서 집열체에 급수하면 집열량은 일사량의 증감에 의존해 집열 효율은 일사량에 의존하지 않는다. 즉, 급수량이 일정하다고 할 때 일사량이 늘어나면 집열량도 증가하고 일사량이 감소하면 집열량도 감소한다. 또한 이때의 집열 효율은 기본적으로 달라지지 않는다. 그러나 히트 파이프 방식의 경우에는 급수량을 일정하게 해도 일사량이 달라지면 집열량 뿐만 아니라 집열 효율도 달라진다.

히트 파이프 방식은 히트 파이프의 응축부 보유 열량에 따라 집열량이 연동되어 변화하는데 일사량의 변화와 히트 파이프의 응축부 보유 열량은 연동되지 않기 때문이다.

이와 같이 현재의 사양에서 일사량이 낮을 때, 즉 흐리거나 비가 오는 날, 맑은 날 하루로 말하자면 ‘아침’ 및 ‘저녁’에는 집열 효율이 높아 그 수치가 100%를 초과하는 날 및 시간이 발생한다. 맑은 날 시간당 집열 효율을 그래프로 나타내면 아침과 저녁에서 집열 효율이 100~300%를 나타낸다. 단, 집열량 자체는 고일사인 쪽이 많아진다.

통상의 자연 조건에서는 맑은 날이 아니라 흐리거나 비가 오는 날도 있으며 또한 하루 중이라도 변화한다. 그렇기 때문에 맑은 날 이외에 집열 효율이 높은 것은 일간 및 연간의 집열량 증가로 이어지는 것이다.

설치 각도에 의한 영향

평판형 집열기 및 진공관형 집열기 모두 그 집열량은 일사량의 변화에 영향을 받는다. 일사량은 지역·경사 각도에 따라 다르지만, 태양 집열기를 설치할 때는 일사량이 가장 좋은 조건을 선택할 필요가 있다. 이 설치 각도에서도 히트 파이프 방식과 그것 이외에서는 크게 다르다.

일사량이 가장 높은 경사 각도를 최적 경사 각도라 하는데 계절에 따라 다르며 일반적으로는 연간 최적 경사 각도를 선정하는 경우가 많다.

평판형 집열기 및 집열체 내부에 주수하는 타입의 진공관형 집열기의 경우에는 일사량의 변화와 집열량이 연동되기 때문에 연간 집열량을 최대로 하고 싶을 경우에는 연간 최적 경사 각도를 선정하는 편이 바람직하다. 그런데 히트 파이프 방식 진공 유리관형 집열기의 경우에는 경사각 10~60도에서는 설치 각도에 의한 집열량의 차이가 거의 없다. 그렇기 때문에 10~60도에서 설치 각도를 자유롭게 선택할 수 있다.

도입 사례

후지 히트 P·SOLAR는 판매 개시 후 3년이 경과해 많은 시설에 도입되어 왔지만, 그 대부분이 급탕용의 열 공급이다.

이 가운데 최근의 도입 사례 중에서 이 집열기가 지향하는 방향성으로 하나의 모델이 되어야 할 사례가 있어 그 개요를 소개한다.

시설 개요는 아래와 같다.

·명칭 : NEXUS HAYAMA

·소재지 : 가나가와현 미우라군 하야마쵸

·사업주 : 다이이치산쿄(주)

·시설용도 : 연수 시설

·설계·감리 : (주)니혼설계

·준공 : 2011년 2월

태양열 이용 시스템의 개요는 아래와 같다.

태양 집열기

·FSP-210 와이드스팬형 × 40대

·집열관 개수 : 43개/대

·외경 : (L)2283 × (W)3300 × (H)160

·JIS 기준 집열 면적 : 7.2m2/대

집열된 열은 흡착식 냉동기 및 급탕·난방용 열 교환기에의 열원의 일부로 이용되고 있다.

해당 시설은 ‘태양열 이용에 의한 공조’라는 기술적인 테마에의 대처뿐만 아니라 옥상에 설치된 진공 2중 유리관이 옥내의 천장에서 들여다보이는 지금까지는 없었던 디자인이 채용되어 있다. 이것은 일종의 채광을 고려한 설계이지만, 진공 2중 유리관이며 또한 히트 파이프 방식으로 유리관 내에 통수하지 않는 집열기이기 때문에 실현된 시설이다.

앞으로의 전망

후지 히트 P·SOLAR(FSP-2100)는 2009년도의 신에너지 대상·신에너지 재단회장상을 수상한 바 있다. 그 심사 과정에서 이 태양 집열기가 가지는 가능성에 대해 높은 평가를 얻었다. 이미 집열 효율이나 메인터넌스성 등에서 높은 레벨에 있지만 기술 개량이나 시스템 개발의 여지가 있고 그 결과, 더 나은 고효율화를 도모할 수 있을 것으로 확신하고 있다.