KR100350374B1 - 접시형 태양열 집광 시스템 - Google Patents

접시형 태양열 집광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접시(dish)형 태양열 집광 장치에 관한 것으로, 100∼800℃의 고온을 얻을 수 있는 태양 추적 방식의 집광 장치를 의미하며, 다수개의 집광기 프레임을 포물선형 트러스 프레임 구조로 설치하여 집광기(10)를 설치하고, 상기 집광기(10)의 초점에 각각의 초점이 맞도록 15개의 포물선형 반사경(20)을 집광기의 상부면에 설치하며, 상기 집광기(10) 및 반사경(20)의 초점부위에 양끝단부가 각각 열매체 입구관(63) 및 출구관(64)에 연결되고 원추대 모양의 흡수관(61)내에 코일형태로 열매체관(62)이 감겨 설치된 흡수기(60)를 설치하고, 상기 반사경(20)이 설치된 집광기(10)의 프레임을 지지대(40) 상부에 위치하게 결합하며, 상기 집광기(10) 프레임과 지지대(40) 사이에 태양추적 구동부의 구동모터(30) 및 이에 연결되는 다수개의 감속기를 집광기(10) 프레임에 연결하여 설치하고, 상기 집광기(10) 상부에 태양추적 구동부의 구동모터(30)와 연결되고 5개의 포토다이오드로 구성된 태양추적센서(50)를 설치하여, 태양추적센서와 프로그램의 혼합방식으로 태양을 추적하면서 반사경에서 반사되는 태양열을 집광하여 설계된 집광비로 100∼800℃의 고온을 얻을 수 있는 접시형 태양열 집광시스템을 제공하는 것이다.

Description

접시형 태양열 집광 시스템{Dish Solar Concentrator}
본 발명은 접시형 태양열 집광 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 100∼800℃의 고온을 얻을 수 있는 태양 추적 방식의 집광 장치를 의미하며 포물면 반사경이 설치되는 집광기, 태양추적을 위한 기어와 모터, 이를 제어하기 위한 제어장치 및 지지대로 구성되고 집광기의 초점부분에 흡수기가 설치되어 태양추적센서와 프로그램의 혼합방식으로 태양을 추적하면서 반사경에서 반사되는 태양열을 집광하여 설계된 집광비로 고온을 얻을 수 있는 장치이다.
태양열 집광장치에는 집광형태의 기하학적 구조에 따라 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형, CPC(Compound Parabolic Concentrator), 포물선 접시형(Parabolic Dish) 등이 있다.
PTC형 집광장치는 태양을 1축(동-서 방향 혹은 남-북방향)으로 추적하는 방식으로 중온(100∼300℃)용으로 사용되는 장치이고 CPC형은 태양을 추적하지는 않는 고정 형태이나 CPC 개구부로 입사하는 태양광을 집광할 수 있는 장치이다. PTC형태나 CPC형태는 집광비가 그리 크지 않으므로 중온용 산업공정열이나 냉방에 필요한 열원으로 적절하다. 이에 반해서 Parabolic Dish형 집광장치는 태양의 위치를 정확히 추적하는 2축(방위각, 고도각)방식으로 높은 집광비로 인해 고온을 얻을 수 있는 장치이고 이러한 고온을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. Parabolic Dish형 집광장치의 집광기는 형상이 1차원 포물선을 360°회전하여 생긴 포물면 형태이고이러한 포물면에 입사하는 태양광은 포물면의 초점으로 태양광을 반사시키는 성질을 갖고 있다. 넓은 포물면의 면적에 비해 반사광이 집광되는 초점지역 면적은 작기 때문에 집광비가 매우 크고 열손실이 다른 집광장치에 비해 작다는 장점을 갖고 있다. 또한 접시형 태양열 집광장치는 설치 면적이 다른 집광장치에 비해 매우 작기 때문에 설치 부지 선정에 따른 문제점을 해결할 수가 있다.
접시형 태양열 집광장치의 집광기의 효율은 크게 반사경의 광학효율과 흡수기의 집열효율로 표현되는데 반사경의 재질은 거의가 후면 코팅처리를 한 유리로서 광학효율이 80%이상에 달하고 흡수기는 여러가지 형태로 장착되는데 대부분 cavity형태를 이루고 있다.
집광기를 제작하는 종래의 기술은 정확한 포물반사면을 만들기가 어려워 간이 포물 프레임에 평판 유리반사면(통상 가로 10 세로 10센티미터이하 )을 수백~수천개를 부착하여 간이 포물 반사면을 제작하여 왔고, 최근에는 멤브레인 제작방식이라 하여 양면이 얇은 스텐판으로 된 박막 원통을 만들고 그 내부를 진공의 힘으로 빨아 비교적 정확한 포물면을 만들고 그 위에 박막 유리반사면을 부착하는 방법으로 제작되고 있다.
전자의 경우에는 정확한 포물반사면을 만들기 어렵고 반사면이 평면인 관계로 초점부위의 형상이 크게되어 고집광을 달성 할 수 없고 바람의 영향을 많이 받는 구조이므로 구동장치 및 프레임을 튼튼하게 제작하여야 함에 따라 제작단가가 고가로 된다.
후자(멤브레인 방식)의 경우 비교적 정확한 포물반사면을 만들 수 있어 고집광을 실현 할 수 있으나 박막 유리의 가격이 너무 비싸고 구조 또한 바람의 영향을 많이 받는 관계로 제작단가가 또한 고가로 되어 상용화하기에는 많은 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명 접시형 태양열 집광장치는 집광비 600, 집열면적 11.7㎡의 5kW규모로 산업공정열 분야 및 증기터빈 이용을 위한 흡수기와 태양열 발전을 위한 스터링엔진 (Stirling Engine)을 모두 장착하여 사용할 수 있다.
집광기 프레임은 반사면의 초점을 개별적으로 조정 하도록 하여 쉽고 튼튼하게 제작 가능토록 하고 특수 열처리 및 방식 처리가 된 알미늄으로 제작하여 무게를 대폭 경감하여 구동장치의 구동동력을 줄일 수 있다.
또한 집광기에 반사경을 장착함으로 해서 고집광을 이룰 수 있고 반사경의 크기와 장착되는 반사경의 개수를 조절할 수 있어 집광비의 조절이 가능하다.
반사면은 직경이 1.02미터로 유리를 정확한 포물면경이 되도록 제작하였으며, 후면에는 은 화학도금을 하여 내구성을 높이고 반사율이 90%이상이 되도록 하였다. 반사면 유리의 테두리에는 고정 나사 3개를 부착하여 포물 프레임에 고정하고 초점을 개별적으로 조정할 수 있도록 하였다.
태양추적을 위해 수평, 수직오차 0.01°이내의 태양위치 판별센서 및 각축 0.02°이내의 추적 정밀도를 갖는 태양추적 장치와 운전중 최대 풍속 14m/s까지 보호되는 자동보호시스템과 인공지능화된 시스템 통합제어시스템을 통해서 전 시스템이 제어되도록 하였다.
흡수기는 집광된 광선이 흡수기에 골고루 분포되도록 하고 흡수기 설치높이를 단순히 조정함으로써 초점부의 크기를 조정 할 수 있도록 코일을 감아 원추 형태로 제작하였다.
도 1은 본 발명에 따른 접시형 태양열 집광 장치의 전체 구성도
도 2는 본 발명 접시형 태양열 집광 장치의 측면도
도 3은 본 발명 초점에서의 플럭스 분포 이미지
도 4는 본 발명 플럭스 분포의 등고선도
도 5는 본 발명 플러스 이미지의 X축Y축 단면의 에너지분포도
도 6은 본 발명 플럭스 분포의 표면도
도 7은 본 발명 반경방향에 따른 플럭스분포의 에너지 차단비율도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(10) : 집광기 (20) : 반사경
(30) : 구동모터 (40) : 지지대
(50) : 태양 추적 센서 (60) : 흡수기
(61) : 흡수관 (62) : 열매체관
(63) : 열매체 입구관 (64) : 열매체 출구관
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 접시형 태양열 집광 장치의 전체 구성도
도 2는 본 발명 접시형 태양열 집광 장치의 측면도,
도 3은 본 발명 초점에서의 플럭스 분포 이미지,
도 4는 본 발명 플럭스 분포의 등고선도,
도 5는 본 발명 플러스 이미지의 X축Y축 단면의 에너지분포도,
도 6은 본 발명 플럭스 분포의 표면도,
도 7은 본 발명 반경방향에 따른 플럭스분포의 에너지 차단비율도를 도시한 것이다.
집광기(10), 태양추적 센서(50)와 구동 모터(30), 그리고 집열기로 구성되고 집광기(10)에는 태양광을 반사시키는 반사경(20)이 15개가 장착되어 있고, 집광기(10)를 지지하는 지지대(40)로 결합되며, 반사광은 초점거리에 설치되어 있는 흡수관(61)으로 반사되어 흡수관(61)내의 열매체관(62)을 가열하도록 구성된 것이다.
집광기(10)는 반사경(20)을 장착하기 위한 기본 틀로서, 다수개의 집광기 프레임을 포물선형 트러스 구조로 형성한 포물면 형상이고, 이러한 집광기(10)에 반사경을 설치하여 반사면의 초점을 개별적으로 조정하도록 하여 집광비(10) 조절이 가능하고 반사경은 집광기(10) 크기에 비해 작기 때문에 제작하는데 용이하다.
상기 다수개의 집광기 프레임에 의해 형성된 포물선형 집광기(10) 상부면에는 원형, 사각형, 사다리꼴 또는 등각형의 포물반사면 반사경(20)을 3개의 고정나사로 장착하여 포물선형 집광기(10) 초점에 각각의 포물반사경의 초점을 맞춰 집광할 수 있도록 되어 있다.
상기 집광기(10)는 지름이 5m이고 초점거리는 3m인 특수 열처리 및 부식방지 처리를 한 알루미늄 재질을 사용하여 쉽고 튼튼하게 제작 가능토록 하고 방식 처리가 된 알미늄으로 제작하여 무게를 대폭 경감하여 구동장치의 구동동력을 줄일 수 있다. 포물선형 트러스 프레임을 여러개 제작하여 구동 축에 볼트로 부착하고 파이프를 원형으로 벤딩하여 포물선형 프레임을 제작하는 방식이다.
반사경(20)은 집광기(10)에 장착함으로 해서 고집광을 이룰 수 있으며, 반사경(20)의 크기와 장착되는 반사경(20)의 개수를 조절할 수 있어 집광비의 조절이 가능하다.
포물선형 집광기(10) 프레임에 집광비를 조절할 수 있도록 반사경(20)의 반사각도 및 높이를 고정나사로 조절할 수 있다.
흡수기는(60)는 도 2에 도시한 바와 같이 집광기(10) 및 반사경(20) 초점에설치된다.
상기 흡수기(60)는 흡수기의 단열 및 케이싱으로 구성되며, 원추대 모양의 흡수관(61) 및 상기 흡수관(61)내에 코일형태로 감기어 설치되고 집열매체가 흐르는 열매체관(62), 열매체 입구관(63) 및 출구관(64)으로 이루어졌다.
상기 반사경(20)의 초점을 흡수기(60)의 개구부 면상에 위치시켜 흡수기(60)의 흡수관(61) 전체에 태양광이 복사되도록 반사경 초점거리에 원관을 코일로 감아놓은 원추대형 모양으로 구성하였다.
이러한 형태의 흡수기(60)를 사용함으로 해서 반사광의 집열효율은 90%이상을 달성할 수 있다. 또한 열매체 출구관에는 응용분야에 따라 엔진을 장착하여 전력발생, 증기발생 장치등을 구성할 수 있도록 하였다.
직경 1m이고 초점길이가 3m인 반사경의 초점지역 플럭스 분포를 측정하기 위해서 반사경(20) 꼭지점으로 부터 1.2m지점에 CCD 카메라를 설치하여 초점지역에 생기는 플럭스 이미지를 촬영하였고 플럭스의 강도를 결정하기 위해서 플럭스가 생기는 중앙에 방사계를 설치하였다.
도3는 CCD 카메라에 의해서 촬영된 이미지이다. 이미지를 살펴보면 Y축 방향으로 길게 퍼져있음을 알 수 있고 이러한 이유는 반사경(20)의 곡률과 초점거리에 문제가 있음을 보여주는 결과이다. 그리고 최대 파워(power)를 보이는 지점도 정확히 이미지의 중앙이 아니라 약간 밑으로 쳐져 있음을 알 수 있다.
도4와 도5는 도3의 이미지의 등고선도와 표면도를 나타낸 그림이다. 이러한 결과를 보면 도3의 플럭스 이미지가 X방향과 Y방향으로 어느정도 벗어나 있는지 정확히 알 수 있다.
도5는 플럭스 이미지의 각 방향 단면에서의 플럭스 분포를 나타낸 그림이다. 측정된 직달일사량은 803.93W/㎡이고 집광된 플럭스 이미지의 최대 파워(power)는 162.65kW/㎡를 나타내었다. 만약 Y방향으로 산란광이 줄어든다면 최대 파워(power)는 이 보다 더 높을 것이다.
최대파워(power)를 나타낸 지점에서 집광비를 계산해 보면 202suns로 나타났다.
도6은 초점지역 플럭스 분포의 중심으로 부터 형성되는 총에너지의 비율을 나타낸 그림이다. 이러한 결과를 바탕으로 하여 초점에 설치되는 집열부의 크기를 결정할 수가 있다. 결과 도7을 보면 0.2m의 집열부 개구부(aperture)의 반경을 결정할 수가 있고 이러한 반경에 대해서 총 에너지의 82%를 집열부에 의해서 차단될 수 있다.
태양 추적 구동부는 방위각 구동기구와 고도각 구동기구로 구성된다.
방위각 구동기구의 최대 회전 각도는 340°(10°∼ 350°)이고, 고도각 구동기구의 최대 회전 각도는 135°(-45°∼ 90°)이며, 방위각 및 고도각 추적 구동부의 구동 한계에는 리밋센서(limit sensor)가 각각 설치되어 있다. 또한 감속기는 태양의 방위각 및 고도각 추적에서 각각 0.02°의 태양추적 정밀도와 년중 태양 방위각 및 고도각 변화를 추적할 수 있도록 구성되어 있으며, 감속기는 3단으로 구성되어 있고, 1차 감속기는 하모닉 드라이브(harmonic drive)를 감속비 100:1이상으로, 2차 감속기는 웜기어(warm gear)를 감속비 20:1이상으로, 3차 감속기는 헤리컬기어(herical gear)를 감속비 10:1이상으로 제작하여 전체 감속비가 최소 20000:1에서 30000:1이 되도록 구성되어 있다.
태양추적센서는 5개의 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 태양의 유무, 태양의 방위각 및 고도각 변화에 따른 태양의 위치를 판별하기 위한 센서로 태양의 추적 가능각도는 ±50°이다. 태양추적을 위한 태양추적 구동부의 동작은, 태양추적센서에 의하여 판별된 태양위치와 컴퓨터 프로그램에 의하여 계산된 태양위치를 동시에 사용하는 혼합방식으로 수행되도록 되어 있다.
반사경(20)의 반사면은 직경이 1.02미터로 유리를 정확한 포물면경이 되도록 제작하였으며, 후면에는 은 화학도금을 하여 내구성을 높이고 반사율이 90%이상이 되도록 하였다. 반사면 유리의 테두리에는 고정 나사 3개를 부착하여 포물선형 프레임에 고정하고 초점을 개별적으로 조정하여 반사각도 및 집광비를 조절할 수 있도록 하였다.
(변형예, 응용예 및 법적 해석)
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
그러므로 본 발명은 상기한 바와 같은 구성에 따라, 접시형 태양집광장치는 집광기에 반사경 설치에 따라 집광도의 변화와 고집광을 이룰 수 있고 태양광을 수용할 수 있는 면적에 비해 작은 태양열 흡수 면적으로 인해 열손실을 줄이고 고온의 열에너지를 다양한 분야에 사용할 수 있는 잇점이 있으며, 포물선형 집광기와 반사경을 저가로 제작, 설치가 용이하며 또한 태양추적 방식은 센서와 프로그램을 혼합한 방식으로 정확한 태양추적이 가능한 발명이다.

Claims (7)

  1. 다수개의 집광기 프레임을 포물선형 트러스 프레임 구조로 설치하여 집광기(10)를 설치하고,
    상기 집광기(10)의 초점에 각각의 초점이 맞도록 15개의 포물선형 반사경(20)을 집광기의 상부면에 설치하며,
    상기 집광기(10) 및 반사경(20)의 초점부위에 양끝단부가 각각 열매체 입구관(63) 및 출구관(64)에 연결되고 원추대 모양의 흡수관(61)내에 코일형태로 열매체관(62)이 감겨 설치된 흡수기(60)를 설치하고,
    상기 반사경(20)이 설치된 집광기(10)의 프레임을 지지대(40) 상부에 위치하게 결합하며,
    상기 집광기 프레임과 지지대(40) 사이에 태양추적 구동부의 구동모터(30) 및 이에 연결되는 다수개의 감속기를 집광기(10) 프레임에 연결하여 설치하고,
    상기 집광기(10) 상부에 태양추적 구동부의 구동모터(30)와 연결되고 5개의 포토다이오드로 구성된 태양추적센서(50)가 설치되어, 100∼800℃의 고온을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 접시형 태양열 집광시스템.
  2. 제 1 항에 있어서;
    상기 집광기 프레임에 설치되는 포물선형 반사경은 원형, 사각형, 사다리꼴, 등각형으로 이루어진 군 중에서 선택하여 형성하는 것을 특징으로 하는 접시형 태양열 집광시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 반사경은 포물선형 집광기 프레임에 3개의 고정나사로 결합되는 것을 특징으로 하는 접시형 태양열 집광시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 반사경은 직경이 1.02ｍ이고, 후면이 은 화학도금처리되며, 반사율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 접시형 태양열 집광시스템.
  7. 제 1 항에 있어서;
    상기 태양추적 구동부의 감속기는 하모닉 드라이브를 감속비 100:1 이상으로 한 1차 감속기와, 웜기어를 감속비 20:1 이상으로 한 2차 감속기와, 헤리컬기어를 감속비 10:1 이상으로 한 3차 감속기에 의해 감속비가 20,000:1～30,000:1이 되고,
    태양추적 구동부의 구동모터 및 상기 감속기에 의해, 집광기의 방위각 최대 회전각도 340°(10～350°), 고도각 최대회전각도 135°(-45～90°) 범위내에서 태양의 방위각 및 고도각 추적을 각각 0.02°의 정밀도로 이동되며,
    상기 태양 방위각 및 고도각 구동의 한계에 리밋센서가 설치된 것을 특징으로 하는 접시형 태양열 집광시스템.
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