KR100353616B1 - 태양열 열전발전 장치의 고집적 집속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 열전발전 장치의 고집적 집속기에 관한 것이다. 기존의 증기터빈을 이용하는 발전방식과 달리 중·저온의 열원으로 열전반도체 모듈표면에 가열하게 되면 기전력이 발생하여 열에너지가 전기로 변환하게 되는 것으로 태양열 집열기에 직접 부착하여 발전하는 장치이다. 특히 본 발명의 태양열 열전발전 장치의 고집속 집속기는 복합포물형 반사면과 심장형 반사면을 연속적으로 접합시킴으로서 장치의 집광효율을 높였고 또한 열전반도체 모듈을 직접 태양열 집열기의 집광면에 부착하여 시스템을 단순화시킨 것이 특징이다.

Description

태양열 열전발전 장치의 고집적 집속기{Solar Energy Concentrating Collector Design for Thermo Electric Generation System}

본 발명은 고집적 태양열을 이용한 열전발전 장치의 고집적 집속기에 관한 것으로 보다 상세하게는 기본 복합포물형 집속기(Compound Parabolic Concentrating Collector: 이하 CPC라 한다)의 원리를 이용하여 심장형 반사면을 포물형의 반사면과 연속적으로 접합시키고 흡열관의 보호 유리관을 반사면으로 이용한 새로운 태양열을 이용한 열전발전 장치의 집속기에 관한 것이다. 본 발명의 집속기 특징은 반사광의 손실을 최소화시킴으로써 유사한 CPC 장치에 비하여 집광율이 높아지므로 집열기의 효율이 향상된다.

심장형 집속기의 특성은 원통형 흡열관의 주위에 유리관을 사용할 때 도 4와 5에 나타난 바와 같이 축과 평행하게 들어오는 광선이 유리관 표면에서 한번 반사된 후 심장형 반사면에서 다시 반사되어 한 초점에 모이게 된다. 복합포물면의 특징은 기울어 진 포물면의 축과 평행하게 입사하는 모든 광선은 반사면에서 한번 반사된 후 다른 한 초점에 모이게 된다. 이러한 두 곡면의 특성을 이용하여 두 개의 곡면을 집속기의 요구조건에 따라 결합하여 한 개의 집속기로 특성화 시켰다. 이 2개의 곡면의 접합점은 요구되는 집속기의 특성에 따라 결정되며, 특히 심장형 곡면도 CPC와 같이 곡면의 축을 기울여 복합형 심장곡면으로 사용할 수 있다(도 6).

본 발명과 관련된 종래기술로는 미국특허 4,002,499, 4,003,638등이 있으나 본 발명과는 기술적 구성이 다른 것들이다.

본 발명은 태양열을 이용하는 발전시 태양열을 집속하는 집속기로, 원주형 흡열관을 고용하는 일종의 CPC와 같은 일반적인 2차원 태양에너지 집속기는 대류에 의한 열손실을 최소화하기 위하여 원통흡열관 주위에 투명한 유리관을 사용하여 효율을 높이고 있다[도 1]. 이 경우 발생하는 문제는 입사광의 일부는 본 유리관에서 투과하기도 하나 일부는 반사되어 흡열관에 도달하지 않고 밖으로 되돌아 나간다. 특히 집속기 축 근방에서 평행하게 들어올 경우 유리관 표면에서 반사된 광선의 많은 양이 반사되어 밖으로 나가게 됨으로써 입사광선 에너지의 광학적 손실을 초래하게 된다. 본 장치는 이와같은 문제를 집속기 반사면의 광학적인 디자인에 의하여 최소화시킴으로써 해결하고자 한다.

본 집속기의 적용예는 일반적인 평면형 열전모듈은 양면의 온도차로 전류를 생성하여 발전할 수 있는 장치로서 상한 온도가 100℃∼ 350℃ 범위에서 좋은 효율을 발생시킬 수 있다. 이러한 모쥴의 온도차이는 한면(앞면)에 열을 공급하고 다른면(뒷면)에는 열교환기를 부착하여 본면(뒷면)의 열을 방열 또는 흡수시킴으로서 모듈의 양면간의 온도차이를 향상시켜 모듈의 효율이 향상되므로, 태양열을 이용하여 이러한 모듈의 한면(앞면)에 열원으로 공급할 수 있는 태양에너지 집속기를 응용개발 하는 것이다.

도 1은 원통형 흡열관과 보호유리관을 사용한 2차원 집속기 모형도

도 2는 평면 흡열판을 사용한 기본 CPC의 단면구성을 보인 원리도

도 3은 신개선 집속기의 기하학적 원리도

도 4는 심장형 집속기의 기하학적 원리도

도 5는 심장형-CPC 복합형 집속기도

도 6은 심장형-CPC 복합형 집속기를 응용한 열전발전 모형의 단면구성도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1: 반사경 2: 보호유리관 3: 원주형 흡열관

4: 평면흡열판 5: 열전 모듈 6:반구형 반사경

B, B': 입사개구면의 끝단점 C: 흡열관의 중심점

E, E': 두곡면의 접합점 F: 심장형곡면의 초점

θ_c: 입사한계 반각 x, z: 직각 좌표계

r: 곡면의 극좌표 길이 θ: 곡면의 극좌표 각

본 발명은 2차원 및 3차원 집속기에 공히 사용할 수 있는 복합포물형 집속기(CPC), 2차원 집속기에만 사용할 수 있는 신개선(伸開線) 집속기 및 2차원 집속기에 유용하며 3차원 집속기에도 응용할수 있는 심장형(Cardioid) 집속기로 구성되어 있으며 다음에서 상세히 설명하기로 한다.

(1) 복합포물형 집속기(Compound parabolic concentrator)

CPC의 기본 구조는 [도 2]와 같이 포물면의 축을 초점을 회전점으로 하여 각도 θ_c(θ_c는 태양광이 흡열관(3)에 도달하는 입사한계각)만큼 시계회전의 반대방향으로 기울인 반사면 A'F'과 본 반사면에 대칭이 되는 반사면 AF로 구성되어 있다. 본 CPC의 곡면은 다음 관계식으로 표현된다.

r=2f/[1-cosφ]

z={-cosθ_c(xsinθ_c-2f)-2sqrt[f(f-xsinθ_c)]}/sinθ_c.상기 식에서 r은 반사경의 극좌표 길이, f는 반사경의 촛점거리, φ는 곡면의 극좌표 각이다.

이 원리의 특성은 입사각이 한계각 이내(φ≤θ_c)로 들어오는 모든 입사광선은 각 반사면 A'F' 또는 AF에서 반사된 후 흡열판 FF'에 모두 도달한다.

(2) 신개선 집속기

신개선 곡면은 실패에 감은 실을 풀어갈때의 실의 끝점의 궤적과 같고 수학적 관계식은 다음과 같이 표현된다 [도 3].

r=aφ, φ≤θ_c, a= 상수

r=a[ε-cos(φ-θ_c)]/[1+sin(φ-θ_c)], θ_c+π/2≤φ≤3π/2-θ_c)

여기에서 ε는 집속비와 접합점의 위치에 따라 결정될 변수이며 특수한 경우

π/2+(φ+θ_c)의 관계식으로 표현될 수 있다.

본 신개선 집속기의 특징은 기본 CPC와 같이 입사각이 φ≤θ_c이내로 들어오는 모든 광선은 원통형인 흡열관의 표면에 모두 도달하게 된다. 본 고안은 2차원 집속기에만 유용하다.

(3) 심장형(Cardioid) 집속기

심장형 곡면은 기하학적으로 고정된 원의 주위를 동일한 반경의 다른 원이 돌아갈 때 원둘레의 한점의 궤적으로서 다음식으로 표현된다 [도 4].

r=a(1+cosφ)

본 심장형 반사면의 광학적 특성은 z-축에 평행하게 개구면에 입사하는 모든 광선(A)은 반사원인 보호유리관 (C)의 표면일점(D)에서 반사된 후 심장형 반사면의 일점 (E)에서 다시 반사되여 점 F에 모두 모이게 된다. 동시에 입사각이 φ≤θ_c이내로 들어오는 모든 광선은 흡열표면에 모두 도달하게 된다. 본 집속기는 2차원 집속기에 유용하며 3차원 집속기에도 응용할 수 있다.

＜ 실시예 1 ＞ Cardioid-CPC

본 집속기 시스템 [도 5]는 반사경(1), 원통형 흡열관(3) 및 보호 유리관(2)으로 구성된다. 흡열관(3)은 반사면의 초점 O위에 위치하여 있고, 보호 유리관(2)은 흡열관(3)의 중점 C를 중심으로 하는 동심원으로써 흡열관(3) 주위에 위치하고 있다. 본 유리관(2)은 반사경(1)과 점 J와 이에 대칭점인 J'에서 만나게 되므로 반사면의 곡면 OJ와 OJ'는 절단한다. 반사곡면 JEB(J'E'B')는 두 개의 다른 곡면으로 구성되어 있으며 곡면 JE(J'E')는 심장형 곡면, 곡면 EB(E'B')는 신개선 또는 복합포물면으로 구성되어 있다. 이 때의 경계조건은 두 곡면의 접합점 E(E')에서 두 곡면의 기울기를 일치시키고 이 접합점의 위치는 한계입사각 θ_c와 유리관의 크기에 따라 정하게 된다. 즉 이 접합점 E(E')는 입사한계각으로 입사하는 광선이 유리관의 표면 M점에서 접선으로 지나갈 때 반사곡면과 만나는 점으로서 본 접합점의 위치가 너무 낮으면 광선추적 결과에 따라 상위시킬 수 있다. 본 복합곡면의 관계식은 다음과 같다.

r=a(1+cosφ), φ≤θ_c

r=a[π/2+φ+θ_c-cos(φ-θ_c)]/[1+sin(φ-θ_c)], θ_c+π/2≤φ≤3π/2-θ_c)

또는

r=2f/[1-cosφ], φ≥θ_c

본 반사경의 특징은 일반 CPC형 집속기와 같이 한계입사각 이내로 들어오는 모든 입사광선은 흡열관에 도달하게 된다. 특히 집속기의 축과 평행하게 입사할 경우 보호 유리관에 의한 반사광의 손실을 줄일 수 있다.

＜ 실시예 2 ＞ 열전반도체

열전반도체는 제백(Seebeck)원리에서 출발한 것으로 열전반도체를 사용하여 발전하는 장치로 열전모듈의 고온부와 저온부간에 온도차를 만들어 주면 기전력이 발생하여 전기를 발생하는 것으로 현재 사용되고있는 모듈의 온도의 범위는 150℃∼300℃ 정도이며 구동 열원으로 태양열이나 해수온도차 또는 폐열을 이용할 수 있으며 본 발전장치는 타 발전기와 달리 시스템내의 순환매체를 사용하지 않기 때문에 전혀 무공해한 시스템이다. 열전모듈의 고온열원 공급을 위한 집속기의 응용은 [도 6]과 같이 기존의 집열기에 있는 흡열관을 열전모듈(5)로 대치하고 본 모듈의 윗면에 반구형 반사면(6)을 부착하면 상기원리에 의하여 효율적인 열원을 공급 받을 수 있다. 단, 본 발명의 적용에서는 두 개의 열전모듈(5)의 방열판이 한 개의 방열판(7)을 공유하도록 특수하게 고안하였다. 상기 실시예를 부연하여 설명하면 도 6 에 도시된 바와 같이 반구형 반사면(6)의 중앙을 가르며 형성되는 흡열수단으로 열전모듈을 사용하되, 상기 열전모듈은 반사면을 향하여 세워지는 구조로 두개의 열전모듈(5)이 형성되고, 상기 두열전모듈(5)을 'H'자 형태로 연결하여 다수개의 방열판(7)이 형성되며, 두 열전모듈(5)의 상단을 연결하여 반구형의 반사경(6)이 형성되어 있다.

본 발명은 태양열 집속을 위한 태양 추적장치가 필요없고 중, 저온에서 발전이 가능한 열전반도체 표면에서 태양광을 직접 가열하여 발전할 수 있다. 특히 열유체를 사용하지 않기 때문에 대기오염이 전혀없고 구동장치가 없기 때문에 소음이 없어 환경친화적이다. 또한 본 발명의 집속기는 광손실을 최소화할 수 있어 집속기의 효율이 향상될 뿐만 아니라 경량화 및 박형화 할 수 있다.

Claims (5)

1. 곡면으로 된 내면이 반사면을 이루는 반사경, 곡면 반사경의 초점 위치에 설치되는 1차 반사수단과 흡열수단으로 이루어 태양열 집속기에 있어서, 반사경(1)이 r=a(1+cosφ)으로 표현되는 심장형 곡면으로된 심장형 반사면과 r=a[π/2+φ+θc-cos(φ-θc)]/[1+sin(φ-θc)]으로 표현되는 복합포물형 곡면으로된 복합포물형 반사면을 연속적으로 접합시켜 구성된 것을 특징으로 한 태양열 열전발전장치의 고집적 접속기
2. 곡면으로 된 내면이 반사면을 이루는 반사경, 곡면 반사경의 초점 위치에 설치되는 1차 반사수단과 흡열수단으로 이루어 태양열 집속기에 있어서, 흡열수단으로 열전모듈을 사용하되, 상기 열전모듈은 반사면을 향하여 세워지는 구조로 두개의 열전모듈(5)이 형성되고, 상기 두열전모듈(5)을 'H'자 형태로 연결하여 다수개의 방열판(7)이 형성되며, 두 열전모듈(5)의 상단을 연결하여 반구형의 반사경(6)이 형성된 것을 특징으로 하는 태양열 열전발전장치의 고집적 접속기
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