KR100375284B1 - 원형주반사기및트래킹보조복합포물형반사기를갖는트래킹태양에너지집중시스템 - Google Patents

원형주반사기및트래킹보조복합포물형반사기를갖는트래킹태양에너지집중시스템 Download PDF

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존 에프. 마이레스
마이클 에이치. 니클라스
루이스 제이. 게릭
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마이레스, 존, 에프., 3세
루이스 제이. 게릭
마이클 에이치. 니클라스
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Abstract

본 발명은 개선된 태양 에너지 집중 시스템과, 이러한 시스템용의 양호한 신규의 초점 수렴 구역에 관한 것이다. 일반적으로, 상기 시스템은 원통형의 아치형 태양 에너지 집중 반사기(10) 위에 지지되는 가동 태양 에너지 수렴기(30)로 구성된다. 태양 에너지 수렴기(30)는 복합 포물형 비 화상 형상을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 반사기의 곡률 중심 주위에 회전하고 곡률 중심과 반사기 사이의 중간까지 아래로 연장하도록 수렴기(30)를 위치 설정시키는 대신, 본 발명에서는, 태양 수렴기를 특정 알고리즘에 따라 더욱 아래로 (29)로 연장시킨다.

Description

원형 주 반사기 및 트래킹 보조 복합 포물형 반사기를 갖는 트래킹 태양 에너지 집중 시스템{AN IMPROVED SOLAR ENERGY CONCENTRATING SYSTEM HAVING A NOVEL FOCAL COLLECTION ZONE}
종래, 태양 에너지 집중 시스템은 원통형의 아치형 주 집중 반사기와 가동 보조 태양 에너지 수집기의 조합으로부터 태양 에너지의 최대 수집을 수행하기 위하여 다양한 방법을 사용하였다. 예를 들여, 바르(Bar)에게 허여된 미국 특허 제4,602,613호는 고정된 원통형의 아치형 주 집중 반사기와 가동 보조 수집기의 조합을 개시한다. 그러나, 보조 수집기는 수평 방향으로 이동하는 평판 수집기이다.
미국 특허 제3,868,823호에 기재된 다른 종래 구조에 있어서, 원형의 아치형 형태로 배열된 다수의 종방향 슬랫(slat)으로부터 형성된 원형 주 수집기와 조합하여 보조 태양 에너지 수집기로서 단순한 도관(conduit)이 사용된다. 도관은 주 반사기에 대한 곡률 중심 주위로 선회된다. 도관은 곡률 중심으로터 위로 연장되는 회전 부재 상에 배치된다. 부재의 길이는 반사기의 곡률 반경의 1 내지 1/2 까지 적당히 연장한다.
복합 포물형 광학 장치는 태양 에너지를 수집하기 위하여 사용되었다. 로랜드 윈스톤(Roland Winston) 박사의 독창적인 노력은 미국 특허 제4,230,095호, 미국 특허 제4,359,265호, 미국 특허 제 4,387,961호 및 미국 특허 제5,289,356호에서 알 수 있는 바와 같이 이 장치를 구체화시켰다. (본 명세서에서, 용어 "복합 포물형" 및 "비결상 광학장치"는 윈스톤 박사의 논문에 개시된 정의를 포함한다).그러나, 이들 모든 개시내용에 있어서, 복합 포물형 광학계 수집기는 주 태양 에너지 집중기로서 항상 단독 사용되었고, 주 반사기와 쌍을 이룬 보조 태양 에너지 집중기로서 병행하지 않았었다.
본 발명은 개선된 태양 에너지 집중 시스템에 관한 것이고, 이러한 시스템용의 신규의 초점 수집 구역에 관한 것이다. 일반적으로, 상기 시스템은 원통형의 아치형 태양 에너지 집중 반사기(reflector) 위에 지지되는 가동 선형 태양 에너지 수집기(collector)를 포함한다. 태양 에너지 수집기는, 바람직하게는 비결상(non-imaging) 광학 장치에 기초한 복합 포물형 단면을 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 반사기의 곡률 중심 주위로 회전시키고 곡률 중심과 반사기 사이의 중간까지 아래로 연장되도록 수집기를 위치 설정시키는 대신에, 본 발명에 있어서, 태양 에너지 수집기는 특정 알고리즘에 따라 아래로 더 연장된다.
본 발명은 본원과 동시에 출원되고 본 명세서에서 참조되는 발명의 명칭이 "일체형 태양 에너지 집중 시스템을 갖는 지붕"인 출원에 기재된 바와 같이 모듈 형태로 제작될 수 있다.
본 발명은 또한 본 명세서와 동시에 출원되고 본 명세서에서 참조되는 발명의 명칭이 "대체성 반사기를 갖는 개선된 태양 에너지 집중 시스템"인 출원에 기재된 바와 같이 대체성 태양 에너지 집중 반사기의 사용을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 본 명세서와 동시에 출원되고 본 명세서에 참조되는 발명의 명칭이 "자동 안전 수단을 갖는 개선된 태양 에너지 집중 시스템"인 출원에 기재된 바와 같이 보조 수집기용의 자동 안정 수단의 사용을 포함할 수 있다.
도1은 본 발명의 단면도이다.
도2는 본 발명의 사시도이다.
도3은 주 집중 반사기와 보조 복합 포물형 반사기 사이의 관계를 도시한 상세도이다.
도4는 보조 복합 포물형 반사기를 도시한 상세도이다.
본 발명은 높은 태양 수집 효율을 갖는 개선된 태양 에너지 집중 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 모든 요소는 종래 기술에 사용되었을 수도 있다. 본 개선의 신규함은 요소들 사이의 관계의 변화, 특히 보조 태양 에너지 수집기로서의 선형 태양 수집기를 주 수집기로서의 원통형 아치형 태양 에너지 집중 반사기와 병행하여 쌍을 이룸으로써 발생되는 예상하지 못한 이점에 있다.
본 발명에서, 태양 에너지 주 집중 반사기는 약 220도까지의 오목하고 원통형의 아치형 형상을 갖고, 제1 단부 모서리, 제2 단부 모서리 및 만곡된 측면 단부 모서리를 구비한다. 주 집중 반사기는 제1 단부 모서리로부터 제2 단부 모서리까지 원형인 곡률을 갖는다. 곡률은 약 220도 까지의 반사 표면에 대한 아치 길이를 한정한다. 반사 표면은 곡률에 의해 형성된 오목 표면 상에 있다. 구조적 지지 수단은 주 집중 반사기 아래에 배치된다. 구조적 지지 수단은 적어도 주 집중 반사기, 태양 에너지 선형 수집기 및 수집기 지지 수단의 무게를 지지하도록 치수화되고 형상화된다. 수집기 지지 수단은 제2 단부 모서리로부터 제1 단부 모서리까지 주 집중 반사기를 가로질러 걸쳐진다. 수집기 지지 수단은 태양 에너지 보조 태양 에너지 선형 수집기와, 주 집중 반사기, 구조적 지지 수단 또는 상기 구조적 지지 수단의 아래에 배치된 지지 표면 중 하나에 연결된다. 수집기 지지 수단은,주 집중 반사기 위의 초점 수집 구역 내에 머물도록 태양 에너지 선형 수집기를 지지하고 태양 에너지 선형 수집기가 원형 경로로 이동하는 것을 허용하게 치수화되고 형상화된다.
선형 태양 에너지 보조 수집기는 하나의 만곡된 측면 단부 모서리로부터 다른 하나의 만곡된 측면 단부 모서리까지 주 집중 반사기를 가로지른 길이 방향으로 연장된다. 선형 수집기는 주 집중 반사기와 면하도록 된 보조 집중 복합 포물형 반사기를 갖는다. 선형 수집기는 주 집중 반사기로부터 반사된 태양 에너지를 수집하기 위해 미리 설정된 초점 구역 내에서 원형 경로를 이동하도록 수집기 지지 수단에 의해 위치되고 수집기 지지 수단 상에 배치된다. 초점 구역 위치 설정은 선형 수집기 용으로 사용된 정확한 복합 포물형 단면에 따라 변경될 수 있다. 통상적으로, 초점 구역은 주 반사기에 대한 곡률 중심 반경의 약 1/2 정도에 위치된다. 선형 수집기는 에너지 전송 유체가 통과하여 유동할 수 있는 도관 내로 반사된 태양 에너지를 받도록 치수화되고 형상화된다. 도관은 보조 복합 포물형 반사기에 의해 한정된 제1 초점 수집 구역 내에 배치된다.
또한, 원형 아치 경로를 따라 수집기를 위치 설정하도록 선형 수집기를 회전시키고 지지하는 수단이 본 발명의 바람직한 실시예에 포함된다. 수집기 지지 수단에 연결된 위치 설정 수단은 주간 싸이클과 같은 한정된 태양 싸이클 동안 내내 태양 에너지를 수집하기 위하여 초점 수집 구역 내의 최적 위치에 선형 수집기를 위치시킨다.
최종 요소는 도관을 열 에너지 사용 수단 또는 에너지 저장 수단에 연결하는유체 전송 수단이다. 태양이 비출 때, 태양 에너지는 집중기를 향해 주 집중 반사기로부터 반사하여 도관에 충돌한다. 선형 수집기의 도관 내의 유체는 가열된다. 유체 전송 수단은 열 에너지 사용 수단 또는 에너지 저장 수단중 하나를 통해 가열된 유체를 순환시킨다.
비결상 복합 포물형 보조 선형 수집기를 사용하는 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은 주 집중 반사기의 곡률 중심 주위를 선회하는 선형 수집기를 포함하고, 선형 수집기는 L = (R * 1.1)/2 (여기에서 R은 태양 에너지 집중 주 집중 반사기의 곡률 반경과 동일함)의 공식에 따른 거리(L)의 + 또는 - 5% 만큼 곡률 중심으로부터 아래로 위치된다. 이러한 위치 설정을 사용함으로써, 선형 수집기를 중간 위치에 장착시키는 종래 기술을 포함하여 기존의 공지된 위치 설정보다 반사된 태양 에너지의 더 많은 축적을 달성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도1에 도시된다. 약 60도의 오목형 원통형의 아치형 형상을 갖는 태양 에너지 집중 주 반사기(10)는 제1 단부 모서리(12), 제2단부 모서리(14) 및 만곡된 측면 단부 모서리(16)를 갖는다. 주 집중 반사기용으로 적당한 재료는 연마된 금속 또는 증착되거나 적층된 코팅을 갖는 반사형 재료를 포함한다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 주 집중 반사기는 알루미늄이 증착된 반사형 표면을 갖는 자외선 안정화 플라스틱 또는 중합체를 포함한다. 주 집중 반사기의 하늘을 향하는 표면은 오목면이다. 다른 바람직한 실시예에 있어서, 제1 주 집중 반사기는 만곡된 측면 모서리 또는 제1 단부 모서리 중 어느 하나를 따라 제2 주 집중 반사기에 인접할 수 있다. 후자 경우에 있어서, 제1 반사기의 제1 단부 모서리는 제1 단부 모서리 전체를 따라 제2 주 집중 반사기의 제1 단부 모서리에 인접하고, 각각의 주 집중 반사기는 약 90도 까지의 원통형의 아치형 형상을 갖고, 이들 쌍은 약 180도까지의 원통형 아치형 형상을 형성한다.
스페이스 트러스(space truss)와 같은 구조적 지지 수단(20)이 주 집중 반사기의 아래에 배치된다. 구조적 지지 수단은 종래의 활하중(live load) 및 사하중(dead load) 뿐만 아니라 적어도 주 집중 반사기, 복합 포물형 보조 태양 에너지 선형 수집기 및 태양 에너지 수집기 지지 수단의 중량을 지지하도록 치수화되고 형상화된다. 다수의 다른 형상이 기술 분야에 숙련된 당업자들에 의해 설계될 수 있다. 수집기 지지 수단은, 제2 단부 모서리(14)로부터 제1 단부 모서리(12)까지 연장되는 축선에 의해 한정된 바와 같이, 주 집중 반사기를 가로지르는 그리고 주 집중 반사기 위에 길이 방향으로 걸쳐진다. 수집기 지지 수단은 두 개의 아치(22), 각각의 아치 상에 배치된 베어링 수단(24), (회전 수단을 구성하도록) 베어링 수단에 연결된 구동 축 부재(26) 및 두 개의 하향 간격 부재(28)를 포함한다. 회전 수단은 도1의 원형 경로(29)로 표시된 바와 같이 주 집중 반사기에 대한 곡률 중심에 위치된다. 하향 간격 부재는 수집기가, L = (R * 1.1)/2 (여기에서 R은 태양 에너지 주 집중 반사기의 곡률 반경과 동일함)의 공식에 따른 거리(L)의 + 또는 - 5% 만큼 곡률 중심으로부터 아래에 위치되도록 치수화된다. 부재들의 상기 배열은 주 반사기로부터 반사된 태양 에너지를 수집하기 위하여 보조 선형 수집기가 미리 설정되고 그리고 한정된 초점 구역 내의 원형 아크 경로를 따라 이동하도록 허용한다.
복합 포물형, 비결상 태양 에너지 선형 수집기(30)는 수집기 지지 수단에 의해 구조적 지지 수단(20)에 연결된다. 부착 지점(32)들은 주 집중 반사기의 제2 단부 모서리 및 제1 단부 모서리 두개에 인접하여 위치되고, 부착 지점들은 또한 아치(22)들에 연결된다. 또는, 수집기 지지 수단은 구조적 지지 수단의 아래에 놓인 지지 표면에 연결될 수도 있다. 수집기 지지 수단은 선형 수집기를 지지하고 선형 수집기가 아치형으로 이동하는 것을 허용하도록 치수화되고 형상화되고, 따라서 기술 분야의 숙련된 당업자들은 다른 설계가 가능할 수 있다.
몇몇 바람직한 실시예에 있어서, 선형 수집기는 도1에 도시된 실시예에서와 같이 실제 E-W(동-서) 축선의 30도 내의 길이 방향으로 배치된다. 그러나, 도1의 비반사 패널(40)이 주 집중 반사기로 대체되면, 실제 N-S(북-남) 축선의 30도 내의 길이 방향으로 선형 수집기를 배치시킬 수 있다.
바람직하게는, 원형 아크 경로를 따라 선형 수집기를 위치 설정하기 위하여 태양 에너지 선형 수집기(34)를 회전시키고 지지하는 수단은 구동 축 부재(26)에연결된다. 위치 설정 수단은 유압 펌프 및 제어 수단에 의해 구동되는 유압 모터, 전기 스텝 모터(step motor), 또는 기계적 체인/기어 또는 케이블/풀리 수단을 포함하는 다수의 종래 수단으로 구성될 수 있다. 이들 모든 형태에 있어서, 위치 설정 수단은 한정된 태양 싸이클, 바람직하게는 주간 싸이클 동안 내내 태양 에너지를 수집하도록 최적의 위치에 선형 수집기를 유지시킨다. 따라서, 마이크로프로세서는 위도, 연도 및 날자를 고려하는 알고리즘에 따라 최적의 태양 에너지 수집 위치를 주기적으로 계산하는 위치 설정 수단의 일부일 수 있다. 이러한 알고리즘은 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있다.
선형 수집기는 에너지 전송 유체가 통과하여 유동할 수 있는 내부 도관 내로 반사된 태양 에너지를 받기 위해, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 보조 복합 포물형 반사기를 갖도록 치수화되고 형상화된다. 복합 포물형 반사기를 갖는 선형 수집기의 바람직한 단면 실시예는 미국 특허 제5,274,497호 또는 미국 특허 제5,289,356호에 개시된다. 수집기 도관에 사용하기 적절한 유체는 상업적으로 구입 가능한 열 전송 유체를 포함한다. 도시되지 않은 유체 전송 시스템은 수집기의 도관을 열 에너지 사용 수단 또는 열 에너지 저장 수단에 연결시킨다. 유체 전송 수단은 태양 에너지로 가열된 유체를 순환시킨다. 유체 전송 수단은 기술 분야의 숙련된 당업자에게 공지된 종래 설계일 수 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 공개 또는 비공개된 특허 출원은 여기에 참조된다.
기술 분야의 숙련된 당업자에게 명백한 본 발명의 다른 실시예는 여기에서소개하지 않았지만, 이 특허 명세서로부터 파생하는 특허 기간 동안 본 발명의 정신 및 기술범위 내에 있다.

Claims (4)

  1. a) 반사 표면, 제1 단부 모서리, 제2 단부 모서리 및 두 개의 만곡된 측면 단부 모서리를 갖고, 상기 제1 단부 모서리로부터 상기 제2 단부 모서리까지 원형인 곡률을 갖고, 상기 곡률은 약 220도 까지의 아치 길이를 한정하고, 상기 반사 표면은 상기 곡률에 의해 형성된 오목 표면 상에 배치된 적어도 하나의 태양 에너지 주 집중 반사기와,
    b) 상기 주 집중 반사기의 아래에 배치되어 그에 부착된 구조적 지지 수단과,
    c) 선형 수집기와 상기 구조적 지지 수단에 연결되고, 선형 수집기를 지지하고 선형 수집기가 반사 표면으로부터 이격된 원형 아치 경로로 이동하는 것을 허용하도록 치수화되고 형상화된 태양 에너지 선형 수집기 지지 수단과,
    d) ⅰ) 보조 집중 복합 포물형 반사기를 갖고, ⅱ) 보조 복합 포물형 반사기로부터 받은 반사된 태양 에너지에 의해 가열되는 에너지 전송 유체가 통과하여 유동하고 복합 포물형 반사기에 의해 한정된 제1 초점 수집 구역 내에 배치된 도관을 갖고, ⅲ) 상기 제1 만곡된 측면 단부 모서리로부터 상기 제2 만곡된 측면 단부 모서리까지 종방향으로 반사기를 가로지른 길이를 갖고, ⅳ) 주 집중 반사기에 대면하는 보조 복합 포물형 반사기를 갖고 수집기 지지 수단에 의해 원형 아치 경로를 따라 이동될 수 있도록 배치되고, 상기 원형 아치 경로는 제1 초점 수집 구역 내에 위치되어 상기 보조 복합 포물형 반사기가 상기 보조 복합 포물형 반사기의 수단에의해 상기 주 집중 반사기로부터 반사된 태양 에너지를 수집할 수 있는 선형 수집기와,
    e) 상기 수집기 지지 수단에 연결되어, 원형 아치 경로를 따라 상기 선형 수집기를 회전시키고 지지하여 한정된 태양 싸이클 동안 내내 상기 보조 초점 수집 구역 내에 상기 보조 복합 포물형 반사기를 위치시키는 위치 설정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위치 설정 수단은 보조 복합 포물형 반사기가 상기 주 집중 반사기로부터 반사된 태양 에너지를 받도록 상기 제2 초점 수집 구역 내의 최적 위치를 주기적으로 계산하는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 두 개의 주 집중 반사기를 포함하고, 제1 주 집중 반사기는 제2 단부 모서리 전체를 따라 제2 주 집중 반사기의 제2 단부 모서리에 인접하며, 각각의 주 집중 반사기는 약 110도까지의 원통형 아치형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수집기 지지 수단은 수집기의 단부 중 하나의 단부에 각각 배치되는 적어도 두개의 수집기 지지 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중 시스템.
KR1019970705074A 1995-01-25 1996-01-25 원형주반사기및트래킹보조복합포물형반사기를갖는트래킹태양에너지집중시스템 KR100375284B1 (ko)

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US08/379,842 1995-01-25
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