KR100887345B1 - 태양광의 집광 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 태양광의 집광 장치는, 태양광을 집중하여 2차 평행 반사경으로 반사하도록 하되 일 부위에 통공이 형성되어 있는 1차 초점 반사경, 상기 1차 초점 반사경의 전방에 위치하여 상기 1차 초점 반사경을 통해 전달받은 태양광을 상기 통공을 지나 상기 1차 초점 반사경의 후방으로 반사하는 2차 초점 반사경을 포함하는 집광 모듈; 상기 2차 초점 반사경으로부터 반사된 태양광을 전달받아 태양 에너지를 열에너지로 변환하는 집열부 내지 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부 중 어느 하나를 포함하는 발전 모듈;로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광의 집광 장치에 의하면, 반사경의 후방에서 발전모듈에 의하여 광원을 이용함으로써, 반사경 전방에 발전장치를 구비한 공지의 집광장치보다 월등히 우수한 집광 및 발전 효율을 가질 수 있도록 할 뿐 아니라 발전장치의 크기와 형상을 보다 자유롭게 적용할 수 있는 효과를 제공한다.

태양광, 집광, 다단 반사, 반사경, 2차 반사

Description

태양광의 집광 장치{DEVICE FOR CONCENTRATING SUNLIGHT}

본 발명은 태양광의 집광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 반사경을 최소 2개로 구비하여 2차 반사를 수행하되 2번째 반사를 통해 반사경의 후방에 광원이 집중되도록 하고 이 위치에서 태양광을 이용하도록 함으로 충분한 집광 면적을 담보함과 아울러 태양광 발전에 대한 다양한 어플리케이션을 가능하도록 하는 태양광의 집광 장치에 관한 것이다.

태양광 집광 시스템은 태양열을 고밀도로 집중하여 최대한 높은 발전 효율을 가질 수 있는 상태를 만든 다음 태양에너지를 열에너지 내지 전기에너지로 변환하는 기능을 가지는 것이다.

태양전지 및 집광 자치 등의 태양광을 이용한 에너지 발전장치는 자원이 고갈되는 문제없이 유지보수가 용이하고 수명이 길다는 장점을 가지나, 시스템 설치 가격이 비싸고 에너지 효율이 상대적으로 낮다는 단점이 지적된다.

이러한 태양광용 에너지 발전 시스템은 축열 온도에 따라 평판형 집광기(100℃ 이하의 저온형), 원통형 집광기(PTC: Parabolic Trough Solar Collector) 또는 CPC(Compound Parabolic Collector)(300℃ 이하의 중온형), 포물 곡선 면을 가지는 접시(dish)형 파라볼릭 집광기(300℃ 이상의 고온형) 등이 존재한다.

이 중, 고온을 얻을 수 있는 포물 형태의 반사경을 가진 집광기는 기본적으로 반사경에서 광원을 반사경 내의 특정 부위(초점 부위)에 집중되게 반사한 다음 광원이 집중된 지점에 열 발전, 전기발전과 같은 발전장치를 설치하는 구조로 이루어져 있다.

그런데, 반사경의 전방에 발전장치가 설치되어 있다 보니 발전장치가 반사경 자체를 가려 집광 효율이 떨어지게 되고 그렇다고 발전장치 크기를 줄이게 되면 발전 능력이 감퇴되는 문제를 가지고 있었다.

또한, 태양의 이동에 따라서 정확하지는 않지만 광범위한 초점 반경을 가지기 위하거나 특정 부위로 집광을 도모하기 위하여 복수 개의 반사경을 구비함으로써 다 단계 반사를 이루는 집광 시스템이 공지되어 있다.

특허공보 WO 96/11364호를 참조하면, 복수 개의 반사경을 구비하여 집광성을 높이기 위해 다 단계의 태양광 반사를 이루는 방식에 대해 게시되어 있는데, 다 단계 반사가 모두 메인 반사경의 전방에서 이루어지고 궁극적으로 이를 이용하기 위한 발전장치도 반사경의 전방에 위치해야 하기 때문에 상술하였지만 발전장치로 인해 집광 면적을 크게 가리게 된다는 문제점이 있다.

더불어, 국내 특허 제 487076호 "태양광 집광 시스템"의 경우 역시 복수 개의 반사경을 통해 다 단계 반사를 이룸으로 메인 반사경의 후방에서 집광이 되는 방식을 취하고 있는데 상기 특허에서 제시하는 기술 내용을 살펴보면 2차 반사체에 의하여 반사경에서 수집된 광원을 광출구로 재반사하는 구조로 인하여 결과적으로 광원을 메인 반사경 후방으로 전달하는 특성을 제시하고 있음을 알 수 있다.

그런데 이 기술에서 메인 반사경이 완전한 포물 형태를 가지고 있지 않아 2차 반사체에서 재반사되는 광원이 협소하게 집중되지 못해 광출구가 커짐과 더불어 광 집중도가 떨어진다는 문제를 가지고 있고, 또한 2차 반사체의 면적이 메인 반사경의 면적에 비해 의도한 만큼 작아지지 않아 2차 반사체 자체로 인한 메인 반사경의 집광 면적의 손실을 최소화하는 문제를 극복하지 못한다는 단점이 존재한다.

따라서 다 단 반사를 수행하되, 2차 반사체의 면적을 혁신적으로 줄이면서도 우수한 광 집중력을 가지는 상태를 보장하면서 메인 반사경의 후방으로 광원을 전달하여 집광 효율을 담보할 수 있는 신규하고 진보한 태양광 집광 시스템의 필요성이 대두되는 현실이다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 1차 반사경을 통해 1차 반사경 전방에 집광을 하되 수집된 광원을 1차 반사경에 형성된 통공을 지나 1차 반사경 후방으로 전달하는 2차 반사경을 상대적으로 작은 크기로 구비함으로써, 집광 효율을 저해하지 않으면서 1차 반사경의 집광 면적을 최대한 확보할 수 있도록 하는 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 반사경의 내구성을 증가하기 위하여 투명 소재의 보 호 커버를 덧씌우되 보호 커버의 표면에 특수 처리를 하여 반사경의 내구성 증가 및 우수한 집광 효율을 담보할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 1,2차 반사경을 복수 개로 조합하되 각 반사경에서 집광된 광원을 하나로 모으기 위한 3차 반사경을 추가로 구비하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 반사경 및 발전장치의 표면에 특수 처리를 하여 보다 월등한 집광 효율을 가지도록 하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 3차 반사경이 시시각각 변화하는 태양 위치에 따라 일정 각 회동 가능하게 설치되어 있되, 태양 위치를 추적하여 자동으로 3차 반사경의 배치 각을 변화하는 수단을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치는, 태양광을 집중하여 2차 평행 반사경으로 반사하도록 하되 일 부위에 통공이 형성되어 있는 1차 초점 반사경, 상기 1차 초점 반사경의 전방에 위치하여 상기 1차 초점 반사경을 통해 전달받은 태양광을 상기 통공을 지나 상기 1차 초점 반사경의 후방으로 반사하는 2차 초점 반사경을 포함하는 집광 모듈; 상기 2차 초점 반사경으로부터 반사된 태양광을 전달받아 태양 에너지를 열에너지로 변환하는 집열부 내지 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부 중 어느 하나를 포함하는 발전 모듈;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치는 상기 1차 초점 반사경의 전방 부위에는 투명 소재로 이루어져 상기 1차 초점 반사경을 덮을 수 있는 보호 커버;가 추가로 장착되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치는 상기 1차 초점 반사경의 후방 위치에 위치하는 것으로서, 상기 통공을 통해 상기 1차 초점 반사경의 후방으로 전달된 태양광을 반사하여 상기 발전 모듈로 전달하는 3차 반사모듈;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

추가적으로, 상기 3차 반사모듈은, 상기 3차 평판 반사경을 지지하는 지지대를 구비하되, 상기 3차 평판 반사경은 상기 지지대 상에서 수평 방향을 기준으로 수평 회동되거나 수평 방향에서 일정 각도로 상하 회동되게 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광의 집광 장치에 의하면,

1) 반사경의 후방에서 발전모듈에 의하여 광원을 이용함으로써, 반사경 전방에 발전장치를 구비한 공지의 집광장치보다 월등히 우수한 집광 및 발전 효율을 가질 수 있도록 할 뿐 아니라 발전장치의 크기와 형상을 보다 자유롭게 적용할 수 있는 장점을 가지고,

2) 집광모듈을 복수 개로 이루어 각 집광모듈마다 반사경 후방으로 전달된 광원을 하나로 모아 발전모듈로 전달함으로써 조건에 따라 집광되는 광원의 양을 편의적으로 조절할 수 있음과 동시에 설치 장소에 따라 다양한 배치 및 개수 조절 이 가능하며,

3) 외부로 노출된 반사경을 보호할 수 있어 장치의 내구성을 증가할 뿐 아니라,

4) 반사경과 보호 커버의 특수 표면 처리에 의하여 집광 효율 및 내구성을 증가할 수 있음과 동시에,

5) 태양 위치의 변화에 따라 3차 반사경의 위치를 자동으로 조절할 수 있다는 효과를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 보호 커버가 장착된 반사경의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 태양광의 집광 장치는 크게 집광 모듈(1)과 발전 모듈(40)로 구성되어 있다.

먼저, 집광 모듈(1)은 최적의 집광 효율을 가지면서 태양광을 특정 부위에 집중하도록 하는 기능을 하는 것으로서 기본적으로는 1차 초점 반사경(10), 2차 평행 반사경(20)으로 구성이 되어 있고 추가적으로 3차 반사모듈(30) 및 보호커 버(15), 태양광 위치 추적 수단을 구비하고 있다.

또한, 발전 모듈(40)은 상기 집광 모듈(1)에 의하여 집중이 된 태양 에너지를 열에너지 내지 전기 에너지로 변환하는 기능을 수행하는 것으로, 집열부(41), 물탱크(45), 열교환부(42), 발전부(43), 축전부(44)를 구비하고 있다.

이하, 상기 집광 모듈(1) 및 발전 모듈(40)에 대한 각 세부 구성에 대해서 다양한 실시예와 함께 상세히 기술하도록 한다.

1차 초점 반사경(10)은 구형(spherical) 내지 포물형(parabolic)(바람직하게는, 포물형) 등의 다양한 형상으로 이루어져 본 발명에 따른 장치에서 복수 개로 구비되는 반사경 중 1차적으로 태양광을 집광하여 초점을 맞추고 2차 평행 반사경(20)으로 광원(태양광)을 전달하는 역할을 수행한다.

다만, 1차 초점 반사경(10)의 외관 형태는 공지의 포물면 홈통 집광기 (Parabolic Trough) 형태가 아니고 도 3에 도시된 바와 같이 접시형 집광기(Solar Dish) 형태를 사용하고 접시형의 내부 곡면은 구형(spherical) 내지 포물형(parabolic)을 사용하나 포물형으로 이루어져 있는 것이 후술할 2차 평행 반사경(20)의 설치 위치를 고려할 때 보다 바람직하다.

여기서, 1차 초점 반사경(10)이 접시형태의 포물형을 가지는 것이 더욱 바람직한 이유는 공지된 평판 내지 포물면 홈통 집광기보다 집광성이 더욱 우수하다고 잘 알려져 있기 때문이며, 실제 본 발명자에 의한 비교 실험에서도 접시 헝태의 포물형 반사경이 포물면 홈통 집광기보다 훨씬 높은 초점 부위 온도를 가지는 것으로 확인이 되었다.

1차 초점 반사경(10)은 2차 평행 반사경(20)으로 광원을 정확히 전달하기 위한 초점 구조를 가지도록 형성되어 있고 2차 평행 반사경(20)이 위치하는 수평 연장 면에 일정 직경(반드시 2차 평행 반사경의 직경과 동일할 필요는 없음)을 가진 통공(11)을 구비하여 이 통공(11)을 통해 2차 평행 반사경(20)에서 반사한 광원을 1차 초점 반사경(10) 후방으로 전달한다.

통공(11)은 돌출부(11a)를 통해 1차 초점 반사경(10)의 후방으로 연장이 가능하다. 돌출부(11a)는 통공(11)에 수렴된 태양광이 난반사되지 않고 직진상태를 가지고 발전 모듈(40) 방향으로 보다 원활하게 전달될 수 있도록 하는 기능을 제공하며, 이로써 1차 초점 반사경(10) 후방에서의 광 손실을 줄일 수가 있게 된다.

2차 평행 반사경(20)은 1차 초점 반사경(10)의 전방에 위치하여, 1차 초점 반사경(10)에서 1차적으로 수집된 광원을 전달받은 다음, 다시 1차 초점 반사경(10)에 형성된 통공(11)으로 수집된 광원을 반사 전달하는 역할을 담당한다.

여기서, 2차 평행 반사경(20)은 1차 초점 반사경(10)의 전방에 위치하게 됨으로 1차 초점 반사경(10)을 향하는 태양광을 가리게 되어 집광 효율을 저해할 우려가 있는바, 이러한 문제를 극소화하기 위하여 2차 평행 반사경(20)은 1차 초점 반사경(10)에서 수집된 광원을 충분히 전달받을 수 있는 최소한의 크기로 이루어지는 것으로 충분하며, 바람직하게는 1차 초점 반사경(10)의 면적을 기준으로 2 내지 10%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5%에 해당하는 매우 적은 면적을 가지도록 한다.

2차 평행 반사경(20)은 1차 초점 반사경(10)의 둘레 내지 기타 적절한 고정 부위를 따라 복수 개로 연장된 와이어(25)에 의하여 공중 고정이 가능하고, 반사 및 집광의 최적 효율을 도모하기 위하여 수집된 광원을 다시 반사할 때는 수평하게 반사를 이루도록 하는 반사 각도를 가질 수가 있다.

이 때, 와이어(25)에는 길이 조절수단(26)을 구비하여 와이어(25)의 길이를 조절함으로써 1차 초점 반사경(10)과 2차 평행 반사경(20)의 간격을 조절하여 1차 초점 반사경(10)의 형태 내지 통공(11)의 위치에 따라 2차 평행 반사경(20)의 위치를 세밀하게 조절할 수가 있다.

길이 조절수단은 현재 알려진 방식으로 다양하게 제작이 가능한바, 예를 들어 와이어(25)를 2가닥으로 준비한 다음 2가닥의 와이어(25)를 체결하는 체결 매체(26)를 구비하되 이 체결 매체(26)에서 어느 한 가닥의 와이어(25)를 밀고 당겨 전체적인 와이어(25)를 소정 길이로 만든 다음 패스너(27)를 통해 와이어(25)가 체결 매체(27)에서 유동성 없이 단단하게 고정되도록 하는 방식을 취할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 2차 평행 반사경(20)은 공지의 태양광 집광장치와 같이 1차 또는 2차 반사경에 의하여 반사된 광원을 1차 반사경 전방 위치에서 이용하는 방식을 탈피하도록 한다. 즉 2차 평행 반사경(20)은 이를 통해 반사되는 광원을 1차 초점 반사경(10)의 전방에서 수집하는 것이 아니라 1차 초점 반사경(10)의 후방으로 다시금 광원을 반사하는바, 그 이유는 첫 째 1차 초점 반사경(10)의 전방 부위는 태양광의 집광 부위이기 때문에 이에 집열부 내지 발전 장치를 위치시키게 되면 그 체적만큼 집광 부위를 가리게 되어 집광 효율이 떨어지는 문제가 있기 때문이며, 둘째로는 후술하겠지만 1차 초점 반사경(10)을 보호할 수 있는 보호 커 버(15)를 설치할 때 2차 평행 반사경(20)의 조력 하에 보호 커버(15)의 설치의 용이성을 도모하기 위함이다.

도 3은 본 발명에 따른 2차 평행 반사경이 1차 초점 반사경에 설치되는 변형 예를 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에서와 다른 방식에 의하여 2차 평행 반사경(20)이 1차 초점 반사경(10)의 전방에 설치되는 실시예를 나타내고 있다. 구체적으로, 통공(11)의 둘레를 따라 복수 개의 오리피스를 설치하고 이 오리피스 각각에 일정 길이를 가지는 서포터(supporter)(29)를 체결하되, 서포터(29)가 1차 초점 반사경(10)의 전방을 향하도록 한다.

이러한 서포터(29)의 상단에 역시 내주 둘레를 따라 복수 개의 오리피스를 형성한 2차 평행 반사경(20)을 조립 설치한다.

이러한 2차 평행 반사경(20)의 배치 상태는 도 2에서 복수 개의 와이어가 1차 초점 반사경(10)의 표면을 가리게 되는 문제를 보다 최소화함과 아울러, 2차 평행 반사경(20)이 와이어의 탄성에 의하여 불필요한 유동성이 발생되는 것을 방지하여, 1차 초점 반사경(10)의 전방에서 보다 견고하게 장착되도록 하는 특성을 부여할 수 있다.

서포터(29)의 길이는 1차 초점 반사경의 초점 위치에 따라 조절할 수 있는 것은 물론이고, 도면에 도시되어 있지는 않으나 서포터(29) 자체를 접이식 안테나와 같이 자체 길이를 조절하는 구성을 채택할 수도 있다.

다시 도 2를 보아 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 보호 커버(15)는 2차 평행 반사경(20)과 동일 선상(이 때, 2차 평행 반사경은 보호 커버 내에 포함되는 것도 가능) 내지 그 주변인 1차 초점 반사경(10)의 전방 위치에서 1차 초점 반사경(10)(또한, 2차 평행 반사경도 포함)을 보호하기 위하여 투명하게 설치되는 것으로, 유리, 아크릴, PC(Polycarbonate)를 비롯하여 태양광을 충분하고 적절하게 투과할 수 있는 투명성과 내구성을 가진 재질로 제작이 될 수 있다.

이러한 보호 커버(15)에 대한 일 실시예로서, 보호 커버(15)는 1차 초점 반사경(10)의 외곽 둘레 면에서 수평하게 연장된 평행면에 설치되거나 이보다 볼록하게 곡률진 상태로 돌출 형성이 되어 1차 초점 반사경(10)을 충분히 덮을 수 있도록 구성하는 것이 가능하다.

물론, 불필요한 굴절이 발생하여 초점 부위에서 태양광이 집광되는 현상을 저해하지 않도록 하기 위해서는 보호 커버(15)는 볼록한 구성보다는 일직선으로 연장된 면 구성을 갖도록 하는 것이 보다 바람직할 것이다.

이러한 보호 커버(15)는 1차 초점 반사경(10)이 외부로 노출되어 있는 기본적인 구조로 인하여 기후 및 계절에 따라 이물질이 쉽사리 끼어 집광 효율이 떨어지거나 쉽사리 노화되는 문제를 방지하기 위한 것이다.

또한, 물에 의한 세척의 용이성을 담보하기 위하여 보호 커버(15)의 표면에 방수 처리를 하는 것이 가능하고, 외부 마찰과 충격에 의하여 긁힘 현상이 일어나는 것을 최소화하기 위해 고 경도 코팅 처리를 할 수 있으며, 태양광에 반응하여 유기물질 등의 이물질을 자가 분해할 수 있는 성질을 가진 TiO₂ 재질(광촉매 물질)에 의한 광촉매 코팅처리를 할 수 있다.

이러한 보호 커버(15)에 의하여, 손쉬운 청소 작업으로 1차 초점 반사경(10)의 집광 효율을 담보할 수 있고 우천 시 비에 의해서도 먼지와 같은 이물질이 쉽사리 제거되어 내구성을 증강할 수 있는 특성을 제공한다.

이러한 2차 평행 반사경(20)에 의하여 1차 초점 반사경(10) 후방으로 전달이 된 광원은 곧바로 발전 모듈(40)에 의하여 집열 내지 전기 발전을 할 수도 있으나, 바람직하게는 1차 초점 반사경(10) 후방에 3차 반사모듈(30)을 추가로 구비하도록 한다.

본 발명에 따른 집광 모듈(1)은 300*300 내지 700*700 mm 정도의 비교적 작은 크기로 구현하는 것이 가능한데, 이는 각 반사경의 제작비용을 감소하기 위한 이유도 있지만 각 반사경의 초점 거리를 작게 하여 장치의 전체적인 부피를 줄여 다양한 장소에서 호환 가능하게 적용을 할 수 있는 이점을 제공하기 위함이며 더불어 제어의 편의성과 우수한 집광 효율을 나타냄과 동시에 다양한 행렬 구조로 복수 개로 연계되도록 하여 보다 탁월한 집광성과 탄력성 있는 배치를 가지도록 하기 위함이다.

따라서 이와 같이 복수 개의 배치 구조를 가진 상태를 가지며 집광모듈(1)이 형성되는 경우에는 각각의 개벌적인 집광모듈(1)에서 집광이 된 광원을 다시 한 곳으로 모아 최대의 집광 효율을 도모할 수 있도록 할 필요성이 따른다.

이러한 문제의식에서 창출된 본 발명에 따른 3차 반사모듈(30)은 3차 평판 반사경(31)과 지지대(33)를 구비하고 있는바, 바로 집광모듈(1)이 복수 개로서 형성이 될 때 각각의 2차 평행 반사경(20)에서 1차 초점 반사경(10)의 통공(11)을 통해 1차 초점 반사경(10)의 후방으로 보내진 광원을 발전 모듈(40) 방향으로 다시 반사 전달하여 태양광 발전의 극대화를 이룰 수 있도록 하는 역할을 담당하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 집광 모듈이 복수 개로 연계 배치된 일 실시예를 도시한 개념도이고, 도 5는 보다 다양한 집광 모듈의 배치 상태를 도시한 개념도이다.

먼저, 도 4(a)는 집광 모듈(1)이 1*7 행렬 구조로 배치된 예를 도시하고 있고, 도 4(b)는 집광 모듈(1)이 3*3 행렬 구조로 배치된 예를 나타내고 있다.

도 1, 4를 보아 알 수 있듯이, 1차 초점 반사경(10)의 후방에는 3차 반사모듈(30)이 위치되어 있는바, 구체적으로는 3차 반사모듈(30)은 구체적으로 지지대(33) 상에 회동 가능하게 연결되어 있는 3차 평판 반사경(31)을 통해 2차 평행 반사경(20)에서 반사되어 통공(11)을 통해 1차 초점 반사경(10)의 후방에 이른 광원을 다시 반사하여 최종적으로 발전모듈(40)(예를 들어, 집열부)로 집중하도록 하는 역할을 담당한다.

여기서, 집광 모듈(1)이 복수 개로 이루어진 것에 상응하여 역시 복수 개로 이루어지게 되는 3차 반사모듈(30)에서 3차 평판 반사경(31)의 반사각은 발전 모 듈(4)의 위치와 크기에 따라 각기 다른 다양한 설정 각을 가질 수가 있으나, 그 크기와 위치에 관계없이 무엇보다 중요한 것은 3차 반사모듈(30)에서 3차 평판 반사경(31)을 통해 반사된 광원은 무조건 발전 모듈(4)을 향하도록 이루어진다는 점이다.

3차 반사모듈(30)은 반드시 집광 모듈(1)이 복수 개로 이루어졌을 때만 집광 모듈(1)에 장착되는 것은 아니고, 집광 모듈(1)이 하나만 이루어진 경우에도 장착이 가능하며 더욱 3차 반사모듈(30)에서 또 다른 위치로 광원의 전달하기 위해 4차, 5차 반사경을 구비하는 것도 예측할 수 있으나, 잦은 반사에 의해 집광 효율이 떨어지는 것을 막기 위해서라도 상술한 바와 같이 집광 모듈(1)은 1 내지 3차의 반사경만을 갖는 것이 보다 바람직하다 할 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 집광 모듈(1)은 개별적인 단위 모듈을 설치 현장의 상황과 요구되어지는 조건에 따라서 원하는 대로 수량과 배치(array) 방법을 조절할 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 집광모듈(1)의 수량과 배치 방법은 2*2, 3*3, 4*4 등의 장방형 타입이거나 기타 1* 7 등의 직육면체 타입으로 이루어지는 것도 가능하다.

집광 모듈(1)은 연결 수단을 구비하여 이를 통해 복수 개의 집광 모듈(1)을 연결하도록 한다. 연결 수단은 브라켓, 요철 결합을 위한 홈/돌기 등의 다양한 구조로서 구체적으로 도출될 수 있다.

다시 말해, 이러한 집광 모듈(1)은 상술한 모듈별 조립 방식을 적용함으로써 대량 제작성과 설치 및 조립의 효율도 살릴 수 있으며 동시에 투자비의 감소도 기 대할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 3차 반사모듈에 대한 개략적인 구조를 도시한 사시도이다.

도 6을 보아 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 3차 반사모듈(30)은 일정 길이로 연장되어 있는 지지대(33) 상에 3차 평판 반사경(31)이 회동 가능하게 연결되어 있는 구조를 취하고 있다.

특히, 3차 평판 반사경(31)은 지지대(33) 상에서 수평축으로 회동 가능한 수평 회동부(32)와 수직축으로 회동 가능한 수직 회동부(34)에 의하여 지지대(33)에 연결되어 있는 상태에서 수평 방향 기준으로 설치 각도를 변경할 수가 있음과 더불어 수직 방향으로 일정 각 회동 가능한 특성을 갖게 된다.

즉, 마치 패널과 같이 일정 두께와 일정 평탄 표면적을 가지는 3차 평판 반사경(31)은 하부 양 측에 마련된 브라켓(32a)에 의하여 지지대(33)의 상부와 연결이 되어 있고, 도면에 도시되어 있지는 않으나 브라켓(32a) 내로 3차 평판 반사경(31) 하부에서 일정 길이 연장된 연결부(36)에 의하여 브라켓(32a) 내에 설치되어 있는 수평 회동부(32)와 연결이 되어 있다.

수평 회동부(32)는 수평 방향으로 연장이 되어 있는 상태를 가지는 힌지와 유사한 개념이라 할 수 있으나 공지의 힌지와 달리 자연적인 힘에 의하여 회동 상태를 가지는 것이 아니라 반드시 구동 모터의 회전에 의해서만 회전될 수 있도록 브라켓(32a)과의 연결 부위에 스토퍼(stopper)를 구비할 수 있고 마찰계수를 증가 하도록 하는 구성(가령, 브라켓 주변에 마련된 미세 돌기와 이 미세 돌기와 요철 결합을 하는 수평 회동부 주변에 마련된 홈과 같은 구성)로서 설치할 수가 있다. 이는 자연적인 힘(예를 들어 바람)에 의하여 쉽사리 3차 평판 반사경(31)이 회전이 됨으로 발전 모듈(40)로 집광을 하는 것에 방해를 받지 않게 하기 위해서이다.

도면에 도시되어 있지는 않으나 수평 회동부(32)는 구동 모터(정밀 회전 제어를 위한 스텝 모터 등)와 연결이 되어 구동 모터의 회전에 의하여 회전됨으로 이에 연결되어 있는 3차 평판 반사경(31)을 수평 기준에서 일정 각을 가지고 회동을 시키게 된다.

더불어, 수평 회동부(32)의 일 측에서는 지지대(33)의 내부 연장 공간과 평행하게 수직 방향으로 길게 연장되어 있는 수직 회동부(34)와 연결되어 있다.

수직 회동부(34)는 지지대(33)의 내부 공간에 구비되어 상기 수평 회동부(32)의 구동을 위해 마련된 구동 모터와 별개의 모터(35)에 연결되어 이 모터(35)의 회전에 의하여 수직 회동부(34)를 수평 방향 기준에서 일정 각도로 상하 회동 가능하게 한다.

이로 인하여, 3차 평판 반사경(31)은 수직 회동부(34)의 회동에 따라 평면을 기준으로 하여 이론적으로 360ㅀ회동이 가능하다.

이 때, 수평 회동부(32)와 수직 회동부(34)는 공지의 기계 부품인 '유니버셜 조인트'를 통해 구현하는 것도 가능한바, 구체적으로는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 연결부(36)와 수직 회동부(34)의 연결 부위를 수평 회동부(32)로 마련하고 이 수평 회동부(32)에 회전력을 직접 전달할 수 있는 별도의 구동 모터를 장착(별도 샤프트를 매개로 구동 모터와 연결하는 것 내지 수평 회동부의 양 측부 중 어느 하나의 측부에 기어를 구비하고 이에 접하는 동력 전달 기어를 구동 모터에 의해 회전시키는 것도 가능)하여 수평 회동부(32)의 회동을 도모하고, 수직 회동부(34)는 하단에 별도 마련된 모터(35)에 의하여 역시 회전을 시킬 수가 있으며 연결부(36)는 3차 평판 반사경(31)의 하부 면에 연결되어 연결부(36)의 수평/상하 회동에 따라 3차 평판 반사경(31)을 수평/상하 회동시킬 수가 있다.

이와 같이, 3차 반사경(31)의 수평/상하 회동을 도모하는 이유는 시시각각 변화하는 태양의 경로에 대응하여 발전모듈(40)로 보다 원활하고 효율적으로 집광모듈(1)에서 집광된 태양광을 전달시키기 위함이다.

도 7은 본 발명에 따른 3차 반사모듈에서 3차 평판 반사경의 회동 제어 원리를 설명하기 위한 블록도이다.

상기 언급한 대로, 3차 평판 반사경(31)은 아침부터 저녁까지(또는 계절에 따라) 변화하는 태양 경로를 추적하여 지지대 상에 위치되어 있는 각을 변화할 필요가 따르고 더불어, 도 4에서와 같이 복수 개의 집광모듈(1)이 하나의 발전 모듈(40)로 집광을 하고자 할 때에는 특히 복수 개의 3차 평판 반사경(31)의 각도 조절을 각각 정밀히 구현할 필요가 있게 된다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 3차 반사모듈(30)은 3차 평판 반사경(31)의 배치 각을 정밀히 제어하기 위하여, 태양 위치 추적 수단(132) 및 룩업 테이블(133)을 포함하고 있는 제어부(131), 제 1 각도 조절모듈(134), 제 2 각도 조절모 듈(134)을 추가로 포함한다.

제어부(131)는 제 1 각도 조절모듈(134), 제 2 각도 조절모듈(135)에 각각 구동 신호를 전달하여 궁극적으로 수평/수직 회동부(32,34)에 연결되어 있는 구동모터/ 모터(35)의 회전량을 조절하는 중추적인 역할을 하는바, 태양 위치를 추적하여 태양의 특정 위치 상태를 일정 수치로서 변환 추출할 수 있는 공지의 태양 위치 추적 수단(132)과, 특정 개수의 3차 평판 반사경(31)이 배치되었을 때 각각의 특정 태양 위치에 대한 수치(위치값)에 따라 각각의 3차 평판 반사경(31)이 발전 모듈(40)로 집광하기 위해 취해야 할 3차 평판 반사경(31)의 수평 회동 각 내지 수직 회동 각을 미리 계산하여 이를 데이터베이스로 구비한 룩업 테이블(look-up table)(133)을 포함하고 있다.

제어부(131)는 예를 들어, 1* 7개의 3차 반사모듈(30)이 일렬로 배치되어 있을 때 각 3차 반사모듈(30)에 일련번호를 설정하고 태양 추적 수단(132)을 통해 위치를 나타내는 일정 수치로서 파악된 특정 태양 위치에서 각각의 3차 반사모듈(30) 내 구비되어 있는 3차 평판 반사경(31)이 각기 취해야 할 각도를 룩업 테이블(133)을 통해 구동 신호로 산출하여 이 구동 신호를 각각의 3차 반사모듈(30)에 각기 다른 값으로 전달을 한다.(각기 다른 값을 가지는 것은 복수 개로 3차 반사경이 배치 형태, 거리 등에 따라 각기 다른 배치 각을 가지기 때문)

구동 신호는 수평 회동부(32)의 회전을 도모하기 위한 수평 구동 신호와 수직 회동부(34)의 회전을 도모하기 위한 수직 구동 신호로 구분되어 설정 가능하다.

제 1 각도 조절모듈(134)은 수평 구동 신호를 제어부(131)로부터 인가받아 수평 회동부(34)에 연결된 구동 모터의 회전량을 조절하는 것이고, 제 2 각도 조절모듈(135)은 수직 구동 신호를 제어부로부터 인가받아 수직 회동부(34)에 연결된 모터(35)의 회전량을 조절하는 것이다.

이로 인하여 3차 평판 반사경(31)은 태양의 위치 내지 배치 상태에 적응하여 보다 정밀하고 효율적으로 발전 모듈(40)로 집광 모듈(1)에서 집광된 태양광을 전달할 수가 있는 특성을 제공한다.

1차 초점 반사경(10)과 2차 평행 반사경(20)(더불어, 3차 평판 반사경도 포함될 수 있음)은, 유리 내지 금속의 표면을 경면으로 연마하여 사용하였던 공지의 반사경이 하중의 부담과 파손의 우려가 있다는 점을 극복하기 위하여 고분자 수지류로 제작하여 하중에 대한 부담 및 파손 우려를 감소하고 보다 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 특성을 제공한다.

특히, 고분자 수지류 중 가볍고 질기며 사출금형을 통해 대량생산이 가능한 PBT(Polybutylene Terephthalate)를 재질로 사용할 수 있고, 특히 PC와 ABS의 혼합 소재를 베이스로 하되 전체 중량 중 30%의 중량비를 가지는 유리섬유를 포함한 재질을 이용하여 고온의 표면 코팅 과정에서 내열성을 보강하도록 할 수 있다.

더불어, 본 발명에 따른 3 종의 반사경(10,20,31)의 표면에는 금속 코팅 처리를 하여 반사 효율을 극대화할 수 있다.

구체적으로 1 내지 3차 반사경(10,20,31)에 금속 코팅을 진행할 경우, 반사경의 표면에 반사율이 높은 크롬(Cr) 내지 알루미늄(Al)을 1 내지 100um로 코팅을 하고 그 후 그 상부에 보호 코팅막 기능을 하는 SiO₂ 을 10 내지 50 um 코팅처리를 하여 보다 탁월한 반사 효율을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 집광 모듈(1)은 태양 위치 추적 수단을 추가로 구비하여, 태양의 위치에 따라 집광 모듈(1)이 향하는 방향을 제어할 수가 있다. 이러한 태양 위치 추적 수단은 공지 기술(예를 들어, 국내 특허 제 343263호, 제 836870호 등의 현재 다양한 방식으로 공지되어 있는 것 중 어느 하나)을 참조하면 되므로 별도의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발전 모듈(40)은 일반적인 태양광 집광 시스템에서 태양광을 집광한 이후 이 태양 에너지는 열에너지 내지 전기 에너지로 변환하는 공지의 장치와 유사한 역할을 수행한다.

즉, 2차 평행 반사경(20)(또는 3차 평판 반사경)을 통해 수렴된 광원을 전달받아 냉수를 데워 온수로서 활용하거나 또는 태양에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 담당한다.

예를 들어, 집열부(41)는 광원을 통해 집열하는 기능을 가지고, 열 교환부(42)는 물탱크(45)로부터 냉수를 전달받아 이를 온수로 데우는 직접적인 역할을 한다.

또한, 발전부(43)는 열교환기(42) 및 물탱크와 연결되어 있되 태양광을 전기 에너지로 변환을 하는 주요 기능을 수행하고, 축전부(44)는 말 그대로 발전부(43) 에서 발전된 전기에 대한 축전 기능을 담당하고 있다.

여기서, 집열부(41)는 알루미늄, SUS 내지 구리와 같은 금속재로 제작이 가능하고, 태양광을 효과적으로 열원으로 변환하는 열매체를 구비하고 있는데, 열매체는 주석, 납, 소금을 비롯하여 현재 널리 알려진 기타 다양한 소재를 사용할 수가 있다.

더불어, 집열부(41)의 표면에는 샌드 브러스트(sand blast) 처리를 하여 표면적을 증가할 수가 있고 이렇게 샌드 브러스트 처리가 된 집열부(41)의 표면에 흑색 도료를 코팅하거나 흑색 크롬 도금 처리(두께 : 1 내지 50um 정도)를 하여 흡열 효율을 증가할 수도 있다.

또한, 집열부(41)의 외부로 열 손실이 발생하는 것을 효과적으로 차단하기 위해 집열부(41)의 표면에는 에어로젤(aerogel)을 추가로 장착한다.

도면에 도시되어 있지는 않으나, 에어로젤은 다양한 재질(바람직하게는 실리콘 나노 구조체)로 이루어지는 하우징 내에 기체 분자를 함유하도록 하여 집열부(41)의 표면에 형성된 것으로서, 기존 단열재보다 훨씬 탁월한 단열 효과를 도모한다.

이러한 발전 모듈(40)은 보다 다양한 어플리케이션으로 전개가 가능하고 특히 1차 초점 반사경(10)의 후방에 위치하게 됨으로 체적 내지 형성 방법에 크게 구애됨 없이 보다 적극적이고 다양한 활용 양상을 가질 수가 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광의 집광 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 보호 커버가 장착된 반사경의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 2차 평행 반사경이 1차 초점 반사경에 설치되는 변형 예를 도시한 사시도

도 4는 본 발명에 따른 집광 모듈이 복수 개로 연계 배치된 일 실시예를 도시한 개념도.

도 5는 보다 다양한 집광 모듈의 배치 상태를 도시한 개념도.

도 6은 본 발명에 따른 3차 반사모듈에 대한 개략적인 구조를 도시한 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 3차 반사모듈에서 3차 평판 반사경의 회동 제어 원리를 설명하기 위한 블록도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 1차 초점 반사경 40: 발전 모듈

11: 통공 41: 집열부

15: 보호 커버 42: 열교환부

20: 2차 평행 반사경 43: 발전부

25: 와이어 44: 축전부

26: 길이 조절 수단 45: 물탱크

30: 3차 반사모듈

Claims (17)

1. 태양광의 집광 장치로서,

   태양광을 집중하여 2차 평행 반사경(20)으로 반사하도록 하되 일 부위에 통공(11)이 형성되어 있는 1차 초점 반사경(10), 상기 1차 초점 반사경(10)의 전방에 위치하여 상기 1차 초점 반사경(10)을 통해 전달받은 태양광을 상기 통공(11)을 지나 상기 1차 초점 반사경(10)의 후방으로 반사하는 2차 초점 반사경(20)을 포함하는 집광 모듈(1);

   상기 2차 초점 반사경(20)으로부터 반사된 태양광을 전달받아 태양 에너지를 열에너지로 변환하는 집열부(41)와 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부(43) 중 어느 하나를 포함하는 발전 모듈(40);로 구성되되,

   상기 집광 모듈(1)은, 연결 수단을 통해 다양한 행렬 구조를 가지면서 복수 개로 연속 배치되고,

   상기 2차 평행 반사경(20)은 상기 1차 초점 반사경(10)으로부터 복수 개로 연장이 된 와이어(25)에 의하여 지지되어 있되, 상기 와이어(25)는 길이 조절 수단(26)을 구비하여 상기 1차 초점 반사경(10)과 2차 평형 반사경(20)의 간격을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 초점 반사경(10)은 접시형 집광기 (Solar Dish)의 외관 형태를 가지고, 상기 접시형 집광기 형태를 가지는 1차 초점 반사경(10)의 내부 곡면은 구형(spherical)와 포물형(parabolic) 중 어느 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 2차 평행 반사경(20)과 상기 통공(11)은 수평 상태를 가져, 상기 2차 평행 반사경(20)에서 반사되는 태양광을 상기 통공(11)을 향해 수평하게 전달하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 초점 반사경(10)의 전방 부위에는 투명 소재로 이루어져 상기 1차 초점 반사경(10)을 덮을 수 있는 보호 커버(15);가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 초점 반사경(10)과 2차 평행 반사경(20)은,

   PBT(Polybutylene Terephthalate)로 이루어진 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 보호 커버(15)는,

   TiO₂ 로 이루어진 광촉매물질이 도포 처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 집광모듈(1)은,

   상기 1차 초점 반사경(20)의 후방 위치에 위치하는 것으로서, 상기 통공(11)을 통해 상기 1차 초점 반사경(10)의 후방으로 전달된 태양광을 반사하여 상기 발전 모듈(40)로 전달하는 3차 평판 반사경(31)을 구비한 3차 반사모듈(30);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
9. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 1차 초점 반사경(10) 및 2차 평행 반사경(20)의 표면에 1 내지 100 um 두께의 알루미늄을 1차 코팅한 다음, 10 내지 50um 두께의 SiO₂을 2차 코팅 처리하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 집열부(41)는,

    표면 부위에 표면적을 증가시키기 위하여 샌드 브러스트(sand blast) 처리가 된 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 집열부(41)의 표면에는 1 내지 50um 두께의 흑색 크롬 도금 처리가 된 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 집열부(41)의 표면에는 실리콘 구조체 내에 기체 분자를 포함하고 있는 에어로젤;이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 2차 평행 반사경(20)은 상기 통공(11)의 둘레를 따라 복수 개로 형성되어 있는 서포터(29)에 의하여 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 1차 초점 반사경(10)은,

    상기 통공(11)의 직경에 상응하여 내부 관통되어 상기 통공(11)의 후방을 따라 돌출 형성되어 있는 돌출부(11a);를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
15. 제 8항에 있어서,

    상기 3차 반사모듈(30)은,

    상기 3차 평판 반사경(31)을 지지하는 지지대(33)를 구비하되,

    상기 3차 평판 반사경(31)은 상기 지지대(33) 상에서 수평 방향을 기준으로 수평 회동되거나 수평 방향에서 일정 각도로 상하 회동되게 설치된 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 3차 반사모듈(30)은,

    변화하는 태양 위치를 수치 형태의 위치 정보로 변환하는 태양 위치 추적 수단(132) 및, 상기 위치 정보에 따라 상기 3차 평판 반사경(31)의 상하 및 수평 회동 각도를 설정한 정보를 데이터베이스화한 룩업 테이블(133)을 구비하여, 태양 위치에 따라 상기 3차 평판 반사경(31)이 회동되어야 할 각도 정보를 구동 신호로 송출하는 제어부(131);

    상기 제어부(131)의 구동 신호를 인가받아 상기 3차 평판 반사경(31)을 특정 각만큼 회동 처리하는 각도 조절모듈;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광의 집광 장치.
17. 삭제

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