KR100931400B1 - 태양열 집열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 집열 장치에 관한 것이다.

본 발명은 이를 위해 지주대(101)의 상단에 구비되며, 집열부를 상하좌우로 작동시키는 구동부(110); 상기 구동부(110)의 작동에 의해 동작되며, 태양광을 포집하여 히팅부를 가열시키는 집열부(120); 및 상기 집열부(120)의 선단에 구비되며, 내부를 순환하는 물을 열교환하면서 가열시키는 히팅부(140);에 태양열 집열 장치(100)가 구비되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 복수개의 반사경으로 태양광을 포집한 후 히팅집열탱크에 집중 반사시키게 되면 히팅집열탱크의 내부를 순환하는 물을 고열로 가열하여 축열시키게 되며, 상기 축열은 냉·난방 및 온수로 사용할 수 있도록 함은 물론 열전류발생장치 및 증기터빈과 연결하여 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것이며, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 것이다.

태양열, 집열, 시스템.

Description

태양열 집열 장치{System for Collecting Solar Energy for Hot Water}

본 발명은 태양열 집열 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 반사경으로 태양광을 포집한 후 히팅집열탱크에 집중 반사시키게 되면 히팅집열탱크의 내부를 순환하는 물을 고열로 가열하여 축열시키게 되며, 상기 축열은 냉·난방 및 온수로 사용할 수 있도록 함은 물론 열전류발생장치 및 증기터빈과 연결하여 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것이며, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 것이다.

주지하다시피 21세기를 살아가는 인류에게 가장 중요한 문제는 어떻게 깨끗하고 공해 없는 지구환경을 후세에게 물려주는가 하는 것이다. 인류가 살아가기 위해서는 에너지원이 필요하다. 그러나 현재까지 우리는 불행하게도 공해와 환경파괴를 유발시키는 화석연료를 주 에너지원으로 사용하고 있다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법 중의 하나가 바로 무한한 청정 에너지원인 태양광 발전이다.

태양광 발전은　우리 인류에게 적어도 앞으로 50억년 이상 무료로 에너지를 사용할 수 있게 해준다. 이러한 태양광 발전의 실용화는 이미 구미 선진국을 중심으로 현재 활발하게 전개되고 있다. 태양광 발전에 관한 기술개발이 최근 10년간 급속히 진보해 우리들의 주변에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 전자계산기, 전자시계를 비롯 무인등대, 무선전신 중계기지의 전원, 인공위성의 주전원, 개인주택용 전원 등으로 널리 쓰여지고 있는 것이다.

태양광 발전은 입사되는 태양복사 에너지가 전혀 경비를 들이지 않는다는 본래의 장점 이외에도 반도체인 태양전지의 양자광전효과를 이용하기 때문에 열에너지를 매개로 하지 않는다는 점에서 가동부분 없이 조용하고 안전하게 그리고 공해 없이 전기에너지를 일으키는 청정에너지 발생법이다.

태양광 발전 프로젝트를 성공으로 이끄는 핵심기술은 무엇보다도 태양전지의 고효율화와 저코스트화다. 때문에 요소의 재료, 원재료 제조법에서부터 전지의 구조, p-n 접합 등 접합형성기술, 모듈화에서 시스템에 이르기까지 실제로 여러 가지 연구개발 노력이 중첩되어 있다.

태양전지의 동작원리는 반도체 p-n 접합으로 구성된 태양전지(Solar Cell)에 큰 에너지를 가진 파장영역의 태양광이 입사되면 광에너지에 의해 전자, 정공 쌍이 여기되고 분리된다. 이러한 전자와 정공이 이동하여 층과 층을 각각 음극과 양극으로 대전시킴으로써 기전력이 발생, 외부에 접속된 부하에 전류가 흐른다.

태양전지의 변환효율(Energy Conversion Efficiency)은 입사되는 태양복사광 에너지와 태양전지의 단자에서 나오는 전기 출력에너지의 비를 퍼센트로 표시한 것이다. 국제 전기규격 표준화위원회(IEC TC-82)에서는 지상용 태양전지에 관해 태양 복사의 공기질량 통과조건이 통과공기질량(AM : Air Mass) 1.5로 100㎽/㎠의 입력광 파워에 대해 부하조건을 바꿀 경우의 최대 출력과 비율를 백분율로 표시한 것을 공칭효율이라 정의하고 있다.

현재 시판되고 있는 단결정 실리콘 태양전지 기판은 대부분 IC제조용으로 생산된 실리콘 규격제품을 다시 재용융해 결정을 성장시켜 사용하고 있다. 다결정 실리콘 태양전지는 기판으로 고순도 다결정체를 사용, 원리적으로는 단결정계와 거의 동일하다. 단결정 실리콘 기판의 제조는 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요하다. 때문에 태양전지의 제조단가가 높다. 따라서 단결정 실리콘에 비해 가격은 약 30% 정도가 저렴하지만 효율은 거의 버금가는 다결정 실리콘 태양전지가 최근 각광을 받고 있다.

트랜지스터나 IC와 같은 반도체 제품인 태양전지는 양산화에 의한 규모 효과(Scale Merit)가 크다. 다시 말해 응용분야가 넓으면서 수요가 증가하면 상당한 정도의 저코스트화가 달성될 수 있는 요인을 갖고 있다. 이러한 규모 효과의 이용에 의한 저코스트화의 관점에서 넓은 용도를 갖는 응용시스템의 개발도 이 분야의 산업육성에 필요한 과제의 하나라고 말할 수 있다. 사실 지난 10년간 솔라 계산기로 대표되는 민생용 전자기기, 고속도로나 철도의 신호기, 양수펌프, 골프카트, 솔라 자동제초기, 솔라 자동차, 솔라 보트 등 새로운 응용분야가 활발히 개척되고 있다.

한편 전력용으로 각종 규모의 실험 플랜트가 전세계에서 각국의 건설 프로젝트로 진행되고 있다. 태양광 발전시스템의 최우선 목표는 전력망과 연계한 태양광 발전소의 건설이다. 현재 가동중인 세계 최대의 태양광 발전소는 아르코솔라사가 미국의 캘리포니아주에 건설한 7.2㎿ 규모의 발전소이다. 대기오염 등 환경문제를 고려해 무공해 운송수단으로 태양열 자동차, 비행기 등의 개발도 시작되고 있다.

「태양전지의 모듈가격이 어느 정도까지 내려가면 실용화할 수 있는가」란 문제는 사용장소에서의 평균 일조시간, 기존 발전기술의 발전원가, 태양전지의 에너지 회수시간 등과 맞물려 각종의 케이스 스터디가 진행되고 있다. 한 구체적인 시산 결과에 의하면 대규모 집중발전에서 BOS(Balance Of System)의 점유율을 50%로 가정해도 모듈원가가 W당 2800원이 되어 향후 10년 정도 상용전력으로도 채산성이 맞을 것으로 예상되고 있다.

미국은 정부의 주도로 「100만호 주택태양광 시스템」과 같은 대규모 태양광 발전시스템을 계속적으로 증설하고 있으며 전기자동차의 생산을 의무적으로 늘려나가는 법안을 통과시켜 이미 시행하고 있다. 산업체 또한 새로운 공장과 생산량을 꾸준히 늘려가고 있다. 일본에서는 주택용 태양광 발전시스템이 보급단계를 맞고 있다. 일본 통산성은 이 시스템의 시장규모를 2000년에는 약 1조2000억원으로 예상하고 있다.

한편 가정에서 쓰고 있는 평균적인 전기사용량을 고려하면 4인 가족 기준으로 연간 대략 3000kWh의 전기가 필요하다. 현재 판매되고 있는 3㎾급 태양광 발전시스템은 전기의 대부분을 자가발전할 수가 있고 우기나 야간 등 태양광이 없을 때에는 전력회사로부터 전기를 사고, 반대로 쓰고 남은 태양광발전의 전기는 전력회사에 파는 것으로 되어 있다.

일본의 주택용 태양광 발전시스템은 △지붕 위에 설치하는 태양전지 모듈(태양광에너지를 전기로 바꾸는 패널) △접속상자(태양전지 모듈로 얻은 전기를 모으는 장치) △인버터(자가발전한 직류의 전기를 가정용 교류로 변환하는 장치)로 구성돼 분전반에서 각 전기제품으로 전기가 흐르게 되어 있다. 이외에 태양광 발전과 전력회사 전기의 교류측 개폐기, 파는 전기와 사는 전기의 양을 나타내는 전력량계가 세트로 되어 있다. 현재 일본은 정부 주도로 개인주택용 태양광 발전시스템의 설치비용을 30% 무상지원해 주고 있으며 「선샤인 프로젝트」라는 국가차원의 대규모 태양에너지 개발계획을 진행중이다.

국내의 경우 지난 95년 세계 최고 수준의 상업용 태양전지인 변환효율 19%의 BCSC(Buried Contact Solar Cell) 단결정 실리콘 태양전지가 개발됐다. 이것은 실리콘 웨이퍼에 Nd:YAG 레이저로 폭 20미크론(1㎛ : 1백만분의 1m), 깊이 60㎛의 홈을 형성한 후 니켈, 구리를 무전해도금법으로 증착하여 전극을 형성, 태양전지로 입사되는 빛의 손실을 대폭 줄이고 전하수집률을 높인 게 특징이다. 또한 변환효율 19.2%의 PESC(Passivated Emitter Solar Cell) 태양전지를 개발해 세계적 공인기관인 독일 프라운호퍼 태양전지연구소의 「PV-Chart」에 기록됐다.

에너지 산업표준에서 볼 때 아직은 미미한 수준이지만 태양에너지 시장은 세계 원유 생산속도보다 10배 빠른 성장을 보였다. 2020년까지 연간 25%씩 성장한다고 보았을 때 2020년에 태양에너지 용량은 10만6000㎿에 달하게 될 것이다. 이는 핵발전소 30∼40개가 낼 수 있는 전력량이다.

미국 새크라멘토에 있는 한 공익사업체에서는 남서방향의 지붕, 공원구역, 전력송출선 회랑지대를 태양전지판으로 덮어주기만 해도 지역 최고 전력수요량의 6분의 1에 해당하는 400㎿ 전기를 발전할 수 있을 것으로 추정하고 있다. 에너지회사인 셸사의 한 연구에서는 태양에너지를 비롯한 재생에너지원이 현재 세계 에너지사용의 1% 미만에서 2020년에는 5∼10%로, 21세기 중반에는 50%까지 성장할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

우리나라가 OECD에 가입하고 97년 일본 교토에서 열린 기후협약회의에서 「이산화탄소 배출권 거래제」가 합의된 이후 환경문제가 집중 거론되면서 「이산화탄소를 내뿜으려면 돈을 내라」는 뜻의 「탄소세」라는 단어가 이제 우리에게 낯설지가 않다. 이제 태양광 발전이 더 이상 남의 나라 이야기만은 아니다. 환경오염이 날로 극심해져 가고 있는 현실에서 대체에너지 개발은 바로 우리나라의 생존을 위해서 절대적으로 필요한 것이다. 앞으로 대체에너지의 총아인 태양광 발전의 개발이 정부나 산업체에서 더욱 활기를 띠고 이뤄져야 할 것이다.

상기와 같이 태양광발전(太陽光發電 )은 발전기의 도움 없이 태양전지를 이용하여 태양 빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식으로, 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 장점이 있다.

상기한 장점 때문에 종래에는 다수의 태양광 발전장치가 특허 및 실용신안으로 출원되어 등록된바 있다.

그 중에서 특허등록 제0803999호(출원번호 제2006-0129221호)(명칭: 태양열을 이용한 집열장치)가 출원되어 등록된바 있다.

즉, 상기한 종래의 기술적 구성은 도 1(a)(b)에 도시된 바와 같이 태양열을 모아서 반사시켜주는 태양열 집열판(10)과, 태양열 집열판(10)을 회전 작동시키는 회전장치(30)와, 태양열 집열판(10)의 중앙부분에서 태양열을 흡수하는 태양열 흡수배관파이프(20)와, 태양열에 의해 데워진 온수를 보관하거나 유출입시키는 온수탱크(50)와, 태양열의 흡수를 위해 태양열 집열판(10)을 작동시키는 제어반(40)으로 구성된 것이다. 상기 본 발명의 태양열 집열판(10)은 내면에 반사판(11)을 부착한 원형의 오목접시 형상으로 중앙에 태양열 흡수배관파이프(20)를 결합하기 위한 관통공(12)을 형성하였으며, 태양열 집열판(10)의 배면에는 고정브라켓트(80)를 설치하여 회전용 대기어(31)를 일체로 한다. 상기 태양열 집열판(10)의 내면에 부착되는 반사판(11)은 제작에 따라 여러 개의 반사판(11)으로 분할하여 부착할 수도 있고 하나의 면으로 만들어서도 부착이 가능하며 일반적인 거울이나 광택이 나는 금속을 사용하여서 제작할 수 있는 것이다. 또한 상기의 태양열 집열판(10)은 경사각이 약15℃의 기울기로 고정하기 위해 연결축(81)을 결합한 고정브라켓트(80)를 사용하여 지주대(60) 상단에 연결축(81)을 삽입하여 연동되게 결합하며 이의 고정브라켓트(80)의 연결축(81)에 베어링이나 부싱과 같은 보조부재를 사용하며 하단부분에 결합하는 회전장치(30)의 회전용 대기어(31)를 일체로 하여 지주대(60) 일측에 고정되는 모터(70) 축에 고정한 작동 소기어(32)에 맞물리게 한다. 상기 태양열 흡수배관파이프(20)는 코일형상으로 상단부에 내부가 공간으로 된 완충탱크(21)를 일체로 하여 태양열 집열판(10)의 중앙부분 관통공(12) 아래에서 시작하여 상단의 완충탱크(21)와 연결되며 다시 코일형상으로 관통공(12) 아래로 유입되는 적층형식으로 원형 일자 형상으로 된다. 이의 태양열 흡수배관파이프(20)는 태양열 집열 판(10)이 결합되어 지지하여 주는 지주대(60)의 상단에 고정되며 냉수유입구(22)와 온수배출구(23)를 아래부분으로 같이 인출시켜 주어 온수탱크(50)에 연결되도록 한다. 상기 태양열 흡수배관파이프(20)의 냉수유입구(22)와 온수배출구(23)를 연결 시키는 온수탱크(50) 사이에는 각각 유입밸브(25)와 역류방지밸브(26)를 결합하여 선택적으로 사용할 수 있게 하였다. 상기 온수탱크(50)는 외부의 저수조(90)와 연결되어 있으며 일측에 태양열 흡수배관파이프(20)의 냉수유입구(22)와 온수배출구(23)를 연결하였으며, 저수조에서 유입되는 물은 온수탱크(50) 내부에 설치되는 볼탑에 의해 조절이 되며 항상 일정한 수위를 유지시킨다. 상기 온수탱크(50)에는 고온센서(51)와 저온센서(52)과 수위계(53)를 설치하여 온수탱크(50)의 수위 높이를 육안으로 인식할 수 있게 함과 동시에 저장되는 온도를 식별할 수 있게 한 것이다. 상기의 제어반(40)은 고온수온도계(41)와, 저온수온도계(42), 태양열온도계(43), 태양열 집열판(10) 회전용 타이머(44)의 설치와 함께 전원스위치와 콘트롤박스를 내장하여 지주대(60)에 결합되는 모터(70)에 연결하고, 온수탱크(50)의 고온센서(51)와 저온센서(52)에 연결하여 이를 감지하도록 하였다.

이와 같이 구성된 태양열을 이용하여 냉수를 가열시켜 온수로 저장하도록 하고자 하면 먼저 저수조(90)에 저장된 냉수를 온수탱크(50)로 공급한다. 이때 공급되는 냉수는 저장탱크(50) 내부의 볼탑(54)에 의해 유입되며 이의 볼탑(54)은 외부의 파이프를 통해 저수조(90)의 물을 공급받는다. 계속되는 물의 공급으로 물이 태양열 흡수배관파이프(20)의 유입밸브(25)를 지나 냉수유입구(22) 통해 유입된 물은 위쪽으로 상승하여 완충탱크(21)를 지나 다시 아래로 유입되어 하단의 온수배출 구(23)와 역류방지밸브(26)를 지나 온수탱크(50)로 유입되면 작동준비 상태가 되는 것이다. 상기의 냉수는 완충탱크(21) 내부에서 모두 채워지지 않으며 완충탱크(21) 하단부분에 수위가 도달하도록 하여 완충탱크(21)는 일정한 여유공간을 확보하여 준다. 이와 같은 상태에서 태양 빛이 태양열 집열판(10)에 비추어지면 태양 빛이 반사판(<31> 11)에 비추어지면 반사판(11)에 비춰 진 태양 빛은 완만한 오목 형상으로 되어져 태양 빛이 태양열 집열판(10)의 중앙부분으로 집중하게 되면 태양열 집열판(10)의 관통공(12)에 관통되어 지주대(60) 상단에 고정된 태양열 흡수배관파이프(20)에 집중적으로 비춰 진다. 이렇게 태양 빛이 집중적으로 태양열 흡수배관파이프(20)에 비춰 지면 태양열 흡수배관파이프(20)는 태양 빛을 흡수하여 데워지기 시작하게 된다. 이렇게 태양열 흡수배관파이프(20)가 데워지면 태양열 흡수배관파이프(20)를 통과하는 냉수가 데워져 온수로 변화되어 더운 온도의 온수는 위쪽으로 상승하여 올라가며 차가운 냉수는 냉수유입구(22)를 통해 태양열 흡수배관파이프(20)로 유입되며 지속적으로 순환하게 된다. 이때 순환되는 온수는 자연대류 현상에 의해 더운 온수는 위쪽으로 상승하고 차거운 냉수는 아래에서 유입되게 한 것이나 냉수유입구(22) 측에 순환모터를 설치하여 강제로 순환 시킬 수 있도록 한다. 상기와 같이 태양열을 흡수하는 과정에 있어 시간이 경과 하면서 태양이 점진적으로 동쪽에서 서쪽으로 이동하게 되는데 이의 일출시간과 일몰시간에 따라 태양이 이동하는 방향에 따라 이를 제어반(40)의 제어기에 설치되는 타이머를 이용하여 설정하여 둠으로 일정한 시간이 경과하면 제어반(40)의 제어기의 타이머가 작동하여 모터(70)가 작동하면 모터(70) 축에 결합된 소기어(32)가 회전하면서 소기어(32)에 맞물려 있는 회전용 대기어(31)가 회전하게 된다. 상기와 같이 작동하는 회전용 대기어(31)는 이와 결합 된 고정브라켓트(80)의 연결축(81)을 회전시켜 태양열 집열판(10)을 회전시킨다. 이때 태양열 집열판(10)은 중앙에 형성한 관통공(12)에 의해 관통공(12)을 통과한 태양열 흡수배관파이프(20)는 정지 상태에서 움직이지 않고 태양열 집열판(10) 부분만 회전하게 되는 것이다. 상기와 같이 태양열 흡수배관파이프(20)를 통한 냉수의 온도가 계절변화에 따라 과도하게 온도가 유지되어 가열되면 태양열 흡수배관파이프(20) 상단의 완충탱크(21)에 의해 충격을 흡수하여 태양열 흡수배관파이프(20)에 발생하는 과부하를 해소하여 안전하게 사용할 수 있도록 한 것이다. 이렇게 데워진 온수는 온수탱크(21)에 결합 된 반대편의 태양열 흡수배관파이프(20)를 통해 아래로 유입되어 온수배출구(23)를 통해 온수탱크(50)로 유입되어 회수된다. 상기의 온수배출구(23)측에 결합한 역류방지밸브(26)는 온도차이에 의해 온수탱크(50)의 온수가 역류됨을 방지하기 위해 설치한 것이다. 이와 같이 된 본 발명은 온수탱크(50)에 저장된 온수의 온도를 제어반(40)에 설치한 고온수 온도계(41)와 저온수 온도계(42), 태양열 온도계(43)에 의해 쉽게 육안으로 확인할 수 있는 것이다. 상기처럼 온수탱크(50)에 온수가 저장되면 온수탱크(50)에 별도의 온수 분배기를 설치하여 외부에 밸브를 사용하여 온수를 사용하거나 난방파이프(55)를 연결하여 난방용 온수로 사용할 수 있는 것이다.

그러나 상기한 종래의 기술도 다음과 같은 많은 문제점을 내포되었다.

즉, 상기한 종래의 기술은 구조적으로 하나의 반사판에 의해 반사효율이 적고, 반사판을 이용하여 집중적으로 일정 지점에 반사할 수 없으며, 더하여 열전류 발생장치와 증기터빈을 구동할 수 없다는 커다란 문제점이 발생 되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 구동부와 집열부 그리고 히팅부에 의해 태양열 집열 장치가 구비됨을 제1목적으로 한 것이고, 제2목적은 상기한 기술적 구성에 의해 복수개의 반사경으로 태양광을 포집한 후 히팅집열탱크에 집중 반사시키게 되면 히팅집열탱크의 내부를 순환하는 물을 고열로 가열하여 축열시킬 수 있도록 한 것이며, 제3목적은 상기 축열은 냉·난방 및 온수로 사용할 수 있도록 한 것이고, 제4목적은 상기 축열을 이용하여 열전류발생장치 및 증기터빈과 연결하여 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것이며, 제5목적은 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 태양열 집열 장치를 제공한다.

이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 태양열 집열 장치에 있어서, 지주대의 상단에 구비되며, 집열부를 상하좌우로 작동시키는 구동부; 상기 구동부의 작동에 의해 동작되며, 태양광을 포집하여 히팅부를 가열시키는 집열부; 및 상기 집열부의 선단에 구비되며, 내부를 순환하는 물을 열교환하면서 가열시키는 히팅부;에 태양열 집열 장치가 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치를 제공한다.

상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 구동부와 집열부 그리고 히팅부에 의해 태양열 집열 장치가 구비되도록 한 것이다.

본 발명은 상기한 기술적 구성에 의해 복수개의 반사경으로 태양광을 포집한 후 히팅집열탱크에 집중 반사시키게 되면 히팅집열탱크의 내부를 순환하는 물을 고열로 가열하여 축열시킬 수 있도록 한 것이다.

그리고 본 발명은 상기 축열은 냉·난방 및 온수로 사용할 수 있도록 한 것이다.

더하여 본 발명은 상기 축열을 이용하여 열전류발생장치 및 증기터빈과 연결하여 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 상기한 효과로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

이하에서는 이러한 효과 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 적용된 태양열 집열 장치은 도 2 내지 도 10 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명은 지주대(101)의 상단에 구비되며, 집열부(120)를 상하좌우로 작동시키는 구동부(110)와, 상기 구동부(110)의 작동에 의해 동작되며, 태양광을 포집하여 히팅부(140)를 가열시키는 집열부(120); 및 상기 집열부(120)의 선단에 구비되며, 내부를 순환하는 물을 열교환하면서 가열시키는 히팅부(140);에 의해 태양열 집열 장치(100)가 구비되는 것이다.

상기한 기술적 구성을 이하에서 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 상기 구동부(110)는 도 4(a)(b)에 도시된 바와 같이 지주대(101)의 상단에는 피동기어(112)가 구비된다.

그리고 상기 피동기어(112)의 상단에 축설되며, 집열부(120) 및 히팅부(140)와 함께 선택적으로 회전 작동하는 회전판(111)이 구비된다.

또한 상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되고, 피동기어(112)와 상호 맞물린 상태에서 구동기어(114)를 회전시키는 기어구동모터(113)가 구비된다.

아울러 상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되며, 유니버셜조인트(116)를 중심으로 앞뒤에 설치된 스크류(117)를 구동시켜 프레임(121)을 선택적으로 상하로 동작시키는 스크류구동모터(115)가 구비된다.

더하여 하단은 상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되고, 상단은 힌지 축(119)으로 연결되는 아암(118)이 구비되어 구성된다.

또한 본 발명에 적용된 상기 집열부(120)는 도 3, 도 4(a)(b)에 도시된 바와 같이 구성된다.

즉, 일단은 상기 힌지축(119)과 조립 설치되고, 타단은 스크류(117)에 조립 설치되는 프레임(121)이 구비된다.

이때 상기 프레임(121)은 후술하는 반사경(126)이 히팅부(140) 쪽으로 향하도록 곡선지게 형성함이 바람직하다.

또한 상기 프레임(121)에는 일정 간격으로 복수개가 조립 설치되는 반사경받침대(125)가 구비된다.

그리고 상기 각각의 반사경받침대(125)에는 태양광을 포집하며, 금속성의 스테인레스판과 유리 또는 거울 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 반사경(126)이 조립 설치된다.

본 발명은 또한 도 3 의 부분 확대도에서와 같이 상기 프레임(121)과 반사경받침대(125)의 사이에 구비되며, 각도조절기(130)를 이용하여 반사경(126)의 각도를 선택적으로 조절하게 조절구지지대(122)가 구비됨은 물론 이 조절구지지대(122)와 반사경받침대(125)의 사이에는 스프링(124)이 끼워진 조절구(123)가 조립 설치된다.

이때 상기 각도조절기(130)는 도 3 에 도시된 바와 같이 반사경모조판(131)에 폴대(132)를 삼각형 모양으로 세운 후 그 삼각형 모양 상부 중심에 초점부(133)가 구비되어 구성된다.

또한 본 발명에 적용된 상기 반사경(126)은 태양광을 포집한 후 집중 반사시키킬 수 있도록 오목한 반사면(126a)으로 형성된다.

아울러 상기 반사면(126a)의 전면에는 도 4(a)(b)의 부분 확대도에 도시된 바와 같이 반사율을 높일 수 있는 알루미늄, 은, 크롬중에서 선택된 어느 하나의 금속증착층(126b)이 더 코팅되고, 상기 금속증착층(126b)의 외주면에는 금속증착층(126b)을 보호할 수 있도록 우레탄을 UV코팅 처리한 보호막(126c)이 구비되어 구성된다.

더하여 본 발명에 적용된 상기 반사경(126)은 도면상 원형으로 도시하였으나, 이는 어디까지나 설명의 편의상 도시한 것일 뿐, 본 발명은 이에 국한하지 않고 삼각, 사각, 다각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성함이 바람직하다.

본 발명은 또한 상기 프레임(121)에 태양광을 실시간 추적하는 태양추적장치(150)가 구비된다.

한편, 본 발명에 적용된 상기 히팅부(140)는 도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 구성된다.

즉, 프레임(121)의 선단으로 관지지구(147)가 돌출 구비된다.

그리고 상기 관지지구(147)의 내부에는 유입관(143) 및 배출관(144)이 구비되어 구성된다.

아울러 상기 유입관(143) 및 배출관(144)의 선단에는 원뿔형 또는 평면의 달팽이모양으로 권취된 히팅집열탱크(142)가 구비된다.

더하여 상기 유입관(143)의 끝단에는 유입구(145)가 배출관(144)의 끝단에는 배출구(146)가 연결 구비된다.

또한 본 발명에 적용된 상기 히팅집열탱크(142)의 선단에는 히팅집열탱크(142)를 지지하는 히팅집열탱크고정판(141)이 구비되어 구성된다.

그리고 상기 히팅집열탱크(142)는 열전도율이 높은 은, 구리(동), 금, 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.

본 발명에 적용된 상기 태양열 집열 장치(100)는 도 5 내지 도 7 에 도시된 바와 같이 태양열 집열 장치를 제1, 제2, 제3의 실시 예와 같이 구동하기 위한 태양전지(160)가 연결 구비된다.

이때 상기 제1실시예의 구성은 도 5 에 도시된 바와 같이 상기 태양열 집열 장치(100)를 이용하여 난방 및 온수로 사용할 수 있도록 히팅부(140)의 유입구(145) 및 배출구(146)와 연결되는 순환모터(161)가 구비된다.

또한 상기 순환모터(161)에는 난방장치(162)가 연결 구비되고, 상기 태양전지(160)에는 충전장치(163)와 축전장치(164)가 순차적으로 연결 구비된다.

또한 본 발명의 제2실시예의 구성은 도 6 에 도시된 바와 같이 상기 순환모터(161)에는 열을 전기로 변환시켜 난방과 온수 및 소형 가전제품을 사용할 수 있도록 열전류발생장치(170)가 연결 구비됨은 물론 이 열전류발생장치(170)에는 난방장치가 연결 구비되어 구성된다. 이외의 나머지 기술적 구성은 전술한 도 5 와 동일하게 구성된다.

그리고 본 발명의 제3실시예의 구성은 도 7 에 도시된 바와 같이 상기 순환모터(161)에는 열을 전기로 변환시켜 난방과 온수 및 대형 가전제품을 사용할 수 있도록 증기터빈(180)이 연결 구비됨은 물론 이 증기터빈(180)에는 난방장치가 연결 구비되어 구성된다. 이외의 나머지 기술적 구성은 전술한 도 5 와 동일하게 구성된다.

한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.

그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명 태양열 집열 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명은 복수개의 반사경(126)으로 태양광을 포집한 후 히팅집열탱크(142)에 집중 반사시키게 되면 히팅집열탱크(142)의 내부를 순환하는 물을 고열로 가열하여 축열시킬 수 있도록 한 것이며, 상기 축열은 냉·난방 및 온수 그리고 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

이하에서는 상기한 본 발명의 기술적 작동 관계를 보다 상세히 설명하기에 앞서 본 발명은 도 3 과 같은 각도조절기(130)를 이용하여 집열부(120)의 반사경(126) 각도를 히팅부(140)로 향하게 조절한 후 도 2 와 같이 결합시켜 사용하게 된다.

먼저, 반사경모조판(131)을 반사경받침대(125)에 올려놓는다. 이때 폴대(132)의 상단 중심에 구비된 초점부(133)가 향하는 위치가 히팅부(140)로 향하면 그대로 셋팅하면 되는데 그렇지 못할 경우, 즉 초점부(133)가 히팅부(140)로 향하지 않으면 반사경받침대(125)의 각도를 조절하는 것으로, 이때는 도 3 의 확대도와 같이 조절구(123)를 풀고 조임에 따라 스프링(124)이 압축 및 벌이지게 되는 원리를 이용하게 되면 조절구지지대(122)를 중심으로 반사경받침대(125)의 각도를 상하좌우로 조절하게 되고, 이 과정에 따라 반사경모조판(131)의 초점부(133)를 히팅부(140)로 향하게 한 후 이와 동일하게 형성된 반사경(126)을 반사경받침대(125)에 조립 설치하면 태양광을 히팅부(140)로 집열시킬 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 설치된 상태에서 본 발명은 도 5 내지 도 7 의 제1, 제2, 제3의 실시예와 같이 작동시켜 사용할 수 있는 것으로, 이하에서 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 태양열 집열 장치(100)에 구비된 태양추적장치(150)는 태양광을 실시간 쫓아 추적하여 구동부(110)를 구동시키게 되는 것으로, 상기 구동부(110)의 구동에 의해 집열부(120)는 항상 태양의 움직임에 따라 태양을 바라보면서 태양광을 받을 수 있는 최적의 위치를 제공하게 된다.

상기 구동부(110)의 구동에 의해 집열부(120)는 상하좌우로 작동하게 되는 것으로 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 집열부(120)가 좌우로 움직이게 되는 것을 설명하도록 하겠다.

회전판(111)의 상단에 구비된 기어구동모터(113)가 선택적으로 정역 구동하게 되면 이의 하단에 구비된 구동기어(114)가 정역 회전하게 되는데, 이때 상기 구동기어(114)는 피동기어(112)와 상호 맞물려 설치된 관계로 상기 구동기어(114)의 정역 구동에 의해 회전판(11)이 정역 회전하게 되고, 이는 결과적으로 회전판(111)의 상단에 구비된 모든 구성, 즉 집열부(120)를 좌우로 작동시키게 된다.

또한 상기 집열부(120)가 상하로 움직이게 되는 것을 설명하도록 하겠다.

회전판(111)의 상단에 구비된 스크류구동모터(115)가 선택적으로 정역 구동하게 되면 이의 선단에 구비된 스크류(117)가 정역 회전하면서 프레임(121)을 당기고 밀게 되는데, 이 과정에서 프레임(121)은 아암(118)의 상단 힌지축(119)을 중심으로 회전 작동하게 되고 동시에 프레임(121)이 상하로 작동하는 과정에서 양단으로 분리된 2개의 스크류(117)는 중간에 구비된 유니버셜조인트(116)에 의해 절곡되면서 작동할 수 있게 되어 결과적으로 집열부(120)를 상하로 작동시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 집열부(120)는 히팅부(140)를 가열시키는 것으로, 실재로 도 9 와 같이 담배 불을 붙일 정도이고, 도 10 에 도시된 바와 같이 약 750∼850℃ 집열온도를 측정할 수 있었다.

상기 온도는 히팅집열탱크(142)를 순환하는 물을 가열시켜 도 5 내지 도 7 과 같은 냉·난방 및 온수 그리고 전원 및 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 것으로, 도 5 는 보일러와 연결하여 난방 및 온수로 사용할 수 있는 것으로, 열원을 순환펌프(161)를 이용하여 물탱크의 물을 가열하여 축열하여 사용하게 된다. 그리고 도 6 은 보일러 및 열전류발생장치(170)와 연결하여 사용할 수 있는 것으로, 난방 온수 및 소형 가전제품을 사용하며, 특히 열원에 열전대를 부착하여 열을 전기로 변환시켜 충전장치(163) 및 축전장치(164)에 축전하여 소형 가전제품을 사용하고 열은 순환펌프를 이용하여 물탱크의 물을 가열하여 축열하여 사용하게 되고, 또한 도 7 은 증기터빈(180)을 연결하여 사용할 수 있는 것으로, 중형가전제품 사용 및 일부는 온수로 사용하는 것으로, 특히 열원에 증기터빈(180)을 부착하여 고효율로 열을 전기로 변환시켜 충전장치(163) 및 축전장치(164)에 축전하여 중형가전제품을 사용하고 일부를 순환펌프를 이용하여 물탱크의 물을 가열하여 축열하게 된다.

이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

물이 유입구(145)와 유입관(143)을 통해서 유입되면 히팅집열탱크(142)를 순환하게 되는데, 이때 반사경(126)이 태양광을 포집한 후 고열을 히팅부(140)로 집열하게 되면 히팅집열탱크(142)의 내부를 순환하는 물이 가열되면서 결과적으로 가열된 물은 축열되어 배출관(144)과 배출구(145)를 통해 순환모터(161)를 거쳐 난방장치(162)(도5) 또는 열전류발생장치(170)(도6) 도는 증기터빈(180)(도7)으로 유입되어 각각 별도의 에너지원으로 사용하게 되는 것이다.

이때 본 발명에 적용된 상기 반사경(126)은 오목한 반사면(126a)에 의해 태양광을 포집한 후 집중 히팅부(140)로 반사시키킬 수 있게 되고,

아울러 상기 반사면(126a)의 전면에는 반사율을 높일 수 있는 알루미늄, 은, 크롬 등의 금속증착층(126b)이 코팅되고, 상기 금속증착층(126b)의 외주면에는 우레탄을 UV코팅 처리한 보호막(126c)이 구비되어 금속증착층(126b)을 보호할 수 있도록 하게 된다.

본 발명 태양열 집열 장치의 기술적 사상은 실제로 동일결과를 반복 실시 가능한 것으로, 특히 이와 같은 본원발명을 실시함으로써 기술발전을 촉진하여 산업발전에 이바지할 수 있어 보호할 가치가 충분히 있다.

도 1 의 (a)는 종래 태양열을 이용한 집열장치의 사시도이고,

(b)는 종래 태양열을 이용한 집열장치의 측단면도이다.

도 2 는 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 사시도.

도 3 은 본 발명의 집열부 만을 보인 사시도.

도 4 의 (a)(b)는 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 동작 상태도.

도 5 는 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 제1실시예의 사용상태도.

도 6 은 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 제2실시예의 사용상태도.

도 7 은 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 제3실시예의 사용상태도.

도 8 은 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 실재 제품사진.

도 9 는 본 발명에 적용된 히팅집열탱크의 요부 확대 사진.

도 10 의 (a)(b)(c)(d)는 본 발명에 적용된 태양열 집열 장치의 시험결과

를 보여주는 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 태양열 집열 장치

101: 지주대

110: 구동부

120: 집열부

140: 히팅부

Claims (17)

1. 삭제
2. 지주대(101)의 상단에 구비되며, 집열부를 상하좌우로 작동시키는 구동부(110); 상기 구동부(110)의 작동에 의해 동작되며, 태양광을 포집하여 히팅부를 가열시키는 집열부(120); 상기 집열부(120)의 선단에 구비되며, 내부를 순환하는 물을 열교환하면서 가열시키는 히팅부(140);에 의해 태양열 집열 장치(100)가 구비된 태양열 집열 장치에 있어서,

   상기 구동부(110)는,

   지주대(101)의 상단에 고정 설치된 피동기어(112);

   상기 피동기어(112)의 상단에 축설되어 집열부 및 히팅부와 함께 선택적으로 회전 작동하는 회전판(111);

   상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되고, 피동기어와 상호 맞물린 상태에서 구동기어(114)를 회전시키는 기어구동모터(113);

   상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되며, 유니버셜조인트를 중심으로 앞뒤에 설치된 스크류를 구동시켜 프레임을 선택적으로 상하로 동작시키는 스크류구동모터(115); 및

   하단은 상기 회전판(111)의 상단에 고정 설치되고, 상단은 힌지축으로 연결되는 아암(118);이 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
3. 청구항 2 에 있어서,

   상기 집열부(120)는,

   일단은 힌지축과 조립 설치되고, 타단은 스크류에 조립 설치되는 프레임(121);

   상기 프레임에 일정 간격으로 복수개가 조립 설치되는 반사경받침대(125); 및

   상기 각각의 반사경받침대(125)에는 태양광을 포집하며, 금속성의 스테인레스판과 유리 또는 거울 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 반사경(126);이 조립 설치됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
4. 청구항 3 에 있어서,

   상기 프레임(121)과 반사경받침대(125)의 사이에 구비되며, 각도조절기(130)를 이용하여 반사경의 각도를 선택적으로 조절하게 조절구지지대(122)가 구비됨은 물론 이 조절구지지대와 반사경받침대의 사이에는 스프링(124)이 끼워진 조절구(123)가 조립 설치됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
5. 청구항 4 에 있어서,

   상기 각도조절기(130)는,

   반사경모조판(131)에 폴대(132)를 삼각형 모양으로 세운 후 그 삼각형 모양 상부 중심에 초점부(133);가 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
6. 청구항 3 에 있어서,

   상기 프레임(121)은,

   반사경이 히팅부 쪽으로 향하도록 곡선지게 형성함을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
7. 청구항 3 에 있어서,

   상기 반사경(126)은,

   태양광을 포집한 후 집중 반사시키킬 수 있도록 오목한 반사면(126a)을 형성함을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
8. 청구항 7 에 있어서,

   상기 반사면(126a)의 전면에는 반사율을 높일 수 있는 알루미늄, 크롬중에서 선택된 어느 하나의 금속증착층(126b)이 더 코팅되고, 상기 금속증착층의 외주면에는 금속증착층을 보호할 수 있도록 우레탄을 UV코팅 처리한 보호막(126c);이 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 청구항 2 에 있어서,

    상기 히팅부(140)는,

    프레임(121)의 선단으로 돌출 구비된 관지지구(147);

    상기 관지지구의 내부에 조립 설치되는 유입관(143) 및 배출관(144);

    상기 유입관(143) 및 배출관(144)의 선단에 구비되며, 원뿔형 또는 평면의 달팽이모양으로 권취된 히팅집열탱크(142); 및

    상기 유입관의 끝단에는 유입구(145)가 배출관의 끝단에는 배출구(146)가 연결 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
12. 청구항 11 에 있어서,

    상기 히팅집열탱크(142)의 선단에는 히팅집열탱크를 지지하는 히팅집열탱크고정판(141)이 더 구비됨을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
13. 청구항 11 에 있어서,

    상기 히팅집열탱크(142)는 열전도율이 높은 은, 구리(동), 금, 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제

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