KR100941926B1 - 태양전지-태양열에너지 병합장치 - Google Patents

태양전지-태양열에너지 병합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파손을 방지하고, 발전효율을 극대화시킬 수 있는 태양전지-태양열에너지 병합장치를 제공하고자 한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 태양열을 집광하는 집광유닛(100)과 상기 집광유닛(100)에 의하여 집광된 태양광을 파장별로 분류하는 스펙트럼유닛(150)과 상기 스펙트럼유닛(150)에 의하여 분류된 태양광 중 선택된 영역의 파장에 해당하는 태양광을 전달하는 복수개의 광섬유(210)와 상기 복수개의 광섬유(210) 각각에 연결되어 각각 선택된 태양광 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 복수개의 태양전지(340)를 구비함과 동시에 상기 집광유닛(100)과 별도의 이격된 장소에 설치되는 태양전지유닛(300)을 포함하여 구성되는 태양광발전유닛(2) 및 상기 집광유닛(100)에 연결되어 상기 집광유닛(100)에 의하여 집광된 태양광 중 선택된 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 태양열발전유닛(1)을 포함하여 구성된 태양전지-태양열에너지 병합장치를 제공한다.
태양광, 태양열, 집광

Description

태양전지-태양열에너지 병합장치{Photovoltaic-Thermal Energy Congeneration System}
본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광발전 및 태양열발전을 동시에 할 수 있는 병합발전장치에 관한 것이다.
본 발명은 태양 및 광원을 집광열하여 생활에 이용할 수 있는 발광, 발열, 발전수단으로 태양광원을 이용한 발전장치에 관한 것이다.
지구 대기밖에 있어서 태양을 향하고 있는 면은 1㎠당 매분 약 1.96cal의 복사 에너지를 받는다. 지구에서는 대기중의 수증기에 의한 흡수나 구름에 의한 반사, 산란 등으로 에너지가 손실되어 1㎠'당 매초 약 1kal의 복사 에너지를 받는다.
이것은 1㎠당 700W의 에너지에 상당하며 지구에 달하는 태양열로 계산하면, 태양은 주위의 공간에 3.90×10 33 의 복사 에너지를 방출하고 있다는 것을 알 수 있다.
이러한 태양에너지를 활용하기 위하여 최근에는, 태양이 복사하는 열에너지를 흡수하여 열기관과 발전기를 움직여서 발전하거나 태양전기에너지로 전환하여 태양전지를 사용하거나, 또는 태양열을 축열하여 난방 및 온수장치에 태양열을 이 용하는 등의 태양열을 이용한 에너지 개발이 활발히 이루어지고 있는 추세이다.
본 발명은 종래의 문제점 및 제결점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 태양광을 파장 별로 분리하여 태양광발전에 유리한 파장에 해당하는 태양광은 태양광발전장치로, 태양열발전에 유리한 파장에 해당하는 태양광은 태양열발전장치로 유도하여 효율적인 발전이 이루어지도록 하는데 그 목적이 있다.
둘째, 본 발명은 태양광 발전 시 메인 구성요소인 태양전지 등이 집광유닛의 상부에 노출되지 않도록 함으로써, 외부 충격 등에 의하여 파손되는 것을 방지하는데 그 목적이 있다.
셋째, 본 발명은 태양광 발전효율이 증대될 수 있는 구조를 이룬 태양전지-태양열에너지 병합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 태양열을 집광하는 집광유닛과 상기 집광유닛에 의하여 집광된 태양광을 파장별로 분류하는 스펙트럼유닛과 상기 스펙트럼유닛에 의하여 분류된 태양광 중 선택된 영역의 파장에 해당하는 태양광을 전달하는 복수개의 광섬유와 상기 복수개의 광섬유 각각에 연결되어 각각 선택된 태양광 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 복수개의 태양전지를 구비함과 동시에 상기 집광유닛과 별도의 이격된 장소에 설치되는 태양전지유닛을 포함하여 구성되는 태양광발전유닛 및 상기 집광유닛에 연결되어 상기 집광유닛에 의하여 집광된 태양광 중 선택된 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 태양열발전유닛을 포함하여 구성된 태양전지-태양열에너지 병합장치를 제공한다.
여기서, 상기 태양전지유닛은 외관을 이루며 내부에 상기 태양전지가 설치되는 케이스 및 상기 케이스 내 설치되며 상기 집광된 광에 의하여 상승된 온도를 낮추기 위한 쿨러를 더 구비할 수 있다.
그리고, 상기 태양전지유닛은 상기 태양전지 및 쿨러를 감싸는 형태로 반사부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 태양열발전유닛은 상기 스펙트럼유닛에 의하여 분류된 태양광 중 선택된 영역의 파장에 해당하는 태양광에 의한 에너지를 이용 열로 변환하는 집열부 및 상기 집열부에 의하여 변환된 열을 이용하여 매체를 통하여 상기 열을 저장하는 축열부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
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상기와 같이 구성된 본 발명 태양전지-태양열에너지 병합장치의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.
첫째, 태양광을 파장 별로 분류한 후 태양광발전에 맞는 파장의 태양광은 태양광 발전을, 태양열에 유리한 파장의 태양광은 태양열 발전에 사용되도록 함으로써 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 태양전지를 집광유닛의 상부가 아닌 다른 곳에 설치하여 외부 환경 요인, 즉 우박이나 강풍 또는 새와 같은 짐승의 오물에 의하여 파손되거나 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 태양전지유닛을 이루는 태양전지 주위로 반사부를 구비하여, 태양광이 바로 태양전지에 흡수되지 못하더라도 상기 반사부에 의하여 반사되다가 다시 태양전지로 흡수되도록 함으로써 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명 태양전지-태양열에너지 병합장치를 이루는 주요 구성간의 관계를 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명 태양전지-태양열에너지 병합장치의 실제 모습을 구현한 실시예이며, 도 3은 상기 도 2의 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-태양열에너지 병합장치는 태양광을 집광하는 집광유닛(100), 태양광을 파장 별로 분류하는 스펙트럼유닛(150), 태양전지를 이용한 태양광발전유닛(2) 및 태양열을 이용 발전하는 태 양열발전유닛(1)으로 이루어진다.
여기서, 상기 집광유닛(100)은 외관을 이루는 반구형의 집광하우징(110)을 포함하여 구성되며, 상기 집광하우징(110)의 내측에는 상기 집광하우징(110)에 입사된 태양광이 집광되는 위치로 스펙트럼유닛(150)이 구비된다.
그리고, 상기 집광유닛(100)을 지지하는 지지프레임(200)이 구비된다.
상기 지지프레임(200)은 상측이 상기 집광유닛(100)에 연결되고 하측은 지면의 일정 위치에 고정되는 관 형태로 구성된다.
한편, 태양광은 자외선, 가시광선, 적외선 등과 같이 다수개의 파장영역에 따라 나뉘어 분류되는데, 상기 스펙트럼유닛(150)은 상기와 같이 분류된 태양광 중 태양광 발전에 유리한 파장에 해당하는 영역은 태양광발전으로 이용되도록 하고, 태양열발전에 유리한 파장에 해당하는 영역은 태양열발전으로 이용되도록 하는 역할을 수행한다.
일반적으로, 태양광발전 시에 사용되는 태양전지의 경우는 적외선 또는 적외선 영역에 가까운 파장의 경우를 사용 시에는 태양전지의 온도가 심하게 증가되고 발전효율이 또한 저하되므로, 자외선 측 파장영역이 주로 태양광발전에 사용되고, 적외선 측 파장이 주로 태양열발전으로 사용될 것이다.
이하에서는, 상기 태양광발전유닛(2)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 태양광발전유닛(2)은 상기 집광유닛(100)을 통해 집광된 광파장 중 상기 스펙트럼유닛(150)에 의하여 분류된 파장이 전달되도록 하는 광섬유(210)가 구 비된다.
도 3에 도시된 것처럼, 상기 광섬유(210)는 상기 지지프레임(200)의 내측을 관통함과 동시에 상기 태양전지유닛(300)에 일단이 연결되는 구조로 설치된다.
한편, 상기 태양전지유닛(300)은 도시된 것처럼 상기 지지프레임(200)에 연결될 수도 있으며, 상기 집광유닛(100)의 상부로 케이스(310) 내부의 태양전지(340)가 노출되거나 파손되지 않는 적절한 위치라면 상기 지지프레임(200)과 별도의 장소에 따로 설치될 수 있다.
즉, 상기 집광유닛(100)은 공간적 활용을 높이고, 외관상의 장점을 가져오는 장소에 설치될 것이며, 지면 아래에 매설된 형태로도 설치가 가능할 것이다.
도 4는 상기 태양전지유닛을 구성하는 주요 구성요소가 설치된 구조를 나타낸 도면이다.
도시된 것처럼, 상기 태양전지유닛(300)은 외관을 이루는 케이스(310), 상기 케이스(310) 내측에 설치되며 상기 광섬유(210)로부터 전달된 태양광을 전기적 에너지로 바꾸어 주는 태양전지(340) 및 상기 케이스(310) 내측에 설치되며 상기 전달되는 집속된 태양광에 의하여 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지할 수 있는 쿨러(330)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 태양전지유닛(300)은 상기 태양전지(340) 및 쿨러(330)를 감싸는 형태로 반사부(320)를 더 구비한다.
상기 반사부(320)는 케이스(310) 내측으로 들어옴과 동시에 상기 태양전지(340)로 바로 흡수되지 못한 태양광 등이 소실되지 않고 상기 반사부(320)에 의 하여 반사되다가 다시 상기 태양전지(340)로 흡수되도록 하는 역할을 한다.
그리고, 상기 케이스(310) 내측에 설치되는 태양전지(340) 및 쿨러(330)는 복수개가 상기 반사부(320) 내측에 위치되도록 설치될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 집광유닛(100) 및 상기 지지프레임(200) 사이에는 상기 집광유닛(100)이 태양을 추적하여 이동할 수 있도록 추적구동부(180)가 구비된다.
자세히 도시되어 있지는 않으나, 상기 추적구동부(180)는 힌지장치(미도시) 및 모터(미도시) 등이 포함되어 구성될 것이며, 이미 여러 공지된 기술이 나와 있으며, 이러한 공지된 기술 중에서 채택이 가능할 것이다.
그리고, 상기 추적구동부(180)를 전기적으로 제어하는 제어부(350)를 구비한다. 여기서, 상기 제어부(180) 또한 상기 태양전지유닛(300)과 별도로 설치될 수도 있으나, 상기 태양전지유닛(300)을 구성하는 케이스(310) 내부에 설치되거나 함께 설치됨이 공간효율 면에서 바람직할 것이다.
이하에서는 상기 태양열발전유닛(1)에 대하여 설명한다.
상기 태양열발전유닛(1)은 상기 스펙트럼유닛(150)을 통하여 분류된 광파장중 일정 영역의 파장이 집열되는 집열부(410)를 구비한다.
상기 집열부는 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치를 말한다. 상기 집열부(410)는 태양열발전유닛에 있어서 가장 중요한 부분으로 여러 가지 형태가 사용되고 있으나 가장 간단한 형태로는 빛을 잘 흡수하는 검은색 관 속으로 물을 흐르게 하는 평판 집열관(미도시)을 채용하는 방식이 있다.
이러한 상기 집열관(미도시)은 빛을 투과하는 투명한 외부층이 빛을 흡수하는 검은색의 내부 구성물을 둘러싼 형태로 이루어져 온실효과를 일으키어 열을 저장하게 된다.
또한, 상기 태양열발전유닛(1)은 상기 집열부(410)와 연결된 형태로 축열부(420)가 구비되는데, 상기 축열부(420)에서는 열교환되어 이용할 곳에 활용될 매체(난방용 온수 등)를 저장하는 역할을 담당한다.
또한, 일종의 보일러와 같이 임시적으로 상기 집열부(410) 및 축열부(420) 등에 의하여 저장된 열을 보존하는 이용부(430)가 구비됨이 바람직하다.
상술한 태양열발전유닛(1)은 일반적인 대표적인 형태를 설명한 것이며, 이미 다양한 형태의 기술이 나와 있으므로, 공지된 태양열발전유닛 중 본 발명에 알맞은 구조를 채택하여 사용될 수 있을 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명 태양전지-태양열에너지 병합장치의 설치방법 및 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 케이스(310) 내부에 태양전지(340)와 쿨러(330) 및 반사부(320)가 설치된 태양전지유닛을 구성한 후, 이와 같이 설치가 완료된 태양전지유닛(310)을 일정한 위치에 설치한다.
그리고, 상기 태양전지유닛(300)과 연결된 형태로 지지프레임(200)을 설치한다.
이때, 상기 지지프레임(200)의 상부에는 태양의 위치 및 고도를 추적하며 움직이도록 상기 추적구동부(180)가 설치되며, 상기 추적구동부(180)를 제어하는 제 어부(350)가 설치될 것이다.
그리고, 상기 추적구동부(180)의 움직임에 따라 태양을 따라 움직이게 되는 집광유닛이 설치된다.
여기서, 상기 제어부(350)는 상기 케이스(310)의 외부에 설치될 수도 있으며, 상기 케이스(310) 내측에 별도의 공간을 구비하여 설치될 수도 있을 것이다.
그리고, 상기 집광유닛(100)에는 집광된 태양광을 전달받아 파장에 따른 영역별로 분류하는 스펙트럼유닛(150)이 설치된다.
즉, 상기 스펙트럼유닛(150)을 통하여 분류된 광에 있어서 일정영역의 태양광은 상기 광섬유(210)에 전달되도록 구성되며, 그 외 영역의 파장에 속하는 태양광은 상기 태양열발전유닛(1)의 집열부(410)로 전달되도록 구성되는 것이다.
이와 같이 설치가 완료된 본 발명 태양전지-태양열에너지 병합장치는 상기 제어부(350)에 의하여 상기 추적구동부(180)가 작동하여 상기 집광유닛(100)이 태양의 위치를 추적하게 된다.
그리고, 상기 집광유닛(100)으로 태양광이 입사된 후 상기 스펙트럼유닛(150)으로 집광된다.
이와 같이 스펙트럼유닛(150)으로 집광된 태양광 중 일정 영역에 해당하는 파장을 가지는 태양광은 상기 광섬유(210)를 통하여 상기 태양전지유닛(300)으로 이동하게 된다.
그리고, 상기 태양전지유닛(300)을 구성하는 케이스(310) 내측으로 전달된 태양광은 바로 태양전지(340)에 흡수되거나 또는 반사부(320)를 통하여 상기 케이 스(310) 내부에서 이동하다가 상기 태양전지(340)로 흡수된다.
상기와 같은 과정을 통하여 태양광이 흡수된 상기 태양전지(340)는 입사된 태양광을 전기에너지로 변환하게 된다.
한편, 상기 집광유닛(100)에 집광되어 입사된 태양광이 상기 태양전지(340)에 집중하게 되면서 온도가 상승하게 되는데, 과열을 방지할 수 있도록 태양전지에는 쿨러(330)가 연결되도록 설치되어, 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 태양광발전유닛(2)으로 전달되지 않은 나머지 영역에 속하는 파장을 가지는 태양광은 상기 태양열발전장치(1)의 집열부(410)로 이동되고, 다시 상기 축열부(420) 및 이동부(430)를 통하여 태양열 발전을 하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 태양에너지를 이용 태양광발전과 태양열발전을 동시에 할 수 있게 되며, 특히 태양광을 파장 별로 분류한 후 태양광발전에 맞는 파장의 태양광은 태양광 발전을, 태양열에 유리한 파장의 태양광은 태양열 발전에 사용되도록 함으로써 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 태양광 발전을 위한 태양전지를 집광유닛의 상측에 노출되게 구비하지 않고 다른 장소에 별도로 설치한 후, 광섬유를 이용 태양광이 이동되도록 함으로써 유지 및 보수 면에서 유리한 효과가 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
즉, 상술한 태양광-태양열 에너지 병합장치는 하나의 실시예를 나타낸 것이며, 본 발명과 같은 원리를 구현하기 위해 다른 형태로 이루어질 수도 있을 것이다.
그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
예를 들어, 상기 광섬유(210)는 태양광의 파장영역 중 선택된 파장영역에 해당하는 태양광만이 전달되도록 함으로써, 태양전지의 과열을 막고 효율적인 발전을 할 수 있으며, 상기 케이스(310)에 복수개의 태양전지(340)가 설치되도록 한 후, 상기 복수개의 태양전지 각각이 선택된 파장영역에 해당하는 태양광 별로 발전되도록 하여 각각의 태양전지 별 효율의 다각화도 가져올 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-태양열에너지 병합장치를 이루는 주요 구성간의 관계를 나타낸 블록도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-태양열에너지 병합장치를 개략적으로 나타낸 외관 사시도;
도 3은 상기 도 2의 단면도; 및
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-태양열에너지 병합장치에 사용되는 태양전지유닛을 이루는 주요 구성간이 관계를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 태양열발전유닛 2: 태양광발전유닛
100: 집광유닛 110: 집광하우징
150: 스펙트럼유닛 180: 추적구동부
200: 지지프레임 210: 광섬유
300: 태양전지유닛 310: 케이스
320: 반사부 330: 쿨러
340: 태양전지 410: 집열부
420: 축열부 430: 이용부

Claims (7)

  1. 태양열을 집광하는 집광유닛(100);
    상기 집광유닛(100)에 의하여 집광된 태양광을 파장별로 분류하는 스펙트럼유닛(150);
    상기 스펙트럼유닛(150)에 의하여 분류된 태양광 중 선택된 영역의 파장에 해당하는 태양광을 전달하는 복수개의 광섬유(210);
    상기 복수개의 광섬유(210) 각각에 연결되어 각각 선택된 태양광 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 복수개의 태양전지(340)를 구비함과 동시에 상기 집광유닛(100)과 별도의 이격된 장소에 설치되는 태양전지유닛(300)을 포함하여 구성되는 태양광발전유닛(2); 및
    상기 집광유닛(100)에 연결되어 상기 집광유닛(100)에 의하여 집광된 태양광 중 선택된 파장영역에 해당하는 태양광을 이용하여 발전하는 태양열발전유닛(1);
    을 포함하여 구성된 태양전지-태양열에너지 병합장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지유닛(300)은,
    외관을 이루며 내부에 상기 태양전지(340)가 설치되는 케이스(310); 및
    상기 케이스(310) 내 설치되며 상기 집광된 광에 의하여 상승된 온도를 낮추기 위한 쿨러(330);
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지-태양열에너지 병합장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지유닛(300)은,
    상기 태양전지(340) 및 쿨러(330)를 감싸는 형태로 반사부(320)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지-태양열에너지 병합장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 태양열발전유닛(1)은,
    상기 스펙트럼유닛(150)에 의하여 분류된 태양광 중 선택된 영역의 파장에 해당하는 태양광에 의한 에너지를 이용 열로 변환하는 집열부(410); 및
    상기 집열부(410)에 의하여 변환된 열을 이용하여 매체를 통하여 상기 열을 저장하는 축열부(420);
    를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지-태양열에너지 병합장치.
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