KR101008500B1 - 집광기 고정형 태양열 고집광시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빛을 한 지점에 모아주는 접시형 집광기(이하, '집광기'라 칭한다.)를 고정시켜 무거운 접시를 구동시킴에 따라 발생될 수 있는 집광기의 구조가 복잡해지고 구동 에너지 소모가 많아지는 것을 방지하기 위해 집광기를 고정시켜 설치하고, 이 집광기의 전에 집광기로 빛을 반사시키기 위한 헬리오스텟(heliostat)을 설치하여 구성하고 헬리오스텟의 빛 반사 방향을 조절하여 빛을 집광시킬 수 있게 한 집광기 고정형 태양열 고집광시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 방위각조절수단과 고도각조절수단에 의해 방위각과 고도각이 조절되는 프레임의 전면에 하나 이상의 평면반사판을 설치하여 구성된 헬리오스텟과 ; 상기 헬리오스텟의 전방에 설치되고, 지지대에 고정 설치된 호형면을 갖는 프레임의 전면에 포물선형으로 굽혀진 하나 이상의 곡면반사판을 설치하여 구성되며, 상기 헬리오스텟에서 반사되는 태양광을 어느 한 초점에 모아주는 집광기와 ; 상기 집광기와 헬리오스텟 사이에 설치되어 헬리오스텟에서 집광기로 반사되는 광량을 조절하는 광량조절기 및 ; 상기 집광기에 의해 초점이 모아져 집광된 태양광을 수광하여 반응하는 태양열반응기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

집광기, 헬리오스텟, 광량조절기

Description

집광기 고정형 태양열 고집광시스템{condenser fixing type sunlight collector system}

본 발명은 태양열 집광시스템에 관한 것으로써, 상세하게는 빛을 한 지점에 모아주는 접시형 집광기(이하, '집광기'라 칭한다.)를 고정시켜 무거운 접시를 구동시킴에 따라 발생될 수 있는 집광기의 구조가 복잡해지고 구동 에너지 소모가 많아지는 것을 방지하기 위해 집광기를 고정시켜 설치하고, 이 집광기의 전에 집광기로 빛을 반사시키기 위한 헬리오스텟(heliostat)를 설치하여 구성하고 헬리오스텟의 빛 반사 방향을 조절하여 빛을 집광시킬 수 있게 한 집광기 고정형 태양열 고집광시스템에 관한 것이다.

또한 헬리오스텟과 집광기 사이에 헬리오스텟으로 부터 반사되어 집광기로 조사되는 빛의 양을 제어하기 위한 광 조절수단을 설치하여 빛의 양을 조절할 수 있게 한 집광기 고정형 태양열 고집광시스템에 관한 것이다.

화석연료가 점차 고갈되어 감에 따라 자연력을 이용하여 동력을 얻기 위한 방법 및 장치들에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 자연력을 이용한 동력 발생 수단의 하나로 태양광을 집광하여 전기를 발생시키는 장치가 있다.

이러한 태양열발전시스템은 집광기에서 집광된 태양열로 발전설비를 구동시켜 전기를 발생시키는 것으로, 집광기는 태양광을 어느 한점으로 모아 보다 높을 열을 발생시킬 수 있도록 호형 반사면을 갖는 접시형태로 구성되어 있으며, 이렇게 집광기에서 집광된 태양광은 흡수기에서 흡수하여 엔진으로 전달하여 엔진을 구동시킴에 의해 전기를 발생시키게 된다.

이러한 종래의 태양열발전시스템은 햇빛이 비추는 방향으로 집광기를 회전시켜야 하며, 이렇게 집광기를 태양을 향하도록 구동시키기 위해서 집광기를 상하, 좌우로 구동시키기 위한 수단이 집광기에 구비되어야 한다.

이렇게 구동수단에 의해 상하, 좌우 방향이 전환되는 집광기는 보다 많은 양의 태양광을 집광할 수 있게 하기 위해 대형으로 제작되며, 이렇게 대형으로 만들어진 집광기의 방향을 전환시키는 데는 많은 양의 에너지가 소모되는 문제가 있었다.

또한, 무거운 집광기의 방향 전환수단이 집광기의 무게에 의해 쉽게 손상됨으로 태양열발전시스템의 유지 관리에 많은 비용이 소모되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로 서, 대형 접시형 집광기를 고정시키고, 고정된 집광기 쪽으로 빛을 반사시키는 헬리오스텟(heliostat)을 설치하여 구성하고, 가벼운 헬리오스텟의 방향을 전환하여 집광기로 태양광이 조사되게 함으로서 집광기의 방향 전환에 소요되는 에너지를 줄이고, 방향 전환수단의 내구성을 높일 수 있는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템을 제공함을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 방위각 조절수단과 고도각 조절수단에 의해 방위각과 고도각이 조절되는 프레임의 전면에 하나 이상의 평면반사판을 설치하여 구성된 헬리오스텟과 ; 상기 헬리오스텟의 전방에 설치되고, 지지대에 고정 설치된 호형면을 갖는 프레임의 전면에 포물선형으로 굽혀진 하나 이상의 곡면반사판을 설치하여 구성되며, 상기 헬리오스텟에서 반사되는 태양광을 어느 한 초점에 모아주는 집광기와 ; 상기 집광기와 헬리오스텟 사이에 설치되어 헬리오스텟에서 집광기로 반사되는 광량을 조절하는 광량조절기 및 ; 상기 집광기에 의해 초점이 모아져 집광된 태양광을 수광하여 반응하는 태양열반응기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 대형 접시형 집광기를 고정시키고, 고정된 집광기 쪽으로 빛을 반사시키는 헬리오스텟(heliostat)를 설치하여 구성하고, 가벼운 헬리오스텟의 방향 을 전환하여 집광기로 태양광이 조사되게 함으로서 집광기의 방향 전환에 소요되는 에너지를 줄이고, 방향 전환수단의 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템의 일예를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템의 일예를 도시한 측면도이고, 도 3은 도 2의 A부의 확대도이고, 도 4는 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템을 구성하는 헬리오스탯의 구동부의 부분단면도이고, 도 5는 도 2의 B부의 확대도이고, 도 6은 도 2의 B부의 확대도로 차광판이 열린상태를 도시한 것이고, 도 7은 헬리오스텟을 구성하는 반사판의 일예를 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시한 반사판의 일부를 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 광을 반사하는 헬리오스텟(1)과, 집광하는 집광기(3)과 , 광량을 조절하는 광량조절기(2) 및 집광된 광을 이용해 반응하는 태양열반응기(4)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 방위각조절수단(13)과 고도조절수단(14)에 의해 방위각과 고도가 조절되는 프레임(12)의 전면에 하나 이상의 평면반사판(10)을 설치하여 구성된 헬리오스텟(1)과 ; 상기 헬리오스텟(1)의 전방에 설치되고, 지지대(20)에 고정 설치된 호형면을 갖는 프레임의 전면 에 포물선형으로 굽혀진 하나 이상의 곡면반사판(32)을 설치하여 구성되며, 상기 헬리오스텟에서 반사되는 태양광을 어느 한 초점에 모아주는 집광기(3)와 ; 상기 집광기(3)와 헬리오스텟(1) 사이에 설치되어 헬리오스텟(1)에서 집광기(3)로 반사되는 광량을 조절하는 광량조절기(2) 및 ; 상기 집광기(3)에 의해 초점이 모아져 집광된 태양광을 수광하여 반응하는 태양열반응기(4)를 포함하여 구성된다.

상기 헬리오스텟(1)은 햇빛을 반사시켜 집광기(3)로 보내기 위한 수단으로써, 프레임(12)의 전면 즉, 집광기(3)를 향한 면에 평면반사판(10)을 설치하여 구성되고, 상기 평면반사판(10)은 상기 프레임(12)에 용이하게 설치하고 분리할 수 있도록 작은 것을 서로 이어 설치된다.

이러한 헬리오스텟(1)은 태양광을 반사시키는 것으로 태양광을 향한 방향으로 평면반사판(10)이 향하고 있어야 하며, 이렇게 평면반사판(10)이 태양을 향하게 하가 위한 수단으로 상기한 방위각조절수단(13)과 고도각조절수단(14)이 구비되어 있다.

상기 방위각조절수단(13)은 지지대(11)의 상단에 고정 설치된 모터(13a)와 ; 상기 모터(13a)의 축을 회전 가능하게 지지하는 베어링(13b)과 ; 상기 모터(13a)의 축에 연결된 회전축(13c)으로 구성된다.

이렇게 구성된 방위각조절수단(13)은 상기 지지대(11)에 고정된 모터의 구동에 의해 상기 회전축(13c)이 회전하고 이러한 회전축의 회전은 상기 고도각조절수단(14)과 이에 연결된 평면반사판(10)을 수평 방향으로 회전시켜 평면반사판(10)의 방위각이 조절된다.

상기 고도각조절수단(14)은 상기 회전축(13c)의 상단에 고정 설치된 모터(14a)와 ; 상기 모터(14a)의 축에 연결되어 축의 회전력을 수직으로 변환하는 베벨감속기(14b)와 상기 베벨감속기(14b)와 수평으로 연결되고, 상기 프레임(12)이 고정된 회전축(14c)을 포함하여 구성되며, 모터(14a)의 구동에 의해 베벨감속기(14b)가 구동하면 회전축(14c)이 회전하여 평면반사판(10)의 고도가 조절된다.

상기 베벨감속기(14b)는 상기 모터(14a) 축의 회전력을 수직 방향으로 전환하는 수단으로 모터(14a) 축에 설치된 베벨기어와 치합되는 두 개의 베벨기어를 서로 반대 방향에 설치하고 이 베벨기어에 상기 회전축(14c)을 설치하여 도 4에 도시한 바와 같이 회전축(14c)이 양축으로 설치되어 있다.

상기 회전축(14c)은 프레임(12)과 연결되어 프레임(12)을 회전시킴에 의해 평면반사판(10)의 고도가 조절된다.

상기와 같이 구성된 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 상기 헬리오스텟(1)의 지향각(指向角)을 전환하여 집광기(3)에 광이 조사되게 하는 것으로 집광기(3)는 고정된 상태로 설치된다.

즉, 상기 집광기(3)는 지지대(30)의 상단에 호형 공면을 갖는 프레임(31)을 고정시키고 프레임의 내면에 곡면반사판(32)을 설치하여 구성되며, 상기 곡면반사판(32)은 반사경보호대(32a)의 전면에 반사경(32b)을 설치하여 구성된다.

상기 반사경보호대(32a)는 상기 반사경(32b)을 보호함은 물론 반사경(32b)을 프레임(31)에 용이하게 착탈시킬 수 있게 하기 위한 수단으로 상기 반사경(32b)이 안착될 수 있는 반사경안치홈(321)이 형성되고, 상기 반사경안치홈(321)에는 다수 의 반사경 지지돌기(322)와 통기홀(323)이 형성되어 있다.

상기 곡면반사판(32)을 구성하는 반사경(32b)은 얇은 판체로서 반사경(32b)만을 프레임에 고정시킬 경우 반사경(32b)의 일부에 고정구멍이 형성되어 반사경(32b)이 손상될 수 있고, 바람에 의해 반사경(32b)이 일그러져 광이 일정한 방향으로 반사되지 않게 된다.

따라서, 상기 반사경보호대(32a)를 반사경(32b)의 배면에 설치하여 반사경(32b)이 일그러지는 것을 방지하고 이 반사경보호대(32a)의 가장자리에 형성된 고정홀(324)을 프레임(31)에 고정시킴으로서 반사경이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

상기 반사경보호대(32a)에 형성된 지지돌기(322)는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 반사경(32b)의 배면을 지지하여 반사경(32b)이 변형되는 것을 방지하기 위한 것이고, 상기 통기공(323)은 반사경(32b)과 반사경보호대(32a)로 밀폐된 상기 반사경안치홈(321) 내부의 공기가 출입할 수 있는 구멍으로써, 반사경(32b)이 태양광에 의해 가열되면 상기 반사경안치홈(321) 내부의 공기가 팽창하여 반사경(32b)이 볼록하게 일그러지게 됨으로 이 팽창공기를 배출시켜야 하기 때문에 상기 통기홀(323)을 형성한 것이다.

상기와 같이 구성된 곡면반사판(32)을 구성하는 반사경(32b)을 반사경보호대(32a)에 고정시키는 수단으로는 고정실리콘(32c)을 사용할 수 있으며, 상기 고정실리콘(32c)은 도시한 바와 같이 반사경(32b)의 가장자리와 반사경안치홈(321)의 내벽사이에 접착되어 반사경(32b)이 반사경보호대(32a)로부터 분리되지 않게 한다.

상기 고정실리콘(32c)은 통상으로 유리창에서 유리를 프레임에 고정시키는 수단으로 사용되는 실리콘과 동일 유사한 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 광량조절기(2)는 헬리오스텟(1)에서 반사되어 집광기(3)로 조사되는 광의 양을 조절하기 위한 수단으로서, 지지대(20)에 의해 중단이 회전 가능하게 지지되고, 양단에 각각 승강대(22a)가 회동 가능하게 설치된 하나 이상의 차광판(22)과 ; 상기 승강대(22a)들의 하단에 양단이 연결되어 있는 회동판(22b)을 회전시키는 승강대(22a)들이 서로 교번적으로 승강함으로서 상기 차광판(22)이 닫히거나 열리게 하는 모터(21)를 포함하여 구성된다.

이렇게 구성된 광량조절기(2)는 집광기(3)로 조사되는 광을 차단시키고자 할 경우에는 상기 모터(21)를 구동시켜 회동판(22b)를 도 5에 도시한 바와 같이 상하로 기울어지게 함으로서 회동판(22b)이 양단에 각각 연결된 승강대(22a)들 중 어느 하나의 승강대는 위로 올라가고 다른 하나는 아래로 내려와 승강대(22a)들 사이에 설치된 차광판(22)이 수직에 가깝게 세워진 상태가 되어 서로 겹쳐짐으로서 광을 차단하게 된다.

반면에 광이 집광기(3)로 조사되게 하기 위해서는 상기와 반대로 모터(21)를 구동시켜 도 6에 도시한 바와 같이 회동판(22b)이 수평이 되게 하여 승강대(22a)둘이 서로 같은 높이를 유지하게 되며, 이에 따라 차광판(22)들이 수평으로 놓여지게 되어 차광판(22)들 사이로 빛이 통과하게 된다.

상기 태양열반응기(4)는 입사되는 광에 의한 열과 공급되는 연료가 서로 반 응하는 수단으로 광이 입사되는 입사홀(40a)이 형성되고 반응열을 외부로 빼앗기지 않게 보호하는 단열하우징(40)과 ; 상기 단열하우징(40)의 내부에 단열하우징의 내벽과 소정 간격으로 이격되게 설치된 반응로(41)와 ; 상기 단열하우징(40)의 입사홀(40a)를 막아 내부의 가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 투명한 투광창(42)과 ; 상기 입사홀(40a)을 향한 상기 반응로(41)의 입구에 설치되어 단열하우징(40)과 반응로(41) 사이의 연료유입로(401)로 유입된 연료와 유입된 광을 흡수하여 반응을 일으키는 촉매흡수기(43)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 태양열반응기(4)는 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 반응로(41)와 단열하우징(40) 사이의 연료유입로(401)을 통해 공급된 연료가 촉매흡수기(43)를 통과하면서 태양열과 반응하여 개질되고, 개질된 연료는 배출구를 통해 외부로 배출된다.

상기와 같이 구성된 집광기 고정형 태양열 고집광시스템은 상기 헬리오스텟(1)의 고도 및 방위각이 태양을 향하도록 조절하기 위해 태양을 추적하기 위한 추적장치와, 태양열반응기에서 개질된 연료에 의해 구동되는 발전기 등이 연결될 수 있으며, 이러한 장치들은 종래의 태양열발전시스템에서 사용되는 것을 선택하여 구성할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템의 일예를 도시한 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템의 일예를 도시한 측면도이고,

도 3은 도 2의 A부의 확대도이고,

도 4는 본 발명에 따른 집광기 고정형 태양열 고집광시스템을 구성하는 헬리오스탯의 구동부의 부분단면도이고,

도 5는 도 2의 B부의 확대도이고,

도 6은 도 2의 B부의 확대도로 차광판이 열린상태를 도시한 것이고,

도 7은 헬리오스텟을 구성하는 반사판의 일예를 도시한 사시도이고,

도 8은 도 7에 도시한 반사판의 일부를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 헬리오스텟

10 : 평면반사판 11 : 지지대 12 : 프레임

13 : 방위각조절수단 13a : 모터 13b : 베어링

13c : 회전축

14 : 고도각조절수단 14a : 모터 14b : 베벨감속기

14c : 회전축

2 : 광량조절기

20 : 지지대 21 : 모터 22 : 차광판

3 : 집광기

30 : 지지대 31 : 프레임 32 : 곡면반사판

32a : 반사경보호대 32b : 반사경 32c : 고정실리콘

321 : 반사경안치홈 322 : 지지돌기 323 : 통기홀

324 : 고정홀

4 : 태양열반응기

40 : 단열하우징 40a : 입사홀 40b : 배출홀

41 : 반응로 401 : 연료유입로 402 : 반응물배출로

42 : 투광창

43 : 촉매흡수기

Claims (5)

1. 방위각조절수단(13)과 고도각조절수단(14)에 의해 방위각과 고도각이 조절되는 프레임(12)의 전면에 하나 이상의 평면반사판(10)을 설치하여 구성된 헬리오스텟(1)과 ;

   상기 헬리오스텟(1)의 전방에 설치되고, 지지대(20)에 고정 설치된 호형면을 갖는 프레임의 전면에 포물선형으로 굽혀진 하나 이상의 곡면반사판(32)을 설치하여 구성되며, 상기 헬리오스텟에서 반사되는 태양광을 어느 한 초점에 모아주는 집광기(3)와 ;

   상기 집광기(3)와 헬리오스텟(1) 사이에 설치되어 헬리오스텟(1)에서 집광기(3)로 반사되는 광량을 조절하는 광량조절기(2) 및 ;

   상기 집광기(3)에 의해 초점이 모아져 집광된 태양광을 수광하여 반응하도록, 광이 입사되는 입사홀(40a)이 형성되고 반응열을 외부로 빼앗기지 않게 보호하는 단열하우징(40)과, 상기 단열하우징(40)의 내부에 단열하우징의 내벽과 소정 간격으로 이격되게 설치된 반응로(41)와, 상기 단열하우징(40)의 입사홀(40a)를 막아 내부의 가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 투명한 투광창(42)과, 상기 입사홀(40a)을 향한 상기 반응로(41)의 입구에 설치되어 단열하우징(40)과 반응로(41) 사이의 연료유입로(401)로 유입된 연료와 유입된 광을 흡수하여 반응을 일으키는 촉매흡수기(43)를 포함하는 태양열반응기(4);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 집광기(3)를 구성하는 곡면반사판(32)은 반사경보호대(32a)의 전면에 반사경(32b)을 설치하여 구성되고,

   상기 반사경보호대(32a)는 상기 반사경(32b)이 안착될 수 있는 반사경안치홈(321)이 형성되고, 상기 반사경안치홈(321)에는 다수의 반사경 지지돌기(322)와 통기홀(323)이 형성됨을 특징으로 하는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 방위각조절수단(13)은 지지대(30)의 상단에 고정 설치된 모터(13a)와 ; 상기 모터(13a)의 축을 회전가능하게 지지하는 베어링(13b)과 ; 상기 모터의 축에 연결된 회전축(13c)으로 구성되고,

   상기 고도각조절수단(14)은 상기 회전축(13c)의 상단에 고정 설치된 모터(14a)와 ;

   상기 모터(14a)의 축에 연결되어 축의 회전력을 수직으로 변환하는 베벨감속기(14b)와 상기 베벨감속기(14b)와 수평으로 연결되고, 상기 프레임(12)이 고정된 회전축(14c)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 광량조절기(2)는 지지대(20)에 의해 중단이 회전 가능하게 지지되고, 양단에 각각 승강대(22a)가 회동가능하게 설치된 하나 이상의 차광판(22)과 ;

   상기 승강대(22a)들의 하단에 양단이 연결되어 있는 회동판(22b)을 회전시키 승강대(22a)들이 서로 교번적으로 승강함으로서 상기 차광판(22)이 닫히거나 열리게 하는 모터(21)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 집광기 고정형 태양열 고집광시스템.
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