KR101121638B1 - 태양광 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구형상의 집광장치에 다수의 렌즈가 구비된 집광렌즈부재를 설치하여, 이 집광렌즈부재를 통해 태양광을 집열렌즈로 집중하고, 상기 집열렌즈에 집중된 태양광을 다시 굴절시켜 열저장매체를 고온상태로 가열하도록 발명한 것이다.
본 발명의 구성은, 그물눈을 갖고 규격화된 넓이로 성형하는 메쉬망 모듈(10)과;
상기 메쉬망 모듈(10)을 다 수개 조합시켜 구 형상을 갖도록 결합 구성한 집광몸체(20)와;
원통 형상의 케이스(40) 상부에 원형렌즈(50)를 장착하며, 상기 메쉬망 모듈(10)의 그물눈에 케이스(40) 몸체가 고정 설치되는 집광렌즈부재(30)와;
상기 집광몸체(20)의 내부 하단에 고정되는 보호커버(60)와;
상기 보호커버(60) 내부에 고정 설치되어, 집광렌즈부재(30)를 통해 몸체 상부로 집중된 태양광을 하부로 다시 굴절시키는 집열렌즈(70)로 구성된다.
또, 상기 집광렌즈부재(30)의 케이스(40)는, 몸체내벽에 반사부재(43)가 코팅되고, 상부몸체(41)와 하부몸체(42)로 구분되어, 상부몸체(41)가 메쉬망 모듈(10)에 고정되며, 하부몸체(42)는 상부몸체(41)의 길이방향으로 조절가능하게 구성한다.
또한, 상기 집광렌즈부재(30)는, 케이스(40)의 몸체 내부 및 하부에 오목렌즈(52)와 볼록렌즈(51)가 복수개 더 설치된다.
그리고, 상기 메쉬망 모듈(10)은, 몸체 둘레를 따라 측벽(11)이 형성되어, 메쉬망 모듈(10)의 조합 시 상기 측벽(11)이 맞대어져 결합 고정시켜 달성한다.

Description

태양광 집광장치{Sun Light Condensing Equipment}

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구형상의 집광장치에 다수의 렌즈가 구비된 집광렌즈부재를 설치하여, 이 집광렌즈부재를 통해 태양광을 집열렌즈로 집중하고, 상기 집열렌즈에 집중된 태양광을 다시 굴절시켜 열저장매체를 고온상태로 가열하도록 발명한 것이다.

일반적으로 태양에너지 발전은 다른 발전에 비해 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 청정에너지로서, 연료의 수송 및 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며, 설치장소의 선택, 설비규모를 자유롭게 할 수 있으며, 장치의 수명이 길고 설치공사가 쉽다는 이점이 있다.

상기와 같은 태양에너지 발전은, 그 발전용량을 극대화하기 위해 태양의 자오선 방향을 수직으로 태양의 위치를 따라가며, 그 방향을 바꾸는 정도에 따라 태양추적형, 반추적형, 고정형 태양전지 설비로 나누어진다.

먼저 추적형 시스템(tracking array)은, 태양광 발전시스템의 발전효율을 극대화하기 위한 방식으로 태양의 직사광선이 항상 태양전지판의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기조작을 통하여 태양의 위치를 추적해 가는 방식을 말한다.

이러한, 자동 추적형 태양전지는 추적시스템의 종류에 따라 태양 자오선정보에 의한 위치정보 프로그래밍 시스템과 광센서 자동추적 시스템으로 구분되어 상업화 되고 있다.

다음으로, 반추적형 시스템 (semi - tracking array)은, 태양전지 어레이 경사각을 계절 또는 월별에 따라서 상하로 위치를 변화시켜주는 방식으로, 일반적으로 사계절에 한 번씩 어레이 경사각을 변화시키는 방식이다.

상기 반추적형 어레이의 발전량은 고정식과 추적식의 중간 정도로써, 고정식에 비교하여 보통 20% 가량의 발전량 증가를 가져온다.

상기와 같은 발전 시스템에서 고정형 시스템은, 가장 값싸고 안정된 구조로써 비교적 원격지역에 설치면적의 제약이 없는 곳에 많이 이용되며, 특히 도서지역 등 풍속이 강한 곳에 설치하는 것이 보통이다.

그리고, 추적형 시스템은 반고정형에 비하여 발전효율은 낮은 반면에 초기 설치비가 적게 들면서, 보수 관리에 따른 인건비 및 위험이 적어 상대적으로 많이 이용되는 어레이 지지방법이다

이밖에도, 지상의 설치 가능면적이 부족한 지형적 특성을 감안하여, 건물일체형 태양광 발전 시스템(BIPV : Building Integrated Photovoltaic System)을 이용해 태양에너지로부터 전기를 생산해 발생된 전력을 소비자에게 공급해 주는 방법도 사용되고 있으나, 건물의 형상이나 모양에 의해 그 한계가 있으며, 이로 인하여 보다 효율적인 태양광 집광 기술의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.

그리고, 상기 태양광 발전 시스템에 사용되는 태양전지 모듈(Photovoltaic Module)은, 주로 평판형으로 이루어져 있으며, 상기 평판형 태양전지 모듈은 일정 크기(예: 125㎜ x 125㎜)의 태양전지 셀(Photovoltaic Cell)들이 직렬로 연결되어 설정된 단위 전압을 생산할 수 있는 단위 태양전지 스트링(string)을 이루고, 다시 일정 개수의 태양전지 스트링(string)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 전력(=전류 x 전압)을 생산할 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 평판형 태양전지 모듈은 태양광이 조사되면 태양전지 스트링들을 이루는 각 태양전지 셀들의 광전효과에 의하여 요구되는 직류 전기를 생산한다.

그리고, 평판형 태양전지 모듈에 의해 생산된 직류 전력은 직접 사용되거나 또는 인버터(Inverter)를 사용하여 교류전원으로 변환시켜 사용된다.

한편 일반적으로 결정질 실리콘(Si) 재질의 면적이 125㎜ x 125㎜인 태양전지 셀은 표준조건(1.5의 공기질량(Airmass), 1000W/㎡의 일사량 및 25℃의 태양전지 표면온도)에서 개방 전압이 약 0.6V이고, 단락전류가 약 3～6A이며, 최대출력은 태양전지의 효율에 따라 약 1.2～2.5W의 직류전력을 생산하는 전기적 특성을 갖는다.

따라서, 평판형 태양전지 모듈의 효율은 대략 15(ㅁ5)％인 경우 전술한 표준조건에서 태양전지 셀들의 면적이 1㎡인 평판형 태양전지 모듈은 약 150ㅁ50W의 전력을 생산할 수 있게 된다.

한편, 평판형 태양전지 모듈의 태양전지 셀들은 주로 고가의 반도체 자재인 규소(Si)을 사용하고 있어, 매우 고가이며, 반도체 규소(Si)의 값이 모듈 단가 구성의 50％ 이상을 차지하고 있다.

따라서, 태양전지 모듈의 단가를 줄이거나 또는 동일한 출력에 대하여 태양전지의 사용 면적을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있으며, 그 일환으로 태양광을 집속하여 광밀도를 증가시키기 위한 광집속 장치를 접목시킨 광집속형 태양전지 모듈이 제안되고 있다.

그러나, 종래 태양전지 모듈은 단위면적에 대하여 생산되는 단위 전기출력이장치의 집속비에 따라 증가하므로, 평판형 모듈을 대량으로 조립하여야 장치의 생산 전기출력당 설치단가를 줄일 수 있는 폐단이 있었다.

따라서, 상기 태양전지 모듈을 설치하기 위한 광범위한 공간이 필요하였고, 일조시간이 풍부한 지역에서만이 장치가 설치되어야 하는 문제점이 있었다.

또, 상기 태양전지 모듈을 태양의 자오선을 따라 구동하기 위한 에너지가 상기 태양전기 모듈에서 생산된 에너지를 이용하여야 했으므로, 에너지 손실에 따른 효율이 저하되는 어려움이 있었다.

따라서, 본 출원인은 특허 출원번호 10-2011-118649호와 같이 고정식 집광장치를 통해 열저장매체를 가열하고, 이 열저장매체 내부를 순환하는 스팀으로 전기를 생산할 수 있도록 한 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템을 제안한 바 있다.

본 발명의 목적은, 집광렌즈부재가 연속 배열된 메쉬망 모듈을 형성하고, 상기 모듈을 조합해 구 형상의 집광몸체로 구성시켜, 각각의 집광렌즈부재를 통해 집광몸체 하단에 구비된 집열렌즈로 태양광을 집중시킬 수 있도록 한 태양광 집광장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 규격화된 메쉬망 모듈에 집광렌즈부재가 연속 배열되게 하여, 이송 및 보관이 용이하고 조립의 편의성을 향상시킴과 아울러 강풍과 폭설 등의 외부 자연환경에 간섭받지 않는 태양광 집광장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 원형렌즈, 볼록렌즈, 오목렌즈로 구성된 집광렌즈부재의 케이스를 길이조절 가능하게 하며, 케이스 내벽에 반사막을 코팅시켜 태양광의 산란을 방지해, 유입된 태양광의 초점이 집열렌즈에 일치되도록 함으로써, 효율을 증대시킬 수 있도록 한 태양광 집광장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여,

그물눈을 갖고 규격화된 넓이로 성형하는 메쉬망 모듈(10)과;

상기 메쉬망 모듈(10)을 다 수개 조합시켜 구 형상을 갖도록 결합 구성한 집광몸체(20)와;

원통 형상의 케이스(40) 상부에 원형렌즈(50)를 장착하며, 상기 메쉬망 모듈(10)의 그물눈에 케이스(40) 몸체가 고정 설치되는 집광렌즈부재(30)와;

상기 집광몸체(20)의 내부 하단에 고정되는 보호커버(60)와;

상기 보호커버(60) 내부에 고정 설치되어, 집광렌즈부재(30)를 통해 몸체 상부로 집중된 태양광을 하부로 다시 굴절시키는 집열렌즈(70)로 구성된다.

또, 상기 집광렌즈부재(30)의 케이스(40)는, 몸체내벽에 반사부재(43)가 코팅되고, 상부몸체(41)와 하부몸체(42)로 구분되어, 상부몸체(41)가 메쉬망 모듈(10)에 고정되며, 하부몸체(42)는 상부몸체(41)의 길이방향으로 조절가능하게 구성한다.

또한, 상기 집광렌즈부재(30)는, 케이스(40)의 몸체 내부 및 하부에 오목렌즈(52)와 볼록렌즈(51)가 복수개 더 설치된다.

그리고, 상기 메쉬망 모듈(10)은, 몸체 둘레를 따라 측벽(11)이 형성되어, 메쉬망 모듈(10)의 조합 시 상기 측벽(11)이 맞대어져 결합 고정시켜 달성한다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명에 의하면, 구형상의 몸체에 다수개의 집광렌즈부재가 연속 배열된 형상으로 제작되어, 태양의 자오선 방향과 관계없이 태양광이 원형렌즈를 통해 집열렌즈로 집중되며, 상기 집열렌즈에서 다시 태양광을 굴절시켜 열저장매체를 고온으로 가열할 수 있다.

또, 상기 원형렌즈가 포함된 집열렌즈부재가 규격화된 메쉬망 모듈에 고정되고, 이 메쉬망 모듈을 조합해 구 형상의 몸체를 갖게 구성시킴으로써, 상기 몸체조립을 위한 편의성 및 이동 및 보관이 간편하다.

또한, 메쉬망 모듈을 이용해 강풍 및 눈 등의 외부 자연환경에 집광장치가 간섭받지 않도록 하고, 태양광의 발전효율을 향상시켜 경제성이 증대되며 자연환경에 이바지 할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명인 태양광 집광장치의 전체 단면도.
도 2는 본 발명의 메쉬망 모듈의 결합상태를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 집광렌즈부재의 단면도.
도 4는 본 발명의 집광렌즈부재를 통한 태양광 이동을 도시한 개략도.
도 6은 본 발명인 태양광 집광장치를 이용한 전기 발전 시스템의 개략도.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명인 태양광 집광장치는, 구형상의 집광장치에 다수의 렌즈가 구비된 집광렌즈부재를 설치하여, 이 집광렌즈부재를 통해 태양광을 집열렌즈로 집중하고, 상기 집열렌즈에 집중된 태양광을 다시 굴절시켜 열저장매체를 고온상태로 가열하도록 발명한 것이다.

우선 도 1에서와 같이 본 발명의 전체적인 구성은, 구 형상의 집광몸체(20)에 연속 배열된 집광렌즈부재(30)로 태양광을 한점으로 집중시키고, 이 집중된 태양광을 다시 집열렌즈(70)에서 굴절시켜 열저장매체를 고온으로 가열시키도록 한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 그물눈을 갖고 규격화된 넓이를 갖는 메쉬망 모듈(10)을 조합해 구 형상의 집광몸체(20)를 갖도록 결합구성하고, 상기 메쉬망 모듈(10)의 그물눈에 집광렌즈부재(30)를 고정 설치하게 된다.

상기 집광몸체(20)는 지면 상부에 고정되는 것으로, 특히 강풍 등의 자연환경에 몸체가 흔들리거나 눈 및 이물질 등이 쌓이지 않도록 메쉬망으로 구성하는 것으로, 상기 메쉬망을 일체로 구성하기보다 규격화한 메쉬망 모듈(10)로 조립 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은, 상기 메쉬망 모듈(10)은, 몸체 둘레를 따라 측벽(11)이 형성되어, 메쉬망 모듈(10)의 조합 시 상기 측벽(11)이 맞대어져 클립 및 나사 등의 고정부재를 이용해 견고하게 결합 고정하는 것이 중요하다.

또, 상기 메쉬망 모듈(10)의 형상은, 구 형상의 집광몸체(20)를 구성하기 위해 3각 내지 6각의 넓이를 갖는 모듈로 제작할 수 있으며, 집광몸체(20)의 크기 등에 따라 하나의 모듈을 사용하거나 각 형상의 모듈을 혼합하여 구 형상을 갖게 조립할 수 있다.

또한, 상기 메쉬망 모듈(10)은 몸체가 만곡지게 성형하고, 이 메쉬망 모듈(10)을 조합하여 집광몸체(20)를 구성하는 경우 원형에 가까운 몸체형상을 갖게 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 메쉬망 모듈(10)은 몸체에 그물눈을 갖고 있어, 강풍 및 이물질이 몸체를 통과할 수 있으며, 이 그물눈으로 집광렌즈부재(30)를 삽입해 고정하게 된다.

상기 집광렌즈부재(30)는, 원통 형상의 케이스(40) 상부에 원형렌즈(50)가 장착되어 태양의 위치에 관계없이 태양광이 비추는 경우, 상기 원형렌즈(50)를 통해 케이스(40)내부로 태양광이 유입되도록 한다.

이때, 상기 집광렌즈부재(30)의 케이스(40)는, 몸체내벽에 반사부재(43)가 코팅되고, 상부몸체(41)와 하부몸체(42)로 구분되어 슬라이드 이동 가능하게 결합되며, 몸체 내부 및 하부에 볼록렌즈(51)와 오목렌즈(52)를 복수개 더 설치하여 구성한다.

따라서, 상기 케이스(40)의 상부몸체(41)가 메쉬망 모듈(10)의 그물눈에 끼워져 고정된 상태에서, 하부몸체(42)를 상부몸체(41)의 길이방향으로 슬라이드하거나 나사풀림방식으로 이동시킬 수 있어, 집광렌즈부재(30)를 통과하는 태양광을 집광몸체(20) 하단에 위치하는 집열렌즈(70) 상단에 초점이 집중되도록 조정 가능한 것이다.

또, 상기 메쉬망 모듈(10)은 이중의 메쉬망으로 제작해 케이스(40)의 상부몸체(41)가 조립된 상태에서 상,하부를 결속시켜 메쉬망 모듈(10)과 케이스(40)의 결합을 더욱 견고히 할 수 있다.

그리고, 상기 집광몸체(20)의 내부 하단에는 집열렌즈(70)가 장착되어, 상기 집광렌즈부재(30)를 통해 몸체 상부로 집중되는 태양광을 다시 굴절시켜, 그 하단에 구비되는 열저장매체를 고온상태로 가열하도록 한다.

이때, 상기 집열렌즈(70)는, 집광몸체(20) 하단에 위치되어 구 형상의 집광몸체(20)에 결합된 다수개의 집광렌즈부재(30)를 통해 집중된 태양광을 다시 굴절시켜 그 하부에 위치되는 열저장매체를 가열하는 것으로, 고온에 견딜수 있으면서도 투명성이 탁월한 재료를 사용하는 것이 좋다.

그리고, 집열렌즈(70)의 상단에는 투명 재질의 보호커버(60)가 위치되며, 이 보호커버(60)가 집광몸체(20) 하단 프레임에 고정되어, 외부 이물질에 의해 집열렌즈(70)가 오염되는 것을 미연에 방지하게 된다.

또, 상기 보호커버(60)는 집광렌즈부재(30)를 통해 직진하는 태양광은 통과가능케 하고, 외부 이물질에 의한 표면의 흠집 및 파손 등을 방지하기 위해 강성을 갖는 재료로 제작하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 외부에 노출되면서도 고온을 전달받는 원형렌즈(50), 집열렌즈(70), 집광렌즈부재(30), 보호커버(60)는 고온에 견딜 수 있는 내열 재료, 예컨대 유리, 세라믹, 세라믹으로 피복된 합금, 실리콘 카바이드, 알루미나, 특별한 종류의 스테인레스 스틸강, 니켈 합금 등의 재료를 선택적으로 이용해 제조된다.

상기와 같은 구성의 태양광 집광장치(100)를 통한 태양광의 이동경로를, 도 4 내지 도 5에서 도시한 바에 따라 설명하면 다음과 같다.

우선 도 4에서와 같이, 자오선을 따라 태양이 이동하면서 구형상의 집광몸체(20)에 연속 배열된 집광렌즈부재(30)로 태양광이 직진 유입된다.

이때, 상기 집광렌즈부재(30)의 상부에는 원형렌즈(50)가 몸체 상단이 노출된 상태로 형성되므로, 태양의 위치 변화에도 태양광에 비쳐지는 위치의 원형렌즈(50)에는 모두 케이스(40) 내부로 태양광이 유입되게 하였다.

즉, 케이스(40) 상단의 원형렌즈(50)가 태양의 위치에 관계없이 태양광을 굴절시켜 케이스(40) 내부로 유입되도록 한 것이다.

그리고, 상기 케이스(40)는 내벽에 반사부재(43)가 코팅된 상부몸체(41)와 하부몸체(42)로 구분되고, 상기 원형렌즈(50)를 통해 유입된 난반사된 태양광을 하나의 초점으로 집중될 수 있도록 볼록렌즈(51)와 오목렌즈(52)가 복수개 구비되어, 이 태양광이 집광렌즈부재(30)를 통해 집광몸체(20) 하단에 구비된 집열렌즈(70)로 직진되게 된다.

이때, 상기 집광렌즈부재(30)는, 메쉬망 모듈(10)을 조합해 구성된 집광몸체(20)로, 케이스(40)를 고정하는 과정에서 집열렌즈(70)로 태양광을 직진시킬 수 있도록 케이스(40)의 위치를 조정한 상태로 고정시킨다.

또, 상기 집광렌즈부재(30)는 케이스(40)의 상부몸체(41)가 고정된 상태에서 하부몸체(42)를 길이방향으로 슬라이드 조절해 집열렌즈(70) 상부면에 태양광의 초점을 맞추도록 함으로써, 상기 자오선을 따라 이동되는 태양광이 집광렌즈부재(30)를 통해 집열렌즈(70)로 태양광을 집중시킬 수 있게 된다.

따라서, 자오선을 따라 이동하는 태양광이, 집광몸체(20)에 연속 배열된 집광렌즈부재(30)에 비쳐지고, 이 태양광이 비쳐지는 위치에 있는 다수개의 집광렌즈부재(30)를 통해 태양광이 하나의 집열렌즈(70)로 집중되는 것이다.

그리고, 상기 집열렌즈(70)에 집중된 태양광을 다시 굴절시켜 이 태양광의 초점이 열저장매체(H)의 상단에 맞춰짐으로써, 열저장매체(H)를 고온상태로 가열하게 된다.

이와 같이 본 발명인 태양광 집광장치(100)를 통해 열저장매체(H)를 가열하고, 이 가열된 열저장매체(H)를 통과하는 순환관로를 흐르는 유체가 스팀으로 열교환되어, 상기 스팀으로 증기터빈을 구동시켜 전기를 생산하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 - 메쉬망 모듈 11 - 측벽
20 - 집광몸체 30 - 집광렌즈부재
40 - 케이스 41 - 상부몸체
42 - 하부몸체 43 - 반사부재
50 - 원형렌즈 51 - 볼록렌즈
52 - 오목렌즈 60 - 보호커버
70 - 집열렌즈 100 - 태양광 집광장치

Claims (5)

1. 그물눈을 갖고 규격화된 넓이로 성형하는 메쉬망 모듈(10)과;
   상기 메쉬망 모듈(10)을 다 수개 조합시켜 구 형상을 갖도록 결합 구성한 집광몸체(20)와;
   원통 형상의 케이스(40) 상부에 원형렌즈(50)를 장착하며, 상기 메쉬망 모듈(10)의 그물눈에 케이스(40) 몸체가 고정 설치되는 집광렌즈부재(30)와;
   상기 집광몸체(20)의 내부 하단에 고정되는 보호커버(60)와;
   상기 보호커버(60) 내부에 고정 설치되어, 집광렌즈부재(30)를 통해 몸체 상부로 집중된 태양광을 하부로 다시 굴절시키는 집열렌즈(70)로 구성됨을 특징으로 한 태양광 집광장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 집광렌즈부재(30)의 케이스(40)는, 몸체내벽에 반사부재(43)가 코팅됨을 특징으로 한 태양광 집광장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 집광렌즈부재(30)의 케이스(40)는, 상부몸체(41)와 하부몸체(42)로 구분되어 결합되고, 상부몸체(41)가 메쉬망 모듈(10)에 고정되며, 하부몸체(42)는 상부몸체(41)의 길이방향으로 조절가능하게 구성됨을 특징으로 한 태양광 집광장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 집광렌즈부재(30)는, 케이스(40)의 몸체 내부 및 하부에 오목렌즈(52)와 볼록렌즈(51)가 복수개 더 설치됨을 특징으로 한 태양광 집광장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 메쉬망 모듈(10)은, 몸체 둘레를 따라 측벽(11)이 형성되어, 메쉬망 모듈(10)의 조합 시 상기 측벽(11)이 맞대어져 결합 고정됨을 특징으로 한 태양광 집광장치.

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