KR101133043B1

KR101133043B1 - 스털링 엔진을 이용한 발전장치

Info

Publication number: KR101133043B1
Application number: KR1020110068372A
Authority: KR
Inventors: 박순세
Original assignee: 박순세
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-04-04

Abstract

본 발명은 스털링 엔진을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 특히 스털링 엔진의 일 측으로 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 태양광 집광수단과, 집광한 태양열에 의해 발생하는 기류 등에 의해 동작하는 풍력발전수단을 구비하여 스털링 엔진이 지속적으로 동작 되도록 함으로써, 주간은 물론 야간에도 발전가능하도록 하여 발전효율 향상을 이루도록 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치에 관한 것이다. 구성은, 태양 광을 집광하기 위한 오목렌즈와, 상기 오목렌즈와 간격을 두고 설치되며 상기 오목렌즈에 비해 직경이 작은 볼록렌즈로 이루어지는 집광수단과; 상기 집광수단의 오목렌즈와 볼록렌즈의 사이에 위치하도록 설치되며, 상기 볼록렌즈의 초점이 맞추어지는 지점에 가열부가 형성되고, 상기 오목렌즈의 초점이 맞추어지는 가열부의 측 부분에 집열부가 형성되는 작동기체가 충진된 가열챔버와; 상기 가열챔버의 일 측에 형성되고, 상기 가열챔버와 상호 작동기체를 받아들이거나 배출하도록 연결되며, 내부에는 가열과 냉각이 용이한 작동기체가 충진된 기체실이 구비되고, 상기 기체실에는 왕복 슬라이딩 동작하는 각각의 피스톤과, 상기 각 피스톤에 연동하는 크랭크축을 갖는 복수의 실린더로 이루어지는 스털링 엔진과; 상기 스털링 엔진의 크랭크축과 연동하는 회전판과 일체로 결합 되는 발전축을 갖고 스털링 엔진의 구동시 상기 회전판이 회전하면서 발생시키는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 발전수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스털링 엔진을 이용한 발전장치{A Stirling engine generator}

본 발명은 스털링 엔진을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 특히 스털링 엔진의 일 측으로 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 태양광 집광수단과, 집광한 태양열에 의해 발생하는 기류 등에 의해 동작하는 풍력발전수단을 구비하여 스털링 엔진이 지속적으로 동작 되도록 함으로써, 주간은 물론 야간에도 발전가능하도록 하여 발전효율 향상을 이루도록 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 스털링 엔진(stirling engine)은 피스톤을 갖는 실린더의 내부 공간에 작동기체(수소 또는 헬륨 등)를 충진시켜 밀봉하고, 이 작동기체를 외부에서 가열?냉각시킴으로써 발생하는 2가지 등적변화(等積變化)와, 이에 따른 작동기체의 압축?팽창의 2가지 등온변화(等溫變化)의 상호 작용을 통해 피스톤을 작동시켜 기계적 에너지를 얻도록 구성되는 밀폐 사이클을 갖는 용적형(容積型) 외연기관이다.

이와 같은 스털링 엔진의 구조는, 실린더의 상부에는 연소실과 가열 코일이 있고, 실린더의 외주(外周)에는 축열형(蓄熱型)의 재열기와 냉각 코일이 장치되어 있다. 실린더 속은 배제 피스톤에 의해 고온부와 저온부로 구분되어 있고, 배제와 출력의 두 피스톤 운동은 마름모꼴 구동기구(驅動機構)에 의해 규정되어 있다. 즉, 두 피스톤의 연접봉(連接棒)은 2개의 기어로 동기(同期) 되어 있는 크랭크에 의해 연결되어 있으며, 사이클을 할 수 있다.

그리고, 스털링 엔진은 열에너지를 운동에너지로 변환시키는 장치 중 열효율이 가장 높은 것으로 알려져 있을 뿐만 아니라, 외연기관이므로 연료를 자유롭게 선택할 수 있고, 배기가스가 깨끗하며 배기음(排氣音)도 전혀 나지 않는다. 또 마름모꼴 구동기구에 의해 완전히 균형이 잡혀 있으며, 가스 압력을 바꾸어서 쉽게 출력을 조절할 수 있다. 이러한 특징 때문에 공해가 없는 자동차 엔진, 선박의 주기관 또는 보조기관, 유전지대의 다연료기관이나 우주항공용, 가정용 등에 이용될 수 있는 스털링 엔진을 이용한 발전장치가 요구되었고, 이에 부합하여 다양한 구성의 스털링 엔진을 이용한 발전장치가 제시되고 있다.

그러나, 종래의 스털링 엔진을 이용한 발전장치는 태양 광을 집광하여 작동기체의 가열시 태양 광의 집광 및 온도 상승을 원활하게 이룰 수 없기 때문에 작동기체를 신속하고 지속적으로 가열시키지 못해 열 효율이 저하되어 균일한 발전효율을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 태양 광을 집광할 수 없는 야간에는 작동기체를 동작시키지 못해 발전을 이룰 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양광을 효율적으로 집광하여 2개 이상의 실린더를 구동함과 동시에, 바람이나 집광한 태양광에 의해 발생하는 상승기류를 이용하는 풍력발전수단을 구비하여 주간은 물론 야간에도 지속적이고 균일한 발전을 이룰 수 있는 스털링 엔진을 이용한 발전장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양 광을 집광하기 위한 오목렌즈와, 상기 오목렌즈와 간격을 두고 설치되며 상기 오목렌즈에 비해 직경이 작은 볼록렌즈로 이루어지는 집광수단과; 상기 집광수단의 오목렌즈와 볼록렌즈의 사이에 위치하도록 설치되며, 상기 볼록렌즈의 초점이 맞추어지는 지점에 가열부가 형성되고, 상기 오목렌즈의 초점이 맞추어지는 가열부의 측 부분에 집열부가 형성되는 작동기체가 충진된 가열챔버와; 상기 가열챔버의 일 측에 형성되고, 상기 가열챔버와 상호 작동기체를 받아들이거나 배출하도록 연결되며, 내부에는 가열과 냉각이 용이한 작동기체가 충진된 기체실이 구비되고, 상기 기체실에는 왕복 슬라이딩 동작하는 각각의 피스톤과, 상기 각 피스톤에 연동하는 크랭크축을 갖는 복수의 실린더로 이루어지는 스털링 엔진과; 상기 스털링 엔진의 크랭크축과 연동하는 회전판과 일체로 결합 되는 발전축을 갖고 스털링 엔진의 구동시 상기 회전판이 회전하면서 발생시키는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 발전수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 집광수단의 일 측에는 야간에도 상기 스털링 엔진 또는 발전수단을 동작시키도록 바람 또는 기류에 의해 동작하는 풍력발전수단이 부가설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 각 실린더와 실린더의 사이에는 작동기체의 유입과 배출을 위한 기체유입구멍과 기체배출구멍을 연결하는 통로가 형성되고, 상기 통로에는 기체가 한 방향으로만 흐르고 반대로 흐르고자 하면 밸브가 즉시 폐쇄되어 역류를 방지하도록 작동하는 체크밸브가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 집광수단은 태양광추적장치에 의해 태양광의 방향을 따라 회전하면서 태양광을 집광하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실린더 내부에 충진된 작동기체를 효율적으로 동작시킬 수 있도록 태양광 집광수단을 오목렌즈와 볼록렌즈로 구성하여 가열부의 가열속도 및 가열온도를 신속히 높여 스털링 엔진의 출력향상과 높은 발전효율을 도모하는 효과가 있다.

또, 본 발명은 풍력발전수단을 통해 스털링 엔진의 동작시에 발생하는 열(볼록렌즈 및 오목렌즈에 의해 집광된 열과 스털링 엔진에서 발생하는 열)에 의한 상승 기류 등으로 추가적인 발전을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 아파트 베란다 주변에 설치할 경우, 낮에는 태양광에 의한 발전을 수행하고, 밤에는 아파트의 벽면을 따라 상승하는 상승기류나 바람을 이용하여 풍력발전을 병행할 수 있으므로, 주간은 물론 야간에도 스털링 엔진을 지속적으로 동작시킬 수 있어 소형 가정용 발전장치에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 집광수단을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 집광수단과 작동기체가 충진된 가열챔버를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 스털링 엔진을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3이 결합된 사용 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전수단을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양광추적장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 스털링 엔진을 이용한 발전장치의 설치 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 스털링 엔진을 이용한 발전장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명은 집광수단(100)과 스털링 엔진(200) 및 발전수단(300)으로 대별되어 이루어진다.

상기 집광수단(100)은, 상기 스털링 엔진(200)의 외 측으로 위치하도록 설치되고, 태양광을 집광하여 초점을 형성하는 볼록렌즈(110)와 태양광을 목적으로 위치로 초점을 확산 형성하는 오목렌즈(120)로 구성된다.

상기 볼록렌즈(110)와 오목렌즈(120)는 상호 간격을 두고 설치되며, 상기 볼록렌즈(110)는 오목렌즈(120)에 비해 직경이 작게 형성된다.

상기 볼록렌즈(110)는, 중앙 부분이 가장자리보다 두꺼워 볼록한 형태를 띠는 렌즈로서, 렌즈의 양면은 보통 구면이 쓰이며, 상기 오목렌즈(120)와는 반대로 빛을 모이게 하는 집광성을 가지고 있어서 태양광의 초점을 모아 추후 설명할 가열챔버(600)의 가열부(610)를 신속하고 확실하게 가열하는 역할을 한다.

또, 상기 오목렌즈(120)는, 중앙 부분이 가장자리보다 얇아 오목한 형태를 띠는 렌즈로서, 상기 볼록렌즈(110)와 대향 하는 위치에 설치되어 볼록렌즈(110)와 함께 태양광을 상기 가열부(610)의 측면으로 형성되는 집열부(620)에 초점이 모아지도록 하여 가열챔버(600) 내에 충진 되는 작동기체를 더욱더 신속하게 가열할 수 있도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 집광수단(100)은 추후 설명할 태양광추적장치(700)에 의해 태양광의 방향을 따라 회전하면서 태양광을 집광하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 볼록렌즈(110)는 태양광을 집광하여 상기 가열부(610)의 중앙부분을 가열하도록 하고, 상기 오목렌즈(220)는 태양광을 집광 후, 상기 가열부(610)의 측 부분에 위치하는 집열부(620)를 집중적으로 가열하도록 하는 것이다.

이에 따라, 상기 가열부(610)를 더욱더 신속하고 효율적으로 가열시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 집광수단(100)의 사이에는 상기 스털링 엔진(200)의 실린더로 작동기체를 공급하기 위한 기체배출구멍(600b)과 스털링 엔진(200)의 실린더로부터 배출되는 작동기체를 받아들이기 위한 기체유입구멍(600a)이 형성된 가열챔버(600)가 설치된다.

즉, 상기 가열챔버(600)는 집광수단(100)의 볼록렌즈(110)와 오목렌즈(120)의 사이에 위치하도록 설치된다.

그리고, 상기 가열챔버(600)의 일 측으로는 상기 집광수단(100)의 볼록렌즈(110)를 통해 집광된 태양광이 집약되어 내부에 충진된 작동기체를 가열시키기 위한 가열부(610)가 형성된다. 즉, 상기 볼록렌즈(110)의 초점이 맞추어지는 지점에 가열부(610)가 형성된다.

여기서, 상기 가열부(610)에는 상기 집광수단(100)에 의해 태양광의 집광 조사시, 고온으로 가열이 용이한 발열체(미도시)가 형성된다. 상기 발열체는 열전도성 금속판에 의해 고정되며 구체적인 특징은 일반적으로 공지된 발열체를 게시한 것으로 상세한 설명은 생략한다.

또, 상기 가열부(610)는 측면으로 상기 오목렌즈(120)를 통해 집광, 조사되는 태양광을 더욱더 효율적으로 받아들일 수 있도록 하기 위한 집열부(620)가 설치된다. 즉, 상기 오목렌즈(120)의 초점이 맞추어지는 가열부(610)의 측 부분에 집열부(620)가 형성된다.

상기 집열부(620)는 상기 오목렌즈(120)를 통해 집광 되는 태양광의 초점을 한번 더 모을 수 있도록 프레넬 렌즈(Fresnel lens)로 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않고 집열 효율을 향상시킬 수 있는 것이라면 다양하게 적용할 수 있다.

이에 따라, 상기 가열챔버(600) 내에 충진된 작동기체를 보다 효율적으로 가열할 수 있다.

상기 스털링 엔진(200)은, 상기 가열챔버(600)의 일 측에 형성되고, 상기 가열챔버(600)와 상호 작동기체를 받아들이거나 배출하도록 연결되며, 내부에는 가열과 냉각이 용이한 작동기체가 충진된 기체실이 구비되고, 상기 기체실에는 왕복 슬라이딩 동작하는 각각의 피스톤과, 상기 각 피스톤에 연동하는 크랭크축을 갖는 복수의 실린더로 이루어진다.

예컨대, 상기 스털링 엔진(200)은, 피스톤을 갖는 실린더가 2개 이상, 바람직하게는 2개, 4개 또는 6개와 같이 다양하게 형성될 수 있다.

본 발명에서는 4개의 실린더로 이루어진 스털링 엔진(200)을 일 실시 예로써 설명한다.

즉, 상기 스털링 엔진(200)은, 제 1 실린더(210)와 제 2 실린더(220)와, 제 3 실린더(230) 및 제 4 실린더(240)가 상호 간격을 두고 시계방향 또는 반 시계방향으로 순차적으로 동작하도록 설치된다.

또, 상기 스털링 엔진(200)은 상기 집광수단(100)의 볼록렌즈(110)와 오목렌즈(120)의 사이에 위치하도록 설치된다.

상기 제 1 실린더(210)는, 내부에 작동기체가 충진된 제 1 기체실(211)이 형성되고, 상기 제 1 기체실(211)에는 왕복 슬라이딩 동작하는 제 1 피스톤 로드(213)를 갖는 제 1 피스톤(212)이 형성되며, 상기 제 1 피스톤 로드(213)에는 제 1 피스톤(212)의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 크랭크축(crankshaft)(214)이 형성된다.

또, 상기 제 1 기체실(211)에는 상기 가열챔버(600)의 기체배출구멍(600b)을 통해 배출되는 작동기체를 공급받기 위한 제 1 기체유입구멍(211a)과, 상기 제 2 실린더(220)의 제 2 기체유입구멍(221a)으로 작동기체를 배출하기 위한 제 1 기체배출구멍(211b)이 형성된다.

상기 제 2 실린더(220)는, 내부에 작동기체가 충진된 제 2 기체실(221)이 형성되고, 상기 제 2 기체실(221)에는 왕복 슬라이딩 동작하는 제 1 피스톤 로드(223)를 갖는 제 2 피스톤(222)이 형성되며, 상기 제 2 피스톤 로드(223)에는 제 2 피스톤(222)의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 크랭크축(crankshaft)(224)이 형성된다.

상기 제 2 기체실(221)에는 제 2 기체유입구멍(221a)과, 제 2 기체배출구멍(221b)이 형성된다.

상기 제 3 실린더(230)는, 내부에 작동기체가 충진된 제 3 기체실(231)이 형성되고, 상기 제 3 기체실(231)에는 왕복 슬라이딩 동작하는 제 3 피스톤 로드(233)를 갖는 제 3 피스톤(232)이 형성되며, 상기 제 3 피스톤 로드(233)에는 제 3 피스톤(232)의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 크랭크축(crankshaft)(234)이 형성된다.

상기 제 3 기체실(231)에는 제 3 기체유입구멍(231a)과, 제 2 기체배출구멍(231b)이 형성된다.

상기 제 4 실린더(240)는, 내부에 작동기체가 충진된 제 4 기체실(241)이 형성되고, 상기 제 4 기체실(241)에는 왕복 슬라이딩 동작하는 제 4 피스톤 로드(243)를 갖는 제 4 피스톤(242)이 형성되며, 상기 제 4 피스톤 로드(243)에는 제 4 피스톤(242)의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 크랭크축(crankshaft)(244)이 형성된다.

상기 제 4 기체실(241)에는 제 4 기체유입구멍(241a)과, 제 4 기체배출구멍(241b)이 형성된다.

이와 같은 구성의 스털링 엔진(200)은, 상기 가열챔버(600)의 가열부(610)가 상기 집광수단(100)에 의해 가열되면 충진된 작동기체가 고온으로 가열되어 팽창하면서 제 1 실린더(210)의 제 1 기체유입구멍(211a)으로 유입된다.

이때, 상기 제 1 실린더(210)의 제 1 기체실(211)로 유입된 고온의 작동기체는 제 1 피스톤(212)을 밀게 되고, 제 1 피스톤(212)은 이동 동작하면서 제 1 기체실(211) 내에 작동기체를 제 1 기체배출구멍(211b)을 통해 제 2 실린더(220)의 제 2 기체실(222)에 형성된 제 2 기체유입구멍(221a)으로 이동시킨다.

이와 동시에 상기 제 2 실린더(220)의 제 2 피스톤(222)이 이동하면서 제 2 기체실(221)에 충진된 작동기체를 밀게 되고, 밀려난 작동기체는 제 2 기체배출구멍(221b)을 통해 제 3 실린더(230)의 제 3 기체실(232)에 형성된 제 3 기체유입구멍(231a)으로 이동하게 된다.

이와 동시에, 상기 제 3 실린더(230)의 제 3 피스톤(232)이 이동하면서 제 3 기체실(231)에 충진된 작동기체를 밀게 되고, 밀려난 작동기체는 제 3 기체배출구멍(231b)을 통해 제 4 실린더(240)의 제 4 기체실(242)에 형성된 제 4 기체유입구멍(241a)으로 이동하게 된다.

이와 동시에 상기 제 4 실린더(240)의 제 4 피스톤(242)이 이동하면서 제 4 기체실(241)에 충진된 작동기체를 밀게 되고, 밀려난 작동기체는 제 4 기체배출구멍(241b)을 통해 상기 가열챔버(600)의 기체유입구멍(600a)으로 다시 유입된다.

이와 같이, 상기 제 1 실린더(210)와 제 2 실린더(220)와, 제 3 실린더(230) 및 제 4 실린더(240)에 충진된 작동기체는 순차적으로 유입, 배출되면서 제 1 피스톤(212), 제 2 피스톤(222), 제 3 피스톤(232), 제 4 피스톤(242)을 지속적으로 왕복 이동시켜 스털링 엔진(200)을 지속적으로 구동할 수 있게 한다.

한편, 상기 제 1 실린더(210), 제 2 실린더(220), 제 3 실린더(230), 제 4 실린더(240)의 양측 내주면 일 측에는 제 1 피스톤(212), 제 2 피스톤(222), 제 3 피스톤(232), 제 4 피스톤(242)의 이동 거리를 제한하여 제 1 기체실(211), 제 2 기체실(221), 제 3 기체실(231), 제 4 기체실(241)의 최소 부피가 일정하게 형성될 수 있게 하는 스토퍼(미도시)가 설치될 수 있으며, 이때 스토퍼는 실린더의 내주 면을 따라 간격을 두고 복수의 개수가 구비될 수도 있다.

또, 상기 제 1 실린더(210), 제 2 실린더(220), 제 3 실린더(230), 제 4 실린더(240)의 기체유입구멍과 기체배출구멍을 연결하는 통로에는 기체가 한 방향으로만 흐르고 반대로 흐르고자 하면 밸브가 즉시 폐쇄되어 역류를 방지하도록 작동하는 체크밸브(check valve)(210a),(220a),(230a),(240a)가 형성된다.

이에 따라, 작동기체의 역류를 방지하여 보다 안정되고 확실한 동작을 이룰 수 있게 된다.

그리고, 상기 작동기체는, 팽창과 수축과정에서 고효율과 고출력이 가능하도록 분자량이 적어 신속하게 가열 또는 냉각될 수 있는 수소(H)나 헬륨(He)으로 구성되는 것이 바람직하고, 밀폐된 제 1 실린더(210)와 제 2 실린더(220)의 내부에서 상호 이동하면서 팽창과 수축을 반복 수행하게 된다.

상기 발전수단(300)은 전기 발전을 위한 것으로서, 스털링 엔진(200)의 제 1 피스톤(212), 제 2 피스톤(222), 제 3 피스톤(232), 제 4 피스톤(242)의 제 1 크랭크축(214), 제 2 크랭크축(224), 제 3 크랭크축(234), 제 4 크랭크축(244)의 일단이 결합 되는 회전판(250)의 회전축(251)과 일체로 결합 되는 발전축(310)을 갖고, 상기 스털링 엔진(200)의 구동시 상기 회전판(250)이 회전하면서 발생시키는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생산하는 역할을 한다.

이와 같이, 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 전기 발전기의 원리는 이미 널리 알려진 주지의 사실임으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또, 상기 발전수단(300)의 일 측으로는 발전수단(300)을 통해 생산된 전기를 저장하기 위해 케이블(미도시) 연결된 축전지와 같은 축전수단(400)이 설치된다.

그리고, 상기 축전수단(400)에는 필요에 따라 전력 조정기(power controller)나 직/교류 변환장치(inverter)와 같은 보조 전력장비가 추가 적으로 연결될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 집광수단(100)의 일 측에는 야간에도 상기 스털링 엔진(200)을 동작시킬 수 있도록, 바람, 상승기류 등에 의해 동작하는 풍력발전수단(wind power generation)(500)이 부가설치되는 것이 바람직하다.

상기 풍력발전수단(500)은 바람 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 날개, 변속장치, 발전기로 구성되며, 불어오는 바람 또는 아파트와 같은 고층건물 주변에서 발생하는 상승기류가 날개를 회전시키게 되고, 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다. 즉, 상기 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고, 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.

여기서, 상기 풍력발전수단(500)의 날개는 통상적인 바람개비 형태의 날개를 이용할 수도 있으나, 바람은 물론 상승기류를 보다 용이하게 이용하여 동작할 수 있도록 나선 또는 스크류 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 풍력발전수단(500)의 구성과 원리는 이미 널리 알려진 주지의 기술로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 풍력발전수단(500)은, 스털링 엔진(200)의 구동시에 발생하는 열(볼록렌즈 및 오목렌즈에 의해 집광된 열과 스털링 엔진에서 발생하는 열)에 의한 상승 기류로 추가적인 발전을 얻을 수 있다.

또한, 상기 풍력발전수단(500)은, 밤에는 아파트의 벽면을 따라 상승하는 상승기류나 바람을 이용하여 풍력발전을 병행할 수 있으므로, 상기 스털링 엔진(200)의 회전축(251) 또는 발전수단(300)의 발전축(310)과 연결되어 주간은 물론 야간에도 지속적인 발전을 이룰 수 있다.
즉, 상기 풍력발전수단(500)의 회전축(미도시)이 스털링 엔진(200)의 회전축(251)과 연결될 경우, 상기 풍력발전수단(500)의 날개에서 발생한 회전력이 회전축을 통해서 스털링 엔진(200)의 회전축(251)을 구동시키게 되고, 또 상기 풍력발전수단(500)의 회전축(미도시)이 발전수단(300)의 발전축(310)과 직접 연결될 경우에는 상기 풍력발전수단(500)의 날개에서 발생한 회전력이 회전축을 통해서 발전수단(300)의 발전축(310)을 직접 구동시켜 발전을 이룰 수 있다.

그리고, 상기 풍력발전수단(500)의 일 측으로는 풍력발전수단(500)을 통해 생산된 전기를 저장하기 위해 케이블(미도시) 연결된 축전지와 같은 축전수단(400)이 설치된다.

또, 본 발명은, 상기 집광수단(100)의 보다 효율적인 태양광 집광을 이루기 위해, 일 측으로 광센서(701)와 스테핑 모터702)와 광 추적회로를 의미하는 제어부(720)를 포함하는 태양광추적장치(700)가 설치되어 태양광의 이동에 따라 연동하도록 한다.

상기 제어부(720)는 광센서(701)의 태양광 방향 감지신호가 광추적회로에 전달될 때 스테핑모터(702)의 회전축의 회전각을 조정하는 통상의 제어회로이다.

여기서, 광추적회로란 태양광 방향 감지 배열 구조로 배열된 광센서(701)로부터 입력되는 태양광 방향 감지신호를 비교하여, 그의 상대치에 따라 태양광의 방향을 판별하도록 된 회로구성으로서, 태양광의 방향 변화에 따른 회전축의 회전각에 대응한 모터 제어 신호를 스테핑모터(702)에 전달하여 회전을 제어하는 역할을 담당한다.

상기 광센서(701)는, 태양광 방향 감지 배열구조를, 태양이 떠오르는 방향(동쪽)을 기준점(초기위치)으로 하여, 태양광이 동쪽에서 서쪽으로 변화되는 것을 감지할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성의 본 발명에 따른 태양광추적장치(700)는, 브래킷(710)을 매개로 상기 집광수단(100)과 스털링 엔진(200)을 지지함과 동시에 건물에 동작가능하도록 설치된다.

예컨대, 상기 브래킷(710)은, 스테핑모터(702)의 회전축에 결합 되어 있으며, 광센서(701)는 상기 볼록렌즈(110)의 가장자리 주변에 부착되어 있고, 전기적으로 제어부(720)의 광추적 회로에 접속되어 있다.

이하, 본 발명의 스털링 엔진을 이용한 발전장치의 작동 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 집광수단(100)의 볼록렌즈(110)와 오목렌즈(120)를 통해 태양광을 집광하여 상기 가열챔버(600)에 형성된 가열부(610)와, 집열부(620)로 조사하게 되면 상기 가열부(610와 집열부(620)에 형성된 발열체(미도시)가 가열되면서 내부에 충진된 작동기체가 고온으로 가열되어 팽창하게 된다.

이에 따라, 상기 작동기체의 팽창 압력으로 인해 밀려나면서 제 1 실린더(210)로 유입되면서 제 1 피스톤(212)을 밀어 동작시킨다.

이때, 상기 제 1 피스톤(212)의 이동 동작에 의해 제 1 기체실(211) 내에 작동기체는 제 1 기체배출구멍(211b)을 통해 제 2 실린더(220)의 제 2 기체실(222)에 형성된 제 2 기체유입구멍(221a)으로 이동하게 된다.

이와 동시에 상기 제 4 실린더(240)의 제 4 피스톤(242)이 이동하면서 제 4 기체실(241)에 충진된 작동기체를 밀게 되고, 밀려난 작동기체는 제 4 기체배출구멍(241b)과 기체유입구멍(600a)을 통해 상기 가열챔버(600) 내로 다시 유입된다.

따라서, 이와 같은 팽창과 압축(수축) 과정을 통해 제 1 실린더(210), 제 2 실린더(220), 제 3 실린더(230), 제 4 실린더(240)의 제 1 기체실(211), 제 2 기체실(221), 제 3 기체실(231), 제 4 기체실(241)이 지속적이고, 순차적으로 팽창, 압축됨으로써, 압축과정, 작동기체의 영역 이동과정, 팽창과정, 및 복원과정을 통해 하나의 싸이클을 형성하게 되며, 이 싸이클을 연속적으로 수행하여 작동되게 되는 것이다.

이때, 상기 제 1 피스톤(212), 제 2 피스톤(222), 제 3 피스톤(232), 제 4 피스톤(242)은 상기와 같은 싸이클을 통해 제 1 실린더(210), 제 2 실린더(220), 제 3 실린더(230), 제 4 실린더(2400 내에서 연속적으로 왕복 이동하게 되고, 이에 따라 상기 제 1 크랭크축(214), 제 2 크랭크축(224), 제 3 크랭크축(234), 제 4 크랭크축(244)이 상기 각 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸도록 동작함에 따라 상기 각 크랭크축과 연결된 회전판(250)이 회전하게 되고, 상기 회전판(250)의 회전축(251)과 연결된 발전수단(300)의 발전축(310)이 연동하면서 지속적으로 발전(generation)을 하게 된다.

이와 같이, 상기 제 1 피스톤(212), 제 2 피스톤(222), 제 3 피스톤(232), 제 4 피스톤(242)이 동일한 속도로 순차적으로 왕복 이동 가능하게 됨으로써, 압력손실을 최소화시킬 수 있게 되고, 보다 균일하고 효과적인 발전 효율을 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 태양광추적장치(700)의 광센서(701)는, 상기 집광수단(100)으로 조사되는 태양광의 방향을 감지하여 감지신호를 제어부(720)의 광 추적회로에 전달하고, 광 추적회로는 태양광 방향 감지신호를 기준으로 태양광의 방향각을 연산하여 출력신호(전압)를 스테핑모터(702)에 인가하여 스테핑모터(702)의 회전각을 태양광의 방향에 대응하게 조정한다.

이에 따라, 상기 스테핑모터(702)의 회전축에 연동하는 집광수단(100)은 스테핑모터(702)의 작동에 따라 태양광의 방향에 정 위치됨으로써, 더욱더 효율적인 태양광의 집광을 수행할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 집광수단 110 : 볼록렌즈
120 : 오목렌즈 200 : 스털링 엔진
210 : 제 1 실린더 211 : 제 1 기체실
211a : 제 1 기체유입구멍 211b : 제 1 기체배출구멍
212 : 제 1 피스톤 213 : 제 1 피스톤 로드
214 : 제 1 크랭크축 220 : 제 2 실린더
221 : 제 2 기체실 221a : 제 2 기체유입구멍
221b : 제 2 기체배출구멍 222 : 제 2 피스톤
223 : 제 2 피스톤 로드 224 : 제 2 크랭크축
230 : 제 3 실린더 231 : 제 3 기체실
231a : 제 3 기체유입구멍 231b : 제3 기체배출구멍
232 : 제 3 피스톤 233 : 제 3 피스톤 로드
234 : 제 3 크랭크축 240 : 제 4 실린더
241 : 제 4 기체실 241a : 제 4 기체유입구멍
241b : 제 4 기체배출구멍 242 : 제 4 피스톤
243 : 제 4 피스톤 로드 244 : 제 4 크랭크축
250 : 회전판 251 : 회전축
300 : 발전수단 310 : 발전축
400 : 축전수단 500 : 풍력발전수단
600 : 가열챔버 600a : 기체유입구멍
600b : 기체배출구멍 610 : 가열부
620 : 집열부 700 : 태양광추적장치
701 : 광센서 702 : 스테핑모터
710 : 브래킷 720 : 제어부

Claims

태양 광을 집광하기 위한 오목렌즈와, 상기 오목렌즈와 간격을 두고 설치되며 상기 오목렌즈에 비해 직경이 작은 볼록렌즈로 이루어지는 집광수단과;
상기 집광수단의 오목렌즈와 볼록렌즈의 사이에 위치하도록 설치되며, 상기 볼록렌즈의 초점이 맞추어지는 지점에 가열부가 형성되고, 상기 오목렌즈의 초점이 맞추어지는 가열부의 측 부분에 집열부가 형성되는 작동기체가 충진된 가열챔버와;
상기 가열챔버의 일 측에 형성되고, 상기 가열챔버와 상호 작동기체를 받아들이거나 배출하도록 연결되며, 내부에는 가열과 냉각이 용이한 작동기체가 충진된 기체실이 구비되고, 상기 기체실에는 왕복 슬라이딩 동작하는 각각의 피스톤과, 상기 각 피스톤에 연동하는 크랭크축을 갖는 복수의 실린더로 이루어지는 스털링 엔진과;
상기 스털링 엔진의 크랭크축과 연동하는 회전판과 일체로 결합 되는 발전축을 갖고 스털링 엔진의 구동시 상기 회전판이 회전하면서 발생시키는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 발전수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서, 상기 집광수단의 일 측에는 야간에도 상기 스털링 엔진또는 발전수단을 동작시키도록 바람 또는 기류에 의해 동작하는 풍력발전수단이 부가설치되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서, 상기 각 실린더와 실린더의 사이에는 작동기체의 유입과 배출을 위한 기체유입구멍과 기체배출구멍을 연결하는 통로가 형성되고, 상기 통로에는 기체가 한 방향으로만 흐르고 반대로 흐르고자 하면 밸브가 즉시 폐쇄되어 역류를 방지하도록 작동하는 체크밸브가 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서, 상기 집광수단은 태양광추적장치에 의해 태양광의 방향을 따라 회전하면서 태양광을 집광하도록 하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진을 이용한 발전장치.