KR101148386B1 - 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 막대형 볼록 렌즈가 설치된 집광패널을 이용해 집광하여 광섬유 및 광케이블을 통해 태양광 분광기로 광원을 분광하여 적외선은 스팀 발전과 난방열로 이용하고 가시광선, 자외선은 태양 발전 모듈 패널에 집중 조사하여 효율적으로 태양 에너지를 활용할 수 있도록 한 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광장치와, 상기 태양광 집광장치를 통해 집광된 태양광을 광케이블을 통해 이송하여 적외선 및 가시광선과 자외선으로 분광하기 위한 태양광 분광장치와, 상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 적외선을 광케이블로 이송하여 증기압을 생성키 위한 적외선보일러와, 상기 적외선보일러에서 생성된 증기압을 이용하여 구동되는 증기터빈과, 증기터빈에 의해 발전하는 발전기와, 상기 증기터빈을 구동한 증기압의 폐열을 축열하여 난방을 행하기 위한 축열조와, 상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 가시광선과 자외선을 광케이블로 이송하여 태양광 발전을 행하기 위한 태양광 발전기를 구비한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 태양광 집광패널을 기존 건축물의 지붕재나 건축용 외부면 등에 부착시켜 사용 할 수도 있으며 대규모 채광 발전 설비 구축도 가능한 것으로서, 막대형 볼록 렌즈와 광섬유를 이용하여 태양광을 집광토록 하여 발전 시설비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 태양 발전 모듈 패널 설치비용 및 토지 구입 등에 따른 비용도 최소화 할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명의 집광패널은 두께 10～20mm 정도, 무게는 m² 당 10kg 정도로 제작되므로 얇고 가벼워 지붕재나 건물의 옥상 마감재로 개발이 용이하고 설치 호환성이 매우 우수하다.
또한 간접 방식으로 태양광 발전을 행하도록 하여 직접 방식의 태양 발전 모듈 패널에 의한 발전에 비해 발전 설비의 부피가 작아서 대규모 발전소를 구축 할 시에도 많은 면적을 필요치 않는 장점이 있다.
그리고 태양광을 분광기를 거쳐 적외선을 분리시켜 태양 발전 모듈 패널에서 생기는 과열을 감소시켜 발전 효율을 높일 수 있으며, 분리시킨 적외선으로는 증기 터빈을 구동시켜 추가 발전을 하고 발전 후 잉여 열원과 태양열을 축열조에 저장 후 난방을 할 수 있어 에너지 효율성이 매우 우수한 것이다.

Description

태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템{Condensing power generation systems using solar panels}

본 발명은 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 태양광을 막대형 볼록 렌즈가 설치된 집광패널을 이용해 집광하여 광섬유 및 광케이블을 통해 태양광 분광기로 광원을 분광하여 적외선은 스팀 발전과 난방열로 이용하고 가시광선, 자외선은 태양 발전 모듈 패널에 집중 조사하여 효율적으로 태양 에너지를 활용할 수 있도록 한 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 하는 것이다.

기존에 개발된 태양광 기술은 옥외에 태양 발전 모듈 패널이나 집열 코일 패널을 설치하여 운영하므로 대량의 에너지를 얻기 위해서는 넓은 장소와 초기에 많은 시설비용이 드는 단점이 있다.

또한 태양광을 집광, 발전하기 위해 설치되는 태양 발전 모듈 패널이 적외선에 의해 과열되어 발전효율이 저하되며 내구성이 떨어지고, 무게가 무거워 설치 장소 등에 제한될 수 밖에 없는 등 다수의 문제점을 안고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서 제공코자 하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템은 건물의 옥상이나 벽면, 옥외, 노천 등에 호환성 있게 설치하여 대량의 태양광을 수집하여 발전은 물론 난방도 행할 수 있는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 하는 것이다.

또한 본 발명은 집광된 태양광을 적외선과 가시광선 및 자외선으로 분광하여 적외선을 이용한 발전 및 난방을 행하도록 하고, 가시광선은 별도의 태양광 발전기로 조사시켜 발전을 행할 수 있도록 하여 발전효율을 극대화 할 수 있는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 한다.

또한 본 발명은 태양광을 채집 한 후 분광하여 분광된 광원을 그 특성에 맞춰 분리 이용하는 간접 태양광 발전 기술을 제공하여 기존의 태양전지 발전 방식이나 태양광 집열식 보일러에 대비하여 효율적이며 경제적인 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 한다.

또한 본 발명은 소형 발전과 대형 발전 모두에 적용 되는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 집광된 태양광을 이용하여 발전과 집열을 동시에 할 수 있도록 하여 에너지 활용도가 배가되며 발전시 생기는 태양 발전 모듈 패널의 발열을 감소시켜 더 높은 발전 효율과 내구성을 항상 시키며 발전 장치를 옥외에서 옥내로 이동 시킬 수 있으므로 발전 설비의 운용과 증설, 이설의 편의성을 극대화 할 수 있는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공한다.

이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위해 다음과 같은 특징을 갖는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템을 제공코자 한다.

즉, 본 발명은 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광장치와, 상기 태양광 집광장치를 통해 집광된 태양광을 광케이블을 통해 이송하여 적외선 및 가시광선과 자외선으로 분광하기 위한 태양광 분광장치와, 상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 적외선을 광케이블로 이송하여 증기압을 생성키 위한 적외선보일러와, 상기 적외선보일러에서 생성된 증기압을 이용하여 구동되는 증기터빈과, 증기터빈에 의해 발전하는 발전기와, 상기 증기터빈을 구동한 증기압의 폐열을 축열하여 난방을 행하기 위한 축열조와, 상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 가시광선과 자외선을 광케이블로 이송하여 태양광 발전을 행하기 위한 태양광 발전기를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템은 태양광 집광패널을 기존 건축물의 지붕재나 건축용 외부면 등에 부착시켜 사용 할 수도 있으며 대규모 채광 발전 설비 구축도 가능한 것으로서, 막대형 볼록 렌즈와 광섬유를 이용하여 태양광을 집광토록 하여 발전 시설비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 태양 발전 모듈 패널 설치비용 및 토지 구입 등에 따른 비용도 최소화 할 수 있는 것이다.

그리고 본 발명의 집광패널은 두께 10～20mm 정도, 무게는 m² 당 10kg 정도로 제작되므로 얇고 가벼워 지붕재나 건물의 옥상 마감재로 개발이 용이하고 설치 호환성이 매우 우수하다.

또한 간접 방식으로 태양광 발전을 행하도록 하여 직접 방식의 태양 발전 모듈 패널에 의한 발전에 비해 발전 설비의 부피가 작아서 대규모 발전소를 구축 할 시에도 많은 면적을 필요치 않는 장점이 있다.

그리고 태양광을 분광기를 거쳐 적외선을 분리시켜 태양 발전 모듈 패널에서 생기는 과열을 감소시켜 발전 효율을 높일 수 있으며, 분리시킨 적외선으로는 증기 터빈을 구동시켜 추가 발전을 하고 발전 후 잉여 열원과 태양열을 축열조에 저장 후 난방을 할 수 있어 에너지 효율성이 매우 우수하다.

그리고 본 발명은 일조량이 많은 사막에 저가의 집광패널을 대량 설치하여 황사 등 분진발생을 감소시키고 광원을 광케이블로 도시근처로 이송하여 발전을 이루도록 할 수 있어 이상적인 대형 태양 발전 시스템을 구축하여 지구 환경 개선의 효과를 득할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 매우 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템의 전체 과정을 보인 블록도
도 2는 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템의 전체 구성을 보인 개략적인 구성도
도 3은 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템에 있어서, 태양광 집광장치를 보인 사시도
도 4는 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템에 있어서, 태양광 집광장치를 보인 단면 및 측단면 구성도
도 5는 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템에 있어서, 태양광 분광장치를 보인 사시도
도 6은 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템에 있어서, 태양광 발전기를 보인 사시도

본 발명의 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템은 값 비싼 태양 전지 모듈 판을 대신해서 기존의 지붕재나 옥상에 태양광 집광장치와, 상기 태양광 집광장치를 통해 집광된 태양광을 스펙트럼(spectrum) 원리를 이용한 태양광 분광장치를 통해 적외선 및 가시광선과 자외선으로 분광시킨 후 가시광선과 자외선으로 태양광 발전기를 구동시켜 발전을 행할 수 있도록 하고, 적외선은 적외선 보일러에 조사하여 증기를 발생토록 하여 증기압으로 증기터빈을 구동토록 하여 발전기를 구동시켜 발전을 행하도록 하고, 증기터빈에서 사용된 증기는 축열조로 입력시켜 폐열을 축열 및 열교환시켜 난방도 동시에 행할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면과 함께 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템의 전체 과정을 보인 블록도이며, 도 2는 전체 시스템 구성을 개략적으로 보인 구성도이다.

태양광 집광장치(1)에서 집광된 태양광은 광케이블(2)을 통해 태양광 분광장치(3)로 전송되며, 태양광 분광장치(3)에서 적외선과 가시광선 및 자외선을 별도로 분광시킨 후 가시광선 및 자외선은 태양광 발전기(4)로 광케이블(2)을 통해 조사하여 태양광 발전을 행하도록 하며,

분광된 적외선은 적외선 보일러(5)로 광케이블(2)을 통해 조사하여 증기를 생성시킨 후, 적외선 보일러(5)에서 생성된 증기를 이용하여 증기터빈(6)을 가동하여 발전기(7)로 발전을 행하도록 하며,

증기터빈(6)에 사용된 증기는 축열조(8)로 입력시켜 폐열을 축열 및 열교환시켜 난방도 동시에 행할 수 있도록 한 것이다.

도 3은 본 발명에 사용된 태양광 집광장치(1)의 구성을 보인 사시도이다.

상기 태양광 집광장치(1)는 내열 및 내후성을 갖는 다양한 수지로 이루어지는 집광패널(9)에 상부 단면이 물방울 형태와 유사한 긴 막대 모양의 볼록 렌즈(10)를 다수개 규칙적으로 설치하여 렌즈(10) 상부에 조사되는 태양광이 굴절되어 집광패널(9) 하부로 집광될 수 있도록 하고, 상기 렌즈(10) 하부에 광섬유(11)를 부착시켜 모아진 빛이 유입되게 한다.

상기 렌즈(10)의 하단부에 설치된 광섬유(11)와 접합부에 경사각 약 25°정도(렌즈 재료의 굴절율에 적용)의 전반사 슬래쉬(slash; 12)를 형성하면 공기층이 형성됨과 아울러 전반사 빗면 거울이 된다. 상기 렌즈(10) 하단에 형성되는 슬래쉬(12)는 광섬유(11)의 상단부에 형성할 수도 있는 것이다.

상기 렌즈(10) 하단 또는 광섬유(11) 상단부에 형성되는 슬래쉬(12) 및 공기층에서 빛의 전반사에 의해 상부에서 투과된 빛이 광섬유(11) 배열방향으로 방향 전환을 일으켜 광섬유(11) 내부로 유입된다.

상기 내장 광섬유(11) 끝단부에도 유입 광선의 방향 전환을 위한 전반사 슬래쉬(13)를 형성하여 외장 광케이블(2) 내부로 빛이 잘 흐르게 한다.

상기 광섬유(11)는 집광패널(9)의 측면 단부에 약 10mm정도 돌출시켜 외장 광케이블(2)에 연결하고, 마감용 커버(14)로 고정 마감토록 한다.

상기 집광패널(9)은 원하는 단위 규격으로 제작이 가능하며, 이웃하여 연속 설치하기 위해서는 광섬유(11)의 일측은 이웃하여 설치되는 집광패널(9)의 돌출된 광섬유(11) 부위가 끼움접속될 수 있도록 약 10mm 정도 요입 내장토록 하여 도시치 아니한 연결브라켓 및 볼트 등의 연결수단으로 연결 사용할 수 있도록 한다.

상기 집광패널(9)의 하부에는 보호수지패널(15)과 접착패드(16)가 부착되어 건축물의 외장면 등에 집광패널(9)을 부착하여 설치, 사용토록 한다.

이와 같은 집광패널(9)은 그 두께가 20～30mm, 무게는 10～15kg/m²로 얇고 경량화로 제작하게 된다.

상기 태양광 집광장치(1)는 효과적으로 태양광을 채광하기 위해 집광패널(9)을 동서 횡단 방향으로 다수개 설치함이 바람직하며, 다수개의 집광패널(9)과 연결된 외장 광케이블(2)을 광터미널에 연결시켜 합쳐진 광원을 대용량 광케이블(2)을 통해 태양광 분광장치(3)로 전송하게 한다.

도 5는 본 발명에 사용되는 태양광 분광장치(3)를 보인 사시도이다.

상기 태양광 분광장치(3)는 태양광 집광장치(1)에서 집광되어 광케이블(2)을 통해 공급된 태양광을 분광 효율을 높이고 프리즘(18) 과열 방지를 위해 광프레이트기(17)를 설치하여 태양광을 넓게 펼칠 수 있도록 한다.

상기 광프레이트기(17)를 통해 넓게 펼친 광선을 막대형 프리즘(18)을 통과시키도록 하여, 통과된 광선은 하부 적외선과 상부의 가시광선과 자외선으로 분류토록 한다.

그리고 상하에 2개의 수광기(19,20)를 통해 프리즘(18)을 통과한 적외선은 상부 수광기(19)로, 프리즘(18)을 통과한 가시광선 및 자외선은 하부의 수광기(20)로 유입토록 하고, 적외선은 증기터빈(6)과 축열조(8)로 전송하고 가시광선과 자외선은 태양광 발전기(4)로 보낸다.

상기 태양광 분광장치(3)는 태양광 공급이 많아지면 병렬로 증설할 수 있음은 물론이다.

초대용량의 태양광 분광을 행하고자 할 시에는 상기의 석영 프리즘(18) 대신 세라믹 반사판인 그리이팅으로 교체하여 분광을 행하도록 하면 프리즘 과열 문제를 해결 할 수 있다.

도 6은 본 발명에 사용되는 태양광 발전기(4)를 보인 사시도이다.

태양광 분광장치(3)에서 송출된 가시광선과 자외선은 태양광 발전기(4)를 구성하는 다수개의 태양 발전 모듈 패널(21)이 효율적으로 배열 설치된 발전탱크(22) 내부에 대량 투사시켜 전기를 얻도록 한 것이다.

상기 태양광 발전기(4)는 형광등의 원리와 유사한 것으로서, 발전탱크(22)의 내벽면이 반사체로 이루어지고, 발전탱크(22) 내부에 다수개의 양면 태양 발전 모듈 패널(21)을 방사상으로 배열시킨다.

상기 발전탱크(22) 내부에는 가벼운 반사체 금속 칩(23)을 투입하여 냉각 송풍기(24)에서 송풍되는 공기의 대류작용에 의해 금속 칩(23)이 안개처럼 부유하게 만든다. 상기 냉각 송풍기(24)를 통해 발전탱크(22) 내부로 공급되는 공기는 냉각기능도 동시에 수행하게 된다.

발전탱크(22) 내부로 분광된 가시광선을 대량 투사시켜 금속 칩(23)에서 난반사를 일으켜 광선이 태양 발전 모듈 패널(21)에 고르게 조사되도록 하여 발전이 일어나게 한다.

상기 태양 발전 모듈 패널(21)은 기존의 옥외 태양 발전에 사용하는 태양전지 모듈을 대량의 광선 조사에 적합한 다중 구조의 태양 전지 모듈로 교체시킬 경우에는 더 적은 부피의 발전탱크(22)에서 더 많은 전기를 얻을 수 있다.

그리고 상기 태양광 분광장치(4)에서 분리되어 상부 수광기(19)를 통해 수광된 적외선은 광케이블(2)을 통해 적외선보일러(5)에 투사시켜서 발생된 증기압으로 증기터빈(6)을 구동토록 하며, 상기 증기터빈(6)과 연결된 발전기(7)에 의해 발전을 행하게 된다.

증기터빈(6)을 구동한 증기압은 축열조(8)로 이동하여 축열시킨 후 난방에 사용하게 된다.

이러한 본 발명은 청정 에너지인 태양광을 이용해 주간에 발전을 하고 폐열을 축열조(8)에 저장하여 주야 난방에 이용하게 하는 점에서 매우 경제적이고 친환경적인 기술을 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 간접 발전방식에서는 태양광을 집중 투사가 가능케 하기 위해 적외선을 분리 제거 과정을 필수적으로 거쳐야만 하기에 폐열을 이용해서 증기터빈 구동과 난방을 하는 관점으로 볼 때 태양 에너지 이용도가 매우 높은 기술이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템은 태양광을 집광하여 분광한 후 적외선으로 증기터빈과 발전기를 구동시켜 발전을 행하고, 증기압을 이용하여 축열한 후 난방에 이용할 수 있으며, 가시광선과 자외선은 태양광 발전장치를 사용하여 발전을 행하도록 하여 발전효율이 매우 높고, 태양광을 효율적으로 이용할 수 있으며, 그로 인해 관련 산업계에 파급효과가 지대한 것이다.

1: 태양광 집광장치 2: 광케이블 3: 태양광 분광장치 4: 태양광 발전기 5: 적외선 보일러 6: 증기터빈 7: 발전기 8: 축열조 9: 집광패널 10: (볼록)렌즈 11: 광섬유 12: 슬래쉬 13: 슬래쉬 14: 마감용 커버 15: 보호수지패널 16: 접착패드 17: 광프레이트기 18: 프리즘 19,20: (상하)수광기 21: 태양 발전 모듈 패널 22: 발전탱크 23: 금속 칩 24: 냉각 송풍기

Claims (4)

1. 삭제
2. 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광장치와,
   상기 태양광 집광장치를 통해 집광된 태양광을 광케이블을 통해 이송하여 적외선 및 가시광선과 자외선으로 분광하기 위한 태양광 분광장치와,
   상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 적외선을 광케이블로 이송하여 증기를 생성키 위한 적외선보일러와,
   상기 적외선보일러에서 생성된 증기압을 이용하여 구동되는 증기터빈과, 상기 증기터빈에 의해 발전하는 발전기와,
   상기 증기터빈을 구동한 증기압의 폐열을 축열하여 난방을 행하기 위한 축열조와,
   상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 가시광선과 자외선을 광케이블로 이송하여 태양광 발전을 행하기 위한 태양광 발전기를 구비하며;
   상기 태양광 집광장치는 집광패널에 다수개의 막대형 볼록 렌즈가 상부로 위치토록 설치하며,
   상기 렌즈의 하부에는 슬래쉬를 형성하여 광섬유와 연결, 태양광을 집광하여 광케이블로 이송토록 하며,
   상기 집광패널 하부에는 보호수지패널과 접착패드를 형성한 것을 특징으로 하는 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템.
3. 삭제
4. 삭제

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