KR101156939B1 - 태양열 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집열 효율이 우수한 집열 장치에 의하여 열매체를 기화시키고, 고압으로 기화된 열매체를 이용하여 터빈을 회전시켜 친환경적으로 발전하는 태양열 발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열을 집열하는 태양열 집열장치; 상기 태양열 집열장치 내에 설치되며, 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 열매체 기화장치; 상기 열매체 기화장치에 연결되며, 상기 열매체 기화장치에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 터빈; 상기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전장치; 상기 터빈에 연결되며, 상기 터빈을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치에 다시 공급하는 수축 장치;를 포함한다.

태양열, 집열판, 터빈, 발전

Description

태양열 발전 시스템{SYSTEM FOR GENERATING ELECTRICITY BY SOLAR HEAT}

본 발명은 태양열 발전장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 집열 효율이 우수한 집열 장치에 의하여 열매체를 기화시키고, 고압으로 기화된 열매체를 이용하여 터빈을 회전시켜 친환경적으로 발전하는 태양열 발전 시스템에 관한 것이다.

태양 에너지를 이용하여 전기 에너지로 발전을 하는 방식에는 태양광을 이용하는 방식과 태양열을 이용하는 방식 2가지가 있다.

이중에서 태양광을 이용하는 방식 중 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나인 일명 솔라셀(solar cell)이라 명명되는 태양전지는 주로 실리콘 재질을 이용하여 제작이 된 것으로, 가시광선 파장 영역에서 광전 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있다. Si(실리콘) 소재를 이용한 태양전지는 0.4 ㎛에서 1.1 ㎛ 까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 연구 결과가 보고되고 있는바, 이러한 파장 영역은 주로 가시광선 대역이고 보다 높은 발전 효과를 기대할 수 있는 적외선 영역대에서는 흡수 효율이 매우 낮다는 문제가 있다.

보다 구체적으로는, 상기 실리콘 재질에 의한 태양전지는 적외선 파장 영역의 태양광은 흡수 효율이 낮을 뿐 아니라 태양 전지 표면 온도를 증가시켜 발전 효 율이 감소하게 된다. 다시 말해 태양광이 매우 강한 여름의 낮 시간에는 태양광이 강하여 조도는 높을지언정 오히려 태양전지 표면 온도가 상승하여 발전 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

태양 전지의 소재로서 실리콘(Si) 이외에 다양한 소재가 사용되고, 소재의 특성 별로 흡수가 잘되는 파장 영역대를 가지고 있으나, 문제는 각 소재 별로 고유의 흡수 파장 영역을 가지고 있어 태양광의 전반적인 파장 영역을 동시에 사용하기에 큰 애로가 따른다는 것이다.

한편 태양열을 이용하는 발전 방식에서도 열전소자를 이용하는 방식 등 많은 방식들이 제기되고 있다. 그러나 하루 중 또는 연중으로 변화하는 태양고도에 대하여 태양열을 효율적으로 집열하는 방안이 아직 제시되지 못하여 그 효율이 낮은 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양고도의 일변화 및 연변화와 무관하게 효율적으로 태양열을 집열할 수 있는 태양열 집열장치를 이용하여 친환경적이고, 효율적으로 태양열 발전을 할 수 있는 태양열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열을 집열하는 태양열 집열장치; 상기 태양열 집열장치 내에 설치되며, 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 열매체 기화장치; 상기 열매체 기화장치에 연결되며, 상기 열매체 기화장치에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 터빈; 상기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전장치; 상기 터빈에 연결되며, 상기 터빈을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치에 다시 공급하는 수축 장치;를 포함한다.

본 발명에서 상기 태양열 집열 장치는, 전면이 개방되며, 내부에 일정한 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되며, 태양열을 집열하는 집열판; 상기 하우징의 전면을 밀봉하도록 설치되며, 상기 집열판으로 태양광을 집광하여 상기 집열판에 조사하는 프레넬 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 집열판은, 중심에 요(凹)부를 가지는 사각추 형태의 벌집 홈부 가 연접하여 배열되는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 집열판은 태양열을 흡수하여 복사열을 발산하는 금속선 또는 카본선을 방직한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 벌집 홈부는, 상기 사각추 형태의 빗면과 상기 집열판의 표면을 이은 면이 이루는 각이 30 ~ 60°인 것이, 태양열을 효율적으로 집열할 수 있어서 바람직하다 .

그리고 상기 프레넬 렌즈는, 리니어 프레넬 렌즈(Linear Fresnel Lens)인 것이 태양광을 효율적으로 집광할 수 있어서 바람직하다 .

본 발명에서 상기 프레넬 렌즈는 상기 집열판의 마루 부분에 초점이 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 열매체 기화장치는, 상기 집열판의 배면에 열매체가 통과할 수 있는 모세관으로 구성되되, 상기 모세관은 상기 집열판의 마루 부분에 접촉하는 제1 모세관과 상기 요부 부분에 배치되는 제2 모세관이 교번적으로 배치되는 구조를 가지는 것이, 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 열을 효율적으로 이용할 수 있어서 바람직하다.

한편 상기 모세관 배면에 접촉하는 평평한 구조의 배면 집열판을 더 구비할 수도 있다.

본 발명의 태양열 발전 시스템은 복사열을 발산하는 집열판을 이용하여 태양 고도의 일변화 및 연변화와 무관하게 가장 효율적으로 태양열을 흡수하여 친환경적으로 태양열 발전을 할 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 따른 흡열판은 일정한 형상의 금속선 또는 카본선을 방직하는 형태로 제조할 수 있어서 그 제고가 용이한 장점도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 태양열 발전 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 태양열 집열장치(100), 열매체 기화장치(200), 터빈(300), 발전장치(400) 및 수축 장치(500)를 포함하여 구성된다.

먼저 태양열 집열장치(100)는 태양열을 집열하는 장치로, 본 실시예에서는 태양열을 효율적으로 집열하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(110), 집열판(120), 프레렐 렌즈(130)를 포함하여 구성된다. 하우징(110)은 상기 태양열 집열 장치(100)의 전체적인 형상을 이루는 구성요소로서, 전면이 개방되며, 그 내부에 일정한 공간을 가지는 구조를 가진다. 상기 하우징(110)의 전면은 태양을 향하도록 배치되며, 그 내부 공간에는 집열판(120)을 비롯한 다른 구성요소들이 설치된다.

다음으로 집열판(120)은 상기 하우징(110) 내부에 설치되며, 직접 태양열을 집열하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 태양열 발전 시스템(1)의 핵심 기술이 집약된 구성요소이며, 본 실시예에서는 이 집열판(110)을 도 2에 도시된 바와 같이, 중심에 오목하게 들어간 요(凹)부를 가지는 사각추 형태의 벌집 홈부가 연접하여 배열되는 구조를 가진다. 이를 구체적으로 설명하면 마름모 형태의 단위 형태 즉 벌집 홈부가 반복되어 연접하고, 하나의 단위 형태는 피라미드를 뒤집어 놓은 것과 같이 오목하게 파인 구조를 가진다. 따라서 벌집과 같이, 오목하게 파인 역피라미드 구조가 무한 반복되는 구조를 가지는 것이다. 이 단위 형태 즉, 벌집 홈부는 그 단면의 형상이 도 2에 도시된 바와 같이, 삼각형 형태를 이룬다. 이때, 벌집 홈부의 빗면과 집열판의 표면이 이루는 각도(θ)는 30 ~ 60°인 것이 가장 효율적으로 태양열을 흡수할 수 있어서 바람직하다.

이렇게 되면, 상기 벌집 홈부의 각 빗면은 서로 다른 네 방향으로 기울어져서 태양 고도의 일변화 및 연변화에 대하여 각 빗면이 대응하여 태양열을 효율적으로 흡수할 수 있는 장점이 있다. 특히, 이 집열판(120)을 원기둥 형상의 금속선으로 구성하므로, 각 빗면은 다수개의 곡면이 이웃하게 배치되어 이루어진다. 따라서 각 빗면에 입사된 태양광은 다양한 방향으로 난반사를 일으키고, 이렇게 난반사된 태양광은 다른 빗면에 배치된 금속선에 의하여 재흡수되므로, 태양광의 이용 효율이 매우 높은 장점이 있다.

그러므로 이러한 본 실시예에 따른 집열판(120)은 태양열을 흡수하여 복사열을 발산하는 금속선 또는 카본선을 방직한 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 상기 집열판(120)은 둥근 원기둥 형상을 가지는 금속선 또는 카본선을 서로 엮어서 방직한 구조를 가지며, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 하나의 벌집 홈부를 이루는 빗면은 다수개의 금속선 또는 카본선으로 이루어진다. 따라서 상기 벌집 홈부 내로 유입된 태양광은 상기 금속선 또는 카본선의 곡면 구조에 의하여 흡수되거나 일부 반사된 것은 난반사되어 벌집 홈부의 다른 부분에 다시 흡수된다. 결국 본 실시예에 따른 흡열판의 벌집홈부 내부로 흡수된 태양광은 온전하게 태양열로 거의 모두 흡수되는 장점이 있다.

다음으로 상기 하우징(110)의 전면 개방부에는 이를 밀봉하도록 프레넬 렌즈(130)가 설치된다. 이 프레넬 렌즈(130)는 상기 하우징(110)의 전면 개방부를 밀봉할 뿐만아니라, 그 하부에 배치된 상기 집열판(120)으로 태양광을 집광하는 역할도 한다. 상기 하우징(110) 내부가 밀봉되는 것은 하우징 내부가 온실과 같은 구조가 되어 고온을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 상기 프레넬 렌즈(130)가 태양광을 집광하여 상기 집열판(120)에 조사하는 것은, 상기 집열판(120)에 의한 집열이 더욱 효과적으로 이루어지도록 하는 효과가 있다.

예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 프레넬 렌즈(130)가 상기 집열판의 마루 부분(Q)에 태양광을 집광하여 상대적으로 기화장치(200)의 모세관과 이격된 부분에 더 집광하여 상대적으로 기화장치(200)의 모세관과 가깝게 접촉되는 있는 골(P) 부분과 집열 정도의 차이를 줄여 균일하게 집열 효과 이루어지도록 한다. 이를 위하여 본 실시예에서는 상기 프레넬 렌즈(130)를, 상기 집열판(120)의 벌집 홈부 4개가 합쳐진 크기에 해당하는 크기 별로 서로 엇갈리도록 배치되는 리니어 프레넬 렌즈(Linear Fresnel Lens)로 구성할 수 있다.

다음으로 열매체 기화장치(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 태양열 집열장치(100) 내에 설치되며, 상기 태양열 집열장치(100)에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 열매체 기화장치(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 집열판(120)의 배면에 배치되며, 그 내부로 열매체가 통과할 수 있는 미세한 모세관(210, 220)을 구성된다. 이 모세관은 상기 집열판 배면을 매우 촘촘하게 지나가도록 배치된다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 모세관은 상기 집열판의 마루(Q) 부분에 접촉하는 제1 모세관(220)과 상기 요부 부분(P)에 배치되는 제2 모세관(210)이 교번적으로 배치되는 구조를 가지는 것이 가장 효율적으로 태양열을 흡수할 수 있어서 바람직하다.

그리고 상기 하우징(110) 내부 중 상기 모세관(210, 220) 배면에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 모세관(210) 배면에 접촉하는 평평한 구조의 배면 집열판(150)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 집열판(120)은 대류열이나 전도열이 아니라 복사열을 발산하는 구조를 가진다. 따라서 상기 집열판(120)의 배면으로 복사열이 발산되면, 상기 모세관(210, 220)이 그 복사열을 흡수하여 내부의 열매체를 가열하는 것이다. 이때, 상기 모세관(210, 220)을 지나친 복사열을 상기 배면 집열판(150)이 다시 반사하여 상기 모세관(210, 220)에 전달하는 것이다.

한편 상기 하우징 중 내면에는 도 1, 3에 도시된 바와 같이, 반사면(140)이 더 형성될 수 있다. 이 반사면(140)은 상기 하우징 내부로 유입된 태양광 중 상기 집광판(120)을 통과한 태양광을 반사하여 다시 집열에 사용하도록 한다.

다음으로 터빈(300)은 상기 열매체 기화장치(200)에 연결되며, 상기 열매체 기화장치(200)에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 구성요소이다. 그리고 상기 터빈(300)의 회전력을 이용하여 상기 발전장치(400)가 전기를 생산한다. 여기에서 상기 터빈(300)이나 발전장치(400)는 일반적인 터빈이나 발전장치와 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 가지므로 그 상세한 설명을 생략한다. 그리고 상기 발전장치(400)에는 변압기(600) 등이 더 연결될 수 있다.

다음으로 수축 장치(500)는 상기 터빈(300)에 연결되며, 상기 터빈(300)을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치(200)에 다시 공급하는 장치이다. 이 수축 장치(500)와 열매체 기화장치(200) 사이에는 상기 열매체의 역류를 방지하기 위하여 역지변(700)이 더 설치될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 시스템의 구조를 도시하는 개면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열판의 구조를 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 집열장치와 열매체 기화장치의 위치 관계를 도시하는 부분 단면도이다.

Claims (9)

1. 태양열을 집열하는 태양열 집열장치;

   상기 태양열 집열장치 내에 설치되며, 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 열매체 기화장치;

   상기 열매체 기화장치에 연결되며, 상기 열매체 기화장치에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 터빈;

   상기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전장치;

   상기 터빈에 연결되며, 상기 터빈을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치에 다시 공급하는 수축 장치;를 포함하며,

   상기 태양열 집열 장치는,

   전면이 개방되며, 내부에 일정한 공간을 가지는 하우징;

   중심에 요(凹)부를 가지는 사각추 형태의 벌집 홈부가 연접하여 배열되는 구조를 가지며, 상기 하우징 내부에 설치되어 태양열을 집열하는 집열판;

   상기 하우징의 전면을 밀봉하도록 설치되며, 상기 집열판으로 태양광을 집광하여 상기 집열판에 조사하는 프레넬 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 집열판은,

   태양열을 흡수하여 복사열을 발산하는 금속선 또는 카본선을 방직한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 벌집 홈부는,

   상기 사각추 형태의 빗면과 상기 집열판의 표면을 이은 면이 이루는 각이 30 ~ 60°인 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈는,

   리니어 프레넬 렌즈(Linear Fresnel Lens)인 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈는,

   상기 집열판의 마루 부분에 초점이 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 열매체 기화장치는,

   상기 집열판의 배면에 열매체가 통과할 수 있는 모세관으로 구성되되,

   상기 모세관은 상기 집열판의 마루 부분에 접촉하는 제1 모세관과 상기 요부 부분에 배치되는 제2 모세관이 교번적으로 배치되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 모세관 배면에 접촉하는 평평한 구조의 배면 집열판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.

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