KR101221958B1 - 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치에 관한 것으로, 태양광을 집광하는 집광부(10), 상기 집광부(10)에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈(20) 및 상기 광전지 모듈(20)에 냉각수를 공급하고 상기 광전지 모듈(20)로부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 가열된 온수를 배출하는 냉각부(30)를 포함하고, 상기 집광부(10)는 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선집광하는 집광체(11)를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 포물면이 형성된 집광체를 이용해 태양광을 선집광하고, 집광형 광전지를 이용해서 태양에너지를 변환해서 전기 및 열에너지를 복합적으로 생산할 수 있다.

Description

태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치{HYBRID ENERGY CONVERSION APPARATUS UTILIZING SOLAR ENERGY}
본 발명은 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양에너지를 전기 및 열 에너지와 같이 복합 에너지로 변환하는 태양 에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치에 관한 것이다.
화석연료가 점차 고갈되고, 화석연료 사용으로 인한 환경오염을 방지하기 위해 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지 기술에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.
대체 에너지 중에서 태양에너지는 태양으로부터 지속적으로 공급받을 수 있고, 환경오염물질을 발생시키지 않아 이상적인 대체 에너지라 할 수 있다.
이와 같은 태양에너지의 활용에 대한 기술은 크게 태양광 이용 발전 형태와 태양열 이용 온수 형태로 구분될 수 있다.
종래의 태양광 발전 시스템은 전기에너지만을 생산하는 것을 목적으로 함에 따라 결정질계 및 박막계 실리콘과 유기재료 광전지(Photovoltaic cell)를 사용하고 있다.
이러한 태양광 발전 시스템은 전기 변환 효율이 12~15% 정도로 입열되는 총 태양에너지를 100으로 했을 때 최대 15 만큼의 에너지를 전기에너지로 변환한다.
따라서, 종래기술에 따른 태양광 발전 시스템은 전기 변환 효율이 매우 낮고, 온도가 40℃ 이상으로 상승하면 전기 변화 효율이 급격히 감소하여 80℃ 이상에서는 내부 반도체와 구조 자체의 고장 발생 가능성이 크게 상승하는 문제점이 있었다.
그리고 종래의 태양열 발전 시스템은 하절기 잉여 집열로 인한 폐해가 있었다.
최근에는 태양광과 태양열을 동시에 이용하는 태양에너지를 이용해 전기 및 열 에너지로 변환하는 복합 이용 기술이 개발되고 있다.
이러한 태양에너지 복합 이용기술이 대한민국 특허 공개번호 제10-2004-0081816호(2004년 9월 23일 공개, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 대한민국 특허 등록번호 제10-0941926호(2010년 2월 11일 공고, 이하 '특허문헌 2'라 함) 등에 개시되어 있다.
한편, 최근에는 종래의 태양광 발전 시스템에 적용되는 광전지에 비해 효율이 높아 집광환경에 유리한 다중접합형(Multi-junction type) 광전지(MJPV 또는 집광형(Concentrated) 광전지(CPV), MJCPV라 함, 이하 '집광형 광전지'라 통칭함)가 개발되고 있다.
상기 집광형 광전지는 태양광의 밀도를 높이기 위해 서로 다른 특성의 전지를 중첩해서 설치한다.
이러한 집광형 광전지 기술은 미국 특허 공개번호 2008-0251122호(2010년 10월 16일 공개, 대한민국 특허 등록번호 제10-0983232호(2010년 9월 20일 공고), 이하 '특허문헌 3'이라 함) 등에 개시되어 있다.
즉, 집광형 광전지는 태양에너지로부터 전기에너지와 열에너지를 동시에 생산할 수 있어 최대 40% 정도의 전기변환효율을 갖는다.
하지만, 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함하는 종래의 복합 에너지 생산기술에 특허문헌 3에 기재된 집광형 광전지를 적용하는 기술의 연구 및 개발작업은 아직까지 미진한 상태이다.
따라서, 태양에너지로부터 전기 및 열에너지를 생산하는 복합 에너지 장치에 집광형 광전지를 적용하여 태양에너지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2004-0081816호(2004년 9월 23일 공개) 대한민국 특허 등록번호 제10-0941926호(2010년 2월 11일 공고) 미국 특허 공개번호 2008-0251122호(2010년 10월 16일 공개, 대한민국 특허 등록번호 제10-0983232호(2010년 9월 20일 공고))
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양에너지로부터 전기 및 열에너지를 복합적으로 생산할 수 있는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 태양에너지를 전기 및 열에너지로 변환하는 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 태양광을 집광하는 집광부, 상기 집광부에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈 및 상기 광전지 모듈에 냉각수를 공급하고 상기 광전지 모듈로부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 가열된 온수를 배출하는 냉각부를 포함하고, 상기 집광부는 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선집광하는 집광체를 포함한다.
상기 집광부는 상기 집광체의 상부에 설치되는 가로 설치부재 및 상기 집광체의 양측단과 가로 설치부재의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재를 더 포함하고, 상기 광전지 모듈은 상기 집광체에 의해 선집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하도록 상기 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각부는 상기 광전지 모듈에 설치되는 냉각기, 상기 냉각기의 일측에 연결되어 상기 냉각기 내부로 냉각수를 공급하는 공급라인 및 상기 냉각기의 타측에 설치되어 상기 냉각기에서 상기 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 배출하는 배출라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 인쇄회로기판은 상기 복수의 집광형 광전지와 냉각기 사이에서 열교환이 원활하게 수행되도록 열전도성을 갖는 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 한다.
상기 인쇄회로기판은 합성수지 재질로 제작되고, 상기 인쇄회로기판에는 상기 복수의 집광형 광전지와 대응되는 전체 또는 일부분을 절개하여 절개공이 형성되며, 상기 냉각기에는 상기 복수의 집광형 광전지와 직접 접촉하도록 상기 절개공에 삽입되는 삽입돌부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각부의 냉각기(31)에 공급되는 유량을 제어하여 광전지 모듈(20)의 온도 및 온수 온도를 조절하는 제어부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
상기 공급라인 상에는 상기 냉각기 전단에 상기 공급유로를 통해 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계 및 상기 공급유로를 통해 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브가 설치되고, 상기 광전지 모듈에는 광전지 모듈의 온도를 감지하여 감지신호를 상기 제어부로 전달하는 온도감지센서가 구비되며, 상기 제어부는 상기 온도감지부 및 유량계의 감지신호에 기초해서 상기 냉각기에 공급되는 냉각수의 유량을 제어하도록 상기 조절밸브에 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 배출라인은 상기 냉각기에서 배출되는 온수를 이용해 급탕 또는 난방을 수행하도록 급탕장치나 난방장치와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 집광부는 태양의 위치를 추적하여 추적된 위치에 따라 회전운동하는 태양추적장치의 상부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 포물면이 형성된 집광체를 이용해 태양광을 선집광하고, 집광형 광전지를 이용해서 태양에너지를 변환해서 전기 및 열에너지를 복합적으로 생산할 수 있다.
즉, 본 발명은 집광체의 상면에 포물면을 형성해서 포물면을 포함하는 가상 원통의 중심부에 설치된 집광형 광전지를 이용해 포물면으로부터 반사되어 선집광된 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지를 생산한다.
이에 따라, 본 발명은 일반적인 광전지를 사용하는 경우에 비해 광전지 모듈의 설치 면적을 현저하게 줄일 수 있고, 이와 동시에 태양에너지를 활용한 전기 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 난방장치나 급탕장치로 공급하여 태양에너지를 열에너지로 변환함으로써, 전체 에너지 변환 효율을 현저하게 향상시킬 수도 있다.
특히, 본 발명은 복수의 집광형 광전지를 선형으로 배열해서 광전지 모듈을 제작함에 따라, 렌즈 또는 접시(dish) 형상의 집광체를 이용해서 태양광을 점집광하는 에너지 변환장치에 비해 광전지 모듈의 냉각을 용이하게 수행할 수 있다.
또 본 발명은 PCB를 열전도성이 우수한 금속 재질로 제작하거나, 합성수지 재질의 PCB에 냉각기의 일부가 삽입되도록 절개공을 형성하여 집광형 광전지와 냉각기를 직접 접촉시킴으로써, 광전지 모듈의 냉각 성능 및 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 일반적인 광전지에 비해 온도 상승으로 인한 손상 및 에너지 변환 효율저하가 적은 집광형 광전지를 이용함에 따라, 광전지 모듈 및 냉각기로부터 배출되는 온수의 온도를 높게 유지함으로써, 급탕시설이나 난방장치에 효과적으로 적용할 수 있고, 열에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치의 블록 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 복합 에너지 변환장치의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 광전지 모듈의 확대 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 광전지 모듈의 후면도,
도 5는 도 2에 도시된 냉각부의 확대 사시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치의 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 복합 에너지 변환장치의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 광전지 모듈의 확대 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 광전지 모듈의 후면도이며, 도 5는 도 2에 도시된 냉각부의 확대 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광을 집광하는 집광부(10), 집광부(10)에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈(20) 및 광전지 모듈(20)에 냉각수를 공급하고 광전지 모듈(20)로부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 가열된 온수를 배출하는 냉각부(30)를 포함한다.
집광부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선집광하는 집광체(11), 집광체(11)의 상부에 설치되는 가로 설치부재(12) 및 집광체(11)의 양측단과 가로 설치부재(12)의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재(13)를 포함한다.
집광체(11)는 태양광을 선집광하도록 상면이 오목한 포물면으로 형성되어 태양광이 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선을 향해 반사하는 반사체 역할을 한다.
이와 같이, 본 발명은 포물면이 형성된 통 형상의 집광체를 이용함에 따라 렌즈를 이용해서 볼록렌즈 또는 오목거울의 원리를 이용해 점집광하는 경우에 비해 광전지 모듈의 냉각을 용이하게 수행할 수 있다.
광전지 모듈(20)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가로 설치부재(12)의 하부에 설치되어 집광체(11)의 포물면에 의해 선집광된 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지를 생산한다.
이를 위해, 광전지 모듈(20)은 집광체(11)에 의해 선집광되는 가상 원통의 중심선 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(21) 및 복수의 집광형 광전지(21)가 장착되는 인쇄회로기판(Printed circuit board, 이하 'PCB'라 함)(22)을 포함한다.
여기서, 일반적인 광전지는 파장 형태로 전달되는 태양에너지의 일부 파장범위에 대해서만 에너지를 흡수한다.
반면, 집광형 광전지(21)는 일반적인 광전지보다 넓은 파장 범위의 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지로 변환하며, 냉각부(30)를 통해 공급되는 냉각수에 변환된 열에너지를 전달한다.
실험결과에 따르면, 집광형 광전지(21)는 3중 이상의 층으로 구성되어 하나의 층으로 이루어진 일반적인 광전지가 에너지를 흡수하지 못하는 파장 범위의 태양광도 흡수하여 전기 및 열에너지로 변환할 수 있다.
이에 따라, 집광형 광전지(21)는 일반적인 광전지에 비해 3배에 가까운 약 40%의 전기 변환 효율을 발휘할 수 있다.
또 집광형 광전지(21)는 온도 100℃ 상승시 약 8~10% 만큼만 에너지 변환 효율이 저하됨에 따라 광전지 모듈(21)의 온도 상승으로 인한 에너지 변환효율의 저하율이 일반적인 광전지에 비해 매우 적은 특성이 있다.
이와 같이, 본 발명은 집광체를 이용해 태양광을 선집광하고, 집광형 광전지를 이용해 선집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하여 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
PCB(22)는 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지를 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
이와 함께, PCB(22)는 PCB(22)의 하면에 장착된 복수의 집광형 광전지(21)에서 발생하는 열을 PCB(22)의 상면에 결합되는 냉각부(30)에 효과적으로 전달할 수 있도록, 열전도 성능이 우수한 알루미늄 재질 또는 알루미늄 합금 재질과 같이 금속 재질로 제작될 수 있다.
한편, 에폭시 수지나 유리 에폭시, 베이클라이트 수지, 페놀 수지와 같은 일반적인 합성수지 재질의 PCB를 사용하는 경우, PCB(22)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 집광형 광전기(21)로부터 냉각기(30)로 용이하게 열전달이 될 수 있도록 각 집광형 광전지(21)의 후면에 대응되는 전체 또는 일부분을 절개해서 절개공(23)이 형성될 수 있다.
여기서, 절개공(23)에는 아래에서 설명할 냉각부(30)의 냉각기(31) 하면에 형성된 삽입돌부가 삽입된다.
이와 같이, 본 발명은 합성수지 재질의 PCB를 사용하는 경우, PCB에 전기회로 구성에 영향을 주지 않은 부분에 절개공을 형성해서 집광형 광전지와 냉각기를 직접 접촉시킴으로써, 집광형 광전지의 냉각 성능 및 열에너지의 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 광전지 모듈(20)에는 도 1에 도시된 바와 같이, 광전지 모듈(20)의 온도를 감지하여 감지신호를 아래에서 설명할 제어부(40)로 전달하는 온도감지센서(24)가 더 구비될 수 있다.
냉각부(30)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 광전지 모듈(20)의 상부에 설치되는 냉각기(31), 냉각기(31)의 일측에 연결되어 냉각기(31) 내부로 냉각수를 공급하는 공급라인(32) 및 냉각기(31)의 타측에 설치되어 냉각기(31)에서 광전지 모듈(20)과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 배출하는 배출라인(33)을 포함한다.
냉각기(31)는 광전지 모듈(20)로부터 열에너지를 전달받을 수 있도록 열전도성이 높은 금속 재질로 제작된다.
이러한 냉각기(31)의 하면에는 합성수지 재질로 제작된 PCB(22)의 절개공(23)에 대응되는 형상으로 형성되어 절개공(23)에 삽입되는 삽입돌부(도면 미도시)가 형성될 수 있다.
특히, 냉각기(31)는 광전지 모듈과의 열전달을 용이하게 수행할 수 있도록 열접촉 면적이 가능한 크게 제작되고, 냉각기(31) 내부에는 냉각수가 이동하는 냉각수 유로가 형성된다.
여기서, 상기 냉각수 유로의 내면은 광전지 모듈(20)과의 접촉면적을 넓히기 위해 굴곡지게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 냉각수 유로는 냉각기와 냉각수 사이의 열교환이 원활하게 수행될 수 있도록 원형이나 사각형 또는 반원형과 같이 다양한 형상의 단면을 가지도록 변경될 수 있다.
공급라인(32)은 냉각수 탱크나 냉각수 공급파이프(도면 미도시)와 연결되어 냉각기(31)에 냉각수를 공급한다.
이러한 공급라인(32) 상에는 냉각기(31) 전단에 공급유로(32)를 통해 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계(34) 및 제어부(40)의 제어신호에 따라 공급유로(31)를 통해 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브(35)가 설치될 수 있다.
배출라인(33)은 난방 장치나 온수 공급파이프(도면 미도시)와 같이 온수를 이용하는 각종 설비와 연결되어 광전지 모듈(20)에서 변환된 열에너지를 효율적으로 활용할 수 있게 한다.
이와 같이, 본 발명은 포물면 형상의 반사면을 갖는 집광체를 이용해서 직선 형상으로 형성된 광전지 모듈을 이용해서 태양광을 선집광함에 따라 광전지 모듈에 설치된 냉각기를 이용해서 용이하게 냉각할 수 있다.
또한 본 발명은 광전지 모듈을 이용해 태양에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환하고, 열에너지와 열교환하여 가열된 온수를 공급하여 난방이나 온수로 사용함에 따라 에너지 활용도를 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변화장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각부(30)의 냉각기(31)에 공급되는 유량을 제어하여 광전지 모듈(20)의 온도 및 온수 온도를 조절하는 제어부(40)를 더 포함할 수 있다.
제어부(40)는 온도감지부(22) 및 유량계(34)의 감지신호에 기초해서 냉각기(31)에 공급되는 냉각수의 유량을 제어하도록 조절밸브(35)에 제어신호를 발생한다.
즉, 제어부(40)는 온도 상승에 따른 에너지 변화효율 변화가 적은 집광형 광전지의 특성을 이용해서 광전지 모듈(20)을 일반적인 광전지에 비해 높은 온도로 유지하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(40)는 온도감지부(22)를 통해 전달되는 광전지 모듈(20)의 감지온도가 미리 설정된 한계온도, 예컨대 약 120℃ 미만이면 냉각수의 유량을 감소시키거나 유지하도록 제어하고, 감지온도가 상기 한계온도 이상이면 냉각수의 유량을 증가시키도록 제어신호를 발생한다.
이와 같이, 본 발명은 광전지 모듈의 온도에 기초해서 냉각기에 공급되는 유량을 제어하여 광전지 모듈의 온도를 미리 설정된 한계온도 미만으로 유지함과 동시에, 냉각기에서 배출되는 온수의 온도를 일반적인 광전지 적용시에 비해 높임으로써 열에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치의 결합관계를 상세하게 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치는 상면이 포물면으로 형성되는 집광체(11)의 상하단에 각각 세로 설치부재(13)를 설치하고, 각 세로 설치부재(13) 상단부 사이에 가로 설치부재(12)를 결합한다.
그리고 가로 설치부재(12)의 하부에 복수의 집광형 광전지(21)가 선형으로 배열된 광전지 모듈(20)을 설치한다.
이때, 집광체(11)는 포물면이 태양을 향하도록 지면과 경사지게 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 광전지 모듈(20) 자체에 충분한 구조적 강도가 있는 경우, 가로 설치부재(12)를 제거하고, 본 발명은 한 쌍의 세로 설치부재(13) 사이에 광전지 모듈을 직접 설치하도록 변경될 수 있다.
이어서, 광전지 모듈(20)의 상부에 냉각기(31)를 설치하고, 냉각기(31)의 일측에는 냉각수를 공급하는 공급라인(32)을 연결하며, 냉각기(31)의 타측에는 광전지 모듈(20)과의 열교환을 수행하는 과정에서 가열된 냉각수를 배출하는 배출라인(33)을 연결한다.
이때, 공급라인(32)에는 냉각기(31)로 공급되는 냉각수의 유량을 감지하는 유량계(34)와 공급라인(32)을 통해 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브(35)가 설치될 수 있다.
이와 함께, 광전지 모듈(20)의 일측에는 광전지 모듈(20)의 온도를 감지하는 온도감지부(22)가 설치될 수 있다.
여기서, 온도감지부(22)와 유량계(34)는 각각 전선을 통해 제어부(40)와 전기적으로 연결되어 감지신호를 제어부(40)로 전달하고, 조절밸브(35)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 공급라인(32)을 통해 냉각기(31)로 공급되는 유량을 조절하도록 개폐동작한다.
한편, 이와 같이 조립이 완료된 복합 에너지 변환장치는 태양광을 지속적으로 흡수할 수 있도록 태양의 위치를 추적하여 추적된 위치에 따라 회전운동하는 태양추적장치(도면 미도시)의 상부에 설치될 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치의 작동방법을 상세하게 설명한다.
포물면에 태양광이 입사되면, 집광체(11)는 포물면을 포함하는 가상 원통의 중심선을 향해 태양광을 반사하여 선집광한다.
그러면, 광전지 모듈(20)에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(21)는 선집광된 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지로 변환한다.
그리고 냉각기(31)는 공급라인(32)을 통해 공급된 냉각수를 이용해 광전지 모듈(20)과 열교환을 수행한다.
이때, 제어부(40)는 온도감지부(22)에서 감지된 광전지 모듈(20)의 온도에 따라 냉각기(31)로 공급하는 냉각수의 유량을 조절하도록 제어신호를 발생하여 조절밸브(35)로 출력한다.
이에 따라, 광전지 모듈(20)은 냉각수에 의해 냉각되어 미리 설정된 한계온도, 예컨대 120℃ 미만의 온도를 유지하게 된다.
배출라인(33)은 냉각기(31)에서 가열된 온수를 난방장치나 급탕장치로 전달한다.
이와 같은 과정에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치는 집광형 광전지를 사용함에 따라 일반적인 광전지를 사용하는 경우에 비해 향상된 에너지 변환 효율을 갖게 된다.
예를 들어, 날씨가 맑은 상태에서 1㎡의 수직면에 입사되는 태양에너지가 1000W로 가정하면, 1㎡의 수직면에 설치된 일반적인 광전지는 최대 15%의 전기 변환 효율을 가짐에 따라 약 150W의 전기를 생산할 수 있다.
반면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치는 최대 40%의 전기 변환 효율을 갖는 집광형 광전지를 설치함에 따라, 집광체를 이용해 약 400배로 집광해서 1㎡의 1/400에 해당하는 25㎠, 즉 가로 및 세로길이가 5㎝의 집광형 광전지를 설치해서 약 400W의 전기를 생산할 수 있다.
즉, 본 발명은 광전지 셀의 면적을 1/400로 감소시킨 상태에서 전기 생산량을 약 2.67배 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 동일한 셀 면적을 기준으로 보면, 집광형 광전지를 사용해서 일반적인 광전지에 비해 약 1,067배의 전기를 생산할 수 있다.
그리고 본 발명은 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 난방장치나 온수 장치에 공급하여 사용함에 따라 태양에너지를 활용한 효율성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 본 발명은 집광형 광전지를 사용함에 따라 일반적인 광전지보다 높은 45~120℃ 온도에서도 정상적인 기능을 수행할 수 있어 주택에 35℃ 이상의 온수를 공급하여 급탕 기능을 제공하는데 유리하다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 포물면이 형성된 집광체를 이용해 태양광을 선집광하고, 집광형 광전지를 이용해서 태양에너지를 변환해서 전기 및 열에너지를 복합적으로 생산할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 포물면이 형성된 집광체와 복수의 집광형 광전지가 선형으로 배열된 광전지 모듈을 이용해서 태양에너지를 전기 및 열에너지로 복합적으로 변환함으로써, 에너지 변환효율을 향상시키는 기술에 적용된다.
이에 따라, 본 발명은 그린홈(green home)을 비롯한 일반 주택, 집단 주거시설, 공공시설 및 산업용 신재생에너지 시스템, 공항시설, 항만시설 및 우주 발전기지 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
10: 집광부 11: 집광체
12: 가로 설치부재 13: 세로 설치부재
20: 광전지 모듈 21: 집광형 광전지
22: 온도감지부 30: 냉각부
31: 냉각기 32: 공급라인
33: 배출라인 34: 유량계
35: 조절밸브 40: 제어부

Claims (9)

  1. 태양광을 집광하는 집광부(10),
    상기 집광부(10)에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈(20) 및
    상기 광전지 모듈(20)에 냉각수를 공급하고 상기 광전지 모듈(20)로부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 가열된 온수를 배출하는 냉각부(30)를 포함하고,
    상기 집광부(10)는 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선집광하는 집광체(11)를 포함하며,
    상기 광전지 모듈(20)은 상기 집광체(11)에 의해 선집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하도록 상기 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(21) 및
    하면에 상기 복수의 집광형 광전지(21)가 장착되는 인쇄회로기판(22)을 포함하고,
    상기 인쇄회로기판(22)은 상기 복수의 집광형 광전지(21)와 냉각기(31) 사이에서 열교환이 원활하게 수행되도록 열전도성을 갖는 금속 재질이 합성수지 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광부(10)는 상기 집광체(11)의 상부에 설치되는 가로 설치부재(12) 및
    상기 집광체(11)의 양측단과 가로 설치부재(12)의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각부(30)는
    상기 광전지 모듈(20)에 설치되는 냉각기(31),
    상기 냉각기(31)의 일측에 연결되어 상기 냉각기(31) 내부로 냉각수를 공급하는 공급라인(32) 및
    상기 냉각기(31)의 타측에 설치되어 상기 냉각기(31)에서 상기 광전지 모듈(20)과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 배출하는 배출라인(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  4. 삭제
  5. 태양광을 집광하는 집광부(10),
    상기 집광부(10)에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈(20) 및
    상기 광전지 모듈(20)에 냉각수를 공급하고 상기 광전지 모듈(20)로부터 방출되는 열에너지를 흡수하여 가열된 온수를 배출하는 냉각부(30)를 포함하고,
    상기 집광부(10)는 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선집광하는 집광체(11)를 포함하며,
    상기 광전지 모듈(20)은 상기 집광체(11)에 의해 선집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하도록 상기 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(21) 및
    하면에 상기 복수의 집광형 광전지(21)가 장착되는 인쇄회로기판(22)을 포함하고,
    상기 인쇄회로기판(22)이 합성수지 재질로 제작되며,
    상기 인쇄회로기판(22)에는 상기 복수의 집광형 광전지(21)와 대응되는 전체 또는 일부분을 절개하여 절개공(23)이 형성되며,
    상기 냉각기(31)에는 상기 복수의 집광형 광전지(21)와 직접 접촉하도록 상기 절개공(23)에 삽입되는 삽입돌부가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부(30)의 냉각기(31)에 공급되는 유량을 제어하여 광전지 모듈(20)의 온도 및 온수 온도를 조절하는 제어부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공급라인(32) 상에는 상기 냉각기(31) 전단에 상기 공급라인(32)을 통해 공급되는 냉각수의 유량을 측정하는 유량계(34) 및
    상기 공급라인(32)를 통해 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브(35)가 설치되고,
    상기 광전지 모듈(20)에는 광전지 모듈(20)의 온도를 감지하여 감지신호를 상기 제어부(40)로 전달하는 온도감지센서(24)가 구비되며,
    상기 제어부(40)는 상기 온도감지센서(24) 및 유량계(34)의 감지신호에 기초해서 상기 냉각기(31)에 공급되는 냉각수의 유량을 제어하도록 상기 조절밸브(35)에 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 배출라인(33)은 상기 냉각기(31)에서 배출되는 온수를 이용해 급탕 또는 난방을 수행하도록 급탕장치나 난방장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 집광부(10)는 태양의 위치를 추적하여 추적된 위치에 따라 회전운동하는 태양추적장치의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 복합 에너지 변환장치.
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