KR101431559B1 - 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사판의 중앙부위를 절개함으로써, 각각 개별적인 반사판 사용으로 반사판의 파손, 변형 및 이물질 오염에 따른 교체 작업시, 주요 부위만을 교체할 수 있고, 반사판의 각각 독립적인 교체작업으로 유지관리의 편의성 증대, 작업시간 단축 및 재료비 등의 비용이 절감되며, 집열관의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분의 반사판을 절개하여 고가(高價)의 반사판 재료비를 절감할 수 있고, 불필요한 반사판 부위의 절개를 통해 반사판의 경량화되며, 상기 반사판의 표면에 쌓이는 먼지 등의 이물질들은 절개된 부분으로 배출시켜 반사판의 입사광 반사 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있는 특징이 있다.

Description

반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치{Solar thermal collecting device with framed-supporter for reflector}

본 발명은 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사판의 중앙부위를 절개함으로써, 각각 개별적인 반사판 사용으로 반사판의 파손, 변형 및 이물질 오염에 따른 교체 작업시, 주요 부위만을 교체할 수 있고, 반사판의 각각 독립적인 교체작업으로 유지관리의 편의성 증대, 작업시간 단축 및 재료비 등의 비용이 절감되며, 집열관의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분의 반사판을 절개하여 고가(高價)의 반사판 재료비를 절감할 수 있고, 불필요한 반사판 부위의 절개를 통해 반사판의 경량화되며, 상기 반사판의 표면에 쌓이는 먼지 등의 이물질들은 절개된 부분으로 배출시켜 반사판의 입사광 반사 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치에 관한 것이다.

근래에 들어 화석원료의 과다한 사용에 따른 대기오염 문제와 함께 자원고갈의 문제에 직면하여 대체 에너지원으로 태양열을 이용하는 기술이 꾸준히 개발되고 있다.

종래의 태양열 집열장치(9)는 도 1과 같이, 대체로 가격이 저렴한 이중진공관으로 이루어진 집열관(3)을 사용하고 있다.

이러한 집열관(3)은 표면에 선택흡수막(311)이 코팅된 내부진공관(31)과, 상기 내부진공관(31)을 감싸는 외부진 공관(32)으로 이루어져 태양광의 입사각이 60˚이상에서는 외부진공관의 투과율 저하로 유효면적이 감소하는바, 집열 효율을 증대시키기 위해 평판 형상의 반사판(1a)이 집열관(3)의 후방에 배치되어 있는 구조이다.

하지만 이러한 평판형 반사판(1a)을 갖는 태양열 집열장치(9)는 반사판(1a)으로 투과되는 입사광의 투과면적이 작기 때문에 집열관(3)의 유효면적(선택흡수막면적+반사판 수평 투영면적)과 집열관의 면적비(집열관 유효면적/반사판 총면적)가 작게 되어 효율성이 매우 떨어지는 단점이 있었다.

상기와 같은 평판형 반사판(1a)의 효율을 증대시키기 위해 근래에 들어 도 2와 같이 포물선 형태를 갖는 반사판(PTC: Parabolic Trough Concentrator)(1b)을 사용하고 있다.

하지만 포물선형태의 PTC 반사판(1b)은 집열관(3)의 유효면적(선택흡수막면적+반사판 수평 투영면적)과 집열관(3)의 면적비(집열관 유효면적/반사판 총면적)가 크게 되어 집열 효율성 획기적으로 향상되는 장점이 있으나, 시간의 경과에 따른 반사판(1b)의 오염도 심해지기 때문에 반사판의 입사광 반사 성능이 점차 저해되는 문제점이 발생된다.

또한 포물선형태의 PTC 반사판(1b)은 집열관(3)의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분이 존재하기 때문에 고가의 반사판(1b)이 낭비되는 문제점이 있었다.

따라서 태양광의 집열 정도 효율은 기존과 유사하게 하면서 고가로 이루어지는 반사판의 재료를 절감할 수 있는 구조의 태양열 집열장치용 반사판이 요구되는 실정이다.

그리고, 포물선형태의 PTC 반사판(1b)은 제작도 어렵지만, 설치 후 PTC 반사판(1b)이 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판임으로 유지시 외부의 충격으로부터 파손 등이 자주 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

반사판의 중앙부위를 절개함으로써, 각각 개별적인 반사판 사용으로 반사판의 파손, 변형 및 이물질 오염에 따른 교체 작업시, 주요 부위만을 교체할 수 있고, 반사판의 각각 독립적인 교체작업으로 유지관리의 편의성 증대, 작업시간 단축 및 재료비 등의 비용이 절감되는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 집열관의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분의 반사판을 절개하여 고가(高價)의 반사판 재료비를 절감할 수 있고, 불필요한 반사판 부위의 절개를 통해 반사판의 경량화되는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 상기 반사판의 표면에 쌓이는 먼지 등의 이물질들은 절개된 부분으로 배출시켜 반사판의 입사광 반사 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 집열관과;

상기 집열관과 상호 이격되게 설치되어 포물선이 연속되는 형태로 형성되고, 표면에 쌓이는 이물질들을 용이하게 배출시키도록 태양광의 입사각에 따라 집열관의 간섭으로 인해 입사광이 조사되지 않는 중앙부위가 절개되는 반사판과;

상기 절개되어 각각 나누어진 반사판(100)의 외측에 결합되어 반사판이 포물선 형태로 곡선지게 유지시키고, 상기 태양에너지의 열이 반사판에 의해 반사되도록 투명하게 형성되는 반사판 프레임;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치는 반사판의 중앙부위를 절개함으로써, 각각 개별적인 반사판 사용으로 반사판의 파손, 변형 및 이물질 오염에 따른 교체 작업시, 주요 부위만을 교체할 수 있고, 반사판의 각각 독립적인 교체작업으로 유지관리의 편의성 증대, 작업시간 단축 및 재료비 등의 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 집열관의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분의 반사판을 절개하여 고가(高價)의 반사판 재료비를 절감할 수 있고, 불필요한 반사판 부위의 절개를 통해 반사판의 경량화되는 효과가 있다.

또한, 상기 반사판의 표면에 쌓이는 먼지 등의 이물질들은 절개된 부분으로 배출시켜 반사판의 입사광 반사 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 태양열 집열장치를 나타낸 제 1구성도이고,
도 2는 종래의 태양열 집열장치를 나타낸 제 2구성도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치를 나타낸 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치를 나타낸 정면도이고,
도 5는 본 발명의 일시예에 따른 반사판 포물곡선에 따른 림각 및 초점거리를 나타낸 개념도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치의 제작방법을 나타낸 개략도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 집열관과;

상기 집열관과 상호 이격되게 설치되어 포물선이 연속되는 형태로 형성되고, 표면에 쌓이는 이물질들을 용이하게 배출시키도록 태양광의 입사각에 따라 집열관의 간섭으로 인해 입사광이 조사되지 않는 중앙부위가 절개되는 반사판과;

상기 절개되어 각각 나누어진 반사판(100)의 외측에 결합되어 반사판이 포물선 형태로 곡선지게 유지시키고, 상기 태양에너지의 열이 반사판에 의해 반사되도록 투명하게 형성되는 반사판 프레임;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치를 나타낸 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일시예에 따른 반사판 포물곡선에 따른 림각 및 초점거리를 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치의 제작방법을 나타낸 개략도이다.

도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치는 이중유리관으로 이루어진 집열관(200)과, 상기 집열관(200)과 일정간격을 두고 이격되게 설치되어 포물선이 연속되는 형태의 반사판(100)과, 상기 반사판(100)이 내부에 삽입되어 지지하는 반사판 프레임(300)으로 구성된다.

상기 집열관(200)은 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 크게 2부분으로 구성되는 이는 외주면에 태양광을 흡수하기 위한 선택흡수막(211)이코팅된 내부진공관(210)과, 상기 내부진공관(210)을 감싸는 외부진공관(220)으로 이루어진다.

여기서 본 발명은 집열관(200)의 간섭에 의해 입사광이 입사되지 않는 부분의 반사판(100)을 절개하여 고가(高價)의 반사판 재료비를 절감할 수 있는 구조이며, 또한 반사판(100)의 표면에 쌓이는 먼지들은 절개된 부분으로 배출시켜 반사판(100)의 입사광 반사 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 외부 풍압을 통풍시켜 반사판의 형상 변화를 방지하기 위한 구조의 태양열 집열장치용 반사판(100)에 관한 것이다.

상기 반사판(100)은 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 태양광의 입사각(30˚, 45˚, 60˚, 90˚)에 따라 집열관(200)의 간섭으로 인해 입사광이 조사되지 않는 중앙부위(A)가 절개되어 2개의 반사판(100)으로 구성되며, 이로써 절개면적(A)에 의해 고가(高價)의 반사판(100) 재료비를 절감할 수 있으며, 외부 풍압에 의해 반사판이 이탈되거나 형상변형을 방지할 수 있는 구조가 마련된다. 이때, 상기 반사판(100)은 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판으로 형성된다.

또한, 상기 반사판(100)의 절개면적(A)은 입사광이 조사되지 않는 중앙부위를 감안하여 반사판(100)의 중심 양측으로 전체면적 대비 15% ~ 30% 인 것이 바람직하다. 이때, 상기 반사판의 중앙부위가 절개되어 상호 이격됨으로써, 이물질이 배출되는 관통홀(400)이 형성된다.

그리고, 상기 반사판(100)은 도 4에서처럼, 중앙부위가 절개됨으로써, 두 개의 반사판(100)으로 나누어지고, 상기 두 개로 나누어진 반사판(100)은 측면부에 형성되는 반사판(100)과 일체형으로 연결 형성되어 단면상 "∧" 형태로 양측면이 곡선지게 형성된다.

아울러 상기 반사판(100)의 포물곡선은

로 정의될 수 있으며, 반사판(100)의 초점거리(f)가 커짐에 따라 반사판(100)의 포물곡선은 완만해지고, 초점거리(f)가 작아질수록 반사판(100)의 포물곡선은 커지는 구조이다.

여기서 초점은 반사판(100)이 한곳으로 빛을 집중하는 점이며, 초점거리(f)는 반사판의 중심과 반사판(100) 중심으로부터 수직선상에 있는 초점(F) 사이의 거리이다.

한편 상기 반사판(100)의 높이인 림각(

: Rim angle)은 도 5와 같이, a(반사판의 폭)와,f(초점거리)에 의해 달성된다. 여기서 상기 림각은 초점거리에서 반사판(100)의 포물선 끝점과의 각도이기 때문에 반사판의 포물선 최종 높이가 된다.

이러한 상기 반사판의 림각은

로 정의될 수 있으며, 이를 통해 반사판의 높이를 결정할 수 있다.

여기서

는 태양광의 조사범위이고,

은 반사각의 최대거리이다.

상기 반사판 프레임(300)은 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 절개되어 각각 나누어진 반사판(100)이 내부에 삽입되도록 삽입홀(310)이 형성되고, 상기 삽입홀(310)에 반사판(100)이 삽입되어 지지되며, 상기 태양에너지의 열이 반사판에 의해 반사되도록 엔지니어링 플라스틱 등으로 투명하게 형성된다. 이때, 상기 반사판 프레임(300)은 엔지니어링 플라스틱 등의 재질로 형성됨으로써 강도와 내구성이 높고, 주량은 적게 나가는 제품으로 형성된다.

여기서, 상기 반사판 프레임(300)은 일체형으로 연결된 반사판(100)이 내부에 삽입시, 양측면이 곡선지게 형성되도록 단면상 "∧" 형태로 양측면이 곡선지게 형성된다.

그리고, 상기 반사판 프레임(300)은 레이저가공으로 반사판의 곡률 반경을 고정 시켜주는데, 용접, 피팅 작업 없이 반사판의 곡률반경을 유지한다.

또한, 상기 반사판 프레임(300)은 도 3에서처럼, 반사판(100)의 길이방향으로 다수개로 분할되어 구성되고, 상기 반사판(100)의 길이에 따라 개수가 달라지며, 상기 반사판 프레임(300) 중 반사판(100)의 중간부위에 위치한 반사판 프레임(300)의 중앙부에는 반사판(100)이 관통 결합되도록 삽입홀(310)이 형성되고, 상기 반사판(100)의 양끝단부에 위한 반사판 프레임(300)에는 반사판(100)이 삽입되도록 삽입홈(미도시)이 형성된다. 이때, 상기 반사판 프레임(300) 중 끝단에 위치한 반사판 프레임(300)은 태양열 집열장치에 고정 설치된다.

그리고, 상기 반사판 프레임(300)은 다수개로 형성되는데, 본 발명의 도면에는 표시되지 않았지만 상호 연결장치(미도시)에 의해 소정간격을 유지하며 연결되고, 상기 삽입홀(310)과 삽입홈에는 고무패킹 등이 더 설치되어 반사판 프레임(300)이 반사판(100)의 길이방향으로 쉽게 이송되지 않으면서 반사판(100)을 타이트하게 잡아주는 역할을 한다.

상기에서 기술한 태양열 집열장치를 이하에서 도 6을 참고하여 제작방법에 대해 상세히 기술한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 태양열 집열장치 제작방법은 우선, 반사판 프레임(300)은 투명재질의 엔지니어링 플라스틱(하나의 실시예)을 레이저가공으로 단면상 "∧" 형태로 양측면이 곡선지게 형성하고, 다수개로 분할하여 형성하며, 양끝단의 반사판 프레임(300) 내부에는 삽입홈(미도시)을 형성하고, 중간에 위치하는 반사판 프레임(300)에는 반사판(100)이 관통되도록 삽입홀(310)이 형성되게 가공한다.

그런 다음, 상기 반사판 프레임(300)을 태양열 집열장치의 몸체에 상호 이격시켜 다수개 설치하고, 상기 반사판 프레임(300)의 삽입홈에 알루미늄 재질의 반사판(평평한 판형태)을 삽입한다.

그리고, 상기 삽입홀(310)이 형성된 반사판 프레임(300)을 하나씩 반사판(100)의 외측에 결합하고, 마무리로 삽입홈이 형성된 반사판 프레임(300)을 반사판(100)의 끝단부에 결합한다.

이때, 상기 평평한 반사판(100)이 삽입홀(310)에 삽입되면서 반사판 프레임(300)의 형태와 동일한 포물 곡률 즉, 파라볼릭(parabolic) 형태로 형성되면서 삽입되고 반사판 프레임(300)에 지지된다.

이렇게 상기 반사판 프레임(300)에 맞춰 반사판(100)을 삽입하여 지지하면, 상기 반사판(100)과 반사판(100) 사이에 관통홀(400)이 형성되어 이물질 등이 쌓이는 것을 방지한다.

그리고, 상기 반사판 프레임(300)과 반사판 프레임(300) 사이에 이중관 형태의 집열관(200)이 구비되고, 이렇게 태양열 집열장치가 구성되는 것이다.

100 : 반사판 200 : 집열관
210 : 내부진공관 220 : 외부진공관
300 : 반사판 프레임 310 : 삽입홀
400 : 관통홀

Claims (7)

1. 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 집열관(200)과;
   상기 집열관(200)과 상호 이격되게 설치되어 포물선이 연속되는 형태로 형성되고, 표면에 쌓이는 이물질들을 용이하게 배출시키도록 태양광의 입사각에 따라 집열관(200)의 간섭으로 인해 입사광이 조사되지 않는 중앙부위가 절개되는 반사판(100)과;
   상기 절개되어 각각 나누어진 반사판(100)의 외측에 결합되어 반사판(100)이 포물선 형태로 곡선지게 유지시키고, 상기 태양에너지의 열이 반사판(100)에 의해 반사되도록 투명하게 형성되는 반사판 프레임(300);을 포함하여 구성되고,
   상기 반사판(100)은 중앙부위가 절개됨으로써, 두 개의 반사판(100)으로 나누어지고, 상기 두 개로 나누어진 반사판(100)은 측면부에 형성되는 반사판(100)과 일체형으로 연결 형성되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 반사판(100)은 포물선이 연속되는 형태에서 중앙부위가 절개되어 상호 이격됨으로써, 이물질이 배출되는 관통홀(400)이 형성되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 반사판(100)의 포물곡선은 아래의 수식 1에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
   [수식 1]
   

   

   
   (f : 초점거리(반사판의 중심과 반사판 중심으로부터 수직선상에 있는 초점(F) 사이의 거리))
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 반사판 프레임(300)은 일체형으로 연결된 반사판(100)의 외측에 삽입시, 양측면이 곡선지게 형성되도록 단면상 "∧" 형태로 양측면이 곡선지게 형성되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 반사판 프레임(300)은 반사판(100)의 길이방향으로 다수개로 분할되어 반사판(100)의 길이에 맞춰 결합되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 반사판(100)의 중간부위에 위치한 반사판 프레임(300)의 중앙부에는 반사판(100)이 관통 결합되도록 삽입홀이 형성되고, 상기 반사판(100)의 양끝단부에 위한 반사판 프레임(300)에는 반사판(100)이 삽입되도록 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 반사판 프레임이 구비되는 태양열 집열장치.
7. 삭제

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