KR101948825B1

KR101948825B1 - 태양열 발전시스템

Info

Publication number: KR101948825B1
Application number: KR1020170118399A
Authority: KR
Inventors: 도순 임
Original assignee: 도순 임
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2019-02-15
Also published as: KR102010416B1; KR20190017599A

Abstract

태양에너지의 효과적인 집열을 통해 전기를 생산할 수 있는 태양열 발전시스템이 소개된다.
이 태양열 발전시스템은 태양으로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 기체 상태로 변환시키는 태양열 수집장치와, 태양열 수집장치에서 발생된 기체 상태의 에너지 흡수매체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈과, 증기터빈에서 제공된 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기와, 증기터빈에서 배출된 기체 상태의 에너지 흡수매체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서와, 콘덴서에 의해 냉각된 액체 상태의 에너지 흡수매체를 상기 태양열 수집장치로 펌핑하는 순환펌프를 포함하고, 태양열 수집장치는 중공의 튜브로 제공되고, 내부에 에너지 흡수매체의 이동을 위한 흡수매체 유로를 제공하는 집열관과, 태양에너지를 집열관에 집중시키기 위한 렌즈를 포함하는 태양열 포함할 수 있다.

Description

태양열 발전시스템{SOLAR ENERGY POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 태양열 발전시스템에 관한 것이다.

태양에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원이고, 태양으로부터 지구로 방출되는 복사에너지(열과 빛)로 정의될 수 있다. 최근 이러한 태양에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이 주목받고 있다.

태양광 시스템은 태양에너지 중 태양광(太陽光)을 주로 이용하여 전기를 발생시키고, 태양열 시스템은 태양에너지 중 태양열(太陽熱)을 주로 이용하여 전기를 발생시킨다.

그러나, 태양광 시스템은 발전효율이 낮기 때문에, 요구되는 전력량을 충당하기 위해서는 광범위한 지역에 집광판이 설치되어야 하는 단점이 있다. 또한, 태양광 시스템은 날씨가 흐려서 태양 빛이 약할 때에는 전기를 생산할 수 없다. 따라서, 태양광 시스템은 태양 빛이 약할 때에 전기 공급을 위하여 에너지 저장을 위해 매우 비싸고 큰 용량을 가지는 배터리(BATTERY)를 포함해야 한다는 단점이 있다. 이런 이유로 태양광 시스템을 상업적인 발전(發電)에 이용하는 것에는 한계가 있다.

한편, 태양열 시스템은 태양열 수집 효율이 매우 낮고, 태양열 시스템을 위한 시설 장비를 갖추는데 고비용이 요구된다는 단점이 잇다.

이에 따라, 태양열 시스템은 태양광의 수집 효율을 개선하고, 에너지 생산비용, 및 시설과 장비의 설치비용을 저렴하게 하며, 전기를 안정적으로 생산하게 할 것이 요구되고 있다

등록특허공보 제10-1052120호(2011. 07. 20)

본 발명의 실시예들은 태양에너지를 효과적으로 흡수함으로써, 높은 전기 생산 효율을 가지는 태양열 발전시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 태양으로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 기체 상태로 변환시키는 태양열 수집장치; 상기 태양열 수집장치에서 발생된 기체 상태의 에너지 흡수매체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈; 상기 증기터빈에서 제공된 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기; 상기 증기터빈에서 배출된 상기 기체 상태의 에너지 흡수매체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서; 및 상기 콘덴서에 의해 냉각된 상기 액체 상태의 에너지 흡수매체를 상기 태양열 수집장치로 펌핑하는 순환펌프를 포함하고, 상기 태양열 수집장치는 에너지 흡수매체의 이동할 수 있는 흡수매체 유로를 제공하기 위한 집열관, 및 태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기 위한 렌즈를 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 태양으로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 가열하는 태양열 수집장치; 상기 태양열 수집장치에서 가열된 상기 에너지 흡수매체를 이용하여 작동유체를 기체 상태로 변환시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 발생된 기체 상태의 작동유체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈; 상기 증기터빈의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기; 상기 증기터빈에서 배출된 상기 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서; 및 상기 콘덴서에 의해 냉각된 상기 액체 상태의 작동유체를 상기 열교환기로 펌핑하는 순환펌프를 포함하고, 상기 태양열 수집장치는 에너지 흡수매체가 이동할 수 있는 흡수매체 유로를 제공하기 위한 집열관, 및 태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기 위한 렌즈를 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 집열관은 다수개로 제공되고, 다수 개의 상기 집열관은 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배열되는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 집열관은, 상기 렌즈에 의해 집중되는 상기 태양에너지를 상기 집열관의 내부로 통과시키기 위한 포커싱 부분을 포함하는 집열 몸체부; 및 상기 집열 몸체부 중 상기 포커싱 부분을 제외한 나머지의 적어도 일부를 커버하는 집열 단열부;를 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 집열관은 상기 흡수매체 유로를 제공하는 집열 지지부; 상기 집열 지지부를 커버하는 집열 단열부; 및 상기 태양에너지가 통과되도록 상기 집열 지지부에 연결되는 집열 윈도우부를 포함하고, 상기 윈도우부는 상기 집열 지지부의 곡률반경과 동일한 곡률반경을 가지는 원호 형상의 횡단면을 가지는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 집열관은 상기 집열 지지부의 내면에 배치되는 집열 반사경부를 더 포함하고, 상기 집열 반사경부는 원호 형상의 횡단면을 가지고, 상기 집열 지지부와 동심으로 배치되는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 태양열 수집장치는 소정 거리 이격되어 상기 집열관을 커버하는 수집관을 더 포함하고, 상기 수집관은, 수집 몸체부; 및 상기 렌즈에 의해 집중되는 상기 태양에너지를 상기 수집관의 내부로 통과시키는 포커싱 부분을 포함하는 수집 윈도우부;를 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 태양열 수집장치는 상기 에너지 흡수매체의 유동을 위해 상기 집열관과 상기 열교환기를 연결하는 제 1 수집라인; 상기 에너지 흡수매체의 유동을 위해 상기 열교환기와 상기 집열관을 연결하는 제 2 수집라인; 및 상기 에너지 흡수매체를 상기 집열관과 상기 열교환기 사이에서 순환시키기 위한 수집펌프를 더 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 렌즈는 초점라인이 렌즈의 가장자리를 지나도록 배치되는 프레넬 렌즈를 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 렌즈는 초점라인이 렌즈의 정중앙과 가장자리 사이를 지나도록 배치되는 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다.

또한, 상기 렌즈는 2개 이상일 수 있다.

또한, 상기 태양열 수집장치는 상기 렌즈 및 상기 집열관의 쌍을 복수개 포함하는 태양열 발전시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 집열관을 통한 태양에너지의 효과적인 집광을 통해, 태양열 발전에 필요한 열원을 공급받아, 전기를 안정적으로 생산할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서, 복수개의 렌즈 및 튜브가 집단 배열된 상태를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.
도 4는 일 실시예의 제1 변형예에 따른 태양열 수집장치의 렌즈를 도시한 것이다.
도 5는 일 실시예의 제2 변형예에 따른 태양열 수집장치의 렌즈를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 제6 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 제7 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서, 복수개의 렌즈 및 튜브가 집단 배열된 상태를 도시한 개념도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서, 복수개의 렌즈 및 튜브가 집단 배열된 상태를 도시한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템은, 태양에너지를 집열관(100)을 통해 수집하여 기체 상태의 에너지 흡수매체를 제공하는 태양열 수집장치(10)와, 기체 상태의 에너지 흡수매체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈(20: Steam Turbine)과, 증기터빈(20)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(30)와, 기체 상태의 에너지 흡수매체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서(40)와, 에너지 흡수매체를 순환시키기 위한 순환펌프(50)를 포함할 수 있다.

태양열 수집장치(10)는 태양에너지로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 가열시킬 수 있다. 또한, 에너지 흡수매체는 이러한 가열에 의해 태양열 수집장치(10)에서 기체 상태(증기 상태)로 변환될 수 있다. 여기서, 에너지 흡수매체는 태양에너지(태양 복사열)를 흡수하여 상 변화(기체 ↔ 액체)가 가능한 모든 유체를 포함할 수 있다. 일 예로, 에너지 흡수매체는 휘발성 유체(메탄올 아세톤, 수은 등), 물(수증기 포함), 오일, 또는 에틸렌글리콜의 혼합물 등일 수 있다.

태양열 수집장치(10)는 행, 열 또는 매트릭스 형태를 이루는 다수개의 집열관(100)을 통해, 태양에너지를 효과적으로 흡수할 수 있다. 이때, 이들 다수개의 집열관(100)은 서로 병렬 방식으로 연결될 수 있고, 각각의 집열관(100)은 하나의 메인 파이프(440)에 연결될 수 있다. 이하, 태양열 수집장치(10)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.

증기터빈(20)은 랭킨 사이클(Rankine cycle)에 따라 작동되도록 구성될 수 있다. 증기터빈(20)은 태양열 수집장치(10)로부터 고온의 에너지 흡수매체를 공급받아, 운동에너지를 제공할 수 있다. 이 증기터빈(20)은 태양열 수집장치(10)의 에너지 흡수매체를 제 1 발전라인(51)을 통해 공급받을 수 있고, 공급받은 에너지 흡수매체를 제 2 발전라인(52)을 통해 콘덴서(40)로 전달할 수 있다.

본 실시예에서는, 랭킨 사이클(Rankine cycle)을 이용한 태양열 발전시스템에 대해서 설명하였지만, 이에 한정되지는 아니하며, 랭킨 사이클 이외에 다양한 냉매사이클이 본 실시예에 적용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 공기 등 기체 형태의 작동 유체에 열을 가하여 반복적으로 압축/팽창시키면서 기계적 일을 수행하는 스털링엔진(stirling engine)의 냉매사이클이 적용될 수도 있다. 본 실시예에 적용가능한 스털링엔진 기술은 통상의 스털링엔진 기술과 대응되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

증기터빈(20)은 에너지 흡수매체의 팽창 압력(plus delta pressure)에 의해 작동될 수 있다. 또한, 증기터빈(20)의 회전축(미도시)과 발전기(30)의 구동축(21)은 일체로 형성되거나 직결되므로, 발전기(30)는 증기터빈(20)에 의해 작동될 수 있다. 증기터빈(20)이 발전기(30)의 구동축(21)을 회전시킬 때, 발전기(30)에서 전기에너지가 생산된다. 본 실시예에서, 발전기(30)는 통상의 고속발전기(High speed generator)일 수 있는 바, 이 고속 발전기의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이러한 증기터빈(20)은 발전기(30)의 구동축(21)에 직결되는 회전축(미도시)과, 회전축에 설치되는 임펠러(미도시)와, 임펠러의 외부를 감싸는 증기케이스(미도시)로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 증기케이스로 유입된 에너지 흡수매체의 팽창 압력과 냉각으로 인한 수축에 의해, 임펠러가 회전되면, 임펠러의 회전에 의해, 회전축이 회전될 수 있고, 회전축의 회전에 의해 발전기(30)의 구동축(21)이 회전될 수 있다.

본 실시예에서, 증기터빈(20)은 steam pressure에서 나오는 힘이 임펠라(turbine blades)를 밀어서 돌리는 물리적인 힘(Kinematic force)을 이용할 수 있다. 게다가, 증기터빈(20)은 매우 고온의 기체(예를 들어, 증기)가 임펠라(turbine blades)를 지나는 동안 응축(Condensing) 됨으로 생기는 터빈 내에서의 압력차(pressure difference)로부터 기인하는 열역학적인 힘을 이용할 수도 있을 것이다.

발전기(30)는 전기에너지의 생산을 위해 랭킨 사이클에 사용되는 발전장치로, 증기터빈(20)의 작동에 의한 구동축(21)의 회전을 통해, 전기에너지를 생산할 수 있다.

예를 들어, 발전기(30)는 구동축(21)에 마련되는 회전자(미도시)와, 회전자의 외부를 두르도록 설치되는 고정자(미도시)와, 고정자가 설치되는 발전케이스(미도시)로 구성될 수 있다. 이때, 회전자 또는 고정자 중 하나는 영구 자석으로 구성될 수 있고, 회전자 또는 고정자 중 다른 하나는 전자석을 구비할 수 있다. 이들 회전자 및 고정자 구성은 일반적인 발전장치에 적용되는 회전자 및 고정자 구성과 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

콘덴서(40)는 증기터빈(20)에서 배출된 기체 상태의 에너지 흡수매체를 액체 상태로 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 콘덴서(40)는 외부의 열원(공기)과 에너지 흡수매체 사이의 열교환을 통해, 에너지 흡수매체를 액체 상태로 응축시키고 차압(delta pressure)을 크게 만들 수 있다.

이때, 외부의 열원(공기)은 콘덴서(40)의 송풍팬(41) 또는 자연 대류(Convection)을 통해, 에너지 흡수매체와 열교환될 수 있다. 특히, 송풍팬(41)의 풍속을 제어하면, 외부의 열원인 공기의 흐름을 제어할 수 있으므로, 결국, 송풍팬(41)의 제어를 통해 태양열 발전시스템의 전체 에너지량을 제어할 수 있다.

콘덴서(40)는 랭킨 사이클(Rankine cycle)의 효율(efficiency)를 높이기 위해 증기를 액체로 만들 수 있다. 게다가, 콘덴서(40)는 랭킨 사이클에 구비되는 스팀터빈의 차압(Pressure Deviation)을 증가시킴으로써 증기터빈의 회전력을 더 증가시킬 수 있다.

콘덴서(40)는 제 2 발전라인(52)에 의해 증기터빈(20)과 연결될 수 있고, 제 3 발전라인(53)에 의해 순환펌프(50)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 콘덴서(40)는 기체 상태의 에너지 흡수매체를 제 2 발전라인(52)을 통해 증기터빈20)으로부터 공급받을 수 있고, 액체 상태의 에너지 흡수매체를 제 3 발전라인(53)을 통해 순환펌프(50)로 제공할 수 있다.

순환펌프(50)는 에너지 흡수매체를 태양열 발전시스템의 사이클 상에서 순환시키기 위한 펌프로, 콘덴서(40)로부터 공급받은 에너지 흡수매체의 압력을 증가시킬 수 있다. 이때, 순환펌프(50)는 에너지 흡수매체의 압력 수준을 조절함으로써, 태양열 발전시스템의 전체 에너지량을 제어할 수 있다.

이때, 순환펌프(50)의 부하를 줄이기 위해, 순환펌프(50)와 집열관(100)의 메인 파이프(440) 사이에 체크 밸브(Check Valve: 미도시) 혹은 그와 동등한 게이트 컨트롤(gate control: 미도시) 설치될 수 있다.

순환펌프(50)는 제 3 발전라인(53)을 통해 콘덴서(40)와 연결될 수 있고, 제 4 발전라인(54)을 통해 태양열 수집장치(10)와 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 순환펌프(50)는 제 3 발전라인(53)과 제 4 발전라인(54) 사이에 위치되지만, 이에 한정되지 아니하며, 에너지 흡수매체를 태양열 발전시스템의 사이클 상에서 원활하게 순환시키기 위해, 순환펌프(50)의 위치는 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서는, 태양열을 수집할 수 있는 집열관(100) 및 렌즈(200)를 포함하는 수집장치(10)는 여러 개로 연결되어 집단적으로 배열될 수 있다.

예를 들어, 수집장치(10)는 다수개의 집열관(100) 및 렌즈(200)가 연결되어 열을 이룬 상태에서, 다수개가 병렬로 집단 배치될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 수집장치의 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 태양열 수집장치(10)는 중공의 튜브 형태로 제공되는 집열관(100)과, 태양에너지를 집열관(100)에 집중시키기 위한 렌즈(200)를 포함할 수 있다.

일 방향으로 연장되는 튜브의 형상을 가질 수 있다. 이러한 집열관(100)의 내부에는 에너지 흡수매체의 이송을 위한 흡수매체 유로(W)가 제공될 수 있다. 흡수매체 유로(W)는 집열관(100)의 길이방향(일방향)으로 연장 형성될 수 있다. 흡수매체는 흡수매체 유로(W) 내에서 길이방향을 따라 흐를 수 있다. 또한, 흡수매체는 흡수매체 유로(W) 내에서 흐르는 동안 렌즈(200)를 통해 집열관(100)으로 입사된 태양에너지에 의해 가열될 수 있다. 에너지 흡수매체는 흡수매체 유로(W)를 통해 발전기(30)로 이동되어, 전기 생산을 위한 발전기(30)의 열원으로 사용될 수 있다.

집열관(100)은 열전도율이 높은 재질을 포함하거나, 태양에너지를 투과할 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 일 예로, 집열관(100)은 열전도율이 높은 알루미늄, 구리 또는 이들 금속의 합금을 포함하거나, 태양에너지를 효과적으로 통과시킬 수 있는 유리, 수정 또는 투명한 플라스틱 등을 포함할 수 있다.

집열관(100)은 원형 고리 단면을 갖는 튜브 형태일 수 있다. 물론, 이에 한정되지는 아니하며, 집열관(100)은 다양한 형상 단면을 갖는 튜브로 제공될 수 있다. 예를 들어, 집열관(100)은 타원형 고리 단면을 갖거나, 다각형 고리 단면을 가질 수 있다.

집열관(100)은 다수개로 제공될 수 있고, 다수개의 집열관(100)은 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이들 다수개의 집열관(100)의 각 단부는 병렬 방식으로 서로 연결될 수 있다. 일 예로, 태양열 수집장치(10)는 1,000 ~ 20,000 여개의 집열관(100)을 포함할 수 있다. 이들 1,000 ~ 20,000 여개의 집열관(100)은 행, 열 또는 매트릭스 형태를 이루면서, 병렬 방식으로 배치될 수 있다.

다수개의 집열관(100)은 하나의 메인 파이프(440)에 연결될 수 있다. 하나의 메인 파이프(440)는 일측 단부에서 제 1 발전라인(51)에 연결되고, 타측 단부에서 제 4 발전라인(54)에 연결될 수 있다. 메인 파이프(440) 내에서 가열된 에너지 흡수매체는 제 1 발전라인(51)으로 배출된 후, 증기터빈(20), 발전기(30) 및 콘덴서(40)를 통과한 후, 제 4 발전라인(54)을 통해 메인 파이프(440)로 다시 유입될 수 있다.

렌즈(200)는 태양에너지를 집열관(100)에 집중시킬 수 있다. 또한, 렌즈(200)는 집열관(100)의 길이방향을 따라 연장형성되는 바(bar) 형상을 가질 수 있다.

렌즈(200)는 집열관(100)의 중심을 지나는 종축선(중심)과 평행하게 배치되는 바(bar) 형상을 가질 수 있다. 또한, 렌즈(200)는 입사되는 태양에너지를 집열관(100)의 내부 중심을 향해 포커싱시킬 수 있다. 다시 말해, 렌즈(200)는 길이방향에 수직인 횡단면에서 보았을 때 중심부가 볼록한 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 렌즈(200)의 폭방향(도 3의 상하 방향)에 있어서의 중심부는 폭방향에 있어서의 단부보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.

또한, 태양에너지를 집열관(100)에 집중시키기 위해, 태양에너지를 집열관(100)에 집중시키기 위한 다양한 종류의 렌즈 또는 반사경이 본 실시예에 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 다수개의 볼록 렌즈가 집열관(100)의 길이방향을 따라 이격 배치될 수 있고, 높이 방향 중심이 오목한 바 형 반사경이 포함될 수도 있을 것이다.

본 실시예에서, 렌즈(200)는 바(bar) 형 렌즈(200)인 것으로 기재하였으나, 이에 한정되지는 아니하며, 일 실시예의 제1 변형예 및 제2 변형예에 따르면, 렌즈(200)는 프레넬 렌즈 같은 평면형 렌즈일 수도 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 일 실시예의 제1 변형예 및 제2 변형예를 설명한다.

도 4는 본 발명의 제1 변형예에 따른 태양열 수집장치의 렌즈를 도시한 것이고, 도 5는 일 실시예의 제2 변형예에 따른 태양열 수집장치의 렌즈를 도시한 것이다.

예를 들어, 도 4a에서 보듯이, 렌즈(200)는 초점라인이 렌즈의 가장자리를 지나도록 구성되는 프레넬 렌즈 1개를 포함할 수 있다. 이러한 초점라인은 굴절되지 않고 렌즈(200)의 초점을 지나는 빛의 경로로 정의될 수 있다. 즉, 초점라인은 렌즈(200)의 초점을 지나면서 렌즈(200)에 수직인 경로를 의미한다. 또한, 도 4b에서 보듯이, 렌즈(200)는 초점라인이 렌즈의 가장자리를 지나도록 구성되는 프레넬 렌즈 2개(201a, 201b)를 포함할 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈 2개(201a, 201b)는 동일한 초점라인을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 이러한 2개의 프레넬 렌즈(201a, 201b)는 서로 대칭적으로 배치될 수 있다.

또한, 도 4c에서 보듯이, 렌즈(렌즈)는 초점라인이 렌즈의 정중앙과 가장자리 사이를 지나도록 구성되는 프레넬 렌즈(201d)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈(200)는 2개 이상의 프레넬 렌즈(201a, 202a, 203a, 201b, 202b, 203b…)를 포함할 수 있으며, 동일한 초점라인을 가지도록 배치될 수 있다. 이러한 초점라인은 렌즈를 통과할 수도 있으나(도 4의 렌즈(203a, 203b), 렌즈(200)를 통과하지 않을 수도 있다(201a, 201b, 202a 202b).

렌즈(200)는 집열관(100)에 대응하여 제공되므로, 집열관(100)이 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배치되는 경우, 렌즈(200) 또한 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 일 예로, 다수개의 바 형 렌즈는 물결 모양의 요철부가 표면에 형성된 플레이트로 제공될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 제3 변형예에 따르면, 태양열 수집장치(10)의 집열관(100)은, 집열 몸체부(110)와 집열 단열부(120)를 포함할 수 있다. 제3 변형예는, 상술한 실시예와 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예를 원용한다.

집열 몸체부(110)는 내부에서의 태양에너지의 집중을 위하여 태양에너지를 내부로 전달하는 포커싱 부분(F)과, 포커싱 부분(F)을 제외한 나머지 부분으로 나눌 수 있는데, 포커싱 부분(F)을 제외한 나머지 부분에는, 열의 반출을 최소화시키기 위한 집열 단열부(120)가 형성될 수 있다. 이러한 집열 단열부(120)는 나머지 부분 전체를 감싸지 않고 나머지 부분의 일부를 감싸는 것도 가능하다.

예컨대, 집열관(100)은 포커싱 부분(F)을 통해, 렌즈(200)에 의해 집중되는 태양에너지를 전달받을 수 있고, 집열 단열부(120)는 집열관(100) 내부로 전달된 태양에너지가 집열관(100)의 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있다. 다시 말해, 집열 단열부(120)는 집열관(100)에서 발생되는 열 손실을 최소화할 수 있다.

집열 몸체부(110)는 태양에너지를 열전도율이 높은 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 집열관(100)은 열전도율이 높은 알루미늄, 구리 또는 이들 금속의 합금일 수 있다. 집열 몸체부(110)의 재료는 집열관(100) 내 최대 예상온도에서의 강도, 절연성, 내식성 및 비용 등을 고려하여 선택될 수 있다. 또한, 집열 몸체부(110)는 횡단면이 소정의 곡률반경을 가지는 원호형 또는 원형 형상을 포함할 수 있다.

집열 단열부(120)는 포커싱 부분(F)을 제외한 집열 몸체부(110)의 나머지 부분의 단열을 위하여, 집열 몸체부(110)의 나머지 부분을 감싸거나 코팅할 수 있다. 이러한 집열 단열부(120)는 집열 몸체부(110)로부터 선택적으로 분리될 수 있으며, 집열 몸체부(110)를 감쌀 때에 집열 몸체부(110)와 인접하게 배치될 수 있다.

일 예로, 집열 몸체부(110)는 우레탄 단열재, 스프링메탈 단열재, 비닐 단열재, 발포 고무단열재, 폴리스틸렌 단열재(발포 스폰지), 단열필름 등과 같은 단열재를 포함할 수 있다. 이 이외에도, 집열관(100)에 대한 단열을 위한 다양한 종류의 재료가 집열 단열부(120)의 재료로 사용될 수 있음은 물론이다.

도 7은 본 발명의 제4 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 제4 변형예에 따르면, 태양열 수집장치(10)의 집열관(100)은 집열 지지부(110'), 집열 단열부(120) 및 집열 윈도우부(130)를 포함할 수 있다. 집열 지지부(110')는 원통의 일부분의 형상을 가질 수 있다. 집열 지지부(110')는 원호 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 원통의 다른 일부분의 형상을 가질 수 있다. 집열 윈도우부(130)은 원호 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 집열 지지부(110') 및 집열 윈도우부(130)의 조합은 앞서 설명한 집열 몸체부(110)와 대응되는 형태(즉, 원통형)일 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 집열 지지부(110') 및 집열 단열부(120)에 연결하여 형성될 수 있다. 이하, 제4 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예들과 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예들을 원용한다. 집열 윈도우부(130)는 태양에너지의 집중 조사가 이루어지는 포커싱 부분(F)에 배치될 수 있고, 태양에너지가 투과될 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 포커싱 부분(F)은 렌즈(200)에 의해 집중되는 태양에너지가 집열관(100)의 내부로 통과하기 위해 지나는 집열관(100)의 부분을 포함한다 예를 들어, 집열 윈도우부(130)는 태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사 열전달을 허용하고, 태양에너지가 입사되는 이러한 일방향의 반대 방향인 타방향에 대해서는 복사 열전달을 방지하는 일방향 윈도우일 수 있다. 이러한 집열 윈도우부(130)는 그 횡단면이 집열 지지부(110')의 곡률 반경과 동일한 곡률 반경을 가지도록 원호형일 수 있으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 평면형일 수도 있다.

본 실시예에서, 집열 윈도우부(130)는 태양에너지의 투과가 가능한 편광 글라스를 포함하지만, 편광 글라스 이외에도, 집열 윈도우부(130)는 태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사를 허용할 수 있는 편광필름 또는 편광 플라스틱을 포함할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 제5 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 제5 변형예에 따르면, 태양열 수집장치(10)의 집열관(100)은, 집열 반사경부(140)를 더 포함할 수 있다. 이하, 일 실시예의 제5 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예들과 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예들을 원용한다.

집열 반사경부(140)는 집열관(100)의 내측으로 입사된 태양에너지를 반사시킬 수 있다. 이러한 집열 반사경부(140)는 집열 지지부(110')의 내면에 제공될 수 있다. 이 집열 반사경부(140)는 반사물질을 집열 지지부(110')의 내면에 배치되는 필름 등의 부재일 수 있고, 증착에 의해 내면에 일체로 형성되는 코팅층일 수 있다. 또한, 집열 반사경부(140)는 그 횡단면이 집열 지지부(110')와 동심을 가지는 원호형 또는 원형일 수 있다.

도 9는 본 발명의 제6 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 횡단면도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 제6 변형예에 따르면, 태양열 수집장치(10)은, 수집관(300)을 더 포함할 수 있다. 이하, 일 실시예의 제6 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예들과 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예들을 원용한다

수집관(300)은 렌즈(200)를 통해 제공받은 태양에너지를 집열관(100)에 전달할 수 있다. 이를 위해, 수집관(300)은 태양에너지를 열전도율이 높은 재질을 포함할 수 있다. 일 예로, 수집관(300)은 열전도율이 높은 알루미늄, 구리 또는 이들 금속의 합금일 수 있다.

수집관(300)의 내부에는 집열관(100)이 배치될 수 있고, 수집관(300)의 내면과 집열관(100)의 외면 사이에는 공동(V)이 형성될 수 있다. 공동(V)은 단열처리(예를 들면, 진공)를 하거나 단열처리를 하지 않고 제공함으로써, 수집관(300)을 통과한 태양에너지를 집열관(100)에 열손실 없이 효과적으로 전달할 수 있다.

이러한 수집관(300)은 내면이 집열관(100)의 외면과 소정 거리로 이격배치될 수 있는 튜브 형상의 수집 몸체부(310)와, 태양에너지의 집중이 이루어지는 수집관(300)의 포커싱 부분(F)에 형성되는 수집 윈도우부(330)를 포함할 수 있다. 포커싱 부분은 렌즈(200)에 의해 집중되는 태양에너지가 수집관(300)의 내부로 통과하기 위해 지나는 수집관(300)의 부분을 포함한다. 수집 몸체부(310)과 집열관(100)의 외면 간의 이격 거리는 집열관(100) 외면의 원주 둘레를 따라 일정하게 유지될 수 있으며, 이러한 간격은 집열관(100)의 길이방향을 따라 일정하게 유지될 수 있다.

수집 윈도우부(330)는 태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사를 허용하는 일방향 윈도우(예를 들면, 편광 글라스)일 수 있다.

본 실시예에서, 수집관(300)은 원형 고리 단면을 갖는 튜브 형태일 수 있다. 물론, 이에 한정되지는 아니하며, 수집관(300)은 다양한 형상 단면을 갖는 튜브로 제공될 수 있다. 예를 들어, 수집관(300)은 타원형 고리 단면을 갖거나, 다각형 고리 단면을 가질 수 있다.

도 10은 본 발명의 제7 변형예에 따른 태양열 발전시스템의 태양열 수집장치를 도시한 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제7 변형예에 따른 태양열 수집장치는, 감지센서(400), 액츄에이터(500) 및 컨트롤러(600)를 더 포함할 수 있다. 이하, 본 발명의 제7 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예들과 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예들을 원용한다

감지센서(400)는 태양에너지의 입사각도를 실시간으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 감지센서(400)는 태양에너지의 입사각도를 소정 간격의 시간마다 측정하고, 측정된 입사각도에 대한 각도 정보를 컨트롤러(600)에 인가할 수 있다.

액츄에이터(500)는 집열관(100), 수집관(300) 및 렌즈(200)를 소정 각도 회전시킬 수 있다. 액츄에이터(500)는 작동프레임(미도시)에 설치될 수 있고, 작동프레임에 회전력을 제공할 수 있다.

따라서, 컨트롤러(600)의 작동 신호가 액츄에이터(500)에 인가되면, 액츄에이터(500)의 작동에 의해, 집열관(100), 수집관(300) 및 렌즈(200)가 장착된 작동프레임이 회전될 수 있고, 작동프레임의 회전에 의해, 집열 윈도우부(130), 수집 윈도우부(330) 및 렌즈(200)가 태양에너지의 조사 방향과 나란하게 유지될 수 있다.

컨트롤러(600)는 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 감지센서(400)로부터 인가 받아, 집열 윈도우부(130), 수집 윈도우부(330) 및 렌즈(200)를 감지센서(400)의 각도 정보에 맞추어 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(600)는 집열 윈도우부(130), 수집 윈도우부(330)가 태양에너지의 입사방향을 향하도록 집열관(100)과 수집관(300)을 회전시키고, 렌즈(200)의 길이방향과 폭방향에 대하여 태양에너지가 평균적으로 대략 수직 방향으로 입사하도록 렌즈(200)를 회전시킬 수 있다. 이러한 컨트롤러(600)는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치에 의해 구현될 수 있으며, 그 구현 방식은 당업자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 자세한 설명을 생략한다.

예컨대, 감지센서(400)가 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 컨트롤러(600)에 인가하면, 컨트롤러(600)는 감지센서(400)의 각도 정보를 토대로 집열관(100), 수집관(300) 및 렌즈(200)를 회전시키기 위한 작동 신호를 액츄에이터(500)에 인가할 수 있다. 컨트롤러(600)에 의해 제어되는 액츄에이터(500)는 집열 윈도우부(130), 수집 윈도우부(330) 및 렌즈(200)를 태양에너지의 조사 방향과 나란하게 유지될 수 있고, 이에 따라, 태양에너지에 대한 집광효율이 향상될 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서, 복수개의 렌즈 및 튜브가 집단 배열된 상태를 도시한 개념도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 수집장치(10)는, 태양에너지를 집열관(100)을 통해 수집하여 내부의 에너지 흡수 매체를 가열시키는 태양열 수집장치(10)와, 가열된 에너지 흡수매체를 이용하여 작동유체를 가열시키는 열교환기(60)와, 기체 상태의 작동유체를 이용하여 운동에너지를 생산하는 증기터빈(20: Steam Turbine)과, 증기터빈(20)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(30)와, 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서(40)와, 작동유체를 순환시키기 위한 순환펌프(50)를 포함할 수 있다.

태양열 수집장치(10)의 에너지 흡수 매체는 태양에너지의 열을 흡수할 수 있다. 여기서, 에너지 흡수매체는 태양에너지(태양 복사열)를 흡수하여 이송될 수 있는 모든 유체를 포함할 수 있다. 일 예로, 에너지 흡수매체는, 에어, 휘발성 유체(메탄올 아세톤, 수은 등), 물(수증기 포함), 오일, 에틸렌글리콜의 혼합물 등일 수 있다. 에너지 흡수매체는 열교환기(60)로 이동되어, 열교환기(60) 내 작동유체와 열교환을 통해 작동유체를 가열시킬 수 있다.

태양열 수집장치(10)는 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배열되는 다수개의 집열관(100)을 통해, 태양에너지를 효과적으로 흡수할 수 있다. 예를 들어, 다수개의 집열관(100)은 가로 방향 및 세로 방향 중 하나 이상으로 나란하게 배열될 수 있다. 이때, 이들 다수개의 집열관(100)은 서로 병렬 방식으로 연결될 수 있고, 각각의 집열관(100)은 하나의 수렴관(440)에 연결될 수 있다.

이러한 태양열 수집장치(10)는 중공의 튜브 형태로 제공되는 집열관(100), 태양에너지를 집열관(100)에 집중시키기 위한 렌즈(200), 집열관(100)에서 배출된 에너지 흡수매체를 열교환기(60)로 안내하는 제 1 수집라인(410), 열교환기(60)에서 배출된 에너지 흡수매체를 집열관(100)으로 안내하는 제 2 수집라인(420), 및 에너지 흡수매체를 집열관(100)과 열교환기(60) 사이에서 순환시키기 위한 수집펌프(430)를 포함할 수 있다. 다른 실시예는, 상술한 일 실시예와 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예를 원용한다.

열교환기(60)는 에너지 흡수매체와 작동유체를 서로 열교환시키기 위한 증발기일 수 있다. 열교환기(60)는 에너지 흡수매체의 열에너지를 이용하여 작동유체의 적어도 일부를 기체 상태로 상변화시킬 수 있다. 여기서, 작동유체는 에너지 흡수매체의 열에너지를 흡수하여 상변화(기체 ↔ 액체)가 가능한 모든 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 작동유체는 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon) 또는 프로페인(Propane)이 사용될 수 있고, 이 이외에도 프로필렌 (Propylene), 클로로포름(Chloroform), 헥사플루오로프로필렌 (Hexafluoropropylene)일 수 있다.

증기터빈(20)은 랭킨 사이클(Rankine cycle)에 적용되는 터빈장치 일 수 있다. 증기터빈(20)은 열교환기(60)로부터 기체(증기) 상태의 작동유체를 제공받아, 운동에너지를 발생시킬 수 있다.

증기터빈(20)은 작동유체의 팽창 압력과 컨덴싱(Condensing)에 의한 수축력에 의해 작동될 수 있다. 또한, 증기터빈(20)의 회전축(미도시)과 발전기(30)의 구동축(21)은 일체로 형성되거나 직결되므로, 발전기(30)는 증기터빈(20)에 의해 작동될 수 있다. 증기터빈(20)이 발전기(30)의 구동축을 회전시킬 때 발전기(30)에서 전기에너지가 생산된다. 본 실시예에서, 발전기(30)는 고속발전기(High speed generator)일 수 있다.

이러한 증기터빈(20)은 열교환기(60)의 작동유체를 제 1 발전라인(51)을 통해 제공받을 수 있고, 제공받은 작동유체를 제 2 발전라인(52)을 통해 콘덴서(40)로 공급할 수 있다.

발전기(30)는 전기에너지의 생산을 위해 랭킨 사이클에 사용되는 발전기(30)이고, 증기터빈(20)의 작동에 의한 구동축의 회전을 통해, 전기에너지를 생산할 수 있다.

예를 들어, 발전기(30)는 구동축에 연결되는 회전자와, 회전자의 외부를 두르도록 설치되는 고정자와, 고정자가 설치되는 발전케이스를 포함할 수 있다. 이들 회전자 및 고정자 구성은 일반적인 발전기에 사용되는 회전자 및 고정자 구성과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

콘덴서(40)는 증기터빈(20)에서 배출된 기체 상태의 작동유체를 공급받고, 공급받은 기체 상태의 작동유체의 적어도 일부를 액체 상태로 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 콘덴서(40)는 외부의 열원(공기)와 작동유체 사이의 열교환을 통해, 작동유체를 액체 상태로 응축시킬 수 있다.

콘덴서(40)는 송풍팬(41)을 포함할 수 있고, 이러한 송풍팬(41)은 작동유체와 외부의 열원(공기) 간의 열교환을 보다 효율적으로 진행시킬 수 있다. 특히, 송풍팬(41)에 의해 외부의 열원인 공기의 흐름이 제어될 수 있다. 따라서, 송풍팬(41)의 제어를 통해 태양열 발전시스템의 전체 에너지량을 제어할 수 있다.

콘덴서(40)는 제 2 발전라인(52)에 의해 증기터빈(20)과 연결될 수 있고, 제 3 발전라인(53)에 의해 순환펌프(50)와 연결될 수 있다. 콘덴서(40)는 증기터빈(20)으로부터 기체 상태의 작동유체를 제 2 발전라인(52)을 통해 제공받을 수 있고, 액체 상태의 작동유체를 제 3 발전라인(53)을 통해 순환펌프(50)로 공급할 수 있다.

순환펌프(50)는 작동유체를 태양열 발전시스템의 사이클 상에서 순환시키기 위해, 콘덴서(40)로부터 공급받은 작동유체의 압력을 증가시킬 수 있다. 이 순환펌프(50)는 작동유체의 압력 수준을 조절함으로써, 통해 태양열 발전시스템의 전체 에너지량을 제어할 수 있다.

순환펌프(50)는 제 3 발전라인(53)을 콘덴서(40)와 연결될 수 있고, 제 4 발전라인(54)을 통해 열교환기(60)와 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 순환펌프(50)는 제 3 발전라인(53)과 제 4 발전라인(54) 사이에 위치되지만, 이에 한정되지 아니하며, 작동유체를 태양열 발전시스템의 사이클 상에서 원활하게 순환시키기 위해, 순환펌프(50)의 위치는 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템에서, 태양열을 수집할 수 있는 집열관(100) 및 렌즈(200)을 포함한 수집장치(10)가 여러 개로 연결되어 집단적으로 배열될 수 있다.

예를 들어, 수집장치(10)는 다수개의 집열관(100) 및 렌즈(200)가 연결되어 열을 이룬 상태에서, 다수개가 병렬로 집단 배치될 수 있다. 즉, 수집장치(10)는 집열관(100) 및 렌즈(200)의 쌍을 복수개 포함할 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 개념도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양열 수집장치(10)에서, 열교환기(60)는 에너지 흡수매체의 열에너지를 이용하여 매개유체를 가열하는 저장탱크부(61)와, 저장탱크부(61)의 매개유체와 증기터빈(20)을 순환하는 작동유체 간에 열교환을 통해 작동유체를 가열시키는 열교환부(62)를 포함할 수 있다.

이때, 저장탱크부(61)와 열교환부(62)는 매개유체를 순환시키기 위한 제 1 순환라인(56) 및 제 2 순환라인(57)을 통해 서로 연결될 수 있다. 그리고 매개유체는 에너지 흡수매체의 열에너지를 흡수하여 작동유체와 열교환을 허용하는 모든 유체를 포함할 수 있다.

실시예 1

태양에너지 수집 효율을 찾기 위해, 본 발명의 실시예 1에 따른 성능테스트를 진행한다. 성능테스트는, 아래의 테스트 환경을 만족한다.

a. 평균 태양열 강도(solar intensity) : 750W/m²

b. 외부 온도 : 23℃

c. 수돗물(매개체) 온도 : 22℃

d. 수돗물(매개체) 량 : 785cc

e. 사용한 프레넬 렌즈 크기 : (49cm)²=2,401cm²=0.2401m²

상기 조건에 따라 성능테스트를 진행한 결과, 집열장치 내 수돗물의 온도가 100℃까지 올라가는데 걸리는 데에 31분이 소요된 것으로 측정되었고, 실시예 1에 따른 발전시스템이 31분 동안 수집한 열량은 252,902Joules 인 것으로 측정되었다. 이는 발전시스템의 평균 power인 136.0W의 출력과 동일하다.

또한 실시예 1의 렌즈(0.2401m²)를 통과하는 태양열의 power는 750W/m × 0.2401m²=180.1W이므로 수집기의 효율은 136.0W/180.1W × 100 = 75.5%로 입증된다.

실시예 2

최고 도달 온도 찾기 위해, 본 발명의 실시예 2에 따른 성능테스트를 진행한다. 성능테스트는, 아래의 테스트 환경을 만족한다.

a. 평균 태양열 강도(solar intensity) : 750W/m²

b. 외부 온도 : 23℃

c. 사용한 프레넬 렌즈 크기 : (49cm)² = 2,401cm²

d. 태양에너지 수집기 크기 : 지름 5cm, 길이 49cm

e. 태양에너지 수집기 내부 재료 : 자연 공기

실시예 2의 태양에너지 수집시스템을 상기의 조건에서 가동시킨 후 9분 정도가 지지나면, 자연 공기의 온도가 383℃까지 올라갔다. 이는, 환경 온도 23℃ 일 때 실시예 2에 따른 시스템이 최고로 도달할 수 있는 온도가 383℃라는 것을 입증한다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 발전 시스템은 집열관에서의 태양에너지의 효과적인 집광을 통해, 태양열 발전에 필요한 열을 공급받고, 전기를 안정적으로 생산할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

10 :태양열 수집장치 20 :증기터빈
30 :발전기 40 :콘덴서
50 :순환펌프 60 :열교환기
100 :집열관 110 :집열 몸체부
120 :집열 단열부 130 : 집열 윈도우부
140 :집열 반사경부 200 :렌즈
300 :수집관 310 :수집 몸체부
330 :수집 윈도우부 340 :수집 반사경부
400 :감지센서 500 :액츄에이터
600 :컨트롤러

Claims

태양으로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 기체 상태로 변환시키는 태양열 수집장치;
상기 태양열 수집장치에서 발생된 기체 상태의 에너지 흡수매체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈;
상기 증기터빈에서 제공된 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기;
상기 증기터빈에서 배출된 상기 기체 상태의 에너지 흡수매체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서; 및
상기 콘덴서에 의해 냉각된 상기 액체 상태의 에너지 흡수매체를 상기 태양열 수집장치로 펌핑하는 순환펌프를 포함하고,
상기 태양열 수집장치는
에너지 흡수매체의 이동할 수 있는 흡수매체 유로를 제공하기 위한 집열관, 및 태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함하고,
상기 집열관은
상기 흡수매체 유로를 제공하는 집열 지지부와, 상기 집열 지지부를 커버하는 집열 단열부와, 상기 태양에너지가 통과되도록 상기 집열 지지부에 연결되는 집열 윈도우부와, 상기 집열관의 내측으로 입사된 태양에너지를 반사하도록 상기 집열 지지부의 내면에 배치되는 집열 반사경부를 포함하는 태양열 발전시스템.
태양으로부터 열을 수집하여 에너지 흡수매체를 가열하는 태양열 수집장치;
상기 태양열 수집장치에서 가열된 상기 에너지 흡수매체를 이용하여 작동유체를 기체 상태로 변환시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 발생된 기체 상태의 작동유체를 이용하여 운동에너지를 제공하는 증기터빈;
상기 증기터빈의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기;
상기 증기터빈에서 배출된 상기 기체 상태의 작동유체를 액체 상태로 냉각시키는 콘덴서; 및
상기 콘덴서에 의해 냉각된 상기 액체 상태의 작동유체를 상기 열교환기로 펌핑하는 순환펌프를 포함하고,
상기 태양열 수집장치는
에너지 흡수매체의 이동할 수 있는 흡수매체 유로를 제공하기 위한 집열관, 및 태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함하고,
상기 집열관은
상기 흡수매체 유로를 제공하는 집열 지지부와, 상기 집열 지지부를 커버하는 집열 단열부와, 상기 태양에너지가 통과되도록 상기 집열 지지부에 연결되는 집열 윈도우부와, 상기 집열관의 내측으로 입사된 태양에너지를 반사하도록 상기 집열 지지부의 내면에 배치되는 집열 반사경부를 포함하는 태양열 발전시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 집열관은 다수개로 제공되고,
다수 개의 상기 집열관은 행, 열 또는 매트릭스 형태로 배열되는 태양열 발전시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 집열 윈도우부는
태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사 열전달을 허용하는 일방향 윈도우를 포함하는 태양열 발전시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 집열 윈도우부는 상기 집열 지지부의 곡률반경과 동일한 곡률반경을 가지는 원호 형상의 횡단면을 가지는 태양열 발전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 집열 반사경부는 원호 형상의 횡단면을 가지고, 상기 집열 지지부와 동심으로 배치되는 태양열 발전시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 태양열 수집장치는 상기 집열관 사이에 공동이 형성되도록 상기 집열관의 외면에서 소정 거리 이격되어 상기 집열관을 커버하는 수집관을 더 포함하고,
상기 수집관은,
내면이 상기 집열관의 외면과 소정 거리로 이격배치되고, 튜브 형상으로 제공되는 수집 몸체부; 및
상기 렌즈에 의해 집중되는 상기 태양에너지를 상기 수집관의 내부로 통과시키는 포커싱 부분을 포함하는 수집 윈도우부;를 포함하고,
상기 수집 몸체부 및 상기 집열관의 외면 간의 이격 거리는,
상기 집열관 외면의 원주 둘레를 따라 일정하게 유지되는 태양열 발전시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 태양열 수집장치는
상기 에너지 흡수매체의 유동을 위해 상기 집열관과 상기 열교환기를 연결하는 제 1 수집라인;
상기 에너지 흡수매체의 유동을 위해 상기 열교환기와 상기 집열관을 연결하는 제 2 수집라인; 및
상기 에너지 흡수매체를 상기 집열관과 상기 열교환기 사이에서 순환시키기 위한 수집펌프를 더 포함하는 태양열 발전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는
초점라인이 렌즈의 가장자리를 지나도록 배치되는 프레넬 렌즈를 포함하는 태양열 발전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는
초점라인이 렌즈의 정중앙과 가장자리 사이를 지나도록 배치되는 프레넬 렌즈를 포함하는 태양열 발전시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 태양열 수집장치는
태양에너지의 입사각도를 실시간으로 측정하는 감지센서;
상기 집열관, 상기 수집관 및 상기 렌즈를 회전시키기 위한 액츄에이터; 및
상기 감지센서로부터 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 인가 받아, 상기 집열 윈도우부 및 상기 수집 윈도우부가 태양에너지의 입사방향을 향하도록 상기 집열관 및 상기 수집관을 회전시키기 위한 작동신호를 상기 액츄에이터에 인가하고, 상기 렌즈의 길이방향과 폭방향에 대하여 태양에너지가 수직 방향으로 입사하도록 상기 렌즈를 회전시키기 위한 작동신호를 상기 액츄에이터에 인가하는 컨트롤러를 더 포함하는 태양열 발전시스템.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 태양열 수집장치는 상기 렌즈 및 상기 집열관의 쌍을 복수개 포함하는 태양열 발전시스템.