KR101983121B1 - 다기능 태양 에너지 시스템 - Google Patents

다기능 태양 에너지 시스템 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 집광 굴절면(s1)과 하나의 반사면(s2)을 포함하는 수렴 시스템과, 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)를 포함하는 다기능 태양 에너지 시스템에 있어서, 반사면(s2)과 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2) 중 적어도 하나는 이동 가능하며, 반사면(s2)이 이동 가능한 경우, 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)가 반사면(s2) 이동 전 및 이동 후의 광로 상에 각각 배치되고; 반사면(s2)이 고정된 경우, 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)가 반사면(s2) 이후의 광로에 순차적으로 배치된다. 상기 태양 에너지 시스템은 상기 가동 부품을 이동시켜 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2) 중 하나를 광로에 배치함으로써, 상이한 시간대에 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)를 각각 사용하여 태양 에너지 시스템의 기능을 크게 확장시키고 시스템의 종합 이용률을 향상시킬 수 있다.

Description

다기능 태양 에너지 시스템
본 발명은 청정 에너지의 기술 분야에 관한 것으로, 자세하게는 태양 에너지를 이용하는 다기능 태양 에너지 시스템에 관한 것이다.
환경 보호에 대한 중요성이 날로 높아짐에 따라, 태양 에너지 시스템은 점점 더 널리 적용되고 있다. 현재 흔히 보는 태양 에너지 시스템 대부분은 광열 전환을 수행하는 태양열 온수 시스템과 광전 전환을 수행하는 태양열 발전 시스템등과 같이 단일 기능을 가지고 있다.
그러나 인간 활동에 있어서 늘 상이한 시간대에 상이한 수요가 있을 수 있다. 예를 들면 식사 준비 때에는 음식을 가열하거나 조리해야 하지만, 기타 시간에는 전기가 필요하다. 이에 따라 단일 기능을 가진 태양 에너지 시스템은 다양한 측면의 수요를 충족시키기 어렵다.
본 발명에 따라, 적어도 하나의 집광 굴절면과 태양광 입사 방향을 따라 집광 굴절면의 하부에 설치되는 하나의 반사면을 포함하는 수렴 시스템과, 태양광을 흡수하고 이용하기 위한 2개의 태양 에너지 이용 장치를 포함하는 다기능 태양 에너지 시스템에 있어서, 상기 반사면 및 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 적어도 하나는 이동 가능하며, 반사면이 이동 가능한 경우, 2개의 태양 에너지 이용 장치가 반사면 이동 전 및 이동 후의 광로 상에 각각 배치되고, 반사면이 고정된 경우, 2개의 태양 에너지 이용 장치가 반사면 이후의 광로 상에 순차적으로 배치되는 다기능 태양 에너지 시스템이 제공된다.
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템은 적어도 하나의 가동 부품, 즉 반사면 또는 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 하나를 구비한다. 상기 가동 부품을 이동시켜 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 하나를 광로에 배치함으로써, 상이한 시간대에 2개의 태양 에너지 이용 장치를 각각 사용할 수 있다. 이에 따라 소량의 비용 증가만으로 태양 에너지 시스템의 기능을 배가시켜 시스템의 종합 이용률을 향상시키고 자연 청정에너지를 보다 충분히 활용할 수 있게 된다.
아래 첨부 도면을 결합하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 기본 구조 개략도이다.
도 2는 본 발명 중의 프레넬 굴절면을 생성하기 위한 두 가지 동축면의 개략도이다.
도 3은 본 발명 중의 2개의 치형식 표면(toothed surface)을 구비하는 수렴 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명 중의 프레넬 반사 렌즈의 개략도이다.
도 5는 실시예 1의 다기능 태양 에너지 시스템의 개략도이다.
도 6은 실시예 2의 다기능 태양 에너지 시스템의 개략도이다.
도 7은 실시예 3의 다기능 태양 에너지 시스템의 개략도이다.
도 8은 실시예 4의 다기능 태양 에너지 시스템의 개략도이다.
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 기본 구조는 도 1을 참조할 수 있는데, 수렴 시스템과 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)를 포함한다. 수렴 시스템은 적어도 하나의 집광 굴절면(s1)과 하나의 반사면(s2)을 포함하며, 반사면은 태양광 입사 방향을 따라 집광 굴절면의 하부에 설치된다. s2, P1 및 P2 중 적어도 하나는 이동 가능하다.
아주 간단한 상황에서 s1과 s2는 동일한 물리 소자에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 일면에 반사막이 코팅된 수렴 렌즈의 경우, 막코팅면은 반사면이고, 다른 일면은 집광 굴절면이다. 이런 경우, 가동 부품은 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 하나이며, 이들은 모두 집광 굴절면 위에 배치되어야 한다.
일반적으로, s1과 s2는 분리된 물리 소자들에 의해 제공되는데, 반사면을 제공하는 소자 또한 시스템의 집광 능력을 보다 향상시키기 위해 수렴 능력을 구비할 수 있다. 다시 말하면, 수렴 시스템은 2개 이상의 집광 굴절면을 구비할 수 있으며, 이들은 서로 결합되거나 반사면과 결합하여 상이한 물리 소자 조합을 구성할 수 있다.
반사면이 고정된 경우, 도 1(a)에 도시된 바와 같이 2개의 태양 에너지 이용 장치는 반사면 이후의 광로 상에 순차적으로 배치된다. 이 경우 P1이 이동 가능하며, P2를 사용해야 할 경우, P1을 광로에서 치우면 된다. 도면에서 점선은 P1을 치운 후의 광로를 나타낸다. P1 및 P2는 s1과 s2 사이에 배치될 수도 있고, s2 위에 배치될 수도 있다. 여기서 언급하는 광로는 태양광이 수렴 시스템에 의해 수렴된 후의 광로를 의미하며, "이동 가능하다"는 것은 부품이 배치된 위치에서 광로 밖으로 이동하거나 직접 제거될 수 있음을 의미한다.
반사면이 이동 가능한 경우, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 2개의 태양 에너지 이용 장치는 반사면의 이동 전과 이동 후의 광로 상에 각각 배치된다. P2를 사용해야 할 경우, s2를 광로에서 치우면 된다. 도면에서 점선은 반사면을 치운 후의 광로를 나타낸다. P1은 s1과 s2 사이에 배치될 수도 있고, s2 위에 배치될 수도 있다.
수렴 시스템과 2개의 태양 에너지 이용 장치 사이의 상대 위치 관계를 유지하고 이동 가능한 요구를 충족시키기 위해 적절한 지지 부품(미도시)을 사용하여 이들을 지지할 수 있다. 특정 적용 장면의 다름에 따라, 지지 부품은 여러 적합한 형태일 수 있으며 수요에 따라 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 정시 조리, 자동 물 가열과 같은 자동 처리 과정이 가능하도록, 미리 설정된 프로그램에 따라 시스템내 이동 가능한 부품의 이동을 제어하기 위한 이동 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예로, 프레넬 렌즈에 의해 제공되는 치형식 표면을 집광 굴절면으로 사용할 수 있다. 이해를 돕기 위해 먼저 관련 개념을 아래에 소개한다.
프레넬(Fresnel) 렌즈는 얇은 렌즈이다. 프레넬 렌즈는, 일반 렌즈의 연속된 원시 곡면을 다단으로 분할하고, 매개 단의 두께를 감소시킨 다음 각 단 곡면을 동일 평면 또는 대체로 매끄러운 동일 곡면 상에 배치함으로써 형성된다. 이러한 원시 곡면으로부터 전개된 불연속한 굴절면을 프레넬 굴절면이라고 할 수 있으며, 일반적으로 계단형 또는 톱니형으로 이루어진다. 이론상 프레넬 굴절면은 대응된 원시 곡면에 비하면 유사한 광학 성능을 가지지만, 두께는 상당히 감소되었다. 하나의 원시 곡면(또는 원시 곡면의 일부)에 의해 생성되는 프레넬 굴절면을 프레넬 유닛이라고 할 수 있다.
종래의 프레넬 굴절면을 생성하기 위한 원시 곡면은 일반적으로 광축을 중심으로 대칭되는 곡면, 예를 들어 구면, 회전 포물면 등 회전 곡면이다. 종래의 원시 곡면의 초점은 한 점에 위치하므로, "공점면"이라고 할 수 있다. 본 발명에서, 원시 곡면은 임의의 형태의 동축면일 수 있으며, 적용 요구에 따라 구체적으로 설정할 수 있다. 상기 동축면은 초점이 일직선 상에(꼭 동일점에 위치하는 것은 아님) 위치하는 곡면을 의미하며, 이 직선을 “동축선”이라고 할 수 있다. 종래의 공점면은 동축면의 동축선이 한 점으로 회귀했을 때의 특례로 볼 수 있다. 동축이지만 공점이 아닌 원시 곡면을 사용하면, 집광 위치에 설치되는 감응 소자를 작은 면적(초점에 해당)에서 스트립(초점으로 이루어지는 동축선에 해당)으로 확장시킴으로써, 비용을 크게 증가하지 않는 조건에서, 신호 수집 능력을 높이고 국부 과열 문제 해결에 도움이 될 수 있다. 전형적인 동축면은 회전 곡면(2차 또는 고차 회전 곡면 포함), 주면, 추면 등을 포함한다. 여기서 주면은 등단면 동축면이라고도 할 수 있는데, 이러한 곡면은 동축선과 수직인 방향을 따라 임의의 점에서 절단하여 얻은 횡단면의 형상 및 크기가 모두 일치한다. 원기둥 곡면은 주면의 특례이다. 추면은, 동축선을 따라 절단한 횡단면의 형상은 비슷하지만 크기가 서로 다르다. 원추면은 추면의 특례이다. 도 2는 상기 두 가지 동축면을 나타내며, 도 2(a)는 등단면 동축면이고, 도 2(b)는 추형 동축면이며, 초점(F)는 모두 각각의 동축선(L) 상에 위치한다.
하나 또는 복수 개의 프레넬 유닛으로 구성되는 거시적 굴절면을 치형식 표면이라고 하고, 이와 상대되는 대체로 매끄럽거나 평탄한 면을 배면이라고 할 수 있다. 하나의 프레넬 유닛만 포함하는 치형식 표면을 "단순 프레넬 굴절면"이라고 하고, 2개 이상의 프레넬 유닛을 포함하는 치형식 표면을 "복합 프레넬 굴절면"이라고 할 수 있다. 일반적으로, 복합 프레넬 굴절면상의 각 프레넬 유닛의 기본 매개변수(예를 들어, 면적, 초점 거리, 대응 원시 곡면의 형상, 및 원시 곡면 분할에 사용되는 동심원의 수량 등)는 모두 유연하게 설정될 수 있으며, 완전 동일하거나, 부분적으로 동일하거나 또는 완전 다를 수 있다. 일 실시예에서, 복합 프레넬 굴절면상의 각 프레넬 유닛은 각각 저만의 광학 중심을 가지지만, 초점은 동일한 점, 또는 일직선 또는 제한된 영역내에 위치한다. 이는 상기 복합 프레넬 굴절면을 형성하는 프레넬 유닛 각각에 대한 공간 배치를 통해 실현될 수 있다. 이들 프레넬 유닛이 하나의 거시적 곡면, 예를 들면 평면, 2 차 곡면(구면, 타원면, 원주면, 포물주면 및 쌍곡 주면 포함), 고차 다항식 곡면(비구면의 일반 실현방식), 및 복수 개의 평면으로 결합 형성된 굴절면 및 계단식 면 등 상에 배치된 것으로 간주할 수 있다.
치형식 표면과 배면은 상이한 유형의 소자를 형성하기 위해 유연하게 결합될 수 있다. 예를 들어 하나의 치형식 표면과 하나의 배면을 구비하는 프레넬 렌즈는 "단순 프레넬 렌즈"라고 할 수 있다. 또한, 치형식 표면이 "단순 프레넬 굴절면"인 경우, 렌즈는 "단면 단순 프레넬 렌즈"이고, 치형식 표면이 "복합 프레넬 굴절면"인 경우, 렌즈는 "단면 복합 프레넬 렌즈"이다. 양면 모두 치형식 표면인 프레넬 렌즈는 "양면 프레넬 렌즈"라고 할 수 있다. 마찬가지로, 치형식 표면의 유형에 따라 "양면 단순 프레넬 렌즈" 및 "양면 복합 프레넬 렌즈"로 더 분류할 수 있다. 양면 프레넬 렌즈의 하나의 치형식 표면이 단순 프레넬 굴절면이고 다른 하나의 치형식 표면이 복합 프레넬 굴절면이면, 이 양면 프레넬 렌즈를 "양면 하이브리드 프레넬 렌즈"라고 할 수 있다. 또한, 변형된 예로서 양면 프레넬 렌즈 중 하나의 치형식 표면이 "단순 프레넬 굴절면"인 경우, 이 치형식 표면은 하나의 종래 볼록 렌즈면 또는 오목 렌즈면으로 대체될 수 있다.
동일한 광로 상에 2개 이상의 치형식 표면을 설치함으로써 수렴 시스템의 더 나은 수렴 능력을 보장할 수 있다. 도 3은, 2개의 치형식 표면을 구비하는 수렴 시스템을 나타내며, 복합 프레넬 굴절면(s3)과 단순 프레넬 굴절면(s4)은 하나의 양면 프레넬 렌즈에 의해 동시 제공될 수도 있고, 2개의 단면 프레넬 렌즈에 의해 각각 제공될 수도 있다.
본 발명에 사용되는 수렴 시스템의 반사면은 평면 반사면 또는 오목 반사면 또는 볼록 반사면 등 곡면 반사면 일 수 있고, 치형식 표면 형상의 반사면일 수도 있다. 반사면의 거시적 형상은 시스템의 기타 집광 굴절면의 형상과 유사할 수 있는데, 예를 들면 회전 곡면 또는 동축면이다. 반사면은 반사막 코팅된 평판과 같은 단일 반사 기능만을 갖는 소자에 의해 제공될 수 있으며, 광선은 소자 표면에서 직접 반사된다. 반사면은 반사 렌즈에 의해 제공될 수도 있다. 상기 반사 렌즈는 일면에 반사막 코팅된 렌즈를 의미한다. 광선은 투사면에서 굴절되어 렌즈에 입사한 후 반사면에 의해 반사되어, 다시 투사면에서 굴절되어 소자를 빠져 나간다.
상이한 유형의 반사면과 상이한 유형의 투사면을 유연하게 조합하여 상이한 유형의 반사 렌즈를 형성할 수 있다. 특히, 반사 렌즈의 1개 또는 2개의 곡면을 상응한 치형식 표면으로 교체하면 프레넬 반사 렌즈를 얻을 수 있다. 프레넬 반사 렌즈는 도 4를 참조할 수 있는데, 소자(L1)는 평면 반사면(s5)과 단순 프레넬 굴절면(s6)을 구비한다. 반사로 인해, 입사 광로는 물리적 굴절 계면(s6)을 두 번 통과하게 되며, 상기 물리적 계면은 사실상 2개의 치형식 표면과 등가 효과를 지니므로, 소자(L1)도 반사형 양면 프레넬 렌즈라고 할 수 있다. 소자(L1)는 단면 프레넬 렌즈의 배면에 반사막을 코팅하거나 반사 능력을 갖는 반사 패치를 부착함으로써 형성될 수 있다. 다른 유형의 반사 렌즈도 원시 렌즈의 임의의 일면을 반사면으로 바꿈으로써 형성될 수 있다. 반사 렌즈를 사용하면 간편하게 광로상의 집광 굴절면의 수를 늘릴 수 있으며 제조 및 설치 비용을 줄일 수 있다.
아래 본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 여러 가지 사용 형태에 대해 구체적인 적용 장면과 결부하여 설명한다.
실시예 1
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 일 실시형태는 도 5를 참조할 수 있는데, 수렴 시스템으로 사용되는 프레넬 반사 렌즈(110)와 제1 태양 에너지 이용 장치(121) 및 제2 태양 에너지 이용 장치(122)를 포함한다. 제1 태양 에너지 이용 장치는 테이블(131)에 지지되고, 제2 태양 에너지 이용 장치는 입주(立柱)(132)에 지지된다.
프레넬 반사 렌즈(110)는 매끄럽고 원주상으로 대칭인 볼록면(111)과 치형식 표면(112)을 구비한다. 볼록면(111)을 집광 굴절면으로 하고, 반사막이 코팅된 치형식 표면(112)을 반사면으로 한다. 물리적으로 하나의 집광 굴절면만 구비하지만, 태양광은 사실상 111로 입사 -> 112에서 반사 -> 111로부터 출사하는 과정에서 3번 수렴된다.
본 실시예에서, 반사면과 집광 굴절면이 하나의 물리 소자에 의해 제공되고 이동할 수 없으므로, 가동 부품은 테이블(131) 상에 고정 또는 배치될 수 있는 제1 태양 에너지 이용 장치이다. 테이블이 수렴 시스템 상부에 배치될 경우, 제1 태양 에너지 이용 장치(121)는 사용을 위해 광로에 위치하고, 테이블이 수렴 시스템 밖으로 이동된 후, 제2 태양 에너지 이용 장치(122)가 다른 기능을 제공하기 위해 광로에 위치한다.
2개의 태양 에너지 이용 장치는 상이한 유형일 수 있다. 예를 들어, 각각 태양열 가열 장치와 태양광 패널일 수 있다. 태양열 가열 장치의 에너지 이용 효율이 통상적으로 태양광 패널의 에너지 이용 효율보다 훨씬 높으므로, 가열이 필요할 때, 태양열 가열 장치를 직접 사용하는 것이 태양 에너지를 전기 에너지로 변환한 후 전기 가열하는 경우보다 광 에너지를 더 잘 활용할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 태양 에너지 이용 장치는 태양열 가열 장치이며, 구체적으로 태양열 레인지, 온수기, 그릴, 로스터 등일 수 있다. 제2 태양 에너지 이용 장치는 태양광 패널이며, 이로부터 생성된 전기 에너지는 입주(132)에 은폐된 와이어(133)를 통해 도출된다. 제1 태양 에너지 장치는 이동 가능하기 때문에 교체도 가능하다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 먼저 태양열 레인지로 요리한 다음 온수기로 바꿔서 물을 끓일 수 있다. 본 발명의 다기능 태양 에너지 시스템은 2개의 태양 에너지 이용 장치를 포함하지만, 2개에 국한되지 않고 여러 개를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 제2 태양 에너지 이용 장치, 즉 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 태양광 입사 방향을 따라 상부에 배치되는 하나는 양면 태양광 패널이다. 상부에 배치되는 양면 태양광 패널은 정면과 후면 두 방향에서 입사 태양광을 흡수할 수 있으며 태양 에너지를 보다 충분히 활용할 수 있다.
본 실시예중의 수렴 시스템은 집광 마루 또는 타일이 되도록 바닥에 부설할 수 있으며, 주택의 안뜰 또는 공원의 공공 구역 등에 적용할 수 있다. 본 실시예에 따른 태양 에너지 시스템은 야외에서 전력 공급을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 야외취사 도구도 제공할 수 있다.
실시예 2
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 다른 일 실시형태는 도 6을 참조할 수 있는데, 주요하게는 적용 경우를 실내로 이동하였다는 점에서 실시예 1과 상이하다. 이 시스템은 수렴 시스템, 태양열 가열 장치(221) 및 태양광 패널(222)을 포함한다. 여기서 수렴 시스템은 집광벽(211)과 반사 소자(212)를 포함한다. 태양열 가열 장치는 테이블(231) 에 지지되고, 태양광 패널은 천장(232)에 지지된다.
집광벽(211)은 수렴 능력을 갖는 렌즈 모듈, 예를 들어 프레넬 렌즈로 만들어진 집광 타일을 쌓아 형성될 수 있으며, 적어도 하나의 집광 굴절면을 제공한다. 반사 소자(212)는 지면에 부설되며, 평면 반사 마루일 수도 있고, 추가 집광 능력을 제공하기 위해 실시예 1에서와 유사한 프레넬 반사 렌즈일 수도 있다.
본 실시예에서, 반사 소자가 지면에 설치되고 이동할 수 없으므로, 태양열 가열 장치(221)는 이동 가능한 테이블(231) 상에 고정 또는 배치되고, 태양광 패널(222)은 천장(232)에 고정된다. 교체 사용 과정은 실시예 1과 유사하여 여기서 반복하지 않지만, 태양광 패널의 송전선은 천장을 따라 벽체 밖으로 도출할 필요가 있다.
본 실시예의 다기능 태양 에너지 시스템은 다층 건물이나 공장 건물과 같은 실내 사용에 적합하고, 실내에 조사되는 태양 에너지를 최대한 활용할 수 있어, 주택 사용에 적합할 뿐만 아니라 식품 가공 공장과 같은 가열을 필요로 하는 공장 사용에도 적합하다.
실시예 3
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 다른 실시형태는 도 7을 참조할 수 있는데, 이 시스템은 수렴 시스템, 태양열 가열 장치(321) 및 태양광 패널(322)을 포함한다. 여기서 수렴 시스템은 제1 프레넬 렌즈(311), 제2 집광 렌즈(313) 및 반사 소자(312)를 포함한다. 태양열 가열 장치는 테이블(331)에 지지되고, 태양광 패널은 입주(332)에 지지된다.
본 실시예의 수렴 시스템은 이중 수렴 구조를 채택하며, 여기서 제1 프레넬 렌즈(311)는 단면 또는 양면 복합 프레넬 렌즈이고, 제2 집광 렌즈(313)는 볼록 렌즈 또는 프레넬 렌즈이다.
반사 소자(312)는 이동 가능하다. 반사 소자가 광로 상에 위치할 때, 태양광 패널(322)이 광로 내에 있다. 반사 소자가 광로 밖으로 이동된 후, 태양열 가열 장치(321)는 직접 가열 기능을 제공하기 위해 광로 내에 있다.
태양 에너지를 보다 충분히 활용하기 위해, 본 실시예는 투명한 재료로 제조된 물 탱크(341)를 더 포함한다. 태양광 패널(322), 즉 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 태양광 입사 방향을 따라 상부에 배치되는 하나는 열원으로서 열전도 방식으로 물 탱크에 둘러싸여있다. 예를 들어 열교환을 위해 열전도성 물질과 온수기는 밀접하게 접촉한다. 냉수는 유입구(342)를 통해 온수기로 들어가 태양광 패널과 열교환 후 배출구(343)를 통해 유출된다.
제1 프레넬 렌즈는 연질 플라스틱, 가요성 수정판 등과 같은 가요성 투명 재료를 사용하여 가압 형성될 수 있으며, 텐트의 상면 또는 우산의 상면으로 사용될 수 있으므로, 본 실시예는 태양 에너지 시스템을 실외 파라솔로 사용하는 적용 경우로 간주할 수 있다. 외장 텐트(334)를 장착하기 위해 제1 프레넬 렌즈의 주변부에 매달기용 훅 또는 구멍(미도시)이 더 제공될 수 있다. 따라서 본 실시예의 태양 에너지 시스템이 거주용 태양 에너지 텐트가 되도록 한다. 제1 프레넬 렌즈가 단단한 재료로 제조되고 외장 텐트(334)를 외장 벽으로 대체하면, 본 실시예는 주방에 설치한 지붕 태양 에너지 시스템으로 간주할 수 있다. 다른 실시예에서, 태양열 가열 장치(321)는 흐리고 비 내리는 날에도 조리 가능하도록 보조 열원을 추가로 연결할 수 있다.
태양 에너지 전환에 의해 얻은 전기 에너지를 보다 잘 저장하고 활용하기 위해, 본 실시예는 이하 열거된 부가 소자를 더 포함하며, 다른 실시형태에서는 적용 수요에 따라 이들 중 하나 또는 여러 개만 선택적으로 포함할 수 있다.
에너지 저장부(351)는 와이어(333)를 통해 태양광 패널(322)과 전기적으로 연결되어 전기 에너지를 저장하기 위한 것이다. 에너지 저장부는 수퍼 커패시터, 재충전 배터리 및 공기 압축기 중에서 선택될 수 있다.
AC 인버터(352)는 에너지 저장부와 전기적으로 연결되어(다른 실시형태에서는 태양광 패널에 직접 전기적으로 연결될 수도 있음) 태양광 패널이 출력한 직류를 60Hz의 120V 또는 50Hz의 220V와 같은 교류로 변환하기 위한 것이다. 연결된 AC 배선반(353)은 사용자에게 AC 출력을 직접 제공할 수 있다.
직류 전압 출력 장치(354)는 에너지 저장 장치와 전기적으로 연결되어(다른 실시형태에서는 태양광 패널에 직접 전기적으로 연결될 수도 있음), 사용자가 사용하기 편하도록 직류 전압을 출력하기 위한 것이다. 출력 장치가 출력하는 직류 전압은 예를 들어 12V, 9V, 5V, 3V, 1.5V 등을 포함할 수 있다.
실시예 4
본 발명에 따른 다기능 태양 에너지 시스템의 다른 실시형태는 도 8을 참조할 수 있는데, 이 시스템은 수렴 시스템, 태양열 가열 장치(421) 및 태양광 패널(422)을 포함한다. 여기서 수렴 시스템은 제1 프레넬 렌즈(411), 반사 소자(412) 및 제2 프레넬 렌즈(413)를 포함한다. 태양열 가열 장치는 테이블(431)에 지지되고, 태양광 패널은 입주(432)에 지지된다.
본 실시예의 수렴 시스템은 이중 수렴 구조를 채택하며, 반사 소자는 제2 프레넬 렌즈 이전에 배치된다. 여기서 제1 프레넬 렌즈(411)는 단면 또는 양면 복합 프레넬 렌즈이며, 실시예 3에서와 유사하게 파라솔 면으로 사용할 수 있다. 제2 프레넬 렌즈(413)는 복합 또는 단순 프레넬 렌즈이다. 본 실시예의 수렴 시스템은 양호한 차양 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 태양광 패널(422)이 작은 면적으로 파라솔 표면에 조사되는 대부분의 광 에너지를 얻을 수 있게 한다.
반사 소자(412)는 이동 가능하며, 태양열 가열 장치(421)와 태양광 패널(422)의 교대 사용방식은 실시예 3과 유사하다.
자동 교대 제어를 실현하기 위해, 미리 설정된 프로그램에 따라 시스템내 이동 가능한 부품의 이동을 제어하기 위한 이동 제어 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 반사 소자를 구동 모터에 장착하여, 미리 설정된 프로그램에 따라 반사 소자를 광로내 또는 광로밖으로 이동시킬 수 있다. 이러한 미리 설정된 프로그램은 환경 수요에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 자동 조리류 적용에 대해서, 구동 모터의 제어 프로그램은 자동 조리 프로그램과 협력할 수 있다. 가열할 재료를 태양열 가열 장치에 넣은 후에는 가열하기 위해 반사 소자가 광로밖으로 이동하도록 제어하고, 재료를 꺼낸 후에는 전력을 계속 생산하기 위해 반사 소자가 복위하도록 제어한다. 이러한 미리 설정된 프로그램은 또한 광 세기 또는 온도 등 실시간 획득한 환경 및 시스템 매개변수에 따라 제어될 수 있다. 예를 들어, 한여름 정오와 같이 빛의 세기가 강할 때, 반사 소자가 광로밖으로 이동하도록 제어하는데 이때 가열장치는 해수 담수화 등 고출력을 필요로 하는 가열 작업을 수행할 수 있으며; 빛의 세기가 약해진 후, 전력을 계속 생성하기 위해 반사 소자가 복위하도록 제어하는 이러한 구성에 따라, 태양광 패널의 온도를 낮추고 사용 수명을 연장시킬 수 있다. 본 실시예는 지능형 제어를 위해 매개변수를 제공하도록 제2 프레넬 렌즈의 변두리에 온도 및 광 세기 검출기(455)가 장착된다.
부가 소자에 있어서, 실시예 3에서와 유사한 에너지 저장부(451), AC 인버터(452), AC 배선반(453) 및 DC 전압 출력 장치(454) 외에, 본 실시예는 사용자가 태양 에너지 시스템의 작동 상태를 알 수 있도록 시스템의 작동 매개변수를 검출 및 표시하는 상태 지시기(456)를 더 포함한다. 여기서 작동 매개변수는 전압, 전류, 전력, 온도 등일 수 있다. 이러한 매개변수는 온도 프로브 등 필요한 매개변수 유형에 대응되는 검측 장치를 설치하여 얻을 수 있다. 가동 부품의 지능형 제어 프로그램은 상태 지시기와 통합될 수 있다.
또한, 본 실시예의 AC 인버터(452)는 전력 출력을 그리드 연결용 스위치기어(457)에 연결하고(이에 따라 AC 배선반(453)은 그리드 연결용 스위치기어로부터 도출됨), 그리드 연결용 스위치기어는 외부 AC 그리드(458)에 연결되어, 태양 에너지 시스템에 의해 생성된 전기 에너지가 외부 그리드에 통합될 수 있게 하므로, 본 실시예의 시스템은 태양력 발전소로 사용될 수도 있다.
이상, 본 발명의 원리 및 실시형태를 구체적인 예를 적용하여 설명하였다. 상기 실시형태들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것이지 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안됨을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 개념에 기초하여 전술한 특정 실시형태를 변형할 수 있다.

Claims (10)

  1. 다기능 태양 에너지 시스템으로서,
    적어도 하나의 집광 굴절면(s1)과 하나의 반사면(s2)을 포함하며, 상기 반사면은 태양광 입사 방향을 따라 상기 집광 굴절면 하부에 배치되는 수렴 시스템; 및
    태양광을 흡수하고 이용하기 위한 2개의 태양 에너지 이용 장치(P1, P2)
    를 포함하고,
    상기 반사면과 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 적어도 하나는 광로로부터 제거 가능하며,
    상기 반사면이 제거 가능한 경우, 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치는 각각 상기 반사면이 제거되기 전 및 상기 반사면이 제거된 후에 형성된 광로들 상에 배치되고,
    상기 반사면이 고정된 경우, 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치는 상기 반사면 이후의 광로 상에 택일적으로 배치되는,
    다기능 태양 에너지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집광 굴절면은 치형식 표면(toothed surface)이며 적어도 하나의 프레넬 유닛을 포함하는, 다기능 태양 에너지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 치형식 표면 및/또는 상기 반사면의 거시적 곡면의 형상은 회전곡면 또는 동축면인, 다기능 태양 에너지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수렴 시스템은 제1 프레넬 렌즈와 반사 소자를 포함하며,
    상기 제1 프레넬 렌즈의 유형은 단면 단순 프레넬 렌즈, 단면 복합 프레넬 렌즈, 양면 단순 프레넬 렌즈, 양면 복합 프레넬 렌즈 및 양면 혼합형 프레넬 렌즈에서 선택되고;
    상기 반사 소자의 유형은 단일 반사 평면 또는 반사 곡면만 갖는 반사 소자, 평면 반사경, 평면 반사면과 오목 투사면 또는 볼록 투사면의 조합으로 형성된 반사 렌즈, 및 프레넬 반사 렌즈에서 선택되는, 다기능 태양 에너지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    미리 설정된 프로그램에 따라 상기 다기능 태양 에너지 시스템 내의 제거 가능한 부품의 이동을 제어하도록 구성되는 이동 제어 장치를 더 포함하는, 다기능 태양 에너지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 태양 에너지 이용 장치의 유형은 각각 태양열 가열 장치 및 태양광 패널 중에서 선택되는 하나인, 다기능 태양 에너지 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 하나는, 태양광이 입사하는 방향을 따라 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 다른 하나의 상부에 배치되고 양면 태양광 패널인, 다기능 태양 에너지 시스템.
  8. 제1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    투명한 재료로 제작된 물 탱크를 더 포함하며, 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 하나는, 태양광이 입사하는 방향을 따라 상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 다른 하나의 상부에 배치되고 열원으로서 열전도 방식으로 상기 물 탱크에 둘러싸이는, 다기능 태양 에너지 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광 굴절면 또는 상기 반사면의 주변부에는 외장 텐트(enclosure) 설치를 위한 매달기용 훅(hanging hook)들 또는 구멍들이 제공되는, 다기능 태양 에너지 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 태양 에너지 이용 장치 중 적어도 하나의 유형은 태양광 패널이며,
    상기 시스템은:
    상기 태양광 패널과 전기적으로 연결되어 전기 에너지를 저장하기 위한 것으로, 슈퍼 커패시터, 충전용 전지 및 공기 압축기 중에서 선택되는 에너지 저장부;
    상기 태양광 패널과 전기적으로 연결되어 상기 태양광 패널이 출력한 직류를 교류로 변환하기 위한 AC 인버터;
    양면 태양광 패널과 전기적으로 연결되어 직류 전압을 출력하기 위한 직류 전압 출력 장치; 및
    전압, 전류, 전력 및 온도 중 선택되는 시스템의 작동 매개변수를 검출 및 표시하기 위한 상태 지시기;
    중 하나 또는 여러 개를 더 포함하는, 다기능 태양 에너지 시스템.
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