KR101998794B1 - 원추형 태양광열 복합 시스템을 이용한 에너지 자립형 건조설비 - Google Patents

원추형 태양광열 복합 시스템을 이용한 에너지 자립형 건조설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원추형 태양광열 복합 시스템을 이용한 에너지 자립형 건조설비에 관한 것이다. 원추형 태양광열 복합 시스템은 태양에너지를 받아서 집열하고 전기를 생성하는 적어도 하나의 태양광열 복합모듈과, 태양광열 복합모듈에 의해 가열된 집열매체를 공급받아서 열교환을 통해 열을 저장하는 축열부, 및 태양광열 복합모듈에 의해 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지를 구비한다. 건조부는 축열부에 저장된 열에너지를 공급받아서 열교환을 통해 피건조물을 건조시킨다. 태양광열 복합모듈은 내부로 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사판과, 축열부로부터 공급받은 집열매체를 반사판에서 집광된 태양광과 열교환을 통해 가열해서 축열부로 배출하는 집열용 흡수기, 및 집열용 흡수기의 표면에 부착되어 전기를 생산해서 축전지로 공급하는 태양전지 셀들, 및 반사판을 태양광을 따라 이동시키는 태양추적장치를 구비한다.

Description

원추형 태양광열 복합 시스템을 이용한 에너지 자립형 건조설비{Energy-independent drying equipment using cone type photovoltaic thermal hybrid system}
본 발명은 에너지 자립형 건조설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양에너지를 농산물 등을 건조하기 위한 에너지원으로 사용할 수 있게 하는 에너지 자립형 건조설비에 관한 것이다.
현대의 주된 에너지원인 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료 매장량에 대한 한계성, 이의 부산물로 발생되는 공해 등을 생각하여 볼 때, 가까운 장래에 닥칠 심각한 에너지난과 환경상의 제약으로 인한 파국을 벗어나기 위하여 무공해이며 무궁무진한 태양에너지에 대한 연구 개발이 촉진되고 있고, 기술적인 면에서 이용 가능성이 입증되었으며, 부분적으로 태양에너지 이용 기기의 생산이 이루어지고 있다.
우리나라는 지리적인 위치와 계절적 기후조건이 연중 태양에너지를 충분히 공급받을 수 있으며, 특히 동절기에는 날씨가 건조하고 맑아 태양 복사량이 많은 편이어서 태양열 이용에 매우 유리하다. 그러므로, 대체에너지로서 고효율 태양에너지 이용분야의 실용기술을 개발하여 농산업적 이용뿐만 아니라 전 산업 분야의 에너지원으로의 확대 및 보급이 절실한 실정이다.
본 발명의 과제는 태양열 및 태양광 발전 시스템을 통합하여 하나의 시스템으로 구성하여 농작물 등의 건조에 이용함으로써 경제성 및 효율성을 극대화할 수 있는 에너지 자립형 건조설비를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 자립형 건조설비는 원추형 태양광열 복합 시스템 및 건조부를 포함한다. 원추형 태양광열 복합 시스템은 태양에너지를 받아서 집열하고 전기를 생성하는 적어도 하나의 태양광열 복합모듈과, 태양광열 복합모듈에 의해 가열된 집열매체를 공급받아서 열교환을 통해 열을 저장하는 축열부, 및 태양광열 복합모듈에 의해 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지를 구비한다. 건조부는 축열부에 저장된 열에너지를 공급받아서 열교환을 통해 피건조물을 건조시킨다. 태양광열 복합모듈은 내부로 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사판과, 축열부로부터 공급받은 집열매체를 반사판에서 집광된 태양광과 열교환을 통해 가열해서 축열부로 배출하는 집열용 흡수기, 및 집열용 흡수기의 표면에 부착되어 전기를 생산해서 축전지로 공급하는 태양전지 셀들, 및 반사판을 태양광을 따라 이동시키는 태양추적장치를 구비한다.
본 발명에 따르면, 집열용 흡수기에 부착된 태양전지 셀의 냉각으로 인한 태양광 발전효율을 극대화할 뿐만 아니라, 태양전지 셀이 부착되지 않은 집열용 흡수기의 표면에 집광된 태양복사열을 회수 및 이용함으로써, 하나의 시스템에서 고 효율의 태양광 발전과 태양열 집열을 동시에 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 원추형 태양광열 복합 시스템에 의해 생산된 전기에너지와 열에너지를 농작물 등의 건조에 이용함으로써 경제성 및 효율성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 건조설비에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 건조실의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 3은 도 1에 있어서, 건조부의 제어 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 에너지 자립형 건조설비에 대한 전력계통도이다.
도 5는 도 1에 있어서, 태양광열 복합모듈에 대한 사시도이다.
도 6은 도 5에 있어서, 반사판, 반사판 지지대, 및 집열용 흡수기를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 7은 도 5에 있어서, 태양광추적장치를 발췌하여 도시한 사시도이다.
도 8은 도 5에 있어서, 집열용 흡수기의 외부가 2중 진공관에 의해 밀폐된 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 도 8에 대한 분해 사시도이다.
도 10은 태양전지 셀들에 추가 반사판이 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10에 있어서, 추가 반사판의 다른 예를 도시한 사시도이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 건조설비에 대한 구성도이다. 도 2는 도 1에 있어서, 건조실의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 에너지 자립형 건조설비는 원추형 태양광열 복합 시스템(100)과, 건조부(200)를 포함한다.
원추형 태양광열 복합 시스템(100)은 적어도 하나의 태양광열 복합모듈(101)과, 축열부(160), 및 축전지(170)를 포함한다. 태양광열 복합모듈(101)은 태양에너지를 받아서 집열하고 전기를 생성한다. 즉, 태양광열 복합모듈(101)은 태양열 발전 및 집열을 동시에 구현한다. 태양광열 복합모듈(101)의 예에 대해서는 후술하기로 한다.
축열부(160)는 태양광열 복합모듈(101)에 의해 가열된 집열매체를 공급받아서 축열매체와 열교환을 통해 열을 저장한다. 축열부(160)는 집열용 흡수기(130)로 집열매체를 공급하고 집열용 흡수기(130)를 거쳐 가열된 집열매체를 회수해서 저장할 수 있다. 축열부(160)는 축열조(160a)를 포함한다.
축열조(160a)는 제1 유입구(131a)와 제1 집열매체 이송관(161)으로 연결된 제2 배출구(161a)가 하단에 형성되고, 제1 배출구(132a)와 제2 집열매체 이송관(162)으로 연결된 제3 유입구(162a)가 상단에 형성될 수 있다. 제2 배출구(161a)와 제3 유입구(162a)를 연결하는 축열조용 열교환기(163)가 축열조(160a) 내부에 수용될 수 있다. 축열조용 열교환기(163)는 코일형 또는 판형 등과 같이 다양한 형태로 구성될 수 있다.
축열조(160a)는 내부에 축열매체를 수용할 수 있는데, 집열용 흡수기(130)에서 가열된 집열매체가 제3 유입구(162a)를 통해 유입되어 축열조용 열교환기(163)를 통과하면서 축열조(160a) 내부의 축열매체와 열교환하여 축열매체를 가열시킨 후, 제2 배출구(161a)를 통해 빠져나가 집열용 흡수기(130)로 다시 유입될 수 있다. 여기서, 축열매체는 물일 수 있다.
축열조(160a)는 저장탱크의 형태를 취할 수 있으며, 여러 겹으로 형성될 수 있다. 내통은 스테인리스강으로 형성될 수 있으며, 내통의 외부는 폴리우레탄폼 등으로 단열될 수 있으며, 외부 케이스는 칼라 강판 등으로 제조될 수 있다.
집열매체 순환펌프(164)는 제1 집열매체 이송관(161)에 설치되어 집열매체를 집열용 흡수기(130)와 축열조(160a) 간에 순환시킬 수 있다. 집열매체 펌프(164)는 태양전지 셀(140)에 의해 생산된 전기에 의해 구동될 수 있다. 즉, 태양전지 셀(140)에 의해 생산된 전기는 축전지(170)에 저장되고 인버터(176)를 거쳐 교류 전력으로 변환되어 집열매체 펌프(164)의 구동을 위한 에너지로 이용될 수 있다.
제1 집열매체 이송관(161)에는 집열매체의 유량을 측정하기 위한 유량계(165)와, 집열매체의 흐름을 제어하기 위한 밸브(166)가 설치될 수 있다. 제1 집열매체 이송관(161)은 집열매체 보충탱크(미도시)로부터 열매체 보충관(167)을 통해 집열매체를 공급받을 수 있다. 집열매체 보충관(167)에는 집열매체의 흐름을 제어하기 위한 밸브(167a)가 설치될 수 있다. 집열매체 온도센서(168)가 축열조(160a)의 상, 하부에 설치되어 집열매체의 온도를 측정할 수 있다. 집열매체 온도센서(168)는 서모커플(thermocouple) 또는 측온저항체(resistance thermometer) 등으로 이루어질 수 있다.
축열부(160)는 축열조용 보조히터(169)를 더 구비할 수 있다. 태양에너지의 특성상 날씨와 일사량에 따라 태양에너지의 공급이 원활하지 못할 수 있으므로, 축열조용 보조히터(169)는 보조열원으로 축열조(160a) 내의 축열매체를 적정온도로 유지시킬 수 있게 한다. 축열조용 보조히터(169)는 축열조(160a) 내에 설치될 수 있다. 축열조용 보조히터(169)는 인버터(176)를 거쳐 변환된 교류 전력에 의해 구동될 수 있다.
축전지(170)는 태양광열 복합모듈(101)에 의해 생산된 전기를 공급받아 저장한다. 축전지(170)는 태양전지 셀(140)들에 의해 생산된 전기를 저장하여, 필요할 때 사용할 수 있게 한다. 축전지(170)의 전압과 용량은 24V와 800Ah로 설정될 수 있다.
태양전지 셀(140)들에 의해 생산된 DC 전력은 충전 컨트롤러(171)를 통하여 과전압, 과전류 등의 불안전상태 없이 축전지(170)에 안정적으로 충전될 수 있다. 충전 컨트롤러(171)는 태양전지 셀(140)들과 축전지(170) 사이에 설치되어, 과전압, 과전류, 단락 및 고온 등으로부터 전기적인 보호를 가능하게 하고, 축전지(170)의 효율적인 충전을 가능하게 한다. 여기서, DC 전력량계(172)는 태양전지 셀(140)들로부터 생산된 DC 전력을 확인할 수 있도록 충전 컨트롤러(171)와 축전지(170) 사이에 설치될 수 있다.
태양전지 셀(140)들에 의해 생산된 전력은 직류계통으로 축전지(170)에 저장되므로, 축전지에 저장된 직류 전력은 인버터(176)를 거쳐 교류 전력으로 변환될 수 있다. 인버터(176)를 거쳐 변환된 교류 전력은 건조부(200), 태양추적장치(150), 축열부(160) 등으로 공급되거나, 계통연계에 의해 한전으로 보내질 수 있다.
건조부(200)는 축열부(160)에 저장된 열에너지를 공급받아서 열교환을 통해 피건조물을 건조시킨다. 피건조물은 농산물 등일 수 있다. 건조부(200)는 건조실(210)과, 건조실용 열교환기(220)와, 송풍기(230), 및 축열매체 순환부(240)를 포함할 수 있다.
건조실(210)은 단열 효과가 우수한 폴리우레탄 판넬을 이용하여 제작된 벽체를 포함할 수 있다. 건조실(210)은 내부가 도어에 의해 개폐될 수 있다. 건조실(210)은 내부에 피건조물의 거치를 위한 다단의 건조대(211)가 설치될 수 있다. 건조실(210)은 환기구와 컨트롤박스가 장착될 수 있다. 컨트롤박스는 건조 컨트롤러(250)를 내장한다. 컨트롤박스에는 사용자가 건조 컨트롤러(250)에 온/오프 명령, 건조 온도설정 명령 등을 입력할 수 있는 조작버튼들이 구비될 수 있다. 건조실(210) 내에는 온도를 측정하기 위한 건조실용 온도 센서(212)가 배치되어 온도 데이터를 실시간으로 측정할 수 있다.
건조실용 열교환기(220)는 건조실(210) 내의 공기를 축열부(160)로부터 공급되는 축열매체와 열교환을 통해 가열한다. 축열매체는 태양광열 복합모듈(101)에 의해 가열되어 건조실용 열교환기(220)로 공급될 수 있다. 건조실(210)의 건조 열원이 부족할 경우, 축열매체는 축열조용 보조히터(169)에 의해 보조적으로 가열되어 건조실용 열교환기(220)로 공급될 수 있다. 축열조용 보조히터(169)가 사용되는 대신, 건조부(200)는 건조실용 보조히터(226)를 구비하여, 부족한 건조 열원을 충당할 수도 있다.
건조실용 열교환기(220)는 판형 또는 코일형 등과 같이 다양한 형태로 구성될 수 있다. 건조실용 열교환기(220)는 건조실(210) 내의 상부에 설치될 수 있다. 건조실용 열교환기(220)는 흡기구와 배기구를 갖는 하우징(221)에 수용될 수 있다. 하우징(221)의 흡기구를 통해 흡입된 공기는 건조실용 열교환기(220)를 거쳐 가열된 후 하우징(221)의 배기구를 통해 배출될 수 있다.
송풍기(230)는 건조실용 열교환기(220)에 의해 가열된 공기를 건조실(210) 내에 분산시킨다. 축열조(160) 내의 축열매체는 축열매체 순환부(240)에 의해 건조실(210) 내의 건조실용 열교환기(220)를 통과한 후 축열조(160)로 다시 순환되며, 건조실용 열교환기(220) 표면의 가열된 공기는 송풍기(230)에 의해 건조실(210) 내에서 분산될 수 있다. 송풍기(230)는 하우징(221)의 흡기구에 설치되어 공기를 흡입해서 건조실용 열교환기(220)로 송출할 수 있다.
축열매체 순환부(240)는 축열부(160)와 건조실용 열교환기(220) 간에 축열매체를 순환시킨다. 축열매체 순환부(240)는 제1 축열매체 이송관(241) 및 제2 축열매체 이송관(242)을 포함할 수 있다. 제1 축열매체 이송관(241)은 축열조(160) 내의 축열매체를 축열조(160)의 하측으로부터 건조실용 열교환기(220)로 이송할 수 있다. 제2 축열매체 이송관(242)은 건조실용 열교환기(220)를 거친 축열매체를 축열조(160)의 상측으로 이송할 수 있다.
축열매체 순환펌프(243)는 제1 축열매체 이송관(241)에 설치되어 축열매체를 축열조(160)와 건조실용 열교환기(220) 간에 순환시킬 수 있다. 축열매체 펌프(243)는 태양전지 셀(140)에 의해 생산된 전기에 의해 구동될 수 있다. 제1 축열매체 이송관(241)에는 축열매체의 유량을 측정하기 위한 유량계(241a)가 설치될 수 있다. 제2 축열매체 이송관(242)에는 축열매체의 흐름을 제어하기 위한 밸브(242a)가 설치될 수 있다. 축열매체 온도센서(244)가 제1,2 축열매체 이송관(241, 242) 쪽에 설치되어 축열매체의 온도를 측정할 수 있다.
건조부(200)는 건조 컨트롤러(250)를 포함할 수 있다. 건조 컨트롤러(250)는 축열부(160)의 축열매체가 설정 온도에 도달한 것으로 판단되면 축열매체 순환부(240)를 구동시켜 축열매체를 건조실용 열교환기(220)에 대해 순환시킨 후, 건조실(210) 내의 건조 온도가 목표치에 도달한 것으로 판단되면 축열매체 순환부(240)의 구동을 정지시킨다.
예컨대, 건조 컨트롤러(250)에 의한 건조부(200)의 제어 흐름은 도 3에 도시된 바와 같다. 사용자가 건조 설정 시간, 건조 설정 온도(ST), 온도 범위(R)를 건조 컨트롤러(250)에 입력한 후, 건조 컨트롤러(250)를 동작시킨다. 그러면, 건조 컨트롤러(250)는 송풍기(230)를 동작시킨다. 그 다음, 건조 컨트롤러(250)는 건조실용 온도센서(212)를 통해 건조실 온도(DT)가 건조 설정 온도(ST)보다 낮은 것으로 판단되면, 축열매체 순환펌프(243)를 구동시켜 축열매체를 건조실용 열교환기(220)에 대해 순환시킨다. 그 다음, 건조 컨트롤러(250)는 건조실 온도(DT)가 건조 설정 온도(ST)에 도달한 것으로 판단됨과 아울러 가동 시간이 건조 설정 시간에 도달한 것으로 판단되면 축열매체 순환펌프(243)의 구동을 정지시킨다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 원추형 태양광열 복합 시스템(100)은 태양전지 셀(140)들로부터 공급되는 전력이 부족할 경우에 한전으로부터 공급되는 전력을 이용하도록 계통연계될 수 있다. 하나의 AC 전력량계(181a)는 태양전지 셀(140)들로부터 생산된 전력의 사용량을 측정하기 위해 인버터(176)의 출력단에 설치된다. 다른 하나의 AC 전력량계(181b)는 한전계통(10)으로부터 사용된 전력량을 측정하기 위해 셀렉트 스위치(182)의 입력단에 설치된다. 또 하나의 AC 전력량계(181c)는 한전으로부터 공급된 전력 및 원추형 태양광열 복합 시스템(100)으로부터 생산된 전력의 총 사용량을 측정하기 위해 셀렉트 스위치(182)의 출력단에 설치된다.
셀렉트 스위치(182)는 축전지(170)에 저장된 전력량이 기준으로 일정량 이상이면 원추형 태양광열 복합 시스템(100)으로부터 생산된 전력이 건조부(200), 태양추적장치(150), 축열부(160) 등의 구동에 사용되도록 하며, 축전지(170)에 저장된 전력이 부족할 경우 한전으로부터 공급되는 전력이 사용되도록 한다.
도 5는 도 1에 있어서, 태양광열 복합모듈에 대한 사시도이다. 도 6은 도 5에 있어서, 반사판, 반사판 지지대, 및 집열용 흡수기를 분해하여 도시한 사시도이다. 도 7은 도 5에 있어서, 태양광추적장치를 발췌하여 도시한 사시도이다. 도 8은 도 5에 있어서, 집열용 흡수기의 외부가 2중 진공관에 의해 밀폐된 상태를 도시한 단면도이다. 도 9는 도 8에 대한 분해 사시도이다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 태양광열 복합모듈(101)은 복수 개로 구비될 수 있다. 예컨대, 태양광열 복합모듈(101)은 4개로 구비되어 2행 2열로 배열될 수 있다. 각각의 태양광열 복합모듈(101)은 반사판(110)과, 반사판 지지대(120)와, 집열용 흡수기(130)와, 태양전지 셀(140)들과, 태양추적장치(150)를 구비할 수 있다.
반사판(110)은 내부로 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진다. 즉, 반사판(110)은 일정 두께를 갖고 내주면이 원추형으로 이루어진다. 반사판(110)은 원추의 밑면에 해당하는 부위에 제1 개구(111)가 형성되고, 원추의 꼭지점에 해당하는 부위에 제2 개구(112)가 형성된다. 반사판(110)은 넓은 크기의 제1 개구(111)가 상방을 향해 배치되어 태양광을 입사시키며, 좁은 크기의 제2 개구(112)가 하방을 향해 배치되어 집열용 흡수기(130)를 삽입시켜 설치할 수 있게 한다.
반사판(110)으로 들어오는 태양광은 태양추적장치(150)에 의해 거의 일직선으로 입사된다. 따라서, 반사판(110)으로 입사된 태양광은 반사판(110)의 내주면에 반사되어 중심의 하부를 향해 반사되고, 반사된 태양광은 집열용 흡수기(130)로 입사되어 집열용 흡수기(130)에서 효율적인 집열이 이루어질 수 있게 한다.
반사판(110)은 45도의 원추각을 갖도록 형성될 수 있다. 반사판(110)은 대략 0.5㎜의 두께로 이루어질 수 있다. 반사판(110)은 반사율이 90% 이상의 재질, 예컨대 반사율이 95%의 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다. 반사판(110)은 형태가 변형되지 않도록 제1,2 개구(111, 112) 부위에 환형의 보강부재가 각각 부착될 수도 있다.
반사판 지지대(120)는 반사판(110)을 지지한다. 일 예로, 반사판 지지대(120)는 반사판(110)의 외주를 지지하여 반사판(110)의 변형을 방지하는 제1 지지체(121)와, 지면에 고정되는 스탠드(174)와 연결되는 사각 형태의 제2 지지체(122), 및 제1 지지체(121)와 제2 지지체(122)를 연결하는 연결부재(123)를 포함할 수 있다.
제1 지지체(121)는 반사판(110)의 상, 중, 하측의 외주 부위를 지지하도록 형성된 3개의 원형 링(121a)들과, 반사판(110)의 빗변 방향에 등 간격으로 배열되어 원형 링(121a)들과 연결되는 4개의 선형 막대(121b)들, 및 반사판(110)의 제2 개구(112) 부위를 지지하도록 선형 막대(121b)들에 연결된 중공의 원형 판(121c)을 구비할 수 있다. 원형 판(121c)의 중공은 집열용 흡수기(130)를 통과시키도록 형성된다. 집열용 흡수기(130)의 외측 둘레가 사각 형상을 이루어지는 경우, 원형 판(121c)의 중공은 집열용 흡수기(130)의 외측 둘레와 동일한 크기의 사각 형상으로 이루어져 집열용 흡수기(130)를 통과시킬 수 있다.
제1,2,3 지지체(121, 122, 123)는 반사판(110)을 지지할 강도를 구비하면서, 스탠드에 가해지는 하중을 감소시키기 위해 알루미늄 관의 조합으로 이루어질 수 있다. 반사판(110)은 제1 지지체(121)에 접합될 수 있다. 여기서, 반사판(110)은 반사율에 영향을 받지 않는 접합 방법으로 제1 지지체(121)에 접합될 수 있다. 제2 지지체(122)는 태양광열 복합모듈(101)들에 공용으로 구비되어, 태양광열 복합모듈(101)들의 반사판(110)들을 공히 지지할 수 있다.
집열용 흡수기(130)는 반사판(110)의 중심에 설치되어 반사판(110) 내에 배치된다. 집열용 흡수기(130)는 반사판(110)의 제2 개구(112)를 통해 반사판(110) 내로 삽입된 상태로 고정기구(126)에 의해 고정될 수 있다. 예컨대, 고정기구(126)는 중앙에 삽입 홀(127a)을 갖는 원통 부재가 2분할된 형태의 반원통 부재(127)들을 구비할 수 있다. 집열용 흡수기(130)의 외측 둘레가 사각 형상을 이루어지는 경우, 삽입 홀(127a)은 사각 형상으로 이루어지며, 반원통 부재(127)들은 삽입 홀(127a)의 한쪽 대각선 방향으로 2분할될 수 있다.
반원통 부재(127)들은 삽입 홀(127a)에 집열용 흡수기(130)를 삽입시킨 상태에서 서로 가깝게 이동되어 삽입 홀(127a)의 내면에 집열용 흡수기(130)의 외면을 밀착시킨 후, 볼트(128)에 의해 체결될 수 있다. 이 상태에서, 반원통 부재(127)들은 제1 지지체(121)의 원형 판(121c)에 볼트(129)에 의해 체결됨으로써, 집열용 흡수기(130)를 반사판(110)에 고정시킬 수 있다. 반원통 부재(127)들은 알루미늄 재질 등으로 이루어질 수 있다.
집열용 흡수기(130)는 축열부(160)로부터 집열매체를 공급받아 반사판(110)에서 집광된 태양광과 열교환을 통해 가열해서 축열부(160)로 배출한다. 집열용 흡수기(130)는 축열조(160a)로부터 집열매체를 내부로 유입시키는 제1 유입구(131a)와, 가열된 집열매체를 내부로부터 축열조(160a)로 배출시키는 제1 배출구(132a)가 형성된다.
예컨대, 집열용 흡수기(130)는 2중 열교환기 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 집열용 흡수기(130)는 외관 부재(131), 및 내관 부재(132)를 구비한다. 외관 부재(131)는 내부에 밀폐된 공간을 형성하되, 하단 일측에 제1 유입구(131a)가 형성된 구조로 이루어진다. 외관 부재(131)는 표면에 태양전지 셀(140)들의 부착이 용이하도록 사각형 관으로 이루어질 수 있다. 외관 부재(131)는 열전달이 용이하도록 동 재질로 이루어질 수 있고, 그 표면은 태양복사열의 흡수를 돕기 위해 검정색 계열로 도색될 수 있다.
내관 부재(132)는 내부 공간을 갖고 상,하단이 개구된 구조로 이루어진다. 내관 부재(132)는 집열매체 유동이 용이하도록 원형 관으로 이루어질 수 있다. 내관 부재(132)는 동 재질 등으로 이루어질 수 있다.
내관 부재(132)는 상단이 외관 부재(131)의 하단을 관통하여 외관 부재(131)의 내부 공간의 상부에 배치되며, 하단이 외관 부재(131)의 외부로 인출되게 배치된다. 내관 부재(132)의 하단 개구가 제1 배출구(132a)로 작용하고, 내관 부재(132)의 상단 개구가 제2 유입구(132b)로 작용한다. 여기서, 제2 유입구(132b)는 제1 유입구(131a)로 들어와 태양복사열에 의해 가열된 후 대류현상에 의해 위로 올라간 고온의 집열매체를 유입시키도록 외관 부재(131)의 내측 상단과 근접하도록 배치된다.
따라서, 집열매체가 외관 부재(131)의 제1 유입구(131a)로 들어와 태양열에 의해 가열된 후 내관 부재(132)의 제2 유입구(132b)로 빠져 나감으로써, 태양열에 의해 가열되는 집열매체가 집열용 흡수기(130) 내에서 자연순환이 이루어짐과 동시에, 고온으로 가열된 집열매체만 제2 유입구(132b)를 통해 축열조(160a)로 배출될 수 있으므로, 에너지 효율의 증대를 기대할 수 있다.
집열용 흡수기(130)의 외부는 2중 진공관(136)에 의해 밀폐될 수 있다. 2중 진공관(136)은 내외관 부위 사이가 진공 상태로 이루어져 집열용 흡수기(130)의 외부를 밀폐하도록 설치된다. 따라서, 집열용 흡수기(130)의 외부는 2중 진공관(136)에 의해 단열되므로, 대기로의 열 손실이 최소화됨으로써, 최대로 열 회수할 수 있다.
2중 진공관(136)은 상단이 막히고 하단이 개구된 구조로 이루어진다. 2중 진공관(136)은 하단 개구를 통해 집열용 흡수기(130)를 내관 부위의 내부 공간으로 삽입시킨 후, 하단 개구에 고무 패킹 등의 패킹(137)이 설치되어 집열용 흡수기(130)와의 사이를 밀폐시킬 수 있다. 2중 진공관(136)은 내관 부위의 내부 공간도 진공 상태로 밀폐될 수도 있다. 다른 예로, 단일 진공관이 집열용 흡수기(130)의 외부를 진공 상태로 밀폐할 수도 있다.
태양전지 셀(140)들은 반사판(110) 내에서 집열용 흡수기(130)의 표면에 부착되어 전기를 생산해서 축전지(170)로 공급한다. 집열용 흡수기(130)의 집광 영역이 반사판 내에서 상측으로부터 길이 방향을 따라 하측까지 고 집광부(high concentration part), 중 집광부(middle concentration part), 저 집광부(low concentration part)로 순차적으로 구분되는 경우, 태양전지 셀(140)들은 집열용 흡수기(130)의 표면에 고 집광부와 대응되게 부착되어 태양광 발전을 극대화할 수 있다.
즉, 태양전지 셀(140)들은 집열용 흡수기(130)의 표면에 부착되므로, 집열용 흡수기(130)로 유입되는 집열매체에 의해 냉각되어 고 효율의 태양광 발전을 가능하게 한다. 이와 동시에, 집열용 흡수기(130)는 태양전지 셀(140)들이 부착되지 않은 표면에 집광된 태양열을 회수한다.
태양전지 셀(140)은 가시광선 및 적외선 영역에서 태양광 발전효율이 탁월한 CPV(Concentrated Photovoltaic) 셀로 이루어질 수 있다. 태양전지 셀(140)들은 집열용 흡수기(130)의 길이 방향으로 행을 지어 배열됨과 아울러 집열용 흡수기(130)의 둘레 방향으로 열을 지어 배열될 수 있다.
집열용 흡수기(130)가 둘레 방향을 따라 4개의 측면들을 갖는 경우, 태양전지 셀(140)들은 집열용 흡수기(130)의 4개 측면마다 복수 개씩 집열용 흡수기(130)의 길이 방향을 따라 배열될 수 있다. 일 예로, 태양전지 셀(140)들은 집열용 흡수기(130)의 4개 측면마다 4개씩 총 16개로 4행 4열로 배열될 수 있다. 태양전지 셀(140)은 기판(141)에 실장된 상태로 기판(141)을 매개로 집열용 흡수기(130)의 표면에 부착될 수 있다. 여기서, 기판(141)은 열전도계수가 우수한 서머글루(thermal glue)에 의해 집열용 흡수기(130)의 표면에 부착될 수 있다.
태양추적장치(150)는 반사판(110)을 태양광을 따라 이동시킨다. 태양추적장치(150)는 태양광열 복합모듈(101)들의 반사판(110)들을 공히 이동시킬 수 있다. 태양추적장치(150)는 태양광열 복합모듈(101)들의 반사판(110)들을 공히 지지하는 제2 지지체(122)를 이동시킴으로써, 반사판(110)들을 공히 이동시킬 수 있다. 일 예로, 태양추적장치(150)는 태양추적센서(151)와, 제1 회전부재(152), 및 제2 회전부재(153)를 포함한다.
태양추적센서(151)는 2축 태양추적센서로서, 태양추적 원리는 가장 밝은 위치의 태양광을 추적하는 방식이며, 구름에 태양이 가리면 작동을 멈춘 후 태양이 나타나면 즉시 추적할 수 있고 야간에는 원위치로 복귀하는 메커니즘을 갖추고 있다. 이러한 2축 태양추적센서는 3개의 전압비교회로를 응용한 입력회로와 2개의 반도체 H-Bridge형출력 드라이브로 간단히 구성될 수 있다. 예컨대, 태양추적센서(151)는 동서남북 각각의 위치에 설치된 포토다이오드를 통해 전류의 변화를 감지하여 비교회로를 통해 전류를 출력할 수 있다.
제1 회전부재(152)는 태양추적센서(151)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 고도각 추적을 위해 반사판 지지대(120)과 반사판(110)을 상하방향으로 회전시키는 역할을 한다. 제2 회전부재(153)는 태양추적센서(151)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 방위각 추적을 위해 반사판 지지대(120)와 반사판(110)을 스탠드(154)에 대해 수평방향으로 회전시키는 역할을 한다. 태양추적장치(150)는 일사량을 측정하기 위한 일사량 센서(155)를 더 포함할 수 있다.
반사판 지지대(120)와 반사판(110)의 태양 고도각 추적을 위한 제1 회전부재(152)는 리니어 액추에이터(Linear Actuator)가 이용될 수 있으며, 태양 방위각 추적을 위한 제2 회전부재(153)는 스크류 드라이브(Slew Drive)가 이용될 수 있다. 리니어 액추에이터와 스크류 드라이브는 인버터를 거쳐 교류로 변환된 전기에 의해 구동될 수 있다. 태양추적장치(150)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 전원부와, 태양추적장치(150)를 전반적으로 제어하기 위한 컨트롤러를 포함할 수 있으며, 원격으로 제어될 수도 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 추가 반사판(146)들은 반사판(110)에 의해 집광되는 태양광을 태양전지 셀(140)들로 추가 집광시키도록 태양전지 셀(140)들의 주위에 설치될 수 있다. 추가 반사판(146)은 반사판(110)으로부터 태양전지 셀(140)의 주위에 집광되는 태양광을 태양전지 셀(140)의 표면에 추가 집광되도록 하여 집광비를 향상시킨다. 또한, 추가 반사판(146)은 태양전지 셀(140)의 기판(141)을 방열시킴으로써, 태양전지 셀(140)의 기판(141) 과열 방지로 인한 태양전지 셀(140)의 손상을 방지할 수 있게 한다.
일 예로, 추가 반사판(146)들은 태양전지 셀(140)들에 열 단위로 대응되어 배치되도록 형성될 수 있다. 추가 반사판(146)들은 집열용 흡수기(130)의 4개 측면들에 각각 대응되어 배치되도록 4개로 이루어진다. 각각의 추가 반사판(146)은 각 열의 태양전지 셀(140)들을 모두 공통되게 둘러싼 상태로 기판에 고정된다.
추가 반사판(146)은 상하 부위가 개구되고 4개 측면이 역 사다리꼴 형태로 각각 이루어질 수 있다. 즉, 추가 반사판(146)은 사각 깔때기 형태로 이루어질 수 있다. 추가 반사판(146)은 좁은 개구 부위가 태양전지 셀(140)들의 주위를 감싼 상태로 기판(141)에 고정되어, 넓은 개구 부위를 통해 태양광이 입사되게 할 수 있다. 추가 반사판(146)은 알루미늄 재질 등으로 이루어질 수 있다.
다른 예로, 도 11에 도시된 바와 같이, 추가 반사판(146')들은 태양전지 셀(140)들에 일대일 대응되어 배치되도록 형성될 수 있다. 추가 반사판(146')은 전술한 추가 반사판(146)보다 작은 크기로 이루어져 하나의 태양전지 셀(140) 주위를 둘러싼 상태로 기판(141)에 고정된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100..원추형 태양광열 복합 시스템 101.. 태양광열 복합모듈
110..반사판 120..반사판 지지대
130..집열용 흡수기 136..2중 진공관
140..태양전지 셀 146, 146'..추가 반사판
150..태양추적장치 160..축열부
160a..축열조 170..축전지
176..인버터 200..건조부
210..건조실 220..축열매체 열교환기
230..송풍기 240..축열매체 순환부
250..건조 컨트롤러

Claims (4)

  1. 태양에너지를 받아서 집열하고 전기를 생성하는 적어도 하나의 태양광열 복합모듈과, 상기 태양광열 복합모듈에 의해 가열된 집열매체를 공급받아서 축열매체와 열교환을 통해 열을 저장하는 축열부, 및 상기 태양광열 복합모듈에 의해 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지를 구비하는 원추형 태양광열 복합 시스템; 및
    상기 축열부에 저장된 열에너지를 공급받아서 열교환을 통해 피건조물을 건조시키는 건조부;를 포함하며,
    상기 태양광열 복합모듈은,
    내부로 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사판과, 상기 축열부로부터 공급받은 집열매체를 상기 반사판에서 집광된 태양광과 열교환을 통해 가열해서 상기 축열부로 배출하는 집열용 흡수기와, 상기 집열용 흡수기의 표면에 부착되어 전기를 생산해서 상기 축전지로 공급하는 태양전지 셀들과, 상기 반사판을 태양광을 따라 이동시키는 태양추적장치, 및 내외관 사이 및 내관 부위의 내부 공간이 진공 상태로 이루어져 상기 집열용 흡수기의 외부를 상기 태양전지 셀들을 부착한 상태로 밀폐하도록 설치되는 2중 진공관을 포함하며,
    상기 태양전지 셀들은 상기 반사판 내에서 상측으로부터 상기 집열용 흡수기의 길이 방향을 따라 하측까지 고 집광부, 중 집광부, 저 집광부로 순차적으로 구분된 집열용 흡수기의 집광 영역에서 고 집광부와 대응되게 부착되며;
    상기 2중 진공관은 상단이 막히고 하단이 개구된 구조로 이루어져 하단 개구를 통해 상기 집열용 흡수기를 내관 부위의 내부 공간으로 삽입시킨 상태에서 하단 개구에 설치되는 패킹에 의해 상기 집열용 흡수기와의 사이를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 건조설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양광열 복합모듈은,
    상기 반사판에 의해 집광되는 태양광을 상기 태양전지 셀들로 추가 집광시키도록 상기 태양전지 셀들의 주위에 설치되는 추가 반사판들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 건조설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 건조부는,
    피건조물을 수용하는 건조실과, 상기 건조실 내의 공기를 상기 축열부로부터 공급되는 축열매체와 열교환을 통해 가열하는 건조실용 열교환기와, 상기 건조실용 열교환기에 의해 가열된 공기를 상기 건조실 내에 분산시키는 송풍기, 및 상기 축열부와 건조실용 열교환기 간에 축열매체를 순환시키는 축열매체 순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 건조설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 건조부는,
    상기 축열부의 축열매체가 설정 온도에 도달한 것으로 판단되면 상기 축열매체 순환부를 구동시켜 축열매체를 상기 건조실용 열교환기에 대해 순환시킨 후, 상기 건조실 내의 건조 온도가 목표치에 도달한 것으로 판단되면 상기 축열매체 순환부의 구동을 정지시키는 건조 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 건조설비.
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