KR102149442B1 - Co2 레이저를 위한 태양열 발전기 - Google Patents

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Abstract

CO2 레이저를 위한 태양열 발전기가 개시된다. 본 발명의 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기는, 흡착제가 장착된 복수의 열교환기에 고열원으로서 폐유와 저열원으로서 냉각수를 교대로 공급하여, 흡착제에 냉매가 흡착 및 분리를 반복하면서 흡착 및 재생 공정이 교대로 이루어지는 흡착식 냉동유닛; 흡착식 냉동유닛에 공급되는 상기 폐유를 가열하고, 가열된 폐유를 열원으로 발전하는 메인 축열발전유닛; 메인 축열발전유닛과 흡착식 냉동유닛을 상호 연결하여 폐유가 이동하는 오일배관 상에 장착되고, 메인 축열발전유닛으로부터 받아들인 폐유의 열에너지를 축적하는 보조 축열유닛; 및 메인 축열발전유닛 및 흡착식 냉동유닛의 가동을 제어하며, 메인 축열발전유닛으로 생성된 전기에너지를 저장하고 분배하는 제어유닛;을 포함한다.

Description

CO2 레이저를 위한 태양열 발전기{Generator using solar energy for CO2 Laser}
본 발명은 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양열 반사판으로부터 획득된 열을 이용하여 CO2 레이저의 발전을 통합적으로 구현하는, CO2 레이저를 위한 태양열 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 CO2 레이저는 현존하는 레이저 중에서 전력 소모 효율이 가장 높은 레이저이다. 이러한 CO2 레이저는 종래의 다른 레이저와 달리 높은 효율로 전기적 에너지를 레이저 빔 복사 에너지로 전환할 수 있으며, 매우 안정된 동작 성능을 나타내므로 연속적으로 수십 kW의 고출력 특성을 가지는 레이저 빔을 방출할 수 있다.
따라서, CO2 레이저는 각종 산업 분야에서 광범위하게 활용되며, 특히 재료 가공용, 의료용 등으로 많이 사용되고 있다.
이러한 CO2 레이저의 발진을 위해서는 고전압의 전력이 필요하다.
그런데 종래 기술에 있어서는, CO2 레이저를 위한 높은 효율의 태양열 발전기가 없으므로, 이에 대한 기술이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CO2 레이저를 위한 높은 효율의 발전을 구현하고 이를 제어할 수 있는, CO2 레이저를 위한 태양열 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 흡착제가 장착된 복수의 열교환기에 고열원으로서 폐유와 저열원으로서 냉각수를 교대로 공급하여, 상기 흡착제에 냉매가 흡착 및 분리를 반복하면서 흡착 및 재생 공정이 교대로 이루어지는 흡착식 냉동유닛; 상기 흡착식 냉동유닛에 공급되는 상기 폐유를 가열하고, 상기 가열된 폐유를 열원으로 발전하는 메인 축열발전유닛; 상기 메인 축열발전유닛과 상기 흡착식 냉동유닛을 상호 연결하여 상기 폐유가 이동하는 오일배관 상에 장착되고, 상기 메인 축열발전유닛으로부터 받아들인 상기 폐유의 열에너지를 축적하는 보조 축열유닛; 및 상기 메인 축열발전유닛 및 상기 흡착식 냉동유닛의 가동을 제어하며, 상기 메인 축열발전유닛으로 생성된 전기에너지를 저장하고 분배하는 제어유닛;을 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기가 제공될 수 있다.
상기 흡착식 냉동유닛은, 내부면에 흡착제가 마련된 복수의 열교환기의 각각에 상기 메인 축열발전유닛으로부터 가열된 폐유 또는 냉각수가 이동하는 열교환 배관이 통과하는 열교환 어셈블리; 상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기 중 재생 공정이 일어나는 열교환기로부터 분리되어 이동하는 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 열교환기 및 상기 응축기와 연결되며, 상기 열교환기 중 흡착 공정이 일어나는 열교환기측으로 증발된 냉매를 이동시켜 냉매의 증발을 촉진시키는 증발기; 및 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되어 상기 열교환기 각각에 폐유와 냉각수를 선택적으로 공급되도록 상기 열교환 배관을 개폐하는 밸브 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 메인 축열발전유닛은, 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되어 구동력을 전달받아 태양의 궤적을 따라 좌·우 및 상·하로 구동하며 태양열을 받아들이는 집열 어셈블리; 및 상기 집열 어셈블리에 장착되어 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되며, 외부에 상기 폐유가 이동하는 오일배관이 권취되고, 상기 집열 어셈블리로 받아들인 태양열로 가열된 폐유의 열에너지에 의하여 발전하는 발전 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 발전 어셈블리는, 상기 집열 어셈블리에 장착되어 일체를 이루며, 상기 집열 어셈블리의 회동에 연동하는 제2 지지체; 상기 제2 지지체에 장착되며 외주면에 상기 폐유가 이동하는 오일배관이 권취되어 가열된 폐유의 열에너지를 받아들이는 공간이 구비된 수열탱크를 포함하고, 상기 수열탱크 내의 가열된 공기로부터 공급받은 열에너지로써 왕복 운동하는 스터링(Stirling) 엔진; 및 상기 수열탱크의 외면에 권취된 상기 오일배관을 수용하며, 집열되는 태양열을 상기 수열탱크에 집중시키는 집열체를 포함할 수 있다.
상기 발전 어셈블리는, 상기 스터링 엔진과 상기 제어유닛 사이에 장착되어 스터링 엔진의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 운동 인코더; 및 상기 집열 어셈블리와 상기 제어유닛 사이에 장착되어 상기 집열 어셈블리의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열 인코더를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 축열유닛은, 상기 폐유가 이동하는 오일배관 상에 장착되어 상기 폐유로부터 열에너지를 축적하는 오일탱크; 상기 오일탱크와 CO2 레이저 내부를 순환하는 순환배관이 마련되고 물이 저장되는 온수탱크; 및 상기 순환배관 상에 장착되어 상기 제어유닛으로 제어되며 상기 순환배관의 물을 가열하는 보일러를 포함 할 수 있다.
상기 오일탱크 및 상기 온수탱크에는 각각 온도센서가 더 구비되어 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되며, 상기 온도센서가 감지한 온도가 상기 제어유닛에 설정된 온도값 이하로 내려가면 상기 제어유닛은 상기 보일러를 가동시킬 수 있다.
상기 제어유닛은, 상기 흡착식 냉동유닛과 상기 보일러와 상기 메인 축열발전유닛의 가동을 제어하는 메인 컨트롤러; 및 상기 메인 컨트롤러와 전기적으로 연결되고, 상기 메인 축열발전유닛의 운동에너지 및 태양열 에너지로부터 생산된 전력을 전기에너지로 축적하여 상기 전기에너지를 필요량만큼 CO2 레이저로 공급하는 전력 관리부를 포함할 수 있다.
상기 전력 관리부는, 상기 메인 축열발전유닛으로부터 생산된 전기에너지를 저장하는 축전지; 상기 보일러 및 CO2 레이저 내에 설치되는 전기기기의 대기전력을 차단하는 대기전력차단기; 및 상기 축전지로부터 필요량만큼의 전력을 CO2 레이저로 공급시키는 지능형 분전반을 포함할 수 있다.
상기 전력 관리부는, 상기 축전지와 상기 지능형 분전반 사이에 장착되어 상기 축전지에 축적되는 전기 에너지의 량과 상기 CO2 레이저의 전력 사용량을 비교하는 비교검출기; 및 상기 비교검출기와 전기적으로 연결되고, 상기 CO2 레이저에 전력 사용을 위하여 공급된 전기 에너지보다 상기 메인 축열발전유닛으로 생산된 전기에너지의 량이 많으면 여분의 전기에너지를 전력회사에 전송하는 여유전력 송전기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
메인 축열발전유닛은 태양 에너지의 축적을 위하여 태양의 이동 궤적을 따라 회전하면서 태양열의 수득율을 최대한 높였으며, 받아들인 태양열로 왕복운동하는 스터링 엔진의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하고 전기 에너지를 축적함으로써 집열 효율을 기존 대비 20% 이상 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 메인 축열발전유닛은 12시간 이상 소망하는 온도를 지속적으로 유지할 수 있으며, 일몰 후에도 축열된 태양 에너지를 이용하여 6시간 이상 발전이 가능하다.
그리고, 본 발명은 메인 축열발전유닛에 폐유를 순환시킴으로써 기존의 장치에서 축열을 위해 사용되는 물이 여름철에 과열로 인하여 증발되고, 배관이 열화되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 흡착식 냉동유닛의 작동 상태를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 메인 축열발전유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 보조 축열유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 제어유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기는 CO2 레이저의 냉각을 실시하기 위한 흡착식 냉동유닛(100)과, 흡착식 냉동유닛(100)에 고온측의 열원을 제공하면서 발전하는 메인 축열발전유닛(200)과, 메인 축열발전유닛(200)과 흡착식 냉동유닛(100)을 연결하며 CO2 레이저의 가열을 실시하는 보조 축열유닛(300)과, 이들을 동작을 제어하는 제어유닛(500)을 포함한다.
흡착식 냉동유닛(100)은 흡착제가 장착된 복수의 열교환기(101, 102)에 교대로 폐유(400) 또는 냉각수(700)를 공급하여 흡착제에 냉매가 흡착 및 분리를 반복하면서 흡착 및 재생 공정이 교대로 이루어지는 사이클을 형성하게 된다.
본 실시예에서는 열교환기(101, 102)가 한 쌍이 장착된 것으로 도시되어 있으나, 이에 국한되지 않고 냉각 효율을 높이기 위해 열교환기를 복수 쌍으로 구비하여 단계적으로 흡착 공정 및 재생 공정을 실시하도록 할 수도 있음은 물론이다.
흡착식 냉동유닛(100)을 이용한 냉각은 팬(190)을 이용하여 대기를 흡착식 냉동유닛(100) 내부로 강제 흡입시켜 냉각된 공기를 다시 CO2 레이저(800)로 투입하는 방식으로 냉각 효과를 구현할 수 있도록 하고 있다.
여기서, 열교환기(101, 102)는 열교환 면적을 증대시키고 냉매의 유동을 지체시켜 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록 통상의 핀-튜브(fin-tube) 형태, 즉 사행(蛇行) 형상으로 굴곡시킨 튜브의 외면에 표면을 엠보싱 처리 등의 방법으로 전열면적을 증대시킨 핀이 장착된 구조를 적용하는 것이 바람직하다.
흡착제는 전술한 바와 같은 형상과 구조인 열교환기(101, 102)의 핀과 튜브의 외면에 전체적으로 장착되도록 하여 냉매가 흡착 또는 분리되기 용이하도록 하는 물질로서, 통상 실리카겔, 제오라이트, 활성탄 등 다공질의 재료가 사용될 수 있다.
냉매는 일반적인 물을 사용할 수 있어 기존의 프레온계 냉매와 같이 환경오염의 문제가 발생되지 않는다.
한편, 메인 축열발전유닛(200)은 흡착식 냉동유닛(100)에 고열원으로서 폐유(400)를 가열하여 공급하도록 경사각의 조절이 가능하게 태양의 이동궤적을 따라 상·하 및 좌·우로 회동하며 집열하고, 가열된 폐유(400)를 열원으로 왕복동하면서 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 수행하게 된다.
보조 축열유닛(300)은 흡착식 냉동유닛(100)과 메인 축열발전유닛(200)을 상호 연결하여 폐유(400)가 이동하는 오일배관(600) 상에 장착되고, 주간에는 메인 축열발전유닛(200)으로부터 받아들인 폐유(400)의 열에너지를 축적하는 역할을 하게 된다.
여기서, 메인 축열발전유닛(200)으로 축열되는 태양열의 온도는 섭씨 수백도, 통상 400~1400℃의 고온이므로, 전술한 고온의 온도가 일반적으로 12시간 이상 지속되며, 일몰 후에도 6시간 이상 축열된 에너지를 이용하여 발전이 가능하다.
한편, 제어유닛(500)은 메인 축열발전유닛(200)과 보조 축열유닛(300)과 흡착식 냉동유닛(100)의 가동을 제어하며, 메인 축열발전유닛(200)으로 생성된 전기에너지를 저장하고 분배하는 역할을 수행하게 된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기를 구성하는 각 유닛의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 흡착식 냉동유닛의 작동 상태를 나타낸 개념도이다.
흡착식 냉동유닛(100)은 전술한 바와 같이 흡착제에 냉매가 흡착 및 분리를 반복하면서 흡착 및 재생공정을 교대 실시하여 냉각 또는 냉동효과를 구현하는 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 흡착식 냉동유닛(100)은, 열교환 어셈블리(110)와, 응축기(120)와, 증발기(130)와, 밸브 어셈블리(140)를 포함한다.
열교환 어셈블리(110)는 내부면에 흡착제가 마련된 복수의 열교환기(101, 102) 각각에 냉각수(700) 또는 메인 축열발전유닛(200)으로부터 가열된 폐유(400)가 이동하는 열교환 배관(103, 104)이 통과하는 것이다.
여기서, 제1 열교환기(101)와 제2 열교환기(102)에 기재된 (A) 및 (R)은 각각 흡착 공정 및 재생 공정이 진행 중임을 나타낸다.
응축기(120)는 제1, 2 열교환기(101, 102)와 연결되며, 제1 , 2 열교환기(101, 102) 중 도 2를 기준으로 재생 공정이 일어나는 제2 열교환기(102)로부터 분리되어 이동하는 냉매를 응축시키는 것이다.
응축기(120)는 냉각수(700)가 공급되며 제1 열교환기(101)와는 제1 밸브(151)로, 제2 열교환기(102)와는 제3 밸브(153)로 상호 연결되고, 제1, 3 밸브(151, 153)를 통해서는 제1, 2 열교환기(101, 102) 표면에 흡착된 냉매가 분리되어 이동하게 된다.
증발기(130)는 제1, 2 열교환기(101, 102) 및 응축기(120)와 연결된다. 제1 열교환기(101)와는 제2 밸브(152)로, 제2 열교환기(102)와는 제 4밸브(154)로 상호 연결되고, 제2, 4 밸브(152, 154)를 통해서는 흡착공정이 진행되는 제1 열교환기(101) 또는 제2 열교환기(102) 측으로 증발기(130)의 냉매가 이동하여 흡착된다.
증발기(130)에서 냉매가 계속 증발하면 수증기 분압의 상승으로 냉매는 더 이상 증발하지 않게 된다. 도 2를 기준으로 흡착공정이 진행되는 열교환기(101)는 증발기(130)에서 증발되는 냉매 증기를 계속 흡착시킴으로써 증발기(130)에서 연속적으로 증발이 일어나 냉동작용을 할 수 있도록 하는 것이다.
여기서, 제1, 2, 3, 4 밸브(151, 152, 153, 154)는 후술할 제어유닛(500)에 의하여 자동적으로 개폐조작되며, 흡착 및 재생 공정이 일어나는 시간에 맞추어 주기적으로 개폐가 반복되도록 설정할 수 있다.
이때, 흡착식 냉동유닛(100)의 냉매 순환은 진공상태에서 이루어지는 것이 바람직하므로, 흡착식 냉동유닛(100)을 구성하는 열교환 어셈블리(110)와 응축기(120) 및 증발기(130) 상호 간으로 이루어지는 사이클에는 진공펌프(180)를 장착하여 진공상태가 유지되도록 할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 증발기(130)를 통한 CO2 레이저(800, 도 1 참조) 내로의 냉풍 공급은 팬(190)을 통하여 이루어진다. 팬(190)은 공기를 강제 흡입하여 증발기(130)를 통과시키고, 증발기(130)를 통과하면서 냉각된 공기는 CO2 레이저(800)로 공급되어 냉각을 구현할 수 있게 된다.
밸브 어셈블리(140)는 제어유닛(500)과 전기적으로 연결되어 열교환기(101, 102) 각각에 폐유(400)와 냉각수(700)가 선택적으로 공급되도록 제1, 2 열교환 배관(103, 104)을 개폐한다. 밸브는 폐유(400)와 냉각수(700)의 선택적인 공급이 가능하도록 삼방밸브의 구조를 채택하는 것이 바람직하다.
밸브 어셈블리(140)는 후술할 보조 축열유닛(300)의 오일탱크(310)로부터 폐유(400)가 공급되는 공급측 및 환원측 오일배관(600)에 각각 장착되어 각각 1, 제2 열교환기(101, 102)에 선택적으로 페유(400)를 공급하는 제1, 2 삼방밸브(141, 142)를 포함한다.
그리고 밸브 어셈블리(140)는 제1, 2 삼방밸브(141, 142)와 제1 열교환기(101)를 상호 연결하는 오일배관(600)과 제1 열교환 배관(103)의 연결부위에 각각 장착되는 제3, 4 삼방밸브(143, 144)를 포함한다.
여기서, 제3 삼방밸브(143)는 제1 열교환 배관(103) 중 공급측(→ 방향)에 장착되고, 제4 삼방밸브(144)는 제1 열교환 배관(103) 중 배출측(← 방향)에 장착된다.
그리고, 밸브 어셈블리(140)는 제1, 2삼방밸브(141, 142)와 제2 열교환기(102)를 상호 연결하는 오일배관(600)과 제2 열교환 배관(104)의 연결부위에 각각 장착되는 제5, 6 삼방밸브(145, 146)를 포함한다.
여기서, 제5 삼방밸브(145)는 제2 열교환 배관(104) 중 배출측(→ 방향)에 장착되고, 제6 삼방밸브(146)는 제2 열교환 배관(104) 중 공급측(← 방향)에 장착된다.
이때, 제1, 2, 3, 4, 5, 6 삼방밸브(141, 142, 143, 144, 145, 146)는 제1, 2, 3, 4 밸브(151, 152, 153, 154)와 함께 후술할 제어유닛(150)에 의하여 개폐 조작이 자동적으로 조절된다.
이하, 도 2 및 도 3을 참고로, 흡착식 냉동유닛(100)의 작동 과정을 살펴본다.
참고로, 도면에서 오일배관(600) 중 실선으로 표시된 부분은 유로가 개방되어 현재 유체가 이동하고 있는 것을, 점선으로 표시된 부분은 유로가 차단되어 현재 유체가 이동하지 않는 것을 각각 나타낸다.
또한, 제1, 2, 3, 4, 5, 6 삼방밸브(141, 142, 143, 144, 145, 146)에서 '▶', '◀', '▼' 또는 '▲'로 진하게 표시된 부분은 현재 유로가 차단된 상태임을 나타낸다.
우선, 도 2와 같이 제1 열교환기(101)에서 흡작공정(A)이 진행되고 제2 열교환기에서 재생공정(R)이 진행되는 과정을 살펴본다.
폐유(400)는 메인 축열발전유닛(200)으로부터 가열되어 오일탱크(310)에 저장되고, 오일탱크(310)으로부터 공급되는 폐유(400)는 오일배관(600)으로부터 제1 삼방밸브(141) 및 제6 삼방밸브(146)를 거쳐 제2 열교환 배관(104)의 공급측을 통해 제2 열교환기(102)로 공급되며, 제2 열교환기(102)는 가열된 폐유(400)에 의하여 재생공정(R)이 이루어져 제2 열교환기(102) 표면에 흡착된 냉매가 분리되어 증기 상태로 응축기(120) 측으로 이동한다.
이때, 제3 밸브(153)는 개방되며, 제2 열교환기(102)에 공급된 폐유(400)는 제2 열교환 배관(104)의 배출측을 통해 제5 삼방밸브(145) 및 제2 삼방밸브(142)를 거쳐 오일배관(600)의 환원측을 통해 후술할 보조 축열유닛(300)으로 환원된다.
이와 동시에 외부로부터 공급되는 냉각수(700)는 제3 삼방밸브(143)를 거쳐 제1 열교환 배관(103)의 공급측을 통해 제1 열교환기(101)에 공급되며, 제1 열교환기(101)는 공급된 냉각수(700)에 의하여 흡착공정(A)이 이루어져 제1 교환기(101) 표면에 냉매가 흡착되고, 증발기(130)와 제1 열교환기(101)는 제2 밸브(152)의 개방으로 상호 연통된다.
이때, 제1 열교환기(101)에 공급된 냉각수(700)는 제1 열교환 배관(103)의 배출측을 통해 제4 삼방밸브(144)를 거쳐 배출되며, 제4 삼방밸브(144)의 배출측에는 제1 열교환기(101)가 이후 수행할 재생공정(R)시 유동하는 폐유(400)가 혼재되어 배출되지 않도록 유수분리기(160)가 장착될 수 있다.
다음으로, 도 3에서 도시된 바와 같이 제1 열교환기(101)에서 재생공정(R)이 진행되고, 제2 열교환기에서 흡착공정(A)이 진행되는 과정을 살펴본다.
폐유(400)는 오일배관(600)으로부터 제1 삼방밸브(141) 및 제3 삼방밸브(143)를 거쳐 제1 열교환 배관(103)의 공급측을 통해 제1 열교환기(101)로 공급되며, 제1 열교환기(101)는 가열된 폐유(400)에 의하여 재생공정(R)이 이루어져 제1 열교환기(101) 표면에 흡착된 냉매가 분리되어 증기상태로 응축기(120)측으로 이동한다.
이때, 제1 밸브(151)는 개방되며, 제1 열교환기(101)에 공급된 폐유(400)는 제1 열교환 배관(103)의 배출측을 통해 제4 삼방밸브(143) 및 제2 삼방밸브(142)를 거쳐 오일배관(600)의 환원측을 통해 후술할 보조 축열유닛(300)으로 환원된다.
이와 동시에 외부로부터 공급되는 냉각수(700)는 제6 삼방밸브(146)를 거쳐 제2 열교환 배관(104)의 공급측을 통해 제2 열교환기(102)에 공급되며, 제2 열교환기(102)는 공급된 냉각수(700)에 의하여 흡착공정(A)이 이루어져 제2 교환기(102) 표면에 냉매가 흡착되고, 증발기(130)와 제2 열교환기(101)는 제4 밸브(154)의 개방으로 상호 연통된다.
이때, 제2 열교환기(102)에 공급된 냉각수(700)는 제2 열교환 배관(104)의 배출측을 통해 제5 삼방밸브(145)를 거쳐 배출되며, 제5 삼방밸브(145)의 배출측에는 제2 열교환기(102)가 이전에 수행한 재생 공정(R)시 유동한 폐유(400)가 혼재되어 배출되지 않도록 유수분리기(160)가 장착되는 것이 바람직하다.
흡착식 냉동유닛(100)은 이상과 같이 제1, 2 열교환기(101, 102)가 흡착 공정(A) 및 재생 공정(R)을 교대로 반복하면서 폐유(400)와 같은 고온측 열원과 냉각수(700)와 같은 저온측 열원 상호간의 열교환으로 냉각 또는 냉동 효과를 달성할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 메인 축열발전유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
이를 참조하면, 메인 축열발전유닛(200)은 전술한 바와 같이 태양열을 집열하고 흡착식 냉동유닛(100)의 고온측 열원으로써 폐유(400)를 가열하여 공급하는 것으로, 집열 어셈블리(210)와 발전 어셈블리(220)를 포함한다.
집열 어셈블리(210)는 태양열을 받아들이는 것으로, 지면에 고정되는 제1 지지체(212)와, 제1 지지체(212)와 회전 가능하게 결합하는 회전판(201)과, 회전판(201)을 좌·우로 회전시키기 위한 제1 구동모터(214)와, 집열보울(216)과, 집열보울(216)을 상·하로 회전시켜 경사각을 조절하는 제2 구동모터(218)를 포함한다.
제1 구동모터(214)는 제어유닛(500)과 전기적으로 연결되며, 제1 지지체(212)에 장착되어 구동축의 단부와 회전판(201)을 상호 연결하여 제어유닛(500)으로부터의 구동력을 회전판(201)에 전달하게 된다. 제1 구동모터(214)의 구동에 의해 집열보울(216)은 태양의 궤적에 따라 회전하며 방향을 바꾸게 된다.
집열보울(216)은 회전판(201)으로부터 돌출된 지지 프레임(202)의 단부에 회동 가능하게 힌지결합되어 태양열을 집열하며, 중앙에 발전 어셈블리(220)가 장착된다. 집열보울(216)은 태양광을 최대한 받아들여 태양열을 최대한 집열할 수 있는 형상이면 도시된 사발 형상 이외에도 어떤 것이든 가능하며, 필요한 축열량에 따라 그 개수를 달리할 수 있다.
제2 구동모터(218)는 지지 프레임(202)의 단부에 장착되며, 구동축이 집열보울(216)과 지지 프레임(202)의 힌지 결합부에 연결되어 제어유닛(500)으로부터의 구동력을 집열보울(216)에 전달한다. 제2 구동모터(218)의 구동에 의해 집열보울(216)은 태양의 고도에 맞추어 상하로 회동하며 경사각을 바꾸게 된다.
즉, 제1 구동모터(214)는 태양의 이동 궤적에 따라 회전판(201)을 천천히 좌·우로 회전시키며, 제2 구동모터(218)는 태양의 고도에 따라 집열보울(216)을 천천히 상·하로 회전시키는 것이다. 이와 같이 메인 축열발전유닛(200)은 2축 추적 방식을 채용하여 태양의 이동궤적을 따라 집열함으로써 집열 효율을 최대화할 수 있다.
그리고 특별히 도시되어 있지는 않으나 태양의 궤적에 따라 제1 구동모터(214)와 제2 구동모터(218)의 회전량을 컨트롤할 수 있도록 태양광 추적을 위한 광센서(미도시)와 감속기(미도시)가 집열 어셈블리(210) 내에 장착될 수 있다.
여기서 광센서는 집열보울(216)에 노출되는 태양광의 세기를 감지하여 후술할 보조 축열유닛(300)의 가동 여부를 판단할 수 있도록 하는 신호를 제어유닛(500)에 전달하게 된다.
한편, 발전 어셈블리(220)는 집열보울(216)의 중심부에 장착되어 제어유닛(500)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 계속하여 참조하면, 발전 어셈블리(220)는, 제2 지지체(222)와, 스터링(Stirling) 엔진(224)과, 집열체(226)를 포함한다.
제2 지지체(222)는 집열 어셈블리(210)의 집열보울(216) 중앙부 또는 집열보울(216)의 일측으로부터 중앙부로 연장되도록 장착되며, 집열보울(210)의 회동에 연동한다.
스터링 엔진(224)은 제2 지지체(222)에 고정된다. 스터링 엔진(224)은 닫힌 공간안의 가스를 서로 다른 온도에서 압축 또는 팽창시켜 열에너지를 운동에너지로 변환하는 장치로서, 최근 에너지 절약과 대체 에너지의 개발이 중시되면서 주목받고 있는 장치이다.
스터링 엔진(224)의 원리를 간략히 설명하면, 수열탱크(223) 내를 왕복하는 피스톤이 구비되고, 피스톤으로부터 돌출된 로드의 단부가 크랭크축으로 연결되어 수열탱크(223) 내부의 온도와 외부의 온도가 약간이라도 차이가 발생하게 되면 피스톤이 왕복하는 것을 이용한 것이다.
스터링 엔진(224)은 발전을 위하여 가열된 폐유(400)의 열에너지를 받아들이는 공간이 구비된 수열탱크(223)를 포함한다. 수열탱크(223) 내의 가열된 공기로부터 공급받은 열에너지를 이용하여 발전하게 된다.
수열탱크(223)의 외면에는 폐유(400)가 이동하는 오일배관(600)이 권취되어 폐유(400)가 가열된다.
집열체(226)는 수열탱크(223)의 외면에 권취된 오일배관(600) 수용하며 집열 어셈블리(210)로부터 태양열 에너지를 수열탱크(223)의 외면에 집중시키는 역할을 하는 것으로, 수열탱크(223) 보다 열전도율이 높은 재질로 이루어지도록 한다.
여기서, 발전 어셈블리(220)는 스터링 엔진(224)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 운동 인코더(230)와, 집열보울(216)로부터 집열된 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열 인코더(240)를 더 구비할 수 있다.
즉, 운동 인코더(230)는 스터링 엔진(224)과 제어유닛(500) 사이에 장착되어 상호 전기적으로 연결되어 스터링 엔진(224)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 수행한다.
또한, 열 인코더(240)는 집열 어셈블리(210), 집열보울(216)과 제어유닛(500) 사이에 장착되어 상호 전기적으로 연결되어 집열 어셈블리(210)의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 보조 축열유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
이를 참조하면, 보조 축열유닛(300)은, 오일탱크(310)와, 온수탱크(320)와, 보일러(330)를 포함한다. 전술한 바와 같이 보조 축열유닛(300)은 메인 축열발전유닛(200)으로 가열된 폐유(400)로부터 열에너지를 축적하는 역할을 하는 것이다.
오일탱크(310)는 폐유(400)가 이동하는 오일배관(600) 상에 장착되어 폐유(400)를 저장하는 공간이 마련된다. 태양열에 의해 가열된 폐유(400)의 열 에너지는 오일탱크(310)에 축적된다.
온수탱크(320)는 오일탱크(310)와 CO2 레이저(800) 내부를 순환하는 순환배관(321)이 마련되고 물이 저장되는 공간이 마련된다. 순환배관(321)은 CO2 레이저(800) 내부로 연결되어 CO2 레이저(800)의 가열에 활용될 수 있다.
보일러(330)는 순환배관(321) 상에 장착되어 제어유닛(500)으로 제어되며 순환배관(321)의 물을 가열하게 된다. 보일러(330)가 가동되는 시기는 오일탱크(310)와 온수탱크(320)의 온도가 제어유닛(500)에 설정된 온도값 이하로 내려가 온수탱크(320)로부터 가열에 필요한 온수를 CO2 레이저(800) 부근으로 공급할 수 없을 때이다. 이러한 경우 보조적으로 보일러(330)가 가동되어 순환배관(321)의 물을 가열하여 CO2 레이저(800)의 가열을 행하게 된다. 따라서 보일러(330)는 장시간 일조량이 적어 오일탱크(310)와 온수탱크(320)를 이용한 가열이 어려운 시간에 보조적으로 CO2 레이저를 가열하는 역할을 하게 된다.
이를 위해서 오일탱크(310) 및 온수탱크(320)에는 각각 온도센서(미도시)가 더 구비되어 제어유닛(500)과 전기적으로 연결되며, 온도센서가 감지한 온도가 제어유닛(500)에 설정된 온도값 범위를 벗어나고, 가열이 필요한 경우 제어유닛(500)은 보일러(330)의 가동을 선택적으로 실시할 수 있다.
통상, 보일러(330)는 동절기와 장마철 등 태양광의 수광율이 저조한 시기에는 일몰 후 6시간이 경과한 후 또는 심야시간 등 3~4시간 정도만 가동시켜도 되는 것을 실험으로 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기의 주요부인 제어유닛의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, 제어유닛(500)은, 흡착식 냉동유닛(100)과 메인 축열발전유닛(200) 및 보조 축열유닛(300)의 가동 등을 제어하는 것으로, 메인 컨트롤러(510)와 전력 관리부(520)를 포함한다.
메인 컨트롤러(510)는 냉각을 위한 흡착식 냉동유닛(100)과 가열을 위한 보조 축열유닛(300)의 가동을 실시하고, 메인 축열발전유닛(200)의 가동을 제어하게 된다.
전력 관리부(520)는 메인 컨트롤러(510)와 전기적으로 연결되고, 메인 축열발전유닛(200)의 운동에너지 및 태양열 에너지로부터 생산된 전력을 전기에너지로 축적하여 전기에너지를 필요량만큼 CO2 레이저(800)로 공급하는 것으로, 축전지(522)와, 대기전력차단기(524)와, 지능형 분전반(526)을 포함한다.
축전지(522)는 메인 축열발전유닛(200)으로부터 생산된 전기에너지를 저장하는 것으로, 운동 인코더(230)로부터 변환된 전기에너지와, 열 인코더(240)로부터 변환된 전기에너지가 축적되는 것이다.
대기전력차단기(524)는 최근 각광받고 있는 대기전력차단시스템(Home Energy Management System, HEMS)에서 채용된 것으로, 보일러(330) 및 CO2 레이저(800) 내의 각종 전기기기의 사용상태를 모니터링하여 대기전력을 차단하고, 후술되는 지능형 분전반(526)과도 연결될 수 있다.
이로써 대기전력차단기(524)는 축전지(522)로부터 전력을 공급받는 보일러(330) 및 전기기기의 불필요한 대기전력을 차단하여 소요되는 에너지를 최소화할 수 있게 된다.
한편, 지능형 분전반(526)은 축전지(522) 및 메인 컨트롤러(510)와 전기적으로 연결되며, 축전지(522)로부터 필요량만큼의 전력을 CO2 레이저(800)로 공급시키는 역할을 하게 된다. 이를 위해 지능형 분전반(526)은 이에 연결된 각 단자별 일일 평균 소비전력을 산출하고, 소비 전력량에 따라 전력을 공급하도록 설정될 수 있다.
여기서, 전력 관리부(520)는 생산된 전력 중 CO2 레이저(800)의 냉각, 가열 및 조명 등에 사용하고 남은 부분이 있으면 전력회사(580)에 판매할 수 있도록 비교검출기(530)와 여유전력 송전기(540)를 더 포함할 수 있다.
비교검출기(530)는 축전지(522)와 지능형 분전반(526) 사이에 장착되어 축전지(522)에 축적되는 전기 에너지의 량과 CO2 레이저(800)의 전력 사용량을 비교하는 역할을 하게 된다.
여유전력 송전기(540)는 비교검출기(530)와 전기적으로 연결되고, CO2 레이저(800)에 전력 사용을 위하여 공급된 전기 에너지보다 메인 축열발전유닛(200)으로 생산된 전기에너지의 량이 많으면, 여분의 전기에너지를 전력회사(580)에 전송하게 된다.
이상과 같이 본 발명은 화석 연료의 사용을 최소화하면서 높은 효율의 발전을 통합적으로 구현하고, 이를 제어할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 흡착식 냉동유닛 101 : 제1 열교환기
102 : 제2 열교환기 103 : 제1 열교환 배관
104 : 제2 열교환 배관 110 : 열교환 어셈블리
120 : 응축기 130 : 증발기
140 : 밸브 어셈블리 141~146 : 제1~제6 삼방밸브
151~154 : 제1~제4 밸브 160 : 유수분리기
180 : 진공펌프 190 : 팬
200 : 메인 축열발전유닛 201 : 회전판
202 : 지지 프레임 210 : 집열 어셈블리
212 : 제1 지지체 214 : 제1 구동모터
216 : 집열보울 218 : 제2 구동모터
220 : 발전 어셈블리 222 : 제2 지지체
223 : 수열탱크 224 : 스터링 엔진
226 : 집열체 230 : 운동 인코더
240 : 열 인코더 300 : 보조 축열유닛
310 : 오일탱크 320 : 온수탱크
321 : 순환배관 330 : 보일러
400 : 폐유 500 : 제어유닛
510 : 메인 컨트롤러 520 : 전력 관리부
522 : 축전지 524 : 대기전력차단기
526 : 지능형 분전반 530 : 비교검출기
540 : 여유전력 송전기 580 : 전력회사
600 : 오일배관 700 : 냉각수
800 : CO2 레이저

Claims (10)

  1. 흡착제가 장착된 복수의 열교환기에 고열원으로서 폐유와 저열원으로서 냉각수를 교대로 공급하여, 상기 흡착제에 냉매가 흡착 및 분리를 반복하면서 흡착 및 재생 공정이 교대로 이루어지는 흡착식 냉동유닛;
    상기 흡착식 냉동유닛에 공급되는 상기 폐유를 가열하고, 상기 가열된 폐유를 열원으로 발전하는 메인 축열발전유닛;
    상기 메인 축열발전유닛과 상기 흡착식 냉동유닛을 상호 연결하여 상기 폐유가 이동하는 오일배관 상에 장착되고, 상기 메인 축열발전유닛으로부터 받아들인 상기 폐유의 열에너지를 축적하는 보조 축열유닛; 및
    상기 메인 축열발전유닛 및 상기 흡착식 냉동유닛의 가동을 제어하며, 상기 메인 축열발전유닛으로 생성된 전기에너지를 저장하고 분배하는 제어유닛;을 포함하며,
    상기 보조 축열유닛은,
    상기 폐유가 이동하는 오일배관 상에 장착되어 상기 폐유로부터 열에너지를 축적하는 오일탱크;
    상기 오일탱크와 CO2 레이저 내부를 순환하는 순환배관이 마련되고 물이 저장되는 온수탱크; 및
    상기 순환배관 상에 장착되어 상기 제어유닛으로 제어되며 상기 순환배관의 물을 가열하는 보일러를 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착식 냉동유닛은,
    내부면에 흡착제가 마련된 복수의 열교환기의 각각에 상기 메인 축열발전유닛으로부터 가열된 폐유 또는 냉각수가 이동하는 열교환 배관이 통과하는 열교환 어셈블리;
    상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기 중 재생 공정이 일어나는 열교환기로부터 분리되어 이동하는 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 열교환기 및 상기 응축기와 연결되며, 상기 열교환기 중 흡착 공정이 일어나는 열교환기측으로 증발된 냉매를 이동시켜 냉매의 증발을 촉진시키는 증발기; 및
    상기 제어유닛과 전기적으로 연결되어 상기 열교환기 각각에 폐유와 냉각수를 선택적으로 공급되도록 상기 열교환 배관을 개폐하는 밸브 어셈블리를 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 축열발전유닛은,
    상기 제어유닛과 전기적으로 연결되어 구동력을 전달받아 태양의 궤적을 따라 좌·우 및 상·하로 구동하며 태양열을 받아들이는 집열 어셈블리; 및
    상기 집열 어셈블리에 장착되어 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되며, 외부에 상기 폐유가 이동하는 오일배관이 권취되고, 상기 집열 어셈블리로 받아들인 태양열로 가열된 폐유의 열에너지에 의하여 발전하는 발전 어셈블리를 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발전 어셈블리는,
    상기 집열 어셈블리에 장착되어 일체를 이루며, 상기 집열 어셈블리의 회동에 연동하는 제2 지지체;
    상기 제2 지지체에 장착되며 외주면에 상기 폐유가 이동하는 오일배관이 권취되어 가열된 폐유의 열에너지를 받아들이는 공간이 구비된 수열탱크를 포함하고, 상기 수열탱크 내의 가열된 공기로부터 공급받은 열에너지로써 왕복 운동하는 스터링(Stirling) 엔진; 및
    상기 수열탱크의 외면에 권취된 상기 오일배관을 수용하며, 집열되는 태양열을 상기 수열탱크에 집중시키는 집열체를 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발전 어셈블리는,
    상기 스터링 엔진과 상기 제어유닛 사이에 장착되어 스터링 엔진의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 운동 인코더; 및
    상기 집열 어셈블리와 상기 제어유닛 사이에 장착되어 상기 집열 어셈블리의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열 인코더를 더 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오일탱크 및 상기 온수탱크에는 각각 온도센서가 더 구비되어 상기 제어유닛과 전기적으로 연결되며, 상기 온도센서가 감지한 온도가 상기 제어유닛에 미리 설정된 온도값 이하로 내려가면 상기 제어유닛은 상기 보일러를 가동시키는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 흡착식 냉동유닛과 상기 보조 축열유닛과 상기 메인 축열발전유닛의 가동을 제어하는 메인 컨트롤러; 및
    상기 메인 컨트롤러와 전기적으로 연결되고, 상기 메인 축열발전유닛의 운동에너지 및 태양열 에너지로부터 생산된 전력을 전기에너지로 축적하여 상기 전기에너지를 필요량만큼 CO2 레이저로 공급하는 전력 관리부를 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 관리부는,
    상기 메인 축열발전유닛으로부터 생산된 전기에너지를 저장하는 축전지;
    상기 보일러와 CO2 레이저에 설치되는 전기기기의 대기전력을 차단하는 대기전력차단기; 및
    상기 축전지로부터 필요량만큼의 전력을 CO2 레이저로 공급시키는 지능형 분전반을 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 관리부는,
    상기 축전지와 상기 지능형 분전반 사이에 장착되어 상기 축전지에 축적되는 전기 에너지의 량과 상기 CO2 레이저의 전력 사용량을 비교하는 비교검출기; 및
    상기 비교검출기와 전기적으로 연결되고, 상기 CO2 레이저에 전력 사용을 위하여 공급된 전기 에너지보다 상기 메인 축열발전유닛으로 생산된 전기에너지의 량이 많으면 여분의 전기에너지를 전력회사에 전송하는 여유전력 송전기를 더 포함하는 CO2 레이저를 위한 태양열 발전기.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100036322A (ko) * 2007-06-22 2010-04-07 어드밴스드 테크놀러지 머티리얼즈, 인코포레이티드 태양열 흡착식 냉각 시스템용 구성요소 및 그 구성요소 제조 방법
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KR20140002526A (ko) * 2012-06-29 2014-01-08 김진영 집광형 태양열 발전시스템

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