KR102192681B1 - 태양열을 이용한 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 특히 축열조를 구비하지 않아 발전속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설비를 간소화할 수 있으며, 흐린 날에도 효과적으로 전기에너지를 생산할 수 있도록 태양열을 흡열하여 열을 전달하는 히트파이프가 구비되는 진공관; 및 상기 히트파이프로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생성하는 발전모듈;을 포함하되, 상기 히트파이프는 일단부가 진공관 외부로 노출되도록 구비되며, 상기 발전모듈은 일면이 히트파이트의 일단부 측에 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면에 맞닿도록 구비되고 내부에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함하는 태양열을 이용한 발전장치

Description

태양열을 이용한 발전장치{Power generating apparatus using solar heat}
본 발명은 태양열을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 특히 축열조를 구비하지 않아 발전속도를 향상시킬 수 있는 태양열을 이용한 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양을 이용한 발전장치는 광전효과를 기대할 수 있는 화합물반도체로 제조된 태양전지를 이용하는 태양광 발전장치와 태양열에 의해 물이나 기타 재료를 데우고 이를 이용하여 2차적으로 발전하는 태양열 발전장치로 구분된다. 위에서 언급한 태양광과 태양열은 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등과 함께 재생에너지에 해당되어 많은 연구가 진행 중에 있다.
태양광 발전장치는 넓은 면적을 필요로 하고 광전 변환효율이 매우 낮아 태양열 발전장치에 대하여 상대적으로 비중있게 연구가 진행되고 있다. 이러한 태양열을 이용한 발전장치의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1221422호(이하, '인용발명'이라 함)에 게시되어 있다.
인용발명은 도 1에 도시된 바와 같이 흡열부(110) 및 방열부(120)를 가지며 흡열부(110) 및 방열부(120)의 열교환에 의하여 발생되는 전기를 출력하는 발전단자(130)를 가지는 열전모듈(100)과, 태양열을 집열하는 집열부(200)와, 제1열교환매체가 집열부(200) 및 열전모듈(100)의 흡열부(110)를 순환하도록 하여 집열부(200)에서 흡수된 열을 열전모듈(100)의 흡열부(110)로 전달하는 제1매체순환부(300)를 포함하여 구성된다.
이러한 인용발명은 집열부(200)를 통해 집열된 열이 열전모듈(100)로 직접 전달되는 방식이 아닌, 제1열교환매체를 통해 열이 전달되는바 제1열교환매체가 일정 온도 이상 가온된 상태를 유지하기만 하면 지속적인 발전이 가능하다. 다만, 제1열교환매체에 의해 집열부(200)와 열전모듈(100) 사이에서 열전달이 일어나게 되므로 발전속도가 빠르지 않다는 단점이 있다. 또한, 흐린 날에는 제1열교환매체도 영향을 받게 되므로 발전이 효과적으로 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1221422호 '태양열을 이용한 태양열발전시스템'
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 축열조를 구비하지 않아 발전속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설비를 간소화할 수 있으며, 흐린 날에도 효과적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 태양열을 이용한 발전장치를 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명인 태양열을 이용한 발전장치는 태양열을 흡열하여 열을 전달하는 히트파이프가 구비되는 진공관; 및 상기 히트파이프로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생성하는 발전모듈;을 포함하되, 상기 히트파이프는 일단부가 진공관 외부로 노출되도록 구비되며, 상기 발전모듈은 일면이 히트파이트의 일단부 측에 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면에 맞닿도록 구비되고 내부에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함한다.
본 발명에 따르면, 진공관으로부터 집열된 열을 열전소자로 전달하기 위한 열매체가 수용되는 축열조를 구비하지 않고, 진공관에 구비된 히트파이프로부터 직접 열을 전달받아 열전소자가 가온되므로 축열조가 구비된 발전장치에 비해 발전속도를 향상시킬 수 있으며, 흐린 날에도 효율적으로 전기에너지를 생산할 수 있다.
또한, 축열조가 마련되지 않음으로 인해 설비를 간소화할 수 있어, 제작비용이 절감될 뿐만 아니라 설치면적이 줄어든다는 이점이 있다.
더욱이, 발전모듈에 포함된 열전소자는 집열된 태양열에 직접 전달받아 일면에 고온부를 형성하고, 냉각수가 흐르는 워터블럭을 통해 타면에 저온부를 형성하므로, 열전소자의 고온부와 저온부의 온도차를 최대한 형성할 수 있으면서 열전소자의 지속적인 큰 온도차 유지가 가능하여 발전효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래 태양열을 이용한 발전장치의 구조를 보여주는 개념도,
도 2는 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치의 구조를 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치에 적용되는 발전체의 구조를 보여주는 사시도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치에 적용되는 발전체의 구조를 보여주는 분해사시도,
도 6은 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치의 구조를 보여주는 측면도,
도 7은 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치에 적용되는 집열관이 하부지지대에 결합되는 구조를 보여주는 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치에 케이스와 하부지지대가 적용된 상태를 보여주는 사시도,
도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 태양열을 이용한 발전장치에서의 냉각수 흐름을 보여주는 도면,
본 발명에서는 축열조를 구비하지 않아 발전속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설비를 간소화할 수 있으며, 흐린 날에도 효과적으로 전기에너지를 생산할 수 있도록 태양열을 흡열하여 열을 전달하는 히트파이프가 구비되는 진공관; 및 상기 히트파이프로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생성하는 발전모듈;을 포함하되, 상기 히트파이프는 일단부가 진공관 외부로 노출되도록 구비되며, 상기 발전모듈은 일면이 히트파이트의 일단부 측에 구비되는 열전소자와, 상기 열전소자의 타면에 맞닿도록 구비되고 내부에 냉각수가 흐르는 워터블럭을 포함하는 태양열을 이용한 발전장치를 제안한다.
본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.
이하, 본 발명인 태양열을 이용한 발전장치는 첨부된 도 2 내지 도 10을 참고로 상세하게 설명한다.
본 발명인 태양열을 이용한 발전장치는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 진공관(100)과 발전모듈(200)을 포함한다.
상기 진공관(100)은 소정의 길이를 가지는 관 형태로 형성되어 내부가 진공상태를 이루고 있으며 히트파이프(110)가 구비된다. 상기 히트파이프(110)는 진공관(100)의 길이보다 길게 형성되어 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 일단부가 진공관(100)의 외부로 노출되도록 구비된다. 이러한 집열관(200)은 태양열을 흡열하여 히트파이프(110)의 일단부로 열을 전달하게 된다.
상기 발전모듈(200)은 히트파이프(110)로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생성한다. 구체적으로, 상기 발전모듈(200)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 열전소자(210)와 워터블럭(220)을 포함한다.
상기 열전소자(210)는 일면이 히트파이프(110)의 일단부 측에 구비되어, 히트파이프(110)에 의해 직접 열을 전달받아 고온부를 형성한다. 이처럼 진공관(100)으로부터 집열된 열을 열전소자(210)로 전달하기 위한 열매체가 수용되는 축열조를 구비하지 않고, 진공관(100)에 구비된 히트파이프(110)로부터 직접 열을 전달받아 열전소자(210)가 가온되므로 축열조가 구비된 발전장치에 비해 발전속도를 향상시킬 수 있으며, 흐린 날에도 효율적으로 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한, 축열조가 마련되지 않음으로 인해 설비를 간소화할 수 있어, 제작비용이 절감될 뿐만 아니라 설치면적이 줄어든다는 이점이 있다.
그리고, 상기 열전소자(210)의 타면에는 내부에 냉각수가 흐르는 워터블럭(220)이 맞닿도록 구비되며, 이에 따라 열전소자(210)의 타면은 냉각수에 의해 고온부와 온도차를 최대한 형성할 수 있다. 더욱이, 히트파이프(110)와 워터블럭(220)에 의해 열전소자(210)는 지속적으로 큰 온도차 유지가 가능하므로 발전효율을 높일 수 있다.
상기 히트파이프(110)는 도시되지는 않았으나, 열전소자(210)의 일면과 용이하게 맞닿으며 열을 효과적으로 전달할 수 있도록 판 형태를 이룰 수 있으며, 진공관(200)의 외부로 노출되는 일단부만이 판 형태로 형성될 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 히트파이프(110) 전체가 봉 형태로 형성될 수 있다.
상기 히트파이프(110)가 봉 형태로 형성되는 경우, 열전소자(210)와 직접 맞닿게 하면 열전도되는 면적이 작으므로 열전달이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 상기 열전소자(210)와 히트파이프(110) 사이에는 열을 효과적으로 전달하기 위한 전열편(230)이 더 구비될 수 있다.
상기 전열편(230)은 열전도가 용이한 소재로 이루어지며, 히트파이프(110)의 일단부를 덮을 수 있는 판 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 전열편(230)에는 히트파이프(110)가 상하방향으로 관통될 수 있는 홀이 형성될 수 있으나, 조립의 용이성 측면에서 일면에 내측으로 오목하게 함입된 결합홈(231)이 형성되어 히트파이프(110)의 일단부를 감싸는 형태로 수용시킴이 바람직하다.
위와 같이 형성된 전열편(230)의 타면에는 열전소자(210)의 일면이 맞닿게 되는데, 열전소자(210)의 일면으로의 열전달이 고르게 이루어질 수 있도록 전열편(230)의 타면은 열전소자(210)의 일면과 적어도 동일한 면적을 가짐이 바람직하다. 따라서, 상기 히트파이프(110)의 일단부로 전도된 열은 전열편(230)을 거쳐 열전소자(210)의 일면 전체로 효율적으로 전달된다.
한편, 본 발명에서 열전소자(210)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 다수 개가 구비될 수 있으며, 다수 개가 전열편(230)의 길이방향을 따라 배치될 수 있다. 또한, 각각의 열전소자(210)마다 각각의 워터블럭(220)이 구비될 수 있으나, 설비의 간소화와 냉각의 신속화, 지속성 향상을 위해 상기 워터블럭(220)은 다수의 열전소자(210)를 한꺼번에 감싸도록 형성됨이 바람직하다.
상기 발전모듈(200)을 구성하는 열전소자(210), 워터블럭(220), 전열편(230)은 다양한 방식으로 결합될 수 있으며, 일 예로 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 판 형태를 이루며 열전소자(210)와 워터블럭(220) 사이에 구비되는 제1 브라켓(240)과, 판 형태를 이루며 열전소자(210)가 위치하는 히트파이프(110)의 반대편에 구비되는 제2 브라켓(250)을 통해 결합될 수 있다. 상기 제1 브라켓(240)은 열전소자(210)가 워터블럭(220)을 향해 노출되도록 소정의 형태를 가진 관통공이 형성될 수 있다.
한편, 상기 워터블럭(220)은 내부로 냉각수가 유입되는 유입관(221)과, 냉각수가 외부로 배출되는 유출관(222)이 외측으로 형성되며, 도 5에 도시도니 바와 내부에는 격벽(223)을 통해 유로가 형성되는바, 유입관(221)을 통해 내부로 유입된 냉각수가 유로를 지나며 열전소자(210)의 타면에 저온부를 효과적으로 형성하고 유출관(222)을 통해 워터블럭(220) 외부로 배출된다.
상기에서 설명한 진공관(100)과 발전모듈(200)은 발전체(A)를 구성할 수 있으며, 이러한 발전체(A)는 도 2에 도시된 바와 같이 다수 개가 구비될 수 있다. 이때, 태양열을 집열함에 있어 간섭되지 않도록 다수의 발전체(A)에 포함된 진공관(100)은 횡방향을 따라 일렬로 나란히 배치됨이 바람직하다. 또한, 효율적인 집열과 발전을 위해 상기 다수의 발전체(A)는 발전모듈(200)이 상측에 위치하도록 지면으로부터 예각을 형성하며 배치됨이 보다 바람직하다.
위와 같이 횡방향으로 나란히 배치되는 다수의 발전체(A)를 지면으로부터 예각을 형성하도록 하기 위하여, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이 종단면이 직각삼각형 형태를 가지는 설치대(B)가 마련될 수 있으며, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 다수의 진공관(100)의 단부를 고정시키기 위한 하부지지대(D)가 설치대(B)에 마련될 수 있다. 상기 하부지지대(D)는 진공관(1000이 끼워질 수 있도록 결합공이 형성되어 진공관(100)의 단부가 결합공에 끼워져 견고히 고정될 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 다수의 발전모듈(200)을 비, 바람, 먼지 등 외부요인으로부터 보호하기 위한 케이스(C)가 구비될 수 있다.
한편, 본 발명은 다수의 발전체(A)에 포함된 워터블럭(220)으로 냉각수를 공급하기 위해 냉각수를 저장하는 워터탱크(300)가 구비되는데, 상기 워터탱크(300)는 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 발전체(A) 후측에 발전모듈(200)의 하방에서 구비되어, 워터블럭(220)으로 공급된 냉각수가 중력에 의해 자연히 워터탱크(300)로 모이도록 함이 바람직하다.
또한, 다수의 워터블럭(220)은 각각 워터탱크(300)와 연결되어, 워터탱크(300)로부터 직접 냉각수를 공급받고, 공급받은 냉각수를 직접 워터탱크(300)로 배출할 수도 있으나, 설비의 간소화와 냉각 효율을 위해 워터탱크(300)로부터 공급된 냉각수가 적어도 2개의 워터블럭(220)를 지나도록 함이 바람직하다.
일 예로, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 상기 워터탱크(300)는 다수의 워터블럭(220) 중 중앙부에 위치한 2개의 제1 워터블럭 각각으로 냉각수를 직접 공급할 수 있도록 배관되고, 양측 가장자리에 위치한 2개의 제n 워터블럭 각각으로부터 냉각수를 회수할 수 있도록 배관된다. 이때, 제1 워터블럭과 제n 워터블럭 사이에 위치하는 워터블럭(220)은 인접한 워터블럭(220)과 유입관(221) 및 유출관(222)이 연결되도록 배관된다.
이에 따라, 상기 냉각수는 워터탱크(300)로부터 펌프(400)에 의해 제1 워터블럭으로 공급된 후, 인접하게 연결된 워터블럭(220)을 순차적으로 지난 다음 워터탱크(300)로 회수된다. 연결된 워터블럭(220)을 모두 지난 냉각수는 열전소자(210)의 저온부를 형성하면서 온도가 상승하게 되는바, 냉각수의 온도를 하강시키기 위해 워터탱크(300)로 회수되기 직전 라디에이터(500)를 거치도록 함이 바람직하다.
본 발명에 의해 발전이 이루어지는 동안 상기 냉각수는 워터블럭(220)과 워터탱크(300)를 계속적으로 순환하게 되며, 발전이 이루어지지 않는 경우 상기 냉각수는 워터탱크(300)로 모두 모이는 상태를 이루게 된다. 즉, 상기 워터블럭(220)은 내부가 빈 상태를 이루게 된다.
상기 워터블럭(220)은 초기 구동시 내부가 빈 상태를 유지하게 되는데, 이때 상기 워터탱크(300)로부터 냉각수를 바로 워터블럭(220)으로 공급하면 열전소자(210)의 온도차가 제대로 형성되지 않게 되며, 이러할 경우 오히려 일정량 이상의 전기에너지를 생산하기 위해 형성되어야 하는 열전소자(210)의 온도차에 이르기까지 소요되는 시간이 증가된다.
따라서, 상기 냉각수는 열전소자(210)가 소정의 온도로 가온된 후, 워터탱크(300)에서 워터블럭(220)으로 공급되도록 함이 바람직하다. 이를 위해 본 발명은 배터리(600)를 별도로 마련하여 초기 구동시 열전소자(210)가 소정의 온도로 가온된 후, 상기 배터리(600)로부터 펌프(400)와 라디에이터(500)가 전원을 인가받아 작동되도록 함이 바람직하다. 또한, 상기 배터리(600)는 본 발명을 통해 생성되는 전기에너지로 충전될 수 있다.
한편, 본 발명은 열전소자(210)로부터 생성된 전기에너지를 상용 전원으로 변환하는 인버터(700)가 포함될 수 있으며, 위에서 설명한 각 구성의 구동을 제어하기 위한 제어부(800)가 포함될 수도 있다.
A : 발전체 B : 설치대
C : 케이스 D : 하부지지대
100 : 진공관 110 : 히트파이프
200 : 발전모듈 210 : 열전소자
220 : 워터블럭 221 : 유입관
222 : 유출관 223 : 격벽
230 : 전열편 231 : 결합홈
240 : 제1 브라켓 250 : 제2 브라켓
300 : 워터탱크 400 : 펌프
500 : 라디에이터 600 : 배터리
700 : 인버터 800 : 제어부

Claims (5)

  1. 태양열을 흡열하여 열을 전달하며 일단부가 외부로 노출되는 히트파이프(110)가 구비되는 진공관(100); 및 일면이 히트파이트(110)의 일단부 측에 구비되는 열전소자(210)와, 상기 열전소자(210)의 타면에 맞닿도록 구비되고 내부에 냉각수가 흐르는 워터블럭(220)을 포함하여 히트파이프(110)로부터 열을 전달받아 전기에너지를 생성하는 발전모듈(200);을 포함하는 발전체(A)가 다수 개 구비되어, 발전모듈(200)이 상측에 위치하도록 지면으로부터 예각을 형성하면서 횡방향을 따라 일렬로 나란히 배치되며,
    상기 다수의 발전체(A) 후측에 발전모듈(200)의 하방으로 냉각수가 저장되는 워터탱크(300)가 마련되되,
    상기 워터탱크(300)는 다수의 워터블럭(220) 중 중앙부에 위치한 제1 워터블럭으로 각각 냉각수를 공급하도록 배관되고, 양측 가장자리에 위치한 제n 워터블럭으로부터 냉각수를 회수하도록 배관되며, 상기 제1 워터블럭과 제n 워터블럭 사이에 위치하는 워터블럭(220)은 인접한 워터블럭(220)과 유입관(221) 및 유출관(222)이 연결되도록 배치되어,
    상기 냉각수는, 발전이 이루어지는 동안 워터탱크(300)로부터 펌프(400)에 의해 제1 워터블럭으로 공급된 후 인접하게 연결된 워터블럭(220)을 순차적으로 지난 다음 라디에이터(500)를 거쳐 워터탱크(300)로 회수되고, 발전이 이루어지지 않을 시 워터탱크(300)로 모두 모이게 되는 한편,
    상기 워터블럭(220)은 초기 구동시 내부가 빈 상태를 유지하며, 상기 워터탱크(300)는 열전소자(210)가 소정의 온도로 가온된 후, 발전모듈(200)을 통해 생성된 전기에너지로부터 충전된 배터리(600)에 의해 펌프(400) 및 라디에이터(500)가 구동되어 냉각수를 워터블럭(220)으로 공급되는 태양열을 이용한 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프(110)는 봉 형태로 형성되고,
    상기 발전모듈(200)은 일면에 내측으로 합입된 결합홈(231)이 형성되어 상기 히트파이프(110)의 일단부를 감싸는 형태로 수용하며 타면에 열전소자(210)의 일면이 맞닿도록 판 형태로 형성된 전열편(230)이 더 구비되되,
    상기 열전소자(210)는 다수 개가 전열편(230)의 길이방향을 따라 일면이 맞닿도록 구비되고,
    상기 워터블럭(220)은 다수의 열전소자(210)를 한꺼번에 감싸도록 형성되는 태양열을 이용한 발전장치.
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