KR102481831B1 - 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템 - Google Patents

렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 직사광 및 산란광이 입사되어 발전이 가능하며, 각 광의 입사각에 따라 발생한 열에너지를 이용할 수 있는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것이다.

Description

렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템{Lens condensing cogeneration solar system}
본 발명은 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 직사광 및 산란광이 입사되어 발전이 가능하며, 각 광의 입사각에 따라 발생한 열에너지를 이용할 수 있는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지를 이용한 기술로 태양광 및 태양열을 이용한 에너지를 발전하고 있다
따라서 태양에너지를 활용하여 전기를 생산하는 발전기술로는 태양광을 이용하여 전기를 발생시키는 태양광 발전과 태양열을 이용하여 전기를 발생시키는 태양열 발전이 있다.
이때, 태양광 발전은 다수의 패널을 통해 태양광을 집광하여 발전이 이루어지고 있으나, 관전 변환 효율이 낮아 태양열 등을 복합하여 사용하는 다양한 기술이 개발되고 있다.
이러한 종래기술로, 한국 등록특허 "태양광 이중 발전장치"가 제시된 바 있다.
종래기술은 1차로 점집광되어 직광으로 전달되는 태양광을 이용하여 1차로 전기를 발전하며, 2차로 여광으로 입사되는 산란광을 이용하여 2차로 전기를 발전하는 태양광 이중 발전장치에 관한 것이다.
하지만, 종래기술은 날씨의 변화에 따라 직사광 보다 산란광이 많이 입사되는 경우, 효율적인 발전이 어려운 문제가 있다.
즉, 태양광 발전장치는 태양전지의 구조적, 물리적 한계에 따라 맑은날이나 흐린날의 직사광과 산란광을 고려하지 않고 통합적인 일조량을 고려하여 설계가 이루어지고 있다.
따라서 맑은 날과 흐린날과 같이 날씨의 변화에 따른 대기 중 직사광과 산란광의 변화됨에 따라 직사광과 산란광을 최적으로 흡수하여 발전이 어려운 문제가 있다.
또한, 태양광 발전시 광에너지를 사용함에 따라 폐열 에너지를 발전하지 못해 에너지 변환 효율이 저하되는 문제가 있다.
한국 등록특허 제10-1666390호(2016.10.10.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 날씨 및 대기의 변화에 따라 입사되는 직사광 및 산란광의 초점영역을 형성하여 효율적인 태양광 발전이 가능한 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 입사되는 광 에너지를 용이하게 집광하여 효율을 향상시킨 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 직사광의 집광시 발생하는 열에너지를 이용하여 열 발전이 가능한 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 바람, 먼지, 모래 등에 의한 손상을 방지하고 태양의 위치를 추적하여 직사광의 집광을 용이하게 하여 입사되는 광량을 증가시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입사된 직사광 및 산란광의 입사각에 따라 형성된 초점영역을 통해 발전이 이루어지는 발전모듈과, 상기 발전모듈을 다수개 안착되며, 태양의 위치를 추적하여 상기 발전모듈을 회전시키는 지지모듈로 이루어지되, 상기 발전모듈은, 직사광 및 산란광의 입사각에 따라 초점영역을 형성하는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 하부에 일정간격 이격 배치되며, 직사광 및 산란광에 따라 위치가 변화된 초점영역에서 광에너지를 통해 발전하는 광발전부와, 상기 광발전부의 하면에 설치되어 초점영역에서 발생된 열에너지를 통해 발전하는 열발전부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 발전모듈이 상면이 노출되도록 사방으로 복수개 배치되는 배치공간을 형성하며, 상기 지지모듈에 고정되는 프레임이 더 포함되며, 상기 발전모듈이 설치된 상기 프레임은 상기 지지모듈에 다수개 설치되는 것이 바람직하다.
상기 광발전부는, 상기 집광렌즈를 통해 직사광의 초점영역에 길이방향을 따라 배치된 직사광셀과, 상기 집광렌즈를 통해 산란광의 초점영역에 맞춰 상기 직사광셀의 양측에 배치되는 산란광셀로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 열발전부는, 상기 직사광셀의 하면에 배치되며, 상기 지지모듈로 연장된 집열관과, 상기 지지모듈의 내부에 설치되며, 상기 집열관과 연결되어 태양열 에너지에 의해 가열되는 가열물질을 순환시키는 순환모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 지지모듈에 배치되며, 상기 열발전부를 통해 발전된 열에너지를 저장하여 소비에너지로 공급하는 계간축열형모듈이 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 발전모듈에 태양광이 투과되도록 노출된 외면을 감싸 상기 집광렌즈, 상기 광발전부를 보호하는 보호커버가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 지지모듈은, 지면에 설치되는 지지대와, 상기 지지대의 상단에 좌,우 회전수단을 통해 회전가능하게 결합된 제1회전부재와, 상기 제1회전부재의 상단에 상,하 회전수단을 통해 회전가능하게 결합되며, 다수개의 상기 발전모듈이 설치된 제2회전부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 발전모듈에 입사되는 태양의 위치를 감지 및 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단에 의해 측정된 태양의 위치에 맞춰 상기 지지모듈을 회전시키는 회전제어부가 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 따르면, 날씨 및 대기의 변화에 따라 입사되는 직사광 및 산란광을 입사각에 따라 집광시켜 초점영역을 형성하며, 형성된 초점영역을 통해 효율적인 태양광 발전이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 입사각의 변화에 따라 이동하는 초점영역을 맞춰 직사광셀 및 산란광셀을 배치하여 효율적인 광 발전이 가능한 이점이 있다.
본 발명에 따르면, 광 에너지를 특정 지점으로 초점영역을 형성시 발생하는 열에너지를 통해 열 발전이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 열 발전을 통해 저장된 열에너지는 계간축열형모듈에 저장하여 장기간 보관이 가능하며, 가정 및 생활에 필요한 냉, 난방 등으로 다양하게 공급할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 발전모듈을 보호하여 바람, 먼지, 모래 등에 의한 손상을 방지하여 다양한 환경조건에 맞춰 사용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따르면, 태양의 위치변화에 따라 발전모듈을 이동시켜 입사되는 광량을 향상시키며, 일몰 및 날씨의 변화에 따라 입사되는 광량이 적거나 없을 시, 발전모듈을 용이하게 관리할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 도시한 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 발전모듈을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 프레임에 설치된 발전모듈을 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 직사광 및 산란광의 초점분포를 도시한 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 계간축열형모듈을 도시한 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 지지모듈의 회전상태를 도시한 개념도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관하여 첨부된 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템을 도시한 측면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 발전모듈을 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 프레임에 설치된 발전모듈을 도시한 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 직사광 및 산란광의 초점분포를 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명에 따른 계간축열형모듈을 도시한 개념도이며, 도 6은 본 발명에 따른 지지모듈의 회전상태를 도시한 개념도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명은 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 직사광 및 산란광이 입사되어 발전이 가능하며, 각 광의 입사각에 따라 발생한 열에너지를 이용할 수 있는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 태양에서 입사되는 태양광 및 태양열을 통해 발전이 가능하도록 태양의 위치에 맞춰 위치조절이 가능한 발전모듈(100)과 지지모듈(200)로 구성된다.
상기 발전모듈(100)은 입사된 직사광 및 산란광의 입사각에 따라 형성된 초점영역을 통해 발전이 이루어진다.
상기 지지모듈(200)에 상기 발전모듈(100)이 다수개 안착되며, 태양의 위치를 추적하여 상기 발전모듈(100)을 회전시킨다.
이에 따라, 상기 발전모듈(100)은 다수개가 상기 지지모듈(200)에 안착된 상태에서 상기 지지모듈(200)을 통해 상기 발전모듈(100)을 회전시켜 태양광이 입사된다.
이때, 상기 발전모듈(100)은 입사되는 태양의 직사광 및 산란광에 따라 형성된 초점영역을 통한 광 발전과 초점영역에서 발생된 폐열 에너지를 이용하여 열 발전을 동시해 가능한 복합발전이 가능하다.
이에 따른 각 구성에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 발전모듈(100)은 상기 집광렌즈(110)에 수직으로 입사되는 직사광 및 상기 집광렌즈(110)에 날씨나 대기 변화에 따라 수직으로 입사되지 않는 산란광의 입사각에 따라 초점영역을 각각 형성한 후, 형성된 초점영역의 광 및 열을 통해 발전할 수 있도록 집광렌즈(110), 광발전부(120) 및 열발전부(130)로 이루어진다.
상기 집광렌즈(110)는 직사광 및 산란광의 입사각에 따라 초점영역을 형성한다.
이러한 상기 집광렌즈(110)는 일정한 면적을 가지며, 직사광 및 산란광이 입사되는 상면은 평면으로 형성되어 용이하게 광 에너지가 입사되며, 하면은 입사된 광을 집광하여 입사각에 맞춰 초점영역을 형성할 수 있도록 굴곡 또는 다단절곡된다.
이를 통해 상기 집광렌즈(110)는 직사광 및 산란광은 입사된 입사각에 맞춰 광 에너지를 집광하여 특정 지점에 영역을 형성할 수 있게 한다.
상기 광발전부(120)는 상기 집광렌즈(110)의 하부에 일정간격 이격 배치되며, 직사광 및 산란광에 따라 위치가 변화된 초점영역에서 광에너지를 통해 발전한다.
여기서 상기 광발전부(120)는 직사광의 집광된 영역에서 광 발전과, 산란광의 집광된 영역에서 광 발전이 각각 이루어질 수 있도록 상기 집광렌즈(110)를 통해 직사광의 초점영역에 길이방향을 따라 배치된 직사광셀(121)과, 상기 집광렌즈(110)를 통해 산란광의 초점영역에 맞춰 상기 직사광셀(121)의 양측에 배치되는 산란광셀(122)로 형성된다.
아울러 상기 직사광셀(121)은 직사광의 광전효율이 높은 갈륨비소(GaAs)의 기반으로 제작되며, 상기 산란광셀(122)은 산란광의 광전효율이 높은 신소재 페로브스카이트 기반으로 제작되는 탠덤셀로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 상기 직사광셀(121)은 일정한 폭 및 두께로 이루어지며, 상기 집광렌즈(110)를 통해 길이방향으로 초점영역이 형성된 위치에 길이방향으로 배치된다.
그리고 상기 산란광셀(122)은 상기 직사광셀(121)의 양측에 배치되며, 상기 산란광의 변화하는 입사각에 맞춰 다양한 위치에 형성되는 초점영역을 수용할 수 있도록 이루어진다.
여기서 산란광은 구름, 대기물질, 수증기, 날씨 등의 원인으로 인해 상기 집광렌즈(110)에 수직으로 들어오지 않는 빛으로, 집속하고자 하는 영역에서 벗어난 주변 영역에 도달하기 때문에 변화되는 입사각에 따라 다양한 위치에서 발생되는 초점영역을 수용할 수 있도록 배치하는 것이 바람직하다.
상기 열발전부(130)는 상기 광발전부(120)의 하면에 설치되어 초점영역에서 발생된 열에너지를 통해 발전한다.
따라서 상기 열발전부(130)는 상기 직사광셀(121)의 하면에 배치되며, 상기 지지모듈(200)로 연장된 집열관(131)과, 상기 지지모듈(200)의 내부에 설치되며, 상기 집열관(131)과 연결되어 태양열 에너지에 의해 가열되는 가열물질을 순환시키는 순환수단(132)으로 이루어진다.
여기서 상기 집열관(131)은 상기 직사광셀(121)의 하단면에 길이방향을 따라 배치되며, 내부에 가열물질이 유동할 수 있도록 이루어진다.
여기서 가열물질은 열에 의해 상승된 온도를 유지할 수 있는 물 등의 유체, 공기 등의 기체로 다양하게 이루어지며, 가정, 산업 등의 사용용도에 맞춰 가열된 가열물질을 직접적으로 사용하거나, 가열온도를 전달하여 간접적으로 사용할 수 있도록 이루어진다.
이를 통해 상기 집열관(131)을 따라 유동하는 가열물질은 상기 직사광셀(121)에 집속된 열에너지에 의해 온도가 상승되어 열발전이 이루어진다.
그리고 상기 순환수단(132)은 가열물질을 저장하며, 상기 집열관(131)으로 순환시킨다.
이때, 상기 순환수단(132)은 상기 지지모듈(200)의 내부에 설치되며, 대류현상, 펌프 등을 통해 가열물질이 태양열을 통해 가열된 후 순환할 수 있도록 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 발전모듈(100)은 상기 집광렌즈(110), 상기 광발전부(120) 및 상기 열발전부(130)가 일정한 간격에 맞춰, 상,하 및 좌,우 사방에 다수개 배치하여 발전효율을 향상시킬 수 있다.
따라서 상기 발전모듈(100)이 상면이 노출되도록 사방으로 복수개 배치되는 배치공간을 형성하며, 상기 지지모듈(200)에 고정되는 프레임(101)이 더 포함되며, 상기 발전모듈(100)이 설치된 상기 프레임(101)은 상기 지지모듈(200)에 다수개 설치된다.
즉, 상기 프레임(101)은 상면이 개방되어 내부에 공간이 형성된 틀형상을 가지며, 내부에 상기 발전모듈(100)이 다수개 설치된다.
이때, 상기 집광렌즈(110)는 상기 프레임(101)의 상단에 좌,우 및 상하 방향으로 다수개 배치함에 따라 상기 집광렌즈(110)를 통해 형성되는 초점영역은 좌,우 또는 상,하 방향을 따라 형성된다.
즉, 상기 집광렌즈(110)가 좌,우 방향으로 배치된 경우, 초점영역을 좌,우 방향의 길이방향을 따라 형성되며, 상,하 방향으로 위치한다.
또한, 상기 집광렌즈(110)가 상,하 방향으로 배치된 경우, 초점영역은 상,하 길이방향을 따라 형성되며, 좌,우 방향으로 다수개 위치한다.
이를 통해 집광렌즈(110)는 상기 프레임(101)의 영역 내에 다수개 배치하여 입사되는 광량을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 광발전부(120)는 다수개의 상기 집광렌즈(110)에 의해 형성된 초점영역에 맞춰 상기 프레임(101)의 하단에 설치된다.
이러한 상기 광발전부(120)는 상기 집광렌즈(110)의 직사광에 따라 형성된 초점영역에 맞춰 상기 직사광셀(121) 및 상기 산란광셀(122)을 다양하게 배치할 수 있다.
즉, 상기 직사광셀(121)은 상기 집광렌즈(110)의 면적에 맞춰 다수개가 직사광의 초점영역을 따라 길이방향으로 다수개 배치하거나, 다수의 상기 집광렌즈(110)의 초점영역에 맞춰 긴 길이를 가지는 하나가 셀로 배치할 수 있다.
이때, 다수개 배치된 상기 직사광셀(121)은 모듈, 커넥트, 연결선 등을 통해 연결한다.
이렇게 배치된 상기 직사광셀(121)은 상기 집광렌즈(110)의 배치에 맞춰 좌,우 또는 상하 방향을 따라 일정간격 이격되어 다수개 배치하여 상기 집광렌즈(110)를 통해 집광된 직사광의 초점영역에서 광 발전이 가능하다.
그리고 상기 산란광셀(122)은 상기 직사광셀(121)과 상기 직사광셀(121)의 이격배치된 사이에 배치되어 상기 직사광셀(121)의 양측에 위치한다.
이때, 상기 산란광셀(122)은 상기 직사광셀(121)과 상기 직사광셀(121) 사이의 간격에 맞춰 하나의 셀이 배치되거나, 상기 집광렌즈(110)의 면적에 맞춰 다수개가 산란광의 초점영역에서 상기 직사광셀(121)의 길이방향을 따라 다수개 배치된다.
여기서 다수개 배치된 상기 산란광셀(122)은 상기 직사광셀(121)과 같이 모듈, 커넥트 및 연결선 등을 통해 연결한다.
이를 통해 상기 직사광셀(121) 및 상기 산란광셀(122)은 상기 집광렌즈(110)의 면적에 맞춰 다수개 배치되거나, 상기 집광렌즈(110)의 배치에 따라 단일 셀로 배치할 수 있다.
그리고 상기 열발전부(130)의 상기 집열관(131)은 상기 직사광셀(121)의 하면에 길이방향을 따라 배치되어 가열물질이 순환될 수 있도록 이루어진다.
이때, 상기 집열관(131)은 일정간격 이격된 상기 직사광셀(121)의 배치에 따라 하나의 라인을 통해 순환시키거나, 다수개의 라인을 통해 순환할 수 있도록 다양하게 배치할 수 있다.
즉, 상기 집열관(131)은 상기 직사광셀(121)의 위치에 맞춰 지그재그로 배치된 직렬방식으로 이루어지거나, 상기 직사광셀(121)에 맞춰 각각 배치하고 가열물질을 각각 공급하는 병렬방식 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 집열관(131)은 구리, 알루미늄, 은, 합금 등의 금속소재 또는 방열소재로 형성하여 광전으로 사용되지 못한 열 에너지를 통해 가열물질에 전달할 수 있도록 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 지지모듈(200)에 배치되며, 상기 열발전부(130)를 통해 발전된 열에너지를 저장하여 소비에너지로 공급하는 계간축열형모듈(140)이 더 포함된다.
이러한 상기 계간축열형모듈(140)은 상기 열발전부(130)를 통해 가열된 가열물질을 직접적으로 공급받거나, 가열물질의 열에너지를 전달받아 장기간 저장한다.
이렇게 저장된 열에너지는 가정, 산업 등의 다양한 목적에 맞춰 저장된 열 에너지를 사용할 수 있도록 공급한다.
따라서 상기 계간축열형모듈(140)은 상기 열발전부(130)에 의해 가열된 가열물질을 통해 발전된 열에너지를 장기간 저장하여 계절에 따라 저장된 열에너지를 온수, 급탕 등이 필요 시 공급하거나 열 변환을 통해 냉,난방에 다양하게 활용할 수 있다.
그리고 상기 발전모듈(100)에 태양광이 투과되도록 노출된 외면을 감싸 상기 집광렌즈(110), 상기 광발전부(120)를 보호하는 보호커버(150)가 더 포함된다.
이러한 상기 보호커버(150)는 태양광이 산란없이 투과 가능한 강화유리, 폴리카보네이트 등의 합성수지와 같이 강한 내구성을 가지는 재질로 제작하여, 상기 프레임(101)의 상면에 결합하여 상기 발전모듈(100)을 보호할 수 있다.
또는, 상기 집광렌즈(110), 상기 광발전부(120)의 상면에 각각 설치되어 상기 발전모듈(100)을 보호할 수 있다.
이를 통해 상기 보호커버(150)를 통해 상기 발전모듈(100)을 보호하여, 내구성이 약한 셀의 손상 및 파손을 방지하고, 습기 및 물 등의 유입을 차단하는 방수처리를 통해 안전하게 보호하여 장기간 사용할 수 있다.
또한, 사막 등의 환경에 의해 발생하는 먼지, 모래 등으로 부터 보호할 수 있다.
다음으로, 상기 지지모듈(200)은 지면에 고정설치되며, 다수개의 상기 발전모듈(100)이 태양의 위치에 맞춰 회전가능하도록 지지하는 지지대(210), 제1회전부재(220), 제2회전부재(230)로 이루어진다.
상기 지지대(210)는 지면에 설치된다.
즉, 상기 지지대(210)는 앵커, 볼트 및 너트 등의 일반적인 구성을 통해 지면에 고정되거나, 바퀴 등의 이동수단을 설치하여 이동가능하게 설치한다.
이때, 상기 지지대(210)의 내부에는 공간을 형성하여 상기 계간축열형모듈(140) 및 상기 순환수단(132)이 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제1회전부재(220)는 상기 지지대(210)의 상단에 좌,우 회전수단을 통해 회전가능하게 결합된다.
상기 제2회전부재(230)는 상기 제1회전부재(220)의 상단에 상,하 회전수단(240)을 통해 회전가능하게 결합되며, 다수개의 상기 발전모듈(100)이 설치된다.
따라서 상기 제1 및 제2 회전부재(220, 230)는 상기 지지대(210)에서 상부를 향하는 통상적인 지주, 프레임 등의 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 지지대(210)와 상기 제1회전부재(220)는 축 결합을 통해 좌,우 방향 회전가능하게 결합되며, 상기 회전수단(240)을 통해 회전된다.
이때, 상기 회전수단(240)은 모터, 실린더 등의 통상적인 구성을 통해 상기 제1회전부재(220)를 회전시키는 것이 바람직하다.
상기 제2회전부재(230)는 상기 제1회전부재(220)의 상단에 설치되며, 상단에 상기 발전모듈(100)이 설치되는 브라켓(231)이 형성된다.
이때, 상기 브라켓(231)은 상기 프레임(101) 또는 상기 발전모듈(100)이 다수개 설치될 수 있도록 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 브라켓(231)은 상기 회전수단(240)을 통해 상,하 방향 회전가능하게 지지된다.
여기서 상기 회전수단(240)은 모터, 실린더 등의 통상적인 구성을 통해 상기 브라켓을 회전시키는 것이 바람직하다.
이를 통해 상기 제1회전부재(220)는 상기 회전수단(240)에 의해 좌,우 회전되고, 상기 제2회전부재(230)는 상기 회전수단(240)을 통해 상기 브라켓(231)을 상,하 회전시켜 상기 발전모듈(100)을 상,하 및 좌,우 방향 회전 가능하게 지지한다.
그리고 상기 발전모듈(100)에 입사되는 태양의 위치를 감지 및 측정하는 측정수단(250)과, 상기 측정수단(250)에 의해 측정된 태양의 위치에 맞춰 상기 지지모듈(200)을 회전시키는 회전제어부(260)가 더 포함된다.
여기서 상기 측정수단(250)은 태양의 위치를 추적하는 위치센서 또는 입력된 정보를 통해 태양의 위치를 추적하는 저장부 중 어느 하나 또는 복합적으로 배치하여, 실시간으로 태양의 위치를 측정한다.
이때, 상기 측정수단(250)은 상기 태양의 위치를 용이하게 측정할 수 있도록 상기 지지모듈(200) 또는 외부에 선택적으로 설치가 가능하다.
그리고 상기 회전제어부(260)는 상기 측정수단(250)을 통해 측정된 태양의 위치에 맞춰 상기 회전수단(240)을 제어하여 상기 발전모듈(100)이 상기 태양을 향하도록 상,하 및 좌,우 방향을 회전시킨다.
이를 통해 상기 발전모듈(100)은 태양을 향해 위치를 변경하여 직사광 및 산란광의 입사량을 향상시킬 수 있다.
다음으로는 본 발명에 따른 작동상태에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 상기 기재된 바와 같이 상기 지지모듈(200)을 고정한 후, 상단에 상기 발전모듈(100)을 다수개 배치하여 태양광 및 태양열 발전이 이루어진다.
이때, 상기 발전모듈(100)은 직사광 및 산란광을 입사각에 맞춰 초점영역으로 집광하여 광에너지 발전이 이루어지며, 직사광의 초점영역에서 발생된 열에너지를 통해 열에너지 발전이 가능하다.
즉, 맑은 날일 때 대기중의 직사광은 56% 산란광은 44% 수준이며, 흐린 날에는 직사광이 20%, 산란광은 80%까지 변화된다.
이에 따라 입사되는 직사광은 상기 집광렌즈(110)를 통해 상기 직사광셀(121)이 위치한 지점에 초점영역에 집광되고, 산란광은 상기 집광렌즈(110)를 통해 상기 산란광셀(122)이 위치한 지점에 초점영역이 집광된다.
이때, 입사각의 변경시 산란광은 다양한 위치로 초점영역이 쉽게 변경됨에 따라 상기 산란광셀(122)은 넓은 면적에 배치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 집열관(131)은 상기 직사광셀(121)의 하면에 배치되며, 순환되는 가열물질은 상기 직사광셀(121)에 집광시 발생된 태양열을 통해 가열하여 열 발전이 이루어진다.
이에 따른 광에너지 및 열에너지의 발전 효율을 확인하기 위해 시뮬레이션을 진행하였으며, 상기 집열관내 물 부피 28.8cm3(길이 20cm, 폭 1.8cm, 높이 8mm), 두께 2mm 사각구리관, 태양광을 받는 면적 36cm2, 상기 직사광셀 윗면에 고르게 입사되는 태양광 에너지밀도 14kW/m2(집광비 14배), 상기 직사광셀 윗면에 입사되는 에너지 50.4W, 5분간 입사 출력량 3.614 kcal, 초기온도 영하 20℃, 유체는 물로써 비열 4.184J/g·℃인 조건에서 수행되었다.
또한, 상기 발전모듈 주변 조건은 가로, 세로, 높이 모두 60cm인 Air Box를 해석 환경 조건으로 설정하였다.
이에 따라 결과로써, 1,346초(22분 26초) 후 100℃의 물, 즉 끓는 온도에 이르는 것을 확인하였으며 2,000초(33분 20초) 후 152도(상전이를 가정하지 않았을 때)까지 상승함을 확인하였다. 이 경우, 난방으로 전환되는 에너지 효율이 77.22%임을 확인하였다.
즉, 추운 극지방에서도 태양광 시스템은 약 20분 이내에 70~80도의 건물 바닥 냉·난방수를 만들 수 있으며, 40도 수준의 목욕 온수를 11분 이내에 만들 수 있다.
이렇게 발생된 열 에너지는 상기 계간축열형모듈(140)에 저장하여 장기간 사용할 수 있다.
따라서 상기 계간축열형모듈(140)은 열발전을 통해 발생된 열에너지를 장기간 저장하며, 사용자의 필요에 따라 가정, 산업용 등에 맞춰 공급하여 다양한 용도에 맞춰 사용할 수 있다.
또한, 열에너지를 장기간 보관이 가능하여 소비에너지를 절약할 수 있으며, 열에너지 소비가 많은 기간에 사용하여 에너지 및 비용을 절약할 수 있다.
그리고 저조도시 산란광 흡수를 위해 광전효율 25.5%의 페로브스카이트 등 탠덤 셀을, 고집광셀로 광전효율 35% 셀을 사용한다고 가정하였을 때, 맑은 날(직사광 56%, 산란광 44%)의 발전효율은 37.3%, 흐린 날(직사광 20%, 산란광 80%)의 발전효율은 27.8%까지 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 다양한 날씨 환경에 따라 수시로 변화하는 태양광 형태에 대응하여 고효율성능을 확인할 수 있다.
그리고 상기 지지모듈(200)은 상기 측정수단(250)을 통해 태양의 위치를 확인하여 상기 발전모듈(100)이 상기 태양을 향하도록 실시간으로 위치를 조절한다.
이를 통해 상기 발전모듈(100)에는 태양의 고조, 위치 변화에 맞춰 직사광이 집속될 수 있도록 이루어지며, 직사광의 집속시, 날씨 등의 다양한 환경변화에 따라 발생하는 산란광을 함께 집속하여 발전이 가능하다.
이를 통해 직사광 및 산란광을 복합적으로 집광하여 효율적일 광 발전이 가능하며, 직사광을 통해 집광된 초점영역에서 발생된 열에너지를 통해 발전효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 발전모듈(100)은 태양의 위치에 맞춰 위치를 조절하여 직사광의 원활하게 입사되어 광발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 열에너지는 장기간 저장하여 효율적인 사용이 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 발전모듈 101: 프레임 110: 집광렌즈
120: 광발전부 121: 직사광셀
122: 산란광셀 130: 열발전부
131: 집열관 132: 순환수단
140: 계간축열형모듈 150: 보호커버
200: 지지모듈 210: 지지대 220: 제1회전부재
230: 제2회전부재 231: 브라켓
240: 회전수단 250: 측정수단
260: 회전제어부

Claims (8)

  1. 집광렌즈(110)에 수직으로 입사되는 직사광 및 상기 집광렌즈(110)에 날씨나 대기 변화에 따라 수직으로 입사되지 않는 산란광의 입사각에 따라 각각 형성된 초점영역을 통해 발전이 이루어지는 발전모듈(100)과,
    상기 발전모듈(100)을 다수개 안착되며, 태양의 위치를 추적하여 상기 발전모듈(100)을 회전시키는 지지모듈(200)로 이루어지되,
    상기 발전모듈(100)은,
    상면은 평면으로 형성되고 하면은 굴곡형으로 형성되어 직사광 및 산란광의 입사각에 따라 각각의 초점영역을 형성하는 상기 집광렌즈(110)와,
    상기 집광렌즈(110)의 하부에 일정간격 이격 배치되며, 직사광 및 산란광에 따라 위치가 변화된 초점영역에서 광에너지를 통해 발전하는 광발전부(120)와,
    상기 광발전부(120)의 하면에 설치되어 초점영역에서 발생된 열에너지를 통해 발전하는 열발전부(130)로 이루어지고,
    상기 광발전부(120)는,
    상기 집광렌즈(110)를 통해 직사광의 초점영역에 길이방향을 따라 배치된 직사광셀(121)과,
    상기 집광렌즈(110)를 통해 산란광의 초점영역에 맞춰 상기 직사광셀(121)의 양측에 배치되는 산란광셀(122)로 이루어지고,
    상기 직사광셀(121)은 직사광의 광전효율이 높은 갈륨비소(GaAs)를 포함하는 재질로 이루어지고, 상기 산란광셀(122)은 산란광의 광전효율이 높은 페로브스카이트를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발전모듈(100)이 상면이 노출되도록 사방으로 복수개 배치되는 배치공간을 형성하며, 상기 지지모듈에 고정되는 프레임(101)이 더 포함되며,
    상기 발전모듈(100)이 설치된 상기 프레임(101)은 상기 지지모듈(200)에 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열발전부(130)는,
    상기 직사광셀(121)의 하면에 배치되며, 상기 지지모듈(200)로 연장된 집열관(131)과,
    상기 지지모듈(200)의 내부에 설치되며, 상기 집열관(131)과 연결되어 태양열 에너지에 의해 가열되는 가열물질을 순환시키는 순환수단(132)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지모듈(200)에 배치되며, 상기 열발전부(130)를 통해 발전된 열에너지를 저장하여 소비에너지로 공급하는 계간축열형모듈(140)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발전모듈(100)에 태양광이 투과되도록 노출된 외면을 감싸 상기 집광렌즈(110), 상기 광발전부(120)를 보호하는 보호커버(150)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지지모듈(200)은,
    지면에 설치되는 지지대(210)와,
    상기 지지대(210)의 상단에 좌,우 회전수단(240)을 통해 회전가능하게 결합된 제1회전부재(220)와,
    상기 제1회전부재(220)의 상단에 상,하 회전수단(240)을 통해 회전가능하게 결합되며, 다수개의 상기 발전모듈(100)이 설치된 제2회전부재(230)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 발전모듈(100)에 입사되는 태양의 위치를 감지 및 측정하는 측정수단(250)과,
    상기 측정수단(250)에 의해 측정된 태양의 위치에 맞춰 상기 지지모듈(200)을 회전시키는 회전제어부(260)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 렌즈 집광형 열병합 태양광 시스템.
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