KR200182377Y1

KR200182377Y1 - 태양열 집광집열기

Info

Publication number: KR200182377Y1
Application number: KR2019990028887U
Authority: KR
Inventors: 김동선
Original assignee: 김동선
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2000-05-15

Abstract

본 고안은 태양열 집광집열기에 관한 것으로서 고 집광비 획득과 흐린날 및 야간에도 흡열기내 열전달 유체를 지속적으로 가열시킬 수 있는 수단을 제공하기 위해 복수 개의 집광경에 입사되는 태양광을 한 개의 집점으로 집광하는 집광 광학계와; 대기중 수분, 이물질로부터 반사면을 보호하기 위한 수단과; 고 에너지 레이저 광선을 보조열원으로 사용하기 위해 레이저 발진기와 레이저 발진기 구동전력 공급을 위한 태양열 발전장치를 구비하여 구성되었다. 본 고안은 고 집광비를 얻을 수 있을 뿐만아니라, 흐린날 및 야간에도 지속적으로 열전달 유체를 가열할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

태양열 집광집열기

본 고안은 복수개의 집광경에 입사되는 태양광을 한 개의 집점으로 집광하여 고 집광비(集光比)를 얻을 수 있는 집광 광학계를 구비하고, 고 에너지 레이저 광선을 보조 열원으로 사용하는 태양열 집광집열기에 관한 것이다.

태양열을 직접 이용하는 기술중에서 집열 온도를 높이기 위해 초점형 또는 비초점형 집광기중, 포물면경이나 구면경을 집광기로 사용하는 종래의 태양열 집광기의 경우, 높은 집광비(집광경의 입구면적을 집광된 빛의 단면적으로 나눈 값)를 얻을 수 있는 반면, 한 개의 반사경에는 집광된 광 에너지를 흡수하는 한 개의 흡열기가 결합되거나 2차 반사 거울이 결합 구성되었다.

이러한, 흡열기나 2차 반사 거울은 태양광 에너지를 차단, 낭비시켜 집광비(집열율)를 저하시키는 요인으로 작용한다.

따라서, 집광비를 증대시키기 위해서 집광경 입구의 면적을 확대시켜야 하나, 제작상 어려움이 많아 집광경 입구의 면적을 무한정 확대시킬 수 없는 문제점이 있을 뿐만아니라, 정상조업 즉 집광경이 정상적인 기능을 발휘하기 위해서는 대기중에 노출된 집광경의 반사면을 종종 닦아 주어야하는 조업상의 문제점도 있다.

또한 종래의 태양열 집광집열기는 흐린날에는 집열 집광 능력이 현저히 저하될 뿐만 아니라 야간에는 전혀 사용할 수 없는 문제점이 있어 집열 집광 능력 보완장치가 요구된다.

본 고안은 복수개의 집광경에 입사되는 태양광을 한 개의 점으로 집광시켜서 고 집광비를 얻을 수 있으며, 집광시 차단, 낭비되는 태양광 에너지를 고 에너지 레이저 광선이란 보조열원으로 전환하여 흡열기에 추가시킴으로서,

집열율 증대는 물론, 흐린날 및 야간에도 흡열기내의 유체를 지속적으로 가열시킬 수 있는 태양열 집광집열기를 제공함에 그 목적이 있다.

제 1도 : 본 고안 태양열 집광집열기의 보조열원 생성 장치 구성 및 고 집광비를 얻을 수 있는 집광 광학계의 구성도

제 2도 : 집광 광학계의 집광 원리를 설명하기 위한 설명도

제 3도 : 본 고안의 실시 예를 분해하여 보인 사시도

제 4도 : 본 고안 실시 예의 정면도

제 5도 : 제 3도의 집광경 장착대의 부분 확대도

제 6도 : 집광 광학계의 요부를 도시한 부분 단면도

제 7도 : 제 6도의 하우징을 상세히 도시한 사시도

제 8도 : 제 6도의 볼록 구면경의 장착대를 상세히 도시한 사시도

제 9도 : 제 3도의 흡열기의 구성 단면도

제10도 : 육각뿔 미러의 A - A 선에 의한 부분 단면 확대도

제11도 : 본 고안의 실시 예에 관한 태양열 집광집열기가 태양광 추적장치와 겹합된 상태를 도시한 사시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

1. 태양광 13,13a,13b,13c. 집광경 광학계에서 집광된 광선

2. 집광경 광학계 21. 포물면 집광경(포물면 반사경)

22. 볼록 구면경 23. 하우징

24. 렌즈 25. 평면 미러

26. 볼록 구면경 장착대 3. 프레임

4. 케이스판 5. 집광경 장착대

6. 다각뿔 미러 60. 다각뿔 미러 중심축

61. 다각뿔 미러의 옆면경 7. 흡열기

71. 흡열통 72,72a. 흡열면

8. 레이저 발진기 81. 고 에너지 레이저 광선

82. 태양전지 어레이 9. 태양광 추적 장치

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은 복수개의 집광경에 입사된 태양광 에너지를 낭비 없이 흡열기에 전달함에 있어, 태양광을 집광시켜 고 에너지를 얻고, 일부 집광 못한 태양광 에너지는 보조열원을 생성하는데 사용함으로서 열전달 유체를 가열시키는 흡열기의 흡열율을 증대시킴은 물론, 보조열원 생성 장치의 에너지 저장 기능을 이용, 흐린날 및 야간에도 지속적으로 흡열기의 흡열통에 일정 에너지를 제공할 수 있도록 하기위해;

복수개의 집광경에서 집광된 광선들을 다시 한 개의 점으로 흡열면에 재집광 시키는 집광 광학계와; 대기중 수분, 먼지나 이물질로부터 광학계를 구성하는 집광경, 렌즈, 미러들의 반사면을 보호하기 위한 수단 과; 집광시 복수개의 볼록 구면경에 의해 차단, 낭비되는 태양광 에너지를 태양 전지 어레이를 이용하여 레이저 발진기를 구동할 수 있는 전력으로 전환하여, 흡열통내의 열 전달 유체를 가열시킬 수 있는 보조열원으로서 고 에너지 레이저 광선을 생성하는 레이저 발진기에 공급하거나 전력을 저장할 수 있는 태양열 발전 장치와 레이저 발진기를 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 고안에 있어 핵심 수단인 집광원리는 도 1과, 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

본 고안 태양열 집광집열기의 집광원리는 포물면 집광경(포물면 반사경)(21)과; 볼록 구면경(22)과; 렌즈(24)와; 평면 미러(25)가 동일 광축(20)을 갖도록 구성된 집광경 광학계(2)에서 광축(20)에 평행으로 입사되는 태양광(1)을 집광하고 1차,2차 반사시켜, 집광경(반사경)의 뒷면에 위치하고 45도 기울기(251)를 가진 평면미러(25)를 이용하여 광축(20)과 직각으로 반사된 복수개의 집광선들(13,13a,13b)을 다각뿔 미러의 옆면경(61)들에 의해 다시 다각뿔 미러의 중심축(60)의 한점(70)에 모이게 함으로서, 고 집광비 획득, 즉 복수개의 포물면 집광경(포물면 반사경)(21)의 입구 면적을 합한 결과를 얻을 수 있으며, 또한 다각뿔 미러의 옆면경(61)의 상하, 좌우 기울기(63,64)를 조절함으로서 흡열통의 흡열면(72)과 다각뿔 미러(6) 간의 간격 조절은 물론, 복수개의 집광선들을 흡열면의 한점에 정확하게 재 집광 시킬 수 있다.

이러한 본 고안에 따른 태양열 집광 집열기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 제 3도는 본 고안에 따른 태양열 집열집광기의 실시예의 구성을 알 수 있도록 분해하여 보인 사시도이고, 제 4도는 본 고안 실시 예의 정면도이며, 제 6도는 집광 광학계의 요부를 도시한 부분 단면도로서, 본 고안에 따른 태양열 집광집열기에 있어서;

보조열원 생성 장치는 6개의 볼록 구면경(22)에 의해 차단, 낭비되는 태양광 에너지를 태양전지 어레이(82)를 이용 레이저 발진기의 구동전력으로 전환하여 고출력 레이저 발진기(8)에서 생성되는 고에너지 레이저 광선(81)을 흡열면(72a)에 조사하여 흡열통내의 열전달유체를 가열하는 장치로서 고출력 레이저 발진기와 태양열 발전장치를 포함한다.

이러한 레이저 발진기 구동전력을 공급하기 위한 태양열 발전장치는 태양광 에너지를 전기 에너지로 전환하고 저장 기능을 갖음으로서, 태양광이 불충분하거나 거의 없을 때, 또는 야간에 저장된 전력을 사용 고 에너지 레이저 광선을 생성하여 흡열통이 일정한 고온으로 유지되도록 하는 수단을 제공하며, 불록 구면경 장착대에 결합되어 일정 면적의 태양광 에너지를 직류 전류로 전환시키는 태양전지 어레이(82)와; 프레임 외면에 부착된 축전지(84)와;

레이저 발진기의 구동 전력 공급 장치의 동작상태를 측정, 감시 및 조정을 하며, 야간 또는 부조일(흐린날)의 전력 사용을 위한 축전지와 태양전지 어레이를 연결시켜 잉여 전력을 축전지(84)에 저장하고 저장된 전력을 재사용하는 역할을 수행하는 중앙제어장치(83)와; 직류를 교류로 변환시키는 직류교류 변환장치(85)와; 각 장치들을 연결하여 회로를 구성시키는 전선(86)들을 구비한 구동 전력 공급장치가 결합 구성 되었다.

또한, 태양전지 어레이(82)를 비롯하여 집광 광학계에 포함된 반사경, 렌즈, 평면미러 및 옆면경의 반사면 보호수단은 대기중의 수분과 먼지를 포함한 이물질로부터 반사면들을 보호하기 위해 집광경 장착대(5)와 결합된 지지봉(55)과 6개의 프레임 내면 돌출부(31,31a,31b,31c)의 끝단면에 투명 유리판(42)을 부착하고 유리판에 천공된 구멍(45)에 부싱이 끼워진 볼트(44)를 삽입, 돌출부의 끈단면에 형성된 암나사와 체결하고, 프레임 돌출부 외면에 케이스판(4)을 나사(41,41a,41b,41c)를 이용, 결합시킴으로서 밀폐 공간이 형성되고 밸브(36)를 이용 밀폐공간 내부에 있는 수분이나 먼지 등 이물질을 제거하여 형성된 진공공간을 구비하여 구성되었다.

그리고, 6개의 포물면 반사경(21)으로 입사된 태양광(1)을 한 개의 점으로 집광 시키기 위한 집광 광학계를 구성하기 위하여,

제 6도에서 도시된 바와 같이 레이저 발진기와 결합된 흡열기를 프레임 외면의 원형홈(38)에 고정 결합하고; 집광경 장착대(5)의 돌출부(54)를 프레임 내면에 단을 이룬 원형 홈(37)에 삽입하고 볼트(541)로 체결하여 고정 결합하며;

동 집광경 장착대(5)가 구비한 6개의 장.단 지지대들의 교점에 육각뿔 미러(6)를 고정 결합하고; 각각의 지지대에 형성된 구멍(51)과 동심원이며 단을 이룬 원형 홈(52)에 포물면 반사경과 결합된 하우징(23)을 삽입하고, 볼트(571)로 체결하여 포물면 반사경과 집광경 장착대를 고정 결합하고;

볼록 구면경(22)과 결합된 볼록 구면경의 장착대(26)를 원형 홈(53)에 고정 결합함으로서 포물면 반사경(21)과 볼록 구면경(22)과 렌즈(24)와 평면미러(25)이 동일 광축을 이루고, 평면미러에서 꺾인 광축이 육각뿔 미러의 중심축(60)에 수직으로 조사되도록 함으로서 집광 광학계가 구성된다.

제 4도는 본 고안 실시 예의 정면도이고, 제 6도는 집광 광학계의 요부를 도시한 부분 단면도이다.

상기 포물면 반사경(21)은 광축으로 평행하게 입사되는 태양광을 집광시키는 기능을 수행하며, 조립을 용이하게 하고, 렌즈(24)와 평면미러(25) 및 볼록 구면경(22) 등이 동일 광축(20)을 정확히 유지시키기 위한 테이퍼진 중공이 형성된 원판(213)과; 반사경 끝부분 원주 선상과 결합 일체화된 육각형 테두리판(212)과; 볼록 구면경 장착대(26)가 통과되도록 육각형 테두리판의 각 꼭지점에 형성된 일정 반경의 홈(214)을 구비함을 특징으로 한다.

제 8도는 볼록 구면경 장착대를 도시한 사시도이다. 볼록 구면경의 광축이 포물면 반사경의 광축(20)과 일치하도록 함과 동시에, 태양 전지 어레이(82)가 양호한 수광 위치를 갖도록 하는 볼록 구면경 장착대(26)는 원형 홈(53)과 동일한 원주를 가지며, 볼트를 이용 장착대와 결합이 용이하도록 한 암나사(266)를 구비한 안내판(261)과, 골조(262)와 천공된 테이퍼 구멍(265)를 갖는 고정판(264)이 결합 일체화된 특징을 갖는다.

상기 볼록 구면경(22)은 포물면 반사경에서 집광되어 일차 반사된 집광선의 광로 방향을 180도로 바꾸어 포물면 반사경의 후면에 초점이 형성되도록 하는 기능을 갖고 있으며, 장착대(26)와 결합시 포물면 반사경과 정확하고 동일한 광축(20)을 유지할 수 있도록 반사면 후면의 원형 평판과 광축(20)이 만나는 부분에 테이퍼 형상의 돌기(221)를 형성하고, 돌기 끝단면에 암나사가 형성되어 있어, 볼트(222)에 의해 테이퍼 형상의 돌기(221)가 장착대에 고정 결합됨을 특징으로 한다.

제 7도는 하우징을 상세히 도시한 분해 사시도이다. 상기 하우징(23)은 포물면 반사경을 집광경 장착대와 결합시킴과 동시에 렌즈(24)와 평면미러(25)이 포물면 반사경과 동일 광축(20)을 갖도록 하며, 이를 위해 천공하여 나사부를 형성한 구멍(237)과 중심축과 45도의 기울기를 유지하도록 하는 일측면이 제거되고 중공의 평면미러 고정 원통(236)과; 원판 형상의 단(234)과 일체화된 테이퍼 형상의 단(235)과; 하우징과 반사경을 결합시키는 역할을 하는 원주면에 나사부가 형성된 중공의 돌기(233)와 고정 나사링(231)을 구비하여 일체화 되었으며,

볼록 구면경에서 반사된 집광선의 초점 조절 및 일정한 직경을 갖도록 하는 렌즈(24)를 고정 나사링(232)을 이용 구멍(237)내에 고정 위치시키고 집광선을 광축으로부터 45도 방향으로 꺾어 다각뿔 미러 중심축(60)에 수직으로 조사되도록 하는 평면미러(25)는 나사(251)를 이용, 평면미러 고정 원통(236)에 부착 결합함으로서 완성된다.

제 10도는 육각뿔 미러의 A - A 선에 의한 부분 단면 확대도이다. 상기 육각뿔 미러(6)는 6개의 포물면 반사경에서 집광된 광선들을 한 점으로 재집광시키기 위해, 육각뿔 미러의 각 옆면에 삼각형을 이루도록 형성한 암나사, 그리고 암나사와 동심원을 이룬 스프링 지지홈(65)을 형성하고;

삼각 형상의 옆면경(61) 꼭지점 부분에 천공된 구멍에 중공의 구면홈판(67)을 삽입, 결합하고; 스프링(66)의 일 끝단을 지지홈(65)에 삽입하고, 다른 끝단을 구면홈판(67)에 끼운후, 구면머리 볼트(68)를 구면홈판에 삽입하고 육각뿔 미러의 각 옆면의 암나사에 나삽함으로서 옆면경의 상하, 좌우 기울기(63,63a)를 미세하게 조정할 수 있다.

제 3도와 제 9도에서 보여지는 바와 같이, 집광으로 집적된 태양광 에너지를 열에너지로 전환하여 사용할 수 있도록 하는 장치로서 흡열기(7)는, 흡열통(71)과; 흡열기를 프레임에 결합, 또는 레이저 발진기와 결합시키는 연결판들(746,741)을 포함하고, 열결판을 통해 레이저 발진기 및 광학계 내부로 열이 전도되는 것을 방지하기 위해 냉각수 관(95)이 수장된 흡열통 지지대(74)와; 흡열통을 고정하고 고온이 지속적으로 유지되도록 하기 위해 흡열통(71)과 지지대(74)를 감싼 내.외부단열재(76,77)와;

열전달 유체의 온도와 흡열통(71)의 압력 상태를 알 수 있도록 하는 온도.압력센서(78)를 구비하여 구성되었다.

상기 흡열통(71)은 열전달 유체 유입관(712) 및 출구관(711)과; 열전달 유체에 열이 잘 전달되록 하는 열전달핀(73)과; 조사된 광선들의 반사를 방지하기 위해 항아리 형상의 홈을 갖는 흡열면(72,72a)를 구비하여 구성되었다.

제 11도는 본 고안에 따른 태양열 집광집열기가 태양광 추적장치와 결합된 상태를 도시한 사시도이다.

지상으로부터 보는 태양의 위치는 시시각각 변화한다. 따라서 효과적으로 집열하기 위해 집광경의 광축(20)이 태양빛과 평행하게 유지되기 위한, 태양광 추적장치(9)는 태양광 추적 센서(91)와; 결합판(92)과; 상하.좌우 구동장치(93,94)로 구성된다. 이러한 태양광 추적장치의 결합판(92)에 본 고안에 따른 태양열 집광집열기를 결합한다.

또한, 본 고안에 따른 태양열 집광집열기를 3개 이상 연설하여 하나의 태양열 집광집열 장치를 구성할 수도 있다.

수십개의 집광경으로 태양열 집광집열기를 구성 가능하기 때문에 고 집광비를 얻을 수 있을 뿐만아니라 보조열원을 이용하여 집열온도의 변화폭을 조절 가능하고, 흐린날 및 야간에도 지속적으로 흡열기내의 열전달 유체를 가열할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 효과들을 이용하여 난방, 태양열 발전, 오.폐수 정화를 위한 열원으로 활용할 수 있는 강점을 갖는다.

Claims

포물면 집광경(포물면 반사경)에 입사되는 태양광을 집광하고 집광된 광선을 광축과 수직방향으로 꺾는 수단을 제공하는 복수개의 집광경 광학계와, 복수개의 집광경 광학계로부터 집광된 광선들을 반사시켜 다시 한 개의 집점으로 모이도록 하는 다각뿔 미러와, 집광되어 집적된 태양광 에너지를 흡수하는 흡열기로 구성된 집광 광학계와;

청명일, 흐린 날 또는 야간에 흡열기안에 위치한 열전달 유체를 가열하는 보조 열원으로서 고 에너지 레이저 광선을 생성하는 레이저 발진기와, 복수개의 볼록 구면경에 의해 차단, 낭비되는 태양광 에너지를 전기로 전환하여 레이저 발진기의 구동 전력원을 만드는 태양열 발전장치로 구성된 보조열원 생성장치를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 태양열 집광집열기.
제 1항에 있어서, 집광경 광학계는 포물면 집광경(포물면 반사경)(21)과, 볼록 구면경(22)과, 렌즈(24)와, 평면미러(25)가 중공의 하우징(23)과 볼록 구면경 장착대(26)에 의해 결합, 동일 광축(20)을 갖으며, 45도 기울기를 갖는 평면미러(25)에 의해 집광된 광선이 광축(20)과 수직 방향으로 꺾이는 것을 특징으로 하는 태양열 집광집열기.
제 1항에 있어서, 태양전지 어레이(82)는 집광시 태양광을 차단시키는 볼록 구면경 반사면의 반대 면에 위치되는 것을 특징으로 하는 태양열 집광집열기.
제 2항에 있어서, 포물면 집광경(포물면 반사경)(21)은 반사면 중심부분에 위치한 테이퍼진 중공이 형성된 원판(213)과, 반사경 끝부분 원주 선상과 직각으로 결합 일체화된 육각형상의 테두리판(212)과, 육각형 각 꼭지점에 형성된 일정 반경의 홈(214)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양열 집광집열기.
제 1항에 있어서, 다각뿔 미러(6)는 다각뿔 미러의 옆면에 형성된 3개의 암나사와 스프링 지지홈(65)에 각 스프링(66)의 일 끝단을 삽입하고, 구면홈판(67)이 삽입된 옆면경(61)을 스프링 위에 위치시키고, 구면홈판에 삽입한 구면머리볼트(68)를 암나사에 나삽하고 좌우로 돌림으로써 옆면경의 좌우.상하 기울기를 미세하게 조정하여 복수개의 광선을 한 개의 집점으로 모으는 수단을 제공하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광집열기.