KR200445497Y1 - 반원형히터파이프와 열전발전반도체가 결합된 태양열 열전발전유리관. - Google Patents

Abstract

본 발명품은 태양광에 의해 2종류간의 이종금속에 의한 온도차로 열기전력이 발생하여 전류가 생성되는 구조이며, 열전발전반도체의 가열부와 냉각부와의 온도차가 크면 클수록 전기 생산양이 높음으로 열전발전반도체의 가열면은 원형의 히터파이프와 직접부착 용접되어 집광된 열에너지를 흡수하여 고온을 유지시켜고 열전발전반도체 냉각면은 구리파이프의 외부면에 직접부착 용접되어 구리파이프 내부 냉매유가 흐르면서 양단의 온도차가 크게 발생함으로 전기생산 효율을 높인다. 상기 열전발전반도체와 반원형히터파이프,구리파이프등은 초음파로 결합되고 투명한 원형유리관내에 위치하여 초음파로 결합된다. 내부는 진공상태를 유지하며, 지속적 태양열을 얻기 위해 2축 자동추적식 시스템을 이용한다.

열기발전유리관,반원형히터파이프,P형열전발전반도체,N형열전발전반도체,구리전극코팅층,세라믹코팅층,납코팅층.

Description

반원형히터파이프와 열전발전반도체가 결합된 태양열 열전발전유리관.{ SOLAR THERMOELECTROCITY GENERATION GLASS TO COMBIN SEMICIRCLE SHAPE HEAT PIPE AND THERMOELECTROCITY GENERATION SEMICONDUCTOR }

본 고안이 속하는 기술분야는 열역학 및 열전발전,물리학,기계공학 분야와 전기,전자,재료공학등이 연관된 분야이다.

본 고안은 고온을 얻기위한 배경기술로 2축 자동추적시스템 기술과 반사경, 전기 및 난방온수를 얻기위한 진공유리관내 열전발전반도체를 설치하고 냉각목적의 구리파이프를 설치하고 온수를 얻기 위한 축열탱크등이 설치된다. 유리관내 열전발전반도체에 고온을 얻기위한 기술이 종래와 다른점은 흑색티타늄이 코팅된 구리판도 집열효과는 크지만 잠열효과는 떨어지므로 반원형히터파이프를 설치해 내부잠열을 최대로 활용하는 것이 종래기술과 다르다.또한 반원형히터파이프와 구리파이프사이에 원형으로 열전발전반도체가 설치됨으로 설치공간을 줄일수 있다.

본 고안의 해결하고자하는 과제는 반원형히터파이프 내부에 열매체유를 80％ 충진하고 진공으로 유지한 상태에서 완전 밀폐시킨다. 내부잠열을 최대한 활용하여 열전발전반도체의 가열부에 열을 많이 공급함으로 전기생산을 높이고자 하는것이다.

본 고안의 기술적과제는 반원형히터파이프 내부에 열매체유를 80％충진하고 진공으로 유지한 상태에서 완전 밀폐시킨다. 열전발전반도체를 반원형히터파이프에 직접 용접시킬수 있도록 가열부인 반원형히터파이프에 절연물질과 열전도 기능을하는 얇은 세라믹층을 코팅하고 세라믹층의 상부층에 구리전극판코팅층을 형성시키고 구리전극판코팅층의 상부층에 납코팅층을 형성하고 냉각부인 구리파이프의 외부 상부층에 세라믹코팅층을 형성시키고 세라믹코팅층 상부층에 구리전극코팅층을 형성시키고 구리전극코팅층 상부면에 납코팅층을 형성시켜 반원형히터파이프와 구리파이프를 초음파로 결합하여 유리관 내부에 삽입시켜 다시 초음파로 용접시켜 유리관 내부를 진공으로 만드는 것이다.

고안의 효과는 반원형히터파이프를 활용하여 반원형히터파이프의 내부 잠열을 활용할 경우 10％의 효율 향상으로 열전발전반도체의 전기생산양을 높일 수 있다.

본 고안의 구성은 흡수한 태양에너지를 최대한 전기에너지로 변환할 수 있도록 2축 추적시스템,세라믹코팅층이 형성된 반원형히트파이프가 결합된 열전발전유리관 및 냉각유저장탱크 시스템등으로 구성된다.

도(1)에서 집열판하우스(10)는 에프알피(FRP)로 구성되고 형상은 밀폐된 상자형상에서 상부가 개방된 형태이며 상부는 강화유리(10-1)로 밀폐시켜 열손실을 막아 열효율을 높이고 내부는 집열효율을 높이도록 흑색으로 도장한다. 세라믹코팅층이 형성된 열전발전유리관, 추적시스템작동 예에서, 굴절용유입관(17)에 설치된 순환펌프(20)의 작동으로 냉각유저장탱크(19)의 냉각유가 집열판하우스(10)내에 고정 설치된 선형집광기(11)의 중앙부에 위치한 열전발전유리관(8)내{상기 선형집광기(11)의 구성은 0. 5mm 스테인레스면을 정밀 연마한 밀러판을 오목한 형태로 제작하고 집광능력은 1분 동안의 태양의 열량은 1㎡당 16㎉이며, 선형집광기(11)의 집광비가 20:1일 경우 1분당 열량은 320㎉이고 10분당 3200㎉이고 한 시간당 19200㎉이며, 8시간의 열량은 153600㎉이다.} 구리파이프(1)를 통과 하면서 온도가 상승하여 효율이 저하됨으로 가열된 냉각유는 순환과정을 통해 최종 하부의 열전발전유리관(8)을 거치면서 ( 냉매유는 글리세린을 사용하고) 굴절용배출관(18)을 통해 냉각유저장탱크(19) 유입되고 다시 순환과정을 거치는 냉각유는 온도가 상승되기 때문에 방열판(21)을 통과하면서 온도를 대폭 낮추어 발전효율을 높인다. 상기의 열량은 P형열전발전반도체(3) 및 N형열전발전반도체(4)를 분당 연속적으로 450℃로 가열할 수 있는 열량이다. 상기의 열전발전반도체는 양단간에 온도차가 크면 클수록 전력 생산 효율이 높아 짐으로 가열부는 도(2),도(3),도(4),도(5)에서 볼수 있듯이 가열부인 반원형히터파이프(2)의 안쪽면의 전체에(유리관 접합부의 제외) 절연 및 열전도 기능을 하는 얇은 세라믹코팅층(5)을 형성시키고 난 다음 세라믹코팅층(5)의 상부층에 상기의 열전발전반도체의 전류가 통할 수 있도록 직렬 및 병렬의 P형열전발전반도체(3), N형열전발전반도체(4) 크기의 구리전극 코팅층(6)을 형성시키고 구리전극코팅층(6)의 상부층에 구리전극코팅층(6)과 같은 형상의 납코팅층(7)을 형성시킨다.
냉각부는 원형인 구리파이프(1) 외부면 전체에(유리관 접합부위 제외) 절연 및 열전도 기능을 하는 세라믹코팅층(5)을 형성시키고 세라믹코팅층(5)의 상부층에 P,N형열전발전반도체(3),(4)의 전류가 통할 수 있도록 상기 열전발전반도체 크기의 직렬 및 병렬 형식의 구리전극코팅층(6)을 형성시키고 구리전극코팅층(6)의 상부층에 구리전극코팅층(6)과 같은 형상의 납코팅층(7)을 형성시켜 반원형히터파이프(2)와 구리파이프(1)를 초음파로 용접하여 결합시킨다.

상기에서 반원형히터파이프(2)는 작동유가 80％ 충진 되어 있고 20％는 진공 상태로 유지시킨 구조이고 양단이 밀페된 형태이고 재료는 구리를 사용하고 상기 반원형히터파이프(2)의 외부면은 티타늄 흑색 증착을 하여 반원형히터파이프(2)의 내부 잠열을 최대로 저장하여 집열효율을 높인다. 세라믹코팅층(5)은 열전발전유리관(8)이 구리파이프(1)와{구리파이프(1)는 내부가 비어 있는 형상으로 P,N형열전발전반도체(3),(4)의 냉각부에 온도를 낮추기 위해 냉매유가 흐르도록 되어있다.}

접합이 되도록 접합부위는 코팅을 하지 않는다.(유리와 구리의 용접을 하기 위해) 상기에서 세라믹코팅층(5)은 열전도기능이 탁월한 탄화규소를 이용함으로 열전도 효율을 배가시켜 전기생산양을 높인다. 상기 초음파로 결합된 반원형히터파이프(2)와 구리파이프(1)를 투명한 열전발전유리관(8) 속에 정렬시킨후 초음파 용접을 하여 내부를 진공상태로 만든다.

도(2)에서 상기 열전발전유리관(8)은 지름이 47mm인 투명 강화유리관으로 구성된다. 열전발전유리관(8)에서 생산된 전기는 인버터(23)를 이용해 직류를 교류로 전환시킨다. 상기에서 열전발전반도체 재료는 P형열전반도체(3)에 텔루르화납 및 N형열전반도체(4)에는 텔루르화납에 불순물을 첨가한 것을 사용한다.

열전발전유리관(8)에 열에너지를 지속적으로 공급하기 위해서 추적시스템이 필요하며, 추적시스템에서 집열판하우스(10)의 중앙부측면에 광센서상자(9)가 설치 되며, 내부는 광센서인 씨디에스센서(22)가 설치되고 광센서상자(9)의 상부에 투광되는 홈은 자외선차단용 필름이 부착되어 씨디에스센서(22)를 자외선에 의한 파손을 막는다, 시스템 운용 방식은 씨디에스센서(22)의 전기적 신호를 입력받아 마이크로프로세스내에 프로그램 순서도에 따라 자동 작동하고 수직부 및 수평부 제어각도는 0.06°와 0.1°이내에서 제어된다.

수직 및 수평방향 제어시스템 방법은, 도(6)에서 볼 수 있듯이 일차적으로 5개의 씨디에스센서(22)가 설치되어 있는 광센서상자(9)에 의해 태양위치의 동서방향의 위치를 파악하여 움직인다. 실시 작동예는 도(7)과 도(8), 도(9)과 도(10)에서 볼수 있듯이 다섯개의 광센서는 덧셈기호 모양과 같은 (+)형상으로 배열되고 상기 밀착된 형태로 조합되는 씨디에스센서(22)를 덮고 있는 광센서상자(9)의 상부면의 중앙부는 작은 홈이있고 사방이 밀폐된 금속 및 합성수지속로 구성된다.

작동예로 도(7)에서 볼 수 있듯이, 중앙 및 좌우에 위치하는 씨디에스센서(22)에 빛이 수직으로 투사될 때{ 점선으로 된 원형점선은 태양빛이 수직으로 투사되는 지역을 의미하며, 씨디에스센서(22)의 광량이 동등하다는 것은 저항값이 감소함을 의미} 정지된다. 상기 작동원리는 빛이 수직으로 입사될 때 광센서의 광량의 유무에 따라 기전력에 따른 저항의 감소로 5볼트에서 2볼트로 변화되므로 변화된 저항값은 자동제어기(15)의 마이크로프로세스내의 중앙연산처리장치의 입력부로 전송되고 짜여진 프로그램의 순서도에 따라 낮아진 저항값에 대응하는 다음 동작을 수행토록 출력부로 전기신호를 단락시켜 수평디씨모터(13)를 정지시켜 집열판하우스(10)를 햇빛이 투사되는 방향과 일치시키면, 상기 내부에 설치된 선형집광기(11) 에 의해 빛이 집광되면서 열이 발생하므로, 도(1)에서 굴절용유입관(17)에 설치된 순환펌프(20)의 작동으로 냉각유가 열전발전유리관(8)으로 통과 하면서 전기를 얻을 수 있으며, 상기의 순환과정을 거치면서 최종 하단부 열전발전유리관(8)에 연결된 굴절용배출관(17)을 통해 냉각유저장탱크(19)에 저장되고, 또한 상기 선형집광기(11),열전기발전유리관(8)들과 집열판하우스(10) 외부에 설치된 광센서상자(9) 햇빛이 투사되는 방향과 일치 된다.

예에서, 도(8)에서 볼 수 있듯이( 원형점선은 햇빛이 투과되는 지역임), 15초후 태양의 위치가 정지위치에서 서쪽으로 움직일 경우 씨디에스센서(22)의 값은 순간적으로 저항값이 5볼트 수준으로 상승되고 { 5개의 씨디에스센서(22)중 좌측부및 중앙부,상하부 씨디에스센서(22)가 햇빛이 투광되지 않으므로 저항값이 상승함. 만약 5개의 씨디에스센서(22) 전체에 빛이 투광될 경우 저항이 감소함.} 상기의 경우에 자동제어기(15)내 프로그램은 저항값을 낮추도록 프로그램이 작성되었기 때문에 다시 수평디씨모터(13)를 작동시켜 서쪽방향으로(프로그램적으로 다시 동쪽으로 움직이지 않는다.)움직이다 정지시킨다. 상기의 경우에서, 집열판하우스(10)내 선형집광기(11)의 중심에 위치한 열전발전유리관(8)이 태양을 향하면서 열을 흡수하여 전기를 생산 한다. 고정부(24)와 회전부(25)의 작동을 원활하게 위해 볼캐스터를 설치하고 회전부(25)에 고정된 스프라켓이 체결된 감속비가 1600:1인 수평디씨모터(13)에 전원을 인가해 상기 회전부(25)를 회전시키고 기어 형상으로 가공된 고정부(24)에 연결된 고무벨트(16)를 구동하여 회전부(25)의 상부면에 집열판하우스(10)와 ,선형집광기(11),열전발전유리관(8),광센서상자(9)들을 움직인 태양을 향하 도록 한다.

상하방향의 추적을 원활하게 위해 회전부(25)는 고정부(24)위에 위치하고 상기의 상부면에 지지대가 설치되고 상기 최상부면에 집열판하우스(10)를 상하로 작동할 수 있도록 돌출된 측면부에 왕복이송가이드(26)를 설치하며,상하 이동이 가능하도록 스크류(14)의 한쪽부에 수직디씨모터(12)가 연결되고 반대부는 집열판하우스(10)에 체결된다.

제어부에서 (+)형상의 씨디에스센서(22)의 중앙부에서 상하에 위치한 씨디에스센서(22)에서 태양의 위치가 하에서 상으로 상승할 경우 변환되는 저항값으로 수직디씨모터(12)에 연결된 스크류(14)를 회전시켜 집열판하우스(10)를 상승시켜 태양의 위치와 일치시킨다. 중앙부 위치한 선형집광기(11)와 상기의 중앙부에 위치한 열전발전유리관(8)과 광센서상자(9)도 같이 상승되어 태양의 위치와 일치되므로, 굴절용유입관(17)에 설치된 순환펌프(20)의 작동으로 냉각유는 상기의 집열판하우스(10)의 선형집광기(11)의 중심부에 설치된 열전발전유리관(8)으로 통과하면서 전기를 생산하고 최종 하단부 열전발전유리관(8)을 통과한 냉각유는 굴절용배출관(18)을 통해 냉각유저장탱크(19)내 저장된다.

실시예 도(9)에서 볼 수 있듯이,집열판하우스(10)와 태양의 위치가 일치할 경우 상기 광센서상자(9)내에 (+)형의 씨디에스센서(22)중 중앙부의 상하에 있는 씨디에스센서(22)에 투광되는 빛의 양이 동등할 경우 발생되는 저항값은 5볼트에서 2볼트로 감소하므로 자동제어기(15)내 마이크로프로세스내의 중앙처리장치의 입력부로 입력되어 짜여진 프로그램으로 순서도에 따라 동작을 수행토록 출력부를 통해 전기적 신호를 중앙부에 측면에 설치된 왕복이송가이드(26)면에 부착한 회전비 1000:1인 감속기가 부착된 수직디씨모터(12)에 전기신호를 단락시켜 중지시킨다.

( 원형점선은 빛이 투광되는 지역이 동등함으로 저항값 감소함.) 상기에서 태양의 위치가 기존보다 상승하면 도(10)에서 볼 수 있듯이 빛이 투광되는 씨디에스센서(22)의 면적이 동등하지 않으므로 즉 저항값이 상승하므로{중앙 및 좌우와 하부 씨디에스센서(22)가 빛이 투광 되지 않음.} 자동제어기(15)내의 마이크로프로세스의 짜여진 프로그램 순서도에 따라 감속기가 부착된 수직디씨모터(12)의 한쪽면에 스크류(14)가 연결 고정되고 반대쪽은 집열판하우스(10)와 연결되어 상승쪽으로 회전하여 이동해 멈춘다.

상기의 예는 태양의 위치가 하강할 경우도 똑같이 적용된다. { 수직부 제어에서 마이크로프로세스와 같이 작동되는 타이머 기능의 칩을 통해 정오 12시(계절별 동일) 이하에서 12시 방향으로 상승 작동하고 하강방향으로 작동하지 않고 또한 12시를 넘은 오후에는 상승하지 않고 하강방향으로만 작동하도록 한다.} 집열판하우스(10)는 일몰 상황일 경우 초기 동쪽 방향으로(일출방향으로 향한다.) 향한다.

도1은 측면도이다.

도2는 열전발전유리관의 사시도이다.

도3은 열전발전유리관의 상세 분해사시도이다.

도4는 도2의 반원형히터파이프에 대한 상세도이다

도5는 도2의 구리파이프에 대한 상세도이다.

도6은 광센서상자 사시도이다.

도7은 수평디씨모터 정지시 평면투시도이다.

도8은 수평디씨모터 작동시 평면투시도이다.

도9는 수직디씨모터 정지시 평면투시도이다.

도10은 수직디씨모터 작동시 평면투시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1.구리파이프 2.반원형히터파이프 3.P형열전발전반도체 4.N형열전발전반도체

5.세라믹코팅층 6.구리전극코팅층 7.납코팅층 8.열전발전유리관

9.광센서상자 10.집열판하우스 10-1.강화유리 11.선형집광기

12.수직디씨모터 13.수평디씨모터 14.스큐류 15.자동제어기 16.고무벨트

17.굴절용유입관 18.굴절용배출관 19.냉각유저장탱크 20.순환펌프

21.방열판 22.씨디에스센서 23.인버터 24.고정부 25.회전부 26.왕복이송가이드

Claims (1)

1. 가열부에 열매체유인 글리세린이 80％로 충진된 양단이 밀폐된 반원형히터파이프(2)의 안쪽면 전체에 절연 및 열전도 기능을 하는 세라믹코팅층(5)을 형성시킨 다음 상기의 상부층에 P형,N형열전발전반도체(3),(4)의 전류가 통할 수 있도록 상기 열전발전반도체 크기의 직렬 및 병렬의 형식의 구리전극코팅층(6)을 형성시키고 상기의 상부층에 구리전극코팅층(6)과 같은 형상의 납코팅층(7)을 형성시키고 냉각부는 냉매유가 흐르는 내부가 비어 있는 구리파이프(1) 외부면 전체에 절연 및 열전도 기능을 하는 세라믹코팅층(5)을 형성시키고 상기의 상부층에 P형,N형열전발전반도체(3),(4)의 전류가 통할 수 있도록 상기 열전발전반도체 크기의 직렬 및 병렬의 형식의 구리전극코팅층(6)을 형성시키고 상기의 상부층에 구리전극코팅층(6) 형상과 같은 납코팅층(7)을 형성시켜 반원형히터파이프(2)와 구리파이프(1)를 결합시켜 초음파로 용접시키고 상기 반원형히터파이프(2)의 외부면은 티타늄 흑색을 증착을 하고 상기 초음파로 결합된 반원형히터파이프(2)와 구리파이프(1)를 투명한 열전발전유리관(8)속에 정렬시킨후 초음파로 용접을하여 내부를 진공상태로 만들어 반원형히터파이프(2)의 내부잠열을 최대한 얻는것을 특징으로하는 반원형히터파이프와 열전발전반도체가 결합된 태양열 열전발전유리관.

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