KR20050042314A - 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집열장치가 태양의 이동방향에 따라 이동하면서 태양열을 효율적으로 집열시켜 그 열을 이용하여 물을 데워 난방 등에 이용할 수 있도록 한 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 태양열을 집열하여 반사하기 위해 소정의 곡률을 갖는 다수의 집열판들(10)과; 상기 집열판들(10)을 지지하기 위한 프레임(20)과; 상기 집열판들(10)에 의해 반사된 태양의 초점이 모이는 곳에 설치되어 태양열을 집열하여 물을 소정의 온도로 가열시키기 위한 발열수단(30)과; 상기 프레임(20)의 일측에 설치되어 계절에 따라 변하는 태양의 고도에 따라 상기 집열판(10)의 높낮이 조절이 가능한 수직높이조절수단과; 상기 집열판(10)을 태양의 이동방향에 따라 회전시키기 위한 수평회전수단과; 상기 태양의 이동방향을 감지하기 위한 센서들과; 상기 센서의 감지신호를 받아 상기 수직높이조절수단과 수평회전수단을 제어하여 집열판(10)이 항상 태양을 바라보게 하는 제어수단을 구비함을 기술적 구성상의 특징으로 한다.

본 발명에 이용되는 발열수단(30)은 집열된 태양열을 보온할 수 있는 유리관체(40) 내부에 수용되며, 상기 발열수단(30)은 그의 중앙부에 길이방향으로 형성된 물순환관(31)을 포함하고, 상기 물순환관(31)의 외부에는 집열된 열의 전달을 용이하게 하기 위한 다수의 방열핀들(32)이 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 유리관체(40)내에 수용되는 발열수단(30)은 다수의 발열수단들(30)이 연결 조립되어 다량의 물을 가열시키도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 태양열 집열장치(10)는 집열판(10)이 태양의 빛을 모아 발열수단인 집열부(30)로 보내 집열부를 통과하는 물을 가열하여 난방이나 발전에 이용할 수 있고 센서(101,102)와 제어부(120)에 의하여 집열판(10)이 태양의 이동에 따라 수직이동, 수평이동 및 회전되기 때문에 태양열의 집열효율이 높은 효과가 있다.

Description

집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치{Solar collecting apparatus having variable function of a collecting angle}

본 발명은 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집열장치가 태양의 이동방향에 따라 이동하면서 태양열을 효율적으로 집열시켜 그 열을 이용하여 물을 데워 난방 등에 이용할 수 있도록 한 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양에너지는 풍력 및 수력 등과 함께 청정한 자연친화적 성격의 무한한 에너지원으로 고갈 위험에 처해 있는 화석원료의 유용한 대체수단으로 기능한다.

특히, 태양에너지는 다른 에너지원에 비해 그 활용이 쉽고, 고효율의 풍부한 에너지를 얻을 수 있다는 유용함에 기인하여 최근 태양에너지를 이용한 각종 자연 친화적 제품들이 속속 등장하고 있는 실정이다.

그 중에서도 태양열을 집열하여 이를 전기에너지로 변환시키거나 혹은 온수 및 난방용 열원으로 활용되도록 한 기술의 발전은 태양열 에너지 이용의 보편화를 가져왔다는 기능을 부여받고 있다.

이러한 태양열 집열장치의 일예로서 대한민국 특허출원 제1997-58932호에는 태양에너지 이용시스템 및 가스보일러 내장형 축열조가 개시되어 있는바, 이는 태양광을 일측전개 포물선반사체를 집광수단으로 집광하여 히트파이프를 열전달수단으로 이용하거나 또는 빛 자체를 조명용에 조사하는 겸용기능을 갖는 태양에너지 이용시스템과 집열시스템 필수요소로 구비되는 축열조내에 가스보일러가 내장된 장치로서 태양복사에너지를 집속하여 이를 열 에너지 및 빛 에너지형태로 가정과 산업에 이용토록 한 것이다.

또한 대한민국 특허출원 제1997-60256호 "공동형 태양에너지 수집이용장치"는 축선기준 일 측으로만 전개된 포물선형 반사체를 좌/우에 임의 간격으로 분리 전개한 것을 집광수단으로 하고, 양측 초선광을 집열원, 인볼류트반사체, 구형공동 또는 구형공동반사체 등으로 공동구성, 집광광을 집열 또는 광화학반응 용도 등에 이용하는 태양에너지의 집광을 이용한 기술로서, 산업용 대단위 설비 및 소규모 가정용 열설비 적용은 물론 물질성상변화까지 저비용으로 실시되도록 함을 제안하고 있다.

그러나 상기와 같이 제안된 각 태양에너지의 이용시스템 및 장치는 각각 태양열을 집열하기 위해 마련되는 제반수단이 복잡하며, 그 제작비용 역시 과다한 것이어서 주기적인 유지 보수를 필요로 하고 있으며, 태양 고도광을 집열판에 집속함에 있어 집열판이 태양의 위상 변화에 즉시 대응하지 못하여 집열장치의 출력이 떨어지거나 효율성이 낮아 현실적으로 이러한 점은 가정 및 산업용으로 이용하기에 먼저 개선되어야 할 부분으로 지적되고 있다.

한편 대한민국 특허공개공보 제1996-11342호의 "태양광 집광 집열장치"를 살펴보면, 곡면반사체에 의하여 계절에 따라 곡면반사체의 각도를 태양을 따라가며 조절할 수 있도록 되어 있어 태양열의 집열도를 향상시킬 수 있으나 전술한 바와 같이 그 제작비용이 매우 고가이고 복잡하여 사용화 되지는 못하고 있는 실정이며, 앞서 언급한 대한민국 특허출원 제1997-60256호 역시 일출시부터 일몰시까지 태양을 추적 운전되는 구동모타의 구동력을 기어 전달방식으로 집열관에 전달되도록 한 밸런스 웨이트를 장치함으로 전열 응답성을 높일 수 있게 하였으나, 그 외부적 구성형태가 집열관을 일정하게 경사진 상태로 한 후 연접된 기어를 통해 집열관의 중심축 하단을 회동시켜 줌으로서 집열관의 일정한 회동을 유지할 수 있게 하여 결국 일방향을 향한 반복적인 회전운동에 불과함으로 태양의 각도 변화에 따른 입사광에 적절히 대응할 수 없었으며, 또한 입사광 및 집열열의 방사손실을 최소화하기 위해 수반되는 주변 구성이 복잡하고 공지의 1축 추적식 PTC형 집열기(Parabolic Trough Type Concentrator)의 단점인 예컨대 집열관에서 집광광의 반사손실이 많다는 점이나 집열열 저온 복사의 방사손실이 많다는 등의 문제점을 해결하지는 못하였다.

본 발명은 비교적 간단한 기구적 구성으로서 고효율의 태양에너지를 집열하는 집열장치가 태양의 이동방향에 따라 이동하면서 태양열을 효율적으로 집열시켜 그 열을 이용하여 물을 물이 200℃ 까지 데워 난방 등에 이용할 수 있도록 한 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열 집열장치는, 태양열을 집열하여 반사하기 위해 소정의 곡률을 갖는 다수의 집열판들과; 상기 집열판들을 지지하기 위한 프레임과; 상기 집열판들에 의해 반사된 태양의 초점이 모이는 곳에 설치되어 태양열을 집열하여 물을 소정의 온도로 가열시키기 위한 발열수단과; 상기 프레임의 일측에 설치되어 계절에 따라 변하는 태양의 고도에 따라 상기 집열판의 높낮이 조절이 가능한 수직높이조절수단과; 상기 집열판을 태양의 이동방향에 따라 회전시키기 위한 수평회전수단과; 상기 태양의 이동방향을 감지하기 위한 센서들과; 상기 센서의 감지신호를 받아 상기 수직높이조절수단과 수평회전수단을 제어하여 집열판이 항상 태양을 바라보게 하는 제어수단을 구비함을 기술적 구성상의 특징으로 한다.

본 발명에 이용되는 발열수단은 집열된 태양열을 보온할 수 있는 유리관체 내부에 수용되며, 발열수단은 그의 중앙부에 길이방향으로 형성된 물순환관을 포함하고, 상기 물순환관의 외부에는 집열된 열의 전달을 용이하게 하기 위한 다수의 방열핀들이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 유리관체내에 수용되는 발열수단은 다수의 발열수단들이 연결 조립되어 다량의 물을 가열시키는 것이 바람직하다.

그리고 물순환관의 내부에는 방열핀이 형성되어 있는바, 이 방열핀은 없을 수도 있음은 물론이다.

한편 유리관체내에 수용되는 발열수단은 발열수단의 온도를 감지하는 온도센서가 수용되는 개구가 더 포함되는 것이 바람직하며, 집열판에는 연결용 개구가 형성되어 인접된 집열판들을 보울트 및 너트로서 상호 이어서 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 수직높이조절수단은 프레임의 일측에 설치되어 수축 및 팽창 가능한 실린더를 포함하고, 수평회전수단은 프레임의 일측에 설치되어 프레임을 롤링되도록 한 모터에 의해 구동되는 기어 및 상기 기어와 치합되어 회전되는 피니언을 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 태양에너지용 집열장치를 첨부도면을 참조로 하여 보다 구체적으로 설명한다.

도1에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양에너지용 집열장치의 측면도가 도시되어 있는바, 본 발명은 태양열을 집열하여 반사하기 위해 소정의 곡률을 갖는 다수의 집열판들(10)들이 프레임(20)에 적당한 방법으로 안착되어 있는바, 이들 집열판들(10)에는 연결용 도2에 확대 도시한 바와 같이 개구(11)가 형성되어 인접된 집열판들(10)을 보울트 및 너트(도면 부호 생략)로서 상호 이어서 사용할 수 있도록 하였다.

다시 도1을 참조하면, 집열판들(10)에 의해 반사된 태양의 초점이 모이는 곳에는 태양열을 집열하여 물을 소정의 온도로 가열시키기 위한 발열수단(30)이 설치되는바, 발열수단(30)은 도3내지 도5에 도시한 바와 같이 집열된 태양열을 보온할 수 있는 유리관체(40) 내부에 수용되며, 발열수단(30)은 그의 중앙부에 길이방향으로 형성된 물순환관(31)을 포함하고, 이 물순환관(31)의 외부에는 집열된 열의 전달을 용이하게 하기 위한 다수의 방열핀들(32)이 형성되어 있다.

한편 도1에 도시한 바와 같이 프레임(20)의 일측에는 계절에 따라 변하는 태양의 고도에 따라 집열판(10)의 높낮이 조절이 가능한 수직높이조절수단이 설치되는바, 수직높이조절수단은 프레임(20)의 일측에 설치되어 수축 및 팽창 가능한 실린더(50)를 포함 한다.

또한 집열판(10)을 태양의 이동방향에 따라 회전시키기 위한 수평회전수단도 설치되는바, 이 수평회전수단은 프레임(20)의 일측에 설치되어 프레임(20)을 롤링되도록 한 모터에 의해 구동되는 기어(60) 및 이에 치합되어 회전되는 피니언(70)을 포함한다.

한편 도11에 도시된 바와 같이 태양의 이동방향을 감지하기 위한 센서들(101,102)이 도1에 도시된 장치의 적당한 곳에 설치되는바, 이렇게 감지된 각각의 신호는 센서부(110)를 경유하여 제어부(120)에 제공되면 제어부(120)는 센서의 감지신호를 전술한 수직높이조절수단과 수평회전수단을 제어하여 집열판(10)이 항상태양을 바라보게 하도록 하였다.

도5에 도시한 바와 같이 유리관체(40)내에 수용되는 발열수단(30)은 다수의 발열수단들(30)이 연결 조립되어 다량의 물을 가열시키도록 하는 것이 바람직한바, 이를 위해 도4에 확대도시한 연결홈(35)과 연결막대(36)가 각각의 모서리부에 형성되어 있고, 또한 물순환관(31)의 내부에는 방열핀(31a)이 포함되어 물을 좀더 효율적으로 데울수 있도록 하는 것이 바람직하지만 도6에 도시한 바와 같이 관(31)의 내부에는 방열핀이 없는 것을 사용할 수도 있음은 물론이다.

또한 유리관체(40)내에 수용되는 발열수단(30)에는 발열수단의 온도를 감지하는 온도센서가 수용되는 개구(33)가 형성되어 있는바, 이 개구(33)에는 기타의 필요한 장치들이 설치될 수도 있음은 물론이다.

또한 도5에는 폭 방향으로 발열수단(30)을 연결하였으나, 발열수단(30)은 길이방향으로도 연결하여 사용할 수 있음은 물론이며, 발열수단(30)의 물순환관(31)의 일단부에는 물이 유입되어 데워진후 타단부를 통해 배출되어 난방장치로 이용될 수 있도록 그의 양측에는 물저장탱크(도시하지 않았음)와 각종 난방수등으로 이용될 수 있는 것이다.

도6에는 본 발명에 이용되는 발열수단의 다른 실시예가 도시되어 있는바, 이는 물순환관(231)의 내부에 방열핀(31a)이 없는 것을 제외하고는 도4에 도시된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작동상태를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도1에 도시된 바와 같이 태양빛은 화살표 방향으로 유입된뒤 유리관체(40)내에 수용된 발열수단(30)으로 집열되는바, 이 경우 발열수단(30)은 다수의 방열핀(32)에 의해 발열된 열을 이용하여 물흐름관(31)내부의 물을 데우도록 한다. 여기에서 유리관체(40)는 밀봉상태를 유지하여 발열수단(30)으로 하여금 물을 소정의 온도 예컨대 200℃까지 가열시키도록 한다.

따라서, 이렇게 가열된 물은 물순환관(31)으로부터 소정의 장소 예컨대 고온수 저장탱크(도시하지 않았음)로 제공되어 난방등에 사용될 수 있는 것이다.

그런데 본 발명은 도11에 도시된 수직광감지기(101)의 신호가 있을 경우 제어부(120)가 실린더(50)를 작동시켜 프레임(20)을 상하로 이동시키게 되고, 또한 수평광감지기(102)로부터의 신호를 수신하여 모터(M)를 구동시켜 기어(60)가 피니언(70)을 회전시킴으로써 태양이 동쪽에서부터 서쪽으로 질때까지 태양을 추적하면서 발열수단(30)으로 빛이 모아지도록 집열판(10)을 최적의 상태로 향하도록 하는 것이다.

결국 태양이 이동되는 동안에 실린더(50)와 모터(M), 기어(60) 및 피니언(70)이 작동함으로써 집열판(10)이 항상 태양을 향하도록 하여 집열효과를 최적으로하는 것이다.

도7과 도8에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는바, 도1에 도시된 집열장치는 집열판(10)이 가로방향으로 배치된 것인 반면에 도7에 도시된 집열장치는 집열판(10)이 세로방향에서 대각선 형태로 배치된 것으로서, 여기에서 모터(M), 기어(60) 및 피니언(70)에 의해 롤링(Rolling)됨과 동시에 실린더(50)에 의해 상하방향으로 이동하는 것을 제외하고는 도1에 도시된 집열장치와 동일한 기능을 수행한다.

도9와 도10에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있는바, 도1에 도시된 집열장치는 집열판(10)이 가로방향으로 배치된 것인 반면에, 도9 및 도10에 도시된 집열장치는 건물의 모퉁이 특히 처마밑과 같이 설치장소가 좀 협소한 곳에 수직으로 설치된 것으로서, 여기에서 모터(M), 기어(60) 및 피니언(70)에 의해 롤링(Rolling)만을 하는 것이다.

도11에는 본 발명에 이용되는 태양열 추적구동수단의 블록도가 도시되어 있는바, 여기에서 수직 및 수평광 감지기(101,102)는 도1, 도7의 실시예에 따른 집열장치에 모두 장착되며, 도9 및 도10에 도시된 실시예에서는 수평광감지기(102)만이 적당한 부위에 장착되어 태양을 추적하도록 하였다.

이렇게 광감지기(101,102)에 의해 감지된 신호는 센서부(110)에 입력되는바, 센서부(110)는 통상의 방식으로 작동하여 태양의 이동에 따른 신호를 제어부(12)에 제공하고, 제어부는 수직조절부(130)와 수평(또는 롤링)회전조절부(140)를 제어하여 집열장치가 태양빛을 효율적으로 집열하도록 프레임(20)을 이동시키게되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 매우 간단한 기구적 구성이면서도 고효율의 태양에너지를 집열하는 집열장치가 태양의 이동방향에 따라 이동하면서 태양열을 효율적으로 집열시켜 그 열을 이용하여 물을 물이 200℃ 까지 빠른 시간 안에 데워 난방 등에 이용할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

비록 본 발명이 그에 관한 최선의 실시예만을 언급하였으나 이에 한정되는 것이 아님은 물론이고 본 발명과 관련된 통상의 지식인이면 본 발명의 청구범위에 국한되는 범위내에서 자유로이 본 발명의 변형적 실시예를 생각할 수 있을 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 집열장치의 전체적 구성상태를 도시해 보인 사시도;

도2는 도1에 도시된 집열판의 요부 분해사시도;

도3은 도1에 도시된 발열수단 유니트의 사시도;

도4는 도3에 도시된 발열수단 유니트의 정면도;

도5는 도4에 도시된 발열수단 유니트를 다수개 연결한 발열수단의 정면도;

도6은 발영수단 유니트의 다른 변형예를 도시한 정면도;

도7과 도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양열 집열장치의 측면도 및 정면도;

도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양열 집열장치의 측면도 및 평면도;

도10은 집열각도를 변위시키기 위한 제어장치의 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 집열판 20: 프레임

30: 발열수단 31,231: 물순환관

32,31a: 방열핀 40: 유리관체

50: 실린더 60: 기어

70: 피니언

Claims (8)

1. 태양열을 집열하여 반사하기 위해 소정의 곡률을 갖는 다수의 집열판들(10)과;

   상기 집열판들(10)을 지지하기 위한 프레임(20)과;

   상기 집열판들(10)에 의해 반사된 태양의 초점이 모이는 곳에 설치되어 태양열을 집열하여 물을 소정의 온도로 가열시키기 위한 발열수단(30)과;

   상기 프레임(20)의 일측에 설치되어 계절에 따라 변하는 태양의 고도에 따라 상기 집열판(10)의 높낮이 조절이 가능한 수직높이조절수단과;

   상기 집열판(10)을 태양의 이동방향에 따라 회전시키기 위한 수평회전수단과;

   상기 태양의 이동방향을 감지하기 위한 센서들과;

   상기 센서의 감지신호를 받아 상기 수직높이조절수단과 수평회전수단을 제어하여 집열판(10)이 항상 태양을 바라보게 하는 제어수단을 구비함을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 발열수단(30)은 집열된 태양열을 보온할 수 있는 유리관체(40) 내부에 수용되며, 상기 발열수단(30)은 그의 중앙부에 길이방향으로 형성된 물순환관(31)을 포함하고, 상기 물순환관(31)의 외부에는 집열된 열의 전달을 용이하게 하기 위한 다수의 방열핀들(32)이 형성됨을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 유리관체(40)내에 수용되는 발열수단(30)은 다수의 발열수단들(30)이 연결 조립되어 다량의 물을 가열시킴을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 물순환관(31)의 내부에는 방열핀(31a)이 포함됨을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 유리관체(40)내에 수용되는 발열수단(30)은 발열수단의 온도를 감지하는 온도센서가 수용되는 개구(33)가 더 포함됨을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 집열판(10)에는 연결용 개구(11)가 형성되어 인접된 집열판들(10)을 보울트 및 너트로서 상호 이어서 사용할 수 있도록 함을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 수직높이조절수단은 프레임(20)의 일측에 설치되어 수축 및 팽창 가능한 실린더(50)를 포함함을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 수평회전수단은 프레임(20)의 일측에 설치되어 상기 프레임(20)을 롤링되도록 한 모터에 의해 구동되는 기어(60) 및 상기 기어와 치합되어 회전되는 피니언(70)를 포함함을 특징으로 하는 집열각도 변위기능을 갖는 태양열 집열장치.