KR20070044333A - 태양열집열기 또는 태양광집광기의 태양위치추적방법과 그장치 - Google Patents

태양열집열기 또는 태양광집광기의 태양위치추적방법과 그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 주요 구성은 태양열비교용 집열기, 일출위치 복귀용 집열기, 터빈구동 차동기어장치, 열교환기와 물 또는 액체탱크로 구성하고, 물 또는 물과 유사한 특성을 가진 액체를 태양열만으로 가열하여, 이에 따른 상 변화로 열 에너지를 운동에너지로 전환하여 한 개 또는 그 이상의 태양열 집열기 또는 태양광집광기를 연동으로 구동하여 일출에서 일몰까지 최고의 복사 량을 가진 태양위치를 추적하여 최대의 태양열 또는 태양광을 집열 또는 집광할 수 있는 태양열집열기 또는 태양광집광기의 태양위치 추적방법 및 그에 따른 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 (도1 참조) 물 또는 물과 유사한 특성을 가진 액체를 고온으로 가열할 수 있는 태양열 반사경형의 집열기를 가열수단으로 이용하여 물 또는 액체가 증기 또는 기체로 상 변화를 일으키게 한다. 이때 발생한 증기 또는 기체의 부피 팽창력으로 터빈이 회전하게 되는데, 이러한 원리를 이용한 같은 규모의 태양열집열기 2 조를 구성한다. 이들 태양열집열기 중 한 조는 태양의 일몰방향에 배치하여 태양위치추적용 집열기로 하고, 다른 한 조는 태양의 일출방향에 배치하여 태양위치추적 제어용 집열기로 하여 이 두 집열기를 서로 평행 되게 붙여 설치한다. 이와 같이 설치된 두 태양열 집열기의 경계 면에 태양열 집열기의 개구면 크기 정도의 평면 직사각형의 태양광 반사 및 차광판을 태양열 집열기의 개구면에 수직되게 설치하여 태양위치추적용 집열기와 태양위치추적 제어용 집열기를 분리하여 두 태양열집열기 사이의 태양열 조사량 차이가 생기게 하여, 이런 한 원리를 이 용하여 태양의 위치에 따라 태양열 조사량이 달라질 수 있게 형성된 태양열비교용 집열기를 구성하는 것과,
차동기어의 한쪽 차동사이드기어의 액슬축에 태양위치추적용 구동터빈을 시계방향으로 회전되게 터빈 축에 결합시켜서 태양위치추적동력이 태양위치추적 구동터빈 쪽의 차동사이드기어에 전달되게 한다. 또한 차동기어의 반대쪽 차동사이드기어의 액슬축에는 태양위치추적 제어용 구동터빈이 시계 반대 방향으로 회전되게 하여, 태양위치추적 제어동력이 태양위치추적 제어용 구동터빈 쪽의 차동사이드기어에 전달되게 한다. 이와 같이 구성된 차동기어 장치는 차동기어 케이스에 고정된 톱니바퀴가 태양위치추적용 구동터빈의 회전수와 태양위치추적 제어용 구동터빈의 회전수와의 회전수차이 만큼 회전하게 되고 톱니바퀴의 회전방향은 회전수가 많은 터빈쪽의 구동방향과 같은 방향으로 회전하게 되는데 이와 같은 기능의 차동기어 장치를 구성하는 것과,
태양열비교용 집열기와 각 개별 태양열집열기 또는 태양광집광기에 고정된 태양위치추적 회전 암(Rotation Arm)을 좌우로 회전할 수 있게 구동 봉의 미끄럼 이음대에 연동되게 결합시키고, 이 구동 봉 한쪽 끝 부분의 나사로 된 구동 봉에는 암나사로 된 톱니바퀴를 결합시켜서 이 톱니바퀴를 차동기어 장치에 설치된 톱니바퀴와 체인으로 연결시켜 차동기어 장치에 설치된 톱니바퀴의 회전방향에 따라 태양열 비교용 집열기와 각 개별 태양열집열기 또는 태양광집광기의 연동으로 결합된 태양 추적 회전 암의 회전방향이 결정되게 하는 구동 조종장치를 구성하는 것과,
일출위치 복귀용 집열기의 개구면을 일출 시에 태양을 향하도록 고정시키고, 태양위치추적용 구동터빈 축에 증기압 제동장치를 장착하여 일출위치 복귀용 집열기에서 가열된 배출 증기를 태양위치추적 제어용 구동터빈과 태양위치추적용 구동터빈의 구동 축에 장착된 증기압 제동장치에 병렬로 공급하여 일출 시에 태양위치 추적용 구동터빈이 공회전 되지 않고 태양위치추적 제어용 구동터빈만 구동되게 한다. 이러한 원리를 이용하여, 일몰 위치에 도달하여 정지된 상태에 있는 각 태양열집열기 또는 태양광집광기와 태양열비교용 집열기를 일출시의 태양위치까지 복귀시키는 일출위치 복귀용 집열기를 구성하는 것과,
태양열비교용 집열기와 일출위치 복귀용 집열기에 물 또는 액체를 효율적으로 공급하여 가열하고, 터빈구동 후에 배출되는 물 또는 액체는 열교환하여 물 또는 액체 통으로 회수하고, 집열기에 공급되는 물 또는 액체는 예열하여 가열효율을 향상시키는 열교환기와 물탱크를 구성하여 이루어진 것에 특징이 있게 한 것이다.
PTC형 태양열 집열기(Parabolic Trough Concentration Solar Heat Collector), CPC형 태양열 집열기(Compound Parabolic Concentration Heat Collector), 태양위치추적용 집열기(Solar Heat Collector for Sun Location Tracking), 원통 포물선 반사경형 태양열 집열기(Cylindrical Parabolic Reflector Concentration Heat Collector),태양열비교용 집열기(Solar Heat Collector for Solar Heat Comparison), 태양위치추적 제어용 집열기(Solar Heat Collector for Sun Location Tracking Control), 일출위치복귀용 집열기(Solar Heat Collector for Returning to Sunrise Location), 집열통수관(Heat Collecting Pipe), 터빈구동 차동기어(Turbine Activated Differential Gear), 차동사이드기어(Differential Side Gear), 액슬축(Axle), 톱니바퀴(Sprocket), 회전 암(Rotation Arm), 미끄럼 이음대(Slip Joint Bar), 체크밸브(Check Valve), 이중관식 열교환기(Double Pipe Heat Exchanger), 증기압 제동장치(Steam Pressure Brake)

Description

태양열집열기 또는 태양광집광기의 태양위치추적방법과 그 장치{Sun Location Tracking Method and Apparatus of Solar Heat or Photovoltaic Collectors}
도 1은 태양열 집열기 또는 태양광집광기의 태양위치 추적장치 주요 구성도
도 2는 태양위치 추적장치가 일출 쪽을 향했을 때 태양추적 회전 암 위치 변화도
도 3은 태양위치 추적장치가 천정 쪽을 향했을 때 태양추적 회전 암 위치 변화도
도 4는 태양위치 추적장치의 일몰 쪽을 향했을 때 태양추적 회전 암 위치 변화도
도 5는 태양열비교용 집열기 개구면 수직 방향의 태양열 조사량 표시 도면
도 6은 태양열비교용 집열기 개구면 경사 방향의 태양열 조사량 표시 도면
도 7은 태양열비교용 집열기의 정면도
도 8은 태양열비교용 집열기의 측면도
도 9는 태양열비교용 집열기의 A1-A2 단면도
도10은 일출위치 복귀용 집열기의 정면도
도11은 일출위치 복귀용 집열기의 측면도
도12는 일출위치 복귀용 집열기의 B1-B2 단면도
도13은 태양열집열기 또는 태양광집광기의 정면도
도14는 태양열집열기 또는 태양광집광기의 측면도
도15는 터빈구동 차동기어 장치의 구성도
도16은 차동기어 장치의 태양위치 추적 구동터빈의 C1-C2 단면도
도17은 차동기어 장치의 태양위치 추적 제어 구동터빈의 D1-D2 단면도
도18은 이중관식 열교환기의 내부 단면도
도19는 이중관식 열교환기의 E1-E2 단면도
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 태양열비교용 집열기
2 : 일출위치 복귀용 집열기
3 : 태양열집열기 또는 태양광집광기
4 : 터빈구동 차동기어 장치
5 : 이중관식 열교환기
6 : 물 또는 액체탱크
1a : 태양위치추적용 집열기
1b : 태양위치추적 제어용 집열기
3a : 첫 번째 태양열집열기 또는 태양광집광기
3 b: 두 번째 태양열집열기 또는 태양광집광기
3n : n 번째 태양열집열기 또는 태양광집광기
5a : 태양위치추적용 집열기 쪽 열교환기
5b : 태양위치추적 제어용 집열기 쪽 열교환기
11 : 태양열 또는 태양광 반사 및 차광판
12 : 태양열비교용 집열기 프레임
13 : 태양열집열기 및 태양광집광기 받침다리
14a : 태양위치추적 회전 암(Rotation Arm) 고정 대
14b : 태양위치추적 회전 암
15a : 태양위치추적용 집열기의 집열통수관
15b : 태양위치추적 제어용 집열기의 집열통수관
15c : 일출위치 복귀용 집열기의 집열통수관
16 : 원통 포물선 반사경형 태양열집열기 강화유리 덮개
17 : 원통 포물선 반사경형 태양열집열기 측면 벽
18 : 원통 포물선 반사경
19a : 태양위치추적용 집열기 받침대
19b : 태양위치추적 제어용 집열기 받침대
19c : 일출위치 복귀용 집열기 받침대
21 : 일출위치 복귀용 집열기 프레임
22 : 일출위치 복귀용 집열기 개구 방향 고정 대
31 : 태양열집열기 또는 태양광집광기 프레임
32 : 태양열집열기 또는 태양광집광기 받침대
40 : 증기압 제동장치
41 : 차동기어 케이스
42 : 차동피니언기어
43 : 차동피니언기어 베어링 축
44a : 태양위치추적용 구동터빈 쪽 차동사이드기어
44b : 태양위치추적 제어용 구동터빈 쪽 차동사이드기어
45a : 태양위치추적용 구동터빈 쪽 터빈 축
45b : 태양위치추적 제어용 구동터빈 쪽 터빈 축
46a : 태양위치추적용 구동터빈
46b : 태양위치추적 제어용 구동터빈
47 : 차동기어 톱니바퀴
48 : 암나사 홈 톱니바퀴
49 : 이동 스크루 가이드 링
51 : 이중관식 열교환기 내관 유입구
52 : 이중관식 열교환기 내관 배출구
53 : 이중관식 열교환기 외관 유입구
54 : 이중관식 열교환기 외관 배출구
55 : 이중관식 열교환기 내관
56 : 이중관식 열교환기 외관
61 : 보충 물 또는 액체 유입구
62 : 물 또는 액체 배출구
63 : 회수 물 또는 액체 유입구
70 : 태양위치추적장치 고정 대
71 : 구동 스크루
72 : 태양위치추적 구동 봉
73 : 회전 암 미끄럼 이음대
74 : 구동 봉 가이드 링
75 : 구동 봉 가이드 링 고정 대
101 : 태양열집열기 및 태양광집광기 회전축 베어링
102 : 태양열집열기 및 태양광집광기 회전축
103 : 회전 암 미끄럼 너트
104,105,106,107,205,206,407,501,502 : 체크밸브
111,113,211,403,405,503,504,505,601,602,603 : 물 또는 액체 호스
112,114,212,404,406,408 : 증기 또는 기체호스
203 : 일출위치 복귀용 집열기 개구방향 상부 고정 너트
204 : 일출위치 복귀용 집열기 개구방향 하부 고정 너트
401 : 미끄럼 링
402 : 톱니바퀴 체인
S : 태양열 또는 태양광 조사방향
S1 : 태양위치추적용 집열기의 태양열 조사량
S2 : 태양위치추적 제어용 집열기의 태양열 조사량
SR : 일출방향
SS : 일몰방향
본 발명은 태양열집열기 또는 태양광집광기(이하 "태양열집열기 또는 태양광집광기"를 편의상 "태양광집광기"로만 기술함)가 태양위치를 추적할 수 있게 하는 방법과 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는 그 주요 구성을 태양열비교용 집열기, 일출위치 복귀용 집열기, 터빈구동 차동기어 장치, 열교환기와 물 또는 액체탱크로 구성하여 물 또는 액체(이하 "물 또는 액체"를 편의상 "물"로만 기술함)를 태양열을 가열수단으로 하여 열에너지를 운동에너지로 전환시켜 한 개 또는 그 이상의 태양광집광기를 구동할 수 있게 하여, 일출에서 일몰까지 태양위치를 추적하여 태양열 또는 태양광을 최대로 집열 또는 집광할 수 있게 태양위치를 태양광집광기가 추적할 수 있게 하는 것이다.
현재 태양에너지를 이용하는 각종 태양광집광기는 대부분 건물 외부에나 지상에 고정시켜 태양광집광기의 수광면이 하늘을 향하여 수직 방향과 남향으로 설치하고 있으며, 이때 태양광집광기가 받는 태양에너지는 정오를 기점으로 전후로 두-세시간 정도의 태양에너지를 이용하고 있다. 일반적으로 태양광 입사각이 커지는 일출시부터 10시경까지와 오후 3시부터 일몰 시까지의 시간대에는 태양광집광기의 태양광 수광 면적이 작아져서 효율이 떨어진다. 입사각이 45˚가 되면 수광 효율이 약 30％ 떨어지고 입사각이 60˚가 되면 수광 효율이 50％로 떨어진다.
현재 태양위치 추적 장치가 있으나 이들 대부분은 고가의 센서를 이용하여 태양위치의 변화를 감지하여 전자적으로 모터를 구동시켜 태양위치를 추적하고 있다. 또한, 기존의 태양위치 추적장치는 전력을 필요로 하고, 복잡한 구조와 장치산업이어서 실험목적의 경우를 제외하고는 거의 실용화되지 못하고 있으며 태양광 전지의 경우는 더욱 그러하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전기가 없어도 태양열 및 태양광을 이용하여 물을 가열하여 물이 증기 또는 기체(이하 "증기 또는 기체"를 편의상 "증기"로만 기술함)로 상 변화를 일으켜 태양열 및 태양광을 이용하여 열에너지를 운동에너지로 전환시켜 이때 형성된 운동에너지로 태양광집광기를 구동하여 태양위치를 추적할 수 있게 하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양열 및 태양광을 효율적으로 흡수하여 물을 높은 온도까지 가열할 수 있게 하는 반사경이 있는 태양열집열기로 가열된 물이 신속하게 증기로 상 변화를 일으키게 하여, 이로 인한 증기의 부피 팽창력을 이용하여 터빈을 회전시킬 수 있게 하는 것으로 같은 규모의 태양열집열기 2 조를 구성한다. 이들 태양열집열기 중 한 조는 태양의 일몰방향에 배치하여 태양위치 추적용 집열기로 하고, 다른 한 조는 태양의 일출 방향에 배치하여 태양위치 추적 제어용 집열기로 한다. 이 두 집열기의 접합되는 경계 면에 평면 직사각 형의 태양광 반사 및 차광판을 태양열집열기의 개구면에 수직되게 설치하여 태양위치추적용 집열기와 태양위치추적 제어용 집열기를 분리하여 두 집열기 사이의 태양열의 조사량이 비교되게 하는 태양열비교용 집열기를 구성하는 것과,
일반적으로 차동기어 장치는 차동기어 케이스에 링 기어를 설치하여 고정시키고, 양쪽 차동사이드기어 액슬축에는 바퀴를 설치하여 링 기어의 회전에 의해 액슬축의 양쪽 바퀴가 구동하게 되는데, 본 발명에서는 링 기어 대신 체인으로 동력전달을 할 수 있게 톱니바퀴를 설치하여 고정시키고, 양쪽 차동사이드기어 액슬축에는 바퀴 대신에 터빈을 설치하여, 양쪽 차동사이드기어 액슬축의 터빈을 회전시켜서 이들 두 터빈의 회전방향과 회전수에 따라서 톱니바퀴가 구동되게 하여 기존의 차동기어 장치의 동력전달 과정을 역으로 이용한 터빈구동 차동기어 장치이다.
상기와 같은 목적의 차동기어 장치의 한쪽 차동사이드기어 액슬축에 태양위치추적용 구동터빈 축을 결합시켜 태양위치추적 동력이 되게 하고, 차동기어 장치의 반대쪽 차동사이드기어 액슬축에는 태양위치추적 제어용 구동터빈 축과 결합시켜 태양위치추적 제어용 동력이 되게 한다. 이에, 두 터빈의 회전수의 차이에 따라 차동기어장치 케이스에 고정된 톱니바퀴가 태양열비교용 집열기와 각 태양광집광기를 연동으로 결합시킨 태양위치추적 회전 암을 좌우로 회전시켜 태양위치를 추적할 수 있게 하는 차동기어 장치를 구성하는 것과,
일출 시에 태양위치추적 제어용 구동터빈을 구동하여 일몰위치에 도달하여 정지된 상태에 있는 각 태양광집광기와 태양열비교용 집열기를 일출 시에 태양위치로 복귀되게 하는 일출위치 복귀용 집열기를 구성하는 것과,
태양열비교용 집열기와 각 태양광집광기를 좌우로 회전할 수 있게 태양위치추적 회전 암 고정 대(14a), 태양위치추적 회전 암(l4b), 구동 봉(72), 회전 암 미끄럼 이음 대(73)와 암나사 홈 톱니바퀴(48)로 이루어진 구동 조종장치를 구성하는 것과,
일출위치 복귀용 집열기에 의하여 태양위치추적 제어용 구동터빈이 구동될 때 톱니바퀴 측의 부하로 인하여 태양위치추적용 구동터빈이 공회전 하는 것을 방지하기 위한 태양위치추적용 구동터빈의 증기압 제동 장치를 구성하는 것과,
태양열비교용 집열기와 일출위치 복귀용 집열기에 물을 효율적으로 공급하여 가열시키고, 터빈구동 후에 배출되는 물이 물탱크에 다시 회수되고, 열 교환에 의해 집열기에 공급되는 물이 예열되게 하는 열교환기와 물탱크를 구성하는 종합구성으로 이루어진 것에 특징이 있다.
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 주요 구성요소 중에 높은 온도까지 가열할 수 있는 태양열집열기는 기존에 상용되고 있는 원통 포물선 반사경형 태양열집열기, PTC형 태양열집열기 및 CPC형 태양열집열기와 같이 여러 종류가 있으나, 본 발명의 구성에서는 편의상 원통 포물선 반사경형 태양열집열기(1a,1b,2)를 대표로 구성하여 설명한다.
본 발명은 도1에서와 같이 주요 구성이 태양열비교용 집열기(1), 일출위치 복귀용 집열기(2), 태양광집광기(3a,3b,3n), 터빈구동 차동기어 장치(4), 구동 조종장치, 열교환기(5a, 5b)와 물탱크(6)로 구성하여서 물을 태양열로 가열하여 한 개 또는 그 이상의 태양광집광기(3a,3b,3n)를 연동으로 구동하여 일출에서 일몰까지 태양을 추적하여 최고의 태양에너지를 집열 또는 집광할 수 있게 하는 것이다.
본 발명에서 편의상 선정한 태양열집열기는 일출위치 복귀용 집열기(2)와 태양열비교용 집열기(1)를 구성한 태양위치추적용 집열기(1a) 그리고 태양위치추적 제어용 집열기(1b)로서, 이들 태양열집열기는 태양열을 집열 하여 한곳에 태양열을 모을 수 있게 하는 원통 포물선 반사경(18)이 설치되어 있고. 이 포물선 반사경의 초점 중심 축 방향에 설치된 태양열을 흡수하는 집열통수관(15a,15b.15c)이 있고, 원통 포물선 반사경(18) 개구면에 파장이 짧은 광선과 적외선은 통과시키고 복사열에 의한 긴 파장의 적외선은 차단하여 외부로 복사되지 않게 처리된 강화유리(16)가 개구면에 덮어져있는 형태로 된 원통 포물선 반사경형 태양열집열기(1a,1b,2)이다.
상기와 같은 태양열집열기(1a,1b)에 물을 공급하여 태양열로 가열하여 공급된 물이 증기로 상 변화를 일으켜, 이로 인한 증기의 부피팽창력을 이용하여 터빈을 회전시킬 수 있게 하는 같은 규모로 된 태양열집열기 2 조를 구성한다. 이와 같이 구성한 태양열 집열기 중 한 조는 태양의 일몰방향(SS: Sunset)쪽에 배치하여 태양위치추적용 집열기(1a)로 하고, 다른 한 조는 태양의 일출방향(SR: Sunrise)쪽에 배치하여 태양위치추적 제어용 집열기(1b)로 하여, 이 두 집열기(1a,1b)를 서로 평행 되게 붙여 설치한다. 이들 두 태양열집열기의 접합 경계 면에는 태양열집열기의 개구면 크기 정도의 평면 직사각형의 태양광 반사 및 차광판(11)을 태양열집열기(1a,1b)의 개구면에 수직되게 설치한다. 상기와 같이 태양열집열기를 구성하여 태양위치추적용 집열기(1a)와 태양위치추적 제어용 집열기(1b)간에 태양열 조사량 차이가 비교되게 형성한 태양열비교용 집열기(1)를 구성하고,
차동기어장치(4)의 한쪽 차동사이드기어(44a) 액슬축(45a)에 태양위치추적용 구동터빈(46a)이 시계 방향으로 회전되게 터빈 회전축을 결합하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)쪽의 차동사이드기어(44a)에 동력이 전달되게 하고, 차동기어 장치(4)의 반대쪽 차동사이드기어(44b) 액슬축(45b)에는 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)이 시계 반대방향으로 회전되게 터빈회전축과 결합시켜서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)쪽의 차동사이드기어(44b)에 동력이 전달되게 한다. 차동기어 케이스(41)에 고정된 톱니바퀴(47)가 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 회전수와 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 회전수와의 차이만큼, 회전수가 많은 터빈의 회전방향과 같은 방향으로 회전되게 하는 차동기어 장치(4)를 구성하고,
태양열비교용 집열기(1)와 각각의 태양광집광기(3a,3b,3n)의 태양위치추적 회전 암 고정 대(14a)에 부착한 태양위치추적 회전 암(14b)을 좌우로 회전할 수 있게 구 동봉(72)에 부착된 회전 암 미끄럼 이음대(73)에 연동되게 결합한다. 이 구동 봉(72) 한쪽 끝 부분에는 나사로 형성된 구동 봉(71) 부분에 결합시킨 암나사 홈 톱니바퀴(48)를 차동기어 케이스(41)에 고정시킨 톱니바퀴(47)와 체인(402)으로 연결하여 차동기어 케이스(41)에 고정된 톱니바퀴(47)의 회전방향에 따라 태양열비교용 집열기(1)와 각 태양광집광기(3a,3b,3n)의 태양위치추적 회전 암(14b)의 회전방향이 결정되어 구동 봉이 좌우로 이동하도록(도2,도3,도4 참조) 태양위치추적 회전 암 고정 대(14a), 태양위치추적 회전 암(14b), 구동 봉(72), 회전 암 미끄럼 이 음 대(73)와 암나사 홈 톱니기어(48)로 이루어진 구동 조종장치를 구성하고,
일출위치 복귀용 태양열 집열기(2)의 개구면을 일출 시에 태양을 향하도록 고정시키고 이 일출위치 복귀용 집열기(2)에서 가열된 배출증기를 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)에 병렬로 연결하여, 일출 시에 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)을 구동하여 일몰(SS)위치에 도달하여 정지상태에 있는 각 태양광집광기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기(1)를 일출(SR) 시의 태양위치까지 다시 복귀되게 하는 일출위치 복귀용 집열기(2)를 구성하고,
일출위치 복귀용 집열기(2)에 의하여 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)이 구동될 때 차동기어 장치(4)의 톱니바퀴(47) 측의 부하로 인해 태양위치추적용 구동터빈(46a)이 공회전 하는 것을 방지하기 위하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 구동축(45a)에 증기압 제동장치(40)를 구성하는 것과,
태양열비교용 집열기(1)와 일출위치 복귀용 집열기(2)에 물을 효율적으로 공급하여 가열하고, 터빈구동 후에 배출되는 물은 열교환하여 각 태양열 집열기(1a,1b,1c)에 공급되는 물을 예열하여 가열효율을 향상시키는 열교환기(5a,5b)와 물탱크(6)의 구성으로 이루어진 태양위치추적 장치를 형성한 것이다.
상기와 같이 형성된 태양위치 추적 장치의 각 구성요소들 간의 결합은 다음과 같다.(도1참조)
태양위치추적 구동회로는 물이 물탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적용 집열기(1a)쪽의 열교환기(5a)를 거쳐 위치 추적용 태양열 집열기(1a)의 집열통수관(15a)으로 공급되도록 호스(601,603,111)를 연결하고 집열통수관(15a)과 열교 환기(5a)사이에는 역류방지 체크밸브(104)를 연결하고, 집열통수관(15a)에서 가열된 증기는 집열통수관(15a)에서 배출되어 태양위치 추적 구동터빈(46a)과 열교환기(5a)를 거쳐서 물탱크(6)로 응축수가 되어 회수되도록 호스(112,404,403,503,504)를 연결하고, 집열통수관(15a)과 태양위치 추적 구동터빈(46a) 사이와 열교환기(5a)와 물탱크(6) 사이에는 각각 역류방지 체크밸브(105,501)를 연결하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 구동회로를 구성하고,
물이 물탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적 제어용 집열기(1b)쪽의 열교환기(5b)를 거쳐 태양위치추적 제어용 집열기(1b)의 집열통수관(15b)으로 공급되도록 호스(601, 602,211,113)를 연결하고, 집열통수관(15b)과 열교환기(5b) 사이에는 역류방지 체크밸브(106)를 연결하고, 집열통수관(15b)에서 가열된 증기는 집열통수관(15b)에서 배출되어 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)과 열교환기(5b)를 거쳐 물탱크(6)로 응축수가 되어 회수되도록 호스(114,406,405,504)를 연결하고, 집열통수관(15b)과 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b) 사이와 열교환기(5b)와 물탱크(6)사이에는 각각 역류방지 체크밸브(107,502)를 연결하여서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 구동회로를 구성하고,
일출위치 복귀 구동회로는 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)에 의하여 모든 태양광집광기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기를 태양의 일출(SR)위치까지 이동시킨다. 다만 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)에 공급되는 증기는 일출위치 복귀용 집열기(2)로부터 공급받으며 이때 태양위치추적 구동터빈(46a)의 공회전을 방지하기 위하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 구동 축(45a)에 증기압 제동장치 (40)를 설치하여 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)이 회전하는 동안 태양위치추적용 구동터빈(46a)이 회전하지 못하게 한다.
물이 물탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적 제어용 집열기(1b)쪽의 열교환기(5b)를 거쳐 일출위치 복귀용 집열기(1c)의 집열통수관(15c)으로 공급되도록 호스(601,602,211,212)를 연결한다. 집열통수관(15c)과 열교환기(5b)사이에는 역류방지 체크밸브(205)를 연결하고, 집열통수관(15c)에서 가열된 증기는 집열통수관(15c)에서 배출되어 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)과 증기압 제동장치(40)와 열교환기(5b)를 거쳐서 물탱크(6)로 응축수가 되어 회수되도록 호스(213,406,405,504)를 연결하고, 한편으로는 배출증기가 증기압 제동장치(40)에 공급되게 호스(408)와 역류방지 체크밸브(407)를 연결한다. 집열통수관(15c)과 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b) 사이와 열교환기(5b)와 물탱크(6) 사이에는 역류방지 체크밸브(206,502)를 각각 연결하여서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 구동회로를 구성한 것을 특징으로 이루어진 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
상기와 같이 모든 구성에서, 먼저 물탱크(6)에 물을 채우고 모든 집열통수관(15a,15b,15c) 내에 물이 채워져 있는지 확인한다.(태양위치 추적장치를 설치할 때 물탱크를 집열통수관 높이보다 조금 더 높은 위치에 설치하면 모든 집열통수관 안의 물은 자동으로 채워진다. 이 경우 물통의 물만 충분한지를 확인하면 된다.).
일출위치 복귀용 태양열집열기(2)의 개구면이 오전 9시경의 태양위치를 바라볼 수 있게 일출위치 복귀용 집열기(2)의 개구면 방향고정 대(22)를 상부 고정너트 (203)와 하부 고정너트(204)로 고정하면, 일출 후 9시경에 이르면 일출위치 복귀용 집열기(2)가 태양열을 받아서 집열통수관(15c) 내의 물이 충분히 가열되어 물이 증기가 되고, 이 증기는 집열통수관(15c)의 입수구 방향으로는 체크밸브(205)에 막혀서 배출되지 못하고 증기호스(213,406,408)와 체크밸브(206)를 통하여 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)과 증기압 제동장치(40)에 공급된다. 이때 증기압 제동장치(40)는 태양위치추적용 구동터빈(46a)이 구동하지 못하게 제동시킨다. 한편, 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)이 구동하여 시계 반대방향으로 회전하고, 동시에 차동기어 톱니바퀴(47)도 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 따라서 차동기어 톱니바퀴(47)에 체인(402)으로 결합시킨 구동봉 나사(71)에 끼워진 톱니바퀴(48)도 왼쪽나사 방향으로 회전하게 되는데, 이때, 구동봉(72)을 일몰(SS) 방향으로 밀어서 이 구동봉(72) 의 회전암 미끄럼이음대(73)에 태양위치추적 회전암(14b)을 결합시킨 각 태양광집광 기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기(1)는 일출(SR)쪽의 태양위치에 도달할 때까지 계속하여 회전하게 된다.
각 태양광집광기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기(1)가 충분히 회전하여 태양을 마주보게 되면 태양열비교용 집열기(1)의 태양위치추적용 집열기(1a)와 태양위치추적 제어용 집열기(1b) 모두가 태양열을 받아서 이들 집열통수관(15a,15b)의 물이 가열되어 증기가 발생하게 된다. 상기와 같은 과정이 진행되는 동안 일출위치 복귀용 집열기(2)는 점점 태양 정면으로부터 벗어나게 되고 반면에 태양열비교용 집열기(1)가 태양 정면으로 이동하게 되므로 일출위치 복귀용 집열기(2)는 증기발생이 감소되어 증기압 제동장치(40)가 풀리게되고 제어용 구동터빈(46b)도 멈추게 된다. 이때 태양열비교용 집열기(1)가 태양을 정면으로 향하게되는 위치에 도달하면, 태양위치추적용 집열기(1a)에서 많은 증기가 발생되고 이 증기는 태양위치추적용 구동터빈(46a)에 공급되어 터빈을 회전시키고, 또한 태양위치추적 제어용 집열기(1b)에서도 많은 증기가 발생되어 증기가 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)에 공급되어 터빈을 회전시킨다. 여기서 태양위치추적용 집열기(1a)의 태양열 조사량(S1)과 태양위치추적 제어용 집열기(1b)의 태양열 조사량(S2)이 같으므로(도5 참조) 각각 발생되는 증기의 양도 거의 같다. 따라서 태양위치추적용 구동터빈(46a)과 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 각각의 회전수는 거의 같으며 그리고 회전방향은 서로 반대방향이므로 차동기어 장치의 톱니바퀴는 거의 회전하지 않는다.
잠시 후에 태양이 일몰방향(SS)으로 조금 이동하게되면 태양열비교용 집열기(1)의 태양위치추적용 집열기(1a)의 태양열 조사량(S1)이 태양위치추적 제어용 집열기(1b)의 태양열 조사량(S2)보다 많아지므로(도6 참조) 태양위치추적용 집열기(1a)에서 더 많은 증기가 발생되어 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 회전수는 증가하고 반면에 태양위치추적 제어용 집열기(1b)에서는 증기가 감소하여 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 회전수는 감소하여 차동기어 장치(4)의 톱니바퀴(47)는 태양위치추적용 구동터빈(46a)과 같은 방향으로 두 구동터빈(46a,46b)의 회전수 차이만큼 회전하여 태양위치추적용 집열기(1a)의 태양열 조사량(S1)과 태양위치추적 제어용 집열기(1b)의 태양열 조사량(S2)이 같아질 때까지 계속 회전한다. 이 과정은 태양이 일몰(SS) 때까지 진행하게된다.
도15에서 미끄럼 링(401)은 톱니바퀴(48)가 쏠리지 않고 원활히 회전할 수 있게 하고, 이동 스크루가이드 링(49)은 구동 봉의 나사로 된 구동 봉(71) 부분이 좌우로 걸리지 않고 쉽게 구동할 수 있게 하고, 구동 봉 가이드 링(74)은 구동 봉이 안정 되게 움직일 수 있게 하고, 회전 암 미끄럼너트(103)는 회전 암(14b)이 회전 암 미끄럼 이음 대(73)에서 밖으로 이탈되지 않게 하고, 태양열집열기 또는 태양광집광기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기(1)와 일출위치 복귀용 집열기(2)의 회전축(102)과 베어링(101)은 원활한 회전을 할 수 있게 한다.
상기의 태양위치 추적 장치에서 태양위치 추적 감도를 높이고자 할 경우에는 태양광 반사 및 차광판(11)을 높이 세우면 태양위치가 조금만 바뀌어도 태양열추적용 집열기(1a)와 태양열추적 제어용 집열기(1b)의 수광 면적의 차이가 더욱 커진다. 또한 많은 수의 태양열집열기 또는 태양광집광기를 구동하고자할 때는 큰 규모의 태양열비교용 집열기와 일출위치 복귀용 집열기를 사용한다.
이와 같이 본 발명은 태양열 에너지를 이용하여 태양열 집열기 또는 태양광집광기가 일출에서 일몰까지 태양위치를 추적하여 최대의 태양열 또는 태양광을 집열 또는 집광할 수 있게 하는 기술이다.
위에서 설명한 것과 같이 본 발명은 전기에 의한 동력이 없어도 태양열만으로 태양열집열기 또는 태양광집광기가 태양위치를 추적할 수 있게 하여 같은 규격의 태양열집열기 또는 태양광집광기로부터 더 많은 집열 또는 집광 효과를 얻을 수 있으므로 상대적으로 태양열집열기 또는 태양광집광기의 시설비용을 낮출 수 있으므로 태양에너지 이용 율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 물 또는 액체를 가열하여 증기 또는 기체를 발생시킬 수 있는 반사경이 있는 같은 규모의 태양열집열기 2 조를 구성하여 이들 태양열 집열기 중 한 조는 태양의 일몰방향에 배치하여 태양위치추적용 집열기로 하고, 다른 한 조는 태양의 일출방향에 배치하여 태양위치추적 제어용 집열기로 하여. 이 두 태양열집열기의 접합되는 경계 면에 평면 직사각형의 태양광 반사 및 차광판을 태양열집열기의 개구면에 수직되게 설치하여 태양위치추적용 집열기와 태양위치추적 제어용 집열기를 분리하여 두 집열기 사이의 태양열 조사량을 비교되는 태양열비교용 집열기의 구성단계와,
    차동기어 장치의 한쪽 차동사이드기어 액슬축에 태양위치 추적용 구동터빈 축을 결합시켜 태양위치추적 동력이 되게 하고, 차동기어 장치의 반대쪽 차동사이드기어 액슬축에는 태양위치추적 제어용 구동터빈 축과 결합시켜 태양위치추적 제어용 동력이 되게 하여, 두 터빈의 회전수의 차이에 따라 차동기어 장치의 케이스에 고정된 톱니바퀴가 태양열비교용 집열기와 각 태양열집열기 또는 태양광집광기를 연동 으로 결합된 태양위치추적 회전 암을 좌우로 회전시켜 태양위치를 추적 할 수 있게 하는 차동기어 장치의 구성단계와,
    태양열비교용 집열기와 각 태양열집열기 또는 태양광집광기를 좌우로 회전할 수 있게 태양위치추적 회전 암 고정 대, 태양위치추적 회전 암, 구동 봉, 회전 암 미끄럼 이음 대와 암나사 홈 톱니기어로 이루어진 구동 조종장치의 구성단계와,
    일출 시에 태양위치추적 제어용 구동터빈을 구동하여 일몰위치에 도달하여 정지된 상태에 있는 각 태양열집열기 또는 태양광집광기와 태양열비교용 집열기를 일출 시에 태양위치로 복귀되게 하는 일출위치 복귀용 집열기의 구성단계와,
    일출위치 복귀용 집열기에 의하여 태양위치추적 제어용 구동터빈이 구동될 때 태양위치추적용 구동터빈의 공회전을 방지하기 위하여 태양위치추적용 구동터빈을 제동되게 하는 증기압 제동장치의 구성단계와,
    태양열비교용 집열기와 일출위치 복귀용 집열기에 물 또는 액체를 공급하고, 터빈구동 시에 배출되는 물 또는 액체는 물 또는 액체 탱크에 다시 회수하고, 열교환에 의해 집열기에 공급하는 물 또는 액체를 예열하는 열교환기와 물 또는 액체탱크의 구성단계로 이루어진 것과,
    각 구성간의 결합은(도1 참조) 호스 와 체크밸브로 물 또는 액체가 공급되고 회수될 수 있게 연결하고, 태양위치추적용 집열기의 배출증기는 차동기어 장치의 태양위치추적용 구동터빈에 공급되게 연결하고, 태양위치추적 제어용 집열기의 배출증기는 태양위치추적 제어용 구동터빈에 공급되게 연결하고, 일출위치 복귀용 집열기의 배출증기는 태양위치추적 제어용 구동터빈과 증기압 제동장치에 공급되게 병렬로 연결하고, 차동기어 장치 케이스에 고정된 톱니바퀴는 구동 조종장치에 설치된 톱니바퀴에 결합시켜서 동력이 구동 봉에 전달되게 하는 구성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 한 개 또는 그 이상의 태양열집열기 또는 태양광집광기를 구동하여 태양위치를 추적하는 방법
  2. 도 1 에서와 같이 물 또는 액체를 태양열로 가열하여 증기 또는 기체를 발생시킬 수 있는 규모로 된 태양열집열기 2 조를 구성하고 이중 한 조는 태양의 일몰방향에 배치하여 태양위치추적용 집열기(1a)로 하고, 다른 한 조는 태양의 일출방향에 배치하여 태양위치추적 제어용 집열기(1b)로 하여, 이 두 집열기(1a,1b)를 서로 평행 되게 붙이고 접합 경계 면에는 태양열집열기의 개구면 크기 정도의 평면 직사각형의 태양광 반사 및 차광판(11)을 태양열집열기(1a,1b)의 개구면에 수직으로 설치하여서 형성한 태양열비교용 집열기(1)를 구성하고,
    차동기어 케이스(41)에 톱니바퀴(47)가 고정된 차동기어 장치(4)의 한쪽 차동사이드기어(44a) 액슬축(45a)에 태양위치추적용 구동터빈(46a)이 시계방향으로 회전되게 터빈 회전축을 결합하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)쪽의 차동사이드기어(44a)에 동력이 전달되게 하고, 차동기어 장치(4)의 반대쪽 차동사이드기어(44b) 액슬축(45b)에는 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)이 시계 반대방향으로 회전되게 터빈회전축과 결합시켜서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)쪽의 차동사이드기어(44b)에 동력이 전달되게 하는 차동기어 장치(4)를 구성하고,
    태양열비교용 집열기(1)와 각각의 태양열집열기 또는 태양광집광기(3a,3b,3n)의 태양위치추적 회전 암 고정 대(14a)에 부착한 태양위치추적 회전 암(14b)을 좌우로 회전할 수 있게 구동 봉(72)에 부착된 회전 암 미끄럼 이음 대(73)에 연동되게 결합하고, 이 구동 봉(72) 한쪽 끝 부분에는 나사로 형성된 구동봉(71) 부분에 결합시킨 암나사 홈 톱니바퀴(48)를 차동기어 케이스(41)에 고정시킨 톱니바퀴(47)와 체인(402)으로 연결하여 형성된 구동 조종장치를 구성하고,
    일출위치 복귀용 집열기(2)의 개구면을 일출 시에 태양을 향하도록 고정시키고, 일출위치 복귀용 집열기(2)에서 가열된 배출증기를 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)에 병렬로 연결하여 각 태양열집열기 또는 태양광집광기(3a,3b,3n)와 태양열비교용 집열기(1)를 일출(SR) 시의 태양위치까지 복귀되게 하는 일출위치 복귀용 집열기(2)를 구성하고,
    일출위치 복귀용 집열기(2)가 가동될 때 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 공회전을 방지하기 위하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 구동축(45a)에 증기압 제동장치(40)를 구성하고,
    태양열비교용 집열기(1)와 일출위치 복귀용 집열기(2)에 물 또는 액체를 공급하고, 각 태양열 집열기(1a,1b,1c)에 공급되는 물 또는 액체를 예열하는 열교환기(5a,5b)와 물 또는 액체 탱크(6)의 구성으로 이루어지고,
    물 또는 액체 탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적용 집열기(1a)쪽의 열교환기(5a)를 거쳐 태양위치추적용 집열기(1a)의 집열통수관(15a)으로 공급되도록 호스(601,603,111)를 연결하고, 집열통수관(15a)과 열교환기(5a) 사이에는 역류방지 체크밸브(104)를 연결하고, 집열통수관(15a)에서 가열된 증기는 집열통수관(15a)에서 배출되어 태양위치추적 구동터빈(46a)과 열교환기(5a)를 거쳐서 물탱크(6)로 응축수가 되어 회수되도록 호스(112,404,403,503,504)를 연결하고, 집열통수관(15a)과 태양위치 추적 구동터빈(46a) 사이와 열교환기(5a)와 물 또는 액체 탱크(6) 사이에는 각각 역류방지 체크밸브(105,501)를 연결하여 태양위치추적용 구동터빈(46a)의 구동회로를 구성하고,
    물 또는 액체가 물탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적 제어용 집열기(1b)쪽의 열교환기(5b)를 거쳐 태양위치추적 제어용 집열기(1b)의 집열통수관(15b)으로 공급되도록 호스(601,602,211,113)를 연결하고, 집열통수관(15b)과 열교환기(5b) 사이에는 역류방지 체크밸브(106)를 연결하고, 집열통수관(15b)에서 가열된 증기는 집열통수관(15b)에서 배출되어 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)과 열교환기(5b)를 거쳐 물 또는 액체 탱크(6)로 회수되도록 호스(114,406,405,504)를 연결하고, 집열통수관(15b)과 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b) 사이와 열교환기(5b)와 물 또는 액체 탱크(6) 사이에는 각각 역류방지 체크밸브(107,502)를 연결하여서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 구동회로를 구성하고,
    물 또는 액체가 물탱크(6)의 배출구(62)로부터 태양위치추적 제어용 집열기(1b)쪽의 열교환기(5b)를 거쳐 일출위치 복귀용 집열기(1c)의 집열통수관(15c)으로 공급되도록 호스(601,602,211,212)를 연결하고, 집열통수관(15c)과 열교환기(5b) 사이에는 역류방지 체크밸브(205)를 연결하고, 집열통수관(15c)에서 가열된 증기는 집열통수관(15c)에서 배출되어 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)과 증기압 제동장치(40)와 열교환기(5b)를 거쳐서 물 또는 액체 탱크(6)로 응축수가 되어 회수되도록 호스(213,406,405,504)를 연결하고, 증기압 제동장치(40)에 배출증기가 공급되게 호스(408)와 역류방지 체크밸브(407)를 연결하고, 집열통수관(15c)과 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b) 사이와 열교환기(5b)와 물 또는 액체 탱크(6) 사이에는 역류방지 체크밸브(206,502)가 각각 연결되어서 태양위치추적 제어용 구동터빈(46b)의 구동회로의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 한 개 또는 그 이상의 태양열집열기 또는 태양광집광기를 구동하여 태양위치를 추적하는 장치
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