KR20100028712A - 태양광 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집광판, 유리섬유, 거울관, 흑체, 열 저장재 등으로 이루어진 광 폐쇄 설비로, 태양광을 저장하고, 저장된 태양광을 복사열의 형태로 변환시켜 각종 시설에서 이용할 수 있도록 한 태양광 저장장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치로서, 태양광을 모으기 위한 집광판 유닛과; 상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 복사열로 변환하여 저장하기 위한 복사열 저장 유닛과; 상기 집광판 유닛과 상기 복사열 저장 유닛 사이를 연결하여 상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 상기 복사열 저장 유닛에 전달하는 태양광 이송 유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치가 제공된다.

태양광, 저장, 광 폐쇄 설비, 흑체, 복사열, 집광판, 거울관, 유리섬유

Description

태양광 저장장치{APPARATUS FOR STORAGING SOLAR ENERGY}

본 발명은 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집광판, 유리섬유, 거울관, 흑체, 열저장재 등으로 이루어진 광 폐쇄 설비로, 흑체에 입사된 태양광을 복사열의 형태로 변환시켜 각종 시설에서 이용할 수 있도록 한 태양광 저장장치에 관한 것이다.

태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는 에너지인 태양 에너지는 공해가 없고 지구대기의 열균형이 보존될 수 있는 환경친화적인 대체에너지로서 그 활용방법에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.

종래 태양 에너지를 이용하여 난방, 온수 사용, 발전 등의 분야에서 활용하는 기술이 제안되어 있다. 특히, 태양 에너지를 이용한 난방이나 온수 사용에 있어서는, 태양이 떠있는 낮 시간 동안 집광판 등을 이용하여 수집된 태양광에 의해 수조 내에 저장된 물을 가열하고, 태양이 진 후나 날씨가 흐린 날에 수조 내에 저장되어 있는 가열된 물을 파이프를 통해 순환시켜 난방을 하거나 온수로서 사용하곤 하였다.

그런데, 이와 같은 종래의 태양광 이용방식은 오픈 루프(open loop) 혹은 순 환 루프(cycling loop) 방식으로서, 그 효율이 낮고, 낮은 효율에 비해 장치를 설치하는데 소요되는 비용이 고가이며, 운영상의 신뢰도가 낮고 복잡하다는 문제가 있었다.

그에 따라 환경친화적이며 무제한인 태양 에너지를 저렴한 비용, 높은 효율로 사용할 수 있는 태양광 저장장치에 대한 연구가 지속적으로 이루어질 것이 요구되고 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 광 폐쇄 설비를 활용하여 흑체에 태양광을 입사시키고, 흑체에 입사된 태양광을 복사열의 형태로 변환시켜 각종 시설에서 이용할 수 있도록 한 태양광 저장장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치로서, 태양광을 모으기 위한 집광판 유닛과; 상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 복사열로 변환하여 저장하기 위한 복사열 저장 유닛과; 상기 집광판 유닛과 상기 복사열 저장 유닛 사이를 연결하여 상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 상기 복사열 저장 유닛에 전달하는 태양광 이송 유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치가 제공된다.

상기 태양광 저장장치는, 상기 집광판 유닛이 태양을 추종할 수 있도록 상기 집광판 유닛의 방향을 조절하기 위한 위치추적 유닛을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 집광판 유닛은 복수의 볼록 렌즈들이 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 집광판 유닛은 복수의 하니콤 렌즈들이 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 볼록 렌즈 또는 상기 하니콤 렌즈의 초점 강도는 집광면적이 1/90 내지 1/110 이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 위치추적 유닛은, 태양의 위치를 감지할 수 있는 센서 수단과, 지구의 자전 및 공전 정보와 상기 센서 수단에 의해 감지된 태양의 위치 정보를 전달받아 상기 집광판 유닛을 수평 및 수직축선을 중심으로 선회시키기 위한 각도 제어장치를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 태양광 이송 유닛은, 상기 집광판 유닛에 연결되어 집광된 집속광을 이송하는 복수의 유리섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 태양광 이송 유닛은, 상기 유리섬유들로 이루어진 다발이 연결되는 거울관과, 상기 유리섬유 다발이 상기 거울관과 연결되는 위치에 설치되는 회전 탭을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 복사열 저장 유닛은, 광 에너지를 복사열로 변환하기 위한 흑체와, 상기 흑체로부터의 복사열을 가두어 두기 위한 복사열 저장재와, 상기 흑체 및 상기 복사열 저장재를 주변으로부터 단열시키기 위한 단열재를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 태양광 저장장치는, 상기 복사열 저장 유닛에 의해 저장된 복사열을 직접 혹은 간접적으로 전달받아 사용하기 위한 편의시설을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치로서, 집광된 태양광을 광학적으로 폐쇄된 흑체에 전달하고, 전달된 태양광을 상기 흑체에서 복사열로 변환하여 저장할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 광 폐쇄 설비를 활용하여 흑체에 태양광을 입사시키고, 흑체에 입사된 태양광을 복사열의 형태로 변환시켜 각종 시설에서 이용할 수 있도록 한 태양광 저장장치가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 태양광 저장장치가 폐쇄 시스템으로 이루어져 입사되는 태양광이 흑체 복사열로 전환되는 비율이 높아 종래에 비해 태양광 활용 효율이 획기적으로 향상될 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 저장장치를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 태양광이란, 단순한 의미의 빛 또는 가시광선만을 의미하는 것이 아니고, 태양으로부터 지구로 전달되는 모든 태양 에너지를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 본 발명에 따르면, 상술한 의미로서의 태양광, 즉 태양 에너지 저장장치에 의해 태양광(태양 에너지)을 복사열의 형태로 전환하여 저장하고, 저장된 복사열을 다양한 시설에서 활용할 수 있다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양광 저장장치를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양광 저장장치의 집광판 부분을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다. 그리고 도 3에는 본 발명의 변형 실시형태에 따른 태양광 저장장치의 하니콤 형태의 집 광판을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 다른 변형 실시형태에 따른 태양광 저장장치를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광(태양 에너지) 저장장치는, 태양광을 모으기 위한 집광판 유닛(10)과, 이 집광판 유닛(10)이 항상 태양을 추종할 수 있도록 집광판 유닛(10)의 방향을 조절하기 위한 위치추적 유닛(20)과, 집광판 유닛(10)에 의해 집광된 태양광으로부터의 복사열을 저장해 두기 위한 복사열 저장 유닛(30)과, 집광판 유닛(10)과 복사열 저장 유닛(30) 사이를 연결하여 집광된 태양광을 전달하는 태양광 이송 유닛(40)을 포함한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 집광판 유닛(10)은, 복수의 원형 볼록 렌즈(11)들이 배열된 대략 직사각형의 판 형상을 가진다. 도 1 및 도 2에서 복수의 볼록 렌즈(11)들이 배열된 형태는 바둑판 형태를 가지는 것으로 도시되어 있지만, 하니콤 형태를 가지도록 배열될 수도 있으며, 배열되는 볼록 렌즈(11)의 개수 역시 설계시 필요에 따라 변경될 수 있다.

도 3에는 육각형 하니콤 렌즈(12)가 하니콤 형태를 가지도록 배열되어 있는 본 발명의 변형 실시형태에 따른 집광판이 부분적으로 도시되어 있다. 하니콤 렌즈(12)는 집광판 면적 전체에 조사되는 태양광을 모두 활용할 수 있다는 장점을 가진다. 본 발명에 따르면, 육각형 하니콤 렌즈(12)를 사용하는 대신에 원형 볼록 렌즈(11)를 하니콤 형태로 배열할 수도 있다.

집광판 유닛(10)에 배열된 볼록 렌즈(11)(또는 하니콤 렌즈(12))의 초점 강도는 집광면적이 대략 1/90 내지 1/110 정도로 되도록 집적하는 것이 바람직하다. 볼록 렌즈(11)에 의해 집속된 집속광은 고강도 에너지(high intensity energy)이므로, 집광면적이 1/90 보다 크면 집적 효율이 저하되어 바람직하지 않고, 집광면적이 1/110 보다 작으면 과대 집광에 의한 열손실이 증가되고, 재질에 따라서는 태양광 이송 유닛(40)의 수명을 단축시킬 우려가 있어 바람직하지 않다.

집광판 유닛(10)은 태양의 위치를 추적하는 위치추적 유닛(20) 상에 설치되어 낮 동안 태양의 위치를 추종할 수 있도록 설치된다. 위치추적 유닛(20)은, 태양의 위치를 감지할 수 있는 광센서 등의 센서 수단(21)과, 지구의 자전 및 공전 정보와 센서 수단(21)에 의해 감지된 태양의 위치 정보를 통해 수평 및 수직축선을 중심으로 집광판 유닛(10)을 선회시키기 위한 각도 제어장치(23)를 포함한다.

각도 제어장치(23)는 사전에 지구의 자전 및 공전 정보가 기록된 메모리를 포함하는 것이 바람직하다. 이 메모리가 포함된 경우, 각도 제어장치(23)는 메모리에 저장된 지구의 자전 및 공전 정보를 활용하여 해당 날짜 및 시간에 있어서의 태양의 위치를 계산하여 집광판 유닛(10)을 대략적인 위치 및 각도로 선회시킨다. 그 다음, 광센서 등의 센서 수단(21)에 의해 수집된 정보를 근거로 집광판 유닛(10)의 위치 및 각도를 정밀하게 조절하여 볼록 렌즈(11)(또는 하니콤 렌즈(12))의 초점을 정확하게 맞춰준다.

이러한 각도 제어장치(23)로서는 사전에 기록된 지구의 자전 및 공전 정보와, 센서 수단(21)의 감지 정보에 따라 집광판 유닛(10)의 각도를 조절할 수 있다면 어떠한 구성을 가지는 것이라도 사용할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

광 폐쇄 수단인 태양광 이송 유닛(40)으로서는 빛을 전달할 수 있는 유리섬유 혹은 거울관(mirror tube)이 사용될 수 있는데, 대용량의 경우에는 통상 거울관을 사용하고 소용량이나 중용량의 경우에는 유리섬유를 사용한다.

집광판 유닛(10)의 각각의 볼록 렌즈(11)에 의해 집광된 집속광은, 각각의 볼록 렌즈(11)의 배면측에 연결되는 복수의 집속광 이송관로, 즉 유리섬유(41)를 통해 복사열 저장 유닛(30)에 전달될 수 있다. 유리섬유(41) 다발은 보호용 파이프(42) 내에 배열될 수 있다. 이 보호용 파이프(42)는 위치추적 유닛(20)의 수직방향 회전축 역할을 수행할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 집광판 유닛(10)과 복사열 저장 유닛(30) 사이를 유리섬유(41)를 통해 연결하고 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 유리섬유(41) 및 거울관(43)을 통해 집광판 유닛(10)과 복사열 저장 유닛(30) 사이를 연결하여도 좋다.

도 4를 참조하면, 유리섬유(41)는 집광판 유닛(10)의 배면측, 즉 각각의 볼록 렌즈(11)의 배면측에 연결되어 각각의 볼록 렌즈(11)에 의해 집광된 집속광이 조사된다. 이 유리섬유(41)들로 이루어진 다발은 도중에 거울관(43)에 연결됨으로써 집속광은 거울관(43)을 통해 복사열 저장 유닛(30)까지 전달될 수 있다.

이때, 거울관(43)은 그 위치가 고정된 상태이고, 집광판 유닛(10)은 태양의 위치를 따라 움직이기 때문에, 집광판 유닛(10)에 연결되어 있는 유리섬유(41)와 거울관(43) 사이에는 도 2에 도시된 바와 같은 회전 탭(45)을 설치하여 집광판 유 닛(10)의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.

회전 탭(45)은 유리섬유(41) 다발이 거울관(43)과 연결되는 위치에 설치되어, 유리섬유(41) 다발의 회전으로 인해 거울관(43)의 내부가 손상되는 것을 방지하고 유리섬유(41) 다발이 거울관(43)으로부터 이탈되는 것을 방지한다.

또한, 도 2에는 태양광 이송 유닛(40)과 위치추적 유닛(20)이 별개로 도시되어 있지만, 설계시 위치추적 유닛(20) 내부에 태양광 이송 유닛(40)이 설치되도록 만들어질 수 있다. 즉, 도 1을 참조하여 상술한 바와 같이, 유리섬유(41)를 내장하고 있는 파이프(42)가 위치추적 유닛(20)의 수직축으로서 활용될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 위치추적 유닛(20)과 태양광 이송 유닛(40)은 별도로 설치될 수도 있다.

집광판 유닛(10)에 의해 집광된 집속광은 태양광 이송 유닛(40)을 통하여 복사열 저장 유닛(30)에 전달된다. 복사열 저장 유닛(30)은 광 에너지를 복사열로 변환하기 위한 흑체(31)와, 이 흑체(31)로부터의 복사열을 가두어 두기 위한 복사열 저장재(33)와, 이 흑체(31) 및 복사열 저장재(33)를 주변으로부터 단열시키기 위한 단열재(35)를 포함한다.

흑체(31)는 태양광 이송 유닛(40)의 말단과 연결되어 태양광 이송 유닛(40)을 통해 이송되는 집속광을 직접 전달받는다. 본 명세서에서 흑체란, 광 흡수율이 매우 높은 물질로 조립된 광학적으로 폐쇄된 공간을 의미한다. 상술한 바와 같이 흑체는 광학적으로 폐쇄된 공간이므로, 집광판 유닛(10) 및 태양광 이송 유닛(40)을 통해 흑체(31)에 태양광이 전달되면, 흑체(31), 즉 복사열 저장 유닛(30)의 외 부로 빠져나가지 못하고 모두 복사 에너지, 즉 복사열로 변환된다. 복사열 저장재(33)로서는 물, 흙, 자갈, 파라핀 등을 들 수 있으며, 저장온도에 따라 적절한 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

집속광을 태양광 이송 유닛(40)을 통해 흑체(31)에 전달할 때, 도 1에 도시된 바와 같이 태양광 이송 유닛(40)으로서 유리섬유(41)를 사용할 경우에는 각각의 유리섬유(41)의 말단이 흑체(31)의 상부 표면뿐만 아니라 측면과 하부 표면에도 연결되어 집속광이 흑체(31)를 모든 방향에서 조사할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

복사열 저장 유닛(30)에 의해 저장된 복사열은 온돌, 온상, 축사 등의 다양한 편의시설(50)에서 활용될 수 있다. 이때 온돌, 온상, 축사 등의 복사열을 이용하는 편의시설(50)은 복사열 저장 유닛(30)으로부터 직접 복사열을 전달받아 사용하는 것이 효율적이지만, 순환하는 열전달 매체를 통하여 복사열을 전달받아 사용할 수도 있음은 물론이다.

특히, 본 발명의 태양광 저장장치를 온돌에 적용할 경우, 복사열의 소멸을 이용하는 온돌은 그 효율이 매우 높고, 복사열 저장 유닛(30)의 부피를 증가시키면 총량비열(비축열)의 증가로 인해 흐린 날에도 따뜻한 실내 온도를 유지할 수 있게 된다. 나아가서, 본 발명의 태양광 저장장치에 의하면, 여름 동안의 풍부한 태양광을 직접 비축하여 가을 및 겨울에 활용할 수 있어 효과적이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 태양광 저장장치를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양광 저장장치를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양광 저장장치의 집광판 부분을 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 변형 실시형태에 따른 태양광 저장장치의 하니콤 형태의 집광판을 개략적으로 나타낸 도면, 그리고

도 4는 본 발명의 다른 변형 실시형태에 따른 태양광 저장장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 집광판 유닛 11 : 볼록 렌즈

12 : 하니콤 렌즈 20 : 위치추적 유닛

21 : 센서 수단 23 : 각도 제어장치

30 : 복사열 저장 유닛 31 : 흑체

33 : 복사열 저장재 35 : 단열재

40 : 태양광 이송 유닛 41 : 유리섬유

42 : 파이프 43 : 거울관

45 : 회전 탭 50 : 편의시설

Claims (11)

1. 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치로서,

   태양광을 모으기 위한 집광판 유닛과;

   상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 복사열로 변환하여 저장하기 위한 복사열 저장 유닛과;

   상기 집광판 유닛과 상기 복사열 저장 유닛 사이를 연결하여 상기 집광판 유닛에 의해 집광된 태양광을 상기 복사열 저장 유닛에 전달하는 태양광 이송 유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 집광판 유닛이 태양을 추종할 수 있도록 상기 집광판 유닛의 방향을 조절하기 위한 위치추적 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 집광판 유닛은 복수의 볼록 렌즈들이 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 집광판 유닛은 복수의 하니콤 렌즈들이 배열되어 이루어지는 것을 특징 으로 하는 태양광 저장장치.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 볼록 렌즈 또는 상기 하니콤 렌즈의 초점 강도는 집광면적이 1/90 내지 1/110 이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 위치추적 유닛은, 태양의 위치를 감지할 수 있는 센서 수단과, 지구의 자전 및 공전 정보와 상기 센서 수단에 의해 감지된 태양의 위치 정보를 전달받아 상기 집광판 유닛을 수평 및 수직축선을 중심으로 선회시키기 위한 각도 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 태양광 이송 유닛은, 상기 집광판 유닛에 연결되어 집광된 집속광을 이송하는 복수의 유리섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 태양광 이송 유닛은, 상기 유리섬유들로 이루어진 다발이 연결되는 거울관과, 상기 유리섬유 다발이 상기 거울관과 연결되는 위치에 설치되는 회전 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 복사열 저장 유닛은, 광 에너지를 복사열로 변환하기 위한 흑체와, 상기 흑체로부터의 복사열을 가두어 두기 위한 복사열 저장재와, 상기 흑체 및 상기 복사열 저장재를 주변으로부터 단열시키기 위한 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 복사열 저장 유닛에 의해 저장된 복사열을 직접 혹은 간접적으로 전달받아 사용하기 위한 편의시설을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.
11. 태양광을 저장하여 이용할 수 있는 태양광 저장장치로서,

    집광된 태양광을 광학적으로 폐쇄된 흑체에 전달하고, 전달된 태양광을 상기 흑체에서 복사열로 변환하여 저장할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 저장장치.

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