KR20100073084A - 태양광열 이용장치 및 그 조립방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면은 두께를 최소화하면서 조립이 단순한 구조의 태양광열 이용장치를 제공하는 것이다.
개시된 본 발명의 일측면은 적어도 하나의 집광부와, 상기 집광부의 적어도 일측면에 마련된 태양전지와, 상기 집광부와 상기 태양전지를 둘러싸는 프레임과, 상기 프레임내에 수용되며 상기 태양전지를 냉각하는 유로부를 포함하는 복수의 태양광열 모듈을 포함하고, 상기 복수의 태양광열 모듈은 상호 인접하게 배치되고, 상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부 각각은 인접하는 적어도 하나의 태양광열 모듈의 상기 유로부와 연결된다.

Description

태양광열 이용장치 및 그 조립방법{photohvoltaic-thermal hybrid apparatus and assembly method thereof}
본 발명은 태양 에너지를 이용하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 동시에 전기로 변환되지 못한 태양열을 회수할 수 있는 태양광,열 이용장치에 관한 것이다.
종래의 태양열 이용기술은 주로 태양 전지로 이루어진 모듈을 통해 태양의 광적인 면을 이용하는 태양광 이용 기술과 집열기를 통해 태양의 열적인 면을 이용하는 태양열 기술 및 태양의 광적인 면과 열적인 면을 복합적으로 이용할 수 있도록 복합 이용 기술이 개발되고 있다.
태양의 광적인 측면의 태양광 이용 기술은 반도체 pn 접합으로 구성된 태양 전지(solar cell)에 반도체의 금지대역폭보다 큰 에너지를 가진 파장영역의 태양광이 입사되면 광전효과에 의해 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르는 원리를 이용하는 방법으로 필요에 따라 태양전지를 직병렬로 연결하여 사용할 수 있다.
태양의 열적인 측면의 태양열 이용 기술은 입사되는 태양 에너지를 집열기로 받아 들여 열매를 통하여 그 열을 회수하는 방법으로 현재 가장 많이 사용되고 있 는 기술이다.
태양의 열적인 측면과 광적인 측면을 이용하여 발전과 집열을 동시에 수행할 수 있는 태양에너지 이용장치가 개발되어 사용되고 있다.
이러한 태양에너지 이용장치의 일예는 태양전지 여러개를 모아 모듈화하고 후면에 설치된 흡열판에 의해 집열한 열을 냉각하여 회수하는 배관을 배치한다. 또한, 열회수 배관의 수송경로를 단축하고 집열되는 열량을 유효하게 활용하기 위하여 모듈간에 배관을 연결하고 저탕조로 연결되도록 구성된다.
상기의 태양에너지 이용장치는 태양 전지와 동시에 설치된 흡열판을 따라 전 면적에 걸쳐 냉각배관을 설치해야 하기 때문에 냉각배관의 길이가 매우 길어지며 이로 인하여 설치기간 및 조립비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 이러한 냉각배관의 설치로 인하여 패널 전체가 두꺼워지게 되어 설치환경 및 조건에 많은 제약이 있다.
또한, 각 모듈 흡열판에 배치된 배관 각각을 연결하기 위해서는 복수의 배관들을 각각 용접 등을 통해 연결해야하는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 두께를 최소화하면서 태양전지 발전 및 태양열 회수가 가능한 구조의 태양광열 이용장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일측면은 효율이 높으면서 동시에 제조비용을 절감할 수 있는 구조의 태양광열 이용장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은 조립이 단순한 구조의 태양광열 이용장치를 제공하는 것이다.
따라서, 일 측면에 따른 태양광열 이용장치는 적어도 하나의 집광부와, 상기 집광부의 적어도 일측면에 마련된 태양전지와, 상기 집광부와 상기 태양전지를 둘러싸는 프레임과, 상기 프레임내에 수용되며 상기 태양전지를 냉각하는 유로부를 포함하는 복수의 태양광열 모듈을 포함하고, 상기 복수의 태양광열 모듈은 상호 인접하게 배치되고, 상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부 각각은 인접하는 적어도 하나의 태양광열 모듈의 상기 유로부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 프레임 각각은 인접하는 상기 태양광열 도모듈의 상기 프레임과 접할 수 있다.
상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부 각각은 인접하는 적어도 하나의 태양광열모듈의 상기 유로부와 직결될 수 있다.
상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부를 인접하는 적어도 하나의 태양광열모듈의 상기 유로부와 연결하는 연결부재를 더 포함한다.
상기 연결부재는 상기 인접하는 태양광열모듈의 상기 유로부의 단부를 연결 하는 퀵컨넥터일 수 있다.
상기 태양광열모듈은 사각형 형상으로 형성되고, 상기 태양광열모듈 각각은 상기 인접하는 태양광열모듈과의 연결을 위해 상기 프레임의 적어도 하나의 모서리부에 연결부가 마련된다.
상기 연결부는 상기 태양광열모듈의 대향하는 모서리 측에 적어도 한 쌍으로 마련된다.
상기 유로부의 양단은 제1,2개구부가 형성되고, 상기 제1,2개구부는 상기 한 쌍의 연결부에 각각 배치된다.
상기 제1,2개구부 중 적어도 어느 하나는 유연한 움직임이 가능하도록 형성된다.
상기 연결부는 상기 연결부를 개폐하는 개폐부를 더 포함할 수 있다.
상기 개폐부가 상기 연결부를 폐쇄하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
상기 태양전지는 상기 집광부의 대향하는 양측에 한 쌍의 마련되고, 상기 유로부는 상기 태양전지에 대응하여 상기 한 쌍의 태양전지의 배면에 평행하게 마련된다.
상기 적어도 하나의 집광부는 입사되는 태양에너지의 일부를 내부에서 방사(放射)상으로 방향 전환하며 다른 일부를 외부로 방출한다.
상기 적어도 하나의 집광부는 복수로 적층되고, 상기 복수의 집광부는 인접하는 집광부로 상기 태양에너지를 전달한다.
상기 태양전지와 상기 유로부사이에 마련되어 상기 태양 전지에서 전기로 변환되지 못한 에너지를 상기 유로부로 전달해주는 열확산층을 더 포함할 수 있다.
상기 프레임 내부에는 상기 태양전지와 상기 유로부를 감싸고 열의 방출을 차단하는 단열층을 더 포함할 수 있다.
상기 집광부의 다른 일측면에 배치되어 상기 태양에너지를 상기 태양전지측으로 반사시키는 반사판을 더 포함한다.
그리고 일 측면에 따른 태양광열이용장치의 조립방법은 적어도 하나의 집광부와, 상기 집광부의 적어도 일측면에 마련된 태양전지와, 상기 집광부와 상기 태양전지를 둘러싸는 프레임과, 상기 프레임내에 수용되며 상기 태양전지를 냉각하는 유로부를 포함하는 복수의 태양광열모듈을 준비하고, 상기 복수의 태양광열모듈을 상호 인접하게 배치하고, 상기 인접하게 배치된 상기 태양광열모듈 중 적어도 어느 한 쌍의 유로부를 연결하여 냉각유로를 형성시킨다.
상기 집광부는 입사되는 태양에너지의 일부를 내부에서 방사(放射)상으로 방향 전환시켜 측면측으로 안내한다.
상기 유로부를 연결하는 연결부재를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 유로부를 연결하는 것은 상기 연결부재를 이용하여 상기 한 쌍의 유로부의 단부를 연결하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 어느 일 측면에 따른 태양광열 이용장치는 평판형 집광층을 이용하고 태양전지와 냉각 및 열회수 유로를 폭이 좁은 테두리면에 설치함으로써 매우 얇은 모듈 형태로 태양광 발전 및 열회수를 가능하게 할 수 있으며, 간단한 조립방식을 통해 태양광열모듈을 집적하여 태양광열 이용장치를 구성할 수 있다.
또한 태양광열 이용장치는 매우 얇은 모듈 형태로 제작되므로 부피가 큰 통상의 집광형 태양광 시스템이 가지는 설치장소와 설치조건의 제약을 최소화 할 수 있다.
또한, 집광부의 테두리 측면에 반사판을 설치함으로써 고가의 태양전지의 사용을 최소화 하고 냉각유로의 설치를 최소하여 제작 단가를 낮추고 제작 공정을 단순화할 수 있게 한다.
이하, 본 발명의 일측면에 따른 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도1의 A-A'의 단면도이며, 도3은 도1의 B-B'의 단면도이다. 또한, 도 4는 제1실시예의 태양광열이용장치의 대략적인 동작을 나타내는 단면도이다.
도 5는 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 조립을 나타내는 조립동작도이고, 도 6은 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 조립된 상태의 요부를 나타내는 사시도이고, 도 7은 변형예에 따른 태양광열이용장치의 조립을 나타내는 조립동작도이다.
제1실시예에 따른 태양광열이용장치(1)는 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 테두리에 유로부(50)가 마련된 단위셀 형태의 복수의 태양광열모듈(10)이 상호 인접하게 배치되고, 복수의 태양광열모듈(10) 각각의 유로부(50)는 인접하는 태양광 열모듈(10) 중 적어도 어느 하나에 마련된 유로부(50)와 연결되어 냉각유로(A)를 형성한다.(도4참조)
태양광열모듈(10)은 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 대략 직사각형의 패널 형태로 마련된다.
태양광열모듈(10)은 그 중앙부에 마련되어 입사되는 태양에너지를 흡수하여 내부에서 방사상으로 재방출하는 집광부(20)와, 집광부(20)의 테두리 측면을 둘러싸며 설치되는 태양전지(30)와, 태양전지(30)에서 전기로 변환되지 못한 에너지를 흡수하는 열확산층(40)과, 열확산층(40)의 후방에 마련되어 태양전지(30)를 냉각하고 태양열을 회수하기 위한 유로부(50)와, 열확산층(40)과 유로부(50)의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 단열층(60)과, 집광부(20)를 둘러싸며 내부에 태양전지(30), 열확산층(40), 유로부(50)를 수용하는 공간이 형성된 프레임(70)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 프레임(70)의 대향하는 적어도 한 쌍의 모서리측에는 인접하는 태양광열모듈(10)의 유로부(50)를 연결하기 위한 연결부(80:80a,80b)가 마련된다.
집광부(20)의 상측에는 도3에 도시된 바와 같이, 유리판 혹은 태양에너지의 투과율이 높은 투명재질로 이루어진 투과층(11)이 더 마련될 수 있다.
집광부(20)는 단일의 평판형의 패널로 마련될 수 있으나, 본 실시예에서는 복수의 패널형태가 적층된 구조를 일 예로 하여 설명한다.
집광부(20)는 태양에너지를 흡수하여 일부를 집광부(20)의 내부에서 방사형으로 이동하도록 방향을 전환시키고 나머지를 통과시키는 구조로 마련된다.
이러한 집광부(20)의 일 예는 미국공개특허 2005-290625에 개시되어 있으며, 그 구체적 구조는 상기 공개특허공보의 내용으로 갈음하도록 한다 .
집광부(20)는 투과층(11)과 인접한 위치에서 평행하게 배치되어 투과층(11)을 통해 입사되는 태양에너지를 흡수하여 그 일부를 내부에서 방사형으로 운동하도록 방향을 전환시키며 나머지를 통과시키는 제1집광부(21)와, 제1집광부(21)의 하측에 마련되어 제1집광부(21)를 통과한 태양에너지를 흡수하여 그 일부를 내부에서 방사형으로 운동하도록 방향을 전환시키며 나머지를 통과시키는 제2집광부(22)를 포함하여 이루어질 수 있다.
비록 도면에 도시하지 아니하였지만, 이와 같은 방식으로 제2집광부의 하측에 제3집광부를 배치할 수 있으며, 또한, 제3집광부의 하측에 제4집광부를 배치할 수도 있다.
집광부는 필요에 따라 다수의 개수가 적층된 형태로 마련될 수 있으며, 2 내지 4의 개수로 한정되는 것은 아니다.
또한, 집광부(20)는 사각형의 패널로 마련된 것을 일 예로 설명하고 있으나, 임의의 다각형 또는 임의의 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
여기서 투과층(11)과 제1집광부(21)의 사이는 서로 맞닿아 있거나 수 마이크로미터에서 수십 센치미터까지 이격되어 있을 수 있다.
태양전지(30)는 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로, P형 반도체와 N형 반도체를 이용하여 전기를 일으킨다. 즉, 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하고, 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
태양전지(30)는 집광부(20)의 각 측면에 대응하는 크기로 마련되어 각 측면에 고정된다. 집광부(20)의 얇은 플레이트형태이기 때문에 각 측면에 대응하는 태양전지(30)는 길이방향으로 길이가 긴 막대형상으로 마련될 수 있다.
열확산층(40)은 열전도계수가 높은 재질로 마련되며, 태양전지(30)의 배면에 장착되어 태양전지(30)에서 전기로 변환되지 못한 태양에너지를 흡수하여 이를 유로부(50)로 전달한다.
유로부(50)는 열확산층(40)의 후측에 배치되어 열확산층(40)을 둘러싸는 형태로 마련된다.
열확산층(40)을 통해 태양전지(30)로부터 전달된 태양에너지의 열은 유로부(50)를 따라 유동하는 냉각유체와 열교환되고, 냉각유체는 전기에너지로 변환되지 못한 태양열을 회수한다.
유로부(50)의 양단은 연결부(80)에 마련되는데, 양단에는 한 쌍의 개구부(51,52)가 형성된다. 한 쌍의 개구부(51,52)는 유체가 유입되는 유입부 또는 유체가 유출되는 유출부일 수 있으며, 본 실시예에서는 편의상 각 태양광열모듈(10)의 상측연결부(80a)에 마련된 제1개구부(51)를 유입부라 하고, 하측연결부(80b)에 마련된 제2개구부(52)를 유출부라 한다.
제1,2개구부(51,52)사이의 유로부(50)의 중도는 태양전지(30)를 감싸도록 분기된다. 유로부(50)는 도면상 제1개구부(51)로부터 하측방향으로 분기되는 제1유로 부(53)와, 제1개구부(51)로부터 측면방향으로 분기되는 제2유로부(54)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제1,2유로부(53,54)는 하측연결부(80b)에서 합류하여 유체가 유출되는 제2개구부(52)와 연결된다.
제1,2유로부(53,54)의 단면은 삼각형, 사각형, 기타 다각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상의 단면형태로 마련될 수 있으나, 본 실시예는 일 예로 원형 형태로 마련된다.
또한, 제1개구부(51)와 제2개구부(52) 중 적어도 어느 하나는 유연한 움직임이 가능하도록 유연한 재질 또는 유연한 구조로 마련된다.
단열층(60)은 열확산층(40)과 유로부(50)를 고정하며, 이들 둘레를 감싸도록 마련되어 열확산층(40) 및 냉각유로(A)의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하여 효율을 향상시킨다.
또한, 단열층(60)의 외측에는 프레임(70)이 마련되어 태양광열모듈(10)이 하나의 단위셀로 일체화되도록 한다.
하측연결부(80b)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하측연결부(80b)를 개폐 가능하게 마련되는 개폐부(81)를 포함하고, 개폐부(81)의 힌지축에는 개폐부(81)가 하측연결부(80b)를 폐쇄하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성부재(82)가 마련된다.
태양광열모듈(10)의 조립시 개폐부(81)를 개방한 후 인접하는 태양광열모듈(10)의 유로부(50)를 조립함으로써 태양광열모듈(10)의 조립시 조립자의 시야를 확보하여 각 태양광열모듈(10)의 유로부(50)의 연결을 용이하게 할 수 있다.
연결부(80)는 단열층이 형성될 수도 있으나, 본 실시예에서는 일 예로 단열층이 형성되지 아니하고 중공된 상태로 마련된다.
인접하는 태양광열모듈(10)의 유로부(50)를 연결하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 연결부재(90)가 마련된다.
인접하는 유로부(50)의 결합은 각 유로부(50)를 직접 결합할 수 있으나, 본 실시예에서는 연결부재(90)를 이용하여 상대적으로 상측에 배치된 태양광열모듈(10)의 제2개구부(52)와, 상대적으로 하측에 배치된 태양광열모듈(10)의 제1개구부(51)를 연통시킨다.
연결부재(90)는 일 예로 원터치방식의 퀵컨넥터(quick connector)를 이용할 수 있으며, 플랜지형 컨넥터 또는 나사형 컨넥터 등 다양한 형태의 연결부재가 사용될 수 있음은 물론이다.
태양광열모듈은 이와 같은 방식으로 집적되어 태양광열 이용장치를 형성하게 된다.
제1실시예의 제1,2개구부의 결합구조와 달리, 도7의 실시예에서는 제2개구부(52')는 전방으로 절곡 형성되고, 이에 대응하여 제1개구부(51')가 후방으로 절곡 형성될 수 있다.
따라서 제1개구부(51')에 연결부재(90)를 삽입하고 하측의 태양광열모듈(10)을 전방에서 후방으로 이동시키거나, 상측의 태양광열모듈(10)을 후방에서 전방으로 이동시켜 상측 태양광열모듈(10)의 제2개구부(52')를 연결부재(90)에 삽입시킬 수 있다.
이때, 제1,2개구부(51',52')는 유연한 재질로 마련되어 조립자가 절곡시켜 결합할 수 있으며, 절곡된 상태로 제1,2개구부를 제조하고 이를 이용하여 조립할 수도 있음은 물론이다.
이하에서는 제1실시예에 따른 태양광열 이용장치의 조립방법에 대해 도4 내지 도6을 참조하여 설명하도록 한다.
먼저 복수의 태양광열모듈(10)을 인접하게 배치한다.
본 실시예에서 태양광열모듈(10)을 상호 인접하게 배치한다 함은 복수의 태양광열모듈이 상호 접촉하도록 배치하거나, 복수의 태양광열모듈을 소정간격 이격된 상태로 상호 이웃하게 배치하는 것을 포함한다.
이후, 인접하게 배치된 복수의 태양광열모듈(10) 중 상부에 배치되는 태양광열모듈(10)의 하측 모서리에 마련된 하측연결부(80b)의 개폐부(81)를 전방으로 개방하여 상부 태양광열모듈(10)의 제2개구부(52)를 외부로 노출시킨다.
다음으로, 하부에 배치된 태양광열모듈(10)의 상측연결부(80a)를 하측연결부(80b)에 인접하게 배치시킨다. 이후, 제1개구부(51)의 단부에 결합된 연결부재(90)에 제2개구부(52)의 단부를 삽입시켜 제1,2개구부(51,52)가 연통되도록 한다.
따라서, 하부 태양광열모듈(10)과 상부 태양광열모듈(10)을 결합하는 경우 양 태양광열모듈(10)사이의 간섭없이 간편한 결합이 가능해진다.
이때, 제1,2개구부(51,52)는 유연한 재질 또는 유연하게 움직일 수 있는 구성으로 마련되기 때문에, 설치자가 제1,2개구부(51,52)를 결합이 용이한 구조로 유 동시켜 결합시킬 수 있어, 작업성을 향상시킬 수 있다.
결합 후 외력이 제거되면 도 6에 도시된 바와 같이, 개폐부(81)가 탄성부재(82)의 복원력에 의해 하측연결부(80b)의 전방을 폐쇄하여 양 태양광열모듈(10)의 조립이 완성된다.
이와 같은 방식으로, 하부에 배치된 태양광열모듈(10)의 하측에 태양광열모듈(10)을 순차적으로 배치하고 이들의 제1,2개구부(51,52)를 상기와 같이 연결함으로써 상하방향으로 태양광열모듈(10)을 조립할 수 있다.
마찬가지로, 상부에 배치된 태양광열모듈(10)의 인접하는 측면방향에 태양광열모듈(10)을 배치하고, 그 하부에 또 다른 태양광열모듈(10)을 배치한 후 상기와 같은 방식으로 제1,2개구부(51,52)를 결합시킴으로써 측면방향으로도 태양광열이용장치를 확장시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 포함되는 태양광열모듈을 상하방향, 측면방향으로 연속적으로 조립함으로써 필요한 크기를 갖는 태양광열 이용장치를 마련할 수 있다.
태양광열이용장치(1)는 각 태양광열모듈(10)의 내장된 유로부(50)가 인접하는 태양광열모듈(10)에 내장된 유로부(50)와 연통되어 냉각유로(A)가 형성된다.
본 실시예에서는 복수의 태양광열모듈(10)을 상하방향으로 인접하게 배치한 후 각 태양광열모듈(10)의 유로부(50)를 연결하는 것을 일 예로 하여 설명하였으나, 좌우방향으로 인접하게 배치한 후 각 태양광모듈의 유로부를 연결하는 것이 가능함은 물론이다.
또한, 본 실시예에서는 상하방향, 좌우방향으로 3개씩의 태양광모듈을 배치 하는 구성을 일 예로 설명하였으나, 2이상의 복수개의 태양광모듈을 이용하여 태양광이용장치를 구성할 수 있으며 설치공간의 위치, 형상 등 필요에 따라 다양한 개수의 태양광모듈을 이용하여 태양광이용장치를 구성할 수 있음은 물론이다.
이러한 냉각유로를 따라 유동하는 냉각유체는 태양전지를 냉각시키는 동시에 태양열을 흡수하여 이를 회수한다.
다음은 제1실시예에 따른 태양광열 이용장치의 동작에 대해 설명하도록 한다.
제1실시예에 따른 태양광열이용장치(1)는 도 3,4에 도시된 바와 같이 투과층(11)으로 입사된 태양에너지는 제1집광부(21)에 도달하여 일부는 제1집광부(21)내의 측면방향으로 운동하고 나머지는 제1집광부(21)를 통과하여 제2집광부(22)로 입사된다. 제2집광부(22)로 입사된 태양에너지의 일부는 제2집광부(22)내의 측면방향으로 운동하게 된다. 이와 같이 제1,2집광부(21,22)로 입사된 태양에너지는 제1,2집광부(21,22)의 물질에 의해 방사상으로 운동하게 제1,2집광부(21,22)의 테두리 측면측으로 이동한다. 이러한 과정으로 집광부(20)의 테두리 측면으로 유도된 태양에너지는 태양전지(30)에 의해 전기로 변환된다.
넓은면의 투과층(11)으로 입사된 태양에너지가 얇은 집광부(20)의 측면에 배치된 태양전지(30)에 집적되어 전달되므로 집광 효율이 높아지게 된다.
이 때, 태양광열이용장치(1)의 상측에 배치된 태양광열모듈(10)의 제1개구부(51)를 통해 냉각유체를 유입시키면 각 태양광열모듈(10)의 유로부(50)가 연통되어 형성된 냉각유로(A)를 따라 냉각유체가 유동한다.
냉각유로(A)상의 냉각유체는 태양전지(30)의 배면을 따라 형성된 열전도계수가 높은 열확산층(40)을 통해 태양전지(30)에서 전기로 변환되지 못한 태양열을 흡수하여 열을 회수한다.
냉각유체는 통상의 수도물을 사용할 수 있으나, 오염방지 및 내구성 향상을 위해 이온수나 기타 유체를 사용할 수 있다. 또한, 공기와 같은 기체도 사용될 수 있으며, 냉각유로는 히트파이프(heatpipe)로 마련될 수도 있다.
따라서 제1실시예에 따른 태양광열 이용 장치는 평판형 집광부(20)를 마련하고, 집광부(20)의 테두리 측면에 태양전지(30) 및 냉각유로(A)를 마련하고 이를 프레임(70)에 내장함으로써 두께가 얇은 모듈 형태로 태양광열모듈(10)을 구성할 수 있고, 이러한 태양광열모듈을 간단한 조립방식을 통해 집적하여 태양광열 이용장치를 마련할 수 있다.
또한, 본 실시예의 태양광열이용장치(1)는 최외각의 태양광열모듈을 열회수장치(미도시)와 연결시키는 연결배관(미도시)만을 구비하면 되기 때문에 종래와 같이 태양광열모듈에 별도의 냉각유체 공급 및 회수를 위한 배관을 설치할 필요가 없다.
태양전지 발전 뿐만 아니라 태양열 회수도 가능하므로 높은 종합효율을 달성하여 같은 설치 면적으로도 월등히 많은 에너지 취득이 가능하게 된다. 또한 매우 얇은 모듈 형태로 제작되므로 부피가 큰 통상의 집광형 태양광 시스템이 가지는 설치장소와 설치조건의 제약을 최소화 할 수 있다.
또한, 태양광열모듈은 내부에 유로부를 포함하는 단위셀로 형성되고, 각 유 로부의 단부를 인접하는 태양광열모듈의 유로부와 결합이 용이하도록 마련함으로써, 종래의 태양광열이용장치에 비해 조립비용이 절감되고, 조립시간이 단축되는 효과가 있다.
다음은 제2실시예에 따른 태양광열 이용장치에 대해 설명하도록 한다.
도 8는 제2실시예에 따른 태양광열 이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 단면도이고, 도9는 제2실시예에 포함되는 태양광열모듈의 단면도이다.
제2실시예에 따른 태양광열 이용장치는 제1실시예의 태양광열모듈과 비교하여 집광부의 테두리 측면에 장착된 태양전지의 어느 일부를 반사판으로 대체하고, 반사판의 후측에 배치된 열확산층과 유로부를 삭제하는 것을 제외하고 태양광열모듈의 구성 및 이를 이용한 태양광열 이용장치의 조립은 제1실시예의 태양광열 이용장치와 동일하다.
이하에서는 제1실시예와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 부여하고 그 설명은 생략하도록 한다.
제2실시예에 따른 태양광열 이용장치(1')는 도 8,9에 도시된 바와 같이, 어느 일측의 테두리 영역에 유로부(100)가 마련된 단위셀 형태의 복수의 태양광열모듈(10')이 상호 인접하게 배치되고, 제1실시예와 동일하게 복수의 태양광열모듈(10') 각각의 유로부(100)는 인접하는 태양광열모듈(10') 중 적어도 하나에 마련된 유로부(100)와 연결되어 냉각유로(A')를 형성한다.
태양광열모듈(10')은 입사되는 태양에너지를 흡수하여 내부에서 방사상으로 재방출하는 집광부(20)와, 집광부(20)의 측면 일부에 설치된 태양전지(30)와, 집광 부(20)의 측면 타부에 설치되어 입사되는 태양에너지를 태양전지(30)측으로 반사하는 반사부(12)와, 태양전지(30)의 배면에 마련되어 태양전지(30)에서 전기로 변환되지 못한 에너지를 흡수하는 열확산층(40)과, 열확산층(40)의 배면에 마련되어 태양전지(30)를 냉각하고 태양열을 회수하기 위한 유로부(100)와, 열확산층(40)과 유로부(100)의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 단열층(60)과, 집광부(20)를 둘러싸며 내부에 태양전지(30), 반사부(12), 열확산층(40) 및 유로부(100)를 수용하는 공간을 구획하는 프레임(70)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 프레임(70)의 대향하는 적어도 한 쌍의 모서리측에는 인접하는 태양광열모듈(10')의 유로부(100)가 연결되는 연결부(80)가 마련된다.
제2실시예에서는 집광부(20)는 사각형의 패널로 마련되고, 태양전지(30)는 집광부(20)의 인접하는 테두리의 양측면에 각각 마련되며 반사부(12)는 각각의 태양전지(30)에 대향하는 위치의 집광부(20)의 테두리 양측면에 마련된다.
제2실시예에서는 반사부(12)의 배면에 유로부의 구성을 생략하고 있으나, 반사부의 열을 흡수하여 이를 회수하기 위하여 태양전지의 배면과 동일하게 열확산층 및 유로부가 형성될 수도 있다.
또한, 반사부(12)의 후면에는 냉매배관이 설치되지 아니하여 열회수가 필요하지 않게 되므로 단열층의 설치도 생략할 수 있다.
열확산층(40)은 태양전지(30)에 대응하는 크기로 태양전지(30)의 배면에만 설치될 수 있다. 유로부(100)는 열확산층(30)과 접하도록 설치되며 일단에 제1개구부(101)와 타단에 제2개구부(102)가 형성되어 내부의 유체가 어느 일방향으로 흐를 수 있도록 한다.
유로부(100)는 태양전지의 후면에 대응하는 위치에 마련되며 제2실시예에서는 도면상 제1개구부(101)로부터 하측으로 연장된 후 측방으로 절곡되어 형성되고, 제1개구부(101)에는 인접하는 태양광열모듈(10')의 제2개구부(102)와 연결하기 위한 연결부재(90)가 장착된다.
이와 같은 제2실시예에 따른 태양광열 이용장치의 조립방법은 제1실시예 또는 변형예에 따른 태양광열 이용장치의 조립방법과 동일한 방식이 적용되어 태양광열 이용장치를 완성할 수 있다.
다음은 제2실시예에 따른 태양광열 이용장치의 동작에 대해 설명하도록 한다.
투과층(11)으로 입사된 태양에너지는 제1집광부(20)에 도달하여 일부는 제1집광부(20)내의 측면방향으로 운동하고 나머지는 제1집광부(20)를 통과하여 제2집광부(20)로 입사된다. 제2집광부(20)로 입사된 태양에너지의 일부는 제2집광부(20)내의 측면방향으로 운동하게 된다. 이와 같이 제1,2집광부(20)로 입사된 태양에너지는 제1,2집광부(20)의 물질에 의해 방사상으로 운동하게 되고 한 쌍의 측면에 배치된 반사부(12)측에 다다른 태양에너지는 다른 한 쌍의 측면에 배치된 태양전지(30)측으로 반사된다.
이에 따라 한 쌍의 태양전지(30)로 입사되는 태양에너지는 전기에너지로 변화된다.
이 때, 태양광열이용장치(1')의 상측에 배치된 태양광열모듈(10')의 제1개구 부(101)를 통해 냉각유체를 유입시키면 각 태양광열모듈(10')의 유로부(100)가 연통되어 형성된 냉각유로(A')를 따라 냉각유체가 유동한다. 따라서, 태양전지(30)에서 전기에너지로 변화되지 못한 나머지 태양열은 열확산층(40)을 통해 냉각유로(A')의 유체에 의해 회수된다.
따라서 제1실시예에 따른 태양광열이용장치에 의한 효과 외에도, 고가의 태양전지의 설치면적을 줄이면서 집광비를 높여 효율을 유지할 수 있으며 가격절감을 도모할 수 있다. 또한, 반사부가 설치된 측에 열확산층, 냉각유로 및 단열층의 설치가 불필요하게 되므로 제작, 설치 편의성이 향상되고 제조비용을 절감할 수 있다.
다음은 제3실시예에 따른 태양광열 이용장치에 대해 설명하도록 한다.
도 10은 제3실시예에 따른 태양광열 이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 단면도이고, 도11은 제3실시예에 포함되는 태양광열모듈의 평단면도이다.
제3실시예에 따른 태양광열 이용장치는 태양광열모듈의 구성에 있어서, 제2실시예와 비교하여 태양전지의 설치위치와 그에 따른 열확산층 및 냉각유로의 설치위치, 반사부의 형상에 있어 다소 차이가 있을 뿐 나머지 구성을 실질적으로 동일하다.
제2실시예와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 부여하고 그 설명을 생략하기로 한다.
반사부(12')는 도 10,11에 도시된 바와 같이, 집광부(20)의 테두리 측면 중 대향하는 측면에 한 쌍으로 배치되고, 나머지 측면에 태양전지(30)가 배치될 수 있 다.
반사부(12')는 좌우 대칭되는 톱니형태의 단면 모양으로 형성될 수 있으며, 집광부의 상부와 하부에 마련된 반사부 각각이 서로 다른 방향으로 톱니형태의 단면 모양으로 형성될 수 있다.
제 3실시예에서는 반사부를 일 예로 톱니 모양으로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니하며 대향하는 태양전지측으로 태양에너지를 전달할 수 있는 다양한 형상으로 마련될 수 있음은 물론이다.
제2실시예와 마찬가지로 태양전지(30)의 배면측에는 열확산층(40)과, 유로부(110)가 마련되어 단열층(60)에 의해 단열되고, 반사부(12')의 배면측에는 열확산층, 유로부, 단열층의 구성이 생략될 수 있다.
따라서, 반사부(12')로 입사된 태양에너지는 반사되어 대향하는 나머지 테두리 측면으로 유도되고, 이곳에 설치된 태양전지(30)에 의해 전기로 변환하며, 태양전지(30)의 후측에 설치된 열확산층(40) 및 유로부(110)에 의해 태양열이 회수된다.
제3실시예에서는 반사부(12')가 좌우 대칭되게 설치되므로 상하에 설치된 반사부(12')의 좌측은 좌측에 설치된 태양전지(30)측으로 태양에너지를 반사하여 보내게 되며, 반사부의 도면상 우측은 주로 도면상 우측에 설치된 태양전지(30)측으로 태양에너지를 반사하여 보내게 된다.
한 쌍의 유로부(110)는 태양전지(30)에 대응하여 태양전지(30)의 배면에 상호 평행하게 배치되는데, 태양광열모듈(10'')의 각 모서리에는 인접하는 태양광열 모듈(10'')의 유로부(110)와 연결하기 위한 연결부(80a,80b)가 마련된다.
한 쌍의 유로부(110) 각각은 도면상 상부의 제1개구부(111)와, 도면상 하부의 제2개구부(112)를 포함한다.
제1개구부(111)에는 제2실시예와 동일하게 연결부재(90)가 장착되어 급수원 또는 인접하는 태양광열모듈(10'')의 제2개구부(112)와 연결을 용이하게 한다.
따라서 상하방향으로 인접한 태양광열모듈의 유로부가 연결되어 수직방향으로 길이가 긴 직선형의 냉각유로가 생성된다.
이와 같은 상태에서 유체 상측에서 하측으로 유동할 수 있도록 할 수 있으며, 펌프 등의 구동력을 이용하여 냉각유로의 하측에서 상측으로 유체를 유동시킬 수 있음은 물론이다.
또한, 태양광열 이용장치를 90도 회전시켜 설치할 수 있으며, 이와 같은 경우 냉각유로상의 유체는 좌우 방향으로 유동할 수 있으므로, 태양광열 이용장치의 배치에 따라 냉각유로의 유동방향을 달리할 수 있다.
또한, 냉각유체로 기체를 활용하는 경우 하측에서 상측으로 굴뚝 효과에 의해 자연대류가 일어나도록 수직 또는 경사지게 태양광열 이용장치를 설치할 수 있다.
이 때 냉각유체인 기체의 과열을 막기 위해 유로부상에서는 외부의 기체가 유입되는 기체유입구가 보조적으로 더 마련될 수 있다.
또한, 기체유입구로부터 외부공기가 유입되는 경우 자연대류효과가 저하되므로, 최상측의 유로부의 토출구 기능을 하는 개구부에는 송풍팬을 설치할 수도 있 다.
이와 같이 가열된 기체는 열저장매체에 저장되거나 환기구를 통해 실내에 직접 공급될 수 있다.
상기의 실시예에 따른 태양광열 이용 장치는 건물의 벽면이나 지붕 등 건물의 외장재와 일체화 되거나 설치두께가 최소화 되어야 하는 BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic) 발전분야에 사용될 수 있다. 기존 BIPV 발전시스템과 달리 열회수까지 가능케 하므로 전기 뿐만 아니라 열도 이용하는 CHP(Combined Heat and Power, 열병합발전)시스템으로써 기존의 BIPV와 차별화 될 수 있다. 또한 BIPV로의 응용 외에도 태양광 발전이 필요한 곳은 어디든 적용이 가능하다.
도 1은 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도1의 A-A'의 단면도이다.
도 3은 도1의 B-B'의 단면도이다.
도 4는 제1실시예의 태양광열이용장치의 대략적인 동작을 나타내는 단면도이다.
도 5는 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 조립을 나타내는 조립동작도이다.
도 6은 제1실시예에 따른 태양광열이용장치의 조립된 상태의 요부를 나타내는 사시도이다.
도 7은 변형예에 따른 태양광열이용장치의 조립을 나타내는 조립동작도이다.
도 8은 제2실시예에 따른 태양광열 이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 단면도이다.
도9는 제2실시예에 포함되는 태양광열모듈의 단면도이다.
도 10은 제3실시예에 따른 태양광열 이용장치의 대략적인 모습을 나타내는 단면도이다.
도11은 제3실시예에 포함되는 태양광열모듈의 평단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
1 : 태양광열이용장치 10 : 태양광열모듈
20 : 집광부 30 : 태양전지
40 : 열확산층 50 : 유로부
51 : 제1개구부 52 : 제2개구부
60 : 단열층 70 : 프레임
80 : 연결부 90 : 연결부재.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 집광부와, 상기 집광부의 적어도 일측면에 마련된 태양전지와, 상기 집광부와 상기 태양전지를 둘러싸는 프레임과, 상기 프레임내에 수용되며 상기 태양전지를 냉각하는 유로부를 포함하는 복수의 태양광열 모듈을 포함하고,
    상기 복수의 태양광열 모듈은 상호 인접하게 배치되고, 상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부 각각은 인접하는 적어도 하나의 태양광열 모듈의 상기 유로부와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 프레임 각각은 인접하는 상기 태양광열 도모듈의 상기 프레임과 접하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부 각각은 인접하는 적어도 하나의 태양광열모듈의 상기 유로부와 직결되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 태양광열 모듈의 상기 유로부를 인접하는 적어도 하나의 태양광열모듈의 상기 유로부와 연결하는 연결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태 양광열이용장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 인접하는 태양광열모듈의 상기 유로부의 단부를 연결하는 퀵컨넥터인것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 태양광열모듈은 사각형 형상으로 형성되고,
    상기 태양광열모듈 각각은 상기 인접하는 태양광열모듈과의 연결을 위해 상기 프레임의 적어도 하나의 모서리부에 연결부가 마련된 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 태양광열모듈의 대향하는 모서리 측에 적어도 한 쌍으로 마련되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 유로부의 양단은 제1,2개구부가 형성되고,
    상기 제1,2개구부는 상기 한 쌍의 연결부에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1,2개구부 중 적어도 어느 하나는 유연한 움직임이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 연결부를 개폐하는 개폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하는 태양광열이용장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 개폐부가 상기 연결부를 폐쇄하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지는 상기 집광부의 대향하는 양측에 한 쌍의 마련되고, 상기 유로부는 상기 태양전지에 대응하여 상기 한 쌍의 태양전지의 배면에 평행하게 마련되는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집광부는 입사되는 태양에너지의 일부를 내부에서 방사 (放射)상으로 방향 전환하며 다른 일부를 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집광부는 복수로 적층되고, 상기 복수의 집광부는 인접하는 집광부로 상기 태양에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 태양광열 이용장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지와 상기 유로부사이에 마련되어 상기 태양 전지에서 전기로 변환되지 못한 에너지를 상기 유로부로 전달해주는 열확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 프레임 내부에는 상기 태양전지와 상기 유로부를 감싸고 열의 방출을 차단하는 단열층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광열 이용장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 집광부의 다른 일측면에 배치되어 상기 태양에너지를 상기 태양전지측으로 반사시키는 반사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광열 이용장치.
  18. 적어도 하나의 집광부와, 상기 집광부의 적어도 일측면에 마련된 태양전지와, 상기 집광부와 상기 태양전지를 둘러싸는 프레임과, 상기 프레임내에 수용되며 상기 태양전지를 냉각하는 유로부를 포함하는 복수의 태양광열모듈을 준비하고,
    상기 복수의 태양광열모듈을 상호 인접하게 배치하고,
    상기 인접하게 배치된 상기 태양광열모듈 중 적어도 어느 한 쌍의 유로부를 연결하여 냉각유로를 형성시키는 것을 특징으로 하는 태양광열 이용장치의 조립방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 집광부는 입사되는 태양에너지의 일부를 내부에서 방사(放射)상으로 방향 전환시켜 측면측으로 안내하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치의 조립장법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 유로부를 연결하는 연결부재를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 유로부를 연결하는 것은 상기 연결부재를 이용하여 상기 한 쌍의 유로부의 단부를 연결하는 것을 특징으로 하는 태양광열이용장치의 조립방법.
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