KR20110112659A - 태양열 발전장치 - Google Patents

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KR20110112659A KR1020100031892A KR20100031892A KR20110112659A KR 20110112659 A KR20110112659 A KR 20110112659A KR 1020100031892 A KR1020100031892 A KR 1020100031892A KR 20100031892 A KR20100031892 A KR 20100031892A KR 20110112659 A KR20110112659 A KR 20110112659A
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Abstract

본 발명은 태양열 발전장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 집열판을 타워 형태의 구조물에 구비하여 태양열에 의해 공기를 가열하거나 증기를 발생시켜 이송관을 통해 유동케 하여 터빈을 구동하여 발전하도록 된 태양열 발전장치에 있어서, 상기 타워 구조물(1)에 상방으로 설치되는 태양열에 의해 증기를 발생하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제1 집열부(11)와 상기 집열부(11)에서 가열된 축열재와의 열교환에 의해 증기를 발생시키도록 물을 수용하며 증기가 배출되는 배출구(15)가 형성된 수조(13)를 구비한 증기발생부(10)와, 태양열로 공기를 가열하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제 2 집열부(21)를 구비한 공기가열부(20), 제 2 집열부(21)에서 가열된 공기 흐름과 수조내 발생된 증기가 함께 배출구(15)를 통해 배출되어 가속화되도록 인입구측은 상기 수조(13)의 배출구(15)에 연결되고 출구측은 터빈(40)에 연결된 나선형의 이송관(30)을 포함하여 태양열에 의해 발생된 증기와 가열된 공기를 혼합하여 터빈을 구동하도록 구성됨으로써, 발전 효율이 향상되고, 발전장치가 집약적인 구조로 되어 토지 이용효율 및 소규모 태양열 발전 사업도 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

태양열 발전장치{SOLAR POWER GENERATION PLANT}
본 발명은 태양열 발전장치에 관한 것으로, 특히 태양열로 증기를 발생킴과 함께 태양열로 가열된 공기의 상승기류를 이용하여 증기 흐름을 가속시켜 터빈을 구동하여 발전 효율을 증가시키도록 개선된 구조의 태양열 발전장치에 관한 것이다.
화력 및 열병합 발전소에서는 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생성하고 있으나, 석유값의 급등과 석유자원의 고갈로 풍력이나 조력을 이용한 발전장치와 함께 친환경적이고 무궁한 에너지원인 태양열을 이용한 발전장치에 대한 관심이 고조되고 있다.
종래의 태양열 발전장치는 광전소자를 이용한 발전이 주류를 이루었고 최근에는 태양열로 증기를 발생시키거나 가열된 공기를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전하는 태양열 발전장치가 제안되었다.
이러한 종래 태양열 발전장치의 예로는 미국 공개특허 제2008-0216822호(2008.09.11. 공개)에는 복수개의 가열 공기 수집기를 구비하여 공기를 가열시키고 가열된 공기로 증기를 발생시켜 터빈을 구동시켜 발전하는 태양에너지 시스템이 개시되어 있고, 일본공개특허 제2000-110515호(2000.04.18. 공개)에는 저비등점의 유기 용매계 작동유체를 봉입하여 태양에너지로 가열한 후 증기를 생성하여 터빈을 구동하는 태양열 발전 시스템이 개시되어 있으며, 일본공개특허 제2007-132330호(2007.05.31. 공개)에는 진공 콜렉터와 열교환이 이루어지는 축열조, 보일러를 구비하여 증기터빈을 구동하여 발전하는 태양열 발전장치가 개시되어 있고, 한국등록특허 제0666056호(2007.01.02. 등록)에는 다수의 광반사경이 설치되어 반사되는 태양열을 농축 집열하여 통과되는 물을 가열하여 증기를 생성하고 터빈을 구동하여 발전하는 태양열을 이용한 발전시스템이 개시되어 있다.
그러나, 상기한 종래 태양열 발전장치는 집열판 설치를 위한 넓은 토지와 함께 과도한 초기 설비비용이 소요되고, 발전효율이 낮은 문제점이 있었으며, 이에 대한 개선책이 요구되었다.
미국 공개특허 제2008-0216822호(2008.09.11. 공개) 일본공개특허 제2000-110515호(2000.04.18. 공개) 일본공개특허 제2007-132330호(2007.05.31. 공개) 한국등록특허 제0666056호(2007.01.02. 등록)
본 발명의 목적은 상기한 종래 태양열 발전장치에 대한 문제점을 해결하기 위하여 태양열을 이용하여 증기를 발생시킴과 함께 공기를 가열하여 가속화된 흐름으로 증기터빈을 구동하여 발전효율이 개선된 태양열 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 타워구조물에 태양열 집열부와, 집열부에서 집열된 태양열을 이용하여 증기를 발생하는 증기발생기와 공기를 가열하여 유동케 하는 공기가열부를 집약적으로 배치하여 설치비용을 절감하고, 증기를 가열된 공기에 실어 가속화시켜 터빈을 구동하여 효율적인 발전이 이루어지도록 개선된 태양열 발전장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 태양열 발전장치는, 적어도 하나의 집열판을 타워 형태의 구조물에 구비하여 태양열에 의해 공기를 가열하거나 증기를 발생시켜 이송관을 통해 유동케 하여 터빈을 구동하여 발전하도록 된 태양열 발전장치에 있어서, 상기 타워 구조물에 상방으로 설치되는 태양열에 의해 증기를 발생하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제1 집열부와, 상기 집열부에서 가열된 축열재와의 열교환에 의해 증기를 발생시키도록 물을 수용하며 증기가 배출되는 배출구가 형성된 수조를 구비한 증기발생부와, 태양열로 공기를 가열하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제 2 집열부를 구비한 공기가열부, 제 2 집열부에서 가열된 공기 흐름과 수조내 발생된 증기가 함께 배출구를 통해 배출되어 가속화되도록 인입구측은 상기 수조의 배출구에 연결되고 출구측은 터빈에 연결된 나선형의 이송관을 포함하여 태양열에 의해 발생된 증기와 가열된 공기를 혼합하여 터빈을 구동하도록 구성된다.
상기 수조의 배출구는 상방향으로 직경이 좁아지는 곡면으로 된 깔때기 형상으로 되고, 배출구의 중심부에 가열공기 흐름용 관로의 개방된 단부가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 이송관은 진공화된 챔버에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 터빈을 구동한 다음 증기와 가열 공기 혼합물은 귀환관로를 통해 배출되며, 상기 귀환관로에는 필터와 기액분리기를 통해 물과 공기로 분리되어 물은 수조로 귀환되고, 분리된 공기는 다시 챔버로 귀환되고 제2 집열부로 인입되어 재가열되는 순환 경로를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양열 발전장치는 타워 구조물에 배치되는 적어도 하나의 집열판들을 포함하는 증기발생부와 공기가열부, 수조에 수용된 물에서 상기 증기발생부로부터 발생된 증기와 공기를 함께 나선형의 이송관을 통해 가속화하여 터빈을 구동하도록 구성함으로써 발전 효율이 향상되고, 증기발생부와 공기가열부가 타워형 구조물에 함께 설치되어 발전장치가 집약적인 구조로 되어 토지 이용효율 및 소규모 태양열 발전 사업도 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 태양열 발전장치의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1의 태양열 발전장치의 일실시예를 보여주는 개략적인 단면 구성도.
도 3은 도 2의 집열판 구조를 보여주는 개략적인 단면도.
이하에서는 본 발명의 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 태양열 발전장치는 타워 형태의 구조물(1)에 태양열에 의해 증기를 발생하기 위한 증기발생부(10)와, 태양열로 공기를 가열하기 위한 공기가열부(20), 상기 증기발생부에서 생성된 증기의 운동을 가속화하도록 공기가열부(20)에서 발생된 가열된 공기에 의해 증기를 실어 이송하기 위한 이송관(30) 및 상기 증기와 가열된 공기가 함께 구동하는 터빈(40)을 포함하여 구성된다.
상기 증기발생부(10)와 공기가열부(20)는 태양열에 의해 물과 공기를 각각 가열하기 위하여 제1 및 제2 집열부(11,21)가 제공된다. 제1 집열부(11)는 적어도 하나의 통상의 집열판으로 이루어지며, 집열판내에는 축열재가 제공되어 태양열로 축열재를 260-560℃로 가열된 축열재는 수조(13)내에 제공된 열교환기(14)에서 수조내의 물을 가열하여 증기를 발생시킨다.
공기가열부(20)는 증기발생부의 집열부(11) 보다 아래쪽에 제공되는 적어도 하나의 통상의 집열판으로 이루어지는 제2 집열부(21)를 포함하고, 상기 제 2 집열부(21)에는 미로 형태의 공기 흐름 통로가 형성되어 그 통로를 통해 유동하는 공기가 태양열에 의해 온실효과로 약 600~700℃까지 가열될 수 있으며, 가열 공기에 의한 상승 기류가 형성된다.
상기 수조(13)에서 상부는 빈 공간으로 이루어지고, 수조 상단에 형성되는 배출구(15)는 깔때기를 뒤집은 형상으로 상방으로 직경이 좁아지는 곡면으로 형성된다.
상기 제2 집열부(21)에서 가열된 공기의 상승기류는 배출측에 연결된 관로(22)를 통해 배출되며, 상기 관로(22)는 수조(13)를 관통하여 상방으로 연장되며, 상기 관로(22)는 나선형으로 이루어져 관로(22)를 통해 유동하는 기류가 나선운동을 하면서 가속되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 관로(22)는 또한 순환 공기 챔버(25) 내에 배치되게 하여 후술하는 바와같이 터빈을 구동하고 귀환되는 가열 공기 흐름이 제2 집열부(21)로 재유입되는 구성으로 가열된 귀환 공기를 재사용하여 열효율을 향상시키도록 하는 것이 바람직하고, 제2 집열부(21)에는 외부 공기가 유입게 할 수도 있음은 당연하다.
상기 제2 집열부(21)의 가열된 공기 배출측에 연결되는 관로(22)의 상단은 수조(13)의 깔때기 형상의 배출구(15)의 입구측에서 종결되며, 관로(22)를 통한 가열 공기 흐름이 빠른 속도로 배출되면서 주변의 증기를 실어 배출구(15)와 연결된 나선형 관로로 이루어진 이송관(30)으로 유입되게 하며, 이때 가열 공기 흐름에 의해 배출구(15)에서 증기가 빨려 나가게 되어 증기 배출이 원활하게 그리고 가속화된다. 상기 이송관(30)의 나선형 관로를 유동하는 증기와 가열 공기의 흐름은 원심운동을 하게 되어 가속화되어 터빈(40)으로 공급되어 가열 공기 흐름과 함께 증기에 의해 터빈을 구동하게 되어 전기를 생성하게 된다.
상기 이송관(30)은 진공화된 챔버(35) 내에 배치되는 것이 바람직하며, 이것은 챔버내의 열전달 매체가 없게 됨에 따라 이송관(30)을 유동하는 증기와 가열 공기의 열손실이 방지되어 터빈 구동력을 최대로 유지될 수 있게 된다.
상기 터빈(40)을 구동한 다음 증기와 가열 공기는 귀환관로(50)를 통해 배출되며, 상기 귀환관로(50)에는 필터(51)와 기액분리기(52)를 통해 증기가 물로서 수조(13)로 귀환되고, 분리된 공기는 다시 챔버(35)로 귀환되어 제2 집열부에서 재가열되는 순환 경로를 갖도록 함으로써 태양열에 의한 가열이 보다 효율적으로 그리고 원활하게 이루어지게 된다.
본 발명에서, 타워 형태의 구조물(1)에 설치되는 제1 및 제2 집열부(11,21)의 집열판들은 우리나라에서는 동지에 태양 최근접 위도가 남위 23.5도가 되고 그때 우리나라 위도에서 바라보는 태양의 위치를 감안하여 남향으로 35도에서 60도의 각도로 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 타워 형태의 구조물(1)은 기부(2)에 제공된 원형 레일(3) 상에서 모터(4)에 의해 회전운동할 수 있게 함으로써 시간에 따라 회전되도록 하여 태양의 하루중 이동 경로에 따라 집열판들 또한 이동하도록 하여 태양열 집열 효과를 최대화하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양열 발전장치는 타워 형태로 평지가 좁고 산지가 많은 국토 사정을 감안하여 국토 이용 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 지역별 소규모의 태양열 발전장치를 설치할 수 있고, 태양열에 의해 공기를 가열함과 동시에 증기를 발생시켜 함께 터빈을 구동하도록 하여 효율적인 태양열 발전을 할 수 있게 된다.
1 : 타워 구조물 10 : 증기발생부
11 : 집열부 13 : 수조
15 : 배출구 20 : 공기가열부
21 : 집열부 22 : 관로
25 ; 챔버 30 : 이송관
35 : 챔버 40 : 터빈

Claims (4)

  1. 적어도 하나의 집열판을 타워 형태의 구조물에 구비하여 태양열에 의해 공기를 가열하거나 증기를 발생시켜 이송관을 통해 유동케 하여 터빈을 구동하여 발전하도록 된 태양열 발전장치에 있어서, 상기 타워 구조물(1)에 상방으로 설치되는 태양열에 의해 증기를 발생하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제1 집열부(11)와 상기 집열부(11)에서 가열된 축열재와의 열교환에 의해 증기를 발생시키도록 물을 수용하며 증기가 배출되는 배출구(15)가 형성된 수조(13)를 구비한 증기발생부(10)와, 태양열로 공기를 가열하도록 적어도 하나의 집열판으로 된 제 2 집열부(21)를 구비한 공기가열부(20), 제 2 집열부(21)에서 가열된 공기 흐름과 수조내 발생된 증기가 함께 배출구(15)를 통해 배출되어 가속화되도록 인입구측은 상기 수조(13)의 배출구(15)에 연결되고 출구측은 터빈(40)에 연결된 나선형의 이송관(30)을 포함하여 태양열에 의해 발생된 증기와 가열된 공기를 혼합하여 터빈을 구동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수조(13)의 배출구는 상방향으로 직경이 좁아지는 곡면으로 된 깔때기 형상으로 되고, 배출구의 중심부에 가열공기 흐름용 관로(22)의 개방된 단부가 배치된 것을 특징으로 하는 태양열 발전장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 이송관(30)은 진공화된 챔버(35)에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양열 발전장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 터빈(40)을 구동한 다음 증기와 가열 공기는 귀환관로(50)를 통해 배출되며, 상기 귀환관로(50)에는 필터(51)와 기액분리기(52)를 통해 물과 공기로 분리되어 물은 수조(13)로 귀환되고, 분리된 공기는 다시 챔버(25)로 귀환되고 제2 집열부로 인입되어 재가열되는 순환 경로를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 발전장치.




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