KR20130041931A - 태양광 에너지를 집광하기 위한 디바이스 - Google Patents

Abstract

태양광 에너지 집광기는, 초점 라인에서 태양광선들을 반사하는 두 개 이상의 반사기들의 세트; 초점 라인에 위치한 반사된 광선들의 수신기; 및 비-포물선 오목 곡선을 따라 상기 반사기들의 세트를 이동시키는 수단을 포함한다. 초점 라인과 관련하여 상기 비-포물선 오목 곡선은 수학식 :

에 의해 정의되고, 여기에서, x 및 y는, 좌표계에서, 수평인 X 축, 수직인 Y 축, 및 초점 라인 상에서 상기 좌표계의 원점을 갖는, 상기 포물선 오목 곡선상의 점의 좌표들이다. 상기 초점 라인은 X-Y 평면에 수직이고, 상기 반사기들 각각은 상기 비-포물선 오목 곡선과 교차한다.

Description

태양광 에너지를 집광하기 위한 디바이스{A DEVICE FOR COLLECTING SOLAR ENERGY}

본 발명은 복수의 반사기를 포함하는 태양광 집광기에 관한 것으로, 이는 입사한 평행 방사(parallel radiation)를 라인 초점에 집중시키고; 집광된 방사는 적절한 열 전달 유체(heat transfer fluid)를 가열함으로써 고온의 열로 변환되거나, PV 셀들의 어레이에 그것을 입사하게 만들어 전기로 변환된다. 각 반사기는 3차원으로 임계적으로 배치 및 배향되어, 비-포물선 오목 곡선과 교차하고 반사기들은 상이한 평면들에 있고 인접하지 않지만; 그들은 인접하는 반사 표면을 형성하도록 중첩된다. 본 발명에서는, 반사기 스트립들의 전체 세트가 각 변위(angular displacement), 즉, 태양의 1/3 각 변위로 초점의 라인에 대해 함께 변위될 것이므로, 태양광 추적이 더 용이하다.

전력 생산을 위해 화석 연료를 사용하는 대부분의 일반적인 기술과 연관된 심각한 문제들이 존재한다. 이러한 연료를 태울 때 탄소 배출은 환경 파괴와 지구 온난화를 야기한다. 그들의 저류암들(reservoirs)은 빠르게 고갈되고 있어 오래 지속되지 못한다. 또한, 그들의 주요 공급은, 주로 세계의 작은 영역에 위치한, 제한된 수의 국가에서 비롯된다. 이는, 특히 개발 도상국들 중에서, 에너지 안보에 대한 우려를 초래한다. 따라서, 이러한 결점들에서 자유로운, 대안을 개발할 필요가 있다. 태양광 에너지는, 그의 공급이 방대하고, 그것은 탄소 방출을 야기하지 않으며(nil carbon emission), 전력 생산을 위한 그의 포텐셜이 막대하기 때문에, 매력적인 가능성이 있다. 그 결과, 그것을 집광하고 집중시켜 태양광 에너지를 이용하기 위해, 다양한 시도가 수행되었고, 수행되고 있다.

태양광 에너지를 집중시키기 위해 사용가능한 기술들은 다음과 같다;

a) 초점 라인에서 태양 광선을 집중시키는, PTC(Parabolic Trough Collectors).

b) 대면적 토지(land)에 걸쳐 2차원 어레이로 배열된 스트립들이, 그들에 입사한 태양 광선을 수신기 파이프를 향해 반사하는, 프레넬 렌즈(Fresnel Lenses)(반사형). 각 스트립은 별도로 태양광을 추적할 것이다.

c) 접시형 포물면 반사기는, 태양 빔이 그것의 초점에 집중되는 것이다. 그것은 두 가지 방식의 추적을 필요로 한다.

d) 헬리오스탯(Heliostats)은 대면적 토지에 걸쳐 2차원 어레이로 분포된, 작은 직사각형 피스들의 평면 거울로 구성되고, 그러한 거울 각각은 온종일 별도로 추적되어, 모든 반사된 광선이 항상 타겟을 맞추는데, 타겟은 토지의 중심에 위치한 타워의 상단 챔버이다.

태양은 하늘에서 지속적인 일주 및 계절 운동(continuous diurnal and seasonal movements)을 갖기 때문에, 집중기들에 입사하는 태양 광선의 각도는 지속적으로 변화한다. 이러한 지속적인 변화를 수용하기 위해, 반사 표면들 또는 수신기들의 다양한 이동가능한 배열들은, 반사 표면들 또는 수신기들, 또는 둘 다 태양광을 자동으로 추적하게 하는, 다양한 제어 수단과 결합되어 왔다. 트러프형 집광기들(trough type collectors)용 태양광 추적은 하나의 축(one axis)을 따른다. 접시는 '두 개의-축 추적(two-axes tracking)'을 필요로 한다. 이는, 하늘에 있는 태양광을 지속적으로 따르기 위해 정교한 지지 구조물(support structure), 및 정교한 메커니즘을 요구한다. 프레넬 반사기들은 하나의 축에 대한 추적을 필요로 하지만, 여기에서 모든 반사기 스트립들이 별도로 홀드되어야 하고 독립적으로 회전되어야 하는데; 그 이유는, 임의의 주어진 시간에 그들의 배향이, 수신기 파이프에 대한, 그들의 위치에 의존하기 때문이다. 이는, 스트립들을 홀드 및 회전하기 위해 정교한 배열을 다시 요구한다.

태양광 집광기들(solar collectors)은 본질적으로 광대한 개활지들(large open grounds)에 걸쳐 확산되어 있다. 따라서, 그들은 강한 바람이 부는 조건 하에 높은 풍압(high wind pressure)을 넘어야 한다. 따라서, 현재 기술에서 그들의 지지 구조물들은, 무거운 바람 하중(heavy wind load)을 견디기에 충분히 튼튼해야 할 필요가 있다. 이는 지지 구조물의 비용을 증가시킨다.

현재 기술에서 직면한 이러한 어려움들을 극복하기 위해, 강한 바람이 부는 조건 하에서도 매우 작은 바람 하중을 갖고 간단한 추적 배열을 갖춘 태양광 집광기가 요구된다.

또 다른 문제는 태양광 집광기에 대한 토지의 요구 사항에 관한 것이다. 태양광 타워 집광기(Solar Tower collectors)에서 직사각형 형상의 반사기들은 대면적의 영역을 차지한다. 또한, 상기 반사기들은, 서로에 대한 그들의 그림자들을 피할 수 있도록 충분한 중간 갭(gap)들로 이격되어야 한다. 유사하게, 프레넬형 집광기들의 경우에, 그들에 의한 광선들의 상호 차단(mutual blocking)을 피하기 위해 임의의 두 개의 인접한 스트립 사이에 충분한 갭이 제공될 필요가 있다.

그 결과, 태양광 집광기 설치에 필요한 토지의 면적은 태양광 필드의 면적; 즉, 태양광 방사가 집광기에 의해 캡처되는 실제 면적보다 훨씬 더 크다. 태양광 집광기에 필요한 토지의 면적은 태양광 필드의 면적을 많이 초과하지 않아야 하는 것이 바람직하다.

따라서, 태양광 집광기 시스템은 잠재적으로는 사용가능한 에너지를 제공하기 위한 매우 바람직한 수단이지만, 이러한 시스템과 연관된 많은 단점들이 존재한다는 것이 전술한 설명으로부터 명확히 분명하다. 과거의 태양광 집광기들이 직면하는 문제들을 실질적으로 제거할 수 있는 태양광 집광기 시스템을 제공하는 것이 유익할 것이다.

선행 기술 :

선행 기술은 다음과 같은 태양광 집광기들을 개시한다:

다음과 같은 선행 기술은 단지 태양광 집광기들에 대한 일반적인 참조를 위한 것으로, 본 발명에 근접하지 않다.

US7672549 B2 / US7925129 B2 / US7664350 B2는, 입사 광을 집광하기 위한 엘리먼트들, 광을 수신하고 또한 광을 리디렉션하기 위한 복수의 증분 스텝(incremental step)들을 갖춘 반사형 컴포넌트, 및 전기 에너지 형태로 집광 및 집중을 가능하게 하는 복수의 증분 부분(incremental portion)을 포함하는 도파관을 갖는 태양광 집중기(solor concentrator)를 개시한다.

상기 선행 기술에서 상기 형태와 연관된 문제들 중 일부는 다음과 같다;

그들 모두는, 매우 비용이 많이 드는, 프레넬 또는 대물 렌즈를 사용한다. 도파관에서 다수의 반사 때문에 광의 강도는 점차적으로 감소하고, 이에 의해 시스템의 효율에 악영향을 미친다. 그 디바이스는 조명을 목적으로 주로 사용되도록 의도된 것이다.

US7667833 B1은, TOP(Theoretical Overlay Photographic) 정렬 방법이, 포물면 트로프(parabolic trough)의 반사 표면 측면들을 정렬하기 위해, 집중기의 사진 이미지(photographic image) 상에 완벽하게 정렬된 집중기의 이론적 투영 이미지(theoretical projected image)를 사용하는 포물면 트로프 태양광 집중기(parabolic trough solar concentrator)를 개시한다.

모듈의 각 열에 하나 이상의 오프-축(off-axis) 카메라 위치들의 정렬 픽스처(alignment fixture)를 제공하는 선형 수신기 및 반사 표면 측면들의 적어도 두 개의 열(row) 및 적어도 하나의 행(column)을 포함하는 포물면 트로프 태양광 집중기와 관련된 문제가 존재한다. 절차는 번잡하고 지루하며 포물 곡선을 참조한다. 그것은 본 발명과 밀접한 관계가 없다.

US4454371은, 각각의 어레이가 복수의 인접한 길이 방향으로 연장하는 집중기 모듈들로 구성되는 복수의 집중기 어레이를 개시하는 가장 근접한 선행 기술이다. 그것은 불리한 환경 조건으로부터의 보호를 위해 원통형 형상의 커버를 형성한다. 집중기는 서로 인접하게 탑재된 복수의 평행 사변형 반사기 패널들로 구성되고, 이는 지속적인 반사기 표면을 제공하기 위하여 패널의 단부들이 인접 모듈들에 중첩하는 것을 허용한다.

태양광 집중기의 상기 형태와 연관된 문제는, 그것이 반 원통형 하우징 및 보호형 커버링을 형성하는 반-원형 인클로저를 제공하여, 비용을 증가시킨다는 것으로, 본 발명에는 그러한 하우징 및 커버가 존재하지 않는다.

상기 발명에는 어떠한 특정 태양광 추적 프로토콜도 존재하지 않고, 단지 태양광 추적에서 '표준 절차(standard procudure)'만을 언급하는데, 이에 반해 우리는 본 기술에서 '표준' 절차와는 상이한, 특정한 태양광 추적 프로토콜을 갖는다.

또한, 반사기의 복수의 열은 상기 특허에서는 평행사변형 반사 표면들로 배열되고, 이들은 동일한 평면에 교대로(one after other) 하우징된다. 그에 반해, 본 발명에서는, 반사기들이 인접하지 않고 상이한 평면들에 배열된다.

본 발명의 목적들 중 하나는 태양광 집광기를 제공하는 것에 관한 것으로, 그에 대해 요구되는 토지의 면적은 태양광 필드를 많이 초과하지 않는다. 이는, 본 발명에 따르면, 태양광을 추적하기 위해, 집광기가, 하늘에서 태양이 이동하는 각도의 1/3로, 그의 초점 라인에 대해 회전되고, 따라서 태양광 추적 동안 집광기에 대해 작은 정도의 각 변위(angular displacement)를 요구하기 때문에, 달성된다. 또한, 본 발명에서, 반사기들은 2차원으로 확산되지 않고, 3차원으로 상이한 평면들에 배치되어, 토지 면적에 대한 요구 사항을 줄인다.

본 발명의 또 다른 목적은, 강한 바람이 부는 조건 하에서도 높은 바람 하중을 겪지 않는 공기역학적으로 설계된 구성인 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 효율적인 구조적 설계를 포함하는 것으로, 이에 의해, 현재 사용가능한 종래의 컴포넌트들을 생성; 및 활용하는데 경제적인 중량비(weight ratio)에 고강성(high stiffness)을 제공하여, 그 결과 비용 절약뿐만 아니라, 표준 대량 생산 제조 기술(standard mass production manufacturing techniques)을 야기한다.

태양광 에너지 집광기는, 초점 라인에서 태양광선을 반사하는 두 개 이상의 반사기 스트립들의 세트, 초점 라인에 배치된 반사된 광선들의 수신기, 비-포물선 오목 곡선(non-parabolic concave curve)을 따라 반사기들의 상기 세트를 이동시키는 수단을 포함한다. 초점 라인에 대한 상기 비-포물선 오목 곡선은 다음 공식에 의해 정의된다:

여기에서, x와 y는, 좌표계에서, 초점 라인 상에 수평인 X 축, 수직인 Y 축 및 원점을 갖는 상기 비-포물선 오목 곡선 상의 점의 좌표이고, 상기 초점 라인은 X-Y 평면에 수직이고, 상기 반사기들 각각은 상기 비-포물선 오목 곡선과 교차한다.

본 발명은 이제 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것으로, 동일한 참조 번호는 동일한 부분들을 표기하는데 사용된다. 그러나, 도면은 단지 본 발명을 설명하는 것으로 본 발명을 한정하는 것이 아니다.
첨부 도면에서:
도 1은 다수의 반사기를 갖는 홀더의 개략도를 도시한다.
도 2는, 입사 광선들이 수직일 때, 상기 홀더들과 반사기들의 배향에 대한 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는, 태양의 각 변위에 대해, 반사기 스트립들의 세트의 요구된 각 변위를 도시한다.
도 4는 집광기의 바람직한 실시예의 분해도(exploded view)를 도시한다.
도 5는 스트립 홀더 및 스트립 홀더를 위한 스탠드의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 6의 (a)는 대략 오전 8시에 반사기 스트립들의 세트의 위치를 도시한다.
도 6의 (b)는 대략 낮 12시에 반사기 스트립들의 세트의 위치를 도시한다.
도 6의 (c)는 대략 오후 4시에 반사기 스트립들의 세트의 위치를 도시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 반사기들은 반사기 스트립들의 형상으로, 각각은 길이가 'l'이고 폭이 'w'이며 교차점은 중간점 'w'이다.

도 1은, 교차점[(x₁, y₁); (x₂, y₂); (x₃, y₃); --------- (x₇, y₇)] 각각에서, 비-포물선 오목 곡선(8)과 교차하는, 7개의 반사기 스트립(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)을 도시한다. 이제 비-포물선 오목 곡선(8)이 정의된다.

스트립들은, 스트립 홀더(9)에 의해, '너트와 볼트(nut-and-bolt)' 방법에 의해, 또는 용접(welding)에 의해, 또는 본 기술분야에서 잘 알려진, 적절한 홀딩 수단들 중 임의의 하나에 의해 홀드된다. 스트립 홀더(9)는 금속, 또는 플라스틱, 또는 임의의 적절한 비용 효율적인, 하드 또는 소프트 물질로 구성된다. 스트립 홀더(9)는, 비-포물선 오목 곡선(8)과 같은 비-포물선 오목 곡선에서, 상기 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)을 홀드하기 위해 제공된다. 비-포물선 오목 곡선(8)은 어퍼처(aperture; 12)를 갖는다. 집광기의 초점은 수신기(13)가 배치되는 곳에 있다. 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 및 수신기(13)는 도면의 평면에 수직으로 배치된다.

좌표계는, 원점이 수신기(13)에 있도록 그렇게 선택된다. 좌표계의 X 축 및 Y 축은 수평 라인(14) 및 수직 라인(15) 각각을 따른다. 다음으로, 상기 비-포물선 오목 곡선(8)은 수학식에 의해 주어진다.

모든 교차점들 [(x₁, y₁), (x₂, y₂), (x₃, y₃), ---- (x₇, y₇)]은 수학식 1을 충족한다.

좌표들을 연결하는 수학식의 형태는 시스템에 특정한 것이고; 주어진 좌표계와 일치하도록 임의의 다른 좌표계가 만들어 질 때, 수학식의 형태는 주어진 형태로 축소시킬 수 있다는 것은 좌표 기하(co-ordinate geometry)의 브랜치(branch)에서 잘 알려져 있다. 예로서, 대안적인 설명에서, 전술한 논의에서 설명된 좌표계에서 X 축은 수직 라인을 따라 취해지고 Y 축은 수평 라인을 따라 취해지는 경우에, 수학식 1은 다음으로 변경될 것이다.

그러나, 좌표 축들이 다시 교환되는 경우에, 수학식 2는 수학식 1로 축소될 것이다.

각각의 좌표계들이 전술한 논의에서 정의된 것과 일치하도록 만들어질 때, 상기 다른 형태들이 수학식 1로 축소되는 경우에, 수학식 1은 다른 가능한 좌표계들에 대응하는 수학식의 모든 다른 형태를 포함하도록 의도된다.

또한, 수학식 1에서 항(term) '(x² + y²)'는:

(a) 초점과, 비-포물선 오목 곡선(8)과 반사기의 교차점 사이의 최단 거리의 제곱;

수학식 1에서, 항 'y'는:

(b) 수직 라인(15) 상의 상기 두 개의 점을 연결하는(joining) 라인의 투영(projection).

따라서, 수학식 1은, 전술한 논의에서 정의된 바와 같이, 두 개의 항 (a) 및 (b)의 비율이 비-포물선 오목 곡선(8)과 모든 반사기 표면들의 교차점들에 대해 일정하다(constant)는 조건에 상응하고; 이 관계는 선택된 좌표계와는 관계가 없다.

도 1은 7개의 반사기 스트립(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)을 도시한다. 그러나, 도면을 간단 명료하게 하기 위해, 도 1에서, 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 사이에 넓은 갭이 있는 것으로 도시된다.

그러나, 바람직한 실시예에서, 반사기 스트립들은, 상이한 평면들에 걸쳐, 더 가깝게 홀드되고, 그들은 집광기의 크기에 따라 수적으로 더 많기 때문에, 입사 수직 방사(incident vertical radiation)는 하나의 반사기 스트립이나 그 다음 반사기 스트립에 부딪힌다. 따라서, 임의의 두 개의 인접한 반사기 스트립들 사이에는 갭이 존재하는데, 그 이유는 그들이 상이한 평면들에 있지만; 그들은 인접한 반사 표면을 형성하기 때문이다.

반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)은 프로토콜에 따라 그들의 위치가 배향되며, 이것은, 도 1에서 비-포물선 오목 곡선(8)과 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 교차점 모두, [즉, 점들 (x₁, y₁); (x₂, y₂); ----- (x₇, y₇)],에 입사한, 수직 광선들이 수신기(13)를 향해 반사되는 것을 보장한다. 상기 프로토콜은, 도 2를 참조하여, 아래에 설명된다.

도 2는 점들 (x₂, y₂) 및 (x₅, y₅)에서 상기 비-포물선 오목 곡선(8)과 교차하는 두 개의 반사기 스트립(2, 5)을 갖춘, 비-포물선 오목 곡선(8)을 도시한다. 도 2에는 7개가 아닌 단지 두 개의 반사기 스트립이 도시되는데, 그 이유는 그 수(number)가 배향을 위한 프로토콜을 명료하게 하기에 충분하고; 또한 그것이 도면의 명료성을 증가시키기 때문이다.

수직 라인(15)과, 교차점(x₂, y₂)에 수신기(13)를 연결하는 라인 사이의 각도가 φ인 경우, 반사기 스트립의 폭이 교차점에 수신기(13)를 연결하는 상기 라인과 (90-φ/2)의 각도를 만들고; 반사 표면이 수신기(13)와 마주하도록 반사기 스트립(2)이 배향된다.

유사하게, 수직 라인(15)과, 교차점(x₅, y₅)에 수신기(13)를 연결하는 라인 사이의 각도가 φ'인 경우, 반사기 스트립(5)의 폭은 교차점(x₅, y₅)에 수신기(13)를 연결하는 상기 라인과 (90-φ'/2)의 각도를 만들고; 반사 표면은 수신기(13)와 마주한다.

반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 모두를 위해 동일한 프로토콜이 후속한다. 상기 프로토콜은, 각 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 상기 교차점들에 입사하는 수직 광선들이 수신기(13)를 향해 반사되는 것을 보장한다. 그 결과, 그의 어퍼처(12)를 통해 집광기에 수직으로 입사하는 광선들은 수신기(13)에 집중된다.

수신기(13)에서 수직 평행 빔을 집중시키는 전술한 논의에서 설명된 프로토콜에 따라 배치 및 배향된, 비-포물선 오목 곡선(8)과 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 신규한 특징은, 광선들이 수신기(13)에 다시 집중되는 것을 보장하기 위해, 입사 평행 빔이 수직 평면에서 θ로 회전하는 경우에, 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 전체 세트가, 비-포물선 오목 곡선(8)을 따라 수신기(13)에 대해 수직 평면에서 (θ/3)로 회전되는 것이다.

이러한 특징은, 도 3a 및 3b에 도시되고, 여기서, 단지 3개의 반사기 스트립(2, 4 및 5)이 도시되는데, 이 개수는 특징을 설명하기에 충분하고; 도면에서 명료성을 유지하게 한다. 도 3a는, 수직으로 입사한 빔이 수신기(13)에 집중될 때, 반사기 스트립들(2, 4 및 5)의 세트의 원위치(original position)를 도시한다.

도 3b는 수신기(13)에 대해 수직 평면에서 각도 (θ/3)로 변위된 상기 세트의 위치를 도시한다. 상기 세 개의 반사기 스트립들(2, 4 및 5)은 비-포물선 오목 곡선(8)에서 새로운 위치들을 취하고, 그들의 새로운 배향은 원래와 상이하며; 그들은 이제 수신기(13)에서 수직 라인(15)과 각도 (θ)를 만드는 평행 빔을 집중시킨다.

따라서, 집광기의 작동을 위해 필요한 조건은, 스트립 홀더들(9, 9A)이 수직 평면에 유지되고, 수신기(13)에 대해 수직 평면에서 ±30°를 초과하지 않는 각 변위를 겪을 수 있다는 것이다. 이러한 조건이 충족되도록 보장하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 스트립 홀더들(9, 9A)을 위한 스탠드들(16, 16A) 형태의 픽스처들이 사용된다.

도 4는 집광기에 대한 일 실시예의 분해도를 도시한다. 그것은, 도면에 있어서 명료성을 유지하기 위해, 단지 4개의 반사기 스트립(1, 3, 5 및 7)을 도시한다. 상기 스트립들(1, 3, 5 및 7)은 그들의 단부들에서, 이전에 설명된 프로토콜에 따라, 두 개의 스트립 홀더들(9, 9A)에 고정된다. 상기 스트립 홀더들(9, 9A)은 두 개의 스탠드(16, 16A)의 도움으로 수직 평면에 홀드되고, 상기 스탠드들(16, 16A) 사이의 거리(1)는 스페이서 로드들(spacer rods; 17, 18, 19 및 20)에 의해 유지된다. 도면은, 초점에 배치된 정지 수신기(stationary receiver; 13); 및 스탠드를 따라 스트립 홀더들(9, 9A)을 회전시키는 수단을 포함하지 않는다.

스트립 홀더(9)용 스탠드(16) 및 스트립 홀더(9)의 일 실시예의 세부사항; 및 이 둘을 결합하는 방법이 도 5를 참조하여 이제 설명된다.

도 5는 스탠드(16)에 결합된 스트립 홀더(9)의 일 실시예의 분해도를 도시한다. 도 5의 스탠드(16)는, 내부 경계(inner border; 16.1)와 외부 경계(outer border; 16.2)를 갖춘, 강체(rigid body)이다. 상기 내부 및 외부 경계들은 바람직하게는 비-포물선 오목 곡선(8)과 동일한 형상의 것이다. 스트립 홀더(9)는 내부 경계(16.1)에 딱 맞는 그의 외부 경계(9.1)를 갖는다. 또한, 동일한 형상의 가이딩 픽스처(guiding fixture; 9.2)는 외부 경계(16.2)에 맞춰진다. 홀더(9)와 가이딩 픽스처(9.2)는 고착 스트립들(fastening strips; 9.3, 9.4 및 9.5)의 도움으로 일부 간헐적인 지점들에서 서로 고착된다(fasten).

그 결과, 스탠드(16)는 스트립 홀더(9)와 가이딩 픽스처(9.2) 사이에 개재되고; 스트립 홀더(9)와 가이딩 픽스처(9.2)의 상기 어셈블리는 스탠드(16)를 통해 부드럽게 슬라이드할 수 있다. 측면들에서 지지부들(16.3, 16.4)은 그라운드로부터 편리한 높이(convenient height)로 스탠드(16)를 상승시킨다. 따라서, 스트립 홀더(9)가 스탠드(16)를 통해 부드럽게 슬라이드할 때, 반사기 스트립들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 세트는 수직 평면에서 각 변위를 겪는 것이 보장된다. 또한, 넓은 스탠드(16)는, 스트립 홀더(9)의 요구된 최대 각 변위를 허용하기에, 충분히 크다.

태양광 추적을 위해, 각 반사 스트립은 독립적으로 회전될 수 없지만, 홀더들(9, 9A)에 부착된 스트립들의 전체 세트의 단일 각 운동(single angular movement)이 함께 수행되므로, 추적은 더 용이하다.

집광기에서 임의의 두 개의 인접한 스트립들 사이에는 근본적으로 갭이 존재한다. 그 결과, 강한 바람이 부는 조건 하에서도, 높은 풍압을 넘을 필요가 없다. 또한, 그의 인접한 스트립 상에서 임의의 하나의 스트립의 그림자는 제로이거나 무시할 수 있다. 따라서, 반사기들은 인접하지 않지만, 그들은 인접한 반사 표면을 형성한다.

본 발명의 도구와 관련되어 여기에 구체적으로 설명된 엘리먼트들에 대한 많은 수정들 및 대체물들이 당업자에 의해 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이들은, 예를 들어, 상이한 태양광 집광기의 크기들, 구조 물질들 또는 형상들을 수용하기 위해 실시된 치수의 수정들(dimensional modifications)을 포함할 수 있다. 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 이러한 수정들은 커버되도록 의도된다.

본 발명의 실시 :

도 6의 (a), 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 집광기에 대한 일 실시예를 개략적으로 도시하며, 도면에서의 명료성을 유지할 목적으로 단지 3개의 반사 스트립들(2, 4, 6)이 도시된다. 상기 스트립들(2, 4, 6)은 수학식 1에 의해 주어진 비-포물선 곡선(8)과 교차하고; 전술한 논의에서 설명된 프로토콜에 따라 배향된다.

수신기(13)는, 도면의 평면에 수직인, 초점에 배치시킨다. 또한, 상기 스트립들(2, 4, 6)은 N-S 방향을 따라 세로로 그리고 도면의 평면에 수직으로 배치되어, E-W 추적이 수행될 것이다.

도 6의 (a)는, 대략 오전 8시(현지 시간)에, 태양의 시각(hour angle)이 동쪽을 향해 수직으로 60°임을 도시한다. 따라서, 상기 스트립들(2, 4, 6)의 전체 세트는, 서쪽을 향해 수직으로부터 20°의 각도에 배치된다. 다음으로, 상기 스트립들(2, 4, 6)은, 동쪽을 향해 수직으로 60°의 각도로 경사진 모든 입사 태양 광선이 수신기(13)를 향해 상기 스트립들(2, 4, 6)에 의해 반사되는 것을 보장하도록, 배치 및 배향된다.

태양의 '시각(hour angle)'은 동쪽에서 서쪽으로 시간 당 15°의 비율로 균일하게 변화한다. 그 결과, 상기 스트립들(2, 4, 6)의 전체 세트는, '모터와 기어(motor and gear)' 배열을 사용하여, 또는 시계 메커니즘(clock mechanism)을 사용하여, 또는 본 기술분야에서 알려진, 임의의 다른 적절한 회전자 수단(rotor means)에 의해, 동쪽을 향해 시간당 5°의 비율로 균일하게 수신기에 대해 회전될 것이다.

대략 낮 12시의 상황이 도 6의 (b)에 도시된다. 태양 광선은 수직으로 입사한다. 스트립들(2, 4, 6)의 세트는 대략 오전 8시에 상기 세트의 위치로부터 동쪽을 향해 수신기(13)에 대해 20°의 각도로 이동한다.

상기 스트립들(2, 4, 6) 모두에 입사하는 태양 광선은 수신기(13)를 향해 반사된다.

오후 4시의 상황이 도 6의 (c)에 도시된다. 태양 광선이 서쪽을 향해 수직으로 60°의 각도로 기울어져 입사한다. 따라서, 상기 스트립들(2, 4, 6)의 세트는 대략 낮 12시에 상기 세트의 위치로부터 동쪽을 향해 수신기(13)에 대해 20°의 각도로 이동된다. 스트립들(2, 4, 6) 모두에 입사한 태양 광선들은 수신기(13)를 향해 반사된다.

스트립들이 E-W 방향을 따라 세로로 위치되는 경우, 추적은 N-S 방향을 따라 수행될 것이다. 수직 평면에서 초점에 대해 반사기 스트립들(2, 4, 6)의 세트의 경사각(angle of inclination)은 태양의 편각(angle of declination)에 있어서의 변화의 1/3씩 변화될 것이다.

따라서, 반사된 광선들은 항상 정지 수신기(13)에 초점이 맞춰지고, 여기서 순환 유체(circulation fluid)의 온도가 높게 올라가거나, 직접적 스팀 발생(direct steam generation)이 일어나거나, 또는 PV 셀들의 어레이를 사용하여 전력(electric power)이 발생된다.

장점들 :

1. 본 발명의 하나의 장점은, 비-포물선 오목 곡선(8) 반사 표면들을 필요로 하지 않고 고 농도의 태양광 에너지를 생산할 수 있는, 효율적인 태양광 집중기라는 점이다.

2. 본 발명의 또 다른 장점은, 평면 반사기 표면 스트립들이 지면 위에 2차원으로 확산되지 않지만; 스트립들을 위해 설계된 홀더들의 도움으로 3차원으로 배치되어, 반사기 표면 스트립들에 의해 커버된 토지의 실제 면적이 태양광 필드의 면적보다 적은, 태양광 집중기라는 점이다.

3. 본 발명에서 집광기는, 임의의 두 개의 인접한 스트립 사이에 갭을 갖고, 상이한 평면들에 3차원으로 배치된, 다수의 반사기 스트립을 포함한다. 이는 집광기 상의 바람 하중을 감소시킨다.

4. 본 발명의 또 다른 장점은, 임의의 순간에 반사기 스트립들의 세트의 홀더들에 대한 단일 운동이 모든 반사기 스트립들을 변위(displace)시키고 재배향(reorient)하여 원하는 결과를 제공하기 때문에, 태양광 추적이 더 간단한, 태양광 집중기라는 점이다.

5. 본 발명의 또 다른 장점은, 공기역학적으로 설계된 구성으로 인해 강한 바람이 부는 조건 하에서도, 높은 풍압을 넘을 필요가 없는, 태양광 집중기라는 점이다.

Claims (8)

1. 태양광 에너지 집광기(solar energy collector)로서,
   초점 라인에서 태양광선들을 반사하는 두 개 이상의 반사기들의 세트,
   상기 초점 라인에 배치된 반사된 광선들의 수신기, 및
   비-포물선 오목 곡선(non-parabolic concave curve; 8)을 따라 상기 반사기들의 세트를 이동시키는 수단
   을 포함하고,
   상기 초점 라인과 관련하여 상기 비-포물선 오목 곡선(8)은,
   

   

   
   에 의해 정의되고,
   여기에서, x 및 y는, 좌표계에서, 상기 초점 라인 상에 수평인 X 축(14), 수직인 Y 축(15) 및 상기 좌표계의 원점을 갖는, 상기 비-포물선 오목 곡선(8) 상의 점의 좌표들이고, 상기 초점 라인은 X-Y 평면에 수직이고, 상기 반사기들 각각은 상기 비-포물선 오목 곡선(8)과 교차하는 태양광 에너지 집광기.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사기들의 세트는, 하늘에서 태양이 ±3°의 각 변위를 겪을 때마다 초점의 라인에 대해 ±1°의 각 변위로 공지된 수단에 의해 이동되는 태양광 에너지 집광기.
3. 제1항에 있어서, 상기 세트 내에 있는 반사기들은 인접하지 않고(non-contiguous), 상이한 평면들에 존재하는 태양광 에너지 집광기.
4. 제3항에 있어서,
   상이한 평면들에 있는 상기 반사기들은 중첩되어 인접한 반사 표면을 형성하는 태양광 에너지 집광기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사기들은 세로의 스트립들인 태양광 에너지 집광기.
6. 제1항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트립의 교차점은 상기 스트립의 폭의 중간점(midpoint)인 태양광 에너지 집광기.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 반사기들은 평평한(flat) 태양광 에너지 집광기.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   수직 라인과, 상기 비-포물선 오목 곡선(8)과 상기 스트립의 교차점에 상기 초점을 연결하는 라인 사이의 각도가 φ인 경우, 상기 스트립의 폭이 상기 라인과 (90-φ/2)의 각도를 만들어, 상기 반사기들에 수직으로 입사하는 광선들이 상기 초점 라인을 향해 반사되는 것을 보장하는 태양광 에너지 집광기.

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