KR20140003696A - 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입사된 태양광을 중심부에 배치된 집열관으로 반사시켜 태양열을 집열이 효율적으로 이루어지도록 구성된 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템에 관한 것으로, 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사체와, 상기 반사체의 중심에 배치되어 상기 반사체에서 집광된 태양광에 의해 가열되고, 외부로부터 열매체가 유입되는 제1 유입구와, 가열된 열매체가 외부로 배출되는 제1배출구가 형성된 집열관과, 상기 집열관이 장착된 반사체를 지지하도록 반사체의 하부에 연결되는 프레임과, 상기 제1유입구와 이송관으로 연결된 제2 배출구가 하단에 형성되고, 상기 제1배출구와 연결된 제2 유입구가 상단에 형성된 축열조와, 상기 반사체가 태양광을 따라 이동하도록 반사체의 하부에 장착되는 태양추적장치를 포함한다.

Description

원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템{solar heat collecting system using cone shape reflector}

본 발명은 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사된 태양광을 중심부에 배치된 집열관으로 반사시켜 태양열을 집열이 효율적으로 이루어지도록 구성된 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템에 관한 것이다.

최근 화석에너지의 고갈과 에너지 수급의 불안정 및 온실가스 배출로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제의 대두로 태양 에너지를 비롯한 깨끗하고 풍부한 신재생 에너지 개발의 필요성이 절실한 상황이다.

일반적으로 태양열은 에너지 밀도가 낮은 에너지원이나, 그 잔존량이 무한하며, 그 사용 비용은 전혀 없기 때문에 신 재생 에너지원으로서 풍력과 함께 주목받고 있으며, 기술의 발달과 경제성이 뛰어나 각 나라별로 거대 발전 사업으로 두각을 보이고 있다.

태양열을 이용하는 방법으로는 냉 난방에 이용하는 것과, 발전에 이용하는 것을 예로 들 수 있다.

먼저 태양열을 일반 가정 등에서 냉난방용으로 사용하기 위하여 태양열을 효율적으로 흡수, 집열하는 집열기를 필요로 한다. 상기 집열기는 크게 나누어 수평 면적과 흡수체 면적이 같은 평판형 집열기와 포물형 면 등으로 태양광선을 흡수체에 집열시키는 집광형 집열기로 나누어진다.

상기 집열기를 이용한 냉난방의 경우 급탕은 집열 온도가 60℃ 이하, 냉방용으로는 흡수냉동기로 사용할 경우 80~100℃, 랭킨 사이클 기관을 사용할 경우에는 120~130℃의 집열 온도가 필요하다. 냉 난방의 경우 상기 집열 온도 조건을 충족하기 위해 선택 흡수막을 집열하여 처리한 것 또는 벌집 구조를 가진 평판형 집열기를 이용한다. 또한 벌집 구종의 집열과 유리재 커버 사이의 공기층을 진공으로 하여 대류 손실을 방지함과 동시에 집열판을 선택 흡수막을 한 특수한 진공관식 집열기나 집광형 집열기를 사용하는 평판형 집열기를 사용한다. 이러한 부가적인 보조구성을 가지는 것은 상기 평판형 집열기가 집열 면적과 열손실 면적이 비례하므로 집열 온도가 높아지면 집열 효율이 급격히 저하되기 때문에 이를 보완하기 위한 것이다.

그러나 상기 평판형 집열기는 제조가 복잡하고, 제조 비용이 커 가격이 비싸게 되는 문제점을 가진다.

본 발명은 태양광을 반사시키는 반사체를 원추형으로 형성하고 태양열을 흡수하는 집열관을 반사체 중심에 배치시켜 집열효율을 높이도록 하면서, 태양열에 의해 가열되는 열매체가 집열관 내에서 자연순환이 이루어져 가열된 열매체의 배출이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템은 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사체와, 상기 반사체의 중심에 배치되어 상기 반사체에서 집광된 태양광에 의해 가열되고, 외부로부터 열매체가 유입되는 제1 유입구와, 가열된 열매체가 외부로 배출되는 제1배출구가 형성된 집열관과, 상기 집열관이 장착된 반사체를 지지하도록 반사체의 하부에 연결되는 프레임과, 상기 제1유입구와 이송관으로 연결된 제2 배출구가 하단에 형성되고, 상기 제1배출구와 연결된 제2 유입구가 상단에 형성된 축열조와, 상기 반사체가 태양광을 따라 이동하도록 반사체의 하부에 장착되는 태양추적장치를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 집열관은, 내부에 밀폐된 공간을 형성하되, 일측 하단에 상기 제1 유입구가 형성된 중공의 외관부재와, 일측이 상기 외관부재의 일측면을 관통하여 상기 외관부재 내부공간의 상부에 배치되며, 타측은 상기 외관부재의 외측에 형성되어 상기 제1배출구로 작용하는 중공의 내관부재를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 태양추적장치는, 태양추적센서와, 상기 태양추적센서의 신호에 따라 작동하며, 태양의 고도각 추적을 위해 상기 프레임을 상하방향으로 회전시키는 제1회전부재와, 상기 태양추적센서의 신호에 따라 작동하며, 태양의 방위각 추적을 위해 상기 프레임을 수평방향으로 회전시키는 제2회전부재를 포함한다.

본 발명 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템에 따르면, 태양광을 반사시키는 반사체를 원추형으로 형성하고, 태양열을 흡수하는 집열관을 반사체 중심에 배치시켜 집열효율을 높일 수 있다.

또한, 태양열에 의해 가열되는 열매체가 집열관 내에서 자연순환이 이루어져 가열된 열매체의 배출이 효과적으로 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열 시스템의 사시도,
도 2는 상기 도 1의 태양광추적장치를 보인 측면도,
도 3은 상기 도 1의 집열관을 보인 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열 시스템의 개념도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열 시스템의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열 시스템의 개념도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템은 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사체(100)와, 상기 반사체(100)의 중심에 배치되어 상기 반사체(100)에서 집광된 태양광에 의해 가열되고, 외부로부터 열매체가 유입되는 제1 유입구(201)와, 가열된 열매체가 외부로 배출되는 제1배출구(202)가 형성된 집열관(200)과, 상기 집열관(200)이 장착된 반사체(100)를 지지하도록 반사체(100)의 하부에 연결되는 프레임(300)과, 상기 제1유입구(201)와 이송관(20)으로 연결된 제2 배출구(401)가 하단에 형성되고, 상기 제1배출구(202)와 이송관(20)으로 연결된 제2 유입구(402)가 상단에 형성된 축열조(400)와, 상기 반사체(100)가 태양광을 따라 이동하도록 반사체(100)의 하부에 장착되는 태양추적장치(500)를 포함한다.

상기 반사체(100)의 내주면은 원뿔형태를 취한다. 반사체(100)의 중심에는 집열관(200)이 배치되며, 반사체(100)는 프레임(300)에 의해 지지된다. 상기 반사체(100)는 스테인리스 재질로 구비될 수 있으며, 그 표면은 90%이상의 반사율을 갖도록 알루미늄 세라믹 나노 코팅을 시행할 수 있다. 또한, 상기 반사체(100)는 그 형태가 변형되지 않도록 양단에 환형의 보강부재(110)가 각각 부착될 수 있다.

반사체(100)로 들어오는 태양광의 거의 일직선으로 입사된다. 따라서 반사체(100)로 태양광이 입사될 때 원추형의 반사체(100) 표면에 반사되어 중심의 하부를 향해 반사되고, 상기 반사된 태양광은 집열관(200)으로 입사되어 집열관(200)에서 효율적인 집열이 이뤄질 수 있다.

집열관(200)은 상기 반사체(100)의 중심에 배치되어 상기 반사체(100)에서 집광된 태양광에 의해 가열되고, 외부로부터 열매체가 유입되는 제1 유입구(201)와, 가열된 열매체가 외부로 배출되는 제1배출구(202)가 형성된다. 즉, 상기 집열관(200)은 제1유입구(201)을 통해 상기 축열조(400)에서 유입된 물을 태양복사열로 가열한 뒤 제1배출구(202)를 통해 축열조(400)로 배출하는 역할을 한다. 한편, 집열관(200)은 연전달이 용이하도록 동재질로 구비될 수 있고, 그 표면은 태양복사열의 흡수를 돕기 위해 검정색 계열로 도색할 수 있다.

프레임(300)은 상기 집열관(200)이 장착된 반사체(100)를 지지하도록 반사체(100)의 하부에 연결된다. 상기 프레임(300)은 상기 반사체(100)의 외주면을 지지하도록 환형의 제1지지체(310)와, 지면에 고정되는 스탠드(700)와 연결되는 사각 형상의 제2 지지체(320) 및 상기 제1지지체(310)와 제2지지체(320)를 연결하는 연결부재(330)를 포함할 수 있다. 상기 각 프레임(300)은 반사체(100)를 지지할 강도를 구비하면서, 스탠드(700)에 가해지는 하중을 감소시키기 위해 알루미늄 프로파일을 이용할 수 있다.

축열조(400)는 상기 제1유입구(201)와 이송관(20)으로 연결된 제2 배출구(401)가 하단에 형성되고, 상기 제1배출구(202)와 이송관(20)으로 연결된 제2 유입구(402)가 상단에 형성된다. 이때, 상기 제2배출구(401)와 제2 유입구(402)를 연결하는 코일이 상기 축열조(400)내부에 수용될 수 있다. 상기 축열조(400)의 내부에는 물이 수용되는데, 상기 제2 유입구(402)를 통해 집열관(200)에서 유입된 가열된 열매체가 코일을 통과하면서 축열조 내부의 물과 열교환을 진행하여 물을 가열한 뒤 제2배출구(401)를 통해 빠져나가 집열관(200)으로 유입될 수 있다. 상기 축열조(400)는 저장탱크의 형태를 취할 수 있으며, 여러 겹으로 형성될 수 있다. 먼저, 내통은 스테인리스강으로 형성될 수 있으며, 내통의 외부는 폴리우레탄폼으로 단열될 수 있고, 외부 케이스는 칼라강판으로 제작될 수 있다. 본 발명의 바람직한 양상에 따르면, 상기 열매체를 집열관(200)과 축열조(400)로 순환시키는 펌프 등의 순환부(600)가 이송관(20)에 추가로 장착될 수 있다.

도 2는 상기 도 1의 태양광추적장치를 보인 측면도이다. 태양추적장치(500)는 상기 반사체(100)가 태양광을 따라 이동하도록 반사체(100)의 하부에 장착되는 것으로, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 태양추적장치(500)는, 태양추적센서(510)와, 상기 태양추적센서(510)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 고도각 추적을 위해 상기 프레임(300)을 상하방향으로 회전시키는 제1회전부재(520)와, 상기 태양추적센서(510)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 방위각 추적을 위해 상기 프레임(300)을 수평방향으로 회전시키는 제2회전부재(530)를 포함할 수 있다.

태양추적센서(510)는 2축 태양추적센서로서, 태양추적 원리는 가장 밝은 위치의 태양광을 추적하는 방식이며, 구름에 태양이 가리면 작동을 멈춘 후 태양이 나타나면 즉시 추적할 수 있고 야간에는 원위치로 복귀하는 시스템을 갖추고 있다. 상기와 같은 2축 태양추적장치는 3개의 전압비교회로를 응용한 입력회로와 2개의 반도체 H-Bridge형 출력 드라이브로 간단히 구성될 수 있다.

제1회전부재(520)는 상기 태양추적센서(510)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 고도각 추적을 위해 상기 프레임(300)과 반사체(100)를 상하방향으로 회전시키는 역할을 하고, 제2회전부재(530)는 상기 태양추적센서(510)의 신호에 따라 작동하며, 태양의 방위각 추적을 위해 상기 프레임(300)과 반사체(100)를 수평방향으로 회전시키는 역할을 한다.

일례로, 상기 프레임(300)과 반사체(100)의 태양 고도각 추적을 위한 제1회전부재(520)로서, Linear Actuator를 사용할 수 있으며, 태양 방위각 추적을 위한 제2회전부재(530)로서 Slew Drive를 사용할 수 있다. 각 축의 DC모터 제어는 광센서식인 2축 태양추적센서의 신호에 의해 작동된다. 한편, 상기 태양추적장치(500)는 상기 태양추적센서(510), 제1,2회전부재(520,530)뿐 아니라, 220VAC를 DC로 변환하기 위한 전원부와, 제어부, 입력부, 출력부를 더 포함할 수 있으며, 원격에서 컴퓨터로 제어할 수 있다.

도 3은 상기 도 1의 집열관을 보인 단면도이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 집열관(200)은, 내부에 밀폐된 공간(S)을 형성하되, 일측 하단에 상기 제1 유입구(201)가 형성된 중공의 외관부재(210)와, 일측이 상기 외관부재(210)의 일측면을 관통하여 상기 외관부재(210) 내부공간(S)의 상부에 배치되며, 타측은 상기 외관부재(210)의 외측에 형성되어 상기 제1배출구(202)로 작용하는 중공의 내관부재(220)를 포함한다. 상기 내관부재(220)의 개방된 양측은 각각 제3유입구(221)와 제1배출구(202)로 작용한다. 상기 제3 유입구(221)를 통해 상기 집열관(200) 내부에서 가열된 열매체가 유입된다. 따라서, 상기 내관부재(220)는 제1유입구(201)로 들어와 태양복사열에 의해 가열된 후 대류현상에 의해 위로 올라간 고온의 열매체가 유입되도록 제3유입구(221)가 상기 외관부재(210)의 상단과 근접하도록 배치된다.

상기와 같이 열매체가 외관부재(210)의 측면 하단에 형성된 제1유입구(201)로 들어와 태양복사열에 의해 가열된 후 내관부재(220)의 제3유입구(221)로 빠져 나감에 따라, 태양열에 의해 가열되는 열매체가 집열관(200) 내에서 자연순환이 이루어짐과 동시에, 고온으로 가열된 열매체만 제3유입구(221)를 통해 축열조(400)로 배출될 수 있어, 에너지 효율의 증대를 기대할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

S : 내부공간
20 : 이송관
100 : 반사체
110 : 보강부재
200 : 집열관
201 : 제1유입구
202 : 제1배출구
210 : 외관부재
220 : 내관부재
221 : 제3유입구
300 : 프레임
310 : 제1 지지체
320 : 제2 지지체
330 : 연결부재
400 : 축열조
401 : 제2배출구
402 : 제2유입구
500 : 태양추적장치
510 : 태양추적센서
520 : 제1회전부재
530 : 제2회전부재
600 : 순환부
700 : 스탠드

Claims (3)

1. 입사된 태양광을 중심부로 반사시키도록 원추형으로 이루어진 반사체;
   상기 반사체의 중심에 배치되어 상기 반사체에서 집광된 태양광에 의해 가열되고, 외부로부터 열매체가 유입되는 제1 유입구와, 가열된 열매체가 외부로 배출되는 제1배출구가 형성된 집열관;
   상기 집열관이 장착된 반사체를 지지하도록 반사체의 하부에 연결되는 프레임;
   상기 제1유입구와 이송관으로 연결된 제2 배출구가 하단에 형성되고, 상기 제1배출구와 이송관으로 연결된 제2 유입구가 상단에 형성된 축열조;
   상기 반사체가 태양광을 따라 이동하도록 반사체의 하부에 장착되는 태양추적장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 집열관은:
   내부에 밀폐된 공간을 형성하되, 일측 하단에 상기 제1 유입구가 형성된 중공의 외관부재;
   일측이 상기 외관부재의 일측면을 관통하여 상기 외관부재 내부공간의 상부에 배치되며, 타측은 상기 외관부재의 외측에 형성되어 상기 제1배출구로 작용하는 중공의 내관부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 태양추적장치는:
   태양추적센서;
   상기 태양추적센서의 신호에 따라 작동하며, 태양의 고도각 추적을 위해 상기 프레임을 상하방향으로 회전시키는 제1회전부재;
   상기 태양추적센서의 신호에 따라 작동하며, 태양의 방위각 추적을 위해 상기 프레임을 수평방향으로 회전시키는 제2회전부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원추형 반사체를 이용한 태양광 집열시스템.

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