KR20140124967A - 하이브리드형 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드형 태양열 집열장치에 관한 것으로, 이 하이브리드형 태양열 집열장치는 일체형의 포물면 형 반사경으로 구성된 반사부가 내측에 구비되어 태양열을 반사하는 파라볼라 집열구와, 상기 파라볼라 집열구의 전방에 마련되어 태양열과 열교환하는 열매체가 유동할 수 있도록 된 집열부와, 상기 집열부에 연결되어 집열부의 열매체가 순환 유동하도록 된 집열관과, 상기 파라볼라 집열구에 다수 설치되어 태양광을 집열하여 전기 에너지를 생산할 수 있도록 된 태양전지와, 상기 파라볼라 집열구를 지지하는 지지대와, 상기 지지대의 상부에 설치되어 상기 파라볼라 집열구의 위치를 좌우방향으로 이동시킬 수 있도록 된 방위각 이송수단 및, 상기 파라볼라 집열구의 후방에 링크를 매개로 연결설치되어 파라볼라 집열구의 위치를 상하방향으로 이동시킬 수 있도록 된 고도각 이송수단을 포함하여 구성된다.
따라서, 집열구와 태양전지를 통해 태양열 에너지와 전기 에너지를 동시에 얻음으로써 에너지 효율을 높여줄 수 있고, 태양전지를 이용하여 전기 에너지를 얻음으로써 이 전기 에너지를 통해 순환펌프를 동작시켜 보일러를 가동시킬 수 있다.

Description

하이브리드형 태양열 집열장치{Hybrid Type Collecting Solar Energy for Hot Water}

본 발명은 하이브리드형 태양열 집열장치에 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 집열장치를 필요로 한다. 상기 집열장치는 크게 나누어 수평 면적과 흡수체 면적이 같은 평판형 집열장치와 포물형 면 등으로 태양광선을 흡수체에 집열시키는 집광형 집열장치로 나누어진다.

상기 집열장치를 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 집열장치를 이용한다. 또한 벌집 구종의 집열과 유리재 커버 사이의 공기층을 진공으로 하여 대류 손실을 방지함과 동시에 집열판을 선택 흡수막을 한 특수한 진공관식 집열장치나 집광형 집열장치를 사용하는 평판형 집열장치를 사용한다. 이러한 부가적인 보조구성을 가지는 것은 상기 평판형 집열장치가 집열 면적과 열손실 면적이 비례하므로 집열 온도가 높아지면 집열 효율이 급격히 저하되기 때문에 이를 보완하기 위한 것이다.

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

또한, 상기 평판형 집열장치는 태양열 온수기 및 설비형 시스템용인 저가 고효율의 액체식 평판형 집열장치의 연구에 주력하였기 때문에, 적용성이 뛰어난 진공관형이나 상변화형 집열장치는 물론 복합형 집열장치의 개발은 현재 그 개발이 시작되고 있는 초기 단계에 있다.

하지만 상기와 같이 제시한 종래의 태양열 집열장치는 대체적으로 집열 효과가 낮아 넓은 집열 면적이 필요하고, 시설에 대한 투자비용이 매우 높아 투자 대비 경제성이 낮다는 문제점이 있었다.

그리고, 종래의 태양열 집열장치에는 겨울철 동파 사고를 막기 위해 물을 순환시켜 줄 수 있는 펌프를 지속적으로 구동시켜 주기 때문에 많은 양의 전기가 필요하고, 또한 펌프를 동작시켜 보일러를 가동하여야 하기 때문에 전기 에너지의 소비가 지나치다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 종래의 태양열 집열장치가 갖는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 파라볼라 집열구에 태양전지를 설치하여 태양열 에너지와 전기 에너지를 동시에 얻어 사용함으로써 태양열 보일러의 운전 및 순환펌프의 동작을 효과적으로 수행할 수 있도록 된 하이브리드형 태양열 집열장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일체형의 포물면 형 반사경으로 구성된 반사부가 내측에 구비되어 태양열을 반사하는 파라볼라 집열구와, 상기 파라볼라 집열구의 전방에 마련되어 태양열과 열교환하는 열매체가 유동할 수 있도록 된 집열부와, 상기 집열부에 연결되어 집열부의 열매체가 순환 유동하도록 된 집열관과, 상기 파라볼라 집열구에 다수 설치되어 태양광을 집열하여 전기 에너지를 생산할 수 있도록 된 태양전지와, 상기 파라볼라 집열구를 지지하는 지지대와, 상기 지지대의 상부에 설치되어 상기 파라볼라 집열구의 위치를 좌우방향으로 이동시킬 수 있도록 된 방위각 이송수단 및, 상기 파라볼라 집열구의 후방에 링크를 매개로 연결설치되어 파라볼라 집열구의 위치를 상하방향으로 이동시킬 수 있도록 된 고도각 이송수단을 포함하여 하이브리드형 태양열 집열장치를 구성한다.

일 실시예로서, 상기 태양전지는 상기 파라볼라 집열구의 외측을 따라 원주방향으로 설치된다.

일 실시예로서, 상기 태양전지는 축전지를 통해 전기 에너지를 모으고, 상기 축전지와 연결된 인버터를 이용하여 순환펌프를 동작시킬 수 있도록 된 것이다.

일 실시예로서, 상기 태양전지의 전기 에너지를 통해 동작되는 순환펌프가 상기 집열관과 연결되어 집열관의 열매체를 순환시켜 보일러를 작동할 수 있도록 된 것이다.

일 실시예로서, 상기 고도각 이송수단은 상기 지지대와 연결된 프레임과 이 프레임의 후방에 설치된 감속기로 구성되어 태양광 추적센서의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구의 위치를 상하방향으로 조절할 수 있도록 된 것이다.

일 실시예로서, 상기 방위각 이송수단은 상기 지지대의 상부에 설치된 웜기어의 작동에 의해 태양광 추적센서의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구의 위치를 좌우방향으로 조절할 수 있도록 된 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치에 의하면, 집열구와 태양전지를 통해 태양열 에너지와 전기 에너지를 동시에 얻음으로써 에너지 효율을 높여줄 수 있고, 태양전지를 이용하여 전기 에너지를 얻음으로써 이 전기 에너지를 통해 순환펌프를 동작시켜 보일러를 가동시킬 수 있으며, 집열장치의 집열효율을 개선함과 동시에 집열장치의 제작 비용이 저렴하여 설치 비용이 적게 들고, 설치가 용이하며, 에너지 효율이 개선된다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치를 나타낸 상태도,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치에 설치된 태양전지판을 나타낸 상태도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치의 각도가 변경된 상태를 나타낸 상태도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치의 방위각 이송수단을 나타낸 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치의 작동순서를 나타낸 흐름도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

사시도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것은 아니다.

본 발명에 따른 하이브리드형 태양열 집열장치를 도 1을 참조로 설명하면, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 크게 파라볼라 집열구(10)와 집열부(20)와 집열관(30)과 태양전지(40)와 지지대(50)와 방위각 이송수단(60) 및, 고도각 이송수단(70)으로 이루어져 파라볼라 집열구(10)를 통해 태양광을 반사시켜 집열부(20)를 가열함과 아울러 가열된 열매체를 태양전지(40)의 전기 에너지를 이용하여 순환시킬 수 있도록 된 것이다.

즉, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 파라볼라 집열구(10)는 일체형의 포물면 형 반사경으로 구성된 반사부(11)가 내측에 구비되어 태양열을 반사하는 것이고, 상기 집열부(20)는 파라볼라 집열구(10)의 전방에 마련되어 태양열과 열교환하는 열매체가 유동할 수 있도록 된 것이며, 상기 집열관(30)은 집열부(20)에 연결되어 집열부(20)의 열매체가 순환 유동하도록 된 것이다.

그리고, 상기 태양전지(40)는 파라볼라 집열구(10)에 다수 설치되어 태양광을 집열하여 전기 에너지를 생산할 수 있도록 된 것이고, 상기 지지대(50)는 파라볼라 집열구(10)를 지지하는 것이며, 상기 방위각 이송수단(60)은 지지대(50)의 상부에 설치되어 상기 파라볼라 집열구(10)의 위치를 좌우방향으로 이동시킬 수 있도록 된 것이고, 상기 고도각 이송수단(70)은 파라볼라 집열구(10)의 후방에 링크(71)를 매개로 연결설치되어 파라볼라 집열구(10)의 위치를 상하방향으로 이동시킬 수 있도록 된 것이다.

여기서, 상기의 구조로 이루어진 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 상기 파라볼라 집열구(10)의 반사부(11)를 통해 태양광을 상기 집열부(20)에 반사시켜 집열부(20)에 내장된 열매체(또는 물)를 데워주게 되고, 상기 파라볼라 집열구(10)에 설치된 상기 태양전지(40)는 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산함으로써 이 전기 에너지로 순환펌프를 동작시켜 난방을 위한 보일러를 가동하는 것이다.

그러므로, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 태양의 복사열을 모아 축열하여 사용하는 태양열 보일러에 상기 태양전지(40)를 접목하여 외부 전기를 사용하지 않고 보일러의 운전 및 순환펌프를 작동시킬 수 있다.

상기 태양전지(40)가 설치된 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 구조를 도 2를 참조로 설명하면, 상기 태양전지(40)는 상기 파라볼라 집열구(10)의 외측을 따라 원주방향으로 설치된 것으로, 상기 태양전지(40)가 파라볼라 집열구(10)에 일체를 이루면서 설치되어 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 전체적인 외관을 미려하게 하면서도 에너지 효율을 높여줄 수 있다.

또한, 상기 태양전지(40)는 축전지(41)를 통해 전기 에너지를 모으고, 상기 축전지(41)와 연결된 인버터(42)를 이용하여 순환펌프(43)를 동작시킬 수 있고, 상기 태양전지(40)의 전기 에너지를 통해 동작되는 상기 순환펌프(43)가 상기 집열관(30)과 연결되어 집열관(30)의 열매체를 순환시켜 보일러를 작동할 수 있도록 된 것이다.

따라서, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 상기 파라볼라 집열구(10)의 테두리에 다수의 태양전지(40)를 부착설치하여 전기를 생산하는 것으로, 외부의 전기를 사용하지 않고 자체적인 전기 에너지를 이용하여 상기 순환펌프(43)를 가동시켜 난방을 위한 보일러를 가동할 수 있도록 된 것이다.

한편, 도 3을 참조로 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)를 구성하는 상기 파라볼라 집열구(10)의 고도각이 조절되는 상태를 설명하면, 상기 고도각 이송수단(70)은 상기 지지대(50)와 연결된 프레임(72)과 이 프레임(72)의 후방에 설치된 감속기(73)로 구성되어 태양광 추적센서(80)의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구(10)의 위치를 상하방향으로 조절할 수 있도록 된 것이다.

즉, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 상기 태양광 추적센서(80)를 이용하여 태양의 고도를 자동으로 추적함으로써 최적의 집광 및 집열 성능을 유지하게 되고, 이를 통하여 태양광을 이용한 축열 및 전기 에너지의 생산효율을 높여줄 수 있다.

그리고, 도 4를 참조로 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)를 구성하는 상기 파라볼라 집열구(10)의 방위각이 조절되는 상태를 설명하면, 상기 방위각 이송수단(60)은 상기 지지대(50)의 상부에 설치된 웜기어(61)의 작동에 의해 태양광 추적센서(80)의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구(10)의 위치를 좌우방향으로 조절할 수 있도록 된 것으로, 상기 웜기어(61)는 그 보호를 위하여 외측에 하우징(62)이 설치된다.

여기서, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)는 상기 태양광 추적센서(80)를 이용하여 태양의 방위각을 자동으로 추적함으로써 최적의 집광 및 집열 성능을 유지하게 되고, 이를 통하여 태양광을 이용한 축열 및 전기 에너지의 생산효율을 높여줄 수 있다.

그러므로, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 태양전지(40)를 이용한 보일러 작동순서를 도 5를 참조로 설명하면, 우선 상기 태양전지(40)를 통해 생산되는 전기 에너지를 축전지(41)에 저장하고, 상기 축전지(41)에 저장된 전기 에너지를 인버터(42)를 통해 순환펌프(43)에 전달함으로써 순환펌프(43)를 가동하며, 상기 순환펌프(43)가 가동되면서 상기 집열관(30)을 따라 열매체를 순환시키게 되고, 상기 열매체의 순환을 통해 보일러를 가동함으로써 열매체를 난방 보일러에 사용할 수 있는 것이다.

따라서, 상기와 같이 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 파라볼라 집열구(10)와 태양전지(40)를 통해 태양열 에너지와 전기 에너지를 동시에 얻음으로써 에너지 효율을 높여줄 수 있고, 상기 하이브리드형 태양열 집열장치(1)의 집열효율을 개선함과 동시에 집열장치의 제작 비용이 저렴하여 설치 비용이 적게 들며, 설치가 용이하고, 에너지 효율이 개선되는 장점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1 : 하이브리드형 태양열 집열장치 10 : 파라볼라 집열구
11 : 반사부 20 : 집열부
30 : 집열관 40 : 태양전지
41 : 축전지 42 : 인버터
43 : 순환펌프 50 : 지지대
60 : 방위각 이송수단 61 : 웜기어
62 : 하우징 70 : 고도각 이송수단
71 : 링크 72 : 프레임
73 : 감속기 80 : 태양광 추적센서

Claims (6)

1. 일체형의 포물면 형 반사경으로 구성된 반사부가 내측에 구비되어 태양열을 반사하는 파라볼라 집열구;와
   상기 파라볼라 집열구의 전방에 마련되어 태양열과 열교환하는 열매체가 유동할 수 있도록 된 집열부;와
   상기 집열부에 연결되어 집열부의 열매체가 순환 유동하도록 된 집열관;
   상기 파라볼라 집열구에 다수 설치되어 태양광을 집열하여 전기 에너지를 생산할 수 있도록 된 태양전지;와
   상기 파라볼라 집열구를 지지하는 지지대;와
   상기 지지대의 상부에 설치되어 상기 파라볼라 집열구의 위치를 좌우방향으로 이동시킬 수 있도록 된 방위각 이송수단; 및
   상기 파라볼라 집열구의 후방에 링크를 매개로 연결설치되어 파라볼라 집열구의 위치를 상하방향으로 이동시킬 수 있도록 된 고도각 이송수단;을 포함하여 구성된 하이브리드형 태양열 집열장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 태양전지는 상기 파라볼라 집열구의 외측을 따라 원주방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양열 집열장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 태양전지는 축전지를 통해 전기 에너지를 모으고, 상기 축전지와 연결된 인버터를 이용하여 순환펌프를 동작시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양열 집열장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 태양전지의 전기 에너지를 통해 동작되는 순환펌프가 상기 집열관과 연결되어 집열관의 열매체를 순환시켜 보일러를 작동할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양열 집열장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 고도각 이송수단은 상기 지지대와 연결된 프레임과 이 프레임의 후방에 설치된 감속기로 구성되어 태양광 추적센서의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구의 위치를 상하방향으로 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양열 집열장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 방위각 이송수단은 상기 지지대의 상부에 설치된 웜기어의 작동에 의해 태양광 추적센서의 신호에 따라 상기 파라볼라 집열구의 위치를 좌우방향으로 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양열 집열장치.
   

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