KR20160030918A - 하이브리드 태양광열 발전 시스템 - Google Patents

하이브리드 태양광열 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

태양의 위치를 산출하는 위치 산출부, 위치 산출부를 통해 추적한 태양의 위치에 따라 이동하여 태양광을 집광하고, 집광한 태양광을 토대로 발생되는 열을 흡수하는 모듈부, 모듈부에서 발생된 열을 흡수한 고온의 물을 저장하는 축열탱크 및 모듈부에서 발생된 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 제공하는 냉/난방부를 포함하여 하이브리드 태양광열 발전 시스템이가 구현된다.

Description

하이브리드 태양광열 발전 시스템{Hybrid device for photovoltaic power generation and air conditioning}
본 발명은 하이브리드 태양광열 발전 시스템에 관한 것이다.
태양 에너지를 이용하는 발전에는 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전과, 태양열을 전기 에너지로 변환하는 태양열 발전, 그리고, 태양열을 집열한 후 난방용 또는 온수용으로 사용하는 태양열 집열 발전 등이 있다. 이러한 태양 에너지를 이용하는 발전 방식들은 아직 이용 효율이 낮아 경제성이 낮다. 따라서, 태양 에너지를 이용하는 여러 가지 방법에 대한 개발이 요구되고 있다.
태양 에너지를 이용하는 복합형 장치의 예로, 태양광 발전과 태양열 발전을 이용하는 것이 있다. 그러나 태양광 발전과 태양열 발전이 각각 분리되어 있어, 전기와 난방열을 동시에 사용하기 위해서는 공간적으로 분리된 두 가지 시설을 함께 사용해야 하는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 태양전지 효율을 높이고, 태양전지에 의해 생성된 열을 냉난방시스템에 활용하며, 태양의 위치 추적에 있어 정확도를 높일 수 있는 하이브리드 태양광열 발전 시스템을 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 태양의 위치를 산출하는 위치 산출부; 상기 위치 산출부를 통해 추적한 태양의 위치에 따라 이동하여 태양광을 집광하고, 집광한 태양광을 토대로 발생되는 열을 흡수하는 모듈부; 상기 모듈부에서 발생된 열을 흡수한 고온의 물을 저장하는 축열탱크; 및 상기 모듈부에서 발생된 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 제공하는 냉/난방부를 포함한다.
상기 모듈부는, 상기 태양광으로부터 태양열을 흡수하는 집열판; 상기 집열판이 각각 흡수한 태양열을 전달 받고, 열을 고온부에서 저온부로 이송하는 히트 파이프; 및 상기 집열판의 상부에 위치하며 태양의 위치에 따라 이동하며 태양광을 집광하는 태양 전지를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는 상기 히트 파이프로 전달되는 태양열을 이용하여 상기 히트 파이프의 내부에 존재하는 작동 유체를 가열시켜 증기를 발생하는 증발부; 및 상기 히트 파이프의 한 측에 형성되며, 상기 증발부에서 발생한 증기의 열을 소산시키는 응축부를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는 상기 태양전지의 상부에 위치하며, 대기로의 연손실을 막는 저철분 강화유리를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는, 상기 태양광으로부터 태양열을 흡수하는 집열판; 내부로 유체인 냉각수를 흘려 보내, 상기 태양전지로부터 생성되는 열을 흡수하는 냉각관; 및 상기 집열판의 상부에 위치하며 태양의 위치에 따라 이동하며 태양광을 집광하는 태양 전지를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는 상기 히트 파이프 주위를 에워싸는 제1 물질; 및 상기 히트 파이프와 상기 제1 물질 사이의 공간을 채워주는 열 전달 물질를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는 복수개가 여러 층으로 설치되며, 복수개 설치되는 모듈부 전체의 방위각을 제어하는 제1 모터; 및 상기 복수개 설치되는 모듈부 전체의 고도각을 제어하는 제2 모터를 포함할 수 있다.
상기 모듈부는, 태양광을 집광하는 태양전지; 상기 히트 파이프와 태양 전지 주위에 배치하여, 포물선 초점을 중심으로 회전하여 태양의 고도각을 추적하는 적어도 하나 이상의 포물선 거울; 상기 적어도 하나 이상의 포물선 거울이 태양의 고도각을 추적하도록 회전을 동력을 발생하는 모터; 상기 적어도 하나 이상의 포물선 거울 각각의 한쪽 측면에 구비되어 있어 상기 포물선 거울이 회전하도록 상기 모터에서 발생하는 동력을 전달하는 기어; 및 하나 이상의 상기 기어에 연결되어 상기 모터에서 발생한 동력을 상기 기어를 통해 상기 포물선 거울에 동시에 전달되도록 연결되어 있는 체인을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 날씨에 관계없이 태양의 위치를 정확히 산출하고 전기와 열을 동시에 생산함으로써 태양에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.
또한 태양전지에 의해 생성된 열을 이용하여 냉방 및 난방을 제공함으로써 건물의 냉방 및 난방 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합식 태양광 발전 및 냉난방 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
아래에서는 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 복합식 태양광 발전 및 냉난방 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합식 태양광 발전 및 냉난방 장치의 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복합식 태양광 발전 및 냉난방 장치는 이동하는 태양의 위치를 산출하는 위치 산출부(100), 산출된 태양의 위치에 따라 태양광을 집광하고, 집광한 태양광을 토대로 발생되는 열을 흡수하는 모듈부(200), 모듈부(200)에서 발생된 열을 흡수한 고온의 물을 저장하는 축열탱크(300), 모듈부(200)에서 발생된 열을 이용하여 난방과 온수를 제공하거나, 냉방을 제공하는 냉/난방부(400) 및 냉/난방부(400)의 조작 메뉴를 사용자에게 제공하는 조작부(500)를 포함한다.
위치 산출부(100)는 태양의 위치를 산출하고자 하는 시간의 위도와 경도에 기초하여 태양의 고도각과 방위각을 산출한다. 이때, 시간은 년, 월, 일, 시, 분, 초 등을 포함할 수 있다.
위치 산출부(100)는 매틀랩(matlab) 기반의 시뮬링크(simulink), 랩뷰(labview), 아두이노, 마이컴 등의 프로그램을 포함하여, 태양의 위치를 산출한다. 본 발명의 실시예에서는 시뮬링크 프로그램 기반으로 태양의 위치를 산출하는 방법에 대해 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
먼저, 위치 산출부(100)는 컴퓨터로부터 시각 정보를 입력받는다.
Figure pat00001
수학식 1에서 clock은 컴퓨터에서 현재시간을 읽어 들이는 함수이며, fix(clock)는 불러들인 시간 값을 0에 가까운 정수로 정리해주는 매틀랩(matlab) 함수이다.
아래의 수학식 2 내지 7은 시간 정보로 입력된 년(y), 월(m), 일(d), 시(h), 분(mi), 초(s)이다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
다음으로, 위치 산출부(100)는 다음 수학식 8을 이용하여 태양의 황도좌표계(ecliptic coordinates)에서의 회전각(n)을 산출한다.
Figure pat00008
여기서, da는 1월 1일부터 오늘까지의 일 수를 센 값을 의미한다. 예를 들면, 1월 1일의 경우 da=1, 2월 4일의 경우 da=31+4=35이다.
수학식 8에 따르면 1월 1일 0시 정각에서 황도좌표계에서의 회전각 n=0이며, 12월 31일 24시 정각에서 황도좌표계에서의 회전각 n=360°이다.
다음으로, 위치 산출부(100)는 적도좌표계에서 태양의 위치 즉, 적위(dec)와 시간각(H)를 산출한다.
적위(dec)는 아래의 수학식 9에 따라 산출한다.
Figure pat00009
시간각(H)는 아래의 수학식 10에 따라 산출한다.
Figure pat00010
여기서, ha는 남중고도시각과 현재시각과의 차이값을 의미하며, 아래의 수학식 11에 따라 산출한다.
Figure pat00011
여기서, Tm은 남중고도시각을 의미하며, 아래의 수학식 12에 따라 산출한다.
Figure pat00012
Figure pat00013
여기서, Te는 균시차를 의미하고, LST는 지방표준시를 의미하며, longitude(actual)는 위치산출부가 위치한 경도를 의미한다.
균시차 Te는 아래의 수학식 14 내지 17에 따라 산출한다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
여기서, floor(x)는 x보다 같거나 작은 최대의 정수를 나타내주는 매틀랩 함수이다.
마지막으로, 아래의 수학식 18 내지 20에 의해 위치 산출부(100)는 지평좌표계에서 태양의 위치 즉, 고도(alt)와 방위각(azi)을 산출한다.
Figure pat00018
여기서 h<Tm 일 경우 방위각은 아래의 수학식 19에 의해 산출된다.
Figure pat00019
그리고 h≥m일 경우 방위각은 아래의 수학식 20에 의해 산출된다.
Figure pat00020
여기서, lat는 위치 산출부(100)가 위치한 위도를 의미한다.
결국, 현재 시각과 위치 산출부(100)의 위도와 경도에 기초하여, 위치 산출부(100)는 태양의 고도와 방위각을 산출할 수 있다. 이러한 방법으로 산출된 태양의 고도와 방위각은 한국천문연구원의 자료와 평균 0.1°이하의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다.
다음, 본 발명의 실시예에 따른 모듈부(200)는 구성 요소에 따라 다음 7가지의 형태로 구현될 수 있다. 이에 대해 도 2 내지 도 8을 참조로 먼저 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 2의 (a)에 도시된 모듈부(200)의 평면도에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 따른 모듈부(200-1)는 집열판(210-1), 히트 파이프(210-2), 태양전지(210-3), 저철분 강화유리(210-4), 케이스(210-5), 증발부(210-6) 및 응축부(210-7)를 포함한다.
집열판(210-1)은 태양광으로부터 열 에너지, 즉 태양열을 흡수한다. 집열판(210-1)은 열 전도 계수가 큰 금속(예를 들어 구리, 알루미늄 등)으로 구현될 수 있으며, 비금속으로 구현될 수도 있다. 집열판(210-1)은 태양광으로부터 흡수한 태양열(즉, 태양 에너지)을 히트 파이프(210-2)로 전달한다. 집열판(210-1)은 태양전지(210-3)의 하부에 위치한다.
히트 파이프(210-2)는 집열판(210-1)의 하부에 위치하며, 집열판(210-1)이 흡수한 태양열을 고온부로부터 저온부로 이송한다. 즉, 히트 파이프(210-2)로 전달된 태양열은 증발부(210-6)에서 히트 파이프(210-2) 내부의 이동 유체를 가열시켜 증기를 발생시킨다.
그리고, 발생된 증기는 잠열을 가지고 상대적으로 온도가 낮은 히트 파이프(210-2)의 한쪽 측면에 구성된 응축부(210-7)로 이송된 뒤 열을 소산시킨다. 여기서 고온부와 저온부를 나누는 기준 온도는 특정 온도로 한정하여 제한하지 않으며, 두 온도를 비교하였을 때 높은 쪽을 고온부, 상대적으로 낮은 쪽을 저온부라 지칭한다.
히트 파이프(210-2)에 의해 소산된 열 에너지는, 이동 유체 등을 통해 축열 탱크(300) 등에 저장될 수 있다. 히트 파이프(210-2)는 잠열(latent heat)을 소산시킨 증기는 다시 액체로 응축되고, 응축된 액체는 다시 증발부(210-6)쪽으로 귀환한다.
히트 파이프(210-2)는 내벽은 모세 그루브 구조의 형태로 구현되거나 또는 모세 관력을 발생하기 위한 다양한 형태의 윅(wick) 구조의 형태로 구현될 수 있다. 이와 같은 형태의 구조로 히트 파이프(210-2)의 내벽을 형성하기 위하여 와이어 다발, 편조 망, 소결체, 스크린 망 또는 섬유체 중 어느 하나가 이용될 수 있으며, 그루브 구조 또는 윅 구조는 이미 알려진 사항으로 본 발명의 실시예에서는 구조에 대한 상세한 설명은 생략한다.
히트 파이프(210-2)는 도 2의 (b)의 모듈부(200-1)의 정면도에 나타낸 바와 같이, 집열판(210-1) 내에 삽입된 형태로 구현하거나, 초음파 용접 또는 열 접착제 등을 사용하여 히트 파이프(210-2)를 집열판(210-1) 뒷면에 부착된 형태로 구현할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 히트 파이프(210-2)가 집열판(210-1)의 하부에 구현되는 것을 예로 하여 설명한다.
히트 파이프(210-2)는 기체-액체 상변화를 통해 열 에너지를 전달하기 위해, 일측이 집열판(210-1) 외부 방향 즉, 모듈부(200)의 외부로 돌출될 수 있다. 그러므로, 히트 파이프(210-2) 내에서 열 에너지를 태양광 복합 모듈 외부로 전달하기 위한 일측은 응축부(210-7)가 될 수 있고, 응축부(210-7)의 수평 방향에 증발부(210-6)가 위치할 수 있다. 하나의 예로, 히트 파이프(210-2) 내에서 응축된 유체의 이동을 위해 증발부(210-6)가 응축부(210-7)보다 낮은 높이에 위치할 수 있다.
태양전지(210-3)는 집열판(210-1)의 상부에 위치한다. 태양전지(210-3)는 실리콘 태양전지, 박막형 태양전지, 염료 감응형 태양전지(DSC: Dye-sennsitized Solar Cell), 비정질 실리콘 박막을 이용한 박막 실리콘 태양전지, 카드뮴-텔루르(CdTe: Cadmium telluride) 태양전지, 유기(Orgnic) 태양전지 등과 같은 박막 태양전지들로 구현될 수 있으며, 어느 하나의 형태로 한정하지 않는다.
태양전지(210-3) 상부에는 저철분 강화유리(210-4)가 위치하며, 저철분 강화유리(210-4)는 대기로의 열손실을 막아준다. 여기서 저철분 강화유리(210-4) 대신에 물방울 움직임을 활용한 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 투명한 소자를 사용하여, 비가 오는 날에 발전할 수 있도록 할 수 있으며, 어느 하나의 형태로 한정하지 않는다.
접착부(도면 미도시)는 집열판(210-1)과 태양전지(210-3)의 사이에 위치하고, 집열판(201-1)과 태양전지(210-3)를 연결한다. 접착부는 태양전지(210-3)를 투과한 태양열이 전달될 수 있는 접합 물질로 구성될 수 있다.
히트 파이프(210-2)는 열회수용 유로(210-8)에 연결된다. 집열판(210-1)에서 집열된 열은 히트 파이프(210-2) 내 유체의 기화와 응축을 통해 유로를 통해 유동하는 유체(또는, 액체)로 전달된다. 유로에서 유동하는 액체는 복수개의 히트 파이프(210-2)들을 통해 전달된 열을 축열탱크(300) 등으로 전달할 수 있다. 축열탱크(300)에 저장된 열 에너지는 건물 또는 시설물의 난방 또는 온수 등의 열원으로 이용될 수 있다.
케이스(210-5)는 경질 폴리우레탄(rigid polyurethane) 또는 글라스 울(glass wool) 재질을 갖는 단열재로 구성되며, 히트 파이프(210-2), 태양전지(210-3) 등의 모듈부(200)가 케이스(210-5) 내부에 포함되는 형태로 구현된다.
여기서, 히트 파이프(210-2) 한 개당 하나의 집열판(210-1)을 만들고 여러 개를 연결하면, 도 2에서 언급한 구조와 동일한 구조를 만들 수 있다. 이와 같은 구조를 이용하면 대용량 제작이 용이하다.
다음 본 발명의 제2 실시예에 따른 모듈부(200-2)의 예에 대해 도 3을 참조로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 모듈부(200-2)는 집열판(220-1), 냉각관(220-2), 태양전지(220-3), 저철분 강화유리(220-4) 및 케이스(220-5)를 포함한다. 상기 도 2의 제1 실시예에 따른 모듈부(200)와의 차이점으로 히트 파이프(210-2) 대신에 냉각관(220-2)을 사용하는 것이다.
냉각관(220-2) 내부로 유체 즉, 냉각수를 흘려 보내 태양전지로부터 생성되는 열을 흡수 한다. 본 발명의 실시예에서는 냉각관(220-2)을 동으로 제작하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
집열판(220-1), 태양전지(220-3), 저철분 강화유리(220-4) 및 케이스(220-5)에 대한 사항은 상기 도 2에 도시한 바와 같이 구현될 수 있으며, 도 3에서는 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 냉각관(220-2) 한 개당 하나의 집열판(220-1)을 만들고 여러 개를 연결하면, 도 3에서 언급한 구조와 동일한 구조를 만들 수 있다. 이와 같은 구조를 이용하면 대용량 제작이 용이하다.
다음은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모듈부(200)에 대해 도 4를 참조로 설명한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 히트 파이프를 흡열판 내부에 삽입하여 구현하는 것과 동일한 효과를 얻기 위하여, 히트 파이프(230-1) 주위를 제1 물질(230-2)로 에워싸고, 히트 파이프(230-1)와 제1 물질(230-2) 사이를 열 전달 물질(230-3)로 채워 넣는 것으로 모듈부를 구현한다. 여기서 제1 물질(230-2)로는 알루미늄을 예로 하여 설명하고, 열 전달 물질(230-3)은 어느 하나의 물질로 한정하지 않는다.
히트 파이프를 흡열판 내부에 삽입하여 구현하는 경우 제작 비용이 증가하기 때문에, 도 4의 제3 실시예와 같이 구현하는 경우 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 흡열판 내부에 히트 파이프를 삽입하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 히트 파이프(230-1) 한 개당 하나의 집열판을 만들고 여러 개를 연결하면, 도 4에서 언급한 구조와 동일한 구조를 만들 수 있다. 이와 같은 구조를 이용하면 대용량 제작이 용이하다.
다음은 본 발명의 제4 실시예에 따른 모듈부(200-4)에 대해 도 5를 참조로 설명한다. 제3 실시예에서는 상기 도 2 내지 도 4의 모듈을 다층으로 배치하는 경우에 대한 것이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 대량으로 모듈부(200-4)가 설치되는 경우 다층으로 배치되며, 방위각 모터(240-1)와 고도각 모터(240-2)를 이용하여 태양 추적을 하여 발전 효율을 향상시킨다. 즉, 방위각 모터(240-1)와 고도각 모터(240-2)를 통해 복수의 모듈부(200-4)가 동시에 회전하여 태양 추적을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
여기서 방위각 모터(240-1)와 고도각 모터(240-2)의 구동 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 방위각 모터(240-1)와 고도각 모터(240-2)가 연결되어 있는 기어 및 베어링에 대한 사항도 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 기어 및 베어링에 대한 기능의 상세한 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 축열탱크(300)가 가로로 설치될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 모듈부(200-5)와 축열탱크(300)가 병렬인 수평으로 설치되어 있다. 즉, 복수의 모듈부(200-5)와 축열탱크(300)가 가로로 설치되는 것을 의미한다. 그리고 모듈부(200-5)를 형성하는 내부의 구조는 도 5의 제4 실시예에 따른 모듈부(200-4)의 구조와 동일하다.
다음은 본 발명의 제6 실시예에 따른 모듈부에 대해 도 7을 참조로 설명한다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 모듈부(200-6)는 포물선 초점에 위치한 히트파이프(260-1) 및 태양전지(260-2), 태양전지(260-2) 주위에 배치되어 집광 효율을 높이는 포물선 거울(260-3)을 포함 할 수 있다. 모듈부(200)의 왼쪽에 축열탱크(300)를 배치하였으며, 포물선 거울(260-3)은 초점을 중심으로 회전하여 태양의 고도각을 추적한다.
모터(260-4)와 포물선 거울(260-3)은 기어(260-5)와 체인(260-6)으로 연결되어 있어, 하나의 모터(260-4)로 다량의 포물선 거울(260-3)이 회전하도록 동력을 발생한다. 여기서 기어(260-5)는 포물선 거울(260-3)의 한쪽 측면에 설치되어 모터(26-4)에서 발생한 동력을 포물선 거울(260-3)로 전달한다. 그리고 체인(260-6)은 복수의 기어(260-5)에 연결되어 모터(260-4)에서 발생한 동력을 기어(260-4)를 통해 포물선 거울(260-3)에 동시에 전달되도록 연결되어 있다.
히트파이프(260-1) 및 고유연성 태양전지(260-2) 외부는 저철분 강화유리를 사용하여, 대기로의 열손실을 막을 수 있도록 하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 또한, 히트파이프(260-1)와 태양전지(260-2)는 진공관(260-7)이 둘러싸고 있는 형태로 구현하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
또한, 모듈부(200-6)가 남향으로 바라보도록 설치하고, 포물선 거울(260-3)의 초점을 중심으로 회전하여 방위각을 추적하게 할 수도 있다. 모듈부(200-6)의 남향으로의 설치나, 포물선 거울(260-3)의 회전을 통한 방위각 추적에 대한 사항은 설계에 따라 다양하게 구현될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
다음은 본 발명의 제7 실시예에 따른 모듈부에 대해 도 8을 참조로 설명한다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 도 7에서 설명한 히트파이프(260-1) 대신에 냉각관(270-1)을 이용한다. 냉각관(270-1) 내부로 유체(270-2)를 흘려 보내 태양전지로부터 생성되는 열을 흡수 할 수 있으며, 나머지 구조는 도 7에 도시한 모듈부의 구조와 동일하다. 본 발명의 실시예에서는 냉각관(270-1)이 동으로 제작되는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 모듈부의 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 도 7에 나타낸 포물선 형태의 거울을 중첩하여 구성한 구조로서 다음 [수학식 21]로 정의된다.
Figure pat00021
수학식 21에서
Figure pat00022
이면,
Figure pat00023
이고,
Figure pat00024
이면,
Figure pat00025
가 된다.
위 식을 이용하면 태양의 위치에 관계없이 중간에 위치한 초점으로 빛이 모이게 된다.
여기서, θ는 회전각, θA는 수광각, r은 원의 반지름, ρ는 부채꼴 호의 길이를 각각 의미한다.
다시 도 1의 설명으로 돌아가서, 축열탱크(300)는 제1 밸브(V1)를 통해 모듈부(200)로부터 유입된 온수를 제2 밸브(V2)와 및 제3 밸브(V3)의 개폐 여부에 따라 난/냉방부(400)로 전달한다. 이를 위해, 축열탱크(300)는 열교환기(도면 미도시)를 포함할 수 있으며, 흡열부는 열전도율이 높은 작동유체를 사용할 수 있다.
이때, 제1 밸브(V1) 내지 제4 밸브(V4)의 개폐 시점은 축열탱크(300) 내에 저장된 온수의 수위와 온도 감지결과에 따라 제어될 수 있다. 예를 들어, 수위 감지결과, 축열탱크(300)의 온수 수위가 미리 설정된 임계값을 초과할 경우, 제1 밸브(V1)를 닫아(close) 모듈부(200)의 흡열부로부터 온수가 유입되는 것을 방지하거나, 제2 밸브(V2)와 제3 밸브(V3)를 열어(open) 냉/난방부(400)로 온수를 전달할 수 있다.
냉/난방부(400는 축열탱크(300)로부터 전달되는 온수를 이용하여 난방을 제공하고 모듈부(200)의 발열을 해소하기 위한 냉각수를 제공하며, 온수를 저장하는 축열탱크(300), 축열탱크(300)에 저장된 물을 흡열부로 공급하여 순환시키는 제1 모터(600-1), 축열탱크(300)에 저장된 물을 난방장치로 공급하는 난방 배관 및 제2 모터(600-2), 그리고 축열탱크(300)에 저장되는 저온의 물(냉각수)을 제공하는 상수도 배관을 포함할 수 있다.
축열탱크(300)는 고온의 물과 저온의 물을 각각 저장하는 두 개의 탱크(고온부, 저온부)를 포함하며, 고온부와 저온부의 수위와 온도를 감지한 결과에 따라 모터, 난방 배관 및 상수도 배관과 연결된 밸브의 개폐를 제어할 수 있다.
여기서, 축열탱크(300) 대신에 열 교환기를 이용할 수 있으며, 모듈부(200)의 작동 유체는 겨울철을 대비하여 부동액을 사용할 수도 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 복합식 태양광 발전 및 냉난방 장치에서는 다양한 형상의 태양전지, 포물선거울, 그리고 흡열부를 개시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 2 내지 도 9에 개시된 형상 이외의 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
조작부(500)는 냉/난방부(400)를 조작하기 위한 조작 메뉴를 사용자에게 제공한다. 조작 메뉴로는 온도 설정, 타이머, 온수/난방 스위치, 전원 스위치, 메뉴 제어 등을 포함할 수 있으며, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
또한, 통신부를 이용하여 조작부의 작동 상태를 저장하고, 지그비(zigbee), 근거리 네트워크망, 블루투스, 기지국 망, 무선 랜 중 어느 하나를 이용하여 인터넷이나 이동 단말에 정보를 제공하여, 사용자가 조작부(500)에서 사용하는 작동 설정 값을 인터넷이나 이동 단말을 통해 변경할 수 있도록 한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 위도 및 경도를 산출하고 외부로부터 시각 정보를 입력 받으며, 상기 위도 및 경도 그리고 시각 정보를 이용하여 태양의 고도와 방위각을 산출하여 상기 태양의 위치를 산출하며 프로그램 기반으로 구현된 상기 위치 산출부;
    복수개가 여러 층으로 설치되고 단열재로 구성된 케이스 내부에 포함되며, 상기 위치 산출부를 통해 산출한 태양의 위치로 이동하며, 열을 흡수하는 모듈부;
    상기 모듈부에서 발생된 열을 흡수한 고온의 물을 저장하는 축열탱크; 및
    상기 축열탱크에 저장되어 있는 고온의 물을 이용하여 난방을 제공하고, 모듈부에서 발생된 열을 이용하여 냉방을 제공하는 냉/난방부
    를 포함하며,
    상기 모듈부는,
    태양의 위치에 따라 이동하며, 열을 발생하는 태양 전지;
    상기 태양 전지의 하부에 위치하며, 상기 태양 전지에서 발생하는 열을 흡수하는 집열판; 및
    내부로 유체를 흘려 보내고 상기 유체가 상기 집열판이 흡수한 열을 흡수하거나 상기 태양 전지로부터 생성되는 열을 흡수하여 상기 축열탱크로 전달하는 관을 포함하며,
    상기 관이 상기 집열판이 흡수한 열을 전달받아 고온부에서 저온부로 이송하는 히트 파이프인 경우, 상기 히트 파이프의 주위를 에워싸는 제1 물질;
    상기 히트 파이프와 제1 물질 사이의 공간을 채워주는 열 전달 물질; 및
    상기 태양 전지의 상부에 위치하며, 대기로의 열손실을 막는 저철분 강화유리
    를 더 포함하는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트 파이프로 전달되는 태양열을 이용하여 상기 히트 파이프의 내부에 존재하는 작동 유체를 가열시켜 증기를 발생하는 증발부; 및
    상기 히트 파이프의 한 측에 형성되며, 상기 증발부에서 발생한 증기의 열을 소산시키는 응축부
    를 포함하는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 모듈부의 외부로 돌출되도록 구현되는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 히트 파이프의 내벽은 웍 구조, 파우더 구조, 그루브 구조 중 어느 하나의 구조를 갖는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관이 냉각관인 경우,
    상기 냉각관은 내부로 유체인 냉각수를 흘려 보내고, 상기 유체가 상기 태양 전지로부터 생성되는 열을 흡수하며, 열을 흡수한 냉각수를 상기 축열탱크로 전달하는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    복수개 설치되는 모듈부 전체의 방위각을 제어하는 제1 모터; 및
    상기 복수개 설치되는 모듈부 전체의 고도각을 제어하는 제2 모터
    를 더 포함하는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 모듈부가 병렬로 배치되는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모듈부는;
    상기 관과 상기 태양 전지 주위에 배치하여, 포물선 초점을 중심으로 회전하여 태양의 고도각을 추적하는 적어도 하나 이상의 포물선 거울;
    상기 적어도 하나 이상의 포물선 거울이 태양의 고도각을 추적하도록 회전을 동력을 발생하는 모터;
    상기 적어도 하나 이상의 포물선 거울 각각의 한쪽 측면에 구비되어 있어 상기 포물선 거울이 회전하도록 상기 모터에서 발생하는 동력을 전달하는 기어; 및
    하나 이상의 상기 기어에 연결되어 상기 모터에서 발생한 동력을 상기 기어를 통해 상기 포물선 거울에 동시에 전달되도록 연결되어 있는 체인
    을 더 포함하는 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 태양 전지는 실리콘 태양전지, 박막형 태양전지, 염료 감응형 태양전지(DSC: Dye-sennsitized Solar Cell), 비정질 실리콘 박막을 이용한 박막 실리콘 태양전지, 카드뮴-텔루르(CdTe: Cadmium telluride) 태양전지, 유기(Orgnic) 태양전지 중 어느 하나인 박막 태양전지이며,
    상기 제1 물질은 알루미늄인 하이브리드 태양광열 발전 시스템.
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