KR20180018219A - 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 Parabolic Trough형 태양열 집열 방식에 사용되는 열흡수관을 태양광 집광기로 사용하여 태양열 집열을 하는 동시에 태양광 집광을 함으로써 태양에너지 이용효율을 높이고, 태양광 집광 시 발생하는 열을 태양열 발전의 부가적 열원으로 사용함으로써 태양열 발전 효율을 높이고, 공간 활용도를 높여 면적 대비 발전량을 높이고, 집광열로 태양전지의 광전변환효율이 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.
이를 위하여 본 발명은 지지대, 상기 지지대의 상단에 전후 방향으로 회동 가능하게 설치되는 메인프레임, 상기 메인프레임 상면에 배치되고 빛 반사율이 높은 포물면 반사경, 상기 포물면 반사경의 수직 단면인 포물선의 초점에 위치하고 물과 같은 열매체가 내부를 유동하며 집광기 역활을 하는 2차 열흡수관, 상기 2차 열흡수관의 수직단면인 볼록렌즈의 두 초점 중 상기 메인프레임에 더 가까운 점에 위치하고 상기 포물면 반사경의 상판 중앙에 반사경에 따라 수평으로 배치되는 태양전지, 상기 태양전지 하부에 부착되어 태양전지로부터 열을 전도 받는 1차 열흡수관, 상기 2차 열흡수관의 위치를 고정시키고 상기 메인프레임 상단과 연결되는 보조프레임, 상기 1차 열흡수관와 상기 2차 열흡수관 사이를 연결하고 열매체가 상기 1차 열흡수관에서 상기 2차 열흡수관으로 이동하는 쪽의 방향에 설치되는 연결관, 상기 1차 열흡수관과 연결되어 열매체가 유입될 수 있도록 하는 열매체 유입관, 상기 2차 열흡수관과 연결되어 가열된 열매체가 유출될 수 있도록 하는 열매체 유출관, 상기 포물면 반사경에 설치되어 태양을 추적하는 태양 추적 센서, 상기 지지대에 설치되어 상기 태양 추적 센서로부터 입력된 신호로 상기 메인프레임을 전후 방향으로 회동시키는 태양 추적 컨트롤러를 포함하여 구성된다.

Description

태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈{ Solar Energy Collector and Concentrator Hybrid Generation Module}
본 발명은 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 태양광 발전의 집광 모듈과 태양열 발전의 집열 모듈을 통합하여 태양에너지의 이용효율을 높임으로써 태양에너지 발전효율을 향상시킬 수 있는 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈에 관한 것이다.
통상적으로 생활과 산업, 수송 분야에서 사용되는 에너지는 석유, 석탄, 천연가스와 같이 화석에너지이다. 하지만, 이러한 화석에너지는 그 양이 한정되어 있기 때문에 고갈 위험성이 따르고, 사용시 여러 오염 물질을 배출하여 환경오염을 일으킨다는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인해 근래에는 전 세계적으로 많은 국가에서 화석에너지를 대체할 수 있는 환경친화적인 대체에너지를 개발하고 있다.
화석에너지를 대체할 수 있는 에너지는 여러 종류가 있는데, 이 중에서 특히 태양에너지를 활용하여 발전하는 기술 개발이 활발히 이루어지고 있는 상황이다.
태양에너지를 이용하여 전기를 발전하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분된다.
태양열을 이용하는 발전방법은 태양열 에너지를 집열하여 물과 같은 열매체를 가열하고, 가열된 열매체로 열기관을 구동시킴으로써 2차적으로 발전을 하는 방식이다.
태양광을 이용하는 발전방법은 광전효과를 이용하여 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 태양전지를 이용하는 방식으로, 태양전지가 실장되는 태양전지 리시버와, 상기 태양전지의 상부에 렌즈를 설치하여 태양광을 상기 태양전지에 집광하는 구조이다.
하지만, 태양열을 이용하는 발전방법은 전기를 직접 생산하는 방식이 아니라 2차적으로 발전을 하기 때문에 효율이 떨어지며, 태양열 에너지를 집열하기 위해 사용되는 공간은 집열 외의 용도로 사용되기 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 태양광을 이용하는 발전방법은 광전변환효율이 낮기 때문에 발전을 하기 위해서는 다수의 태양전지를 사용해야 하고, 태양광 에너지를 집광을 하는 과정에서 발생되는 열은 광전변환효율을 떨어뜨리고 활용되지 못한고 손실된다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 종래의 Parabolic Trough형 태양열 집광 방식에서 사용되는 열흡수관의 재질을 빛투과율이 높은 재질로 하고 열흡수관의 수직단면을 볼록렌즈 형태로 만들고 태양전지를 볼록렌즈 형태의 열흡수관의 초점에 배치하여 태양열 집열과 태양광 집광을 동시에 함으로써 태양에너지 이용효율을 높이고, 태양광 집광 시 발생하는 열을 태양열 발전의 부가적 열원으로 사용함으로써 태양열 발전 효율을 높이고, 공간 활용도를 높여 면적 대비 발전량을 높이고, 집광열로 태양전지의 광전변환효율이 감소하는 것을 방지하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양에너지 집열 및 집광 발전 모듈은, 지지대와; 상기 지지대의 상단에 전후 방향으로 회동 가능하게 설치되는 메인프레임과; 상기 메인프레임 상면에 배치되고 빛 반사율이 높은 재질로 이루어진 포물면 반사경과; 상기 포물면 반사경의 수직 단면인 포물선의 초점에 위치하고, 물과 같은 열매체가 내부를 유동하며, 수직 단면이 볼록렌즈의 형상과 동일하고, 그 재질이 유리와 같이 빛 투과율이 높으며, 집열 되는 온도에 의해 물리적 특징이 달라지지 않는 물질로 이루어진 2차 열흡수관과; 상기 2차 열흡수관의 수직단면인 볼록렌즈의 두 초점 중 상기 메인프레임에 더 가까운 점에 위치하고, 상기 포물면 반사경의 상판 중앙에 반사경에 따라 수평으로 배치되는 태양전지와; 상기 태양전지 하부에 부착되어 태양전지로부터 열을 전도 받는 1차 열흡수관과; 상기 2차 열흡수관의 위치를 고정시키고, 상기 메인프레임 상단과 연결되는 보조프레임과; 상기 1차 열흡수관와 상기 2차 열흡수관 사이를 연결하고, 열매체가 상기 1차 열흡수관에서 상기 2차 열흡수관으로 이동하는 쪽의 방향에 설치되는 연결관과; 상기 1차 열흡수관과 연결되어 열매체가 유입될 수 있도록 하는 열매체 유입관과; 상기 2차 열흡수관과 연결되어 가열된 열매체가 유출될 수 있도록 하는 열매체 유출관;을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 1차 열흡수관은 상기 태양전지가 부착된 표면을 제외한 다른 모든 표면 주변을 단열재로 감싼다.
그리고 상기 포물면 반사경의 중앙은 상기 태양전지의 너비만큼 비어있으며, 비어있는 공간인 상기 포물면 반사경 중앙에 상기 태양전지가 배치되어 있는 구조이다.
또한, 상기 포물면 반사경에는 태양을 추적하는 태양 추적 센서가 설치되고, 상기 지지대에는 상기 태양 추적 센서로부터 입력된 신호로 상기 메인프레임을 전후 방향으로 회동시키는 태양 추적 컨트롤러가 설치된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈은 종래의 Parabolic Trough형 태양열 집열 발전에 사용되는 열흡수관을 태양광 집광기로 사용함으로써 태양열 집열을 하는 동시에 태양광을 집광하여 태양에너지 이용효율을 높이고, 그 결과로 태양에너지 발전효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.
또한, 태양광을 태양전지에 집광하는 과정에서 발생하는 열을 열흡수관에 전도시킴으로써 종래의 태양열 발전에 부가적인 열원을 제공하여 발전효율을 높이고, 온도 상승으로 인하여 태양전지의 광전변환효율이 낮아지는 현상을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 태양열 집열에 사용되는 공간과 태양광 집광에 사용되는 공간을 통합하여 공간의 활용도를 높이고 동일 면적 대비 발전량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 사시도.
도 2는 열매체 유출관을 제외한 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 포물면 반사경과 태양전지 및 1차 열흡수관과 단열재의 배치를 보인 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 사시도
도 4는 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 사시도.
도 5는 태양 추적 컨트롤러와 센서 및 연결관과 열매체 유입출관을 제외한 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈에서 태양광의 이동방향을 표현한 단면 구조도.
본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 사시도이고, 도 2는 열매체 유출관(900)을 제외한 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 포물면 반사경(400)과 태양전지(500) 및 1차 열흡수관(600)과 단열재(610)의 배치를 보인 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 연결관(620)이 1차 열흡수관(600)과 2차 열흡수관(700)과 연결된 구조를 보이는 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈의 사시도이다. 그리고 도 5는 태양 추적 컨트롤러(110), 태양 추적 센서(410), 연결관(620), 열매체 유입관(800), 열매체 유출관(900)을 제외한 본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈에서 태양광선의 이동방향을 화살표로 표현한 단면 구조도이다.
본 발명에 의한 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈은 지지대(100)와, 상기 지지대(100)의 상단에 설치되는 메인프레임(200)과, 상기 메인프레임(200)의 상면에 설치되는 포물면 반사경(400)과, 상기 포물면 반사경(400)의 수직단면의 초점에 위치하도록 배치되는 2차 열흡수관(700)과, 상기 2차 열흡수관(700)과 상기 메인프레임(200) 상단을 연결 및 고정하는 보조프레임(300)과, 상기 포물면 반사경(400)의 상면 중앙에 배치되는 태양전지(500)와, 상기 태양전지(500) 하부에 부착된 1차 열흡수관(600)과, 상기 1차 열흡수관(600)과 상기 2차 열흡수관(700)을 연결하는 연결관(620)을 포함하여 구성된다.
상기 지지대(100)는 하단이 바닥면에 고정되고, 상단에 상기 메인프레임(200)이 설치된다. 이러한 지지대(100)은 내부 상단에 상기 메인프레임(200)과 동력적으로 연결된 전동모터(미도시)와 회전수단이 설치되어 후술할 태양 추적 컨트롤러(110)로부터 신호를 받아 메인프레임(200)을 전후방향으로 회동한다.
상기 포물면 반사경(400)은 상기 메인프레임(200)의 상면에 설치된다. 이 포물면 반사경(400)은 앞서 기재한 것처럼 태양을 추적할 수 있도록 상기 지지대(100)의 상단에서 상기 메인프레임(200)과 함께 전후방향을 회동한다.
상기 포물면 반사경(400)의 재질은 빛 반사율이 높고, 태양열 집열 온도에 의해 물리적 특성이 변하지 않는 재질로 한다. 상기 포물면 반사경(400)의 역할은 태양광선을 한 곳으로 모은다는 점에서 포물선 형태임이 바람직하다.
상기 2차 열흡수관(700)은 상기 포물면 반사경(400)의 수직단면인 포물선의 초점에 위치한다. 태양광선이 상기 포물면 반사경(400)에서 반사되면 초점으로 모이게 되는데, 상기 2차 열흡수관(700)이 초점에 위치해 있도록 함으로써 상기 2차 열흡수관(700)의 내부를 이동하는 열매체를 효과적으로 가열할 수 있다.
상기 보조프레임(300)은 상기 메인프레임(200)의 상단에 설치되며, 상기 포물면 반사경(400)의 수직단면인 포물선의 초점에 위치해야 하는 상기 2차 열흡수관(700)의 위치를 고정해주는 역할을 한다.
상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면은 볼록렌즈 형상으로 한다. 볼록렌즈는 태양광선을 한 곳으로 모이게 하여 그 초점에 태양전지를 배치할 경우 집광 효과로 태양전지의 발전효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 2차 열흡수관(700)이 태양광선을 한 곳으로 모이게 하는 역할을 수행하기 위해서는 그 재질이 빛 투과율이 높은 재질이어야 한다. 그리고 상기 2차 열흡수관(700)은 상기 포물면 반사경(400)에 입사된 태양광선이 한 곳으로 모이는 곳에 위치하기 때문에 집광열이 발생하기 때문에 집광열에 의해 물리적 특성이 변하지 않는 재질이어야 한다.
상기 포물면 반사경(400)의 중앙에는 상기 태양전지(500)가 설치될 수 있도록 태양전지(500)의 너비만큼 비어있는 공간이 있다.
상기 태양전지(500)는 상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면인 볼록렌즈의 두 초점 중에서 상기 포물면 반사경(400)과 가까운 점에 배치된다. 이때 태양전지(500)는 상기 포물면 반사경(400)의 상면에 설치되는 것이 아닌 상기 포물면 반사경(400)의 중앙에 비어있는 공간에 설치된다.
상기 2차 열흡수관(700)의 초점은 상기 2차 열흡수관(700)의 재질과 내부를 이동하는 열매체에 따라 달라질 수 있는데, 그 이유는 물질의 재질에 따라 빛의 굴절률이 다르기 때문이다. 상기 태양전지(500)는 이 점을 고려하여 설치되어야 한다. 또한, 상기 태양전지(500)는 상기 포물면 반사경(400)의 중앙에 비어있는 공간에 설치된다고 하였으므로 상기 2차 열흡수관(700)의 재질과 내부를 이동하는 열매체에 따라 굴절률이 달라져 초점의 위치가 이동하게 될 경우 상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면 구조를 조정하여 상기 태양전지(500)가 원래 위치인 상기 포물면 반사경(400)의 중앙에 비어있는 공간에 태양광선의 초점에 맞추어 설치되도록 해야 할 것이다.
상기 태양전지(500)가 수직단면이 볼록렌즈 형상인 상기 2차 열흡수관(700)에 의해 태양광선이 집광이 된다면 집광열이 발생하게 된다. 이때 발생하는 집광열은 상기 태양전지(500)의 광전변환효율을 감소시키는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 상기 태양전지(500)의 하부에는 상기 1차 열흡수관(600)이 부착되고, 이는 상기 태양전지(500)가 부착된 표면을 제외한 다른 모든 표면 주변을 단열재(610)로 감싸는 구조이다. 따라서 상기 태양전지(500)의 집광열은 상기 1차 열흡수관(600)으로 전도되게 되고, 전도된 열은 상기 1차 열흡수관(600) 내부를 이동하는 열매체를 가열하는데 사용되고, 가열된 열이 손실되지 않도록 단열재(610)를 감싸는 구조이다.
상기 1차 열흡수관(600)은 상기 태양전지(500)의 하부에 부착되기 때문에 상기 태양전지(500)와 마찬가지로 상기 포물면 반사경(400) 중앙에 비어있는 공간에 위치할 수 있다.
열매체 유입관(800)은 가열되기 전의 열매체가 상기 1차 열흡수관(600)으로 이동할 수 있는 통로를 제공한다. 열매체 유출관(900)은 가열과정을 거친 열매체가 상기 2차 열흡수관(700) 밖으로 나갈 수 있는 통로이다. 또한 연결관(620)은 열매체가 상기 1차 열흡수관(600)에서 상기 2차 열흡수관(700)으로 이동할 수 있는 통로이다.
열매체의 이동순서는 차례로 열매체 유입관(800), 1차 열흡수관(600), 연결관(620), 2차 열흡수관(700), 열매체 유출관(900)이다.
본 발명의 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈을 사용한 실시예에 대해 자세히 설명하자면, 먼저 가열되기 전의 열매체가 열매체 유입관(800)으로 이동한다. 상기 열매체 유입관(800)으로 이동한 열매체는 1차 열흡수관(600)으로 이동하게 되는데, 상기 1차 열흡수관 상단에 부착된 태양전지(500)에서 발생하는 집광열을 전도받게 된다. 전도 받은 집광열은 상기 1차 열흡수관 내부를 이동하는 열매체를 가열한다. 가열된 열매체는 연결관(620)을 통해 2차 열흡수관으로 이동하게 된다. 상기 2차 열흡수관은 포물면 반사경(400)에 입사하는 태양광선이 한 곳으로 모이는 초점에 위치해 있기 때문에 효과적으로 태양열을 집열할 수 있다. 따라서 열매체는 상기 2차 열흡수관(700)에서 집열된 태양열로 한 번 더 가열된다. 최종적으로 가열된 열매체는 열매체 유출관(900)으로 이동한다. 가열된 열매체로 전기를 발전하는 방식은 종래의 태양열 발전 방법에서 가열된 열매체로 전기를 생산하는 방식과 큰 차이가 없기 때문에 본 발명에서의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
위의 실시예에서 상기 2차 열흡수관(700)은 그 수직단면이 볼록렌즈 형상이기 때문에 열매체를 수송 및 가열하는 통로 역할 뿐만 아니라 태양광 집광기 역할을 할 수 있다. 상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면인 볼록렌즈 형상의 초점에 태양전지(500)가 있기 때문에 태양광이 상기 태양전지(500)로 집광이 되어서 태양전지(500)가 집광된 태양광을 직접 전기에너지로 변환하여 발전을 한다.
따라서, 위의 실시예는 종래의 태양열 발전 방법에 태양전지(500)의 집광열이라는 부가적인 열원을 제공함으로써 태양열 발전의 효율을 높일 수 있고, 태양전지(500)의 관점에서는 열을 빼앗기 때문에 집광열로 인하여 태양전지(500)의 광전변환효율이 낮아지는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 태양열 발전 구조를 태양광 집광기로도 사용하여 태양전지(500)로 집광 되는 태양광을 통해 태양광 발전을 태양열 발전과 동시에 할 수 있다. 그리고 태양열 발전과 태양광 발전이 동일한 공간에서 일어나기 때문에 공간 활용도가 높아져 동일 면적 대비 발전량을 향상 시킬 수 있다.
한편, 태양은 시간에 따라서 항상 움직이기 때문에 포물면 반사경(400)과 태양전지(500)가 고정된 위치에 있으면 태양광 집광 및 태양열 집열이 이루어지지 못하여 발전이 되지 않는다. 이러한 이유 때문에 본 발명에서는 태양전지(500)가 설치되어 있는 포물면 반사경(400) 중앙과 포물면 반사경(400)을 메인프레임(200)을 통해 전후방향으로 회전하게 하여 결과적으로 태양전지(500)와 포물면 반사경(400)이 움직이게 하는 것과 같은 효과를 얻고자 하였다. 즉 상기 포물면 반사경(400) 상에 태양을 추적하는 기능을 가진 태양 추적 센서(410)을 설치하고, 상기 지지대(100)에는 상기 태양 추적 센서(410)로 부터 전송된 신호를 통하여 상기 메인프레임(200)을 전후방향으로 회동시키는 태양 추적 컨트롤러(110)가 설치된다.
태양을 추적하는 방식은 종래의 방식과 큰 차이가 없기 때문에 여기에서는 태양 추적 방법에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
100: 지지대
110: 태양 추적 컨트롤러
200: 메인프레임
300: 보조프레임
400: 포물면 반사경
410: 태양 추적 센서
500: 태양전지
600: 1차 열흡수관
610: 단열재
620: 연결관
700: 2차 열흡수관
800: 열매체 유입관
900: 열매체 유출관

Claims (3)

  1. 지지대(100)와; 상기 지지대(100)의 상단에 전후 방향으로 회동 가능하게 설치되는 메인프레임(200)과; 상기 메인프레임(200) 상면에 배치되는 포물면 반사경(400)과; 상기 포물면 반사경(400)의 수직 단면인 포물선의 초점에 위치하고, 열 매체가 내부를 유동하며, 수직 단면이 볼록렌즈의 형상과 동일하고, 태양광이 집광할 시 발생하는 열에 의해 그 물리적 특징이 달라지지 않는 물질로 이루어진 2차 열흡수관(700)과; 상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면인 볼록렌즈의 두 초점 중 상기 메인프레임(200)에 더 가까운 점에 위치하고, 상기 포물면 반사경(400)의 상판 중앙에 상기 포물면 반사경(400)에 따라 수평으로 배치되는 태양전지(500)와; 상기 태양전지(500) 하부에 부착되어 태양전지(500)로부터 열을 전도 받는 1차 열흡수관(600)과; 상기 2차 열흡수관(700)의 위치를 고정시키고, 상기 메인프레임(200) 상단과 연결되는 보조프레임(300)과; 상기 1차 열흡수관(600)와 상기 2차 열흡수관(700) 사이를 연결하고, 열 매체가 상기 1차 열흡수관(600)에서 상기 2차 열흡수관(700)으로 이동하는 쪽의 방향에 설치되는 연결관(620)과; 상기 1차 열흡수관(600)과 연결되어 열 매체가 유입될 수 있도록 하는 열매체 유입관(800)과; 상기 2차 열흡수관(700)과 연결되어 가열된 열매체가 유출될 수 있도록 하는 열매체 유출관;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 열흡수관(600)은 상기 태양전지(500)가 부착된 상단의 표면을 제외한 다른 모든 표면 주변을 단열재(610)로 감싼 것을 특징으로 하는 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면인 볼록렌즈 형상의 굴절률은, 상기 2차 열흡수관(700)의 수직단면인 볼록렌즈 형상의 두 초점 중 상기 포물면 반사경(400)과 가까운 쪽에 위치한 초점의 위치와 상기 포물면 반사경(400)의 상판 중앙의 위치가 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 집열 및 집광 통합 발전 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109163460A (zh) * 2018-11-14 2019-01-08 巫国辉 一种聚光型热电共产设备及热电共产系统
KR102081890B1 (ko) 2019-10-07 2020-02-26 한국건설기술연구원 태양광 발전 및 태양열 집열 복합 시스템
CN115164418A (zh) * 2022-05-25 2022-10-11 中广核风电有限公司 宽开口槽式太阳能聚光器

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