KR20210054219A - 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈 - Google Patents

온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈 Download PDF

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차승일
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Abstract

온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈이 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈은, 태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치; 상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및 상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈{Solar energy module that produces hot water and power at the same time}
본 발명은 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집열렌즈와 집열기를 이용하여 태양열을 더욱 효과적으로 집열하고, 집열된 태양광의 열에너지를 이용하여 열전모듈을 통해 전력을 생산하며, 남은 열에너지를 이용하여 온수를 가열할 수 있는 태양열 에너지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지 이용 분야는 집열 온도에 따라 저온, 중온, 고온 활용 분야로 세분된다. 현재 우리나라의 개발 상황을 보면, 저온 이용분야의 평판형 집열기는 가정용 온수 급탕이나 난방 등에 실용화되어 있다. 그러나 중·고온 이용분야에서는 거의 실용화가 되어 있지 않은 실정이다.
중·고온 이용분야인 집광형 집열기는 집광 형태의 기하학적 구조에 따라 진공관형, PTC(parabolic trough concentrator)형이나 CPC(compound parabolic concentrator), Parabolic Dish형 등이 있다. 이와 같은 집광형 집열기는 얻을 수 있는 에너지의 밀도가 평판형 집열기에 비해 매우 크기 때문에 산업 현장에서 공정열이나 전력 발생용 등으로 선진국을 중심으로 널리 쓰이고 있다.
국제적으로 유가의 상승이 지속되고 있고, 또한 우리나라뿐 만 아니라 국제적으로 여러 가지 환경문제가 심각하게 고려되고 있는 상황에서 위와 같은 태양열 이용 시스템의 기술 개발은 국가적 과제라 할 수 있다. 따라서, 진공관형, PTC(prabolic trough concentrator)형, CPC(compound parabolic concentrator), parabolic dish형 및 그 외의 집광형 집열기에서는 반사 및 굴절이 매우 중요한 설계 요소 중의 하나이다.
집광비를 증가시킴으로 더 높은 온도를 얻을 수 있기 때문에 집광형 집열기는 복사, 전도, 대류 열손실을 최대한 줄이고 광집속에 의한 태양에너지의 강도를 높이도록 해야 한다. 결과적으로 유용한 에너지량을 증대시키기 위해 열손실량을 감소시켜야 하는데, 그 방법으로 집열기의 단열강화, 선집광형집열기의 전도, 대류손실을 막기 위한 진공 보호관 사용, 선택 흡수면을 이용한 복사 손실의 감소, 재복사에너지 흡수를 위한 투과체의 사용 등이 있다.
이러한 집광형 집열기 중 CPC(Compound parabolic Concentrator) 집열기의 집광비는 4 내지 100 정도의 범위이며, 태양을 정확히 추적하게 되면 더 높은 온도를 얻을 수 있다. CPC는 산업용 에너지원과 가정용 냉·난방 시스템에서 이용할 수 있는 70 내지 150℃ 정도의 온도 범위에 있는 작동 유체를 생산하기 위한 고정 집광형 집열기로 그 응용 및 활용범위가 매우 넓다.
이러한 기술로, '태양광 모듈 제조 방법(공개번호 : 10-2016-0062451)'에서는 고 반사도를 갖는 반사 필름을 대량/저가의 필름 공정 기술로 제작하고, 이를 반사거울 형상을 갖는 플라스틱 프레임에 형성하는 기술을 적용하고, 가공 표면 또는 형상 제작에 있어 정밀도를 필요로 하지 않는 프레임 제작 기술을 적용하고, 고 반사도를 갖는 반사필름을 접목함으로써 제조 기술상 장점을 가지며, 반사 필름을 적용한 CPC 집광 구조를 적용함으로써 태양광 입사 단면적당 사용되는 태양전지 또는 태양열 부의 단면적을 줄일 수 있는 태양광 모듈 제조 방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌의 태양광 모듈은 미리 결정된 CPC 형상에 대응되는 형상을 갖는 금형에 플라스틱을 사출시키고, 사출된 플라스틱 프레임에 반사 필름을 접착시키는 방법으로 제조되어 제조 기술상 장점이 있지만, 태양광 모듈이 설치되는 지역의 특성에 맞게 CPC를 설계하기에는 어려움이 있고, 수용 가능한 태양광의 입사각 범위를 조절하기에 어려움이 있으므로 이에 대한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 시점이다.
KR 10-2016-0062451 A
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양열을 효과적으로 집열하고, 집열된 태양광의 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수가열이 가능한 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈은 태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치; 상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및 상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 한다.
바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 프레넬 렌즈인 것으로 한다.
바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 하나 또는 두개 배치되는 것으로 한다.
바람직하게는, 상기 집열렌즈는, 상기 집열기의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되는 것으로 한다.
바람직하게는, 상기 집열기는, 내부 공간이 진공상태인 것으로 한다.
상기 과제의 해결수단에 의한 본 발명은, 집열장치에 의해 취득한 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수 가열할 수 있는 효과가 있다.
집열렌즈 및 집열기를 함께 이용함으로써 집열기의 높이를 낮추면서도 수용가능한 태양광의 입사각 범위가 넓어지므로 태양열 집열이 가능한 시간이 길어지고, 태양열의 집열량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 별도의 전원 없이 냉수와 온수의 순환이 가능한 히트파이프를 사용하므로 제어장치와 전원장치를 설치할 필요가 없어 장치의 점유면적을 줄일 수 있고, 경제적 비용을 절감할 수 있다.
아울러, 집열렌즈를 복수 개 사용함으로써 집열기의 높이는 더 낮추면서 집광도는 유지할 수 있어 집광각이 더욱 넓어지는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈의 구성도.
도 2는 도 1의 집열렌즈의 집열상태를 나타내는 스펙트럼.
도 3은 집광각과 집광도의 상관관계를 나타내는 그래프.
도 4는 도 1의 집열기의 설계를 위한 r-z 상태방정식의 궤도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집열기의 단면도.
도 6은 도 5의 집열기의 시간에 따른 집열온도를 나타내는 그래프.
도 7은 도 5의 집열기를 통한 집열초점이 맺히는 상태를 나타내는 스펙트럼.
도 8은 도 1의 집열렌즈가 두 개 배치된 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 태양열 에너지 모듈은 집열장치(100), 열전모듈(200), 히트파이프(300)를 포함하여 구성되며, 집열장치(100)를 통해 집열된 태양열 에너지를 이용하여 열전모듈(200)을 통해 전력을 생산시키고, 열전변환되지 못한 열에너지는 히트파이프(300)를 통해 온수를 가열시키는 것을 특징으로 한다.
집열장치(100)는 태양열을 집열시키기 위한 집열렌즈(110)와 이러한 집열렌즈(110)를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기(120)를 포함하여 구성된다.
집열렌즈(110)는 태양광을 집열점으로 집광하여 열에너지를 집열시키기 위한 장치이다.
도 2는 도 1의 집열렌즈(110)의 집열상태를 나타내는 스펙트럼이다. 도2(a)는 집열렌즈(110)에 태양광이 수직으로 입사되는 경우의 집열상태를 나타내고, 도2(b)는 집열렌즈(110)에 태양광이 5°사선으로 입사되는 경우의 집열상태를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 태양광이 수직으로 입사되거나 사선으로 입사되어도 집열렌즈(110)에 의해 집열되는 태양열은 후술할 집열기의 하단부에 집열초점이 발생되는 것을 알 수 있다.
이는 태양광의 입사각이 변하는 경우에도 효과적으로 집열이 가능하므로 태양광을 집광시킬 수 있는 집광시간이 길어질 수 있다는 것을 의미하며, 후술할 집열기(120) 내부에서 반사되는 태양광을 통해서도 집열될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 열전변환을 위해 집열되는 총 열량이 증가될 수 있으며, 그에 따라 발전량도 향상시킬 수 있게 될 것이다.
여기서, 집열렌즈(110)는 태양광을 집광시킬 수 있는 광학렌즈라면 무엇이든 가능하지만, 태양광을 효과적으로 집광하기에는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 가장 적합하다.
도 3은 집광도(Concentration Ratio)와 집광각(Acceptance Angle) 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 가로축은 집광도이고, 세로축은 집광각을 나타낸다. 그래프를 참조하면 알 수 있듯이, 집광도와 집광각은 서로 반비례 관계이며, 집광도가 증가할수록 집광각은 작아지는 특징이 있다.
따라서 높은 집광도를 얻기 위해서는 집광각이 좁아지는 문제를 해결하기 위하여 태양광 추적장치를 추가로 구비하는 경우가 많으나, 집열렌즈(110) 만으로는 집열온도를 크게 높이기 어려운 단점을 함께 보완하기 위하여 본 발명에서는 이를 보상하기 위한 방안으로서 집열기(120)를 구비하는 것으로 한다.
상술한 바와 같이, 집열기(120)는 집열렌즈(110)를 보조하여 태양열을 집열시키기 위한 장치이다. 집열렌즈(110)만으로 태양열을 집열시키면 고온의 열을 얻기는 힘들 수 있으므로 집열기(120)를 함께 사용함으로써 200℃ 이상의 고온의 열을 얻을 수 있도록 한다.
집열기(120)는 내부에 포물선 형태의 공간을 형성시키는 복합포물선 집광형 집열기(CPC : Compound Parabolic Concentrator)로 되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 집열기(120)를 설계하기 위한 방법은 다음과 같다.
집열기(120)의 집광도(C)는 집열기(120)의 입구면적 대비 출구면적의 비율로 나타낼 수 있으며, 이러한 집열기(120)의 설계를 위해서는 집열기(120)의 집광도(C)를 고려하여 집열기(120)의 입구쪽 반지름(w)과 출구쪽 반지름(a), 집열기(120)의 높이(H)가 결정되어야 하는데, 아래의 수학식1을 고려하여 집열기(120)의 집광도에 따라 입구쪽 반지름(w)와 출구쪽 반지름(a)가 결정되면, 수학식2에 의하여 집열기(120)의 높이(H)가 산출될 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00001
(수학식 2)
Figure pat00002
(이때, w : 집열기의 입구쪽 반지름, a : 집열기의 출구쪽 반지름, H: 집열기의 높이이다.)
또한, 아래 수학식3 내지 5의 상태방정식을 이용하여 수학식6의 r-z 상태방정식을 도출할 수 있으며, 수학식6의 r-z 상태방정식을 그래프로 나타내면 도 4와 같이 나타날 수 있다.
(수학식 3)
Figure pat00003
(수학식 4)
Figure pat00004
(수학식 5)
Figure pat00005
(수학식 6)
Figure pat00006
도 4는 r-z 상태방정식의 궤도를 나타내는 그래프이다. 도 4에 나타난 그래프의 궤도를 따라 집열기(120)의 내부 형상이 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이 설계된 집열기(120)의 금형에 금속막을 코팅하여 집열기(120)를 제작할 수 있다. 집열기(120)는 열손실을 방지해야 하므로 열전도도가 낮은 재질로 형성되는 것이 바람직하고, 평탄하고 매끈하여 태양광 반사율이 높은 금속막을 코팅하는 방식으로 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 설계된 집열기(120)의 단면도이고, 도 6은 도 5의 집열기(120)의 시간에 따른 집열온도를 나타내는 그래프이다. 도 5와 같이 실제로 집열기(120)를 설계하여 집열기(120)의 집열 성능을 실험해 본 결과, 도 6과 같이 대략 240℃ 정도인 고온의 열을 집열할 수 있음을 확인하였다. 이때, 설계된 집열기(120)는 입구쪽 반지름(w)는 30mm, 출구쪽 반지름(a)는 5mm, 집광도(C)는 36SUN이다.
이와 같이 집열기(120) 설계 시, 집열기(120)의 집광도를 높이려면 입구면적 대비 출구면적의 비율이 높아지면서 이와 동시에 집열기(120)의 높이가 높아져야 하고, 그에 따라 집광각은 좁아지게 되므로, 태양광을 집광함에 있어 집열렌즈(110)와 집열기(120)를 함께 사용함으로써 집열기(120)의 높이를 낮추면서도 집광각을 넓게 유지할 수 있다는 이점이 있다.
도 7은 도 5의 집열기(120)를 통한 집열초점이 맺히는 상태를 나타내는 스펙트럼이다. 도 7(a)는 태양광이 수직으로 입사되는 경우의 집열점을 나타내고, 도 7(b)는 태양광이 사선으로 입사되는 경우의 집열점을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 집열렌즈(110)와 마찬가지로 태양광이 수직으로 입사되거나 사선으로 입사되어도 집열기(120)의 중앙 하단부에서 집열점이 형성되는 것을 알 수 있다.
따라서 집열장치(100)로부터 열을 전달받아 열전변환시키기 위한 열전모듈(200)은 집열장치(100)의 하단중앙부에 배치되는 것이 가장 바람직하다.
열전모듈(200)은 집열기(120)의 하단부에 배치되어 집열렌즈(110) 및 집열기(120)로부터 집열된 열을 전달받아 열전발전을 통해 전력을 생산한다. 열전모듈(200)은 종래의 널리 사용되는 열전소자로 구성될 수 있고, 흡열효율을 향상시키기 위하여 흡열핀이 구비될 수도 있다.
집열장치(100)에서 집열된 열이 열전모듈(200)에서 열전변환되고 남은 잔열은 히트파이프(300)로 전달되어 온수탱크(310)의 물을 가열할 수 있다.
히트파이프(300)는 열전도율과 상전이의 원리를 병합하여 효율적으로 열을 전달하는 열교환기로서, 별도의 전원장치가 없이도 냉수와 온수의 순환이 가능하므로 별도의 냉/온수 공급라인 및 제어부 등의 추가 장치가 없이 열전모듈(200)에서 열전변환되고 남은 잔열만으로 온수가열이 가능한 이점이 있다.
따라서, 에너지 사용 효율을 향상시킬 수 있고, 장치구성을 위한 경제적 비용을 절감할 수 있다.
한편, 집광도를 높이기 위해서 집열렌즈(110)를 복수 개 사용할 수 있는데, 그 중에서도 집열렌즈(110)가 두 개 배치되는 경우로 예를 들어 살펴보면 다음과 같다.
도 8은 도 1의 집열렌즈(110)가 두 개 배치된 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼이다. 집열렌즈(110)가 하나인 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼인 도 2와 집열렌즈(110)가 두 개인 경우의 집열상태를 나타내는 스펙트럼인 도 8을 비교하면, 태양광이 사선으로 입사되는 경우 도 2에 비해 도 8에서의 집열점이 중앙에 더 가깝게 맺히는 것을 알 수 있다.
이러한 현상은 집열렌즈(110)를 하나 사용하는 경우보다 두 개 사용하는 경우에 집광도가 높아지고, 집열장치(100)에서 동일한 집광도를 나타내기 위해서 집열기(120)의 높이를 낮출 수 있으며, 결과적으로 집광각이 넓어지는 이점이 있다.
두 개의 집열렌즈(110)를 배치 시에는 집열기(120)의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되도록 한다. 이때 이격되는 간격은 초점 거리만큼인 것이 가장 적합하다.
또한, 태양열 에너지 모듈 하나를 단위모듈로 하여 필요한 전력량에 따라 복수 개의 단위모듈을 배치되도록 함으로써 설치 및 유지보수가 용이한 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 에너지 모듈은 집열장치(100)에 의해 취득한 열에너지를 이용하여 열전발전 및 온수가열할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 집열렌즈(110)와 집열기(120)를 함께 사용함으로써 집열기(120)의 높이를 낮추면서도 수용 가능한 태양광의 입사각 범위가 넓어지므로 태양광 집광이 가능한 시간이 길어지고, 태양광의 집열량을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 별도의 전원 없이 냉수와 온수의 순환이 가능한 히트파이프(300)를 사용하므로 제어장치와 전원장치를 설치할 필요가 없어 장치의 점유면적을 줄일 수 있고, 경제적 비용을 절감할 수 있으며, 집열렌즈(110)를 복수 개 사용함으로써 집열기(120)의 높이는 더 낮추면서 집광도는 유지할 수 있어 집광각 역시 더욱 넓어지는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 집열장치
110: 집열렌즈
120: 집열기
200: 열전모듈
300: 히트파이프
310: 온수탱크

Claims (5)

  1. 태양열을 집열시키는 집열렌즈; 및 포물선 형상으로 내부 공간을 형성시키고, 상기 집열렌즈를 보조하여 태양열을 집열시키는 집열기;를 포함하여 구성되고, 상기 집열기의 중앙하단부에 집열점이 잡히는 집열장치;
    상기 집열렌즈의 중앙하단부에 위치하여 상기 집열장치에 집열된 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 열전모듈; 및
    상기 열전모듈에서 변환되지 못한 열에너지가 이동하여 온수가열하는 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집열렌즈는,
    프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집열렌즈는,
    하나 또는 두개 배치되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 집열렌즈는,
    상기 집열기의 길이방향을 따라 일정간격 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집열기는,
    내부 공간이 진공상태인 것을 특징으로 하는 온수와 전력을 동시에 생산하는 태양열 에너지 모듈.
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