KR20210066461A - 온도센서를 이용하여 태양광을 추적할 수 있는 ptc형 태양열 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PTC형 태양열 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 온도센서를 이용하여 반사판의 초점축이 항상 집열관의 중심축을 위치하도록 태양광을 추적함으로써 태양열 발전 효율을 매우 향상시킬 수 있는 PTC형 태양열 시스템에 관한 것이다.

Description

온도센서를 이용하여 태양광을 추적할 수 있는 PTC형 태양열 시스템{Parabolic trough concentrator type solar thermal energy system capable of tracking solar using temperature sensor}

본 발명은 PTC형 태양열 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 온도센서를 이용하여 반사판의 초점축이 항상 집열관의 중심축을 위치하도록 태양광을 추적함으로써 태양열 발전 효율을 매우 향상시킬 수 있는 PTC형 태양열 시스템에 관한 것이다.

태양열 시스템은 광전효과를 이용하는 태양광 시스템과는 달리 태양열을 집광하여 열 매체를 가열한 후, 가열된 열 매체의 열을 이용하여 발전을 수행하는 장치이다.

이 태양열 시스템은 태양열의 집광 여부에 따라 태양열을 집광하는 집광형과 비 집광형으로 구분된다.

비 집광형은 평판형과 진공유리관형으로 구분되고, 집광형은 집광기(반사판)의 기하학적 구조에 따라 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형, CPC(Compound Parabolic Concentrator), 포물선 접시형(Parabolic Dish) 등으로 구분된다.

집광형 중에서 중고온의 온도범위를 얻을 수 있고 1축이나 2축의 추적이 가능한 PTC형 집광기가 가장 바람직한데, 통상의 PTC형 집광기는 얇은 판 형태의 금속 반사판을 2차원 포물 형태의 곡률을 가지도록 벤딩하여 초점이 띠 형태를 이루게 되며, 이 초점축에 열 매체가 순환하는 집열관이 위치한다.

한편, 태양광은 계절 및 시간에 따라 고도가 변화하므로 초점축을 집열관에 위치시키기 위해서는 태양광 추적이 필요한데, 종래의 태양광 추적 방식은 계절과 시간에 따라 미리 계산된 고도각 및 방위각을 이용하여 반사판을 회동시킴으로써 초점축이 집열관에 지속적으로 위치하게 한다.

이러한 추적방법은 일정 수준으로 태양광을 추적할 수 있으나 초점축이 집열관의 중심축에 위치하도록 정밀한 추적은 어려우며 구름이 많은 날과 같이 불규칙한 일사 조건에서는 태양광을 추적하는데 어려움이 있다.

1. 한국공개특허, 제10-2015-0086128호, '태양열 집광판 표면세척방법' 2. 한국공개실용신안, 제20-2011-0003259호, '집광형 태양열온수기의 진공관흡수기'

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 반사판에서 반사된 태양광을 초점축이 항상 집열관의 길이방향 중심축에 위치하게 하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 PTC형 태양열 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부에 열 매체가 흐르는 집열관과 일정한 곡률을 갖고 태양광을 반사하여 상기 집열관에 집광시킴으로써 상기 열 매체를 가열하는 반사판을 포함하는 PTC형 태양열 시스템으로서, 태양의 고도에 따라 변화하는 초점축이 상기 집열관에 지속적으로 위치하도록 상기 반사판을 회동시키는 제어기를 더 포함하고, 상기 집열관에는 상기 반사판에서 바라보았을 때, 상하방향으로 이격된 복수 개의 온도 센서가 구비되며, 상기 제어기는 상기 온도 센서들의 온도 값을 서로 비교하여 상기 반사판을 회동시킴으로써 상기 초점축의 위치를 가변시키는 것을 특징으로 하는 PTC형 태양열 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 온도 센서는 세 개의 온도 센서로 구비되며, 상기 온도 센서들은 상기 반사판에서 바라보았을 때, 상기 집열관의 길이 방향 중심축에 위치하는 제1 온도 센서, 상기 제1 온도 센서의 상부에 이격되어 위치하는 제2 온도 센서 및 상기 제1 온도 센서의 하부에 이격되어 위치하는 제3 온도 센서로 구성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 온도 센서의 온도가 상기 제2 온도 센서 및 상기 제3 온도 센서의 온도보다 높도록 상기 반사판을 회동시켜 상기 초점축이 항상 상기 제1 온도 센서에 위치하게 한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 PTC형 태양열 시스템에 의하면 집열관의 길이방향 중심축에 수직한 방향으로 복수 개의 온도 센서를 이격시켜 배치한 후, 집열관의 중심축에 위치하는 온도 센서의 온도 값이 가장 높도록 반사판을 회동시켜 태양광을 추적함으로써 태양열 발전 효율을 매우 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 PTC형 태양열 시스템에 의하면 일사량이 불규칙한 흐린 날에도 태양광을 추적하여 태양열 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC형 태양열 시스템의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC형 태양열 시스템의 태양광 추적방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC형 태양열 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC형 태양열 시스템(100)은 태양(10)으로부터 조사되는 태양광(s)을 집광하여 열 매체를 가열한 후, 가열된 열 매체를 이용하여 발전을 수행하거나 온수이용 및 실내 난방을 할 수 있는 장치이다.

상기 PTC형 태양열 시스템(100)은 집열관(110), 반사판(120), 제어기(130), 구동부재(140) 및 온도센서(150)를 포함하여 이루어지며, 상기 제어기(130)와 상기 구동부재(140)는 하나의 장치로 통합될 수 있다.

상기 집열관(110)은 길쭉한 관형으로 내부에 열 매체가 흐르며, 상기 열 매체는 파이프(111)를 통해 열교환기를 순환한다.

그러나 상기 열 매체는 순환하지 않고 상기 집열관(110) 내부에서 저장되며, 순환하는 다른 열 매체와 열 교환할 수 있다.

또한, 상기 집열관(110)은 집열 효율이 높은 히트파이프 형태의 진공관 튜브로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 반사판(120)은 일정한 곡률을 갖는 길쭉한 호형의 반사판으로 상기 집열관(110)을 전방에 두고 태양(10)을 바라보며 설치된다.

또한, 상기 반사판(120)은 태양광(s)을 반사하여 상기 집열관(110)에 집중시키고 상기 집열관(110)의 열 매체를 가열한다.

또한, 상기 반사판(120)은 길쭉한 호형이므로 상기 집열관(110)의 길이방향으로 길쭉한 초점축을 가진다.

상기 제어기(130)는 상기 반사판(120)을 회동시켜 상기 반사판(120)의 초점축의 위치를 가변시킨다.

또한, 상기 제어기(130)는 초점축이 항상 상기 집열관(110)의 길이방향 중심축에 위치하게 하여 발전효율을 향상시킨다.

다시 말해서, 상기 제어기(130)는 반사된 태양광이 상기 집열관(110)을 향하도록 태양광을 추적한다.

상기 구동부재(140)는 상기 제어기(130)의 제어에 의해 상기 반사판(120)을 회동시킨다.

또한, 상기 구동부재(140)는 모터나 유압 또는 공압 액츄에이터 등, 상기 반사판(120)을 회동시킬 수 있다면 어떠한 형태의 구동부재로도 구성될 수 있다.

또한, 상기 구동부재(140)는 상기 제어기(130)와 하나의 장치로 구성될 수 있다.

상기 온도 센서(150)는 상기 집열관(110)에 부착되고, 온도를 측정한다.

또한, 상기 온도 센서(150)는 복수 개의 온도 센서로 구비되며, 상기 집열관(110)의 길이방향 중심축에 수직한 방향으로 서로 이격되어 배치된다.

또한, 상기 온도 센서(150)는 측정된 온도 값을 상기 제어기(130)로 전송한다.

도 2를 참조하여 더욱 자세하게 설명하면, 도 2는 상기 PTC형 태양열 시스템(100)의 태양광 추적방법을 설명하기 위한 도면으로, 상기 온도 센서(150)는 제1 온도 센서(151), 제2 온도 센서(152) 및 제3 온도 센서(153)의 세 개의 온도 센서들로 구성된다.

또한, 상기 온도 센서(150)는 세 개의 온도 센서들(151,152,153)로 구성되는 것을 예시하였으나 두 개 이상 복수 개로 구성될 수 있다.

다만, 하나의 온도 센서는 집열관(110)의 중심축(c)에 부착되고, 나머지 온도 센서들은 상기 중심축(c)을 기준으로 대칭인 형태로 부착되는 것이 바람직하므로 본 발명에서는 세 개의 센서들로 구성하였다.

또한, 상기 제1 온도 센서(151)는 상기 반사판(120)에서 바라보았을 때, 상기 집열관(110)의 길이방향 중심축(c)에 부착되고, 상기 제2 온도 센서(152)는 상기 중심축(c)에 대해 수직한 방향(d)으로 상기 제1 온도 센서(151)의 상단에 이격되어 상기 집열관(110)에 부착되며, 상기 제3 온도 센서(153)는 상기 중심축(c)에 대해 수직한 방향(d)으로 상기 제1 온도 센서(151)의 하단에 이격되어 상기 집열관(110)에 부착된다.

또한, 상기 제2 온도 센서(152)와 상기 제3 온도 센서(153)는 상기 중심축(c)을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 부착된다.

즉, 상기 온도 센서들(151,152,153)은 수직한 방향으로 서로 이격되어 상기 집열관(110)에 부착되되 가운데의 제1 온도 센서(151)는 상기 중심축(c)에 부착된다.

또한, 상기 제어기(130)는 상기 온도 센서들(151,152,153)로부터 측정된 온도 값을 수신하고 상기 구동부재(140)를 구동시켜 상기 반사판(120)의 초점축이 상기 집열관(110)의 중심축(c)에 위치하게 한다.

먼저, 상기 제어기(130)는 상기 온도 센서들(151,152,153)에서 측정된 온도 값들을 수신하고, 수신된 온도 값들을 서로 비교한다.

만약, 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 가장 크다면, 기존의 추적 제어 방식(일사량계, 고도각 및 방위각을 이용한 추적 방식)을 유지하고, 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 상기 제2 온도 센서(152) 및 상기 제3 온도 센서(153)보다 낮을 경우 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 가장 커지도록 상기 반사판(120)을 회동시킨다.

즉, 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 다른 온도 센서(152,153)의 온도 값보다 클 경우, 상기 반사판(120)의 초점축이 상기 집열관(110)의 중심축(c)에 위치하는 것으로 판단하는 것이다.

한편, 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 상기 제2 온도 센서(152) 및 상기 제3 온도 센서(153)의 온도 값보다 크더라도 상기 제2 온도 센서(152) 및 상기 제3 온도 센서(153)의 온도 값이 동일하지 않을 경우에는 초점축이 상기 제1 온도 센서(151)와 상기 제2 온도 센서(152)의 사이 또는 상기 제1 온도 센서(151)와 상기 제3 온도 센서(153)의 사이에 위치하여 상기 집열관(110)의 중심축(c)과 정확히 일치하지 않을 수 있다.

따라서, 상기 제어기(130)는 상기 제1 온도 센서(151)의 온도 값이 가장 큰 상태에서 상기 제2 온도 센서(152) 및 상기 제3 온도 센서(153)의 온도 값이 서로 일치하도록 상기 반사판(120)을 미세 조정하여 초점축이 상기 중심축(c)에 정확하게 일치되게 함으로써 집열 효율을 극대화하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:PTC형 태양광 시스템 110:집열관
111:파이프 120:반사판
130:제어기 140:구동부재
150:온도 센서 151:제1 온도 센서
152:제2 온도 센서 153:제3 온도 센서

Claims (3)

1. 내부에 열 매체가 흐르는 집열관과 일정한 곡률을 갖고 태양광을 반사하여 상기 집열관에 집광시킴으로써 상기 열 매체를 가열하는 반사판을 포함하는 PTC형 태양열 시스템으로서,
   태양의 고도에 따라 변화하는 초점축이 상기 집열관에 지속적으로 위치하도록 상기 반사판을 회동시키는 제어기를 더 포함하고,
   상기 집열관에는 상기 반사판에서 바라보았을 때, 상하방향으로 이격된 복수 개의 온도 센서가 구비되며,
   상기 제어기는 상기 온도 센서들의 온도 값을 서로 비교하여 상기 반사판을 회동시킴으로써 상기 초점축의 위치를 가변시키는 것을 특징으로 하는 PTC형 태양열 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도 센서는 세 개의 온도 센서로 구비되며,
   상기 온도 센서들은 상기 반사판에서 바라보았을 때, 상기 집열관의 길이 방향 중심축에 위치하는 제1 온도 센서, 상기 제1 온도 센서의 상부에 이격되어 위치하는 제2 온도 센서 및 상기 제1 온도 센서의 하부에 이격되어 위치하는 제3 온도 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 PTC형 태양열 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 제1 온도 센서의 온도가 상기 제2 온도 센서 및 상기 제3 온도 센서의 온도보다 높도록 상기 반사판을 회동시켜 상기 초점축이 항상 상기 제1 온도 센서에 위치하게 하는 것을 특징으로 하는 PTC형 태양열 시스템.

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