KR20210127563A

KR20210127563A - 집광 렌즈를 구비한 태양열 집열기

Info

Publication number: KR20210127563A
Application number: KR1020200045593A
Authority: KR
Inventors: 김병성
Original assignee: 주식회사 제이알제네스
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-22
Also published as: KR102326204B1

Abstract

본 발명은 태양열 집열기에 관한 것으로서, 태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열기로서, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부재로서, 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있으며, 상면으로부터 조사되는 빛은 하방으로 투과되어 상기 중심축을 따라 길게 형성되어 있는 초점 영역에 집광되는 집광 렌즈; 상기 집광 렌즈의 하방에 배치되며, 상기 초점 영역에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 흡열 부재; 적어도 하나 이상 마련되어 상기 흡열 부재의 일면에 결합되며, 내부에 수용된 열매체가 유동할 수 있는 열매체관;을 포함하며, 상기 흡열 부재는, 태양의 남중 고도가 변하게 되더라도 상기 초점 영역이 상면에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면이 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양의 남중 고도가 변할 때 별도의 태양 추적 장치가 없더라도, 상기 초점 영역이 상기 흡열 부재의 상면에 명확하게 형성됨으로써, 취득 온도가 증가하고 집열 효율이 증가되는 효과가 있다.

Description

집광 렌즈를 구비한 태양열 집열기 {Solar collector including Condensing Lens}

본 발명은 태양열 집열기에 관한 것으로서, 특히 태양의 남중 고도가 변할 때 별도의 태양 추적 장치가 없더라도, 초점 영역이 흡열 부재의 상면에 명확하게 형성됨으로써, 취득 온도가 증가하고 집열 효율이 증가되는 태양열 집열기에 관한 것이다.

태양열 집열기(Solar collector)는, 태양열을 흡수하여 난방, 냉방, 온수 공급, 발전 등에 사용하는 장치로서, 그 종류로는 비집광식인 평판형 집열기, 진공관형 집열기와, 집광식인 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형 집열기, CPC(Compound Parabolic Concentrator) 집열기, 접시형(Dish) 집열기 등이 있다.

상기 평판형 집열기는, 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 집열기로서 집열기가 평판형 형태이며, 일반적으로 빛이 투과하는 투과체, 열을 흡수하는 흡열 부재, 물과 같은 열매체가 유동하는 열매체관, 단열재를 포함하는 구성으로 되어 있다. 상기 평판형 집열기는 대류와 복사열에 의한 열손실이 약 30% 정도 발생하여 취득 온도가 100도 정도로 낮다. 따라서, 평판형 집열기는 난방, 급탕 등의 저온분야에 적합하며, 가격이 저렴하고 직달 및 분산 일사 모두에 사용 가능하다는 장점이 있다.

상기 진공관형 집열기는, 투과체 내부를 진공으로 만들어 그 내부에 흡열 부재를 위치시킨 집열기로 진공관의 형태에 따라서 단일 진공관과 2중진공관이 있다. 상기 진공관형 집열기는, 취득 온도가 80~200도 중온으로 냉난방, 산업공정열 등의 중고온분야에 적합하며, 진공을 통한 열손실 차단이 가능하다는 장점이 있다.

상기 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형 집열기는 포물선 형상의 반사판이 있고 그 가운데 흡열 부재의 역할을 하는 집열관이 있어서 200~250℃ 정도의 취득 온도를 손쉽게 얻을 수 있다. 여기서 상기 반사판은 태양의 고도에 따라서 태양을 추적하기도 한다.

상기 CPC(Compound Parabolic Concentrator) 집열기는, 집광비가 비교적 작은 반사판을 구비하는 집열기로서, 반사판이 태양을 추적하지 않으며, 직달 일사과 산란 일사 모두를 집광할 수 있는 집열기이다.

상기 접시형(Dish) 집열기는, 일사 광선이 한 점에 집광이 될 수 있는 접시 모양의 반사판이 있는 집광형 집열기로서, 태양을 3차원 추적하는 추적 장치가 있으며, 적은 면적의 흡수부를 포함한다. 이 집열기는 집광비에 따라서 취득 온도가 달라지며, 주로 300℃ 이상의 고온으로 집열이 가능하여 태양열 발전용으로도 사용할 수 있다.

위에서 본 바와 같이, 집광식 집열기는 에너지 밀도가 비집광식 집열기 대비 매우 크기 때문에, 공정열이나 태양열 냉방, 태양열 발전 등의 분야까지 그 활용 범위가 확대되는 장점이 있다.

그러나, 상술한 종래의 집광식 집열기는 성능 대비 가격이 고가이며, 설치 시 복잡한 조립이 필요하여, 설치 공간도 비교적 많이 차지하는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해소하기 위하여 본원 발명은 평판형 집열기의 장점과 집광식 집열기의 장점만을 구현할 수 있는 집열기를 제공하기 위한 목적을 가진다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 태양의 남중 고도가 변할 때 별도의 태양 추적 장치가 없더라도, 초점 영역이 흡열 부재의 상면에 명확하게 형성됨으로써, 취득 온도가 증가하고 집열 효율이 증가되도록 구조가 개선된 태양열 집열기를 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양열 집열기는, 태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열기로서, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부재로서, 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있으며, 상면으로부터 조사되는 빛은 하방으로 투과되어 상기 중심축을 따라 길게 형성되어 있는 초점 영역에 집광되는 집광 렌즈; 상기 집광 렌즈의 하방에 배치되며, 상기 초점 영역에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 흡열 부재; 적어도 하나 이상 마련되어 상기 흡열 부재의 일면에 결합되며, 내부에 수용된 열매체가 유동할 수 있는 열매체관;을 포함하며, 상기 흡열 부재는, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역이 상면에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면이 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 흡열 부재는, 미리 정한 두께를 가지는 판형 부재로서, 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 골 중심축을 따라 골이 형성되고 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 산 중심축을 따라 산이 형성되어 있는 단위 주름 구조가 적어도 하나 이상 나열되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 복수 개의 단위 렌즈 모듈이 서로 평행하게 나열되어 있는 구조를 가지며, 상기 단위 렌즈 모듈의 중심축은 상기 흡열 부재의 골 중심축의 상방에 각각 배치되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 열매체관은 상기 흡열 부재의 하면에 접촉된 상태로 결합되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 열매체관은, 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 제1 중심축을 따라 연장되어 있으며, 상기 제1 중심축은 상기 흡열 부재의 산 중심축과 대응되는 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부분으로서, 상기 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있는 본체부; 빛이 투과할 수 있는 재질의 부분으로서, 상기 본체부의 하면에 마련되며, 상기 본체부를 관통한 빛을 굴절시키는 굴절부;를 포함하며, 상기 굴절부는, 중앙부와, 상기 중앙부의 좌측에 배치되어 있는 좌측부와, 상기 중앙부의 우측에 배치되어 있는 우측부를 포함하며, 상기 좌측부와 우측부는, 복수 열의 톱니 형태 단면이 상기 중심축을 따라 길게 연장됨으로써 형성되는 복수 개의 굴절면들을 포함하며, 상기 좌측부와 우측부는 상기 중앙부를 중심으로 서로 좌우 대칭적인 형상과 배치를 가지며, 상기 본체부의 상면으로부터 조사되는 빛은 상기 본체부와 굴절부를 통과하면서, 미리 정한 폭을 가진 상기 초점 영역에 집광되며, 상기 초점 영역은 상기 중심축을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 상기 중앙부와 좌측부와 우측부는 단위 렌즈 모듈을 형성하며, 상기 단위 렌즈 모듈은 복수 개 마련되어 서로 평행하게 배치되어 있으며, 상기 복수 개의 단위 렌즈 모듈은 일체로 형성되어 미리 정한 면적을 가지며, 유연하게 휘어질 수 있는 시트 형상으로 마련되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 상기 본체부가 전체 영역에 걸쳐서 미리 정한 값의 두께를 가지며, 상기 본체부의 상면은 빛이 입사되는 입사면으로서 평면 형상인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 상기 중심축과 교차하는 방향으로 돌출되어 있는 결합 돌기가 일측 단부에 형성되어 있으며, 상기 중심축과 교차하는 방향으로 함몰되어 있으며, 상기 결합 돌기와 탈착 가능하게 결합할 수 있는 결합 홈이 타측 단부에 형성되어 있는 것일 수도 있다.

여기서, 상기 집광 렌즈는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메타크릴산메틸을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열기로서, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부재로서, 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있으며, 상면으로부터 조사되는 빛은 하방으로 투과되어 상기 중심축을 따라 길게 형성되어 있는 초점 영역에 집광되는 집광 렌즈; 상기 집광 렌즈의 하방에 배치되며, 상기 초점 영역에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 흡열 부재; 적어도 하나 이상 마련되어 상기 흡열 부재의 일면에 결합되며, 내부에 수용된 열매체가 유동할 수 있는 열매체관;을 포함하며, 상기 흡열 부재는, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역이 상면에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면이 오목하게 형성되어 있으므로, 태양의 남중 고도가 변할 때 별도의 태양 추적 장치가 없더라도, 상기 초점 영역이 상기 흡열 부재의 상면에 명확하게 형성됨으로써, 취득 온도가 증가하고 집열 효율이 증가되는 효과가 있다.

도 1은 도 5에 도시된 집광 렌즈를 포함하는 집열 패널의 분해사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 집열 패널의 단면도이다.
도 3은 도 8에 도시된 집광 렌즈의 상면으로 태양광이 입사되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 8에 도시된 집광 렌즈가 복수 개 마련되어 서로 평행하게 배치되어 있는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 8에 도시된 집광 렌즈가 복수 개 마련되어 일체로 형성되어 있는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예인 렌즈 시트가 도시된 도면이다.
도 7는 도 6에 도시된 렌즈 시트가 복수 개 마련되어 서로 결합되어 있는 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예인 집광 렌즈의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 집광 렌즈의 정면도이다.
도 10은 도 2에 도시된 집열 패널의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 태양의 위치가 변동된 상황에서 집열 패널의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 1에 도시된 집열 패널을 포함하는 태양열 집열기의 사시도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예인 집광 렌즈의 사시도이며, 도 9는 도 8에 도시된 집광 렌즈의 정면도이다. 도 3은 도 8에 도시된 집광 렌즈의 상면으로 태양광이 입사되는 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열기(100)는, 태양열을 흡수하여 미리 정한 취득 온도로 집열할 수 있는 태양열 집열기로서, 집광 렌즈(10)와, 렌즈 시트(20)와, 집열 패널(30)과, 지지대(40)를 포함하여 구성된다.

상기 집광 렌즈(10)는, 빛이 투과할 수 있는 재질의 렌즈로서, 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(PC, polycarbonate), 폴리메타크릴산메틸(Polymethylmethacrylate) 등의 합성 수지로 제조될 수 있으나, 본 실시예에서는 폴리카보네이트(PC)가 사용되고 있다. 이 집광 렌즈(10)는, 본체부(11a)와 굴절부(11b)를 포함하여 구성된다.

상기 본체부(11a)는, 빛이 투과할 수 있는 재질의 부분으로서, 중심축(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 직선적으로 연장되어 있는 판형 부분으로서, 미리 정한 폭(L)을 가진다.

상기 본체부(11a)는 전체 영역에 걸쳐서 미리 정한 값의 두께(T)를 가지며, 상기 본체부(11a)의 상면(15)은 빛이 입사되는 입사면(15)으로서 평면 형상을 가진다.

상기 굴절부(11b)는, 빛이 투과할 수 있는 재질의 부분으로서, 상기 본체부(11a)를 관통한 빛을 굴절시키며, 미리 정한 폭(L)을 가진다.

상기 굴절부(11b)는, 상기 본체부(11a)의 하면(16)에 마련되어 있으며, 상기 본체부(11a)와 일체로 형성되어 있다.

상기 굴절부(11b)는, 중앙부(12)와 좌측부(13)와 우측부(14)를 포함하여 구성된다.

상기 중앙부(12)는, 하방으로 돌출되어 있으며 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 연장되어 있는 1개의 톱니를 가지며, 미리 정한 폭(L1)을 가진다.

상기 중앙부(12)의 톱니는, 상기 중심축(C)을 기준으로 좌우 대칭의 제1 굴절면(12a)과 제2 굴절면(12b)을 두 변으로 하는 이등변 삼각형 형상의 단면을 구비하고 있다.

상기 제1 굴절면(12a)과 제2 굴절면(12b)은, 각각 평면으로 형성되어 있으며, 상기 본체부(11a)의 하면(16)에 대하여 미리 정한 값의 제1 각도(α1)로 기울어져 있다.

상기 중앙부(12)의 삼각형 단면은, 도 9에 도시된 바와 같이 미리 정한 길이(W1)의 밑변과 미리 정한 높이(H1)을 가지고 있다.

상기 좌측부(13)는, 상기 중앙부의 좌측에 배치되어 있는 부분으로서, 하방으로 돌출되어 있으며 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 연장되어 있는 복수 열의 톱니를 가지며, 미리 정한 폭(L2)을 가진다.

상기 좌측부(13)의 톱니는, 외측 굴절면(13a)과 내측 굴절면(13b)을 두 변으로 하는 삼각형 형상의 단면을 구비하고 있다.

즉, 상기 복수 열의 톱니 형태 단면이 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 길게 연장됨으로써 복수 개의 굴절면들(13a, 13b)이 형성되며, 상기 굴절면들(13a, 13b)은 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 서로 평행하게 배치된다.

상기 외측 굴절면(13a)과 내측 굴절면(13b)은, 각각 평면으로 형성되어 있으며, 상기 본체부(11a)의 하면(16)에 대하여 미리 정한 값의 제2 각도(α2) 및 제3 각도(α3)로 각각 기울어져 있다.

본 실시예에서는 상기 외측 굴절면(13a)의 길이가 상기 내측 굴절면(13b)의 길이보다 더 길게 형성됨으로써, 상기 제2 각도(α2)의 값이 상기 제3 각도(α3)의 값보다 더 작은 값을 가진다. 즉 상기 좌측부(13)의 톱니들은 상기 중심축(C) 방향으로 약간 기울어져 있다.

다만 도면들에는 도시하지 않았으나, 상기 제2 각도(α2)는 상기 중심축(C)에 가까운 톱니일수록 점점 커지며, 상기 제3 각도(α3)는 상기 중심축(C)에 가까운 톱니일수록 점점 작아지게 된다.

상기 좌측부(13)의 톱니 단면은, 도 9에 도시된 바와 같이 미리 정한 길이(W2)의 밑변과 미리 정한 높이(H2)을 가지고 있다.

상기 우측부(14)는, 상기 중앙부의 우측에 배치되어 있는 부분으로서, 하방으로 돌출되어 있으며 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 연장되어 있는 복수 열의 톱니를 가지며, 미리 정한 폭(L3)을 가진다.

상기 우측부(14)의 톱니는, 외측 굴절면(14a)과 내측 굴절면(14b)을 두 변으로 하는 삼각형 형상의 단면을 구비하고 있다.

즉, 상기 복수 열의 톱니 형태 단면이 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 길게 연장됨으로써 복수 개의 굴절면들(14a, 14b)이 형성되며, 상기 굴절면들(14a, 14b)은 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 서로 평행하게 배치된다.

상기 외측 굴절면(14a)과 내측 굴절면(14b)은, 각각 평면으로 형성되어 있으며, 상기 본체부(11a)의 하면(16)에 대하여 미리 정한 값의 제4 각도(α4) 및 제5 각도(α5)로 각각 기울어져 있다.

본 실시예에서는 상기 외측 굴절면(14a)의 길이가 상기 내측 굴절면(14b)의 길이보다 더 길게 형성됨으로써, 상기 제4 각도(α4)의 값이 상기 제5 각도(α5)의 값보다 더 작은 값을 가진다. 즉 상기 우측부(14)의 톱니들은 상기 중심축(C) 방향으로 약간 기울어져 있다.

다만 도면들에는 도시하지 않았으나, 상기 제4 각도(α4)는 상기 중심축(C)에 가까운 톱니일수록 점점 커지며, 상기 제5 각도(α5)는 상기 중심축(C)에 가까운 톱니일수록 점점 작아지게 된다.

상기 우측부(14)의 톱니 단면은, 도 9에 도시된 바와 같이 미리 정한 길이(W3)의 밑변과 미리 정한 높이(H3)을 가지고 있다.

본 실시예에서는 상기 좌측부(13)와 우측부(14)는 상기 중앙부(12)를 중심으로 서로 좌우 대칭적인 형상과 배치를 가지고 있다.

따라서, 상기 본체부(11a)의 상면(15)으로부터 조사되는 빛은 상기 본체부(11a)와 굴절부(11b)를 통과하면서, 미리 정한 초점 거리(F)만큼 이격되어 있고 미리 정한 폭(D)을 가진 초점 영역(FR)에 집광된다. 여기서 상기 초점 영역(FR)은 상기 중심축(C)을 따라 직선적으로 길게 형성된다.

여기서, 상기 중앙부(12)의 폭(L1)은 10 내지 14mm, 상기 좌측부(13)의 폭(L2) 및 우측부(14)의 폭(L3)는 20 내지 28mm, 상기 중앙부(12)의 톱니 밑변 길이(W1)는 10 내지 14mm, 상기 좌측부(13) 및 우측부(14)의 톱니 밑변 길이(W2, W3)는 4 내지 8mm, 상기 본체부(11a)의 두께(T)는 14 내지 20mm, 상기 중앙부(12)와 좌측부(13)와 우측부(14)의 톱니 높이(H1, H2, H3)는 2 내지 4mm가 적절하다.

본 실시예에서는 상기 중앙부(12)의 폭(L1)은 12mm, 상기 좌측부(13)의 폭(L2) 및 우측부(14)의 폭(L3)는 24mm, 상기 중앙부(12)의 톱니 밑변 길이(W1)는 12mm, 상기 좌측부(13) 및 우측부(14)의 톱니 밑변 길이(W2, W3)는 6mm, 상기 본체부(11a)의 두께(T)는 17mm, 상기 중앙부(12)와 좌측부(13)와 우측부(14)의 톱니 높이(H1, H2, H3)는 3mm이다.

상기 렌즈 시트(20)는, 상기 중앙부(12)와 좌측부(13)와 우측부(14) 3 부분이 협력하여 형성된 상기 집광 렌즈(10)가 단위 렌즈 모듈(10)이 되고, 복수 개의 단위 렌즈 모듈(10)이 서로 평행하게 배치된 상태에서 일체로 형성된 시트 부재로서, 도 5에 도시된 바와 같이 미리 정한 면적을 가지며 유연하게 휘어질 수 있다.

상기 렌즈 시트(20)는, 압출 가공(extrusion)에 의하여 대량으로 제조될 수 있도록, 상기 중심축(C)을 따라 전체 길이에 걸쳐서 동일한 형상의 단면을 가지도록 연장된 형상을 가지고 있다.

한편, 도 6에는 본 발명의 제2 실시예인 렌즈 시트(120)가 도시되어 있다. 이 렌즈 시트(120)는 도 5에 도시된 렌즈 시트(20)와 대부분의 구성 및 효과가 동일하므로 이하에서는 양자 간의 차이점에 대해서만 설명하기로 한다. 이 렌즈 시트(120)는, 결합 돌기(21)와 결합 홈(22)를 구비하고 있다.

상기 결합 돌기(21)는, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 본체부(11a)의 좌측 단부에 형성된 돌기로서, 상기 중심축(C)과 교차하는 방향인 좌측 방향으로 돌출되어 있다.

상기 결합 홈(22)은, 상기 본체부(11a)의 우측 단부에 형성된 홈으로서, 상기 중심축(C)과 교차하는 방향인 좌측 방향으로 함몰되어 있다.

상기 결합 홈(22)은, 상기 결합 돌기(21)와 탈착 가능하게 결합할 수 있도록 개구된 부근 영역이 탄성적으로 변형될 수 있다.

상기 결합 돌기(21) 및 결합 홈(22)은, 상기 중심축(C)을 따라 길게 연장되어 있다.

상기 렌즈 시트(120)는, 상기 본체부(11a)의 일측 단부에는 상기 중심축(C)과 교차하는 방향으로 돌출되어 있는 결합 돌기(21)가 형성되어 있으며, 상기 본체부(11a)의 타측 단부에는 상기 중심축(C)과 교차하는 방향으로 함몰되어 있으며, 상기 결합 돌기(21)와 탈착 가능하게 결합할 수 있는 결합 홈(22)이 형성되어 있으므로, 도 7에 도시된 바와 같이 별도의 체결 부재나 접착제의 도움 없이 시공 현장에서 간편하게 상기 렌즈 시트(120)를 서로 결합시킬 수 있는 장점이 있다.

여기서, 상기 렌즈 시트(20, 120)에 포함된 상기 단위 렌즈 모듈(10)의 개수를 조절함으로써, 후술할 태양열 집열기(100)의 취득 온도를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

상기 집열 패널(30)은, 태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열 패널로서, 열매체관(31)과 흡열 부재(32)와 제1 단열재(33)와 제2 단열재(34)와 하부 케이스(35)와 상부 케이스(36)와 씰링 부재(37)를 포함한다.

상기 열매체관(31)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 내부의 중공(311)에 수용된 물과 같은 열매체가 유동할 수 있는 금속관 부재로서, 적어도 하나 이상 마련되어 있다.

본 실시예에서 상기 열매체관(31)은 복수 개의 원형관을 서로 연통시킨 상태로 용접하여 제조된다.

본 실시예에서 상기 열매체관(31)은 0.45 내지 0.6mm의 두께의 구리관이 사용되며, 10 내지 30mm의 직경을 가진다.

본 실시예에서 상기 열매체관(31)은 상기 흡열 부재(32)의 하면(322)에 접촉된 상태로 초음파 용접을 통하여 결합되어 있다.

상기 열매체관(31)은, 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 제1 중심축(C1)을 따라 직선적으로 연장되어 있으며, 상기 제1 중심축(C1)은 상기 흡열 부재(32)의 산 중심축인 제3 중심축(C3)의 바로 아래에 배치되어 있다.

상기 흡열 부재(32)는, 상기 초점 영역(FR)에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 금속판 부재로서, 상기 렌즈 시트(20)의 하방에 배치되어 있다.

본 실시예에서 상기 흡열 부재(32)는, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역(FR)이 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면(321)이 오목하게 형성되어 있다.

본 실시예에서는 도 10에 도시된 바와 같이 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)의 곡률중심(P)은 상기 흡열 부재(32)의 상방에 위치한다.

본 실시예에서 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)의 곡률반경(R)은 포물곡선함수 y²=4(1/((n-1)/R)x 와 같은 함수로 결정된다. 여기서 n은 굴절계수이고 R은 곡률반경이다.

본 실시예에서 태양의 위치가 10도 변하게 되면 상기 초점 영역(FR)은 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에서 8mm 정도의 위치 이동이 발생하며, 상기 초점 영역(FR)의 형상도 변화하게 된다.

상기 흡열 부재(32)는 미리 정한 두께를 가지는 판형 부재로서, 본 실시예에서는 블루티타늄(Blue Titanium)이 코팅된 알루미늄 판재를 사용하여 제조되며, 그 두께는 대략 0.2 내지 0.5mm이다.

상기 흡열 부재(32)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 골 중심축인 제2 중심축(C2)을 따라 직선적으로 골이 형성되고 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 산 중심축인 제1 중심축(C1)을 따라 산이 형성되어 있는 주름 구조를 구비한다.

본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 인접한 한 쌍의 제2 중심축(C2)의 간격과 서로 인접한 한 쌍의 제3 중심축(C3)의 간격은 서로 동일하며, 상기 단위 렌즈 모듈(10)의 폭(L)과 동일한 값이다.

즉, 상기 단위 렌즈 모듈(10)의 중심축(C)은 상기 흡열 부재(32)의 골 중심축인 제2 중심축(C2)의 바로 위에 배치되어 있다.

따라서 상기 흡열 부재(32)의 주름 구조는, 미리 정한 폭을 가지는 단위 주름 구조가 반복적으로 나열되어 있는 형태를 가진다.

상기 제1 단열재(33)는, 상기 흡열 부재(32)로부터 발생되는 복사열 및 대류열이 후방으로 누출되지 않도록 차단하기 위한 단열재로서, 상기 열매체관(31)의 하방에 배치된다.

상기 제1 단열재(33)는, 두께 0.1 내지 1mm의 얇은 박막 시트를 포함하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 알루미늄이 코팅된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 박막이 사용된다.

상기 제2 단열재(34)는, 상기 집열 패널(30)의 후면에서의 열손실을 줄이기 위한 단열재로서, 유리섬유, 발포폼 등의 각종 단열재가 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 두께 40 내지 60mm의 초경량 폴리스터 발포폼(Polyster Foam)으로 제조된다.

본 실시예에서 상기 제2 단열재(34)는, 상기 제1 단열재(33)의 하방에 배치된다.

상기 하부 케이스(35)는, 상기 집열 패널(30)의 하부 하우징으로서, 상기 열매체관(31)과 흡열 부재(32)를 수용할 수 있는 용기 형태로 제작되며, 상기 제2 단열재(34)의 하방에 배치된다.

본 실시예에서 상기 하부 케이스(35)는, 사각형 용기 형상을 가지며 알루미늄 금속으로 제작된다.

상기 상부 케이스(36)는, 상기 하부 케이스(35)의 개구된 상부를 폐쇄하기 위한 상부 하우징으로서, 상기 하부 케이스(35)와 대응되는 형상으로 제조된다.

본 실시예에서 상기 상부 케이스(36)는 상기 렌즈 시트(20)가 노출될 수 있도록 중공(361)을 가지는 사각형 액자 형상을 가지며 알루미늄 금속으로 제작된다.

상기 상부 케이스(36)는, 상기 렌즈 시트(20)의 상방에 배치되며, 상기 하부 케이스(35)와 결합된다.

상기 씰링 부재(37)는, 상기 렌즈 시트(20)와 상기 흡열 부재(32) 사이의 밀봉을 위한 부재로서, 상기 집열 패널(30)의 내부의 공기가 외부로 누출되지 않도록 차단하며, 외부의 오염물이 내부로 침투되지 않도록 방지한다.

상기 씰링 부재(37)는 상기 렌즈 시트(20)와 상기 흡열 부재(32)의 사이에 배치되어 있다.

본 실시예에서 상기 씰링 부재(37)는, 내열성 및 내광성을 구비한 에틸렌프로필렌 고무(EPDM; ethylene propylene rubber)를 포함하고 있다.

상기 지지대(40)는, 상기 렌즈 시트(20) 및 집열 패널(30)을 지지하기 위한 프레임으로서, 도 12에 도시된 바와 같이 태양을 향하여 경사진 자세를 가지도록 상기 집열 패널(30)을 고정하고 있다.

이하에서는, 상술한 구성의 태양열 집열기(100)의 작동 원리의 일례를 설명하기로 한다.

도 12에 도시된 바와 같이 상기 집열 패널(30)을 상기 지지대(40)에 복수 개 나열한 후에, 태양이 잘 보이는 방향으로 배치한다.

만약 태양이 상기 집열 패널(30)의 바로 상방에 위치하면, 도 10에 도시된 바와 같이 입사되는 태양광(S)이 상기 렌즈 시트(20)의 상면에 거의 수직하게 입사되며, 상기 렌즈 시트(20)에 입사된 태양광은 상기 흡열 부재(32)의 골 중심축인 제2 중심축(C2)의 근방에 초점 영역(FR)을 형성하게 된다.

이렇게 상기 흡열 부재(32)의 골 중심축에 초점 영역(FR)을 형성한 태양광에 의하여, 상기 흡열 부재(32)의 온도는 고온으로 증가하게 되고, 상기 흡열 부재(32)에 의한 열전도에 의하여 고온의 열은 상기 열매체관(31)에 전달된다.

그리고, 시간이 흘러 태양의 남중 고도가 변하게 되면, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 렌즈 시트(20)에 입사되는 태양광(S)의 입사각이 변하게 되고, 입사된 태양광은 상기 흡열 부재(32)의 골 중심축인 제2 중심축(C2)으로부터 약간 이격된 위치에 초점 영역(FR)을 형성하게 된다. 이때 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)이 오목하게 형성되어 있으므로, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역(FR)이 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에 명확하게 형성된다.

상술한 구성의 태양열 집열기(100)는, 태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열기로서, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부재로서, 중심축(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있으며, 상면(15)으로부터 조사되는 빛은 하방으로 투과되어 상기 중심축(C)을 따라 길게 형성되어 있는 초점 영역(FR)에 집광되는 집광 렌즈(10); 상기 집광 렌즈(10)의 하방에 배치되며, 상기 초점 영역(FR)에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 흡열 부재(32); 적어도 하나 이상 마련되어 상기 흡열 부재(32)의 일면에 결합되며, 내부에 수용된 열매체가 유동할 수 있는 열매체관(31);을 포함하며, 상기 흡열 부재(32)는, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역(FR)이 상면(321)에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면(321)이 오목하게 형성되어 있으므로, 태양의 남중 고도가 변할 때 별도의 태양 추적 장치가 없더라도, 상기 초점 영역(FR)이 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에 명확하게 형성됨으로써, 취득 온도가 증가하고 집열 효율이 증가되는 장점이 있다.

특히 상기 태양열 집열기(100)는, 저온형으로만 활용되고 있던 평판형 집열기의 투과체인 저철분 강화 유리판 등의 대신에 상기 집광 렌즈(10)를 사용하여 태양광을 농축하여 집열하므로, 취득 온도를 증가되어 중온 내지 고온 영역까지 사용할 수 있다는 장점이 있다.

그리고 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 흡열 부재(32)가, 미리 정한 두께를 가지는 판형 부재로서, 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 골 중심축(C2)을 따라 골이 형성되고 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 산 중심축(C3)을 따라 산이 형성되어 있는 단위 주름 구조가 적어도 하나 이상 나열되어 있으므로, 상기 집광 렌즈(10) 및 열매체관(31)의 형상에 대응하여 상기 흡열 부재(32)를 제조하기가 용이하다는 장점이 있다.

또한 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가 복수 개의 단위 렌즈 모듈(10)이 서로 평행하게 나열되어 있는 구조를 가지며, 상기 단위 렌즈 모듈(10)의 중심축(C)은 상기 흡열 부재(32)의 골 중심축(C2)의 상방에 각각 배치되어 있으므로, 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에 명확한 초점 영역(FR)을 생성하기 용이하다는 장점이 있다.

그리고 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 열매체관(31)이 상기 흡열 부재(32)의 하면(322)에 접촉된 상태로 결합되어 있으므로, 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)에 상기 초점 영역(FR)을 형성하는 과정에서 상기 열매체관(31)이 방해 요소로 작용하지 않는 장점이 있다.

또한 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 열매체관(31)이, 상기 집광 렌즈(10)의 중심축(C)과 평행한 제1 중심축(C1)을 따라 연장되어 있으며, 상기 제1 중심축(C1)은 상기 흡열 부재(32)의 산 중심축(C3)과 대응되는 위치에 배치되어 있으므로, 상기 흡열 부재(32)의 산 중심축(C3)의 하면에 형성된 오목한 부분에 상기 열매체관(31)을 용이하게 수용함으로써, 상기 열매체관(31)과 상기 흡열 부재(32)의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가, 빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부분으로서, 중심축(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있는 본체부(11a)와, 빛이 투과할 수 있는 재질의 부분으로서 상기 본체부(11a)의 하면에 마련되며 상기 본체부(11a)를 관통한 빛을 굴절시키는 굴절부(11b)를 포함하며, 상기 굴절부(11b)는 중앙부(12)와, 상기 중앙부(12)의 좌측에 배치되어 있는 좌측부(13)와, 상기 중앙부(12)의 우측에 배치되어 있는 우측부(14)를 포함하며, 상기 좌측부(13)와 우측부(14)는, 복수 열의 톱니 형태 단면이 상기 중심축(C)을 따라 길게 연장됨으로써 형성되는 복수 개의 굴절면들(13a, 13b, 14a, 14b)을 포함하며, 상기 좌측부(13)와 우측부(14)는 상기 중앙부(12)를 중심으로 서로 좌우 대칭적인 형상과 배치를 가지며, 상기 본체부(11a)의 상면으로부터 조사되는 빛은 상기 본체부(11a)와 굴절부(11b)를 통과하면서, 미리 정한 폭을 가진 초점 영역(FR)에 집광되며, 상기 초점 영역(FR)은 상기 중심축(C)을 따라 길게 형성되므로, 렌즈 어레이의 상부에 강화 유리 재질의 보호판이 배치되는 구조를 가진 종래의 복잡한 시스템과는 달리, 도 5에 도시된 바와 같은 단순한 구조의 렌즈 시트(20) 제작 및 사용이 가능하여 전체적인 제작 비용이 감소하고 고장의 우려가 없다는 장점이 있다.

또한 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가, 상기 중앙부(12)와 좌측부(13)와 우측부(14)는 단위 렌즈 모듈(10)을 형성하며, 상기 단위 렌즈 모듈(10)은 복수 개 마련되어 서로 평행하게 배치되어 있으며, 상기 복수 개의 단위 렌즈 모듈(10)은 일체로 형성되어 미리 정한 면적을 가지며, 유연하게 휘어질 수 있는 시트 형상으로 마련되므로, 상기 렌즈 시트(20)를 사용하여 평면형 집열 패널(30)뿐만 아니라 곡면형 집열 패널(30)을 제조하여 포함시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가, 상기 본체부(11a)가 전체 영역에 걸쳐서 미리 정한 값의 두께를 가지며, 상기 본체부(11a)의 상면(15)은 빛이 입사되는 입사면으로서 평면 형상이므로, 상기 본체부(11a)의 상면(15)에 먼지 등의 이물질이 쌓이는 경우, 먼지 등의 이물질이 모일 수 있는 구석 공간이 없는 바, 별도의 세척 장치나 빗자루 등을 이용하여 이물질을 제거하기 용이하다는 장점이 있다.

또한 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가, 상기 중심축(C)과 교차하는 방향으로 돌출되어 있는 결합 돌기(21)가 일측 단부에 형성되어 있으며, 상기 중심축(C)과 교차하는 방향으로 함몰되어 있으며, 상기 결합 돌기(21)와 탈착 가능하게 결합할 수 있는 결합 홈(22)이 타측 단부에 형성되어 있는 렌즈 시트(120)로 제조될 수도 있으므로, 별도의 체결 부재나 접착제의 도움 없이 시공 현장에서 간편하게 상기 렌즈 시트(120)를 서로 결합시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 태양열 집열기(100)는, 상기 집광 렌즈(10)가, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메타크릴산메틸을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하므로, 렌즈 어레이의 상부에 강화 유리 재질의 보호판이 배치되는 구조를 가진 종래의 복잡한 시스템과는 달리, 가벼운 구조의 집열 패널(30)을 구비할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예에서는, 상기 열매체관(31)이 상기 흡열 부재(32)의 산 중심축인 제3 중심축(C3)의 바로 아래에 배치되어 있으나, 상기 흡열 부재(32)의 다른 위치에 배치될 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에서는, 상기 흡열 부재(32)의 상면(321)의 곡률반경(R)이 포물곡선함수 y²=4(1/((n-1)/R)x 와 같은 함수로 결정되고 있으나, 다른 형태의 곡선함수에 의하여 결정될 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에서는, 상기 단위 렌즈 모듈(10)과 상기 흡열 부재(32)의 단위 주름 구조가 동일한 폭(L)을 가진 상태로 일대일로 대응되어 있으나, 복수 개의 단위 렌즈 모듈(10)이 상기 흡열 부재(32)의 단위 주름 구조 1개에 대응될 수도 있음은 물론이다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100: 태양열 집열기
10: 집광 렌즈
11b: 굴절부
11a: 본체부
12a: 제1 굴절면
12b: 제2 굴절면
12: 중앙부
13b: 내측 굴절면
13a: 외측 굴절면
13: 좌측부
14b: 내측 굴절면
14a: 외측 굴절면
14: 우측부
15: 상면
16: 하면
20: 렌즈 시트
21: 결합 돌기
22: 결합 홈
30: 집열 패널
31: 열매체관
32: 흡열 부재
33: 제1 단열재
34: 제2 단열재
35: 하부 케이스
36: 상부 케이스
37: 씰링 부재
40: 지지대
120: 렌즈 시트
311: 중공
361: 중공
C: 집광 렌즈의 중심축
C1: 제1 중심축
C2: 제2 중심축
C3: 제3 중심축
FR: 초점 영역
L: 단위 렌즈 모듈의 폭
P: 곡률중심
R: 곡률반경

Claims

태양열을 흡수하여 집열할 수 있는 태양열 집열기로서,
빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부재로서, 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있으며, 상면으로부터 조사되는 빛은 하방으로 투과되어 상기 중심축을 따라 길게 형성되어 있는 초점 영역에 집광되는 집광 렌즈;
상기 집광 렌즈의 하방에 배치되며, 상기 초점 영역에 집광된 태양열을 흡수할 수 있도록 마련된 흡열 부재;
적어도 하나 이상 마련되어 상기 흡열 부재의 일면에 결합되며, 내부에 수용된 열매체가 유동할 수 있는 열매체관;을 포함하며,
상기 흡열 부재는, 태양의 위치가 변하더라도 상기 초점 영역이 상면에 명확하게 형성될 수 있도록, 상면이 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 1항에 있어서,
상기 흡열 부재는,
미리 정한 두께를 가지는 판형 부재로서, 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 골 중심축을 따라 골이 형성되고 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 산 중심축을 따라 산이 형성되어 있는 단위 주름 구조가 적어도 하나 이상 나열되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 2항에 있어서,
상기 집광 렌즈는, 복수 개의 단위 렌즈 모듈이 서로 평행하게 나열되어 있는 구조를 가지며,
상기 단위 렌즈 모듈의 중심축은 상기 흡열 부재의 골 중심축의 상방에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 1항에 있어서,
상기 열매체관은 상기 흡열 부재의 하면에 접촉된 상태로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 2항에 있어서,
상기 열매체관은, 상기 집광 렌즈의 중심축과 평행한 제1 중심축을 따라 연장되어 있으며, 상기 제1 중심축은 상기 흡열 부재의 산 중심축과 대응되는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 1항에 있어서,
상기 집광 렌즈는,
빛이 투과할 수 있는 재질의 판형 부분으로서, 상기 중심축을 따라 미리 정한 길이만큼 길게 연장되어 있는 본체부;
빛이 투과할 수 있는 재질의 부분으로서, 상기 본체부의 하면에 마련되며, 상기 본체부를 관통한 빛을 굴절시키는 굴절부;를 포함하며,
상기 굴절부는, 중앙부와, 상기 중앙부의 좌측에 배치되어 있는 좌측부와, 상기 중앙부의 우측에 배치되어 있는 우측부를 포함하며,
상기 좌측부와 우측부는, 복수 열의 톱니 형태 단면이 상기 중심축을 따라 길게 연장됨으로써 형성되는 복수 개의 굴절면들을 포함하며,
상기 좌측부와 우측부는 상기 중앙부를 중심으로 서로 좌우 대칭적인 형상과 배치를 가지며,
상기 본체부의 상면으로부터 조사되는 빛은 상기 본체부와 굴절부를 통과하면서, 미리 정한 폭을 가진 상기 초점 영역에 집광되며,
상기 초점 영역은 상기 중심축을 따라 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 6항에 있어서,
상기 집광 렌즈는,
상기 중앙부와 좌측부와 우측부는 단위 렌즈 모듈을 형성하며, 상기 단위 렌즈 모듈은 복수 개 마련되어 서로 평행하게 배치되어 있으며,
상기 복수 개의 단위 렌즈 모듈은 일체로 형성되어 미리 정한 면적을 가지며, 유연하게 휘어질 수 있는 시트 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 6항에 있어서,
상기 집광 렌즈는, 상기 본체부가 전체 영역에 걸쳐서 미리 정한 값의 두께를 가지며, 상기 본체부의 상면은 빛이 입사되는 입사면으로서 평면 형상인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 6항에 있어서,
상기 집광 렌즈는,
상기 중심축과 교차하는 방향으로 돌출되어 있는 결합 돌기가 일측 단부에 형성되어 있으며,
상기 중심축과 교차하는 방향으로 함몰되어 있으며, 상기 결합 돌기와 탈착 가능하게 결합할 수 있는 결합 홈이 타측 단부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기
제 1항에 있어서,
상기 집광 렌즈는,
폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리메타크릴산메틸을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기