KR20220018603A - 고효율 저비용 고정적 평판형 태양 에너지 집광기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타겟 또는 에너지 변환 유닛(3)에 빛을 집광시키는, 헬리오스타트식 제2 집열기(2) 쪽으로 빛을 미리 포커싱하는 적어도 하나의 반사형 또는 일부 반사형 제1 집열기(1)를 포함하고, 상기 제1 집열기(1)는 평판하고 고정적인 것을 특징으로 하는, 태양 에너지 집광기에 관한 것이다.

Description

고효율 저비용 고정적 평판형 태양 에너지 집광기

본 발명은 고효율 및 저비용 센서의 혁신적인 방법으로부터 태양광 집열 및 집광의 분야에 관한 것이다.　본 발명에 따른 장치는 특히 무겁고, 비효율적이고, 부피가 크고 고가인 기존의 헬리오스타트(heliostat)적인 방법을 생략할 수 있게 한다.

태양 에너지는 의심할 여지 없이 전 세계 에너지 수요와 기후 문제와 가장 관련된 NRE(신재생 에너지; New Renewable Energy)의 원천이다.　본 발명은 태양광 포집 및 집광의 분야에 관한 것이고, 입사 태양 에너지의 90% 이상, 거의 900　w/m2, 즉　기존의 PV(태양광 발전; Photovoltaic) 기술보다　10　배 이상　을 회수할 수　있다.　　

PV 또는 CSP(Concentrating Solar Power Plant; 집광형 태양광 발전기)와 같은 현재 NRE 해결책은 겨우 6~20% 정도의 굉장히 낮은 "실제" 효율, 높은 가격, 전문가가 요구되는 복잡하고 비용이 많이 드는 수단들을 사용하는 구현, 제조 중 발생되는 오염, 제한된 토지 자원을 풍부하게 사용해야 할 필요성, 구성요소 재활용의 불가능성, 단일 생산(전기만) 및 특히 사막 환경에서, 물을 소비하는 비용이 상당한 유지 보수의 필요성으로 인해 현재와 미래 에너지 수요를 적절하게 충족시키지 못한다.

또한, 이러한 방법은 주로 고가의 오염된 배터리를 기반으로 하는 저장 수단을 필요로 하고, 배터리의 용량은 특히 제한적이다. 또한, 기존의 방법은 원형의 디시-스털링(Dish-Stirling)형으로서, 집열기 면적을 최적화할 수 없고, 점유 면적을 증가시키는 무거운 파라볼라형(Parabolic) 방식을 제외하고는 고효율에 필수적인 고집열율을 얻을 수 없다.

또한, 기존의 장치는 작동 또는 생산성 향상을 위해, 그림자 효과로 인해 최대 70%의 토지 손실을 유발하는 유해한 그림자 영역을 생성하면서 동시에 넓은 표면적을 필요로 하고, 기상 조건에 특히 민감한, 굉장히 무겁고, 부피가 크고, 고가의 헬리오스타트형 어셈블리를 요구한다.

프레넬(Fresnel) 거울이 있는 다양한 유형의 태양광 발전소는 주거울이라 불리는 거울들의 스트립으로 구성된 거울 세트에 대한 지지대를 포함하고, 주거울들 각각은 지지대에 대하여 주축이라 불리는 각 회전 축을 중심으로 피벗(pivot)하고, 하나 이상의 집광기 구성 요소들의 동일하거나 다른 성질의 방향으로 집광시키기 위해 태양 광선을 모으고자 한다.

이러한 문제는 집광기의 방향에 있고, 집광기의 무게와 집광기가 악천후와 종종 변화하는 기후 조건에 영향을 받는 점을 고려하면, 매우 견고한 메커니즘이 필요하다. 비용 절감을 위해, 프레넬 집광기의 원리는 포물면거울 보다 저렴한 "컴팩트 선형 반사기"라고 불리는 평면(평평한) 거울을 사용하는 첨단 기술에서도 사용된다. 이러한 거울들 각각은 지속적으로 방향을 바꾸고 태양광선을 흡수관 쪽으로 집광시키기 위해 태양의 경로를 따라 회전할 수 있다.

또한, 기존의 장치는 유리 덩어리의 후면에 반사되는 부분이 있는 이동식 거울을 사용하는데, 이동식 거울의 두께는 광학 성능을 상당히 떨어뜨리고 어셈블리의 강도와 내구성을 보장하기 위해 큰 유리 덩어리를 많이 포함한다.

포물면 거울을 사용하는 다른 방법들은 디시 스털링 방법과 같이, 최고의 성능을 가질 수 있도록 하지만, 어셈블리의 복잡성, 비용, 설치 공간 및 기상 조건에 대한 고민감성을 손실시킨다.

선행기술

특허 출원 US20110088694A1은 최신 기술로 알려져 있고, 압력 판독값의 시각화를 최적화하기 위해 광 강화 아크릴 블록 유동관을 포함하는 개선된 유체 유동 측정 장치를 설명한다. LED 또는 기타 광원이 유동관의 상단에 장착되고 위에서부터 부표 또는 보빈(bobbin)을 비추어 특히 현대 수술실과 같은 저조도 조건에서 보다 정확한 판독값을 제공한다. 또한, 광 강화 유동관은 최신 전자 시스템에 장애가 발생한 경우 기계적 백업을 제공하고 그래픽 플로우 디스플레이와 시각적으로 일치하여 동시에 전자 시스템의 더블 체크를 제공한다.

선행기술의 단점

선행기술의 과제해결원리의 단점은 사용된 광학 거울이 매우 무거운 요소를 구성하고, 전체 포획 표면을 나타내는 거울들에 대해 헬리오스타트식 추적을 필요로 하며, 이는 매우 깨지기 쉽고 특히 고가이고 무시할 수 없는 양의 에너지, 약 10%에서 15%를 잃는다. 왜냐하면, 광선은 많은 양의 유리를 통과해야하므로 유해한 광학적 이상 현상을 유발하기 때문이다. 출원 US20110088694A1은 환형 외피 위에 분포된 면을 경사지게 하는 것의 중요성을 강조하며, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 평판형 주집열기 과제해결원리를 유지하기 위해 이러한 특성을 결코 무시하지 않을 것이다.

따라서 공지된 과제해결원리들은 중요하고 고가의 시설 및 설치 물류를 필요로 하는 견고하고 고가의 기반 시설을 필요로 하고, 헬리오스타트식 움직임 또한 특히 다수의 컴퓨터 및 지속적인 유지 관리가 필요한 제어/회전 수단을 사용하는 굉장히 고가이고 강력한 자동화 시스템을 필요로 한다.

악천후에 대한 노출은 이러한 집광기의 수명을 제한하고, 집광기의 교체 또는 유지 관리 비용은 매우 고가이고 특히, 사막 환경에서 허용될 수 없는, 정기적으로 많은 양의 물로 청소하는 것을 요구한다.

게다가, 종래기술의 물질로 만들어진 포커싱 장치는 렌즈 또는 광학 시스템에 의한 광선의 굴절 각도가 파장에 따라 달라진다는 사실 때문에 바람직하지 않은 무채색 효과를 발생시키고, 이는 교정 광학 장치를 추가해야만 교정할 수 있는 이미지의 확대로 이어진다. 결과적으로 이러한 집광기는 상대적으로 복잡하고 본 발명에 의해 제안된 평면 거울 및 고정 거울을 사용하는 집광기보다 낮은 태양 복사 투과 효율을 허용한다는 것이다. 또한, 광학 장치의 원료를 통과할 때 무시할 수 없는 부분의 복사가 손실되는 것으로 확인된다.

선행기술의 단점을 해결하기 위해, 본 발명은 가장 일반적인 의미에서 태양 에너지 집광기와 관련하여 적어도 평판하고 고정적인, "센서"라 불리는 반사형 제1 집열기, 태양의 천정 또는 높은 위치에 수직으로 이상적으로 설치되며, 예를 들어, 프레넬형의 적절한 광학 장치를 통해, 빛을 집광시키고 이를 캡처 또는 에너지 변환 장치로 반환시키는, 매우 작은 크기의 "집광기"라 불리는, 빛을 미리 초점을 맞추는 헬리오스테틱 제2 집열기를 포함한다.

상기 집광기는 필요한 광학적 교정 또는 적응을 보장하기 위해 반사면이 변형될 수 있는 것을 특징으로 한다. 집광기는 하나 이상의 차원으로 이동할 수 있는 프레임에 배치되어 예를 들어 센서의 중앙에 위치한 구조에 통합된 임의의 타겟에 집광된 태양 에너지 플럭스의 헬리오스테틱 추적 및 복귀를 허용한다.

따라서 이렇게 형성된 광학 어셈블리는 지구 표면의 900W/m2 이상의 태양 에너지와 지구의 대기 외부에서 포획하고 집광하는 것을 가능하게 한다. 광학 어셈블리는 예를 들어, 자체 접착 필름 릴의 간단한 언와인딩 또는 자체 지지 구조의 어셈블리로 인해, 빠르게 설치될 수 있고 생산 비용이 매우 저렴한다.

본 발명은 2단 태양 에너지 집광기에 관한 것이다. 제1 단은 빛을 제2 집열기 쪽으로 미리 초점을 맞추는 제1 집열기로 구성된다.

제2단은 에너지 변환 장치 방향으로 빛을 집광시키는 제2 집열기로 구성된다.

본질적인 특징은 제1 집열기가 평판형이고 고정적이고, 특히 유연하거나 단단한 음각 또는 양각 필름 중 하나로 구성된다는 사실과 관련이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 후술되는 본 발명의 비제한적인 실시예의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 설비의 전체도를 도시한다.

본 발명의 비제한적인 예시에 대한 상세한 설명

후술하는 설명은 다음의 하나 이상의 특징들이 단독 또는 기술적으로 가능한 조합으로 취해질 수 있다고 명시한다.

구조에 대한 개략적인 설명

도 1은 본 발명의 비제한적인 예에 따른 태양열 집광기의 일반적인 구조를 매우 개략적으로 도시한다.

일반적인 태양열 집광기는 지지대(7)에 배치된 평판형 주 센서(1)로 구성된다. 이러한 평판형 센서는 광선을 집광시키고 제2 집광기(2)로 되돌려 보내고, 이는 순차적으로 태양 에너지를 예를 들어, 열 흡수기를 포함하는 타겟 또는 집열 요소(3)로 되돌린다. 이러한 제2 집광기(2)는 프레임(4)에 의해 지지되어 연중 시간과 요일을 기준으로 방향을 유지한다.

센서에 대한 설명

센서는 평판하고 고정적이 되고 반사율이 98%보다 클 수 있다는 주요 특성과 함께 포획 표면의 100%를 구성하고 있다. 센서는 태양 플럭스를 집열하고 미리 초점을 맞춘다.

본 발명의 주요 이점 중 하나는 포획 표면이 원형이 아니라 정사각형 또는 직사각형이기 때문에, 표면이 완벽하게 최적화될 수 있다는 것이다.

예를 들어, 이것은 일반적으로 약자 ETFE로 더 잘 알려진 폴리(에틸렌-코-테트라플루오로에틸렌)와 같은 유연한 필름(1)의 이상적인 형태로 형성될 수 있다. 이것은 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 교번 공합체 또는 기타 적합한 기질인 열가소성 플루오로수지이다.

ETFE는 유리(d=2.5)보다 가볍고 비용은 유리보다 최대 70% 저렴한다. ETFE는 무게의 400배를 지탱할 수 있고 내마모성이 뛰어나고, 다양한 온도 범위(-80~155°C)에서 사용할 수 있다. ETFE는 복합 재료가 아니기 때문에 재사용 및 사출(injection)이 가능한다. 또한, 이 소재는 40년을 초과할 수 있는 긴 수명을 가지고 있다.

예를 들어, ETFE로 만들어진, 유연하거나 단단한 필름(1)은, 프레넬(Fresnel) 유형의 구조를 형성하기 위해 프리즘 표면(prismatic surface) 구조를 가지고 있다. 필름(1)의 두께는 일반적으로 200에서 400 마이크로미터 사이이지만 필요에 따라 모든 유형의 두께를 가질 수 있고, 후자는 지지대에 고정하는 데 기여하기 위해 하부에 자체 점착층(self-adhesive layer)으로 덮일 수 있다.

센서는 특히 자체 지지가 가능한 견고한 구조로 쉽게 구성될 수 있어 그에 따라 루프를 형성할 수 있고, 어셈블리는 이상적으로는 재활용 및 재활용 가능한 재료로 만들 수 있다.

미세 구조의 형상은 이상적으로 바람직하게는 수용 각도를 증가시키는 것을 가능하게 하는 상이한 각도의 여러 경사를 갖는 광학 장치를 형성하는 깨진 프리즈매틱 능선을 가질 수 있으며, 수용 각도는 기본적으로 약 60°이고 본 발명에 의해 두 배가 될 수 있다. 수용 각도는 태양 이동 중 태양 플럭스의 포획을 위한 유용한 각도이다.

이러한 미세 구조는 나노임프린트, 고온 또는 냉각 몰딩, 엠보싱 예를 들어, 기타 많은 기술로, 마스터 자체가 반도체의 생산(ICP 에칭 및 전자 리소그래피)과 같은 산업에서 사용되는 수단으로 제작 가능 하거나 프린팅에 사용되는 오프셋 방법과 같은, 어떠한 적당한 수단으로, 특히, 필름에 양각으로 프린팅 된 네거티브 구조가 새겨진 드럼과 같은, 대량 제조 수단을 통해 생성된다.

센서(1)의 마이크로 구조는 예를 들어 LightTools(상표 이름)와 같은 소프트웨어를 사용하여 구성된다.

필름(1)은 입사 태양 플럭스를 집광시키는 미세 구조의 기저에 프리즘 패턴을 형성하는 틀로부터 엠보싱 또는 몰딩되거나, 에칭 또는 절제와 같은 다른 적절한 방법에 의해 생성될 수 있다.

어떤 경우에는 초점은 특정 광학 현상을 보정하기 위해, 태양에 대해 높은 방향 각도(매우 기울어지거나 부적절한 방향의 루프/지지대)를 교정하기 위해, 수용 각도(집광도를 최대한 활용하는 것을 가능하게 하는 유용한 각도)를 증가시키기 위해, 특정 왜곡을 제한하거나 심지어 태양의 이동 및 그에 따른 초점(입사각이 높을수록, 초점의 기하학적 변형이 더 커지므로, 천정점의 양쪽에 있는 초점을 이동시킴으로써 이러한 현상을 보정하고자 예상하는 것이 가능함) 유리하게 특정 각도로 이동될 수 있다.

수용 각도를 증가시키고 상관적으로 생산성을 증가시키는 것을 가능하게 하는 다른 과제해결원리는 예를 들어 180°와 90° 각도 사이 입사하고 90°와 0° 사이의 각도 값을 가진 하나 이상의 다른 레벨에서 태양 에너지를 집광시키고 포획하는 하나 이상의 레벨들을 포함하는, 다수 개의 레벨들을 포함하는 프리즘 구조 또는 다른 방법들로 구성된다.

다른 유리한 대안은 예를 들어 홀로그래픽, 마이크로비드 또는 기타 유형으로, 자체적으로 교정하거나 자체적으로 집광하는 방법으로 구성될 수 있다.

프레넬 유형의 필름 표면은 이상적으로,

후술하는 층들에 우수한 접착력뿐만 아니라 부식 또는 산화에 대한 우수한 화학적 절연성을 갖는 점착층

- 예를 들어, IR/가시광선 스펙트럼을 이상적으로 커버하게 하는 금속화에 의한, 하나 이상의 반사층 또는 유전체 코팅

- 3차원 프레넬형 반사 광학 미세 구조의 틈새를 채울 수 있어 먼지 및 기타 오염 물질과 같은 광학 오염 물질로 채워지는 것을 방지하는, 광학적으로 투명한 물질의 층로으로 코팅된다. 광학적으로 투명한 물질의 층은 또한, 이러한 속성으로 인해, 색지움과 같은 특정 바람직하지 않은 현상을 보정할 수 있다.

적용된 다른 층들은 다양한 방식 또는 이러한 부작용을 보완하기 위해 조정된 하나 이상의 인터페이스(층, 구조, 부조, 기하학적 구조 등)을 추가하여 보정될 수 있는, 광학 수차, 굴절, 부분 반사 및 일반적인 성능에 해로운 기타 현상을 생성한다.

보호층은 예를 들어 단순한 바니시(varnish) 또는 임의 적절한 코팅일 수 있으나, 이는 바람직하게는 단단하고 화학적으로 절연성인, 예를 들어 SiO2 또는 세라믹 증착에 의해 생성된, 외부 공기에 노출되는 외부 구조는 옴니포빅(omniphobic) 또는 슈퍼 옴니포빅 유형 (소수성, 소유성 등)으로, 이러한 특성은 예를 들어 물, 눈, 서리, 먼지, 배설물, 비 뉴턴 유체 및 및 다양한 오염 물질 같은, 광학 성능에 해로운 요소의 접착을 회피하는 적절한 기하학적 구조 또는 미세 요철 구조를 통해 획득됨으로써, 센서의 청소 또는 유지 관리를 줄이고 화학적 공격(예: 대기 오염 물질), 기계적 공격(예: 우박) 또는 침식(예: 모래 폭풍)으로부터 센서를 보호한다.

상기 옴니포빅 보호층은 예를 들어 MOF(금속-유기 골격체; Metal-Organic Frameworks) 유형일 수 있거나 탄화수소 결합을 사용하여 다차원 구조의 금속 이온을 연결하는 다공성 유기금속 구조로 구성될 수 있다.

필름과 필름의 다양한 구성층을 제조하는 모든 방법은 이상적으로 초진공 상태에서 릴 및 폭 유형의 연속적인 언와인딩이 있는 기계에서 수행될 수 있으므로, 높은 산업 생산성과 매우 낮은 생산 비용을 가능하게 한다. 그러한 경우에, 상기 기계는 이상적으로 이온 충격에 의해 표면을 세척하는 공정을 갖추고 있고, 이를 통해 다양한 층의 제조 품질 또는 이러한 목적에 적합한 방법을 저해하는 오염 물질을 배출할 수 있게 한다.

필름(1)은 접착제 또는 다른 방법에 의해 바람직하게는 평판하고 경미하게 기울어져 있는 단단한 지지대(7)에 고정된다. 그것은 평평하고 압축된 모래 또는 시멘트의 슬래브(slab) 또는 온실 또는 필름(1)을 인장하는 시스템과 같은 어셈블리의 금속 시트 또는 유리 지붕 또는 본 발명에 의해 이롭게 대체될 수 있는 낮은 효율의 태양광 발전 구조로 구성될 수 있다.

이러한 지지대(7)는 빗물과 먼지와 같은 기타 오염 물질의 배출을 허용하도록 적어도 몇 도의 경미한 기울기를 갖는 것이 이상적이다.

집광기에 대한 설명

집광기는 태양의 이동에 따라 초점이 이동하는 센서로부터 기 집광된 태양 플럭스를 수신한다. 이는 헬리오스타트(heliostat)로서 역할을 수행하고 특정한 광학적 집광 결함을 교정한 후 기 집광된 태양 플럭스를 타겟으로 반환한다. 필요한 광학 교정은 고품질의 초점을 얻는 데 해로운 광학 변형을 생성하는 센서 구조의 기하학적 구조뿐만 아니라, 센서의 지지대에 불규칙성으로 발생하는 결함으로부터에서 비롯된다. 또한 교정은 예를 들어 센서가 정사각형 모양이고 수신기가 다른 모양, 예를 들어, 원형인 경우에도 필요할 수 있다.

다른 변형에 따르면, 본 발명에 따른 집광 장치는 임의의 조합으로 이루어진, 다음의 하나 이상의 특징을 갖는다: - 집광 장치는 동적 보정을 보장하기 위해 하나 이상의 액추에이터 또는 등가 장치의 효과 하에 변형 가능하다.

- 이는 제2 광학계의 전체 표면에서 하나 이상의 축에 의해 작동하는 모터와 같은, 임의의 액츄에이터 장치로 구성된 2차 보정 수단을 포함할 수 있다.

- 집광 장치의 변형은 특히 필요한 출력을 조정하기 위해 확대 또는 축소하여 타겟의 초점을 최적화하는 것을 가능하게 한다.

- 집광 장치는 헬리오스타트식 추적을 허용하는 프레임에 배치된다.

- 상기 프레임은 하나 이상의 축을 따라 연결되는 후프 유형의 이동식 지지대와 바람과 같은 특정한 요인들로 인한 변동뿐만 아니라 연간 및 일일 진폭을 보정하는 상기 제2 광학계를 지지하는 이동식 캐리지 유형일 수 있는 변환 장치를 가지고 있다.

- 상기 프레임은 하나 이상의 액츄에이터에 의해 제어되는 암(arm)을 가지며, 그 움직임은 적절한 제어 장치에 의해 제어된다.

- 프레임은 예를 들어 캐리지의 위치뿐만 아니라 선택적으로 온도 또는 초점 이미지 제어, 심지어 안전 은폐 장치와 같은 다른 기능을 재계산하기 위해 해당 초점 이미지를 분석하는 수단을 포함하는 컴퓨터에 의해 제어되는 하나 이상의 액추에이터를 포함하는 점에서, 이상적으로는 집열 요소, 흡수체 또는 타겟에 형성된 태양의 이미지를 획득하는 데 적합한 카메라 또는 임의의 센서를 포함할 수 있다.

- 마찬가지로, 상기 액츄에이터는 적절한 기계 장치에 의해 제어될 수 있다.

- 상기 집광기는 광 에너지를 타겟 또는 원격 열 변환기로 전송하는 특수 태양광 광섬유 또는 섬유 다발에 과집광된 광속을 주입할 수 있다.

집광 장치(2)는 여러 개의 개별 거울(일련의 여러 집광 장치)로 구성될 수 있으므로 타겟 또는 집광 장치의 세트에 도달하기 위한 복잡한 움직임을 생성할 수 있다.

헬리오스타트 장치는 마이크로 모터, 포지셔너, 잭, 감속기, 기계 장치 및 모든 자동화 또는 자동화되지 않은 장치와 같은 적절한 장치에 의해 구동되는, 센서의 바로 근처 또는 멀리 떨어진 하나 이상의 지지대로 구성될 수 있다. 최적의 버전에서, 헬리오스타트 장치는 하나 이상의 축에서 장치를 통해 이동되고 적합한 지지대에 고정된 보조 광학 장치를 지지하는 단일 암으로 구성될 수 있고, 위치, 안전, 정지 또는 오프셋 센서를 수신할 수 있고 극한의 기상 조건, 설치 또는 유지 관리 시 안전한 위치에 배치되어야 한다.

이러한 암 또는 모든 지지대는 선택적으로 적응 광학계(adaptive optics)의 제어 케이블 및 기타 케이블 또는 구성요소 또는 장치, 또는 광학적 표면 또는 세척액을 냉각하고 보호하기 위한 냉각수 또는 공기 흐름과 같은 유체를 포함하고 보호할 수 있다.

암 또는 집광기 어셈블리는 유리하게는 조정 또는 추가적인 자동화 또는 자동화되지 않은 축을 가질 수 있어 계절적 변화를 따르고 지리적 위치에 따라 교정할 수 있다. 이 장치는 특히 위성, 우주 정거장 또는 우주선을 장착하는 데 적합하다.

이러한 암의 끝에는 집광기의 적응 광학적 어셈블리가 있고, 어셈블리의 거울은, 예를 들어, 센서에서 오는 강한 태양광 플럭스를 견딜 수 있고 먼지, 오염 물질, 기상 요소 등과 같은 외부 공격으로부터 다양한 방식으로 보호되는 유전체 또는 다중 유전체 유형의, 희망하는 파장에 대해 매우 높은 반사 표면으로 구성되어 있다.

적응 광학계의 장점은 필요에 따라 최종 초점을 수정하고 결함이나 수차를 교정할 수 있는 것이다. 원형 센서의 경우, 법선(적도의 천정에 있는 태양)에 수직일 때 기본 초점 또한 원형이 된다. 태양이 스침 입사(grazing incidence)(법선에 접함)에 있을 때, 광학 수차는 초점이 다소 길쭉한 타원체가 되도록 변형을 유발한다. 이러한 변형은 최종 초점의 품질을 떨어뜨리고 집광된 에너지를 수신하는 수신기 또는 타겟을 손상시킬 수도 있다.

따라서 적응형 광학계는 이러한 수차를 차지하고 변형 가능한 거울로, 예측할 수 있든 없든, 진화하는 변형을 수정하여 수차를 교정한다. 거울은 두께가 매우 얇고, 반사 기판을 수용할 수 있고 다소 심각한 변형을 겪을 수 있는 적절한 재료(또는 재료의 세트)로 설계되었다. 열전도율이 높은 얇은 재료를 사용하는 것은 변형 가능한 거울의 열화 또는 파괴할 수 있는 온도로의 상승을 허용하고 지지대를 쉽게 방전시킬 수 있으며, 후자는 열 방출 및 온도 유지 또는 안정화 장치를 받을 수 있게 한다.

집광기(2)는 변형 가능한 거울 또는 화관 또는 단단한 원형 부분이 있는 거울의 어셈블리로 구성될 수 있고, 집광기의 경사는 초점을 수정할 수 있다. 변형 가능한 거울은 원형, 정사각형 또는 기타 다양한 모양을 취할 수 있으며, 한 조각이거나 여러 요소로 구성될 수 있고, 상대적으로 부드럽거나 유연하여 큰 각도로 가역적인 변형을 겪을 수 있으므로 고품질의 초점을 얻을 수 있다.

변형 가능한 거울은 원하는 결과를 얻기 위해 거울의 구조에 작용하는 액추에이터라고 불리는 적절한 장치에 의해 작동된다. 엑추에이터는 압전 세라믹, 마이크로모터, 전자석, 잭뿐만 아니라, 거울에 일시적으로 또는 연속적으로 작용할 수 있게 하는 모든 기계 장치 및 최종 목표를 달성하기 위한 다양한 기술과 방법으로 생산될 수 있다.

변형 가능한 거울의 어셈블리는 온도 상승, 반사율 수준, 치수 제어, 액추에이터 위치, 테스트, 기하학적 변형, 기하학적 구조의 교정, 제어 및 초점 교정과 같은, 다양한 파라미터를 확인할 수 있는 센서 및 제어 요소가 장착될 수 있다.

변형 가능한 거울 및 헬리오스타트 장치 어셈블리뿐만 아니라 모든 부속품도 PV 또는 기타 유형의 방법을 통해 독립적으로 전원을 공급받거나 원격 제어 및 조종실에서 전원을 공급받을 수 있다.

변형 가능한 거울 어셈블리 및 부속품은 모든 형태일 수 있는 돔 또는 다른 유형의 장치, 어셈블리에 적합하거나 꽃 형상과 같은 임의의 모양일 수 있는 기하학적 형태의 장치에서 보호된다. 이러한 보호 장치는 변형 가능한 거울, 엑추에이터, 제어 또는 명령 전자 장치뿐만 아니라, 정전 셔터와 같은 하나 이상의 보호 장치 또는 거울을 보호하고 냉각시킬 수 있도록 공기 흐름을 생성하는 장치를 포함한다.

돔 또는 보호 장치는 또한 센서의 파라미터, 특히 기하학적 구조, 일반적인 표면 상태, 반사율, 주 초점의 품질 또는 외부 요소(눈, 배설물, 오염 물질, 물체, 동물, 사람 등)의 존재 여부를 확인하기 위한 특정한 제어 및 명령 요소를 수용할 수 있다.

돔 또는 보호 장치는 필요에 따라, 선택적으로 예를 들어, 특별한 상황(눈, 우박, 모래 폭풍, 작업, 테스트, 유지 보수 등) 시 어셈블리를 보호하거나 특정 각도 또는 방향으로 타겟을 맞추기 위해 하나 이상의 축에 지향될 수 있다. 돔 또는 보호 장치는 또한 고정되거나 이동할 수 있고, 매우 특정한 요구에 따라 변형될 수 있거나 그렇지 않을 수 있는, 다른 거울을 지지할 수 있다.

돔 또는 보호 장치는 또한 예를 들어, 타겟의 파라미터, 기상 제어 수단을 제어하거나 어셈블리의 보호를 필요로 하는 예외적인 상황 또는 구름이 많은 채널을 예측하기 위해 하늘을 스캔하도록 의도된 센서의 세트를 통합할 수 있다.

돔 또는 보호 장치는 어셈블리의 오작동 시 안전 장치 역할을 하고 센서에서 나오는 태양광 플럭스의 전체 또는 일부를 차단하는 것을 가능하게 하는 셔터 또는 은폐 메커니즘을 포함할 수 있다.

전력이 초과되는 경우, 집광기의 변형 가능한 거울은 태양 플럭스의 초점을 흐리게 하여 과열을 방지하거나 심지어 일시적으로 플럭스의 전체 또는 일부를 타겟의 외부 표면으로 보낼 수 있다.

집광 장치는 센서의 초점에 위치하거나 경미하게 초점의 바깥쪽에 위치하므로, 파괴적일 수 있는 광학 흐름을 제한하거나 기하학적 교정을 용이하게 할 수 있다.

집광 장치는 완벽하게 평판하지 않은 표면에 설치될 수 있는 센서로부터 비롯된 결함이 교정되게 하는 방법으로부터 이점을 얻는다.

집광 장치(2)는 유리하게는 태양광 생산 시 간섭 또는 중단을 피하기 위해, 주 거울 열화 시, 수동 또는 자동으로 교환될 수 있는 예비 거울 어셈블리가 장착될 수 있다.

거울의 성능 저하를 방지하거나 제한하기 위해, 예를 들어, 원뿔 형태의 주변 보호 장치가 구상될 수 있다. 상기 보호는 또한 플럭스에 존재할 수 있는 새나 곤충가 연소되는 것을 방지하기 위해서도 사용된다.

강한 바람이나 강한 돌풍이 부는 동안, 집광기 어셈블리의 지지대는 움직이거나 진동하여 초점의 품질을 잃을 수 있다. 그러나 본 발명은 집광 거울의 매우 짧은 응답 시간 및 큰 진폭의 변형으로 인한 큰 변화에 대해 실시간으로 보정하거나 원하는 교정을 적용함으로써 심지어 임의의 움직임을 예상하는 것도 가능하게 한다.

게다가, 본 발명에 따른 장치는 사용된 넓은 태양 스펙트럼에 의해 유발된 색수차로 인한 보정을 허용하는 방법을 가질 수 있으며, 이러한 방법은 예를 들어, 수차를 보정하기 위해 광학 이중선 또는 굴절률이 다른 요소를 사용하는 것과 같이, 구현된 파장 범위에 대해 색지움 또는 아포크로마틱 세트를 형성하는 교정적 광학층 또는 구성요소로 이루어진다. 집광기는 이상적으로는 센서와 유사한 모양을 가질 수 있으므로, "활성" 표면을 최적화하고 센서와의 광학적 상관 관계를 높일 수 있다.

Claims (11)

1. 타겟 또는 에너지 변환 유닛(3)에 빛을 집광시키는, 헬리오스타트식 제2 집열기(2) 쪽으로 빛을 미리 포커싱하는 적어도 하나의 반사형 또는 일부 반사형 제1 집열기(1)를 포함하고, 상기 제1 집열기(1)는 평판하고 고정적인 것을 특징으로 하는, 태양 에너지 집광기.
   
2. 제1 반사기는, 지지 구조물로서 역할을 수행할 수 있는 유연하거나 단단한 강성 필름으로 구성되고, 지지대(7)에 고정되고 금속화에 의해 반사하는 프레넬 유형의 광학 구조를 형성하기 위해 음각 또는 양각되는, 태양 에너지 집광기.
   
3. 제1 및 제2 반사기의 표면은, 물, 먼지 및 배설물과 같이 광학적 성능에 해로운 입자의 침적을 방지하고, 세척 및 물 소비가 없는, 자체 세척 옴니포빅 코팅으로 구성되는, 태양 에너지 집광기.
   
4. 제1 및 제2반사기는 마모 또는 침식 및 화학적 공격으로부터 보호하는 보호층으로 코팅되고, 이것의 적용으로 프리즈매틱 캐비티(prismatic cavities)를 채울 수 있어 광학적 오염물의 응집을 방지하는, 태양 에너지 집광기.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 집열기(2)는, 헬리오스테틱 추적을 허용하는 하나 이상의 차원을 따라 상기 집광 장치의 변위를 보장하는 프레임(4)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 태양 에너지 집광기.
   
6. 제1항에 있어서, 제2 집광기는 크기가 작고(1) 타겟 또는 전원 또는 디포커싱을 규제하고 안전에 완벽한 포커싱을 가능하게 하고, 제1 광학계 또는 그 지지대에서 발생하는 결함의 보상을 가능하게 하는 동적 광학 보정을 보장하는 센서 및 컴퓨터의 세트에 의해 제어되는 하나 이상의 액추에이터의 영향 하에 변형 가능한 것을 특징으로 하는, 태양 에너지 집광기.
   
7. 제1 반사기는, 태양광 수용 각도 및 에너지 생산 효율성을 증가시킬 수 있는 프리즘형으로 만들어질 수 있는 추가적인 광학적 구조물을 포함하는, 태양 에너지 집광기.
   
8. 제1 반사기는, 특히, 온실에서의 사용을 위해 빛의 일부를 투과하게 하는 일부 반사형일 수 있는, 태양 에너지 집광기.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 집광기(3)는 먼 거리의 타겟 또는 컨버터에 고도로 집광된 빛 에너지를 전달하는 태양광 광학 섬유 또는 광학 섬유 다발을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양 에너지 집광기.
   
10. 바람직하게는 정사각형 또는 직사각형 모양으로 태양 집열 표면을 최적화하고 그림자 현상을 회피하고 생산 및 설치 비용을 제한할 수 있는, 평판하고 고정적인 태양 에너지 집광기.
    
11. 3차원 프레넬형 반사 광학 미세 구조의 틈새를 채울 수 있어 먼지 및 기타 오염물 같은 광학적 오염 물질로 채워지는 것을 방지하는 광학적 투명 물질층을 포함하는 센서를 포함하는, 평판하고 고정적인 태양 에너지 집광기.

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