KR20220067552A - 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치 - Google Patents

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Abstract

태양에너지를 효과적으로 집열할 수 있는 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치가 소개된다. 태양에너지 수집장치는 흡수매체의 이동을 위한 집열관과, 태양에너지를 집열관에 집중시키기는 렌즈와, 태양에너지가 집열관에 포커싱되도록 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 집열관 또는 렌즈를 이동시키는 액츄에이터를 포함할 수 있다.

Description

변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치
본 발명은 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치에 관한 것이다.
태양에너지는 태양으로부터 지구로 방출되는 복사에너지(열과 빛)로 정의될 수 있다. 이 태양에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원이다.
최근에는 태양에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 태양광 시스템이 주목받고 있다. 태양광 시스템은 태양에너지 중 태양광을 주로 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다.
다만, 태양광 시스템은 발전효율이 낮기 때문에, 요구되는 전력량을 충당하기 위해서는 광범위한 영역에 집광판이 설치되어야 한다. 또한, 태양광 시스템은 날씨가 흐려서 태양빛이 약할 때에는 전기를 생산할 수 없다. 이에 종래에는 태양에너지를 렌즈를 통해 집열관으로 집열하는 "집광식 태양열 집열기(등록특허공보: 10-1052120)"가 제안되기도 하였다.
그러나 종래 "집광식 태양열 집열기"의 경우, 태양에너지의 입사 각도의 변경에 의해, 집열관에 대한 태양에너지의 초점이 변경되면, 집열관을 통한 에너지의 흡수 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 태양에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 흡수매체의 이동을 위한 집열관; 태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기는 렌즈; 및 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 상기 집열관 및 상기 렌즈 중 적어도 하나를 이동시키는 액츄에이터;를 포함하는 태양에너지 수집장치가 제공된다.
상기 액츄에이터는 상기 집열관과 상기 렌즈 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 집열관과 상기 렌즈 사이의 거리를 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 액츄에이터는 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 렌즈에 대하여 가까워지거나 멀어지도록 상기 집열관을 이동시킬 수 있다.
상기 렌즈는 평판형 패널 형태로 제공될 수 있다.
태양에너지 수집장치는 태양에너지 시간에 따라 변화하는 태양에너지의 입사 각도 정보가 저장되고, 저장된 상기 입사 각도 정보에 기초하여 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 액츄에이터를 제어하는 컨트롤러;를 더 포함할 수 있다.
태양에너지 수집장치는 상기 입사 각도를 측정하는 감지센서; 및 상기 감지센서에서 측정된 입사 각도 정보를 기초로 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 액츄에이터를 제어하는 컨트롤러;를 더 포함할 수 있다.
태양에너지 수집장치는 상기 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 상기 렌즈가 대향되게 기울어지도록 상기 렌즈의 경사 각도를 조절하는 렌즈 틸팅수단을 더 포함할 수 있다.
태양에너지 수집장치는 상기 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 상기 집열관의 측면부가 대향되게 기울어지도록 상기 집열관의 경사 각도를 조절하는 집열관 틸팅수단을 더 포함할 수 있다
상기 렌즈는 상기 집열관의 내부 중심에 상기 태양에너지를 집중시키도록 구성되고, 상기 집열관의 길이방향을 따라 연장될 수 있다.
태양에너지 수집장치는 상기 태양에너지를 상기 집열관의 내부로 통과시키기 위한 집열 부분을 포함하는 집열 바디부; 및 상기 집열 바디부 중 상기 집열 부분을 제외한 나머지 부분의 적어도 일부를 커버하는 집열 단열부를 포함할 수 있다.
태양에너지 수집장치는 상기 흡수매체 유로를 제공하는 집열 바디부; 상기 집열 바디부를 커버하는 집열 단열부; 및 상기 태양에너지가 통과되도록 상기 집열 바디부에 연결되는 집열 윈도우부를 포함하고, 상기 집열 윈도우부는 상기 집열 바디부의 곡률반경과 동일한 곡률반경을 가지는 원호 형상의 횡단면을 가질 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 흡수매체의 이동을 위한 흡수매체 유로를 갖는 집열관; 태양에너지를 상기 집열관에 집중되도록 곡면 형태로 제공되는 반사경; 및 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 상기 집열관 및 상기 반사경 중 적어도 하나를 이동시키는 액츄에이터;를 포함하는 태양에너지 수집장치가 제공된다.
상기 액츄에이터는 상기 집열관 및 상기 반사경 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 집열관과 상기 반사경 사이의 거리를 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 액츄에이터는 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 반사경에 대하여 가까워지거나 멀어지도록 상기 집열관을 이동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 태양에너지가 집열관에 포커싱되도록 렌즈 또는 집열관을 이동시킴으로써, 집열관을 통한 태양에너지의 효과적인 집광이 가능하다는 이점이 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예들은 태양열 발전에 필요한 열원을 안정적으로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치의 제어 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치에서, 구동암 및 구동 실린더로 구성된 액츄에이터를 예시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예의 변형예에 따른 태양에너지 수집장치에서, 피봇암 및 회전모터로 구성된 액츄에이터를 예시한 사시도이다.
도 5는 태양이 동쪽에 위치되는 아침일 때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 6은 태양이 남쪽에 위치되는 정오일 때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 7은 태양이 서쪽에 위치되는 오후일 때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양에너지 수집장치의 집열관을 도시한 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예의 변형예에 따른 태양에너지 수집장치의 집열관을 도시한 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예의 다른 변형예에 따른 태양에너지 수집장치의 집열관을 도시한 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 사시도이다.
도 12는 태양이 동쪽에 위치되는 아침일 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 13은 태양이 남쪽에 위치되는 정오일 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 14는 태양이 서쪽에 위치되는 오후일 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 도시한 평면도이다.
도 15는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양에너지 수집장치의 제어 구성을 도시한 블록도이다.
도 16은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양에너지 수집장치의 제어 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치는, 중공의 튜브 형태를 가지는 집열관(100), 태양에너지를 집열관(100)에 집중시키기 위한 렌즈(200), 액츄에이터(300) 및 컨트롤러(400)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 집열관(100)은 원형 고리 단면을 갖는 튜브(파이프) 형태일 수 있다. 물론, 이에 한정되지는 아니하며, 집열관(100)은 다양한 형상 단면을 갖는 튜브(파이프)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 집열관(100)은 타원형 고리 단면을 갖거나, 다각형 고리 단면을 가질 수 있다.
집열관(100)은 열전도율이 높은 재질을 포함하거나, 태양에너지를 투과시킬 수 있는 재질을 포함할 수 있다. 일 예로, 집열관(100)은 열전도율이 높은 알루미늄, 구리 또는 이들 금속의 합금을 포함하거나, 태양에너지를 효과적으로 통과시킬 수 있는 유리, 수정 또는 투명한 플라스틱 등을 포함할 수 있다.
도 8에서 보듯이, 집열관(100)의 내부에는 흡수매체가 유동하는 흡수매체 유로(W)가 제공될 수 있다. 흡수매체 유로(W)는 집열관(100)의 내부에서 길이방향(일방향)으로 연장 형성될 수 있다.
흡수매체 유로(W) 내에는 흡수매체가 흡수매체 유로(W)의 길이 방향을 따라 이송될 수 있다. 또한, 흡수매체는 흡수매체 유로(W) 내에서 흐르는 동안 렌즈(200)를 통해 집열관(100)으로 입사된 태양에너지에 의해 가열될 수 있다.
흡수매체는 태양에너지(태양 복사열)를 흡수하여 이송될 수 있는 모든 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡수매체는, 에어, 휘발성 유체(메탄올 아세톤, 수은 등), 물(수증기 포함), 오일, 에틸렌글리콜의 혼합물 등일 수 있다.
흡수매체 유로(W)에서 가열된 흡수매체는 발전기와 같은 열에너지 활용기(미도시)로 이동될 수 있다. 에너지 흡수 매체가 발전기로 이동되면 전기 생산을 위한 발전기의 열원으로 사용될 수 있다.
렌즈(200)는 집열관(100)의 길이방향을 따라 연장 형성되는 평판형 패널 형상을 가질 수 있다. 렌즈(200)는 집열관(100)의 단면의 중심을 지나는 종축선과 평행하게 배치될 수 있다. 렌즈(200)는 효율적인 태양에너지의 수집을 위해 집열관(100)보다 더 큰 폭을 가질 수 있다.
일 예로, 렌즈(200)는 각각의 초점라인이 렌즈(200)의 정중앙과 가장자리 사이를 지나도록 구성되는 복수의 프레넬 렌즈(200)를 포함할 수 있다. 이 복수의 프레넬 렌즈(200)는 연속 배치되어 평판형 패널로 제공될 수 있다. 초점라인은 빛이 굴절되지 않고 렌즈(200)의 초점을 통과하는 경로로 정의될 수 있다. 즉, 초점라인은 렌즈(200)의 초점을 렌즈(200)에 수직인 방향으로 지나는 경로를 의미한다.
프레넬 렌즈(200)는 평판을 형성하도록 배열된다. 본 실시예에서, 렌즈(200)는 복수의 프레넬 렌즈(200)를 포함하는 구성이지만, 이에 한정되지는 아니하며, 렌즈(200)는 길이방향에 대해 수직인 횡단면에서 보았을 때 중심부가 볼록한 형상을 가질 수도 있다.
렌즈(200)는 태양에너지(태양광)를 굴절시켜 집열관(100)의 내부 중심을 향해 포커싱할 수 있다. 집열관(100)에 대한 정확한 포커싱을 위해, 렌즈(200)는 액츄에이터(300)에 의해 이동될 수 있다.
액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100) 및 렌즈(200) 중 적어도 하나를 상대 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 렌즈(200)가 고정된 상태인 경우, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)을 타원 형태 또는 직선 형태로 이동시킬 수 있다. 또한, 집열관(100)이 고정된 상태인 경우, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 렌즈(200)를 타원 형태 또는 직선 형태로 이동시킬 수 있다. 물론, 액츄에이터(300)는 집열관(100) 및 렌즈(200)를 모두 이동시켜, 태양에너지를 집열관(100)에 포커싱할 수도 있을 것이다.
집열관(100) 및 렌즈(200) 중 적어도 하나를 상대 이동시킬 때, 액츄에이터(300)는 집열관(100) 및 렌즈(200)와 나란한 상태를 유지할 수 있다. 다시 말해, 집열관(100) 또는 렌즈(200)가 액츄에이터(300)에 의해 상대적으로 이동될 때, 집열관(100)의 길이방향 일단 및 렌즈(200)의 길이방향 일단 사이의 거리와, 집열관(100)의 길이방향 타단 및 렌즈(200)의 길이방향 타단 사이의 거리를 동일한 상태로 유지될 수 있다.
도 3에서 보듯이, 이러한 액츄에이터(300)는 집열관(100) 또는 렌즈(200)의 양측단부를 지지하는 구동암(310) 및 구동암(310)을 신축시키는 구동 실린더(320)로 구성될 수 있다. 구동 실린더 (320)의 작동에 의해 구동암 (310)이 동일한 변위로 신축되면, 집열관(100)의 양단과 렌즈(200) 사이의 거리는 동일하게 유지될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 변형예에 따른 액추에이터(300)는 집열관(100)의 양단부에 각각 힌지 결합되어 집열관(100)의 양단부를 지지하는 피봇암(330), 및 피봇암(330)을 회전시키는 회전모터(340)를 포함할 수 있다.
도 4에서는 액츄에이터(300)가 집열관(100)의 양측을 지지하며 렌즈(200)의 반대측에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 액츄에이터(300)가 집열관(100)의 양측을 지지하며 집열관(100)과 렌즈(200) 사이에 배치되는 구성으로 할 수도 있다.
회전모터(340)에 의해 피봇암(330)이 회전되면, 집열관(100)의 양단과 렌즈(200) 사이의 거리가 동일하게 유지되면서 집열관(100)이 이동된다. 액츄에이터(300)는 태양 에너지가 집열관(100)에 집속되도록 집열관(100)을 렌즈(200) 쪽으로 또는 멀어지게 이동시킨다.
집열관(100)은 수십 미터에서 수백 미터를 넘는 길이를 가질 수 있다. 그 크기가 일반적인 태양열 패널보다 크게 형성될 수 있기 때문에, 집열관(100)이나 렌즈(200)를 태양을 직접 향하도록 회전시키는 동작을 실행하는 것은 실제적으로 어려움이 있을 수 있다. 다시 말해서, 렌즈(200)와 집열관(100)을 그 길이 방향의 중심을 수직 회전축으로 하여 회전시켜, 시간에 따라 위치가 변하는 태양으로부터 복사되는 태양 에너지가 렌즈(200)에 수직으로 입사되도록 하는 것은 현실적으로 어려울 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양에너지 수집장치에서는 집열관(100)이나 렌즈(200) 중 적어도 하나를 상대적으로 이동시켜 이들 사이의 이격 거리를 상대적으로 변화시키도록 구성될 수 있다.
기본적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양에너지 수집장치를 설치장소에 설치 시에, 정오에 위치하는 태양에서 방출되는 태양에너지의 렌즈로의 입사 방향과 렌즈(200)의 광축이 평행하도록 렌즈(200)가 배치될 수 있다. 이때, 집열관(100)은 렌즈(200)로부터 렌즈(200)의 초점거리만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다.
한편, 정오보다 이르거나 늦은 시간에는, 태양에너지의 렌즈(200)로의 입사각도는 변화한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 태양이 동쪽에 위치되는 아침일 때, 태양에너지는 렌즈(200)의 광축에 평행한 방향으로 입사되지 않고, 경사져서 입사하게 된다. 이 경우, 사입사되는 태양에너지가 수렴하는 분포영역은 광축과 평행하게 입사되는 태양에너지가 수렴되는 분포영역과 어긋나게 된다. 액추에이터(300)는 사입사되는 태양 에너지가 렌즈(200)에 의해 수렴되는 위치로 집열관(100)을 이동시킬 수 있다.
또한, 도 6에서 보듯이, 북반구에서 태양이 남쪽에 위치되는 정오일 때, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)을 렌즈(200)에서 멀어지게 이동시킬 수 있다.
도 7에서 보듯이, 태양이 서쪽에 위치되는 오후일 때, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)을 렌즈(200)에 가까워지게 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 액츄에이터(300)는 태양의 위치에 따라 렌즈(200)의 태양에너지 초점 위치가 달라지더라고 집열관(100)을 렌즈(200)에 멀어지거나 가까워지도록 이동시켜 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 할 수 있다.
컨트롤러(400)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 액츄에이터(300)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(400)는 기 설정된 프로그램에 따라 액츄에이터(300)를 제어함으로써, 집열관(100) 또는 렌즈(200)를 상대 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(400)에는 계절 및 시간에 따른 태양에너지의 입사 각도 및 렌즈(200)의 수차(aberration) 정보가 미리 입력되어 있을 수 있고, 컨트롤러(400)는 미리 입력된 태양에너지의 입사 각도 및 렌즈(200)의 수차 정보를 기초로 액츄에이터(300)를 제어하여 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)과 렌즈(200) 사이의 이격 거리를 조절할 수 있다.
컨트롤러(400)는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치 및 메모리 등에 의해 구현될 수 있다. 그 구현 방식은 당업자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 변형예에 따른 집열관(100)은, 집열 바디부(110)와 집열 단열부(120)를 포함할 수 있다. 이하, 제1 실시예의 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 제1 실시예의 집열관(100)과 비교하였을 때 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 제1 실시예를 원용한다.
집열 바디부(110)는 렌즈(200)에 의해 집중된 태양에너지를 내부로 통과시키는 집열 부분(F)과, 집열 부분(F)을 제외한 나머지 부분으로 나눌 수 있다. 집열 부분(F)을 제외한 나머지 부분에는, 열의 반출을 최소화시키기 위한 집열 단열부(120)가 제공될 수 있다. 이러한 집열 단열부(120)는 나머지 부분 전체를 감싸지 않고 나머지 부분의 일부를 감싸도록 구성되는 것도 가능하다.
이에 따라, 집열관(100)은 집열 부분(F)을 통해, 렌즈(200)에 의해 집중되는 태양에너지를 전달받을 수 있고, 집열 단열부(120)는 집열관(100) 내부로 전달된 태양에너지가 집열관(100)의 외부로의 방출되는 것을 차단할 수 있다. 다시 말해, 집열 단열부(120)는 집열관(100)에서의 열 손실을 최소화할 수 있다.
집열 바디부(110)는 열전도율이 높은 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 집열 바디부(110)는 열전도율이 높은 알루미늄, 구리 또는 이들 금속의 합금을 포함할 수 있다. 집열 바디부(110)의 재료는 집열관(100) 내 최대 예상온도에서의 강도, 절연성, 내식성 및 비용 등을 고려하여 선택될 수 있다. 또한, 집열 바디부(110)의 단면은 횡단면이 소정의 곡률 반경을 가지는 원호형 또는 원형으로 구성될 수 있다.
집열 단열부(120)는 집열 부분(F)을 제외한 집열 바디부(110)의 나머지 부분의 단열을 위하여, 집열 바디부(110)의 나머지 부분을 감싸도록 배치될 수 있다. 집열 단열부(120)는 분리될 수 있도록 집열 바디부(110)와 인접하게 배치되는 필름 등의 부재일 수 있거나, 증착에 의해 표면에 일체로 형성되는 코팅층일 수 있다.
일 예로, 집열 바디부(110)는 우레탄 단열재, 스프링메탈 단열재, 비닐 단열재, 발포 고무단열재, 폴리스틸렌 단열재(발포 스폰지), 단열필름 등과 같은 단열재일 수 있다. 이 이외에도, 집열관(100)에 대한 단열을 위한 다양한 종류의 재료가 집열 단열부(120)의 재료로 사용될 수 있음은 물론이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 다른 변형예에 따른 집열관(100)은, 집열 바디부(110), 집열 단열부(120) 및 집열 윈도우부(130)를 포함할 수 있다.
집열 바디부(110)는 원통의 일부분의 형상을 가질 수 있다. 집열 바디부(110)는 원호 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 원통의 다른 일부분의 형상을 가질 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 원호 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 집열 바디부(110) 및 집열 단열부(120)에 연결될 수 있다.
집열 윈도우부(130)는 태양에너지의 집중 조사가 이루어지는 집열 부분(F)에 배치될 수 있고, 태양에너지가 투과될 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 집열 윈도우부(130)는 태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사 열전달을 허용하고, 이러한 일방향의 반대 방향인 타방향에 대해서는 복사 열전달을 방지하는 일방향 윈도우일 수 있다. 집열 윈도우부(130)는 그 횡단면이 집열 바디부(110)의 곡률 반경과 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가지도록 원호형일 수 있으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 평면형으로도 구성될 수도 있다.
본 실시예에서, 집열 윈도우부(130)는 일예로 태양에너지의 투과가 가능한 편광 글라스로 구성될 수 있다. 편광 글라스 이외에도, 집열 윈도우부(130)는 태양에너지가 입사되는 일방향에 대해서만 복사 열전달을 허용할 수 있는 편광필름 또는 편광 플라스틱으로 구성될 수도 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치는, 집열관(100), 반사경(600), 액츄에이터(300) 및 컨트롤러(400)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 반사경(600)은, 전면에 반사면(601)이 형성된 곡면판형태로 제공될 수 있다. 그리고 집열관(100)은 반사경(600)에 의해 반사된 태양에너지가 포커싱되도록 반사경(600)의 반사면(601)의 전방측에 위치될 수 있다.
집열관(100) 및 반사경(600)에 대한 구체적인 내용은, 제 1 실시예에서 설명한 렌즈(200) 및 집열관(100) 구성과 대응되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 렌즈(200)가 곡면판 형태의 반사경(600)으로 제공되므로, 집열관(100)은 반사경(600)의 반사면(601)에서 반사되는 포커싱 지점에 위치될 수 있다.
아울러, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 집열관(100) 및 반사경(600) 중 적어도 하나를 상대적으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 도 12에서 보듯이, 태양이 동쪽에 위치될 때, 액츄에이터(300)는, 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱시키기 위해, 반사경(600)과 평행하게 유지하면서 집열관(100) 상에 반사경(600)에 의해 반사된 태양 에너지가 집열관(100) 상에 위치되도록, 집열관(100)을 이동시킬 수 있다.
도 13에서 보듯이, 태양이 남쪽에 위치되는 정오일 때, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)을 반사경(600)에서 멀어지게 이동시킬 수 있다.
도 14에서 보듯이, 태양이 서쪽에 위치되는 오후일 때, 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 집열관(100)을 반사경(600)에 근접하게 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 액츄에이터(300)는 태양의 위치에 따라 반사경(600)의 태양에너지 초점 위치가 달라지더라고 집열관(100)을 반사경(600)에 멀어지거나 가까워지도록 이동시켜 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 할 수 있다.
이하, 도 15를 참조하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양에너지 수집장치에 대해 설명한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양에너지 수집장치는, 집열관(100), 렌즈(200), 액츄에이터(300), 감지센서(500)및 컨트롤러(400)를 포함할 수 있다. 감지센서(500)및 컨트롤러(400)를 제외한 나머지들, 예를 들어, 집열관(100), 렌즈(200) 및 액츄에이터(300) 구성은, 제 1 실시예에서 설명한 집열관(100), 렌즈(200) 및 액츄에이터(300) 구성과 전체적으로 유사하므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제1 실시예의 설명과 도면 부호를 원용한다.
감지센서(500)는 태양에너지의 입사각도를 실시간으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 감지센서(500)는 태양에너지의 입사각도를 소정 간격의 시간마다 측정하고, 측정된 입사각도에 대한 각도 정보를 컨트롤러(400)에 인가할 수 있다.
컨트롤러(400)는 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 감지센서(500)로부터 인가받을 수 있다. 컨트롤러(400)는 인가받은 각도 정보를 이용하여 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 액츄에이터(300)를 통해 집열관(100) 또는 렌즈(200)를 회전시킬 수 있다.
예컨대, 감지센서(500)가 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 컨트롤러(400)에 인가하면, 컨트롤러(400)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되기 위한 작동 신호를 액츄에이터(300)에 인가할 수 있다. 액츄에이터(300)는 태양에너지가 집열관(100)에 포커싱되도록 렌즈(200) 또는 집열관(100)을 이동시킴으로써, 태양에너지에 대한 집광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 16을 참조하여, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양에너지 수집장치에 대해 설명한다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양에너지 수집장치는, 집열관(100), 렌즈(200), 액츄에이터(300), 감지센서(500), 컨트롤러(400), 렌즈 틸팅수단(710) 및 집열관 틸팅수단(720)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 태양에너지 수집장치는, 집열관(100), 렌즈(200), 액츄에이터(300), 감지센서(500), 및 컨트롤러(400), 렌즈 틸팅수단(710), 및 집열관 틸팅수단(720)을 포함할 수 있다. 집열관(100), 렌즈(200) 및 액츄에이터(300) 및 감지센서(500)의 구성은, 제 3 실시예에서 설명한 집열관(100), 렌즈(200) 및 액츄에이터(300) 구성과 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
렌즈 틸팅수단(710)은 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 렌즈(200)가 대향하도록 렌즈(200)의 배치 각도를 조절할 수 있다. 이 렌즈 틸팅수단(710)은 컨트롤러(400)에 의해 제어될 수 있다.
예컨대, 컨트롤러(400)가 태양에너지의 입사각도에 대한 각도 정보를 감지센서(500)로부터 인가받으면, 컨트롤러(400)는 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 렌즈(200)를 배치하기 위한 작동 신호를 렌즈 틸팅수단(710)에 인가할 수 있다. 렌즈 틸팅수단(710)은 컨트롤러(400)의 제어에 의해 렌즈(200)의 경사 각도를 조절함으로써, 렌즈(200)가 태양을 직접 향하도록 할 수 있다.
집열관 틸팅수단(720)은 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 집열관(100)의 측면부가 대향되게 위치되도록 집열관(100)의 경사 각도를 조절할 수 있다. 이 집열관 틸팅수단(720)은 컨트롤러(400)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤러(400)에 의해 집열관 틸팅수단(720)이 제어되는 방식은, 컨트롤러(400)에 의해 렌즈 틸팅수단(710)이 제어되는 방식과 동일하다.
이들 렌즈 틸팅수단(710) 및 집열관 틸팅수단(720)은, 렌즈(200) 및 집열관(100)이 설치된 작동프레임(미도시)에 회전력을 제공할 수 있는 작동 모터 또는 작동 실린더를 포함할 수 있다. 물론, 작동 모터 또는 작동 실린더 이외에도, 렌즈(200) 또는 집열관(100)을 회전시키기 위한 다양한 동력장치가 사용될 수 있을 것이다.
아울러, 본 실시예에서 렌즈 틸팅수단(710) 및 집열관 틸팅수단(720)은, 렌즈(200) 및 집열관(100)이 장착된 작동프레임(미도시)에 회전력을 제공할 수 있는 별개의 구성인 것으로 설명하였지만, 이들 렌즈 틸팅수단(710) 및 집열관 틸팅수단(720)은, 동일한 동력장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나의 동력장치를 통해서, 렌즈 틸팅수단(710) 및 집열관 틸팅수단(720)의 기능이 동시에 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 태양에너지가 집열관에 포커싱되도록 렌즈 또는 집열관을 이동시킴으로써, 집열관을 통한 태양에너지의 효과적인 집광이 가능하다는 이점이 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예들은 태양열 발전에 필요한 열원을 안정적으로 공급할 수 있다는 등의 우수한 장점을 가질 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 흡수매체의 이동을 위한 흡수매체 유로를 갖는 집열관;
    태양에너지를 상기 집열관에 집중시키기는 렌즈; 및
    상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 상기 집열관 및 상기 렌즈 중 적어도 하나를 이동시키는 액츄에이터를 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 집열관과 상기 렌즈 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 집열관과 상기 렌즈 사이의 거리를 조절하도록 구성되는,
    태양에너지 수집장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는
    상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 렌즈에 대하여 가까워지거나 멀어지도록 상기 집열관을 이동시키는,
    태양에너지 수집장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는
    평판형 패널 형태로 제공되는,
    태양에너지 수집장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    시간에 따라 변화하는 태양에너지의 입사 각도 정보가 저장되고, 저장된 상기 입사 각도 정보에 기초하여 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 액츄에이터를 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사 각도를 측정하는 감지센서; 및
    상기 감지센서에서 측정된 입사 각도 정보를 기초로 상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 액츄에이터를 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 상기 렌즈가 대향되게 기울어지도록 상기 렌즈의 경사 각도를 조절하는 렌즈 틸팅수단을 더 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 태양에너지가 입사되는 방향을 향해 상기 집열관의 측면부가 대향되게 기울어지도록 상기 집열관의 경사 각도를 조절하는 집열관 틸팅수단을 더 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는
    상기 집열관의 내부 중심에 상기 태양에너지를 집중시키고,
    상기 집열관의 길이방향을 따라 연장되는,
    태양에너지 수집장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집열관은
    상기 태양에너지를 상기 집열관의 내부로 통과시키기 위한 집열 부분을 포함하는 집열 바디부; 및
    상기 집열 바디부 중 상기 집열 부분을 제외한 나머지 부분의 적어도 일부를 커버하는 집열 단열부;를 포함하는,
    태양에너지 수집장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 집열관은
    상기 흡수매체 유로를 제공하는 집열 바디부;
    상기 집열 바디부를 커버하는 집열 단열부; 및
    상기 태양에너지가 통과되도록 상기 집열 바디부에 연결되는 집열 윈도우부를 포함하고,
    상기 집열 윈도우부는 상기 집열 바디부의 곡률반경과 동일한 곡률반경을 가지는 원호 형상의 횡단면을 가지는,
    태양에너지 수집장치.
  12. 흡수매체의 이동을 위한 흡수매체 유로를 갖는 집열관;
    태양에너지를 상기 집열관에 집중되도록 곡면 형태로 제공되는 반사경; 및
    상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 태양에너지의 입사 각도에 맞추어 상기 집열관 및 상기 반사경 중 적어도 하나를 이동시키는 액츄에이터;를 포함하는,
    변동하는 초점거리를 위한 태양에너지 수집장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 집열관 및 상기 반사경 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 집열관과 상기 반사경 사이의 거리를 조절하도록 구성되는,
    태양에너지 수집장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는
    상기 태양에너지가 상기 집열관에 포커싱되도록 상기 반사경에 대하여 가까워지거나 멀어지도록 상기 집열관을 이동시키는,
    태양에너지 수집장치.
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