KR20230084348A - 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물 또는 열매체를 저장하는 가열통과, 상기 가열통의 상부에 위치하는 프레넬렌즈와, 상기 가열통의 상부 표면에 프레넬렌즈의 촛점을 집중시켜 집광할 수 있도록 프레넬렌즈와 가열통 상부 표면과의 간격을 유지하기 위한 간격유지구로 이루어지는 태양광 축열장치에 있어서, 상기 가열통 내부에는 집광에 의해 가열되는 가열통 천정부로 부터 연장되고 하부는 물 또는 열매체에 잠기도록 하여 열을 전달하기 위한 열확산부재로 구성되는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 효과로는 프레넬렌즈에 의해 가열통을 직접 가열하되 가열통 내부에는 열확산수단을 형성하여 빠른 열전달이 가능하도록 하고, 또 집열구와 가열통을 일체로 형성하되 집열구로 부터 연장되는 열전달부재와 방열부재에 의해 보다 신속하게 물 또는 열매체를 가열할 수도 있으며, 또한 집광과정에서 가열통 내부의 물 또는 열매체가 너무 가열되는 경우 차단막 수단을 프레넬렌즈 위에 펼쳐서 태양광을 막아 가열통의 손상이나 폭발, 화재 위험 등을 방지할 수 있고, 또 관절구동수단과 집열구의 반구형의 오목홈에 의해 프레넬렌즈의 경사각을 조절할 수 있으면서 태양광의 집광효과를 최대로 끌어올려 효율적인 축열이 가능한 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치{Heat saving device using fresnel lens}

본 발명은 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 집광함에 있어 프레넬렌즈를 이용하되, 효율적인 집광과 축열, 또 저장된 고온의 용수를 안정적으로 관리하기 위한 태양광 축열장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양에너지를 이용하는 장치로는 태양광을 이용한 발전장치와 태양광을 이용한 축열장치로 나누어진다.

특히 태양광을 이용한 축열장치의 태양광 집광수단으로는 렌즈 타입과 반사판 타입으로 구분할 수 있으며, 렌즈타입의 경우 대개 2차원 집광이 가능한 프레넬렌즈를 사용한다. 상기 프레넬 렌즈(fresnel lens)라 함은 프레넬의 띠 모양의 평면상의 렌즈를 의미하는 것으로, 다수의 작은 렌즈를 둥근 고리 모양으로 늘어 놓아 초점 거리가 짧아지게 구조의 렌즈이다.

이처럼 프레넬렌즈는 태양광을 집광시켜 초점을 맞추게 되면 초점에 태양광이 집중하게 되면서 해당부분에서 고열이 발생하게 히고, 이처럼 얻은 고열을 이용하여 물 또는 열매체를 가열한 다음 이를 축열조에 보관하고 필요시 고온의 용수를 사용하게 된다.

기존 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치와 관련된 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-1499357호 "프레넬 렌즈와 히트파이프를 이용한 태양광 축열장치"(등록일자 : 2015.02.27)에 개시된 바와 같이, 태양광을 반사하여 상부에 촛점을 이루기 위한 오목반사경과 상기 오목반사경 상단에 설치되어 하부에 촛점을 이루기 위한 프레넬렌즈와, 상기 오목반사경과 프레넬렌즈 사이에 설치되되 오목반사경과 프레넬렌즈의 촛점에 위치하는 집열구와, 상기 집열구의 측면에 일측이 삽입되고 집열구에서 멀어질수록 위로 경사지게 설치되는 히트파이프와, 상기 히트파이프의 타측에 끼워져 설치되어 열을 발산하기 위한 방열판과, 상기 방열판으로부터 발생하는 열을 열전달매체에 전달하기 위한 밀폐된 구조의 열교환부와, 상기 열교환부로부터 가열된 열전달매체를 저장하기 위한 축열조와, 상기 열교환부와 축열조를 연결하여 열전달매체를 순환시키기 위한 순환관으로 구성된 것이다.

기존 프레넬렌즈와 관련된 또 다른 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2013-0081774호 "프레넬 렌즈를 이용한 태양 에너지 이용장치"(공개일자 : 2013.07.18)에 개시된 바와 같이, 전방에서 후방으로 갈수록 구경이 작아지는 통형상의 렌즈 하우징; 상기 렌즈 하우징의 전단부에 설치되며, 태양광을 집광하여 상기 렌즈 하우징 내부 후방으로 조사하는 프레넬 렌즈; 상기 렌즈 하우징 후단에 결합되어 설치되며, 직사각통 형상을 가지는 발전부하우징; 상기 렌즈 하우징 후단 내부 중 상기 프레넬 렌즈의 초점 거리 밖에 설치되며, 상기 프레넬 렌즈에 의하여 집광된 태양광을 상기 발전부 하우징과 평행한 평행광으로 전환하는 평행광 전환 렌즈; 상기 발전부 하우징의 내부 후단에 설치되며, 태양광을 이용하여 발전하는 태양광 발전부; 상기 발전부 하우징 내부 중 상기 태양광 발전부 전방에 비스듬하게 설치되며, 태양광 중 장파장 영역의 빛을 상기 렌즈 하우징의 일측벽 방향으로 반사하고 단파장 영역의 빛을 상기 태양광 발전부 방향으로 투과하는 빔스플리팅부; 상기 발전부 하우징 측벽 중 상기 빔스플리팅부에 의하여 발산되는 장파장 영역의 빛이 조사되는 방향의 일측벽을 개구하여 설치되며, 상기 장파장 영역의 빛에 의하여 열매체를 가열하는 태양광 이용부를 포함한 것이다.

그런데, 기존 프레넬렌즈를 사용하여 집광하는 경우에는 집광과정에서 초고온의 열이 발생하고 이로 인해 가열된 물이나 열매체를 효과적으로 관리하기 위한 어떠한 수단도 강구되어 있지 않아 장치의 손상이나 폭발, 화재 위험의 위험 등이 상존하는 단점을 갖는다.

[선행기술문헌]

1. 한국 등록특허공보 제10-1499357호

본 발명의 목적은, 프레넬렌즈를 사용하여 집광과정에서 발생되는 열과 또 상기 열로 인해 가열된 물이나 열매체를 효과적으로 관리하여 난방이나 발전에 사용할 수 있도록 하되 이를 위해 태양광에 의한 효율적인 축열이 가능하도록 함에 있다.

상기 한 바와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치는, 물 또는 열매체를 저장하는 가열통과, 상기 가열통의 상부에 위치하는 프레넬렌즈와, 상기 가열통의 상부 표면에 프레넬렌즈의 촛점을 집중시켜 집광할 수 있도록 프레넬렌즈와 가열통 상부 표면과의 간격을 유지하기 위한 간격유지구와, 상기 가열통 내부에는 집광에 의해 가열되는 가열통 천정부로 부터 연장되고 하부는 물 또는 열매체에 잠기도록 하여 열을 전달하기 위한 열확산부재로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가열통의 상부 표면 중앙에는 가열통과 일체로 형성되는 집열구가 노출되도록 하고 상기 집열구로 부터 연장되는 열전달부재와, 상기 열전달부재로 부터 연장되는 다수개의 방열부재로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 집열구의 상단면은 프레넬렌즈가 경사졌을 때 촛점을 맞추기 쉽도록 반구형의 오목홈이 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 프레넬렌즈의 상부에는 태양광을 차단하기 위한 차단막 수단이 여닫히도록 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 차단막 수단은 프레넬렌즈의 일측에 형성된 모터와, 상기 모터에 의해 회전하는 축과, 상기 축에 권취되는 견인줄과, 상기 견인줄에 일단이 연결되고 타단은 코일스프링의 탄성이 작용하는 롤에 권취되어 감겨있는 스크린으로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 간격유지구는 관절부를 구비하여 접거나 펼칠 수 있고, 또 관절부와 관절부 사이에 관절구동수단을 형성하여 프레넬렌즈의 경사각을 조절할 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 와 같은 본 발명의 효과로는 프레넬렌즈에 의해 가열통을 직접 가열하되 가열통 내부에는 열확산수단을 형성하여 빠른 열전달이 가능하도록 한다.

또 집열구와 가열통을 일체로 형성하되 집열구로 부터 연장되는 열전달부재와 방열부재에 의해 보다 신속하게 물 또는 열매체를 가열할 수도 있다.

또한 집광과정에서 가열통 내부의 물 또는 열매체가 너무 가열되는 경우 차단막 수단을 프레넬렌즈 위에 펼쳐서 태양광을 막아 가열통의 손상이나 폭발, 화재 위험 등을 방지할 수 있다.

또 관절구동수단과 집열구의 반구형의 오목홈에 의해 프레넬렌즈의 경사각을 조절할 수 있으면서 태양광의 집광효과를 최대로 끌어올려 효율적인 축열이 가능한 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치의 사시도.
도 2는 도 1의 종단면도.
도 3은 도 1의 횡단면도.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치의 사시도.
도 5는 도 4의 종단면도.
도 6은 도 4의 횡단면도.
도 7은 본 발명의 작용상태를 보이기 위한 참고도로써, (가)도는 프레넬렌즈의 높낮이를 조절하는 상태를 보이기 위한 것이고, (나)도는 프레넬렌즈에 의한 태양광의 집광상태를 보이기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 보이기 위한 도면으로, 간격유지구의 관절부와 관절부 사이에 관절구동수단을 형성한 상태를 보이기 위한 참고도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다. 다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

사시도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예들은 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.

이하, 본 발명에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치에 대한 바람직한 실시예들에 대해 첨부된 도면들을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이며, 도 3은 도 1의 횡단면도이고, 도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치의 사시도이며, 도 5는 도 4의 종단면도이고, 도 6은 도 4의 횡단면도이며, 도 7은 본 발명의 작용상태를 보이기 위한 참고도로써, (가)도는 프레넬렌즈의 높낮이를 조절하는 상태를 보이기 위한 것이고, (나)도는 프레넬렌즈에 의한 태양광의 집광상태를 보이기 위한 것이며, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 보이기 위한 도면으로, 간격유지구의 관절부와 관절부 사이에 관절구동수단을 형성한 상태를 보이기 위한 참고도이다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본 발명 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치(100)는 물 또는 열매체(A)를 저장하는 가열통(120)과, 상기 가열통(120)의 상단에 설치되고 가열통(120)과, 상기 가열통(120)의 상부에 위치하는 프레넬렌즈(110)와, 상기 프레넬렌즈(110)에 의해 태양광을 가열통(120)의 상부 표면에 촛점을 집중시켜 집광할 수 있도록 가열통(120) 상부 표면과의 프레넬렌즈(110)의 간격을 유지하기 위한 간격유지구(140)로 이루어지되, 상기 가열통(120) 내부에는 집광에 의해 가열되는 가열통(120) 천정부로 부터 연장되고 하부는 물 또는 열매체(A)에 잠기도록 하여 열을 전달하기 위한 열확산부재(160,160a)로 구성된다.

이때 가열통(120)은 금속의 통체로 이루어짐이 바람직하고 외측은 단열을 위해 단열재로 피복됨이 바람직하다. 또한 본 발명은 상기 가열통(120)과 일체로 이루어지는 집열구(130)를 가열통(120) 상부 표면에 노출시켜 집광을 할 수도 있다.

이처럼 열확산부재(160,160a)는 가열통(120) 상부 또는 집열구(130)에 의해 집열된 열을 직접 물 또는 열매체(A)로 전달할 수 있어 열효율을 극대화할 수 있는 것이다.

이때 상기 열확산부재(160a)는 가열통(120) 내부 직경을 따라 동그랗게 형성되어 상단과 하단이 가열통(120)에 용접된 금속링(ring)의 구조로 이루어질 수도 있고, 또는 가열통(120) 및 집열구(130)로 부터 연장되는 막대나 판형상의 열전달부재(160)로 이루어질 수도 있다. 이때 보다 효과적인 열전달을 위해 상기 열전달부재(160)에는 다수개의 막대나 판형상을 갖는 방열부재(161)를 구비하여 상기 방열부재(161)가 물 또는 열매체(A)에 잠기도록 구성할 수도 있다.

상기 열확산부재는 열전달이 양호하면서도 부식이 잘 되지 않는 금속재료를 사용함이 바람직하다.

또한 본 발명은 가열통(120)의 물이나 열매체가 프레넬렌즈(110)에 의해 너무 가열될 경우 가열통(120)이 손상되거나 폭발, 화재 위험의 위험이 있어 이를 방지할 수 있도록 하기 위해 프레넬렌즈(110)를 차단하기 위한 차단막 수단을 설치하도록 한다.

상기 차단막 수단은 힌지구조에 의해 도어와 같이 회전식으로 여닫히도록 구성할 수도 있으나, 구조 및 작동의 효율성을 고려할 때 가장 바람직한 차단막 수단은 프레넬렌즈(110)의 일측에 모터(152)를 형성하고 상기 모터(152)에 의해 회전하는 축(151)과, 상기 축(151)에 권취되는 견인줄(153)과, 상기 견인줄(153)에 일단이 연결되고 타단은 코일스프링(미도시)의 탄성이 작용하는 롤에 권취되어 감겨있는 스크린(154)으로 구성되도록 한다. 이때 상기 코일스프링과 롤, 스크린(154)은 평상시에는 케이스(154a)에 내장된 상태이고 상기 스크린(154)은 가열통(120) 내부에 장착된 수온센서에 의해 측정된 온도가 제어부(미도시)에 의해 설정된 온도보다 높다고 판단되면 작동되도록 하는 구조를 갖는다.

상기 프레넬렌즈(110)는 편판상이고 얇은 구조여서 이를 보호하기 위해 프레넬렌즈(110)의 양쪽에 내열유리판을 형성하여 지지하도록 구성할 수도 있다.

상기 프레넬렌즈(110)의 하부에는 프레넬렌즈(110)를 지지하기 위한 간격유지구(140)는 꺽임상태를 유지할 수 있는 관절부(141)를 구비하여 수동으로 접거나 펼칠 수도 있으나 그보다는 관절부(141)와 관절부(141) 사이에 관절구동수단(170)을 형성하여 프레넬렌즈(110)의 경사각을 조절할 수 있도록 구성함이 바람직하다. 상기 관절구동수단(170)은 다양한 엑츄에이터를 사용하여 기계적으로 작동하도록 구성함이 바람직하다. 이때 엑츄에이터라 함은 동력을 이용하여 기계를 동작시키는 구동장치를 의미하는데, 이는 주로 전기 모터 혹은 유압이나 공기압으로 작동하는 피스톤이나 실린더 기구 등으로 이루어진다. 상기 엑츄에이터는 제어수단(미도시)에 의해 태양을 추적하도록 구성할 수도 있는데 이때 태양광을 집광하기 위한 집열구(130)의 상단면이 편평한 경우 빛의 집광이 곤란하므로 반구형의 오목홈(131)으로 형성하여 프레넬렌즈(110)가 엑츄에이터의 구동에 의해 태양을 향해 경사지더라도 촛점을 쉽게 맞출 수 있고 이로 인해 집광이 잘될 수 있도록 한다.

본 발명에서 간격유지구(140) 하부는 가열통(120)에 직접 설치할 수도 있으나, 가열통(120)을 감싸도록 설치되는 틀채(121) 위에 설치함이 바람직하고, 또한 프레넬렌즈(110)를 간격유지구(140)의 상단에 결합되도록 구성할 수도 있으나 이는 프레넬렌즈(110)의 손상우려가 있어 프레임(111)으로 프레넬렌즈(110)를 감싸고 상기 프레임(111)을 간격유지구(140) 상단에 결합되도록 함이 바람직하다.

상술 한 바와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

100:태양광 축열장치
110: 프레넬렌즈
120: 가열통
130: 집열구
140: 간격유지구
A: 물 또는 열매체

Claims (6)

1. 물 또는 열매체를 저장하는 가열통과, 상기 가열통의 상부에 위치하는 프레넬렌즈와, 상기 가열통의 상부 표면에 프레넬렌즈의 촛점을 집중시켜 집광할 수 있도록 프레넬렌즈와 가열통 상부 표면과의 간격을 유지하기 위한 간격유지구로 이루어지는 태양광 축열장치에 있어서,
   상기 가열통 내부에는 집광에 의해 가열되는 가열통 천정부로 부터 연장되고 하부는 물 또는 열매체에 잠기도록 하여 열을 전달하기 위한 열확산부재로 구성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 가열통의 상부 표면 중앙에는 가열통과 일체로 형성되는 집열구가 노출되어 집광되도록 하되, 열전달부재가 상기 집열구로 부터 연장되고, 물 또는 열매체에 잠기도록 하여 열을 전달하기 위한 다수개의 방열부재는 상기 열전달부재로 부터 연장되도록 구성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 집열구의 상단면은 프레넬렌즈가 경사졌을 때 촛점을 맞추기 쉽도록 반구형의 오목홈이 형성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 프레넬렌즈의 상부에는 태양광을 차단하기 위한 차단막 수단이 형성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 차단막 수단은 프레넬렌즈의 일측에 형성된 모터와, 상기 모터에 의해 회전하는 축과, 상기 축에 권취되는 견인줄과, 상기 견인줄에 일단이 연결되고 타단은 코일스프링의 탄성이 작용하는 롤에 권취되어 감겨있는 스크린으로 구성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 간격유지구는 관절부와 관절부 사이에 관절구동수단을 형성하여 프레넬렌즈의 경사각을 조절할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 프레넬렌즈를 이용한 태양광 축열장치.
   
   
   
   
   
   
   
   

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