Apparatus for condensing sunlight

태양광 집광장치{APPARATUS FOR CONDENSING SUNLIGHT}

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로 특히, 반사판을 한 개의 축방향으로 움직이고, 집광부를 다른 한 개의 축방향으로 움직이는 집광장치에 관한 것이다.

태양빛을 이용하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수가 있다. 하나는 태양빛을 태양전지를 이용하여 전기에너지를 만드는 것과 다른 하나는 태양빛을 열로 변환시키는 방법이 있다. 그 중에서 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형은 태양광을 집광하여 집열축에서 고온을 만들고 그것을 다시 터빈을 이용하여 전기에너지로 만드는 방법이며, 일반적인 PTC형은 1축 회전만 하거나, 2축 회전의 경우에도 반사판 전체를 2축으로 회전시키기 위해 지지축대가 매우 크고 이에 따른 설치비용도 매우 부담스러운 상황이었다. 즉, 종래의 경우, 한국공개특허 10-2007-0102444와 같이 상하방향 회전 및 좌우방향 회전이 가능하도록 하려면, 회전장치가 크고 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

따라서, 최적의 공간을 확보하고 적은 비용으로 태양의 위치에 따라 반사판 등을 이동하여 태양광을 효율적으로 집적하는 장치에 관한 연구가 요구된다.

본 발명은 태양의 위도 등에 따라 반사판을 회전시키고, 태양의 방위각 등에 따라 집광부를 이동시킴으로써, 2개의 축을 중심으로 회전하면서도 그 중 하나는 집광부를 이동하여 이동에 따른 비용과 에너지 손실을 줄이고, 최적의 공간을 확보하는 태양광 집광장치를 제공한다.

본 발명은 태양광을 집광하는 집광부를 회전하여 반사판에서 반사된 태양광이 입사되는 각도를 조절함으로써, 태양광의 집광 효율을 높일 수 있는 태양광 집광장치를 제공한다.

본 발명은 집광부에 방열도관을 구비하여 집광부에서 발생하는 열을 제어함으로써, 집광부에서 발생하는 과다한 열을 냉각수를 이용하여 냉각시켜 집광부를 안정화시키며, 가열된 물을 다양한 용도로 활용할 수 있는 태양광 집광장치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 태양광 집광장치는, 태양광을 반사하는 반사판, 상기 반사판의 중앙 상부에 구비되는 지지대를 통해 지지되는 집광부, 태양의 위치에 따라, 상기 반사판을 제1축을 중심축으로 회전시키는 제1 회전모터, 태양의 위치에 따라, 상기 지지대를 제2축을 중심축으로 회전시키는 제2 회전모터 및 상기 반사판에 반사된 후 입사되는 빛의 방향에 따라, 상기 집광부를 제3축을 중심축으로 회전시키는 제3 회전모터를 포함할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 제1 회전모터는, 태양의 고도각에 따라 상기 반사판을 회전시킬 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 제2 회전모터는, 태양의 방위각에 따라 상기 집광부를 회전시킬 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 집광부에 부착되고, 상기 집광부 회전 시, 상기 반사판을 청소하기 위한 청소모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 집광부는, 다각형 형상의 벽면 내측에 태양전지판을 부착하고, 상기 다각형 형상의 벽면 외측에 냉각수 이동을 위한 방열도관을 구비할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 집광부는, 상기 방열도관을 통과하는 냉각수가 기설정된 온도에 도달하면, 상기 냉각수를 외부의 온수저장설비로 이동시킬 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기 집광부는, 반사된 광으로부터 열을 모으기 위한 집열축 및 상기 집열축에 구비되는 방열판(heat sink)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 태양의 위도 등에 따라 반사판을 회전시키고, 태양의 방위각 등에 따라 집광부를 이동시킴으로써, 2개의 축을 중심으로 회전하면서도 그 중 하나는 집광부를 이동하여 이동에 따른 비용과 에너지 손실을 줄이고, 최적의 공간을 확보하는 태양광 집광장치가 제공된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 태양광을 집광하는 집광부를 회전하여 반사판에서 반사된 태양광이 입사되는 각도를 조절함으로써, 태양광의 집광 효율을 높일 수 있는 태양광 집광장치가 제공된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 집광부에 방열도관을 구비하여 집광부에서 발생하는 열을 제어함으로써, 집광부에서 발생하는 과다한 열을 냉각수를 이용하여 냉각시켜 집광부를 안정화시키며, 가열된 물을 다양한 용도로 활용할 수 있는 태양광 집광장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 제1축 회전을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 제2축 회전을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광부의 구성 및 회전을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 반사판에 반사된 태양광의 입사각을 조절하기 위해 집광부를 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광부의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 실시예에 따른 집광부를 타측면에서 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 반사판이 시소 동작으로 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 집광부의 상하이동을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 반사판의 수평 회전을 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 제1축 회전을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 제2축 회전을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 태양광 집광장치(100)는 반사판(110), 집광부(120), 제1 회전모터(111), 제2 회전모터(121), 및 제3 회전모터(122)를 포함할 수 있다.

반사판(110)은 태양광을 반사하기 위한 것으로, 포물선 모양으로 구성될 수 있다. 종래에는, 태양의 이동에 대응하여 반사판이 상하로 움직이는 1축 회전을 수행하거나, 반사판을 상하이동 및 좌우이동하여 태양의 고도각과 방위각의 변화에 대응하였으나, 1축 회전의 경우, 태양의 방위각 변화에 대처하기 어려웠고, 반사판을 2축 회전하는 경우에는 설비가 크고, 공간적인 제약이 많았으며, 많은 비용이 소요되었다.

본 발명의 일실시예에서는 반사판(110)은 태양의 고도에 따라 상하방향으로만 회전할 수 있다. 즉, 제1 회전모터(111)가 태양의 고도각에 따라, 반사판(110)을 제1축을 중심축으로 회전시킬 수 있다. 즉, 제1 회전모터(111)는 태양의 고도에 대응하여 도 1의 실선 및 점선에 도시된 바와 같이, 반사판(110)을 상하로 회전시킬 수 있으며, 이를 통해 태양광이 입사되는 각을 효율적으로 조절할 수 있다.

그러나, 본 발명의 일실시에에 따르면, 반사판(110)은 태양의 고도각에 따라 상하로만 회전하고, 태양의 방위각 변화는 하기 집광부의 회전을 통하여 대처할 수 있다.

또한, 일반적인 반사판은 알루미늄이나 유리코팅 등으로 구성되어 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에서는 태양전지판, 박막 염료전지, CIG cell 등과 같은 태양전지판을 반사판에 두고 그 위에 곡면을 둘 수 있다. 이때, 반사판(110)에서 투과된 빛은 태양전지판에서 전기로 전환되고, 반사판(110)에 10% 이상 반사된 빛은 집광장치에 집광되어 전기로 변환시킬 수가 있므으로, 적은 공간에도 에너지 효율 향상을 시킬 수가 있다. 이러한 경우에는 냉각장치가 필수적인 것은 아니다.

집광부(120)는 반사판(110)에 반사된 태양광을 집광하며, 반사판(110)의 중앙 상부에 구비되는 지지대(123)를 통해 지지된다. 이때, 집광부(120)는, 태양전지판과 방열도관을 구비한 하이브리드 형으로 구현될 수 있다. 또는, 상기 하이브리드 형과 달리, 반사된 광으로부터 열을 모으기 위한 집열축 및 상기 집열축에 구비되는 방열판(heat sink)을 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.

여기서, 집광부(120)는 태양의 방위각 변화에 대응하기 위하여 회전할 수 있으며, 이는 제2 회전모터(111)를 통해 회전될 수 있다.

이를 위해, 제2 회전모터(121)는 태양의 방위각에 따라, 지지대(123)를 제2축을 중심축으로 회전시킬 수 있다. 즉, 도 2의 실선 및 점선에 도시된 바와 같이, 태양의 방위각에 따라 지지대(123)를 좌우방향으로 회전시킴으로써, 상기와 마찬가지로 태양광이 입사되는 각을 효율적으로 조절할 수 있다.

또한, 제3 회전모터(122)는 반사판(110)에 반사된 후 입사되는 빛의 방향에 따라, 집광부(120)를 제3축을 중심축으로 회전시킬 수 있다. 상기에서 제1 회전모터(111) 및 제2 회전모터(121)를 회전하여 태양의 위치에 따른 입사각을 효율적으로 조절할 수 있었으나, 보다 정밀한 입사각 조절을 위해 집광부(120) 자체를 회전하여 입사각을 조절할 수 있다.

한편, 태양광 집광장치(100)는 집광부(120)에 부착되고, 집광부(120)의 회전 시, 반사판(110)을 청소하기 위한 청소모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다. 태양광 집광장치(100)는 태양광 에너지 효율을 향상시키기 위해 태양광 모듈을 정기적으로 청소할 필요성이 있다. 일예로, 3축으로 움직이는 집광부(120)에 청소모듈(미도시)을 부착하고, 청소모듈(미도시)이 좌우로(방위각) 움직이면서 반사판(110)을 청소할 수 있다. 구체적인 예로, 밤 시간대에 집광부(120)가 원위치로 움직일 때 청소모듈(미도시)이 반사판(110)을 청소하도록 할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 태양의 이동에 따라 태양광의 초점이 항상 바뀌므로, 태양의 고도각 변화에 대응하여 반사판(110)을 이동하고, 태양의 방위각 변화에 대응하여 집광부(120)가 회전하도록 하여 보다 효율적으로 태양광을 집적할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 반사판과 집광부가 각각의 축을 중심으로 회전하는 2축 회전을 수행하면서도 2개의 축 중 하나의 축은 집광부를 움직이는 것이므로, 큰 규모의 회전시설이 필요하지 않으며 이를 통해 최적의 공간을 확보할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따르면, 반사판을 1축(상하)로만 회전하기 때문에 연속적으로 반사판을 배치할 수 있어 최적의 공간활용이 가능하며, 빛을 태양전지판으로 집적하여 전기에너지를 바로 생성하므로, 터빈을 돌려 전기에너지를 생성하는 것보다 효율이 훨씬 뛰어나다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광부의 구성 및 회전을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참고하면, 집광부(120)는 다각형의 태양전지판(320)을 구비하고 태양전지판(320)의 외면에는 태양전지판(320)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 방열도관(310)을 구비할 수 있다.

여기서, 태양전지판(320)은 다각 형상으로 형성될 수 있으며, 도 3에는 'ㄷ'자 형태의 태양전지판(320)이 일실시예로 도시되어 있다. 일반적으로, 태양광을 집적하기 위한 시스템에서는 빛을 집광하면 그 빛이 바로 태양전지에 도달하여 전기에너지를 만들기도 하나, 집광되는 빛의 일부분은 반사되어 전기에너지를 만드는데 기여하지 않는다. 그러나, 본 발명의 일실시예에서와 같이, 태양전지판을 'ㄷ'자 형상 등 다각형으로 만들면 빛에너지는 모두 'ㄷ'자 형상 안으로 모아지므로, 손실되는 빛이 크게 줄어든다. 따라서, 본 발명에 따르면, 빛의 손실없이 효율적인 에너지 생산이 가능해 질 수 있다.

한편, 방열도관(310)은 다각형 형상의 태양전지판(320) 외면에 구비되어 냉각수 이동의 통로 역할을 수행할 수 있다. 즉, 집광시에는 열이 발생하는데 상기 발생하는 열을 효율적으로 냉각시켜 주는 것이 매우 중요하다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 발생하는 열을 방열도관(310)의 냉각수를 통해 냉각시키고, 냉각수가 기설정된 온도(ex. 60℃)에 도달하면 그 물을 외부의 온수저장설비로 이동시켜 다양한 용도로 활용할 수 있다. 이를 위해, 방열도관(310)의 내부에는 냉각수의 온도를 센싱하기 위한 온도센서(미도시)를 포함할 수 있고, 상기 냉각수의 온도가 기설정된 온도에 도달하면, 상기 냉각수를 외부의 온수저장설비로 이동시키도록 설정할 수 있다.

상기와 같이, 방열도관(310)은 내부에 흐르는 냉각수를 통해 태양전지판(320)에서 발생하는 열을 식혀주는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 가열된 냉각수를 온수저장설비로 이동시켜 다양한 용도로 활용할 수 있으므로, 낭비되는 에너지를 줄여 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.

한편, 반사판(110)에 반사된 태양광은 집광부(120)로 입사되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 'ㄷ'자 형상의 입구로 입사되며, 입사되는 태양광의 입사각을 조절하기 위해 집광부(120)가 일예로 점선과 같이 회전할 수 있다. 또한 태양광이 입사되는 부분은 강화유리(330)로 구성되어 입구부를 차폐할 수 있다. 여기서, 입구부의 차폐를 위해서는 강화유리뿐만 아니라 다앙한 재질이 물질이 사용될 수 있다.

이하에서는, 입사각을 조절하기 위해 집광부가 회전하는 과정을 도 4를 참고하여, 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 반사판에 반사된 태양광의 입사각을 조절하기 위해 집광부를 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면, 태양의 방위각이 변화하면 초점면이 반사판(110)의 중심에서 벗어난다. 즉, 빛이 측면으로 들어오면 빛의 초점은 초점면을 따라 이동하므로, 이러한 사실을 이용하여, 집광부를 초점면을 따라 회전시킬 수 있다. 즉, 반사판(110)에 반사되어 나오는 태양광이 집광부의 태양전지판(320)으로 보다 정확하게 입사되도록 하기 위하여, 상기에서 언급된 바와 같이, 지지대를 회전하여 집광부(120)가 회전되도록 할 수도 있고, 보다 세밀한 입사각 조절을 위하여 지지대의 회전과 별도로 집광부(120) 자체가 회전할 수도 있다.

상기와 같이, 집광부를 회전하여 빛의 입사각을 조절함으로써, 최적의 공간을 확보하고, 적은 비용으로 2축회전 또는 그 이상의 효과를 나타낼 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광부의 구성을 정면도로 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 실시예에 따른 집광부의 측면도를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 집광부(120)는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 태양전지판(520)을 다각 구조로 구성할 수 있다. 즉, 반사된 태양광이 유입부(510)를 통해 입사되면, 태양전지판(520)에서는 입사된 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한, 태양전지판(520)의 외면에는 냉각수를 흐르게 하여, 발생하는 열을 식힐 수 있는 방열도관(530)이 구비될 수 있으며, 방열도관(530)의 형상은 다양하게 구현될 수 있다. 일예로, 도 3에서 도시된 바와 같이, 집광부는, 태양전지판이 'ㄷ'자 형태의 구조로 구성되고, 태양전지판의 외면을 원형의 방열도관이 감싸는 형태로 구성될 수도 있다. 태양전지판과 방열도관의 형태는 실시환경에 따라 다양하게 구현될 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이다.

즉, 도 5 및 도 6에서는 사다리꼴 형상의 태양전지판(520) 구조와 그 외면을 감싸는 사각형상의 방열도관(530)을 예시하고 있으나, 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같이, 본 발명의 일실시예에서는, 태양의 위도에 따라 반사판을 회전시키고, 태양의 방위각에 따라 집광부를 이동시킴으로써, 2개의 축을 중심으로 회전하면서도 그 중 하나는 집광부를 이동하여 이동에 따른 비용과 에너지 손실을 줄이고, 최적의 공간을 확보할 수 있다.

또한, 태양광을 집광하는 집광부를 회전하여 반사판에서 반사된 태양광이 입사되는 각도를 조절함으로써, 태양광의 집광 효율을 높일 수 있다.

또한, 집광부에 방열도관을 구비하여 집광부에서 발생하는 열을 제어함으로써, 집광부에서 발생하는 과다한 열을 냉각수를 이용하여 냉각시켜 집광부를 안정화시키며, 가열된 물을 다양한 용도로 활용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 반사판이 시소 동작으로 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 집광부(120)의 상하이동을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성 및 반사판의 수평 회전을 설명하기 위한 도면이다.

도 7 내지 도 9를 참고하면, 반사판(110)은 태양의 위치에 따라 시소 동작 회전 또는 지면에 평행한 상태에서의 수평 회전할 수 있다. 즉, 제1 회전모터(111)가 태양의 위치에 따라, 반사판(110) 중심축을 시소 동작(ex. -70도에서 +70도)으로 회전시킬 수 있다. 즉, 제1 회전모터(111)는 태양의 위치에 대응하여 도 7 및 도 9의 실선 및 점선에 도시된 바와 같이, 반사판(110)을 좌우(시소동작)로 회전시키거나, 반사판(110)이 지면에 기울어지지 않은 평행한 상태에서 수평 회전시킬 수 있으며, 이를 통해 태양광이 입사되는 각을 효율적으로 조절할 수 있다. 즉, 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에서는, 반사판(110)의 상하위치는 해당 지역의 위도에 따라 고정될 수 있으며, 반사판(110)은 태양의 좌우위치에 따라 좌우(시소동작) 또는 수평 회전하도록 구성될 수 있다.

한편, 집광부(120)는 도 1 및 도 2에 설명된 것과 마찬가지로 반사판(110)에 반사된 태양광을 집광하고, 반사판(110)의 중앙 상부에 구비되는 지지대(123)를 통해 지지된다. 여기서, 집광부(120)는 태양의 방위각 변화 및 기타 위치변화에 대응하기 위하여 상하로 회전할 수 있으며, 이는 제2 회전모터(121)를 통해 회전될 수 있다.

이를 위해, 제2 회전모터(121)는 태양의 위치에 따라, 지지대(123)를 상하로 이동시킬 수 있다. 즉, 도 8의 실선 및 점선에 도시된 바와 같이, 태양의 방위각 등에 따라 지지대(123)를 상하방향으로 회전시킴으로써, 태양광이 입사되는 각을 보다 효율적으로 조절할 수 있다.

또한, 제3 회전모터(122)는 반사판(110)에 반사된 후 입사되는 빛의 방향에 따라, 집광부(120)를 제3축을 중심축으로 회전시킬 수 있으며, 이는 도 1 및 도 2에 설명된 내용과 동일하게 동작할 수 있다.

상기와 같이, 태양의 위치에 따라 반사판(110), 지지대(123), 및 집광부(120) 중 적어도 하나가 좌우/상하 등 다양한 방향으로 회전함으로써, 집광 효율을 보다 향상시킬 수 있는 태양광 집광장치가 제공될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 일실시예는 상기 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 일실시예는 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110 : 반사판 111 : 제1 회전모터
120 : 집광부 121 : 제2 회전모터
122 : 제3 회전모터 310, 530 : 방열도관
320, 520 : 태양전지판 330 : 강화유리
510 : 유입부