KR101120906B1 - 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일조시간에는 태양열이 집광렌즈를 통해 집열렌즈로 집중되어, 상기 집열렌즈가 열저장매체와 잠열 상태인 스팀을 가열해 현열상태를 갖게 하여, 스팀의 압력분사에 따라 발전기를 구동하고, 그 외 시간에는 열저장매체가 수용된 열 저장탱크에서 잠열 스팀을 가열해 발전기를 구동시켜 발전할 수 있도록 한 것이다.
본 발명의 구성은, 그물눈이 있는 메쉬망 형상을 갖고 지상에 노출되는 상단부가 구 형상으로 형성된 고정몸체(11)와; 상기 고정몸체(11)의 그물눈에 각각 결합되어, 태양광을 고정몸체(11) 하단부로 집중시키는 집광렌즈(12)와; 상기 고정몸체(11)의 하단부에 설치되어, 집광렌즈(12)를 통해 집중된 열에너지의 밀도를 증가시켜 몸체 하부에 열 전달하는 집열렌즈(13)로 구성된 집광부(10)와; 상기 고정몸체(11)의 하단부와 결속 되고, 몸체 내부로 열저장매체(40)가 충진되어, 집열렌즈(13)를 통해 전달된 열 에너지로 열저장매체(40)를 가열 및 보관하는 열저장탱크(30)와; 상기 열저장탱크(30) 내에서 상부 판형코일관(51)과, 하부 코일순환관(52)으로 적층 수납되며, 순환펌프(53)와 밸브의 동작으로 각 구성품에 선택적으로 스팀을 이동시키도록 하는 순환관로(50)와; 상기 순환관로(50)의 상부 판형코일관(51)내부 스팀이 열저장탱크(30)에서 가열되어 현열상태로 변화되고, 이 현열스팀을 분사시켜 증기터빈(61)을 구동해 전기를 생산하는 발전기(60)와; 상기 발전기(60)를 통과한 잠열스팀을 더 열 수축되게 하는 제1 감열부(70a)와; 상기 발전기 또는 제1 감열부(70a)를 통해 열수축된 잠열스팀이 순환관로(50)의 하부 코일순환관(52)를 통해 열저장탱크(30)를 내부를 통과하면서 가열되고, 이 가열된 현열스팀을 열 수축하는 제2 감열부(70b)를 포함한 발전부(20)로 구성된 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템에 있어서, 상기 집광부(10)를 통해 상기 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열하여 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환 되게 하여, 내부에 현열스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제1 감열부(70a)를 통과하면서 더욱 더 열 수축되고, 이 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하며, 상기 하부 코일순환관(52)을 통해 가열된 현열스팀은 제3 밸브(54c)와 제2 감열부(70b)를 통과하면서 열 수축되어, 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급되어 순환하는 것에 의해 달성된다.

Description

태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템{Production of electricity using solar thermal energy system }

본 발명은 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일조시간에는 태양열이 집광렌즈를 통해 집열렌즈로 집중되어, 상기 집열렌즈가 열저장매체와 잠열 상태인 스팀을 가열해 현열상태를 갖게 하여, 스팀의 압력분사에 따라 발전기를 구동하고, 그 외 시간에는 열저장매체가 수용된 열 저장탱크에서 잠열 스팀을 가열해 발전기를 구동시켜 발전할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 태양에너지 발전은 다른 발전에 비해 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 청정에너지로서, 연료의 수송 및 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며, 설치장소의 선택, 설비규모를 자유롭게 할 수 있으며, 장치의 수명이 길고 설치공사가 쉽다는 이점이 있다.

상기와 같은 태양에너지 발전은, 그 발전용량을 극대화하기 위해 태양의 자오선 방향을 수직으로 태양의 위치를 따라가며, 그 방향을 바꾸는 정도에 따라 태양추적형, 반추적형, 고정형 태양전지 설비로 나누어진다.

먼저 추적형 시스템(tracking array)은, 태양광 발전시스템의 발전효율을 극대화하기 위한 방식으로 태양의 직사광선이 항상 태양전지판의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기조작을 통하여 태양의 위치를 추적해 가는 방식을 말한다.

이러한, 자동 추적형 태양전지는 추적시스템의 종류에 따라 태양 자오선정보에 의한 위치정보 프로그래밍 시스템과 광센서 자동추적 시스템으로 구분되어 상업화 되고 있다.

다음으로, 반추적형 시스템 (semi - tracking array)은, 태양전지 어레이 경사각을 계절 또는 월별에 따라서 상하로 위치를 변화시켜주는 방식으로, 일반적으로 사계절에 한 번씩 어레이 경사각을 변화시키는 방식이다.

상기 반추적형 어레이의 발전량은 고정식과 추적식의 중간 정도로써, 고정식에 비교하여 보통 20% 가량의 발전량 증가를 가져온다.

상기와 같은 발전 시스템에서 고정형 시스템은, 가장 값싸고 안정된 구조로써 비교적 원격지역에 설치면적의 제약이 없는 곳에 많이 이용되며, 특히 도서지역 등 풍속이 강한 곳에 설치하는 것이 보통이다.

그리고, 추적형 시스템은 반고정형에 비하여 발전효율은 낮은 반면에 초기 설치비가 적게 들면서, 보수 관리에 따른 인건비 및 위험이 적어 상대적으로 많이 이용되는 어레이 지지방법이다

이밖에도, 지상의 설치 가능면적이 부족한 지형적 특성을 감안하여, 건물일체형 태양광 발전 시스템(BIPV : Building Integrated Photovoltaic System)을 이용해 태양에너지로부터 전기를 생산해 발생된 전력을 소비자에게 공급해 주는 방법도 사용되고 있으나, 건물의 형상이나 모양에 의해 그 한계가 있으며, 이로 인하여 보다 효율적인 태양광 집광 기술의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.

그리고, 상기 태양광 발전 시스템에 사용되는 태양전지 모듈(Photovoltaic Module)은, 주로 평판형으로 이루어져 있으며, 상기 평판형 태양전지 모듈은 일정 크기(예: 125㎜ x 125㎜)의 태양전지 셀(Photovoltaic Cell)들이 직렬로 연결되어 설정된 단위 전압을 생산할 수 있는 단위 태양전지 스트링(string)을 이루고, 다시 일정 개수의 태양전지 스트링(string)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 전력(=전류 x 전압)을 생산할 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 평판형 태양전지 모듈은 태양광이 조사되면 태양전지 스트링들을 이루는 각 태양전지 셀들의 광전효과에 의하여 요구되는 직류 전기를 생산한다.

그리고, 평판형 태양전지 모듈에 의해 생산된 직류 전력은 직접 사용되거나 또는 인버터(Inverter)를 사용하여 교류전원으로 변환시켜 사용된다.

한편 일반적으로 결정질 실리콘(Si) 재질의 면적이 125㎜ x 125㎜인 태양전지 셀은 표준조건(1.5의 공기질량(Airmass), 1000W/㎡의 일사량 및 25℃의 태양전지 표면온도)에서 개방 전압이 약 0.6V이고, 단락전류가 약 3～6A이며, 최대출력은 태양전지의 효율에 따라 약 1.2～2.5W의 직류전력을 생산하는 전기적 특성을 갖는다.

따라서, 평판형 태양전지 모듈의 효율은 대략 15(ㅁ5)％인 경우 전술한 표준조건에서 태양전지 셀들의 면적이 1㎡인 평판형 태양전지 모듈은 약 150ㅁ50W의 전력을 생산할 수 있게 된다.

한편, 평판형 태양전지 모듈의 태양전지 셀들은 주로 고가의 반도체 자재인 규소(Si)을 사용하고 있어, 매우 고가이며, 반도체 규소(Si)의 값이 모듈 단가 구성의 50％ 이상을 차지하고 있다.

따라서, 태양전지 모듈의 단가를 줄이거나 또는 동일한 출력에 대하여 태양전지의 사용 면적을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있으며, 그 일환으로 태양광을 집속하여 광밀도를 증가시키기 위한 광집속 장치를 접목시킨 광집속형 태양전지 모듈이 제안되고 있다.

그러나, 종래 태양전지 모듈은 단위면적에 대하여 생산되는 단위 전기출력이장치의 집속비에 따라 증가하므로, 평판형 모듈을 대량으로 조립하여야 장치의 생산 전기출력당 설치단가를 줄일 수 있는 폐단이 있었다.

따라서, 상기 태양전지 모듈을 설치하기 위한 광범위한 공간이 필요하였고, 일조시간이 풍부한 지역에서만이 장치가 설치되어야 하는 문제점이 있었다.

또, 상기 태양전지 모듈을 태양의 자오선을 따라 구동하기 위한 에너지가 상기 태양전기 모듈에서 생산된 에너지를 이용하여야 했으므로, 에너지 손실에 따른 효율이 저하되는 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적은 고정식 태양광 발전 설비이면서도 일조시간에는 집광렌즈를 통해 집열렌즈로 태양광이 집중되게 하여 집열렌즈를 통해 열저장매체와 순환스팀을 가열해 상기 가열된 스팀의 분사압력으로 발전기를 구동시켜 전기를 생산하고, 태양빛이 가려지거나 없는 상태에서는, 일조시간에 집열렌즈를 통해 가열된 열저장매체로 스팀을 가열해, 이 스팀의 분사압력으로 증기터빈을 구동시킴에 따라 발전기를 통하여 전기를 생산하도록 한 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 구형상의 프레임에 집광렌즈를 연속 배열하는 구성을 갖고, 상기 각각의 집광렌즈가 집열렌즈로 열에너지의 밀도를 집중시키도록 함으로써, 태양의 자오선 방향에 관계없이 태양광 조사시에 집열렌즈로 열저장매체를 가열시킬 수 있도록 한 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 태양열을 이용해 출력 효율을 향상시킴과 아울러 집광렌즈 및 집열렌즈로 구성되는 집광부에 쌓인 이물질들을 쉽게 제거할 수 있도록 하고, 상기 집광부를 제외한 발전부는 지표 아래에 구비되게 하여 에너지 손실을 최소화 할 수 있도록 한 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여,

그물눈이 있는 메쉬망 형상을 갖고 지상에 노출되는 상단부가 구 형상으로 형성된 고정몸체(11)와;

상기 고정몸체(11)의 그물눈에 각각 결합되어, 태양광을 고정몸체(11) 하단부로 집중시키는 집광렌즈(12)와;

상기 고정몸체(11)의 하단부에 설치되어, 집광렌즈(12)를 통해 집중된 열에너지의 밀도를 증가시켜 몸체 하부에 열 전달하는 집열렌즈(13)로 구성된 집광부(10)와;

상기 고정몸체(11)의 하단부와 결속 되고, 몸체 내부로 열저장매체(40)가 충진되어, 집열렌즈(13)를 통해 전달된 열 에너지로 열저장매체(40)를 가열 및 보관하는 열저장탱크(30)와;

상기 열저장탱크(30) 내에서 상부 판형코일관(51)과, 하부 코일순환관(52)으로 적층 수납되며, 순환펌프(53)와 밸브의 동작으로 각 구성품에 선택적으로 스팀을 이동시키도록 하는 순환관로(50)와;

상기 순환관로(50)의 상부 판형코일관(51)내부 스팀이 열저장탱크(30)에서 가열되어 현열상태(순환관로 내부에서 열 팽창되어 체적이 포화된 상태)로 변화되고, 이 현열스팀을 분사시켜 증기터빈(61)을 구동해 전기를 생산하는 발전기(60)와;

상기 발전기(60)를 통과한 잠열스팀(증기터빈을 구동하고 열 수축되어 체적이 감소된 상태)을 더 열 수축되게 하는 제1 감열부(70a)와;

상기 발전기 또는 제1 감열부(70a)를 통해 열수축된 잠열스팀이 순환관로(50)의 하부 코일순환관(52)을 통해 열저장탱크(30)를 내부를 통과하면서 가열되고, 이 가열된 현열스팀을 열 수축하는 제2 감열부(70b)를 포함한 발전부(20)로 구성되어;

집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열해, 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 터빈을 구동시키면서 열 수축된 잠열스팀을 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급하여 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

또, 상기 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열해, 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열 스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제1 감열부(70a)를 통과하면서 더 열 수축되고, 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급하여 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

또한, 상기 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열해, 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열 스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제2 감열부(70b)를 통과하면서 열 수축시켜, 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

그리고, 상기 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열해, 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열 스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제1 감열부(70a)를 통과하면서 더 열 수축되고, 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급하여 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제2 감열부(70b)를 통과하면서 열 수축시켜, 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

또, 일조 시간 이외에는, 상기 열에너지가 보관된 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)와 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 터빈을 구동시키면서 열 수축된 잠열스팀을 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급하여 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

또한, 상기 열에너지가 보관된 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)와 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되어, 상기 순환관(51)(52)내부를 현열스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 터빈을 구동시키면서 열 수축된 잠열스팀을 제1 밸브(54a)와 제1 감열부(70a)를 통과하면서 더 열 수축되고, 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급하여 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하여 순환하는 것으로 구성된다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명에 의하면, 종래 태양 자오선 정보에 따라 태양전지 모듈을 동작시켜야 하는 동력 및 기구를 사용하지 않고, 고정된 구형상의 고정몸체에 집광렌즈를 다량 설치하여, 이 집광렌즈를 통해 태양의 자오선 방향과 관계없이 태양광을 집열렌즈로 집중시켜 열저장매체와 스팀을 가열해 전기를 생산하도록 할 수 있다.

또, 다수개의 집광렌즈를 통해 태양광을 집중시켜 집열렌즈로 고열을 발생시키고, 이 열에너지로 열저장매체와 스팀을 가열함으로써, 일조시간이 부족한 지역에서도 사용가능하여 상품성이 우수하다.

따라서, 태양광의 발전효율을 향상시켜 경제성이 증대되고, 자연환경에 이바지 할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명인 태양열 에너지를 이용한 전기 발전 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 집광렌즈를 확대 도시한 단면도.
도 3 내지 도 6은 일조시간에서의 실시 예를 도시한 개략도.
도 7 내지 도 8은 일조시간 이외의 실시 예를 도시한 개략도.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명인 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템은, 일조시간에는 태양열이 집광렌즈를 통해 집열렌즈로 집중되어, 상기 집열렌즈가 열저장매체와 잠열 상태인 스팀을 가열해 현열상태를 갖게 하여, 스팀의 압력분사에 따라 발전기를 구동하고, 그 외 시간에는 열저장매체가 수용된 열 저장탱크에서 잠열 스팀을 가열해 발전기를 구동시켜 발전할 수 있도록 한 것이다.

우선, 도 1에서와 같이 본 발명의 전체적인 구성은, 지상에 노출되어 태양광을 집중시켜 열 에너지가 발생되는 집광부(10)와, 지표면 아래에 설치되어 상기 집광부(10)를 순환하며 열에너지를 보관 및 이를 재사용하여 전기를 생산하는 발전부(20)로 크게 구성된다.

상기 집광부(10)는, 도 2에서와 같이 구형상을 갖는 고정몸체(11)가 그물눈이 있는 메쉬망 형상으로 제작되어, 상기 그물눈에 각각의 집광렌즈(12)를 결합하게 되며, 상기 집광렌즈(12) 결합 고정 시에 각각 태양광을 고정몸체(11) 하단부로 집중시킬 수 있게 고정하는 것이 중요하다.

그리고, 고정몸체(11)는 이중의 메쉬망을 갖고 집광렌즈(12)의 상단부와 하단부를 고정하도록 하여, 거친 자연환경에서도 상기 고정된 집광렌즈(12)의 위치가 유동되지 않게 하는 것이 좋다.

이때, 상기 집광렌즈(12)는 원뿔형 몸체를 갖고 상부 또는 상, 하부에 모두 볼록 렌즈가 형성되게 하며, 원뿔형 몸체 내경에 하부로 빛을 반사시키도록 반사면을 갖게 구성한다.

그리고, 상기 고정몸체(11)의 하단부에는, 집열렌즈(13)가 설치되어 다수개의 집광렌즈(12)를 통해 집중된 열에너지를 통과시키면서 집광부(10) 하단에 구성된 열저장매체(40)에 밀도가 높은 열에너지를 전달하게 된다.

따라서, 상기 집광부(10)를 통해 태양광이 열 에너지로 전환하고, 지표면 아래에 설치된 발전부(20)에서 상기 열 에너지를 이용해 전기를 생산하도록 한다.

상기 발전부(20)는 크게 열저장매체(40)를 수용한 열저장탱크(30)와, 발전기(60), 제1, 제2 감열부(70a)(70b), 순환펌프(53), 순환관로(50)로 구성되며, 각 구성품과 연결된 순환관로(50)는 밸브에 의해 스팀의 이동을 단속할 수 있게 구성된다.

이때, 상기 순환관로(50)는, 열저장탱크(30) 내부에서 상부 판형코일관(51)과, 하부 코일순환관(52)으로 적층 수납되게 하며, 관로를 따라 제 1, 제2, 제3, 제4 밸브(54d)가 각각 구비되어져 상기 밸브를 통해 순환하는 스팀의 이동방향을 조정할 수 있도록 하였다.

또, 상기 밸브에는 순환관로(50) 내부온도를 감지하는 열감지 센서(미도시)가 구비되어 있어, 센서의 설정온도에 따라 순환관로(50)를 따라 이동하는 스팀의 이동방향을 조정하게 된다.

따라서, 순환펌프(53)의 동작으로 순환관로(50)를 따라 이동하는 스팀이, 상기 밸브의 개폐여부에 따라 각 구성품으로의 이동을 단속할 수 있으며, 일조시간 및 그 이외의 시간을 감지하여 스팀 순환단계를 조정할 수 있게 된다.

상기에서 열저장탱크(30)는, 열저장매체(40)가 내부에 충진된 상태에서, 집열렌즈(13)를 통해 밀도높은 열에너지가 열저장매체(40)에 직접 전달되어 가열되는 것으로, 상기 탱크 내부에 순환관로(50)의 상부 판형코일관(51)과 하부 코일순환관(52)이 열저장매체(40)사이에 코일형상을 갖고 상,하부로 수납되어져 열저장매체(40)와 열교환 효율을 증대시키게 하였다.

이와 같은, 열저장탱크(30)는 몸체 내부가 고온, 고압상태를 유지할 수 있도록 함과 아울러 외부로 열이 발산되는 것을 방지하여 장시간 내부에서 열을 보관할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 열저장탱크(30) 내부에서 열저장매체(40)를 통해 먼저 상부 판형코일관(51)이 가열되며, 상단부와 수평한 코일형상으로 인해 열교환이 쉽고 빠르게 이루어진다.

그리고, 상기 집광렌즈(12), 집열렌즈(13), 열저장탱크(30), 순환관로(50)은 고온을 견딜 수 있는 내열 재료, 예컨대 세라믹, 세라믹으로 피복된 합금, 실리콘 카바이드, 알루미나, 특별한 종류의 스테인레스강, 니켈 합금 등의 재료로 제조된다.

또, 열저장매체(40)는, 집열렌즈(13)에 의해 직접적인 열교환으로 열을 흡수하는 재질로 구비되며, 일 예로 대기압에서 안정적이며 높은 융점을 가지면서 상대적으로 높은 비열 및 융해열을 가지는 소금 등이 사용된다.

이러한 물질은 그 온도가 융접으로 상승할 때까지 열을 흡수하고, 높은 융해열로 인하여 단위 중량 당 다량의 열을 흡수할 수 있어서, 에너지 저장에 대하여 매우 효율적인 수단이 된다.

상기 예로 든 소금은, 단지 하나의 가능한 물질일 뿐이고, 다른 열에너지 저장물질로, 이미다졸, 염화이미다졸륨(imidazolium chloride), 2-아세틸 피롤 또는 테트라메틸 피롤과 같은 피롤 유도체, 또는 다른 유사한 화합물들과 같이 이들 물질 외의 다른 2개 이상의 성분으로 된 혼합물질을 이용할 수 있는 것으로, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 인식될 수 있는 적절한 열에너지 저장 물질도 사용이 가능하다.

그리고, 상기 발전기(60)는, 순환관로(50)내의 스팀이 집열렌즈(13)와 열저장탱크(30)에서 가열되어진 현열상태(순환관로 내부에서 열 팽창되어 체적이 포화된 상태)로 공급 분사시켜, 몸체 내부의 증기터빈(61)을 구동해 전기를 생산하게 한다.

또, 제1, 제2 감열부(70a)(70b)는, 스팀의 온도를 냉각시켜 체적이 감소되게 한 것으로, 순환관로(50)내부 전체가 현열상태인 상태에서는 스팀의 이동이 제한되지만, 이 현열상태인 스팀을 잠열상태(스팀이 열 수축되어 체적이 감소된 상태)로 변화시켜, 상기 순환관로 내부를 따라 스팀이 이동가능하다.

상기 감열부(70a)(70b)의 구성은, 몸체 상단부에 잠열스팀을 공급받아 몸체 내에 수용된 물 또는 스팀이 몸체 중앙을 따라 상승되면서 배출되는 구조를 갖도록 한 것으로, 몸체 내부에 여유공간을 두어 순환관로(50) 내부로의 유체 충전 및 안전수단을 갖게 한 것이다.

즉, 상기 순환관로(50)의 상부 판형코일관(51)을 따라 스팀이 이동하면서 열저장탱크(30)의 열저장매체(40)에 열교환되어 현열상태를 갖고 발전기(60)의 증기터빈(61)에 공급되어지며, 이 현열스팀을 노즐로 분사시켜 증기터빈(61)을 구동해 전기를 생산할 수 있게 한 것이다.

이때, 상기 감열부(70a)(70b)는 지표면 아래에 설치되는 것이 일반적이나, 순환관로(50) 및 감열부로의 유체 충전 및 수리 등의 작업을 위해 일정부분 외부로 노출되게 하는 것도 바람직하다.

그리고, 상기 발전기(60)의 증기터빈(61)을 구동하면 현열스팀은 잠열을 갖고 상태변화(기체에서 액체)된 상태로, 제1 밸브(54a)를 통해 제2 밸브(54b) 및 제1 감열부(70a)로 선택 이동된다.

이와 같은 태양열 에너지를 이용한 전기생산 시스템의 구성을 갖고 전기를 생산하기 위한 단계를 자세히 설명하면 다음과 같다.

우선 일조시간에 대해 설명하면, 도 3에서와 같이, 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열해, 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열 교환되게 하면, 상기 판형코일관(51) 및 코일순환관(52)내부는 현열스팀을 갖게 된다.

그리고, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고 난 후, 터빈을 구동시키면서 열 수축된 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하게 구성된다.

이때, 상기 제1 밸브(54a)를 통해 발전기(60)에서 배출되는 잠열스팀의 온도를 설정온도 이하이면, 제2 밸브(54b)를 통해 바로 하부 코일순환관(52)에 공급되게 한 것으로, 주로 일조시간 초기 및 구름에 가려져 집광부(10)를 통해 열저장매체(40)를 가열해도 그 온도가 비교적 낮은 상태에서 사용되는 단계이다.

그리고, 도 4에서와 같이 집광부(10)를 통해 열저장매체(40)가 비교적 높은 온도로 가열된 상태에서는 도 4로 전환된다.

즉, 도 1과 같이 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀의 온도가 설정온도 이상이면, 제1 밸브(54a)에서 제1 감열부(70a)로 이동되게 하며, 상기 제1 감열부(70a)를 통과하면서 잠열스팀을 더 열 수축시키게 한다.

이때, 상기 제1 감열부(70a)를 통해 더 열 수축된 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하게 되면, 도 1과 비교해 열저장매체(40)에 저장된 열 에너지와 더 많이 열 교환됨으로써, 열저장탱크(30)의 내부온도를 낮춰 안전사고를 방지할 수 있는 효과도 있다.

또, 이와 같은 도 4에서는 집광부(10)를 통해 높은 온도로 열저장매체(40)가 가열 및 보관되므로, 제 1감열부(70a)를 통해 공급된 잠열스팀이 하부 코일순환관(52)과 상부 판형코일관(51)을 통과하면서도 충분한 현열스팀으로 전환될 수 있는 것이다.

그리고, 도 5은 일조시간 중에 집광부(10)가 일정시간 구름에 가려져 열 에너지공급이 원활하지 않거나, 열저장탱크(30) 내부온도가 설정온도 이상으로 상승되는 것을 방지하기 위한 것이다.

즉, 도 4에서는 상기 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열하는 열에너지 공급은 부족하지만, 상기 열저장탱크(30)내부 온도가 설정온도보다 높은 상태에서는, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀의 온도가 설정온도 이하이면, 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하면서, 열저장탱크(30) 내부온도를 냉각시킬 수 있도록 하였다.

그리고, 상기 하부 코일순환관(52)을 통해 가열된 현열스팀은 제3 밸브(54c)에서 제2 감열부(70b)로 이동되게 하여 잠열스팀으로 변화시키고, 이 잠열스팀이 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하게 구성하였다.

따라서, 상부 판형코일관(51)에서 열저장매체(40)와 다시 열교환되면서, 현열스팀으로 전환되며, 열저장탱크(30)의 내부온도를 더 냉각시킬 수 있도록 한 안전 순환단계를 갖는 것이다.

그리고, 도 6은 일조시간 중에 집광부(10)를 통해 열 에너지공급이 충분하고, 열저장탱크(30) 내부온도가 설정온도 이상으로 상승되는 것을 방지하기 위한 것이다.

즉, 도 6에서는 상기 집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열하는 열에너지 공급이 충분한 상태에서, 상기 열저장탱크(30) 내부 온도가 설정온도보다 높아져 안전사고가 발생되는 것을 미연에 방지하기 위한 것으로, 그 동작은 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 이 잠열스팀이 제1 밸브(54a)에서 제1 감열부(70a)로 이동하여, 상기 제1 감열부(70a)를 통과하면서 잠열스팀을 더 열 수축시키게 한다.

그리고, 상기 제1 감열부(70a)를 통해 더 열 수축된 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하게 되면, 열저장매체(40)에 저장된 열 에너지와 더 많이 열 교환됨으로써, 열저장탱크(30)의 내부온도를 1차적으로 냉각시키게 된다.

그리고, 상기 하부 코일순환관(52)을 통해 가열된 현열스팀은 제3 밸브(54c)에서 제2 감열부(70b)로 이동하여 잠열스팀으로 다시 변화되고, 이 잠열스팀이 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급되도록 구성하였다.

따라서, 상부 판형코일관(51)에서 열저장매체(40)와 다시 열교환되면서, 현열스팀으로 전환되며, 열저장탱크(30)의 내부온도를 2차로 더 냉각시킬 수 있도록 한 안전 순환단계이다.

그리고, 일조 시간 이외에 본 발명의 시스템 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선 일조시간 이외에는, 집광부(10)를 통한 열에너지의 공급이 제한된 상태에서, 열저장탱크(30) 내부에 보관된 열에너지를 이용해 전기를 생산할 수 있게 한 것으로, 상기 일조시간 및 그 이외의 시간에 따라 상기 열저장탱크(30)의 용량은 조정할 수 있다.

도 7은 도 1과 동일한 순환라인을 갖고 있으나, 열저장탱크(30)내에 보관된 열저장매체(40)의 열 에너지만으로 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열 교환되게 한다.

그리고, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고 난 후 , 터빈을 구동시키면서 열 수축된 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하며, 이 현열스팀을 제3 밸브(54c)와 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급하게 구성된다.

이와 같은 순환구성은, 일조시간 이외에 주로 사용되어 전기를 생산하는 것으로, 상기 순환구성의 작동시간은 열저장탱크(30) 및 열저장매체(40)에 따라 조정가능하다.

그리고, 도 8에서와 같이 일조시간 직후에 열저장탱크(30)의내부 온도가 가열된 상태에서 이를 보호하기 위한 안전 순환단계를 나타낸 것으로, 도 4와 같은 순환라인을 갖게 구성한다.

따라서, 상기 제1 감열부(70a)를 통해 더 열 수축된 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하게되면, 도 3과 비교해 열저장매체(40)에 저장된 열 에너지와 더 많이 열 교환됨으로써, 열저장탱크(30)의 내부온도를 낮춰 안전사고를 방지할 수 있는 효과도 있다.

이와 같이 본 발명은 일조시간에 태양광의 열에너지를 보관해 주, 야간에 모두 전기를 생산할 수 있도록 하면서도, 단위면적에 대하여 생성되는 전기출력이 증가하므로 전기출력 단가를 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 - 집광부 11 - 고정몸체
12 - 집광렌즈 13 - 집열렌즈
20 - 발전부 30 - 열저장탱크
40 - 열저장매체 50 - 순환관로
51 - 상부 판형코일관 52 - 하부 코일순환관
60 - 발전기 61 - 증기터빈
70a - 제1 감열부 70b - 제2 감열부

Claims (7)

1. 그물눈이 있는 메쉬망 형상을 갖고 지상에 노출되는 상단부가 구 형상으로 형성된 고정몸체(11)와;
   상기 고정몸체(11)의 그물눈에 각각 결합되어, 태양광을 고정몸체(11) 하단부로 집중시키는 집광렌즈(12)와;
   상기 고정몸체(11)의 하단부에 설치되어, 집광렌즈(12)를 통해 집중된 열에너지의 밀도를 증가시켜 몸체 하부에 열 전달하는 집열렌즈(13)로 구성된 집광부(10)와;
   상기 고정몸체(11)의 하단부와 결속 되고, 몸체 내부로 열저장매체(40)가 충진되어, 집열렌즈(13)를 통해 전달된 열 에너지로 열저장매체(40)를 가열 및 보관하는 열저장탱크(30)와;
   상기 열저장탱크(30) 내에서 상부 판형코일관(51)과, 하부 코일순환관(52)으로 적층 수납되며, 순환펌프(53)와 밸브의 동작으로 각 구성품에 선택적으로 스팀을 이동시키도록 하는 순환관로(50)와;
   상기 순환관로(50)의 상부 판형코일관(51)내부 스팀이 열저장탱크(30)에서 가열되어 현열상태로 변화되고, 이 현열스팀을 분사시켜 증기터빈(61)을 구동해 전기를 생산하는 발전기(60)와;
   상기 발전기(60)를 통과한 잠열스팀을 더 열 수축되게 하는 제1 감열부(70a)와;
   상기 발전기 또는 제1 감열부(70a)를 통해 열수축된 잠열스팀이 순환관로(50)의 하부 코일순환관(52)를 통해 열저장탱크(30)를 내부를 통과하면서 가열되고, 이 가열된 현열스팀을 열 수축하는 제2 감열부(70b)를 포함한 발전부(20)로 구성된 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템에 있어서,
   상기 집광부(10)를 통해 상기 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열하여 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환 되게 하여, 내부에 현열스팀을 갖게 하며, 상부 판형코일관(51)을 통해 배출된 현열스팀이 증기터빈(61)을 구동시켜 전기를 생산하고, 잠열스팀이 제1 밸브(54a)와 제1 감열부(70a)를 통과하면서 더욱 더 열 수축되고, 이 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체(40)와 열 교환하며, 상기 하부 코일순환관(52)을 통해 가열된 현열스팀은 제3 밸브(54c)와 제2 감열부(70b)를 통과하면서 열 수축되어, 제4 밸브(54d)를 통해 상부 판형코일관(51)으로 공급되어 순환하는 것을 특징으로 한 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템.
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