KR20130143217A

KR20130143217A - 태양열 발전 시스템

Info

Publication number: KR20130143217A
Application number: KR1020120066541A
Authority: KR
Inventors: 김성안
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-31

Abstract

태양열 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 태양열 발전 시스템은, 태양열의 열에너지를 이용한 발전 시스템에 있어서, 복수의 렌즈로 태양광을 집광하여 열에너지의 밀도를 증가시키는 집광부; 집광부에서 열에너지를 전달받아 열매체를 가열하고 열매체와 열 교환으로 증기를 형성시켜 전기를 생산하는 발전부; 및 과열 방지를 위해 발전부의 온도를 측정하면서 복수의 렌즈에 대한 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하여 발전부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함한다.

Description

태양열 발전 시스템{Electricity Generation System Using Solar Energy}

본 발명은 태양열 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열매체 또는 증기의 온도를 측정하여 차단막과 개폐식 댐퍼를 통해 온도를 조절함으로써 과열을 방지할 수 있는 태양열 발전 시스템에 관한 것이다.

태양열 기술은 태양으로부터의 복사광선을 흡수하여 열에너지로 변환시켜 냉난방, 산업공정 열, 열 발전 등에 활용하는 기술이다.

태양열 시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라 자연형(Passive) 시스템과 설비형(Active) 시스템으로 구분된다. 전자는 온실, 트롬 월(Trombe wall)과 같이 창문이나 벽면 등, 주로 건축 구조물을 활용하여 태양열을 집열해서 이용하며, 후자는 집열기를 별도로 설치하여 펌프와 같은 열매체 구동장치를 활용해서 태양열을 집열하는 시스템으로써 이를 흔히 태양열 시스템이라 한다.

태양열 시스템은 보통 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치 등으로 구성된다.

그 중에서 집열부는 태양으로부터의 에너지를 모아 열로 변환하는 부분인데, 일반적으로 태양열 집열기를 포함한다. 태양열 집열기는 여러 가지 종류가 있는데, 몇 가지 예를 들어보면 평판형 집열기, 진공관형 집열기, PTC(Parabolic Trough Concentrator)형 집열기, CPC(Compound Parabolic Concentrator)형 집열기, Dish형 집열기 등이 있다. 시스템의 이용분야나 시스템의 활용온도, 설치면적 등을 고려하여 적절한 태양열 집열기가 선택된다.

태양열 시스템의 이용분야를 중심으로 분류하면 태양열 온수급탕시스템, 태양열 냉난방 시스템, 태양열 산업공정열 시스템, 태양열 발전 시스템 등이 있다.

그 중 태양열 발전 시스템은, 태양광을 집광하고 집열하여 이를 이용하여 발전하는 시스템이다.

태양열 발전은 발전용량을 극대화하기 위해 태양의 자오선 방향에 수직으로 태양의 위치를 따라가는데, 방향 변경 방법에 따라 태양 추적형, 반 추적형, 고정형 태양전기 시스템으로 나누어진다.

우선 추적형 시스템(Tracking array)은 태양열 발전 시스템의 발전효율 극대화를 위한 방식으로, 직사광선이 태양전지판의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력이나 기기조작으로 태양의 위치를 추적하는 방식이다.

반 추적형 시스템(semi-tracking array)은 태양전지 어레이 경사각을 계절 또는 월별로 상하 위치를 변화시키는 방식인데, 대개 사계절에 한 번씩 어레이 경사각을 변화시킨다.

반 추적형 시스템은 고정형과 추적형 시스템의 중간 방식으로, 고정형 시스템에 비해 20% 가량 발전량이 증가한다.

마지막으로 고정형 시스템은, 가장 저렴하고 안정된 구조로써 비교적 설치 면적의 제한이 없는 곳에 많이 적용되나 발전효율이 상대적으로 낮다.

태양광 발전 시스템에는 태양전지 모듈(Photovoltaic Module)이 사용되는데, 주로 평판형으로 이루어진다. 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 스트링을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 전력을 생산할 수 있도록 구성된다.

태양광이 조사되면 태양전지 모듈은 태양전지 스트링들을 이루는 각 태양전지 셀들의 광전효과에 의하여 직류 전기를 생산하고, 생산된 직류 전기는 직접 사용되거나 인버터를 통해 교류전기로 변환되어 사용된다.

한편, 평판형 태양전지 모듈의 태양전지 셀들은 주로 고가의 반도체 소재인 규소(Si)를 사용하고 있어, 반도체 규소(Si)의 가격이 모듈 단가 구성의 50% 이상을 차지한다. 따라서 태양전지 모듈의 단가를 줄이거나 동일 출력에 대해 태양 전지의 설치 면적을 줄일 수 있는 방안이 요구되며, 그 해결 방안으로 태양광을 집속하여 광밀도를 증가시키는 광집속 장치를 접목시킨 광집속형 태양전지 모듈이 제안되고 있다.

태양광을 집속하여 태양열 발전을 하는 시스템으로, 도 1에 도시된 출원번호 제10-2011-0118649호(등록번호 제10-1120906호)의 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템(이하 선행 발명이라 함)을 들 수 있다.

선행 발명의 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템은, 그물눈이 있는 메쉬망 형상을 갖고 지상에 노출되는 상단부가 구 형상으로 형성된 고정몸체(11)와; 고정몸체의 그물눈에 각각 결합되어 태양광을 고정몸체(11) 하단부로 집중시키는 집광렌즈(12)와; 고정몸체(11)의 하단부에 설치되어 집광렌즈(12)를 통해 집중된 열에너지의 밀도를 증가시켜 몸체 하부에 열 전달하는 집열렌즈(13)로 구성된 집광부(10)와; 고정몸체(11)의 하단부와 결속되고 몸체 내부로 열저장매체(40)가 충진되어, 집열렌즈(13)를 통해 전달된 열 에너지로 열저장매체(40)를 가열 및 보관하는 열저장탱크(30)와; 열저장탱크(30) 내에서 상부 판형코일관(51)으로 적층 수납되며, 순환펌프(53)와 밸브의 동작으로 각 구성품에 선택적으로 스팀을 이동시키도록 하는 순환관로(50)와; 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; 발전기(60)를 통과한 잠열스팀을 더 열 수축되게 하는 제1 감열부(70a)와; 발전기 또는 제1 감열부(70a)를 통해 열 수축된 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 구성된 태양열 열에너지를 이용한 전기 발전 시스템에 있어서,

집광부(10)를 통해 열저장탱크(30)내의 열저장매체(40)를 가열하여 탱크 내부의 상부 판형코일관(51) 및 하부 코일순환관(52)과 열교환되게 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 더욱더 열 수축되고, 이 잠열스팀이 제2 밸브(54b)를 통해 하부 코일순환관(52)으로 공급되어 열저장매체와 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 한다.

이러한 선행 발명은 고정식 태양광 발전 설비이면서 일조시간에는 집광렌즈를 통해 집열렌즈로 태양광이 집중되게 하여 집열렌즈를 통해 열저장매체와 순환스팀을 가열해 가열된 스팀의 분사압력으로 발전기를 구동시켜 전기를 생산하고, 태양 빛이 가려지거나 없는 상태에서는 일조시간에 집열렌즈를 통해 가열된 열저장매체로 스팀을 가열해, 이 스팀의 분사압력으로 증기터빈을 구동시킴에 따라 발전기를 통하여 전기를 생산한다.

선행 발명은 구형상의 집광렌즈를 연속 배열하여, 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 제공한다.

이러한 선행 발명은 몇 가지 문제를 지닌다.

우선 순환펌프(53)의 위치가 문제된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선행 발명의 순환 펌프(53)는 코일순환관(52)의 상부에 위치한다. 이러한 선행 발명은 순환 펌프의 입구 측에 코일들이 여러 번 감겨 있어서, 펌프가 유체를 흡입할 때에 유동 저항이 상대적으로 높으므로 흡입이 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 유효 흡입 수두를 제공해 주기가 어렵다.

다음으로 코일순환관(52)의 배관구조가 문제된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선행 발명의 코일순환관은 제1 감열부(70a)를 거쳐 열저장탱크(30)의 상부에서 하부로 내려왔다가 다시 상부로 향하도록 되어 있는데, 이러한 배관 구조는 유동저항이 커서 에너지가 손실되고, 이로 인해 순환펌프(53)가 많은 에너지를 필요로 하게 된다.

또한 선행 발명은 코일순환관(52)에서 열교환된 증기가 제2 감열부(70b)를 지나면서 냉각되어, 건도 또는 과열도가 낮아지거나 과열 증기가 습증기로 바뀌게 되며 엔탈피가 낮아지게 되므로 발전기의 출력이 낮아지는 점 또한 문제된다.

한국특허등록공보 제10-1120906호 (2012. 1. 30)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 발명에 존재하는 문제점을 해결함으로써 선행 발명을 개선한 시스템을 제공하고자 하는 것으로서, 태양열 발전 시스템의 열매체 또는 증기의 온도를 측정하여, 렌즈에 조사되는 태양광을 차단막으로 차단하여 온도를 조절함으로써 열매체 또는 증기의 불필요한 과열을 방지할 수 있는 태양열 발전 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 태양열의 열에너지를 이용한 발전 시스템에 있어서,

복수의 렌즈로 태양광을 집광하여 열에너지의 밀도를 증가시키는 집광부;

상기 집광부에서 열에너지를 전달받아 열매체를 가열하고 상기 열매체와 열 교환으로 증기를 형성시켜 전기를 생산하는 발전부; 및

과열 방지를 위해 상기 발전부의 온도를 측정하면서 상기 복수의 렌즈에 대한 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하여 상기 발전부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 태양열 발전 시스템이 제공된다.

상기 온도 조절부는 모터로 구동되며 상기 집광부에 전달되는 태양광을 차단하는 적어도 하나의 차단막과, 모터로 구동되며 통풍을 통해 상기 발전부의 온도를 조절하는 개폐식 댐퍼(damper)와, 상기 발전부의 주위에 마련되어 상기 열매체 또는 증기의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에서 측정된 온도를 기준으로 상기 차단막 또는 상기 개폐식 댐퍼를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 집광부는 표면이 메쉬(mesh) 형태를 띠며 지상에 노출된 반구 형상의 고정 몸체와, 상기 고정 몸체에 마련된 복수의 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에서 전달된 태양광의 열에너지의 밀도를 증가시키는 집열 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 발전부는 상기 고정 몸체의 하부와 연결되는 열전달 탱크와, 상기 열전달 탱크의 내부에 충진되어 상기 집열 렌즈로부터 열에너지를 공급받아 가열되는 열매체와, 물이 흐르며 상기 열매체와 열교환하여 증기를 형성하는 열교환용 튜브와, 상기 열교환용 튜브에서 증기를 공급받아 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 터빈 발전기를 포함할 수 있다.

상기 발전부는 상기 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수(復水)하는 복수기와, 상기 복수기에서 생성된 물을 상기 열교환용 튜브로 펌핑하는 급수 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 차단막은 상기 복수의 집광 렌즈의 상부에 마련됨으로써, 상기 적어도 하나의 차단막이 제어부의 신호에 의해, 하부에 배열된 상기 복수의 집광 렌즈 중 적어도 일부에 입사되는 태양광을 차단할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 태양열의 열에너지를 이용한 발전 방법에 있어서,

1) 복수의 렌즈로 태양광을 집광하고 열에너지의 밀도를 증가시키는 단계;

2) 밀도가 증가된 열에너지를 전달받아 탱크에 마련된 열매체를 가열하고, 열매체와의 열교환으로 증기를 형성하여 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 단계; 및

3) 터빈을 구동시키고 배출되는 상기 증기를 복수하고 상기 열매체와의 열교환을 위해 상기 탱크로 순환시키는 단계를 포함하되,

상기 복수의 렌즈에 전달되는 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하고, 상기 열매체가 마련된 탱크에 댐퍼를 구비하여 통풍시킴으로써, 상기 열매체 또는 상기 증기의 과열을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 태양열 발전 방법이 제공된다.

본 발명의 태양열 발전 시스템은, 열매체 또는 증기의 온도를 측정하여, 렌즈에 조사되는 태양광을 차단막으로 차단하여 온도를 조절함으로써 열매체 또는 증기의 과열을 방지할 수 있어, 과열로 인한 시스템의 열화 및 수명단축을 방지할 수 있다.

도 1은 선행 발명의 태양열 에너지를 이용한 전기 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에서 집광 렌즈를 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 태양열 발전 시스템에서 차단막에 의해, 집광렌즈로 조사되는 태양광이 차단되는 개념을 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 시스템은, 태양열의 열에너지를 이용한 발전 시스템에 있어서, 복수의 렌즈로 태양광을 집광하여 열에너지의 밀도를 증가시키는 집광부(100)와, 집광부(100)에서 열에너지를 전달받아 열매체(220)를 가열하고 열매체(220)와 열 교환으로 증기를 형성시켜 전기를 생산하는 발전부(200)와, 과열 방지를 위해 발전부(200)의 온도를 측정하면서 복수의 렌즈에 대한 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하여 발전부(200)의 온도를 조절하는 온도 조절부(300)를 포함한다.

집광부(100)는 태양광을 집광하고 이를 열에너지로 변환한 후, 열에너지의 밀도를 증가시켜 발전부(200)로 전달하는 기능을 한다.

열에너지를 전달받은 발전부(200)에서는 이를 통해 열매체(220)를 가열하고, 가열된 열매체(220)와 열 교환을 통해 증기가 형성된다. 형성된 증기를 이용하여 전기가 생산된다.

온도 조절부(300)는 모터로 구동되며 집광부(100)에 전달되는 태양광을 차단하는 적어도 하나의 차단막(310)과, 모터로 구동되며 통풍을 통해 발전부(200)의 온도를 조절하는 개폐식 댐퍼(damper, 320)와, 발전부(200)의 주위에 마련되어 열매체(220) 또는 증기의 온도를 측정하는 온도 센서(330)와, 온도 센서(330)에서 측정된 온도를 기준으로 차단막(310) 또는 개폐식 댐퍼(320)를 제어하는 제어부(340)를 포함할 수 있다.

열매체(220)는 집광과 집열 과정을 거친 태양열로 지속적으로 가열되며, 열 교환을 통해 증기를 형성하는 과정에서 냉각된다. 그러나 증기 형성 과정에서 손실되는 열 에너지보다 집광부(100)로부터 공급받는 열 에너지의 양이 많은 경우, 열매체(220)는 계속해서 온도가 상승하게 되며, 이에 따라 형성되는 증기도 과열된다.

증기는 열교환을 통해 건도가 높아지고, 과열 증기로 변환될 수 있다. 여기서 과열 증기란 다음과 같다. 압력이 일정한 상태에서 액체를 가열하면 온도가 올라가고, 일정온도에 달하면 증발하기 시작하고, 이를 다시 가열하더라도 전부가 증발할 때까지는 온도가 변하지 않고 액체와 증기가 공존한다. 이것을 습윤포화증기라 하고, 전부 증기로 상 변화된 것을 건조포화증기라 한다. 건조포화증기를 다시 가열하면 증기의 온도는 상승하는데, 이것을 과열증기라 하며, 과열 증기온도 및 포화 증기온도의 차를 과열도라 한다. 이러한 과열 증기를 이용하면 터빈 등의 출력을 높일 수 있어, 발전에 효과적이다.

그러나 열매체(220)의 온도가 필요 이상의 고온으로 상승하여, 증기가 과도하게 과열되면, 설비의 열화 및 이로 인한 시스템의 수명 단축을 초래할 수 있다.

따라서 설비의 안전성과 내구성을 유지하기 위해, 열매체(220)와 증기가 불필요하게 과열되는 것을 막아야 하는데, 본 발명은 이를 위해 온도 조절부(300)를 구비하였다.

즉, 발전부(200)의 주위에 온도 센서(330)를 마련하여 열매체(220) 또는 증기의 온도를 모니터링하고, 온도 센서(330)에서 측정된 온도를 기준으로 제어부(340)의 제어 하에 차단막(310) 또는 개폐식 댐퍼(320)를 작동시켜 온도를 조절하게 된다.

차단막(310)은 조사되는 태양광을 차단함으로써 열매체(220) 또는 증기가 필요 이상으로 과열되는 것을 예방하고, 개폐식 댐퍼(320)는 열매체(220)가 저장된 탱크에 통풍을 통해 온도를 낮춰준다. 개폐식 댐퍼(320)는 힌지(Hinge)형 또는 슬라이딩 도어형으로 작동하도록 마련될 수 있다.

개폐식 댐퍼(320)의 통풍에 의한 온도 조절 효과를 높이기 위해, 필요한 경우 댐퍼 주위에 송풍기(fan, 미도시)를 추가할 수도 있다.

전기로 작동되는 온도 조절부(300)의 각 구성부분들은 본 실시예의 발전부(200)에서 송전받아 작동될 수 있다.

집광부(100)는 표면이 메쉬(mesh) 형태를 띠며 지상에 노출된 반구 형상의 고정 몸체(110)와, 고정 몸체(110)에 마련된 복수의 집광 렌즈(120)와, 집광 렌즈(120)에서 전달된 태양광의 열에너지의 밀도를 증가시키는 집열 렌즈(130)를 포함할 수 있다.

반구 형상의 고정 몸체(110)는 메쉬 형태로 제작됨으로써 복수의 집광 렌즈(120)가 고정 몸체(110)의 표면에 고정되어 설치되고, 이를 통해 태양 자오선정보에 따라 집광 렌즈(120)의 위치나 입사각을 조절하지 않아도 효과적으로 태양광을 집광 및 집열할 수 있다.

고정 몸체(110)는 야외 환경에서 집광 렌즈(120)를 효과적으로 고정시킬 수 있도록, 도 2에서와 같이 이중 또는 다중의 층상 구조로 제작될 수 있다.

집광 렌즈(120)는, 몸체 부분이 깔때기 또는 원뿔 형태를 띠며, 몸체 상단 또는 상, 하부 양단에 볼록 렌즈를 구비한다. 도 2의 집광 렌즈(12)와 기본적으로 유사할 수 있다. 집광 렌즈(120)의 몸체 내경에는 하부로 태양광을 반사시키도록 반사면을 마련한다.

집열 렌즈(130)는 고정 몸체(110)의 하단에 마련되어, 복수의 집광 렌즈(120)를 통해 집중된 태양열 에너지의 밀도를 높여 발전부(200)의 열매체(220)로 전달한다.

발전부(200)는 고정 몸체(110)의 하부와 연결되는 열전달 탱크(210)와, 열전달 탱크(210)의 내부에 충진되어 집열 렌즈(130)로부터 열에너지를 공급받아 가열되는 열매체(220)와, 물이 흐르며 열매체(220)와 열교환하여 증기를 형성하는 열교환용 튜브(230)와, 열교환용 튜브(230)에서 증기를 공급받아 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 터빈 발전기(240)를 포함할 수 있다.

열전달 탱크(210)는 열에너지를 공급받아 가열되는 열매체(220)를 저장하고 열에너지를 보존해줄 수 있도록, 고온 및 고압에 대한 내구성과 내열성을 지닌 소재로 제작될 수 있다.

열매체(220)는 충분한 열을 흡수하여 저장해 둘 수 있도록, 비열이 높은 물질을 선택할 수 있다. 예를 들어, 대기압에서 안정적이며 융점이 높고, 비열과 융해열이 높은 소금이 사용될 수 있다. 그 외에도 이미다졸, 염화이미다졸륨, 피롤 유도체를 포함하여, 본 분야의 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 적절한 열에너지 저장 물질을 열매체(220)로 사용할 수 있다.

집열 렌즈(130)로부터 열에너지를 공급받아 열매체(220)가 가열되면, 열전달 탱크(210) 내부에 마련된 열교환용 튜브(230) 내로 물이 흐르면서 열매체(220)로부터 열에너지를 공급받아 기화된다. 열교환용 튜브(230)를 흐르며 형성된 증기는 터빈을 가동시키고, 이에 따라 터빈 발전기(240)가 구동되어 전기가 생산된다.

발전부(200)는 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수(復水)하는 복수기(250)와, 복수기(250)에서 생성된 물을 열교환용 튜브(230)로 펌핑하는 급수 펌프(260)를 더 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 급수 펌프(260)를 상대적으로 낮은 위치인 열교환용 튜브(230)의 입구 측에 배치함으로써 선행 발명에 비해 유효 흡입 수두를 확보하기가 용이하다. 또한 작동 유체의 유로가 급격히 변하는 선행 발명의 문제점을 개선하여 유동 저항을 감소시킴으로써, 유동 저항에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 펌프 구동을 위해 모터에서 소모되는 전기에너지를 줄일 수 있다.

적어도 하나의 차단막(310)은 복수의 집광 렌즈(120)의 상부에 마련됨으로써, 적어도 하나의 차단막(310)이 제어부(340)의 신호에 의해, 하부에 배열된 복수의 집광 렌즈(120) 중 적어도 일부에 입사되는 태양광을 차단할 수 있다.

도 4에서 차단막에 의해 집광 렌즈로 조사되는 태양광이 완전히 차단되는 본 실시예의 개념을 개략적으로 도시하였다. 차단막은 일 예로써 태양광을 차단할 수 있는 다양한 태양광 차단 장치가 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

차단막(310)은 복수의 집광 렌즈(120)의 상부에 복수로 마련될 수 있다. 집광 렌즈(120) 별로 차단막(310)을 마련할 수도 있고, 고정 몸체(110)의 반구 표면에 구획을 획정하여 구획 별로 차단막(310)을 마련할 수도 있다. 차단막(310)은 제어부(340)의 신호에 따라, 일부 또는 전부가 작동하여 집광 렌즈(120)로 조사되는 태양광을 차단할 수 있다.

필요에 따라 복수가 아닌 1개의 차단막(310)을 마련하여, 차단막(310)이 집광 렌즈(120)가 마련된 고정 몸체(110)를 덮는 범위를 조절함으로써 태양광의 조사량을 조절할 수도 있다.

제어부(340)의 신호에 의해 차단막(310)이 고정 몸체(110) 상부를 덮을 수 있도록 유도하는 가이드 레일 등의 장치가 필요에 따라 추가될 수 있다.

차단막(310)에 의해 집광 렌즈(120)로 조사되는 태양광이 차단되면, 열매체(220)로 전달되는 열에너지가 감소하여 열매체(220) 또는 증기의 온도를 저하시킬 수 있다. 차단막(310)은 집광 렌즈(120)와 고정 몸체(110) 등, 외부에 노출되어 오염 가능성이 있는 시스템의 구성부분을, 야간이나 기타 태양광을 받지 않는 동안, 외부 오염으로부터 차단할 수 있는 기능도 한다.

차단막(310)은 조사되는 태양광을 차단시켜 열매체(220) 또는 증기의 온도를 조절할 수 있고, 개폐식 댐퍼(320)는 열전달 탱크(210) 내부에 외부 공기를 유입시킴으로써, 보다 신속하게 과열된 열매체(220)를 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 태양열의 열에너지를 이용한 발전 방법에 있어서,

3) 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하고 열매체와의 열교환을 위해 탱크로 순환시키는 단계를 포함하되,

복수의 렌즈에 전달되는 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하고, 열매체가 마련된 탱크에 댐퍼를 구비하여 통풍시킴으로써, 열매체 또는 증기의 과열을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 태양열 발전 방법이 제공된다.

본 실시예에서 댐퍼는 탱크에 설치된 개폐식 장치로서, 통풍을 통해 탱크 내부의 온도를 낮춰주는 역할을 한다. 댐퍼는 다양한 방식으로 작동될 수 있는데, 예를 들어 힌지(Hinge)형 또는 슬라이딩 도어형으로 작동될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 태양열 발전 시스템은, 열매체 또는 증기의 온도를 측정하여, 렌즈에 입사되는 태양광을 차단하거나 개폐식 댐퍼(320)를 통해 열전달 탱크(210) 내부를 통풍시켜 온도를 조절함으로써 과열을 방지하고, 시스템의 온도를 제어할 수 있다.

또한 급수 펌프(260)를 열교환용 튜브(230)의 입구 쪽에 배치하여 열교환용 튜브의 도입에 앞서 물을 펌핑함으로써 선행 발명보다 유효 흡입 수두를 확보하기가 용이하다. 또한 배관 구조를 변경함으로써 유동 저항에 의한 에너지 손실을 막아 펌프의 소모에너지를 감소시킬 수 있고, 증기의 엔탈피 손실을 막아 발전기의 출력을 높일 수 있다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 집광부
110: 고정 몸체
120: 집광 렌즈
130: 집열 렌즈
200: 발전부
210: 열전달 탱크
220: 열매체
230: 열교환용 튜브
240: 터빈 발전기
250: 복수기
260: 급수 펌프
300: 온도 조절부
310: 차단막
320: 개폐식 댐퍼
330: 온도 센서
340: 제어부

Claims

태양열의 열에너지를 이용한 발전 시스템에 있어서,
복수의 렌즈로 태양광을 집광하여 열에너지의 밀도를 증가시키는 집광부;
상기 집광부에서 열에너지를 전달받아 열매체를 가열하고 상기 열매체와 열 교환으로 증기를 형성시켜 전기를 생산하는 발전부; 및
과열 방지를 위해 상기 발전부의 온도를 측정하면서 상기 복수의 렌즈에 대한 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하여 상기 발전부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 태양열 발전 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 온도 조절부는
모터로 구동되며 상기 집광부에 전달되는 태양광을 차단하는 적어도 하나의 차단막;
모터로 구동되며 통풍을 통해 상기 발전부의 온도를 조절하는 개폐식 댐퍼(damper);
상기 발전부의 주위에 마련되어 상기 열매체 또는 증기의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서에서 측정된 온도를 기준으로 상기 차단막 또는 상기 개폐식 댐퍼를 제어하는 제어부를 포함하는 태양열 발전 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 집광부는
표면이 메쉬(mesh) 형태를 띠며 지상에 노출된 반구 형상의 고정 몸체;
상기 고정 몸체에 마련된 복수의 집광 렌즈; 및
상기 집광 렌즈에서 전달된 태양광의 열에너지의 밀도를 증가시키는 집열 렌즈를 포함하는 태양열 발전 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 발전부는
상기 고정 몸체의 하부와 연결되는 열전달 탱크;
상기 열전달 탱크의 내부에 충진되어 상기 집열 렌즈로부터 열에너지를 공급받아 가열되는 열매체;
물이 흐르며 상기 열매체와 열교환하여 증기를 형성하는 열교환용 튜브; 및
상기 열교환용 튜브에서 증기를 공급받아 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 터빈 발전기를 포함하는 태양열 발전 시스템.
제 4항에 있어서, 상기 발전부는
상기 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수(復水)하는 복수기; 및
상기 복수기에서 생성된 물을 상기 열교환용 튜브로 펌핑하는 급수 펌프를 더 포함하는 태양열 발전 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 차단막은 상기 복수의 집광 렌즈의 상부에 마련됨으로써,
상기 적어도 하나의 차단막이 제어부의 신호에 의해, 하부에 배열된 상기 복수의 집광 렌즈 중 적어도 일부에 입사되는 태양광을 차단할 수 있는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 시스템.
태양열의 열에너지를 이용한 발전 방법에 있어서,
1) 복수의 렌즈로 태양광을 집광하고 열에너지의 밀도를 증가시키는 단계;
2) 밀도가 증가된 열에너지를 전달받아 탱크에 마련된 열매체를 가열하고, 열매체와의 열교환으로 증기를 형성하여 터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 단계; 및
3) 터빈을 구동시키고 배출되는 상기 증기를 복수하고 상기 열매체와의 열교환을 위해 상기 탱크로 순환시키는 단계를 포함하되,
상기 복수의 렌즈에 전달되는 태양광을 적어도 하나의 차단막으로 차단하고, 상기 열매체가 마련된 탱크에 댐퍼를 구비하여 통풍시킴으로써, 상기 열매체 또는 상기 증기의 과열을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 태양열 발전 방법.