KR100920796B1 - 태양 복사열의 전자파를 집속하여 이용한 축열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치에 관한 것으로, 넓은 지표면에 조사되는 태양 복사열의 전자파에너지를 전자파 상태로 유지하면서 열에너지로 변환 및 축열하고서, 축열된 열에너지를 필요시에 사용할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 태양 복사열의 전자파를 집속하는 전파 반사판과, 모아진 전파에너지를 유도안내하는 웨이브가이드, 웨이브가이드를 따라 이송된 전자파에너지를 다른 유형의 열에너지로 변환 및 저장하는 변환축열부 및, 상기 변환축열부 내에서 축열된 열에너지를 일반적으로 사용할 수 있게 하는 에너지공급부로 이루어져 있다.

이러한 구조의 축열장치는 전파 반사판과 변환축열부 사이의 설치간격이 상당히 멀리 떨어져 있어도 웨이브가이드를 수단으로 하여 전파 반사판으로 집결된 태양 복사열을 변환축열부까지 전자파 상태로 유지하면서 안내할 수 있기 때문에 태양열 이용효율을 최대로 향상시킬 수 있다.

Description

태양 복사열의 전자파를 집속하여 이용한 축열장치 {Thermal storage unit using electron wave of solar radiation}

본 발명은 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치에 관한 것으로, 넓은 지표면에 조사되는 태양 복사열의 전자파에너지를 열에너지로 변환 및 축열하고, 축열된 열에너지를 필요시에 사용할 수 있도록 하는 축열장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양열 혹은 태양광 주택에 활용되는 종래의 태양열 이용기술은 주로 집열판을 수단으로 하여 태양열을 집열한다. 이렇게 집열된 열에너지가 물과 같은 상변환 물질을 통해 열 사용기기에 공급되는 기술이다. 근래에는, 태양광 발전용 반도체에 의거하여 직접 전기를 생산하고, 그 전기를 가정용으로 사용할 뿐만 아니라 여분의 전기를 전기회사(한국전력공사)에 판매하고 있다.

전술된 바와 같이, 종래의 태양열 이용기술은 집열이송기술 상의 문제로 주택 이외에도 가로등의 전원으로 사용될 정도의 소규모 발전용으로만 사용되고 있는 게 현실이다. 즉, 현재의 기술은 열손실이 크고 이송장치의 설치비용이 태양열 이용효율과 대비하여 경제성이 현저하게 떨어진다.

덧붙여서, 광발전용 반도체 소자가 빛(태양광)을 전기로 변환하는 정도는 현재 10% 대에 머물고 있어 매우 비효율적일 뿐더러 변환효율이 향상된다고 할지라도 태양광에 포함된 복사열 영역대의 에너지가 사용되지 못하는 한계성을 갖게 되어 전체 지표면에 조사되는 태양열 에너지에 대한 이용효율을 증가시키는 데에는 어느 정도의 한계성을 갖게 된다.

본 발명의 목적은 현재 사용되고 있는 태양열 주택에 이용되는 태양열 이용기술과 광발전용 반도체 소자를 이용한 태양열 이용기술을 통한 태양열 이용효율보다 더 극대화시켜 경제성을 향상시키고 대체 에너지원으로써 한정된 화석연료에 따른 고유가 문제와 지구 온난화 문제를 해결하기 위한 것이다.

본 발명은 전술된 바와 같이 태양열의 이용효율을 용이하면서도 극대화시킬 수 있는 한 방편으로 창출된 것이다.

이를 위해서, 본 발명은 태양열 복사열을 모으는 복사열용 전파 반사판, 전자파에너지의 손실을 최소화시키면서 안내하는 웨이브가이드(waveguide, 導波管), 모아진 전자파에너지를 축열하는 변환축열부 및, 저장된 열에너지를 일상생활에서 사용할 수 있도록 하는 에너지공급부로 구성되어 있다. 본 발명에서 태양에너지를 복사열용 전파 반사판에서 집속하여 변환축열부로 이송하는 웨이브가이드는 도파관 형태의 복사열용 웨이브가이드로 한정한다.

본 발명은 아래에서 더욱 구체적이면서 명료하게 기술할 것이다.

본 발명에 따른 태양열의 전자파를 이용한 축열장치에 의하면, 기존의 태양열 이용장치보다 장치 설치비 대비 태양열 이용효율이 매우 높고, 고온축열이 용이하여 가정의 온수, 난방, 취사용은 물론 대용량의 전력을 필요로 하는 산업용으로 도 적용될 수 있게 되어 활용범위가 넓다.

또한, 본 발명은 전파 반사판의 설치장소와 에너지 변환축열부의 설치장소 사이의 거리가 원거리 일 때에도 근거리의 경우와 대비하여 태양열 이용효율과 장치 설치비가 비슷하므로 태양열을 활용하기 용이할 뿐더러 대규모 발전도 가능하도록 제공된다.

본 발명에 따른 축열기술은 태양열을 축열하고 이를 효율적으로 이용하므로 지구 온난화를 야기하는 이산화탄소 배출의 문제점을 노출하지 않도록 제공된다.

이제, 본 발명에 따른 태양열의 전자파를 이용한 축열장치는 첨부도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 바람직한 제1실시예를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열의 전자파를 이용한 축열장치는 태양열 중 전자파에너지를 집속하고 안내하는 집속유도부와 변환축열부(20) 및 에너지공급부(30)로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 축열장치는 넓은 지표면 상으로 조사되는 태양 복사열에서 전자파에너지를 전자파 상태로 집속시켜 안내유도하는 집속유도부를 구비하는데, 상기 집속유도부는 복사열용 전파 반사판(11)과 복사열용 웨이브가이드(12)로 이루어져 있다.

구체적으로, 태양열 조사구역 내에 위치된 하나 이상의 복사열용 전파 반사판(11)은 태양열을 집속시키는 역할을 수행한다. 바람직하기로, 전파 반사판(11)은 용이하게 모일 수 있도록 파라볼라형상으로 되어 있다(도 4 참조). 더욱 바람직하기로, 전파 반사판(11)은 태양열의 집속면적을 증가시키기 위해 사각형상의 외형을 유지한다(도 4 참조).

추가로 전파 반사판(11)은 방향조절기(도시되지 않음)을 구비하는바, 방향조절기에 구비된 광센서를 수단으로 하여 태양 조사방향으로 전파 반사판(11)을 이동가능하게 한다.

웨이브가이드(12)는 태양 복사열 중 전자파에너지를 안내유도하도록 전파 반사판(11)에서 변환축열부(20) 내부까지 길이연장되어 있다. 복사열용 웨이브가이드(12)는 양 단부에 개구(121)와 전자혼(122)을 장착하는데, 개구(121)는 전파 반사판(11)의 상부에 설치되어 전파 반사판으로 집속된 태양 복사열의 전자파에너지의 유입통로를 제공하는 한편, 전자혼(122)은 도시되었듯이 변환축열부(20) 내에서 전자파에너지를 방출하도록 한다. 이러한 도파관 형태의 웨이브가이드(12)는 유도이송거리가 멀어도 에너지 손실이 거의 발생하지 않고 전파 반사판(11)에서 변환축열부(20)까지 전파이송속도로 전자파를 이송할 수 있다.

전술된 바와 같이, 전자파에너지는 웨이브가이드의 경로를 따라 변환축열부(20)까지 안내되되, 변환축열부(20)에서 열에너지로 변환되어 저장된다. 이러한 변환축열부(20)는 내부공간부(21)와, 제1흡수층(22), 축열재(23), 제2흡수층(24), 진공부(25) 및, 반사용 하우징(26)으로 이루어져 있다.

구체적으로 설명하자면, 변환축열부(20)는 그 내부공간부(21)까지 삽입되어 있는 웨이브가이드(12)의 단부에 구비된 전자혼(122)으로 전자파를 내부공간부(21)로 방출한다. 그런 다음에, 전자파는 제1흡수층(22)을 매개로 하여 전자파를 흡수하여 발열현상을 통해 열에너지 형태로 변환된다. 변환된 열에너지는 축열재(23)로 전도되고서 열에너지 상태로 저장된다. 변환축열부(20)에서 발생하는 열기가 웨이브가이드를 통해 역류하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

덧붙여서, 웨이브가이드(12)로 유도된 전자파에너지가 변환축열부(20)의 내부공간부(21)로의 확산을 돕기 위해서 내부공간부(21) 내에 전파창 또는 필터(도시되지 않음)를 설치하는 것이 바람직하다.

도시된 바와 같이, 내부공간부(21)는 제1흡수층(22)으로 둘러싸여져 있는바, 내부공간부(21) 내부로 공급된 전자파에너지는 태양 복사열의 전자파를 흡수할 수 있는 재질로 제작된 제1흡수층(22)으로 흡수되는데, 바람직하기로 제1흡수층(22)은 젖은 상태의 카본소재 및 고열용 SiC(실리콘카바이트)로 되어 있다. 또한, 제1흡수층(22)의 벽면은 전자파의 흡수를 돕기 위해서 내부공간부(21)를 향해 삼각뿔형상의 돌기부를 구비한다. 이와 같이, 삼각뿔형상의 돌기부를 갖춘 제1흡수층(22)은 올록볼록하게 되어 있어 흡수된 전자파를 열에너지로 변환시키는 동시에 축열재(23)와의 열전도도를 높이도록 제1흡수층(22)과 축열재(23) 간의 접촉면적을 넓힌다.

한편 변환축열부(20)는 열에너지 손실을 저감시키기 위해서, 축열재(23)의 외부는 또 다른 제2흡수층(24)과 반사하우징(26)으로 둘러싸여져 있다. 특히, 반사하우징(26)은 제2흡수층(24)과 소정의 거리만큼 이격되게 배치되어 있는데, 상기 반사하우징(26)과 제2흡수층(24) 사이에는 진공상태의 진공부(25)를 형성하는 것이 바람직하다. 진공부(25)는 축열재(23)와 외부환경 사이의 단열효과를 제공한다.

반사하우징(26)은 미량의 열에너지가 진공부(25)를 관통하여 방출되어도 반사하우징으로 반사되어서 내부로, 다시 말하자면 축열재(23)로 보내지게 된다. 이렇게 반사된 열에너지는 축열재(23)로의 흡수를 돕기 위해 축열재(23) 외부는 제2흡수층(24)으로 덮혀져 있다. 제2흡수층(24)은 습기와 복사열 전자파 발생율이 낮은 시리카겔 등으로 제작되는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용하는 축열장치는 변환축열부(20)의 축열재(23)를 매개로 열에너지로 저장하게 되어 있는바, 저장된 열에너지를 실생활에 적극적으로 사용하기 위한 다양한 형태의 에너지 공급부(30)를 구비한다. 바람직하게는, 상기 에너지 공급부(30)는 변환축열부(20)의 축열재(23)를 관통하여 축열재 내부에 저장된 열을 다른 형태의 에너지원으로 전환하여 사용할 수 있는 열교환기의 유형으로 되어 있다. 특히, 열교환기형의 에너지 공급부(30)는 코일형태의 길이연장된 파이프가 축열재(23)를 지나면서 다양한 방열에너지로 전환시켜 실생활에 적용할 수 있는데, 이에 대한 구체적인 내용은 당해분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있기 때문에 상세한 기술적 설명은 생략한다.

선택가능하기로, 열전자발전봉(31;熱電子發電棒)이 외부에서 반사하우징(26)과 진공부(25)를 관통하여 변환축열부(20)의 축열재(23)까지 삽입되어 축열재(23)의 고온과 상대적으로 낮은 외부 온도차를 이용하여 전자가 고온에서 저온으로 흘러 전류를 발생시킨다. 이와 같이, 생성된 전류는 다양하게 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 제2실시예를 도시한 도면으로, 도 1에 도시된 제1실시예와 유사한 구조로 되어 있다. 따라서, 동일한 부재에 대한 부가설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 전파 반사판(11)과 변환축열부(20) 사이의 거리가 상대적으로 가까운 근거리용 축열장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시되었듯이, 본 발명에 따른 축열장치는 다수의 웨이브가이드(12)를 따라 안내되는 집속된 태양 복사열의 전자파에너지를 하나의 웨이브가이드(12',12")로 통합할 수 있도록 다수의 메탈렌즈(13,14;metal lenz)를 구비한다. 메탈렌즈(13,14)는 각각의 웨이브가이드로 유도안내되는 각각의 전자파에너지를 하나의 웨이브가이드로 통합시킬 수 있다.

우선적으로, 본 발명에 따른 축열장치는 각각의 전파 반사판(11)으로 태양 복사열 중 전자파에너지를 각각의 웨이브가이드(12)로 집속시킨다. 그런 다음에, 집속된 전자파에너지는 웨이브가이드(12)를 따라 변환축열부(20)까지 이송되는데, 다수의 웨이브가이드(12)는 메탈렌즈(13)를 경유하여 하나의 웨이브가이드(12')로 통합되어 전자파에너지를 이송시킨다. 도 2에서는 다수의 웨이브가이드(12)는 메탈렌즈(13)로써 2개의 웨이브가이드(12')로 통합되는 축열장치를 도시하고 있는 한편, 2개의 웨이브가이드(12')는 메탈렌즈(14)를 통해 다시 한번 재통합되어 하나의 웨이브가이드(12")가 변환축열부(20) 내부까지 삽입되어 전자파에너지를 공급할 수 있도록 되어 있다.

다수의 웨이브가이드(12)의 총 단면적은 웨이브가이드(12')의 단면적과 동일 하도록 되어 있으며, 2개의 웨이브가이드(12')의 총 단면적은 하나의 웨이브가이드(12")의 단면적과 동일하도록 설정되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 메탈렌즈의 하류에 위치된 웨이브가이드는 상류에 위치된 다수의 웨이브가이드의 단면적의 합과 동일하게 하여 웨이브가이드로 이송되는 전자파에너지의 흐름을 돕는다.

바람직하기로, 메탈렌즈(13,14)는 Al을 증착한 플라스틱 소재, 또는 Al 또는 SUS 금속박판 소재로 제작되어, 에너지손실을 줄일 수 있다.

웨이브가이드(12")는 변환축열부(20)에 삽입되어 전자파에너지를 열에너지로 변환 및 저장할 수 있게 한다.

도 3은 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 제3실시예를 도시한 도면으로, 도 1에 도시된 제1실시예와 유사한 구조로 되어 있다. 따라서, 동일한 부재에 대한 부가설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 전파 반사판(11)과 변환축열부(20) 사이의 거리가 상대적으로 먼 원거리용 축열장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 다수의 전파 반사판에서 뻗어 나온 웨이브가이드를 메탈렌즈를 통해 하나의 웨이브가이드로 병합되도록 되어 있는 반면에, 도시된 바와 같이 도 3은 각각의 전파 반사판에서 뻗어있는 각각의 웨이브가이드 마다 하나씩 메탈렌즈를 구비하고, 각각의 메탈렌즈를 통해서 웨이브가이드를 병합하면서 전자파에너지를 순차적으로 모으도록 되어 있다. 최종적으로, 하나의 웨이브가이드를 통해 모아진 전자파에너지는 변환축열부(20)로 유입되도록 되어 있다.

도 4는 복사열용 전파 반사판의 상세확대도로, 도 4(a)는 전파 반사판(11)의 평면도이며 도 4(b)는 도 4(a)에 도시된 B-B선에서 바라본 단면도이다.

도시된 바와 같이, 전파 반사판(11)는 접시모양으로 중심으로 갈수록 오목해지는 파라볼라(parabola)형상의 포물면(112)으로 구성되어 있다. 전파 반사판(11)의 포물면(112)은 전파 반사판(11)에 조사된 태양 복사열의 전자파를 복사열용 웨이브가이드(12)의 개구(121)로 촛점을 맞춰 전자파의 전달율을 향상시키도록 되어 있다. 다시 말하자면, 포물선의 촛점을 지나는 태양열 전자파와 평행하게 조사되는 태양열 전자파는 모두 포물선의 촛점으로 모여지게 되므로, 전파 반사판(11)으로 조사된 태양열 영역의 전자파는 포물면(112)으로 반사되면서 포물면(112)의 촛점에 위치고정된 웨이브가이드(12)의 개구(121)로 유입되도록 되어 있다.

다수의 전파 반사판(11)이 한정된 공간에서 조사량을 극대화시키기 위해 사각형상의 가장자리부(111)로 이루어지는 것이 바람직하다. 사각형상의 전파 반사판(11)은 인접한 다른 전파 반사판과의 공극률이 적어 한정된 공간에 다수의 전파 반사판을 효과적으로 배치할 수 있는 장점을 갖는다(도 2 또는 도 3에 정렬된 다수의 전파 반사판 참조).

바람직하기로, 광센서를 구비한 방향조절기(113)를 통해 태양의 조사방향에 따라 전파 반사판(11)과 웨이브가이드(12)의 개구(121)를 동시에 선회가능하도록 되어 있다.

본 발명은 간략하게 도시된 도면과 위의 상세한 설명란에 기술된 일례에만 국한되지 않고 아래의 청구범위의 범주와 범위 내에서 변형 및 변경이 가능함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 바람직한 제1실시예를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 제2실시예를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치의 제3실시예를 도시한 도면이다.

도 4는 전파 반사판의 상세확대도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11 ----- 전파 반사판, 12 ----- 웨이브가이드,

13,14 ----- 메탈렌즈, 20 ----- 변환축열부,

21 ----- 내부공간부, 22 ----- 제1흡수층,

23 ----- 축열재, 24 ----- 제2흡수층,

25 ----- 진공부, 26 ----- 반사하우징,

30 ----- 에너지 공급부, 31 ----- 열전자발전봉.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 조사된 태양 복사열을 집속시키는 포물면을 구비하는 다수의 복사열용 전파 반사판(11)과;

   내부에 형성된 내부공간부(21)와, 열에너지를 저장하는 축열재(23), 및 축열재(23) 외부를 둘러싸고 있는 반사 하우징(26)을 포함하는 변환축열부(20);

   상기 각 전파 반사판(11)의 초점 상에서 형성된 개구(121)로부터 상기 변환축열부(20)의 내부공간부(21)까지 길게 뻗어, 상기 전파반사판(11)으로 집속된 태양 복사열의 전자파에너지를 상기 변환축열부(20)로 전자파 상태로 유지하면서 안내하는 복사열용 웨이브가이드(12); 및

   상기 축열재(23)를 관통하면서 외부로 에너지를 변환공급하는 에너지 공급부(30);를 포함하여 이루어지고,

   상기 복사열용 웨이브가이드(12)로 안내되는 태양열의 전자파에너지를 집속하여 하나의 복사열용 웨이브가이드로 통합하고, 이렇게 통합된 복사열용 웨이브가이드를 다시 하나의 복사열용 웨이브가이드로 통합함으로써, 태양열의 전자파에너지를 통합하여 상기 변환축열부(20)로 이송할 수 있도록 되어 있는, 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 웨이브가이드(12)에 의해 안내된 태양 복사열의 전자파를 상기 변환축열부(20)의 내부공간부(21)로 확산시키는 전자혼(122)을 구비하는 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 변환축열부(20)의 상기 내부공간부(21) 둘레에 전자파를 흡수하여 열에너지로 변환하여 상기 축열재에 저장하도록 하는 흡수층을 추가로 구비하는 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 각각의 웨이브가이드(12)로 전달되는 각각의 전자파에너지가 웨이브가이드(12',12")로 통합되는 부분에 메탈렌즈(13,14)를 추가로 구비하는, 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제5항에 있어서, 상기 복사열용 전파 반사판(11)은 외형이 사각형상으로 되어 있는 태양 복사열의 전자파를 이용한 축열장치.

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