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KR101220096B1 - Energy conversion apparatus utilizing solar energy - Google Patents

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KR101220096B1
KR101220096B1 KR1020120075049A KR20120075049A KR101220096B1 KR 101220096 B1 KR101220096 B1 KR 101220096B1 KR 1020120075049 A KR1020120075049 A KR 1020120075049A KR 20120075049 A KR20120075049 A KR 20120075049A KR 101220096 B1 KR101220096 B1 KR 101220096B1
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light
energy
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solar
parabolic surface
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부준홍
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한국항공대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치에 관한 것으로, 포물면을 이용해 태양광을 1차로 선 집광하는 제1 집광부(10), 상기 제1 집광부(10)에서 선 집광된 태양광을 2차로 집광하는 제2 집광부(20) 및 상기 제2 집광부(20)에서 2차 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전지 모듈(30)을 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 포물면이 형성된 제1 집광체를 이용해 태양광을 선 집광한 후, 복수의 집광형 광전지 사이에 설치되는 제2 집광체를 이용해서 선 집광된 태양광을 다시 집광하여 태양광 집광비를 향상시킬 수 있다.
The present invention relates to an energy conversion device utilizing solar energy, comprising: a first condenser 10 for condensing sunlight primarily by using a parabolic surface, and condensed sunlight from the first condenser 10; A second photo concentrator 20 for condensing with a car and a photovoltaic module 30 for converting solar light secondaryly collected by the second concentrator 20 into electrical energy are provided.
By using the above-described energy conversion device utilizing the solar energy, the present invention provides a second light collector installed between the plurality of light-converging photovoltaic cells after pre-condensing sunlight using a first light collector having a parabolic surface formed It is possible to improve the solar light collecting ratio by condensing the pre-condensed sunlight by using the light.

Figure R1020120075049
Figure R1020120075049

Description

태양에너지를 활용한 에너지 변환장치{ENERGY CONVERSION APPARATUS UTILIZING SOLAR ENERGY} Energy conversion device using solar energy {ENERGY CONVERSION APPARATUS UTILIZING SOLAR ENERGY}

본 발명은 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 과정에서 태양에너지의 집광비를 향상시키는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy converter using solar energy, and more particularly, to an energy converter using solar energy to improve the concentration ratio of solar energy in the process of converting solar energy into electrical energy.

화석연료가 점차 고갈되고, 화석연료 사용으로 인한 환경오염을 방지하기 위해 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지 기술에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. Fossil fuels are gradually depleted, and research and development of alternative energy technologies that can replace fossil fuels to prevent environmental pollution caused by the use of fossil fuels are being actively conducted.

대체 에너지 중에서 태양에너지는 태양으로부터 지속적으로 공급받을 수 있고, 환경오염물질을 발생시키지 않아 이상적인 대체 에너지라 할 수 있다.Among alternative energy, solar energy can be continuously supplied from the sun and it is an ideal alternative energy because it does not generate environmental pollutants.

이와 같은 태양에너지의 활용에 대한 기술은 크게 태양광 이용 형태와 태양열 이용 형태로 구분될 수 있다. The technology for the use of such solar energy can be largely divided into a solar light utilization form and a solar heat use form.

종래의 태양광 발전 시스템은 전기에너지만을 생산하는 것을 목적으로 함에 따라 결정질계 및 박막계 실리콘과 유기재료 광전지(Photovoltaic cell)를 사용하고 있다. Conventional photovoltaic systems use crystalline and thin film silicon and organic material photovoltaic cells for the purpose of producing only electrical energy.

이러한 태양광 발전 시스템은 전기 변환 효율이 12~15% 정도로 입열되는 총 태양에너지를 100으로 했을 때 최대 15 만큼의 에너지를 전기에너지로 변환한다. Such a solar power system converts up to 15 energy into electric energy when the total solar energy input to heat conversion efficiency of 12 to 15% is 100.

따라서, 종래기술에 따른 태양광 발전 시스템은 전기 변환 효율이 매우 낮고, 온도가 40℃ 이상으로 상승하면 전기 변화 효율이 급격히 감소하여 80℃ 이상에서는 내부 반도체와 구조 자체의 고장 발생 가능성이 크게 상승하는 문제점이 있었다. Therefore, the photovoltaic power generation system according to the prior art has a very low electrical conversion efficiency, and when the temperature rises above 40 ° C, the electrical change efficiency decreases rapidly, and above 80 ° C, the possibility of failure of the internal semiconductor and the structure itself is greatly increased. There was a problem.

그리고 종래의 태양열 이용 온수 급탕 및 발전 시스템은 하절기 잉여 집열로 인한 폐해가 있었다.In addition, the conventional solar hot water hot water supply and power generation system has been harmed by surplus heat collection in summer.

한편, 태양광의 집광비를 향상시키기 위한 기술들이 대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0094713호(2001년 11월 1일 공개, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 미국 특허 등록번호 제4003638호(1977년 1월 18일 공고, 이하 '특허문헌 2'라 함), 미국 특허 등록번호 제4002499호(1977년 1월 11일 공고, 이하 '특허문헌 3'이라 함) 등에 개시되어 있다. On the other hand, techniques for improving the light-convergence ratio of sunlight are disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2001-0094713 (November 1, 2001, hereinafter referred to as 'Patent Document 1'), US Patent Registration No. 4003638 ( January 18, 1977, hereinafter referred to as "Patent Document 2", US Patent Registration No. 4002499 (published January 11, 1977, hereinafter referred to as "Patent Document 3") and the like.

한편, 최근에는 종래의 태양광 발전 시스템에 적용되는 광전지에 비해 효율이 높아 집광환경에 유리한 다중접합형(Multi-junction type) 광전지(MJPV 또는 집광형(Concentrated) 광전지(CPV), MJCPV라 함, 이하 '집광형 광전지'라 통칭함)가 개발되고 있다.Recently, multi-junction type photovoltaic cells (MJPV or Concentrated photovoltaic cells (CPV), MJCPV, etc.), which are more efficient than photovoltaic cells applied to conventional solar power generation systems and are advantageous for a condensing environment, Hereafter collectively referred to as a 'condensed photovoltaic cell'.

상기 집광형 광전지는 보다 많은 전기에너지로 변환하기 위해 서로 다른 특성의 전지를 중첩하는 원리로 제작된다. 이로 인해, 집광형 광전지는 태양에너지로부터 최대 40%의 전기변환 효율을 갖는다. 그러나 집광형 광전지가 높은 전기변환효율을 성취하기 위해서는 태양광의 집광비를 보통 '400' 이상으로 높여야 한다.The light collecting photovoltaic cell is manufactured on the principle of overlapping cells having different characteristics in order to convert more electric energy. As a result, the focusing photovoltaic cell has an electrical conversion efficiency of up to 40% from solar energy. However, condensed photovoltaic cells need to raise the light collection ratio of solar to above 400 in order to achieve high electrical conversion efficiency.

이러한 집광형 광전지 기술은 미국 특허 공개번호 2008-0251122호(2010년 10월 16일 공개, 대한민국 특허 등록번호 제10-0983232호(2010년 9월 20일 공고), 이하 '특허문헌 4'라 함) 등에 개시되어 있다. Such a condensed photovoltaic technology is disclosed in US Patent Publication No. 2008-0251122 (published October 16, 2010, Korean Patent Registration No. 10-0983232 (September 20, 2010), hereinafter referred to as 'Patent Document 4'. And the like.

하지만, 특허문헌 1 내지 특허문헌 3을 포함하는 종래의 태양광을 활용한 에너지 생산기술에 특허문헌 4에 기재된 집광형 광전지를 적용하는 기술의 연구 및 개발작업은 아직까지 미진한 상태이다.However, the research and development work of the technique which applies the condensing-type photovoltaic cell of patent document 4 to the energy production technique using the conventional photovoltaic which contains patent documents 1-patent document 3 is still in the incomplete state.

또한, 종래의 태양광을 활용한 에너지 생산기술은 집광체에 1차 집광이 이루어진 상태에서 주어진 한계입사각에 대해 집속비를 높이고, 광 추적의 정확도에 덜 민감하며, 흡열면 또는 수광면에서 에너지 밀도가 균일해지도록 1차 집광체와 동일한 평면상에 2차 집광체를 설치하였다.In addition, the conventional energy production technology using sunlight increases the focusing ratio for a given marginal incident angle in the state where primary condensing is made on the light collector, is less sensitive to the accuracy of light tracking, and the energy density on the endothermic surface or the light receiving surface. The secondary light collector was installed on the same plane as the primary light collector so as to be uniform.

하지만, 동일한 평면상에 1차 및 2차 집광체를 설치하는 종래의 태양광을 활용한 에너지 생산기술은 태양에너지의 집광비를 향상시키는데 한계가 있었다. However, the conventional energy production technology using solar light, which installs primary and secondary light collectors on the same plane, has a limit in improving the light concentrating ratio of solar energy.

따라서, 태양에너지로부터 전기 및 열에너지를 생산하는 복합 에너지 장치에 집광형 광전지를 적용하여 태양에너지의 집광비를 향상시키는 기술의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to develop a technology for improving the light-convergence ratio of solar energy by applying a condensed photovoltaic cell to a composite energy device that produces electricity and thermal energy from solar energy.

대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0094713호(2001년 11월 1일 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0094713 (published 1 November 2001) 미국 특허 등록번호 제4003638호(1977년 1월 18일 공고)US Patent Registration No. 4003638 (January 18, 1977) 미국 특허 등록번호 제4002499호(1977년 1월 11일 공고)US Patent Registration No. 4002499 (January 11, 1977) 미국 특허 공개번호 2008-0251122호(2010년 10월 16일 공개, 대한민국 특허 등록번호 제10-0983232호(2010년 9월 20일 공고))US Patent Publication No. 2008-0251122 (published 16 October 2010, Korean Patent Registration No. 10-0983232, issued September 20, 2010)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양에너지를 집광하여 전기에너지로 변환하는 과정에서 태양에너지의 집광비를 향상시키는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems as described above, an object of the present invention to provide an energy converter utilizing solar energy to improve the light condensing ratio of the solar energy in the process of converting the solar energy into electrical energy. will be.

본 발명의 다른 목적은 태양에너지를 선(line) 집광하는 1차 집광 과정과 1차 집광된 태양에너지를 2차 집광하는 과정을 통해 태양에너지의 집광비를 향상시키는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is an energy conversion device using solar energy to improve the condensing ratio of the solar energy through the first condensing process of pre-condensing solar energy and the second condensing process of the first concentrated solar energy To provide.

본 발명의 또 다른 목적은 태양에너지를 2차 집광하는 집광체의 높이 및 부피를 최소화할 수 있는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an energy conversion device using solar energy capable of minimizing the height and volume of a light collector that secondaryly collects solar energy.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 포물면을 이용해 태양광을 1차로 선 집광하는 제1 집광부, 상기 제1 집광부에서 선 집광된 태양광을 2차로 집광하는 제2 집광부 및 상기 제2 집광부에서 2차 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전지 모듈을 포함한다.According to a feature of the present invention for achieving the object as described above, the present invention is a first condensing unit for pre-condensing sunlight using a parabolic surface, secondly condensed sunlight from the first condensing unit And a photovoltaic module for converting solar light secondaryly collected by the second condenser to electrical energy.

상기 제 1집광부는 상기 제1 집광체의 상부에 설치되는 가로 설치부재 및 상기 제1 집광체의 양측단과 가로 설치부재의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재를 더 포함하고, 상기 광전지 모듈은 상기 제2 집광부에 의해 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하도록 상기 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지 및 일면에 상기 복수의 집광형 광전지가 장착되는 인쇄회로기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.The first light collecting unit further includes a horizontal mounting member installed on an upper portion of the first light collecting body, and a pair of vertical mounting members respectively connecting both end portions of the first light collecting body and both ends of the horizontal mounting member. Is a plurality of condensed photovoltaic cells arranged linearly on a focal line corresponding to the center line of the virtual cylinder extending the parabolic surface to convert sunlight collected by the second condenser into electrical energy and the plurality of condensed light on one surface It characterized in that it comprises a printed circuit board on which the photovoltaic cell is mounted.

상기 제2 집광부는 상기 제1 집광체의 포물면에 의해 선 집광된 태양에너지를 상기 광전지 모듈에 마련된 복수의 집광형 광전지 각각에 2차 집광하는 복수의 제2 집광체를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second light concentrator may include a plurality of second light concentrators for secondly concentrating solar energy pre-condensed by the parabolic surface of the first light concentrator to each of the plurality of light converging photovoltaic cells provided in the photovoltaic module.

상기 복수의 제2 집광체 각각에는 상기 제1 집광체의 포물면을 향해 제1 집광체의 초점선과 수직 방향으로 포물면이 형성되는 것을 특징으로 한다.Each of the plurality of second light collectors is characterized in that the parabolic surface is formed in a direction perpendicular to the focal line of the first light collector toward the parabolic surface of the first light collector.

상기 제2 집광체의 집광폭은 상기 집광형 광전지 사이의 간격에 대응되고, 상기 제1 및 제2 집광부 전체의 태양광 집광비는 상기 제1 집광부의 집광비와 제2 집광부의 집광비를 곱셈 연산하여 산출되는 것을 특징으로 한다.The condensing width of the second condenser corresponds to the interval between the condensing photovoltaic cells, and the solar condensing ratio of the entire first and second condensing portions is the condensing ratio of the first condenser and the condensing portion of the second condenser. It is characterized by being calculated by multiplying the ratio.

상기 제2 집광체의 포물면은 하나의 초점을 갖는 포물면에 대응되는 단일 포물면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The parabolic surface of the second light collecting body may be formed as a single parabolic surface corresponding to a parabolic surface having one focal point.

상기 제2 집광체의 포물면은 서로 일정 간격만큼 이격된 2개의 초점에 대응되는 2개의 포물면에 대응되는 복합 포물면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The parabolic surface of the second condenser may be formed as a composite parabolic surface corresponding to two parabolic surfaces corresponding to two focal points spaced apart from each other by a predetermined distance.

상기 2개의 초점에 대응되는 제1 및 제2 포물면은 상기 집광형 광전지의 길이 및 셀 간격 또는 이들을 합한 상기 제2 집광체의 집광폭에 대응되어 설정되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치. First and second parabolic surfaces corresponding to the two focal points are set in correspondence with the length and cell spacing of the light converging photovoltaic cell or the light condensing width of the second light condenser, which is a combination thereof. Device.

상기 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 광전지 모듈을 냉각하고 광전지 모듈에서 발생하는 열에너지를 회수하여 가열된 온수를 배출하는 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a heat exchanger configured to perform heat exchange with the photovoltaic module to cool the photovoltaic module, recover heat energy generated from the photovoltaic module, and discharge heated hot water.

상술한 바와 같이, 본 발명은 포물면이 형성된 제1 집광체를 이용해 태양광을 선 집광한 후, 복수의 집광형 광전지 사이에 설치되는 제2 집광체를 이용해서 선 집광된 태양광을 다시 집광하여 태양광 집광비를 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention pre-condenses sunlight using a first condenser having a parabolic surface, and then condenses the pre-condensed sunlight by using a second condenser provided between a plurality of condensing photovoltaic cells. Solar light collecting ratio can be improved.

특히, 본 발명은 제1 및 제2 집광체를 설치하여 태양광 집광비를 향상시킴으로써, 하나의 집광체를 설치하는 경우에 비해 집광체의 설치면적을 현저하게 감소시킬 수 있다. In particular, the present invention improves the solar light collecting ratio by providing the first and second light collectors, whereby the installation area of the light collector can be significantly reduced as compared with the case of installing one light collector.

즉, 본 발명은 제2 집광체를 제1 집광체의 초점선 상에 일정 간격마다 배치되는 복수의 집광형 광전지 사이의 유휴 면적에 설치하여, 제2 집광체의 집광면적으로 집광되는 태양에너지를 인접한 집광형 광전지로 반사시킴으로써 집광비를 증가시키는 효과를 가진다. That is, according to the present invention, the second light collector is installed in an idle area between a plurality of light collecting photovoltaic cells arranged at regular intervals on a focal line of the first light collector, so that the solar energy collected by the light collecting area of the second light collector is collected. It has the effect of increasing the condensing ratio by reflecting to adjacent condensing photovoltaic cells.

그리고 본 발명은 제1 및 제2 집광체의 상면에 포물면을 형성해서 태양광을 집광함에 따라 광전지 모듈에 설치되는 집광형 광전지의 수를 감소시켜 제작비용을 절감할 수 있다.In addition, according to the present invention, a parabolic surface is formed on the upper surfaces of the first and second light concentrators to condense solar light, thereby reducing the number of condensed photovoltaic cells installed in the photovoltaic module, thereby reducing manufacturing costs.

또 본 발명은 집광형 광전지를 이용해서 집광된 태양광을 흡수하여 전기에너지를 생산함에 따라, 일반적인 광전지를 사용하는 경우에 비해 광전지 모듈의 설치 면적을 현저하게 줄일 수 있고, 이와 동시에 태양에너지를 활용한 전기 변환 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention absorbs the sunlight collected by using a condensed photovoltaic cell to produce electrical energy, it is possible to significantly reduce the installation area of the photovoltaic module compared to the case of using a conventional photovoltaic cell, and at the same time utilize the solar energy One can improve the electrical conversion efficiency.

또한 본 발명은 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 난방장치나 급탕장치 또는 축열장치로 공급하여 태양에너지를 열에너지로 변환함으로써, 전체 에너지 변환 효율을 현저하게 향상시킬 수도 있다. In another aspect, the present invention by converting the solar energy into thermal energy by supplying hot water heated by performing a heat exchange with the photovoltaic module to a heating device, a hot water supply device or a heat storage device, it is also possible to significantly improve the overall energy conversion efficiency.

또한 본 발명은 일반적인 광전지에 비해 온도 상승으로 인한 손상 및 에너지 변환 효율저하가 적은 집광형 광전지를 이용함에 따라, 광전지 모듈 및 냉각기로부터 배출되는 온수의 온도를 높게 유지함으로써, 급탕시설이나 난방장치에 효과적으로 적용할 수 있고, 열에너지의 효용성을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention uses a condensed photovoltaic cell with less damage due to temperature rise and lower energy conversion efficiency than a general photovoltaic cell, thereby maintaining a high temperature of hot water discharged from a photovoltaic module and a cooler, thereby effectively providing a hot water supply facility or a heating device. It can apply and can improve the utility of thermal energy.

이와 함께, 본 발명은 제2 집광체의 포물면을 서로 일정 간격만큼 이격된 초점을 갖는 2개의 포물면에 대응되는 복합 포물면으로 형성함으로써, 제2 집광체의 포물면 높이를 감소시키고, 제2 집광체의 전체 부피를 최소화할 수 있다. In addition, the present invention forms a parabolic surface of the second light collecting body by forming a compound parabolic surface corresponding to two parabolic surfaces having a focus spaced apart from each other by a predetermined interval, thereby reducing the height of the parabolic surface of the second light collecting body, The total volume can be minimized.

이에 따라, 본 발명은 포물면을 갖는 2개의 집광체를 이용해서 태양광을 집광함으로써, 동일한 설치면적을 갖는 렌즈나 접시 형상의 집광체를 이용하는 경우와 유사한 집광비를 얻을 수 있는 효과를 가진다.
Accordingly, the present invention has the effect of obtaining a light condensing ratio similar to the case of using a lens or dish-shaped light collector having the same mounting area by condensing sunlight using two light collectors having parabolic surfaces.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치의 블록 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 에너지 변환장치의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 제2 집광부 및 광전지 모듈의 확대 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 집광부의 설치상태를 보인 도면,
도 5는 도 4에 도시된 제2 집광체의 평면도,
도 6은 도 4에 도시된 제2 집광체의 정면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치에 적용되는 제2 집광체의 정면도.
1 is a block diagram of an energy converter using solar energy according to an embodiment of the present invention,
2 is a perspective view of the energy converter shown in FIG.
3 is an enlarged perspective view of a second light collecting unit and a photovoltaic module shown in FIG. 2;
4 is a view illustrating an installation state of the first and second light collecting units illustrated in FIG. 2;
5 is a plan view of the second light collector illustrated in FIG. 4;
6 is a front view of the second light collector illustrated in FIG. 4;
7 is a front view of a second light collector applied to an energy conversion device utilizing solar energy according to another embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, an energy converter using solar energy according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치의 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 에너지 변환장치의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 제2 집광부 및 광전지 모듈의 확대 사시도이다.1 is a block diagram of an energy converter using solar energy according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view of the energy converter shown in Figure 1, Figure 3 is a second shown in Figure 2 An enlarged perspective view of the light collecting unit and the photovoltaic module.

도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 집광부의 설치상태를 보인 도면이고, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 제2 집광체의 평면도 및 정면도이다.4 is a view illustrating an installation state of the first and second light collecting parts illustrated in FIG. 2, and FIGS. 5 and 6 are plan and front views of the second light collecting body illustrated in FIG. 4.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 포물면을 이용해 태양광을 1차로 선 집광하는 제1 집광부(10), 제1 집광부(10)에서 선 집광된 태양광을 2차로 집광하는 제2 집광부(20) 및 제2 집광부(20)에서 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하는 광전지 모듈(30)을 포함한다.As shown in FIG. 1, an energy conversion device using solar energy according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first condenser 10 and a first condenser 10 for condensing sunlight primarily using parabolic surfaces. The photovoltaic module 30 converts the solar light collected by the second light collecting unit 20 to the second and the second light-condensing unit 20 to the electrical and thermal energy.

이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 광전지 모듈(30)과 열교환을 수행하여 광전지 모듈(30)을 냉각하고 광전지 모듈(30)에서 발생하는 열에너지를 회수하여 가열된 온수를 배출하는 열교환부(40)를 더 포함할 수 있다. In addition, the energy conversion device using solar energy according to the preferred embodiment of the present invention performs heat exchange with the photovoltaic module 30 to cool the photovoltaic module 30 and recover thermal energy generated from the photovoltaic module 30. It may further include a heat exchanger 40 for discharging the heated hot water.

제1 집광부(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상면이 포물면(parabolic)으로 형성되어 태양광을 선 집광하는 제1 집광체(11), 제1 집광체(11)의 상부에 설치되는 가로 설치부재(12) 및 제1 집광체(11)의 양측단과 가로 설치부재(12)의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재(13)를 포함한다. As shown in FIGS. 1 and 2, the first condenser 10 may have a parabolic upper surface, and may include a first condenser 11 and a first condenser 11 to condense sunlight. And a pair of vertical mounting members 13 which connect both ends of the horizontal mounting member 12 and the first light collecting body 11 and both ends of the horizontal mounting member 12 to be installed at the top.

제1 집광체(11)는 태양광을 선 집광하도록 상면이 오목한 포물면으로 형성되어 태양광이 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선(focal line) (F)을 향해 반사하는 반사체 역할을 한다. The first light concentrator 11 is a reflector that is formed as a parabolic surface having a concave upper surface so as to condense the sun light and reflects it toward a focal line F corresponding to the center line of the virtual cylinder in which the sun extends the parabolic surface. Do it.

제2 집광부(20)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 집광체(11)의 포물면에 의해 선 집광된 태양에너지를 광전지 모듈(30)에 마련된 복수의 집광형 광전지(31) 각각에 점 집광 또는 선 집광하도록 복수의 제2 집광체(21)를 포함한다. As shown in FIGS. 1 and 3, the second light collecting unit 20 includes a plurality of light collecting photovoltaic cells 31 provided with the photovoltaic module 30 for solar energy pre-condensed by the parabolic surface of the first light collecting body 11. ) A plurality of second light concentrators 21 to point converging or line condensing.

즉, 제2 집광체(21)에는 제1 집광체(11)로부터 선 집광된 태양광을 제2 집광체(21)의 중앙에 설치된 복수의 집광형 광전지(31)에 집광하도록 제1 집광체(11)의 포물면을 향해 제1 집광체(11)의 초점선(F)과 수직 방향으로 포물면이 형성된다. That is, the first light concentrator so as to condense the solar light pre-condensed from the first light concentrator 11 to the plurality of light-converging photovoltaic cells 31 installed in the center of the second light concentrator 21. The parabolic surface is formed in a direction perpendicular to the focal line F of the first light concentrator 11 toward the parabolic surface of (11).

이와 같이, 본 발명은 제2 집광체를 제1 집광체의 초점선 상에 일정 간격마다 배치되는 복수의 집광형 광전지 사이의 유휴 면적에 설치하여, 제2 집광체의 집광면적으로 집광되는 태양에너지를 인접한 집광형 광전지로 반사시킴으로써 집광비를 증가시킨다. As described above, according to the present invention, the second light collector is installed on an idle area between a plurality of light collecting photovoltaic cells arranged at regular intervals on a focal line of the first light collector, and the solar energy is collected by the light collecting area of the second light collector. Reflects to adjacent condensed photovoltaic cells to increase the condensing ratio.

또한 본 발명은 제1 집광부를 이용해 평행 광선인 태양광을 선 집광하고, 제2 집광부를 이용해 선 집광된 태양광을 다시 집광함으로써, 태양광의 집광비를 향상시킨다.In addition, the present invention improves the condensing ratio of the sunlight by pre-condensing sunlight as parallel rays using the first condenser, and condensing the condensed sunlight again using the second condenser.

예를 들어, 도 4의 (a)에는 제1 및 제2 집광부와 광전지 모듈의 측면을 확대한 상태가 도시되어 있고, 도 4의 (b)에는 제1 및 제2 집광부와 광전지 모듈의 평면을 확대한 상태가 도시되어 있다. For example, in FIG. 4A, an enlarged view of side surfaces of the first and second light collecting units and the photovoltaic module is shown, and in FIG. 4B, the first and second light collecting units and the photovoltaic module are shown. The state in which the plane is enlarged is shown.

도 4 내지 도 6에서, 제1 집광체(11)의 집광폭(D1)이 100㎝이고, 집광형 광전지(31)의 폭(d)이 1㎝인 경우, 제1 집광체(11)의 태양광 집광비는 '100'이라 가정한다.4 to 6, when the condensing width D1 of the first condenser 11 is 100 cm and the width d of the condensing photovoltaic cell 31 is 1 cm, the first condenser 11 Assume that the solar concentration ratio is '100'.

그리고 집광형 광전지(31)의 길이(w)가 1㎝인 경우, 제2 집광체(21)가 설치되는 각 집광형 광전지(31) 사이의 간격(L)이 집광형 광전지(31)의 길이(w)의 4배가 되도록 설치하면, 즉 제2 집광체(21)의 집광폭(D2)은 4㎝가 됨에 따라, 제2 집광체(21)의 태양광 집광비는 '4'가 된다.And when the length w of the condensed photovoltaic cell 31 is 1 cm, the distance L between each condensed photovoltaic cell 31 on which the second condenser 21 is installed is the length of the condensed photovoltaic cell 31. When installed so as to be four times (w), that is, the light condensing width D2 of the second light collecting body 21 becomes 4 cm, the solar light collecting ratio of the second light collecting body 21 becomes '4'.

따라서 본 실시 예에 따른 제1 및 제2 집광부(10,20)는 제1 집광부(10)의 집광비인 '100'과 제2 집광부(20)의 집광비인 '4'를 곱셈 연산한 값인 '400'의 태양광 집광비를 갖게 된다. Therefore, the first and second condensing units 10 and 20 according to the present embodiment multiply calculate the condensing ratio '100' of the first condenser 10 and '4' which is the condensing ratio of the second condensing unit 20. It has a solar condensation ratio of '400'.

한편, 일반적으로 집광형 광전지(31)는 집광비가 '400~500'의 범위에서 최적으로 성능을 나타낸다. On the other hand, in general, the condensing photovoltaic cell 31 exhibits optimal performance in a condensing ratio of '400 to 500'.

그래서, 본 실시 예에서는 최적의 태양광 집광비를 가지도록 제1 및 제2 집광체(11,21)를 이용해서 하나의 집광체만을 이용하는 경우에 비해 집광체의 설치면적을 감소시킬 수 있다. Therefore, in this embodiment, the installation area of the light collector can be reduced by using the first and second light collectors 11 and 21 so as to have an optimal solar light concentrating ratio compared to the case where only one light collector is used.

예를 들어, 하나의 집광체만을 이용하는 경우에는 집광형 광전지(31)의 폭(d)이 1㎝이면 '400'의 태양광 집광비를 얻기 위해서 집광체의 집광폭은 약 400㎝가 되어야만 한다. For example, in the case of using only one light collector, if the width d of the light collecting photovoltaic cell 31 is 1 cm, the light collecting width of the light collector should be about 400 cm to obtain a solar light collecting ratio of '400'. .

하지만, 본 실시 예에서는 폭(d)과 길이(w)가 동일한 집광형 광전지(31)의 경우, 100㎝의 집광폭(D1)을 갖는 제1 집광체(11)와 집광형 광전지(31) 길이(w)의 4배인 4㎝의 집광폭(D2)을 갖는 제2 집광체(21)를 이용해서 동일하게 '400'의 태양광 집광비를 얻을 수 있어 집광체의 설치면적을 현저하게 감소시킬 수 있다.However, in the present embodiment, in the case of the condensing photovoltaic cell 31 having the same width d and the length w, the first condenser 11 and the condensing photocell 31 having a condensing width D1 of 100 cm are provided. By using the second light concentrator 21 having a light condensing width D2 of 4 cm, which is four times the length w, the solar light condensing ratio of '400' can be obtained in the same way, thereby significantly reducing the installation area of the light concentrator. You can.

광전지 모듈(30)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가로 설치부재(12)의 하부에 설치되어 제1 집광체(11)의 포물면에 의해 선 집광된 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지를 생산한다. As shown in FIGS. 2 and 3, the photovoltaic module 30 is installed under the horizontal mounting member 12 to absorb solar light that is pre-condensed by the parabolic surface of the first light concentrator 11 to generate electricity and thermal energy. To produce.

이를 위해, 광전지 모듈(30)은 제1 집광체(11)에 의해 선 집광되는 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선 상에 일정 간격으로 배열된 복수의 집광형 광전지(31) 및 복수의 집광형 광전지(31)가 장착되는 인쇄회로기판(Printed circuit board, 이하 'PCB'라 함)(32)을 포함한다. To this end, the photovoltaic module 30 includes a plurality of condensed photovoltaic cells 31 and a plurality of condensed photovoltaic cells arranged at regular intervals on a focal line corresponding to the center line of the virtual cylinder pre-condensed by the first condenser 11. And a printed circuit board 32 on which the photovoltaic cell 31 is mounted.

여기서, 일반적인 광전지는 파장 형태로 전달되는 태양에너지의 일부 파장범위에 대해서만 에너지를 흡수한다. Here, a typical photovoltaic cell only absorbs energy for some wavelength range of solar energy delivered in the form of wavelengths.

반면, 집광형 광전지(31)는 일반적인 광전지보다 넓은 파장 범위의 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지로 변환하며, 열교환부(40)를 통해 공급되는 냉각수에 변환된 열에너지를 전달한다.On the other hand, the condensed photovoltaic cell 31 absorbs sunlight in a wider wavelength range than a general photovoltaic cell and converts the sunlight into electrical and thermal energy, and transfers the converted thermal energy to the cooling water supplied through the heat exchanger 40.

실험결과에 따르면, 집광형 광전지(31)는 3중 이상의 층으로 구성되어 하나의 층으로 이루어진 일반적인 광전지가 에너지를 흡수하지 못하는 파장 범위의 태양광도 흡수하여 전기에너지로 변환할 수 있다. According to the experimental results, the light collecting photovoltaic cell 31 is composed of three or more layers, so that a general photovoltaic cell composed of one layer may absorb sunlight in a wavelength range in which energy is not absorbed and convert it into electrical energy.

이에 따라, 집광형 광전지(31)는 일반적인 광전지에 비해 3배에 가까운 약 40%의 전기 변환 효율을 발휘할 수 있다.Accordingly, the condensed photovoltaic cell 31 can exhibit about 40% electrical conversion efficiency, nearly three times that of a general photovoltaic cell.

또 집광형 광전지(31)는 온도 100℃ 상승시 약 8~10% 만큼만 에너지 변환 효율이 저하됨에 따라 광전지 모듈(30)의 온도 상승으로 인한 에너지 변환효율의 저하율이 일반적인 광전지에 비해 매우 적은 특성이 있다. In addition, since the energy conversion efficiency of the light collecting photovoltaic cell 31 is lowered by about 8 to 10% when the temperature is increased by 100 ° C, the reduction rate of the energy conversion efficiency due to the temperature increase of the photovoltaic module 30 is much smaller than that of the general photovoltaic cell. have.

이와 같이, 본 발명은 일정 간격으로 배열된 복수의 집광형 광전지를 이용해서 제1 및 제2 집광체에 의해 집광된 태양광을 전기 및 열에너지로 변환하여 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention can improve the energy conversion efficiency by converting the solar light collected by the first and second light collectors into electric and thermal energy using a plurality of light collecting photovoltaic cells arranged at regular intervals.

PCB(32)는 일정 간격으로 배열된 복수의 집광형 광전지(31)를 전기적으로 연결하는 역할을 한다. The PCB 32 serves to electrically connect the plurality of condensed photovoltaic cells 31 arranged at regular intervals.

이와 함께, PCB(32)는 PCB(32)의 하면에 장착된 복수의 집광형 광전지(31)에서 발생하는 열을 PCB(32)의 상면에 결합되는 열교환부(40)에 효과적으로 전달할 수 있도록, 열전도 성능이 우수한 알루미늄 재질 또는 알루미늄 합금 재질과 같이 금속 재질로 제작될 수 있다. In addition, the PCB 32 may effectively transfer heat generated from the plurality of light-collecting photovoltaic cells 31 mounted on the lower surface of the PCB 32 to the heat exchanger 40 coupled to the upper surface of the PCB 32. It may be made of a metal material, such as aluminum or aluminum alloy with excellent thermal conductivity.

한편, 에폭시 수지나 유리 에폭시, 베이클라이트 수지, 페놀 수지와 같은 일반적인 합성수지 재질의 PCB를 사용하는 경우, PCB(32)에는 복수의 집광형 광전기(31)로부터 열교환부(40)로 용이하게 열전달이 될 수 있도록 각 집광형 광전지(31)의 후면에 대응되는 전체 또는 일부분을 절개해서 절개공(도면 미도시)이 형성될 수 있다. On the other hand, when using a general synthetic resin PCB such as epoxy resin, glass epoxy, bakelite resin, phenol resin, the PCB 32 can be easily transferred to the heat exchange unit 40 from the plurality of light-converging photoelectric cells 31 An incision hole (not shown) may be formed by cutting all or a part corresponding to the rear surface of each condensing photovoltaic cell 31.

여기서, 상기 절개공에는 아래에서 설명할 열교환부(40)의 냉각기 하면에 형성된 삽입돌부가 삽입된다.Here, the insertion hole is formed in the incision hole formed on the lower surface of the cooler of the heat exchanger 40 to be described below.

이와 같이, 본 발명은 합성수지 재질의 PCB를 사용하는 경우, PCB에 전기회로 구성에 영향을 주지 않은 부분에 절개공을 형성해서 집광형 광전지와 냉각기를 직접 접촉시킴으로써, 집광형 광전지의 냉각 성능 및 열에너지의 전달 효율을 향상시킬 수도 있다. As described above, the present invention, when using a PCB made of synthetic resin material, by making a cut-out hole in the portion that does not affect the configuration of the electrical circuit on the PCB by directly contacting the condensing photovoltaic cell and the cooler, cooling performance and thermal energy of the condensing photovoltaic cell It is also possible to improve the transfer efficiency.

열교환부(40)는 도면에 미도시하고 있지만, 광전지 모듈(30)의 상부에 설치되는 냉각기, 냉각기의 일측에 연결되어 광전지 모듈에서 전달되는 열을 방출하는 열교환기, 열교환기 내부로 냉각수를 공급하는 공급라인 및 열교환기에서 열교환을 수행하여 가열된 온수를 배출하는 배출라인을 포함한다. Although not shown in the drawings, the heat exchanger 40 is a cooler installed on the upper portion of the photovoltaic module 30, a heat exchanger connected to one side of the cooler to release heat transferred from the photovoltaic module, and supplying coolant to the heat exchanger. It comprises a discharge line for discharging the heated hot water by performing a heat exchange in the supply line and the heat exchanger.

상기 냉각기는 광전지 모듈(30)로부터 열에너지를 전달받을 수 있도록 열전도성이 높은 금속 재질로 제작된다.The cooler is made of a metal material having high thermal conductivity to receive thermal energy from the photovoltaic module 30.

이러한 냉각기는 내부공간에 작동유체가 충진되는 히트파이프를 이용하거나, 물과 같은 수열매체의 강제대류를 이용해서 냉각을 수행할 수 있다. Such a cooler may be cooled by using a heat pipe filled with a working fluid in the internal space, or by forced convection of a hydrothermal medium such as water.

그리고 본 발명은 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 열교환기로 회수된 열에너지를 난방장치나 급탕장치 또는 열에너지를 저장하는 축열조에 전달하여 활용할 수 있다.In addition, the present invention may be utilized by performing heat exchange with the photovoltaic module to transfer the heat energy recovered by the heat exchanger to a heating device, a hot water supply device, or a heat storage tank that stores the heat energy.

물론, 본 발명은 열회수가 필요없는 경우에는 냉각기를 이용해 광전지 모듈을 광전지 모듈로부터 열교환된 열에너지를 외부로 방출하도록 변경될 수도 있다.Of course, the present invention may be modified to emit heat energy heat exchanged from the photovoltaic module to the outside using a cooler when no heat recovery is required.

예를 들어, 상기 히트파이프에는 내부공간에 작동유체가 충진되는 채널(channel)이 마련되고, 채널 내부에는 모세관력을 이용해 작동유체를 순환시키기 위한 윅 구조물(wick structure)(312)이 구비될 수 있다. For example, the heat pipe may be provided with a channel filled with a working fluid in an internal space, and a wick structure 312 for circulating the working fluid using capillary forces may be provided in the channel. have.

이러한 냉각기의 일면에는 합성수지 재질로 제작된 PCB(32)의 절개공에 대응되는 형상으로 형성되어 절개공에 삽입되는 삽입돌부(도면 미도시)가 형성될 수 있다. One surface of the cooler may be formed in a shape corresponding to the cutting hole of the PCB 32 made of a synthetic resin material is inserted into the insertion hole (not shown) inserted into the cutting hole.

특히, 냉각기는 광전지 모듈과의 열전달을 용이하게 수행할 수 있도록 열접촉 면적이 가능한 크게 제작되는 것이 바람직하다.In particular, the cooler is preferably made as large as possible in the thermal contact area to facilitate heat transfer with the photovoltaic module.

상기 공급라인은 냉각수 탱크나 냉각수 공급파이프(도면 미도시)와 연결되어 냉각기에 냉각수를 공급한다.The supply line is connected to a coolant tank or a coolant supply pipe (not shown) to supply coolant to the cooler.

상기 배출라인은 난방 장치나 온수 공급파이프(도면 미도시)와 같이 온수를 이용하는 각종 설비와 연결되어 광전지 모듈(30)에서 변환된 열에너지를 효율적으로 활용할 수 있게 한다. The discharge line is connected to various equipment using hot water such as a heating device or a hot water supply pipe (not shown) to efficiently utilize the thermal energy converted by the photovoltaic module 30.

이와 같이, 본 발명은 일정 간격으로 집광형 광전지가 배열된 광전지 모듈의 PCB가 설치되는 반대측면에 냉각기를 설치해서 광전지 모듈을 용이하게 냉각할 수 있다.As described above, the present invention can easily cool the photovoltaic module by installing a cooler on the opposite side where the PCB of the photovoltaic module in which the condensing photovoltaic cells are arranged at regular intervals is installed.

또한 본 발명은 광전지 모듈을 이용해 태양에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환하고, 열에너지와 열교환하여 가열된 온수를 공급하여 난방이나 온수로 사용함에 따라 에너지 활용도를 높일 수 있다. In addition, the present invention can convert the solar energy into electrical energy and thermal energy using a photovoltaic module, and supply the heated hot water by heat exchange with the thermal energy to increase energy utilization as heating or hot water.

또한 본 발명은 광전지 모듈의 온도에 기초하여 열교환부에 공급되는 유량을 조절해서 광전지 모듈의 온도를 미리 설정된 온도범위로 유지함과 동시에, 열교환부에서 배출되는 온수의 온도를 일반적인 광전지 적용시에 비해 높임으로써 열에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
In addition, the present invention maintains the temperature of the photovoltaic module in a predetermined temperature range by adjusting the flow rate supplied to the heat exchanger based on the temperature of the photovoltaic module, and at the same time increases the temperature of the hot water discharged from the heat exchanger compared to the general photovoltaic application. As a result, the thermal energy conversion efficiency can be improved.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치의 결합관계를 상세하게 설명한다. Next, the coupling relationship of the energy converter using solar energy according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 상면이 포물면으로 형성되는 제1 집광체(11)의 상하단에 각각 세로 설치부재(13)를 설치하고, 각 세로 설치부재(13) 상단부 사이에 가로 설치부재(12)를 결합한다. In the energy conversion apparatus using solar energy according to the preferred embodiment of the present invention, the vertical mounting members 13 are respectively installed on upper and lower ends of the first light concentrator 11 whose upper surface is formed as a parabolic surface, and each vertical mounting member 13 is installed. ) Combine the horizontal installation member 12 between the upper end.

그리고 가로 설치부재(12)의 하부에 복수의 집광형 광전지(31)가 선형으로 배열된 광전지 모듈(30)을 설치한 후, 각 집광형 광전지(31) 사이에 포물면으로 형성되는 제2 집광체(21)를 설치한다. After installing the photovoltaic module 30 in which the plurality of condensed photovoltaic cells 31 are arranged linearly under the horizontal mounting member 12, a second condenser formed as a parabolic surface between the condensed photovoltaic cells 31. Install (21).

이때, 제1 집광체(11)는 포물면이 태양을 향하도록 지면과 경사지게 설치되고, 제2 집광체(21)는 제1 집광체(11)를 향해 제1 집광체(11)의 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선(F) 상에 제1 집광체(11)와 수직 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.In this case, the first light collector 11 is installed to be inclined with the ground so that the parabolic surface faces the sun, and the second light collector 21 extends the parabolic surface of the first light collector 11 toward the first light collector 11. It is preferable to be provided in the direction perpendicular to the first condenser 11 on the focal line F corresponding to the center line of one virtual cylinder.

여기서, 본 발명은 광전지 모듈(30) 자체에 충분한 구조적 강도가 있는 경우, 가로 설치부재(12)를 제거하고, 한 쌍의 세로 설치부재(13) 사이에 광전지 모듈(30)을 직접 설치하도록 변경될 수 있다. Here, when the photovoltaic module 30 itself has sufficient structural strength, the horizontal mounting member 12 is removed and the photovoltaic module 30 is directly installed between the pair of vertical mounting members 13. Can be.

이어서, 광전지 모듈(30)의 상부에 냉각기를 설치하고, 냉각기의 일측에는 냉각수를 공급하는 공급라인을 연결하며, 냉각기의 타측에는 광전지 모듈(30)과의 열교환을 수행하는 과정에서 가열된 온수를 배출하는 배출라인을 연결한다. Subsequently, a cooler is installed on the upper portion of the photovoltaic module 30, and a supply line for supplying cooling water is connected to one side of the cooler, and the hot water heated in the process of performing heat exchange with the photovoltaic module 30 on the other side of the cooler. Connect the discharge line.

한편, 이와 같이 조립이 완료된 에너지 변환장치는 태양광을 지속적으로 흡수할 수 있도록 태양의 위치를 추적하여 추적된 위치에 따라 회전운동하는 태양추적장치(도면 미도시)의 상부에 설치될 수 있다.
On the other hand, the assembled energy conversion device as described above may be installed on the top of the solar tracking device (not shown) to track the position of the sun to rotate continuously in accordance with the tracked position so as to continuously absorb the sunlight.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치의 작동방법을 상세하게 설명한다. Next, a method of operating an energy converter using solar energy according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

포물면에 태양광이 입사되면, 제1 집광체(11)는 포물면을 포함하는 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선(F)을 향해 태양광을 반사하여 선 집광한다. When sunlight is incident on the parabolic surface, the first light concentrator 11 reflects the sun light toward the focal line F corresponding to the center line of the virtual cylinder including the parabolic surface and condenses the light.

그러면, 초점선(F) 상에 일정 간격으로 설치된 제2 집광체(21)는 포물면으로 형성된 반사면을 이용해 선 집광된 태양광을 집광형 광전지를 향하도록 2차 집광한다.
Then, the second light concentrator 21 provided at a predetermined interval on the focal line F secondly condenses the pre-condensed sunlight toward the condensed photovoltaic cell using the reflection surface formed as a parabolic surface.

이에 따라, 광전지 모듈(30)에 일정 간격으로 배열된 복수의 집광형 광전지(31)는 2차 집광된 태양광을 흡수하여 전기 및 열에너지로 변환한다. Accordingly, the plurality of condensed photovoltaic cells 31 arranged in the photovoltaic module 30 at regular intervals absorb the secondary condensed sunlight and convert them into electrical and thermal energy.

이때, 냉각기는 공급라인을 통해 공급된 냉각수를 이용해 광전지 모듈(30)과 열교환을 수행한다. At this time, the cooler performs heat exchange with the photovoltaic module 30 using the coolant supplied through the supply line.

그래서 광전지 모듈(30)은 냉각수에 의해 냉각되어 미리 설정된 온도 범위, 예컨대 약 45~120℃를 유지하게 되고, 배출라인은 냉각기에서 가열된 온수를 난방장치나 급탕장치 또는 축열장치로 전달한다. Thus, the photovoltaic module 30 is cooled by cooling water to maintain a preset temperature range, such as about 45 to 120 ° C., and the discharge line transfers hot water heated in the cooler to a heating device, a hot water supply device, or a heat storage device.

이와 같은 과정에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 집광형 광전지를 사용함에 따라 일반적인 광전지를 사용하는 경우에 비해 향상된 에너지 변환 효율을 갖게 된다. In this process, the energy conversion device using solar energy according to the preferred embodiment of the present invention has an improved energy conversion efficiency as compared to the case of using a conventional photovoltaic cell by using a condensed photovoltaic cell.

예를 들어, 날씨가 맑은 상태에서 1㎡의 수직면에 입사되는 태양에너지가 1000W로 가정하면, 1㎡의 수직면에 설치된 일반적인 광전지는 최대 15%의 전기 변환 효율을 가짐에 따라 약 150W의 전기를 생산할 수 있다.For example, assuming that the solar energy incident on a vertical surface of 1 m 2 in sunny weather is 1000 W, a typical photovoltaic cell installed on a vertical surface of 1 m 2 will produce about 150 W of electricity as it has an electrical conversion efficiency of up to 15%. Can be.

반면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 최대 40%의 전기 변환 효율을 갖는 집광형 광전지를 설치함에 따라, 집광체를 이용해 약 400배로 집광해서 1㎡의 1/400에 해당하는 25㎠, 즉 가로 및 세로길이가 5㎝의 집광형 광전지를 설치해서 약 400W의 전기를 생산할 수 있다. On the other hand, the energy conversion device using solar energy according to a preferred embodiment of the present invention by installing a condensing photovoltaic cell having an electrical conversion efficiency of up to 40%, by condensing about 400 times using a light collector 1/1 of 1㎡ It is possible to produce about 400W of electricity by installing a condensed photovoltaic cell of 25 cm 2, i.e., 5 cm in width and length.

즉, 본 발명은 광전지 셀의 면적을 1/400로 감소시킨 상태에서 전기 생산량을 약 2.67배 향상시킬 수 있다.That is, the present invention can improve the electricity production by about 2.67 times while reducing the area of the photovoltaic cell to 1/400.

또한 본 발명은 동일한 셀 면적을 기준으로 보면, 집광형 광전지를 사용해서 일반적인 광전지에 비해 약 1,067배의 전기를 생산할 수 있다. In addition, the present invention can produce about 1,067 times the electricity of a conventional photovoltaic cell using a focusing photovoltaic cell based on the same cell area.

그리고 본 발명은 광전지 모듈과 열교환을 수행하여 가열된 온수를 난방장치나 온수 장치에 공급하여 사용함에 따라 태양에너지를 활용한 효율성을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention may improve efficiency by utilizing solar energy by supplying heated hot water to a heating device or a hot water device by performing heat exchange with a photovoltaic module.

여기서, 본 발명은 집광형 광전지를 사용함에 따라 일반적인 광전지보다 높은 45~120℃ 온도에서도 정상적인 기능을 수행할 수 있어 주택에 35℃ 이상의 온수를 공급하여 급탕 기능을 제공하는데 유리하다.
Here, the present invention is able to perform a normal function even at 45 ~ 120 ℃ temperature higher than the conventional photovoltaic cell by using a condensed photovoltaic cell is advantageous to provide a hot water supply function by supplying hot water at 35 ℃ or more.

한편, 본 실시 예에서는 제1 집광체(11)와 제2 집광체(21)에 각각 포물면이 형성되는 것으로 설명하였다. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, parabolic surfaces are formed in the first light collector 11 and the second light collector 21, respectively.

여기서, 제1 집광체(11)는 넓은 면적에 입사되는 태양광을 반사하도록 포물면의 기울기를 작게 설정해야만 한다. Here, the first light concentrator 11 must set the inclination of the paraboloid to be small so as to reflect sunlight incident on a large area.

반면, 제2 집광체(21)는 제1 집광체(11)에 의해 선 집광된 태양광을 중앙부에 설치된 집광형 광전지(31)로 2차 집광하기 위해서 포물면의 기울기를 제1 집광체(11)의 기울기에 비해 매우 크게 설정해야만 한다.On the other hand, the second light concentrator 21 inclines the slope of the paraboloid to secondly condense the solar light pre-condensed by the first light concentrator 11 to the light converging photovoltaic cell 31 installed at the center. Must be set very large relative to the slope of).

특히, 제2 집광체(21)의 양측 포물면을 이용해서 태양광 집광비를 높이기 위해서는 집광형 광전지(21)를 제2 집광체(21)의 포물면 초점보다 높게 설정해야만 한다. In particular, in order to increase the solar light collecting ratio by using both parabolic surfaces of the second light collecting body 21, the light collecting type photovoltaic cell 21 must be set higher than the parabolic focus of the second light collecting body 21.

이와 같이, 제2 집광체(21)의 포물면 초점을 정확하게 계산하고, 계산된 초점보다 높은 위치에 집광형 광전지(31)를 설치하기 위해서는 매우 난이도가 높고 복잡한 작업과정을 수행해야만 한다.As such, in order to accurately calculate the parabolic focus of the second light collecting body 21 and install the light collecting photovoltaic cell 31 at a position higher than the calculated focus, a very difficult and complicated work process must be performed.

또한 제2 집광체(21)의 포물면 기울기를 크게 하는 경우, 제2 집광체(21)의 높이가 높아짐에 따라 제2 집광체(21)의 전체 부피가 증가하게 된다.In addition, when the parabolic slope of the second light collector 21 is increased, the total volume of the second light collector 21 is increased as the height of the second light collector 21 is increased.

이에 따라, 본 발명은 제2 집광체(21)의 포물면을 단일 포물면으로 형성할 수도 있으나, 서로 다른 초점을 갖는 2개의 포물면에 대응되도록 복합 포물면으로 형성할 수도 있다. Accordingly, in the present invention, the parabolic surface of the second light collecting body 21 may be formed as a single parabolic surface, but may be formed as a composite parabolic surface to correspond to two parabolic surfaces having different focal points.

예를 들어, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치에 적용되는 제2 집광체의 정면도이다. For example, FIG. 7 is a front view of a second light collector that is applied to an energy converter using solar energy according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시 예에 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치는 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 집광체(22)의 양측 포물면을 각각 서로 일정 간격만큼 이격된 초점(F1,F2)을 갖는 2개의 포물면(P1,P2)에 대응되는 복합 포물면으로 형성한다. As shown in FIG. 7, an energy conversion device utilizing solar energy according to another embodiment of the present invention has focal points F1 and F2 spaced apart from each other by a predetermined distance from both parabolic surfaces of the second light collector 22. It is formed as a composite parabolic surface corresponding to two parabolic surfaces P1 and P2.

즉, 제2 집광체(22)의 일측, 도 7에서 보았을 때 좌측 포물면은 집광형 광전지(31)의 우측면에 접하는 제1 포물면(P1)에 대응되도록 형성된다. That is, one side of the second light collecting body 22, as seen in FIG. 7, the left parabolic surface is formed to correspond to the first parabolic surface P1 in contact with the right side of the light converging photovoltaic cell 31.

그리고 제2 집광체(22)의 우측 포물면을 제1 포물면(P1)의 초점(F1)으로부터 좌측으로 일정 간격만큼 이격된 위치의 제2 초점(F2)에 의해 형성되는 제2 포물면(P2)에 대응되도록 형성된다.The parabolic surface 22 of the second light collecting body 22 is formed on the second parabolic surface P2 formed by the second focal point F2 at a position spaced apart from the focal point F1 of the first parabolic surface P1 to the left by a predetermined interval. It is formed to correspond.

여기서, 제1 포물면(P1)과 제2 포물면(P2)은 집광형 광전지(31)의 길이(w) 및 셀 간격(L) 또는 이들을 합한 제2 집광체(21)의 집광폭(D2)에 대응되도록 설정될 수 있다.Here, the first parabolic surface P1 and the second parabolic surface P2 have a length w and a cell spacing L of the light converging photovoltaic cell 31 or the light condensing width D2 of the second light condenser 21 that combines them. It may be set to correspond.

예를 들어, 셀 간격(L)이 집광형 광전지(31)의 길이(w)와 동일한 경우, 제2 집광체(22)의 태양광 집광비는 2배가 된다.For example, when the cell spacing L is equal to the length w of the light converging photovoltaic cell 31, the solar light collecting ratio of the second light collecting body 22 is doubled.

이와 같이, 본 발명은 제2 집광체의 포물면을 서로 일정 간격만큼 이격된 초점을 갖는 2개의 포물면에 대응되는 복합 포물면으로 형성함으로써, 제2 집광체의 포물면 높이를 감소시키고, 제2 집광체의 전체 부피를 최소화할 수 있다.As described above, the present invention forms the parabolic surfaces of the second light concentrator into composite paraboloid surfaces corresponding to two paraboloids having a focus spaced apart from each other by a predetermined distance, thereby reducing the height of the parabolic surface of the second light concentrator and The total volume can be minimized.

일반적으로, 포물면을 이용하는 집광체는 렌즈나 접시 형상의 집광체에 비해 낮은 집광비를 갖는다.In general, a light collecting body using a parabolic surface has a lower light collecting ratio than a lens or dish-shaped light collecting body.

하지만, 본 발명은 포물면을 갖는 2개의 집광체를 이용해서 태양광을 집광함으로써, 동일한 설치면적을 갖는 렌즈나 접시 형상의 집광체를 이용하는 경우와 유사한 집광비를 얻을 수 있다. However, according to the present invention, by condensing sunlight using two light collecting bodies having parabolic surfaces, a light collecting ratio similar to the case of using a lens or dish-shaped light collecting body having the same mounting area can be obtained.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 포물면이 형성된 제1 집광체를 이용해 태양광을 선 집광한 후, 복수의 집광형 광전지 사이에 설치되는 제2 집광체를 이용해서 선 집광된 태양광을 다시 집광하여 태양광 집광비를 향상시킬 수 있다. Through the above-described process, the present invention pre-condenses the sunlight using the first condenser having a parabolic surface, and then the pre-condensed sunlight using the second condenser installed between the plurality of condensing photovoltaic cells. By condensing again, the solar light collecting ratio can be improved.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다. Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

본 발명은 포물면이 형성된 제1 집광체, 복수의 집광형 광전지가 일정 간격으로 배열된 광전지 모듈 및 복수의 집광형 광전지 사이에 포물면이 형성된 제2 집광체를 설치하여 태양광 집광비를 향상시키는 기술에 적용된다. The present invention provides a technique for improving the solar light collecting ratio by providing a paraboloid-shaped first condenser, a photovoltaic module having a plurality of condensed photovoltaic cells arranged at regular intervals, and a second condenser having a parabolic surface formed between the plurality of condensed photovoltaic cells Applies to

또한 본 발명은 태양에너지를 전기 및 열에너지로 복합적으로 변환함으로써, 에너지 변환효율을 향상시키는 기술에 적용된다.In addition, the present invention is applied to a technology for improving the energy conversion efficiency by converting the solar energy into electricity and heat energy complex.

이에 따라, 본 발명은 그린홈(green home)을 비롯한 일반 주택, 집단 주거시설, 공공시설 및 산업용 신재생에너지 시스템, 공항시설, 항만시설 및 우주 발전기지 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. Accordingly, the present invention can be applied to various fields such as green homes, general houses, group residential facilities, public facilities, industrial renewable energy systems, airport facilities, port facilities, and space generators.

10: 제1 집광부 11: 제1 집광체
12: 가로 설치부재 13: 세로 설치부재
20: 제2 집광부 21,22: 제2 집광체
30: 광전지 모듈 31: 집광형 광전지
32: 인쇄회로기판 40: 열교환부
10: first light concentrator 11: first light concentrator
12: horizontal mounting member 13: vertical mounting member
20: second condenser 21, 22: second condenser
30: photovoltaic module 31: condensing photocell
32: printed circuit board 40: heat exchanger

Claims (9)

상면이 포물면으로 형성되어 태양광을 선 집광하는 제1 집광체(11)를 이용해 태양광을 1차로 선 집광하는 제1 집광부(10),
상기 제1 집광부(10)에서 선 집광된 태양광을 2차로 집광하는 제2 집광부(20) 및
상기 제2 집광부(20)에서 2차 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전지 모듈(30)을 포함하고,
상기 광전지 모듈(30)은 상기 제2 집광부(20)에 의해 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하도록 상기 제1 집광체(11)의 포물면을 연장한 가상 원통의 중심선에 대응되는 초점선(F) 상에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(31) 및
일면에 상기 복수의 집광형 광전지(31)가 장착되는 인쇄회로기판(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
A first condenser 10 having an upper surface formed as a parabolic surface and condensing sunlight primarily using a first condenser 11 for condensing sunlight;
A second condenser 20 for condensing solar light pre-condensed by the first condenser 10;
It includes a photovoltaic module 30 for converting the solar light secondary collected in the second light collecting unit 20 into electrical energy,
The photovoltaic module 30 has a focal line corresponding to the center line of the virtual cylinder extending the parabolic surface of the first light concentrator 11 so as to convert the solar light collected by the second light concentrator 20 into electrical energy. F) a plurality of condensed photovoltaic cells 31 arranged linearly on and
An energy conversion device utilizing solar energy, characterized in that it comprises a printed circuit board (32) on which one of the plurality of light collecting photovoltaic cells (31) is mounted.
제1항에 있어서,
상기 제1 집광부(10)는 상기 제1 집광체(11)의 상부에 설치되는 가로 설치부재(12) 및
상기 제1 집광체(11)의 양측단과 가로 설치부재(12)의 양단부를 각각 연결하는 한 쌍의 세로 설치부재(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The first light collecting part 10 is a horizontal installation member 12 is installed on the upper portion of the first light collecting body 11 and
Energy conversion device utilizing solar energy, characterized in that it further comprises a pair of vertical mounting member (13) connecting the both ends of the first light collector (11) and both ends of the horizontal mounting member (12), respectively.
제2항에 있어서,
상기 제2 집광부(20)는 상기 제1 집광체(11)의 포물면에 의해 선 집광된 태양에너지를 상기 광전지 모듈(30)에 마련된 복수의 집광형 광전지(31) 각각에 2차 집광하는 복수의 제2 집광체(21,22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 2,
The second condenser 20 is a plurality of secondary condensed solar energy pre-condensed by the parabolic surface of the first condenser 11 to each of the plurality of condensed photovoltaic cells 31 provided in the photovoltaic module 30 An energy converter using solar energy, characterized in that it comprises a second collector (21, 22) of.
제3항에 있어서,
상기 복수의 제2 집광체(21) 각각은 상기 제1 집광체(11)의 포물면을 향해 제1 집광체(11)의 초점선(F)과 수직 방향으로 포물면이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 3,
Each of the plurality of second light collectors 21 is characterized in that the parabolic surface is formed in a direction perpendicular to the focal line F of the first light collector 11 toward the parabolic surface of the first light collector 11. Energy converter using energy.
제3항에 있어서,
상기 제2 집광체(21)의 집광폭은 상기 집광형 광전지(31) 사이의 간격에 대응되고,
상기 제1 및 제2 집광부(10,20) 전체의 태양광 집광비는 상기 제1 집광부(10)의 집광비와 제2 집광부(20)의 집광비를 곱셈 연산하여 산출되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 3,
The condensing width of the second condenser 21 corresponds to the interval between the condensing photovoltaic cells 31,
The solar light collecting ratio of the entire first and second light collecting units 10 and 20 is calculated by multiplying the light collecting ratio of the first light collecting unit 10 by the light collecting ratio of the second light collecting unit 20. Energy converter using solar energy.
제3항에 있어서,
상기 제2 집광체(21)의 포물면은 하나의 초점을 갖는 포물면에 대응되는 단일 포물면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 3,
The parabolic surface of the second light collector 21 is formed of a single parabolic surface corresponding to a parabolic surface having one focal point.
제3항에 있어서,
상기 제2 집광체(22)의 포물면은 서로 일정 간격만큼 이격된 2개의 초점(F1,F2)에 대응되는 복합 포물면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 3,
The parabolic surface of the second light collector 22 is formed of a composite parabolic surface corresponding to two focal points F1 and F2 spaced apart from each other by a predetermined interval.
제7항에 있어서,
상기 2개의 초점(F1,F2)에 대응되는 제1 및 제2 포물면(P1,P2)은 상기 집광형 광전지(31)의 길이(w) 및 셀 간격(L) 또는 이들을 합한 상기 제2 집광체(21)의 집광폭(D2)에 대응되어 설정되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method of claim 7, wherein
The first and second parabolic surfaces P1 and P2 corresponding to the two focal points F1 and F2 may have a length w and a cell spacing L of the light converging photovoltaic cell 31 or the second light collecting body including the sums thereof. Energy conversion device using solar energy, characterized in that the set corresponding to the condensing width (D2) of (21).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전지 모듈(300)과 열교환을 수행하여 광전지 모듈(30)을 냉각하고 광전지 모듈(30)에서 발생하는 열에너지를 회수하여 가열된 온수를 배출하는 열교환부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 활용한 에너지 변환장치.
The method according to any one of claims 1 to 8,
Further comprising a heat exchanger 40 for cooling the photovoltaic module 30 by performing heat exchange with the photovoltaic module 300, recovering thermal energy generated by the photovoltaic module 30, and discharging the heated hot water. Energy converter using solar energy.
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