KR101788220B1 - 태양 에너지를 이용한 열의 수거, 저장 및 공급이 통합된 건조 시스템 - Google Patents

Abstract

태양 에너지를 이용하여 열을 집적하고, 열을 저장하고, 열을 공급할 수 있는 통합형 건조 시스템은 태양열 온실, 태양 에너지 저장 베드(bed)(1), 공기 냉각기, 습식 집진기(4), 장치들을 연결하기 위한 파이프들, 및 파이프들에 배치된 밸브와 블로워들을 구비한다. 상기 태양열 온실은, 꼭대기 면과 3개의 햇빛 면들이 PC 햇빛 패널들, 강화 유리 패널, 유기유리 패널, 또는 섬유강화플라스틱(FRP) 주광조명 패널에 의해 형성되고, 그늘진 면이 에너지 저장 벽을 가진 밀폐 구조의 프레임 구조; 지면 위에 배치된 바닥판; 및 건조된 물질을 위치시키기 위한 상부 공간과 환기를 위한 하부 공간을 가진 천공된 콘크리트 바닥을 구비한다. 상기 태양 에너지 저장 베드는, 상부 공기 박스, 하부 공기 박스, 열 저장 물질로 덮여진 파이프 벽에 공기 유통 구멍이 구성되고 2개의 끝단들이 상부 공기 박스와 하부 공기 박스에 연통된 공기 파이프를 각각 포함하는 다수의 태양열 수집-저장 파이프들(13), 및 상부 공기 박스, 하부 공기 박스, 전방 투명 면 플레이트(14), 후방 비투명 베이스 플레이트(15), 및 사이드 플레이트들을 감싸서 형성된 밀폐 챔버를 구비한다. 상기 공기 냉각기는 2개의 사이드들이 공기의 유입과 유출을 위한 공기 입구와 공기 출구가 각각 구성된 실린더, 실린더의 상부 개구와 하부 개구에 배치되어 냉각될 가스를 도입하기 위한 한 다발의 가스 파이프들을 통해 서로 연통하는 2개의 가스 챔버들을 구비한다. 상기 가스 입구는 태양열 온실의 바닥판 하부에 구성되고, 상기 가스 출구들은 태양열 온실의 바닥판 위에 구성되며; 태양열 온실의 가스 입구와 하나의 가스 출구, 태양 에너지 저장 베드(1)의 상부 공기 박스(11), 공기 냉각기(3)의 상부에 배치된 가스 챔버(31), 및 공기 냉각기(3)의 공기 출구는 파이프들을 통해 연통하고; 태양열 온실의 다른 가스 출구, 태양 에너지 저장 베드(1)의 하부 공기 박스(11), 및 공기 냉각기(3)의 공기 출구는 파이프들을 통해 연통하며; 공기 냉각기(3)의 하부에 배치된 가스 챔버(31)는 습식 집진기(4)와 연통한다.

Description

태양 에너지를 이용한 열의 수거, 저장 및 공급이 통합된 건조 시스템{Integrated solar energy drying system collecting, storing and supplying heat}

본 발명은 태양 에너지를 이용한 건조 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 열의 수거, 열의 저장, 및 열의 공급이 가능한 통합형 태양 에너지 건조 시스템에 관한 것이다.

최근, 에너지 위기와 이에 부수하는 에너지 '전쟁'이 전 세계를 휩쓸고 있는 가운데, 현재의 에너지 이용 구조는 여전히 연소 과정에서 CO₂, 그을음, 황화합물, 및 질소산화물과 같은 유해 물질을 방출함으로써 인류의 생활환경을 위협하는 석탄, 석유, 및 천연 가스와 같은 공통된 에너지원에 기본적으로 의존한다. 따라서, 새로운 에너지원의 개발은 최근에 활발하게 수행되어 왔지만 산업적 프로젝트와 도시에만 초점이 맞춰진 반면, 농업 분야에서는 태양열 온실에만 적용되고 다른 분야에는 명백한 진전이 이루어지지 않고 있다.

실제로, 태양 에너지는 시골 지역에서 광범위하게 활용될 수 있다. 지방 지역민의 삶의 질은 크게 개선될 필요가 있고 지방 지역민 역시 빨리 부자가 되기를 기대한다. 예를 들어, 탈수 망고, 탈수 체리 토마토를 포함하는 보존 식품들; 쌀, 밀, 옥수수, 콩, 유채(rape), 설탕절임 과일, 해초, 우뭇가사리(agar), 차 및 양배추를 포함하는 농산물; 여러 종류의 신선한 수산물; 가압 소금절인 오리 및 포를 포함하는 공기 건조육; 및 짚, 나뭇가지를 포함하는 바이오매스 연료로 사용되는 농업 폐기물과 같이, 지방 지역의 많은 생산품은 건조될 필요가 있다. 이러한 농산품, 수산품, 및 농림 제조 공정에서 생산되는 폐기물의 건조는 이러한 공급과 시설들의 운송비를 감소시킬 수 있고, 지방 지역의 경제적 효과가 엄청나게 향상될 수 있다. 생산비가 많이 들고, 열효율이 낮고, 환경오염이 심한 종래 에너지원의 사용과 비교하여, 태양 에너지 건조 룸은 건조비를 명백하게 감소시켜서 인간의 생계를 향상시키는데 기여한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복사와 대류를 통해 태양 에너지를 더 완벽하게 활용할 수 있고, 통상의 태양열 온실과 비교하여 보다 높은 열효율과 건조율을 가지며, 태양 에너지를 이용하여 열을 집적하고, 열을 저장하고, 열을 공급할 수 있는 통합형 건조 시스템을 제공하는 것이다. 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템은 과일과 야채를 탈수시키고, 다른 농산품 및 40 내지 70℃ 범위의 건조 온도를 가진 바이오매스 연료를 건조시키도록 구성되고 야간에 작동될 수 있다.

전술한 문제점들의 관점에서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 태양 에너지를 이용하여 열을 집적하고, 열을 저장하고, 열을 공급할 수 있는 통합형 건조 시스템을 제공하는 것이다. 통합형 태양 에너지 건조 시스템은, 태양열 온실, 태양 에너지 저장 베드(bed), 공기 냉각기, 습식 집진기, 다른 장치들을 연결하기 위한 파이프들, 및 파이프들에 배치된 밸브와 블로워들을 구비한다.

태양열 온실은 밀폐 구조를 채택하고, 태양열 온실의 빌딩 구조는 프레임 구조를 이용한다. 꼭대기 면과 3개의 햇빛 면들은 PC 햇빛 패널들, 강화 유리 패널, 유기유리 패널, 또는 섬유강화플라스틱(FRP) 주광조명 패널에 의해 형성된다. 그늘진 면은 에너지 저장 벽이다. 태양열 온실의 바닥판은 지면 위에 배치되고, 천공된 콘크리트 바닥 위의 공간은 건조된 물질을 위치시키기 위해 이용되고, 천공된 콘크리트 바닥 하부의 공간은 환기를 위해 이용된다.

태양 에너지 저장 베드는, 상부 공기 박스, 하부 공기 박스, 다수의 태양열 수집-저장 파이프들, 및 밀폐 챔버를 구비한다. 각각의 태양열 수집-저장 파이프는 파이프 벽에 공기 유통 구멍이 구성된 공기 파이프를 구비한다. 각각의 공기 파이프의 2개의 끝단들은 상부 공기 박스와 하부 공기 박스에 각각 연통한다. 각각의 공기 파이프의 파이프 벽은 열저장 물질로 덮여진다. 밀폐 챔버는 상부 공기 박스, 하부 공기 박스, 전방 투명 면 플레이트, 후방 비투명 베이스 플레이트, 및 사이드 플레이트들을 감싸서 형성된다. 모든 태양열 수집-저장 파이프들은 밀폐 챔버 내부에 배치된다.

공기 냉각기는 실린더 구조이다. 실린더의 2개의 사이드들은 공기의 유입과 유출을 위한 공기 입구와 공기 출구가 각각 구성된다. 2개의 가스 챔버들은 실린더의 상부 개구와 하부 개구에 배치되고 냉각될 가스를 도입하기 위한 한 다발의 가스 파이프들을 통해 서로 연통한다.

가스 입구는 태양열 온실의 바닥판 하부에 구성되고, 가스 출구들은 태양열 온실의 바닥판 위에 구성된다. 태양열 온실의 가스 입구와 하나의 가스 출구, 태양 에너지 저장 베드의 상부 공기 박스, 공기 냉각기의 상부에 배치된 가스 챔버, 및 공기 냉각기의 공기 출구는 파이프들을 통해 연통한다. 태양열 온실의 다른 가스 출구, 태양 에너지 저장 베드의 하부 공기 박스, 및 공기 냉각기의 공기 출구는 파이프들을 통해 연통한다. 공기 냉각기의 하부에 배치된 가스 챔버는 습식 집진기와 연통한다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 각각의 공기 파이프의 파이프 벽을 덮는 열저장 물질은 인조 제올라이트와 금속 분말의 혼합이고; 인조 제올라이트의 함량은 혼합물의 전체 중량의 70wt.% 이상이다.

또한, 인조 제올라이트의 입자 사이즈는 3mm 이하이다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 면 플레이트는 유리 플레이트이고; 베이스 플레이트와 사이드 플레이트들은 플라스틱 플레이트와 절연 플레이트에 의해 형성된 복합 플레이트이다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 태양열 온실의 에너지 저장 벽은 발포 콘크리트와 암면 열 절연층에 의해 축조되고 에너지 저장 복합 모르타르에 의해 덮여지거나, 에너지 저장 복합 모르타르가 충진된 중공 벽돌에 의해 축조된다. 에너지 저장 복합 모르타르의 열 변환율은 60kj/kg 이상이다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 태양열 온실의 꼭대기 면은 큰 경사도를 가진 단일의 경사면이다. 태양열 온실의 꼭대기 면은 이러한 모양에 한정되지는 않고 아크 모양 또는 삼각형 꼭대기 면 역시 사용될 수 있다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 공기 냉각기와 그 안에 배치된 한 다발의 가스 파이프들은 09CrCuSb 합금으로 제조된다.

전술한 기술적 해결책에 있어서, 태양열 온실은 미세-압력 하우스이고, 그 안의 압력은 30,000 내지 70,000 파스칼 범위 바람직하게, 50,000파스칼이다.

선행기술과 비교하여, 본 발명의 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 구조적으로 최적화된 태양열 온실과 태양 에너지 저장 베드의 배치는 복사와 대류 열교환의 혼합을 활용할 수 있어서, 열효율이 높고 에너지를 절약할 수 있다.

둘째, 전체 건조 시스템은 태양 에너지를 총괄적으로 사용함으로써, 운영비가 낮고, 에너지를 절감하고 환경을 보호한다.

셋째, 태양 에너지 저장 베드의 이용 역시 현존하는 태양열 온실이 태양 에너지를 야간에 이용할 수 없는 문제점을 극복할 수 있다.

넷째, 본 발명의 시스템은 과일과 채소를 탈수시키고 다른 농산품과 40 내지 70℃ 범위의 건조 온도를 가진 바이오매스 연료를 건조시키도록 구성됨으로써, 농업 경제적 혜택을 향상시키는데 긍정적 효과를 가지며, 산업 운송비를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 태양 에너지 저장 베드의 개략도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 2의 태양열 수집-저장 파이프의 단면도이다.
도 5는 도 1의 공기 냉각기의 구성도이다.
도 6은 도 5의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.

본 발명을 더 명확히 설명하기 위하여, 첨부된 도면들과 함께 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템의 실시예들을 아래에서 설명한다.

태양 에너지를 이용하여 열을 수집하고, 열을 저장하고 열을 공급할 수 있는 통합형 건조 시스템을 도시하는 도 1을 참조하면, 시스템은 태양열 온실(10), 태양 에너지 저장 베드(1), 공기 냉각기(3), 습식 집진기(4), 전술한 장치들 또는 구성요소들을 연결하기 위한 연결 파이프들, 및 연결 파이프들 상에 배치된 제1 밸브(9.1) 내지 제12 밸브(9.12) 및 제1 블로워(21) 내지 제3 블로워(23)를 구비하고, 아래에서 더 상세히 설명된다.

태양열 온실(10)의 배치는 그것이 위치되는 지역들에 따라 변화되고, 전면이 가장 강한 태양 복사의 방향을 향하도록 면해야 하는 원칙에 따르고, 북반구에서 태양열 온실은 일반적으로 전면이 남쪽을 향해 면하고 후면이 북쪽을 향해 면한다. 태양열 온실(10)의 빌딩 구조는 프레임 구조를 사용한다. 태양열 온실(1)의 동쪽, 서쪽 및 남쪽의 꼭대기 면과 햇빛 면은 PC 햇빛 패널들(5)에 의해 형성된다. PC 햇빛 패널들(5)은 높은 강도(내충격성은 유리의 40배이고 FRP의 20배), 90%의 투과율, 양호한 열 절연성(유리의 2배), 경량(유리의 1/5), 난연제, 및 응결가능성 감소와 같은 물리적 특성을 가진다. 태양열 온실의 그늘진 면은 에너지 저장 벽(6)이다. 태양열 온실(10)의 에너지 저장 벽(6)은 발포 콘크리트와 암면(rock-wool) 열 절연층에 의해 축조되고 에너지 저장 복합 모르타르에 의해 덮이거나, 에너지 저장 복합 모르타르로 충진된 중공 벽돌들로 축조된다. 에너지 저장 복합 모르타르는 그래파이트 분말, 바이오매스 발전소로부터 나오는 애쉬, 시멘트 모르타르, 및 건설 현장의 물의 혼합에 의해 준비되고, 에너지 저장 복합 모르타르의 열 변환율은 60kj/kg 이상이다. 태양 에너지 빌딩 또는 건축물은 일반적으로 삼각형 지붕을 사용하고, 바람직한 실시예에서는 태양 에너지의 가열 표면적을 확대할 목적으로 큰 경사를 가진 단일 꼭대기 면을 사용한다. 태양열 온실의 바닥판은 천공된 콘크리트 바닥(7)을 사용하고, 천공된 콘크리트 바닥(7)은 지면 위의 1 미터 위치에 배치된다. 천공된 콘크리트 바닥(7) 위의 공간은 건조될 물질(8)의 배치를 위해 이용되고, 천공된 콘크리트 바닥(7) 아래의 공간은 통기를 위해 이용된다. 열저장 효율을 강화하기 위하여, 에너지 저장 벽(6)의 내면과 천공된 콘크리트 바닥(7)의 면들은 20mm의 두께를 가진 에너지 저장 복합 모르타르의 층으로 코팅된다. 태양열 온실(10)의 동쪽면과 서쪽면(도 1에서 2개의 면들은 평행함)은 각각 물질(8)을 배치하고 취출하기 위해 밀폐 도어(미도시)가 구성된다. 태양열 온실(10)에는 창문이 없고, 스틸 구조물과 PC 햇빛 패널들(5) 사이의 연결 위치들에는 전체 태양열 온실(10)의 밀폐 성능을 확보하기 위한 실링이 요구된다. 태양열 온실(10)의 내면은 원적외선 반사 코팅으로 코팅되어 양호한 열저장 효과와 균일한 온도를 보장한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 태양 에너지 저장 베드(1)는 공기 출구(11a)가 마련된 상부 공기 박스(11), 공기 입구(16a)가 마련된 하부 공기 박스(16), 상부 공기 박스(11)와 하부 공기 박스(16)에 각각 연통될 수 있도록 각각 구성된 다수의 태양열 수집-저장 파이프들(13), 및 밀폐 챔버를 구비한다. 각각의 태양열 수집-저장 파이프(13)는 파이프 벽에 통기 구멍이 형성된 공기 파이프(12)를 그 양단에 구비한다. 각각의 공기 파이프(12)의 일 끝단은 상부 공기 박스(11) 또는 하부 공기 박스(16)에 각각 연통한다. 각각의 공기 파이프(12)의 파이프 벽은 열저장 물질로 덮여진다. 밀폐 챔버는 상부 공기 박스(11), 하부 공기 박스(16), 전방의 투명한 면 플레이트(14), 후방의 불투명한 베이스 플레이트(15), 및 사이드 플레이트들의 감쌈에 의해 형성된다. 모든 태양열 수집-저장 파이프들(13)은 밀폐 챔버 내부에 배치된다. 본 실시예의 열 저장 물질은 인조 제올라이트와 금속 분말의 혼합물이고, 인조 제올라이트의 함량은 혼합물의 전체 중량의 70wt.% 이상이다. 인조 제올라이트는 열을 저장하는 기능을 하는 반면 금속 분말은 기본적으로 열을 전도시키는 기능을 한다. 면 플레이트(14)는 햇빛의 통과를 허용하여 열을 보존하는 유리 플레이트이다. 베이스 플레이트(15)와 사이드 플레이트들은 열전도성은 약하지만 상대적으로 강도가 좋아서, 열의 보존과 지지 기능을 가진 플라스틱 플레이트와 절연 플레이트에 의해 형성된 복합 플레이트들이다. 본 발명의 열 저장 방식은 고체 흡수형 열 저장을 사용함으로써, 장기적 열 저장에서 현열 저장 방식보다 우수하여, 열 저장 장치의 특수한 열 보존의 필요성이 없고, 초기 투자 비용이 낮고, 잠열 저장보다 에너지 저장 밀도가 높은 우수성이 있다. 고체 열저장 물질은, 1) 높은 에너지 저장 밀도; 2) 충분한 수용 공급 및 낮은 가격; 3) 무해하고 비-부식성 물질; 4) 반복된 사용과 재생; 5) 큰 흡수 용량과 30 내지 100℃에서 상대적인 온도 민감도; 및 6) 작은 흡수, 낮은 재생 온도, 흡착물질의 탈착(desorption) 후 작은 잔여물과 같은 특징을 가질 필요가 있다. 전술한 조건들을 현재 만족하는 물질은 제올라이트, 활성 카본, 실리카겔, 활성 알루미나, 및 활성 카본 섬유를 포함하고, 상응하는 흡착물질은 물, 메탄올, 에탄올, 암모니아, 및 프레온 가스(클로로플루오로카본)를 포함한다. 인조 제올라이트의 입자 사이즈는 3mm 이하이다. 인조 제올라이트의 유효 열 저장 밀도는 대체로 600 내지 700kj/kg이고, 이것은 태양열 수집-저장 파이프들(13)이 상대적으로 높은 열효율을 가지도록 한다. 가스가 인조 제올라이트와 완전히 접촉될 수 있도록 상대적으로 작은 입자 사이즈가 선택된다. 태양열 수집-저장 파이프들(13)의 길이와 직경은 태양열 온실의 부하에 따라 결정된다. 태양열 온실의 부하가 클수록, 태양열 수집-저장 파이프들(13)의 길이와 직경은 더 커지며, 그 반대도 성립한다.

공기 냉각기(3)를 구체적으로 도시하고 있는 도 5 및 도 6을 참조하면, 공기 냉각기(3)는 실질적으로 실린더 구조의 콘덴서 하우징(33)을 구비한다. 공기 냉각기(1)의 콘덴서 하우징(33)의 반대되는 2개의 측면들은 공기를 유입하고 배출하기 위해 각각 공기 입구(36)와 공기 출구(37)가 마련된다. 또한, 공기 냉각기(3)는 콘덴서 하우징(33)의 상부 개구에 배치된 상부 가스 챔버(31)와 하부 개구에 배치된 하부 가스 챔버(35), 상부 가스 챔버(31)와 하부 가스 챔버(35) 사이를 연통시키도록 콘덴서 하우징(33) 내부에 배치된 다수의 가스 파이프들(32)을 구비한다. 고온 다습한 가스는 어느 정도 부식성이 있다는 사실을 고려할 때, 공기 냉각기(3)와 그 안에 배치된 다수의 가스 파이프들(32)은 스틸, 바람직하게 09CrCuSb 합금으로 제조되고, 가스 파이프들(32)의 표면은 3겹의 반-부식 코팅층으로 코팅된다. 따라서, 고온 다습한 가스는 다수의 가스 파이프들(32) 속으로 고속으로 유동하는 동안, 공기 입구(36)로부터 공기 출구(37)를 통해 상온의 공기가 다수의 가스 파이프들(32)의 외측으로 흐르면서 열교환을 하게 된다. 열교환 후, 공기 냉각기(3) 내부의 응축수는 습식 집진기(4)로 배출되고, 열교환 과정에서 가열된 고온의 공기는 태양열 온실(10) 내부의 물질의 건조를 위해 태양열 온실(10)로 공급될 수 있다.

습식 집진기(4)는 가스에 있는 분진을 제거하기 위해 사용되고, 그 효율은 99%를 상회한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전체 건조 시스템의 장치들은 서로 연결된다. 태양열 온실(10)의 콘크리트 바닥(7) 하부에는 가스 입구(10a)가 마련된다. 또한, 유동 방향이 열기류가 증가되는 법칙을 만족시키기 위해, 태양열 온실(10)의 콘크리트 바닥(7)의 상부에는 2개의 출구들 즉, 제1 가스 출구(10b)와 제2 가스 출구(10c)가 마련된다. 태양열 온실(10)의 가스 입구(10a)와 제1 가스 출구(10b), 태양 에너지 저장 베드(1)의 상부 공기 박스(11), 공기 냉각기(3)의 상부에 배치된 가스 챔버(31), 및 공기 냉각기(3)의 공기 출구(37)는 파이프들을 통해 연통되어 제1 경로를 형성한다. 태양열 온실(10)의 제2 가스 출구(10c), 태양 에너지 저장 베드(1)의 하부 공기 박스(16), 공기 냉각기(3)의 공기 출구(37)는 제2 경로를 형성하는 파이프들을 통해 연통한다.
제1 밸브(9.1) 내지 제12 밸브(9.12)와 제1 블로워(21) 내지 제3 블로워(23)는 각각 서로 다른 작업 상태를 구현하기 위해 전술한 파이프들의 필요한 위치에 배치된다. 태양열 온실(10)의 일부 상응하는 위치들에는 통제실의 작업자에 의해 전체 시스템의 작업 상태를 모니터 및 작동시키는데 사용될 수 있도록 미도시된 온도 표시기와 압력 게이지와 같은 감지 기구가 마련된다. 공기 냉각기(3)의 하부 가스 챔버(35)는 습식 집진기(4)와 연통한다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

1.1) 주간에, 태양열 온실(10) 내부에 건조될 물질(8)을 투입하고 밀폐 도어를 닫아서 태양열 온실(10)을 밀봉 상태로 만든다.

1.2) 제3 블로워(23)를 작동시키고 제11 밸브(9.11)와 제12 밸브(9.12)를 개방시키는 한편, 다른 밸브들과 다른 블로워들을 폐쇄 상태로 만든다. 태양열 온실(10) 내부의 압력이 대략 50,000파스칼에 도달할 때까지 공기는 태양열 온실(10) 밖으로 배출된다. 나무껍질을 물질(8)로 사용하는 건조 테스트에 의하면, 그러한 압력 상태하에서 물질의 탈수율은 정상 압력하의 그것보다 더 높은 대략 15% 내지 20%이므로, 물질(8)의 건조 효율이 실질적으로 향상되었음을 보여준다. 또한, 대략 50,000파스칼의 태양열 온실(10)의 압력 제어가 완전히 구현될 수 있으므로, 비용이 상대적으로 저렴한 범위 내로 제어될 수 있다.

1.3) 통제실의 압력 게이지가 태양열 온실(10) 내부의 압력이 50,000파스칼에 도달했음을 나타낼 때, 제3 블로워(23)가 꺼지고 모든 밸브들이 폐쇄되어 태양열 온실(10)의 내부를 밀폐 상태로 만든다. 태양열 온실(10)의 외측의 공기가 내측으로 침투하여 태양열 온실(10) 내부의 압력이 60,000파스칼 이상으로 상승하면, 단계 1.2)와 단계 1.3)의 작동이 반복되어 그 내부의 압력이 50,000파스칼 이하가 되도록 유지한다.

1.4) 태양열 온실(10)의 내부 온도가 증가할 때, 물질(8)의 표면 위의 물은 그 온도가 30℃ 보다 클 때 증발하기 시작한다. 통제실에 있는 습도계가 태양열 온실(10)의 내부의 상대 습도가 90% 이상으로 도달하는 것으로 표시되면, 제3 블로워(23)가 시동되고 제11 밸브(9.11)와 제9 밸브(9.9)가 개방되는 반면, 다른 밸브들과 다른 블로워들이 폐쇄되어, 태양열 온실(10)의 고온 다습한 기체는 공기 냉각기(3)로 유입된다. 동시에, 공기 냉각기(3) 내부로 유입되는 고온 다습한 가스를 열교환을 통해 냉각시키기 위해 제2 블로워(22)를 작동시켜 상온의 공기를 공기 냉각기(3)로 유입시킨다. 이어서, 열교환에 의해 냉각된 고온 다습한 가스와 응축된 물은 습식 집진기(4)로 배출되는 한편, 열교환에 의해 상온의 공기가 가열된 고온의 공기는 태양열 온실(10)로 전송되어 물질을 건조시키는데 이용된다. 이를 위해, 제7 밸브(9.7), 제8 밸브(9.8), 및 제10 밸브(9.10)는 개방되고, 제1 밸브(9.1), 제2 밸브(9.2), 및 제5 밸브(9.5)와 제1 블로워(21)는 폐쇄된다. 따라서, 태양열 온실(10)은 강제 대류 가열 건조 상태가 된다. 공기 속도는 대략 2 내지 2.5m/s의 범위로 제어된다.

1.5) 통제실에 있는 습도계가 태양열 온실(10)의 상대 습도가 40% 미만을 나타낼 때, 모든 블로워들과 밸브들이 폐쇄되어 태양열 온실(10)을 밀폐 상태로 만들고, 단계들 1.1) 내지 1.4)이 반복되어, 태양 에너지에 의해 물질이 연속적으로 건조된다.

일몰 후 야간에, 태양열 온실(10)은 주간에 비해 명백하게 불충분한 에너지 저장 벽(6)과 천공 콘크리트 바닥(7)에 의해 저장된 열에 의해서만 유지된다. 따라서, 양호한 건조 상태를 유지하기 위하여, 주간에 태양 에너지 저장 베드(1)에 의해 수집 및 저장된 태양 에너지에 의존해야만 한다. 태양 에너지 저장 베드(1)는 다음과 같이 작동한다.

2.1) 주간에 태양 에너지 저장 베드(1)의 열 저장 과정은 다음과 같다. 주간에, 인조 제올라이트의 입자들은 태양 에너지를 흡수하여 그 온도가 상승하고, 물이 인조 제올라이트로부터 흡수된 물질을 제거하기 시작하고, 태양 에너지 저장 베드(1)는 열을 저장하기 시작한다. 공정을 가능하게 하기 위하여, 태양열 온실(10)이 강제 대류 가열 건조 상태일 때, 제1 밸브(9.1)와 제4 밸브(9.4)가 개방되고 제2 블로워(22)가 시동되어, 공기 냉각기(3)에 의해 가열된 공기의 일부분이 태양 에너지 저장 베드(1)로 도입되어 탈착된(desorbed) 수증기를 운반하고, 생성된 고온 다습한 가스가 공기 냉각기(3)로 이송된다. 태양 에너지 저장 베드(1)의 공기 출구(11a)에서 가스의 습도가 50% 미만일 때, 제1 밸브(9.1), 제4 밸브(9.4), 및 제5 밸브(9.5)와 제1 블로워(2.1)가 폐쇄되어 공기 냉각기(3)에 의해 가열된 후의 모든 상온의 공기를 태양열 온실(10)로 전송하게 된다.

2.2) 태양열 온실(10)의 온도가 28℃ 이하로 감소할 때, 태양 에너지 저장 베드(1)의 저장된 열은 물질(8)을 건조하기 위해 사용된다. 그러면, 제1 밸브(9.1), 제4 밸브(9.4), 제6 밸브(9.6), 및 제12 밸브(9.12)가 폐쇄되는 한편 다른 밸브들과 다른 블로워들 모두 시동된다. 태양 에너지 저장 베드(1)의 온도가 태양열 온실(10)의 온도보다 더 낮아질 때까지는 공정이 멈추지 않는다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양 에너지를 이용한 통합형 건조 시스템의 핵심은 태양열 온실과 태양 에너지 저장 베드의 배치이다. 시스템은 열 공급, 열 수집, 및 열 저장이 전체로서 통합되고, 높은 열효율을 가지며, 야간에 태양 에너지를 이용할 수 있다. 더군다나, 미세-압력 태양 에너지 건조 기술은 건조 및 탈수율을 향상시키는데 사용되고, 건조 공기 유동 조직 역시 고안된다.

본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 대한 다양한 변형 및 개조가 가능하다는 것은 당업자에게 명백하다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 변형 실시예들은 꼭대기 면과 3개의 햇빛 면들로서 PC 햇빛 패널를 사용할 수 있지만, 강화유리 패널, 유기유리 패널, 및 FRP 주광 패널 역시 사용될 수 있다. 인조 제올라이트는 높은 열저장 밀도, 안정된 열 저장, 및 생산 비용이 낮기 때문에, 인조 제올라이트를 사용하는 태양열 수집-저장 파이프들에 있는 열 저장 물질 역시 본 발명의 바람직한 하나의 측면이다. 한편, 활성 카본, 실리카겔, 활성 알루미나, 및 활성 카본 파이버와 같은 다른 적절한 통상의 고체 에너지 저장 물질 역시 사용될 수 있다. 면 플레이트(14)과 베이스 플레이트(15), 태양열 온실의 꼭대기 면의 형상, 에너지 저장 벽의 물질 역시 실제 상태에 따라 조절될 수 있다. 공기 냉각기(3)는 Nd 스틸에 한정되는 것은 아니고, 양호한 열전달 성능 및 양호한 반-부식 성능을 발휘할 수 있는 다른 물질로 대체될 수 있다. 정상 작동 상태에서 50,000 파스칼로 태양열 온실 내부의 압력의 제어는, 작동, 기술적 효과, 제조 비용을 포함하는 팩터의 고려에 의해 선택될 수 있다. 30,000 내지 70,000 파스칼 범위의 제어된 압력 역시 양호한 효과에 도달할 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 목적은 본 발명의 진정한 정신과 범위에 속하는 한 모든 변화와 변경을 포함하는 것을 의도한다.

1...태양 에너지 저장 베드 3...공기 냉각기
4...습식 집진기 5...PC 햇빛 패널
6...에너지 저장 벽 7...천공된 콘트리트 바닥
8...물질 10...태양열 온실(10)
11...상부 공기 박스 12...공기 파이프
13...태양열 수집-저장 파이프 14...면 플레이트
15...베이스 플레이트 21, 22, 23...블로워
31...가스 챔버 32...가스 파이프
33...켄덴서 하우징 9.1 - 9.12...밸브

Claims (9)

1. 태양 에너지를 이용하여 열을 집적, 저장, 및 공급할 수 있는 통합형 건조 시스템에 있어서,
   연결 파이프들에 의해 각각 연통되는 태양열 온실(10), 태양 에너지 저장 베드(bed)(1), 공기 냉각기(3), 습식 집진기(4), 및 상기 연결 파이프들에 배치된 제1 밸브(9.1) 내지 제12 밸브(9.12)와 제1 블로워(21) 내지 제3 블로워(23)를 구비하고;
   상기 태양열 온실(10)은, 꼭대기 면과 3개의 햇빛 면들이 PC 햇빛 패널들(5), 강화 유리 패널, 유기유리 패널, 또는 섬유강화플라스틱(FRP) 주광조명 패널에 의해 형성되고, 그늘진 면에 마련되는 에너지 저장 벽(6), 및 건조된 물질(8)을 위치시키기 위한 상부 공간과 환기를 위한 하부 공간을 구획하는 천공된 콘크리트 바닥(7)을 포함하는 밀폐된 프레임 구조이고, 상기 공기 냉각기(3)와 연통될 수 있는 가스 입구(10a), 상기 공기 냉각기(3)와 연통될 수 있는 제1 가스 출구(10b), 및 상기 태양에너지 저장 베드(1)와 연통될 수 있는 제2 가스 출구(10c)를 포함하고;
   상기 태양 에너지 저장 베드(1)는, 상기 공기 냉각기(3)와 연통가능한 상부 공기 박스(11), 상기 제2 가스 출구(10c)와 연통가능한 하부 공기 박스(16), 끝단이 상부 공기 박스(11) 또는 하부 공기 박스(16)에 연통될 수 있고 열저장 물질로 덮여지고 공기 유통 구멍이 마련된 파이프 벽을 가진 공기 파이프(12)를 각각 포함하는 다수의 태양열 수집-저장 파이프들(13), 및 상부 공기 박스(11), 하부 공기 박스(16), 전방의 투명한 면 플레이트(14), 후방의 불투명한 베이스 플레이트(15), 및 사이드 플레이트들에 의해 상기 태양열 수집-저장 파이프들을 감싸는 밀폐 챔버를 구비하고;
   상기 공기 냉각기(3)는 상온의 공기를 유입할 수 있는 공기 입구(36), 상기 공기 입구로부터 유입된 상온의 공기가 가열된 고온의 공기를 배출시키기 위해 상기 태양열 온실(10) 또는 상기 태양에너지 저장 베드(1)에 연통될 수 있는 공기 출구(37)가 마련된 콘덴서 하우징(33), 상기 태양열 온실(10) 또는 상기 태양에너지 저장 베드(1)로부터 공급되는 고온 다습한 기체를 유입할 수 있도록 상기 컨덴서 하우징(33)의 상부 개구에 마련된 상부 가스 챔버(31), 상기 습식 집진기(4)와 연통할 수 있도록 상기 컨덴서 하우징(33)의 하부 개구에 마련된 하부 가스 챔버(35), 및 상기 상부 가스 챔버(31)로부터 상기 하부 가스 챔버(35)로 가스를 유동시킬 수 있고 상기 공기 입구(36)로부터 상기 공기 출구(37)를 통해 유동하는 상온의 공기를 열교환시킬 수 있는 다수의 가스 파이프들(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   각각의 공기 파이프(12)의 파이프 벽을 덮는 열저장 물질은 인조 제올라이트와 금속 분말의 혼합이고; 인조 제올라이트의 함량은 혼합물의 전체 중량의 70wt.% 이상인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   인조 제올라이트의 입자 사이즈는 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 면 플레이트(14)는 유리 플레이트이고; 상기 베이스 플레이트(15)와 사이드 플레이트들은 플라스틱 플레이트와 절연 플레이트에 의해 형성된 복합 플레이트인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   태양열 온실의 에너지 저장 벽(6)은 발포 콘크리트와 암면 열 절연층에 의해 축조되고 에너지 저장 복합 모르타르에 의해 덮여지거나, 에너지 저장 복합 모르타르가 충진된 중공 벽돌에 의해 축조되고;
   에너지 저장 복합 모르타르의 열 변환율은 60kj/kg 이상인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   태양열 온실의 꼭대기 면은 큰 경사도를 가진 단일의 경사면인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   공기 냉각기(3)의 상기 컨덴서 하우징(33) 내부에 배치된 다수의 가스 파이프들(32)은 09CrCuSb 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 시스템.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   태양열 온실은 미세-압력 하우스이고, 그 안의 압력은 30,000 내지 70,000 파스칼 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 압력은 50,000 파스칼인 것을 특징으로 하는 시스템.
   

Images