KR200242949Y1 - 집광렌즈를 구비한 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 복수의 집광렌즈를 통해 태양광을 모아 급수 파이프를 통해 공급된 흡열 파이프의 용수를 가열하여 급탕 파이프를 통해 배출함으로써 난방용이나 온수로서 사용할 수 있도록 한 태양열 집열기에 관한 것이다.

본 고안에 따른 태양열 집열판은 외체를 형성하는 케이스(13), 급수원으로부터 급수되는 용수를 흡수된 태양 복사열로 가열하여 급탕조로 공급하도록 상기 케이스(13) 내부에 설치된 열흡수 파이프(15) 및, 태양광만이 통과하도록 상기 케이스(13)를 밀폐시키는 투명 덮개판(17)으로 구성된 태양열 집열판(10)에 있어서, 횡단면이 타원형이며 종단면이 장방형인 복수의 집광렌즈(21)로 이루어진 집광판(19)을 구비하고 있으며, 상기 열흡수 파이프(15)는 상기 각 집광렌즈(21)의 초점거리 상에서 일직선으로 이어진 상기 집광렌즈(21)의 초점을 따라 상기 집광렌즈(21)와 평행하게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 집열판(10)의 흡열 파이프(15) 구조를 단순화시킴으로써 제조 단가를 대폭 절감할 수 있으면서도, 단순화된 파이프(15) 구조로 인해 태양광이 손실되는 일 없는 집열효율의 극대화를 꾀할 수 있게 된다.

Description

집광렌즈를 구비한 태양열 집열기{solar collector having condensing lens}

본 고안은 태양열 집열판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 횡단면이 타원형이며 종단면이 장방형인 집광렌즈를 통해 태양광을 모아 렌즈의 초점거리에 위치하는 흡열 파이프를 가열함으로써 집열효율을 향상시킨 집광렌즈를 구비한 태양열 집열판에 관한 것이다.

에너지 자원의 고갈과 대기오염이 심각한 문제로 대두되면서 그 대책의 일환으로서 그린 에너지의 활용방안이 각광을 받기 시작했으며, 그 다양한 활용방안 중의 하나가 무한정한 무공해의 에너지원인 태양열을 이용하는 것으로 태양열 발전, 태양열 주택, 태양열 급탕기 등 여러 분야에서 응용되고 있다.

이 중 태양열을 난방수단으로 이용하는 태양열 주택은 다시 자연형 태양열 주택과 설비형 태양열 주택으로 대별되며, 여기에서 자연형 태양열 주택이라함은 말 그대로 유리창을 통해 주택의 실내로 들어 오는 태양광을 이용하는 것으로, 남측으로 면해 있는 곳의 바깥쪽을 유리창으로 처리하고 그 안에 집열벽을 두어 낮동안에는 태양에 의해 데워진 공기가 위 아래에 있는 공기의 구멍으로 순환이 되어 난방이 되고, 밤에는 집열벽에 축열되어 있는 열이 벽체를 통해 방안으로 전달이 됨으로써 난방이 되는 방식을 취하고 있다.

반면, 설비형 태양열 주택은 기계적인 동력을 이용하여 강제적으로 태양열을 저장하는 방식으로 지붕에 있는 집열판(solar collector)에서 뜨거워진 물을 펌프를 이용하여 지하실에 있는 축열탱크(storage tank)로 보내어 열을 저장하는 방식으로 이 축열탱크에 있는 물을 이용하여 난방 및 온수공급을 하게 된다. 맑은 날에 축열탱크에 저장된 뜨거운 물로는 약 3일간의 난방 및 온수공급을 할 수 있으며, 흐린날이 계속될 경우나 혹은 열이 충분하지 않을 경우를 대비해 보조열원을 별도로 설치하도록 되어 있다.

위와 같은 설비형 태양열 주택은 지금까지 태양의 복사 에너지를 축적하는 수단으로서 다수개의 수로관이 상당 거리 이상 이격되어 있으며, 각 수로관의 양측으로 급수라인과 온수라인을 설치하도록 구성된 집열판을 사용하여 왔다. 그런데, 이와 같은 종래의 태양열 집열판은 다수의 수로관이 모두 일직선 구조로 형성되어 있으므로 물의 경유로가 한정되어 집열판 내에 축적되는 태양의 복사열량이 충분하지 못하게 되고, 결과적으로 온도를 충분히 상승시키지 못한 상태에서 온수라인을 통해 미온(微溫)의 물을 그대로 배출시키게 되므로 만족스러운 난방 효과를 기대할 수 없는 문제점이 있었다.

이와 같은 종래의 태양열 집열판의 단점을 보완하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 태양열 집열판이 제안된 바 있다.

이 태양열 집열판은 도 1에 100으로 도시된 것처럼, 상판(109)과 하판(111)을 접합한 일정구간마다 수로관(103)이 형성되고, 이 수로관(103)마다 급수라인(105)과 온수라인(107)이 연결 설치되며, 각 수로관(103)과 연결되는상판(109)과 하판(111) 사이에 거미줄 형상 또는 바둑판 형상의 구조를 갖는 유로관(113)이 형성되도록 구성된다.

따라서, 집열판(100) 본체의 일측면에 연결되는 급수라인(105)을 통해 저온의 물이 집열판 내의 수로관(103)으로 유입되면, 유입된 저온의 물은 거미줄 또는 바둑판 형상으로 이루어진 유로관(113) 내부를 경유하면서 집열판(100) 상에 축적되는 태양 복사열을 흡수하여 고온의 온수로 가열되며, 가열된 온수는 온수라인(107)을 통해 배출되어 건물의 난방이나 급탕에 사용된다.

그런데, 이러한 종래의 태양열 집열판(100)에 의하면 태양의 복사열을 외부로의 손실 없이 효율적으로 흡수하기 위해 유로관(113)으로 유입되는 급수의 경유거리를 길게 할 필요가 있고, 이에 따라 수로관(103) 및 유로관(113)의 구조를 조밀 간격으로 구성하여야 한다. 따라서 집열판(100)은 제작시 수로관(103)이나 유로관(113)용으로 다수의 관부재가 소요되고, 제작 공수가 늘어나므로 제작단가가 상승하는 문제점이 있었다. 또한, 수로관(103)이나 유로관(113)의 구조를 아무리 조밀 간격으로 유지한다 하더라도 각 관(103,113) 들 사이에는 일정한 공간이 발생하지 않을 수 없으므로 이러한 공간을 통해 태양 복사열이 손실되는 것을 막을 수 없는 문제점도 있었다.

본 고안은 위와 같은 종래의 태양열 집열판이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 배관 구조를 대폭적으로 간소화시키면서도 손실 없이 태양 복사열을 흡수할 수 있도록 함으로써 태양열 집열효율을 극대화시키면서도 상대적으로 비용은 저렴한 태양열 집열기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 태양열 집열판을 도시한 사시도.

도 2는 본 고안에 따른 태양열 집열판기 사시도.

도 3은 도 2의 부분 단면 측면도.

도 4는 도 2에 도시된 집열판의 도 5 AA선에 따른 정단면도.

도 5는 도 2에 도시된 집열판의 평면도.

도 6은 도 2에 도시된 집열판의 도 5 BB선에 따른 측단면도.

도 7은 본 고안의 다른 실시예에 따른 집열판의 정단면도.

도 8은 본 고안의 또 다른 실시예에 따른 집열판의 정단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 태양열 집열기 2, 3 : 급배수라인

4 : 지지대 5, 6 : 지지봉

8 : 기어드 모터 10 : 집열판

13 : 케이스 14 : 볼소켓부

15 : 열흡수파이프 17 : 덮개판

19 : 집광판 21 : 집광렌즈

23 : 지지로드 25 : 지지링

27 : 집광 보조판 29 : 지지돌기

33 : 고정대

이러한 목적을 달성하기 위해 본 고안의 태양열 집열기는 외체를 형성하는 케이스, 급수원으로부터 급수되는 용수를 흡수된 태양 복사열로 가열하여 급탕조로 공급하도록 케이스 내부에 설치된 열흡수 파이프 및, 태양광만이 통과하도록 케이스를 밀폐시키는 투명 덮개판으로 구성된 태양열 집열판에 있어서, 횡단면이 타원형이며 종단면이 장방형인 복수의 집광렌즈로 이루어진 집광판을 구비하고 있으며, 열흡수 파이프는 각 집광렌즈의 초점거리 상에서 일직선으로 이어진 집광렌즈의 초점을 따라 집광렌즈와 평행하게 배열되어 있는 태양열 집열판을 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 고안에 따른 집광렌즈를 구비한 태양열 집열기의 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도면번호 1로 도시된 바와 같이, 본 고안의 태양열 집열기는 일반적인 태양열 집열기와 마찬가지로 크게 태양광을 모아 태양열을 축적하는 태양열 집열판(10), 급수원으로부터 용수를 공급하는 급수라인(2) 및 가열된 온수를 급탕조로 배출하는 배수라인(3), 그리고 집열판(10)을 지지하기 위한 지지대(4)로 구성되어 있다.

여기에서, 지지대(4)는 도 3에도 도시된 바와 같이, 통상의 태양열 집열장치에서 집열판 지지용으로 채용하고 있는 수단으로서, 집열판(10)에 대한 태양광의 입사각도가 수시로 변화된다는 점을 감안하여 집열판(10)을 전후로 회전시킬 수 있는 구조를 가지고 있다. 본 실시예의 경우에는 전후방 지지봉(5,6)의 높낮이를 조절함으로써 집열판(10)을 전후방향으로 회전시킬 수 있도록 하고 있다. 이를 위해 각각의 지지봉(5,6) 들은 기부(7)로 고정되는 위치의 기어드 모터(8)와 이송나사 식으로 결합되어 있는데, 즉 도 3에 도시된 것처럼 내주면에 암나사(9)가 가공되어 있으며, 이 암나사(9)는 기어드 모터(8)의 회전축과 연결된 이송나사(12)와 결합되어 모터(8)의 구동에 따라 지지봉(5,6)을 상하로 이동시키게 된다. 그리고 각 지지봉(5,6) 들은 상단의 볼소켓부(14)에 의해 회전 자유롭게 집열판(10) 저면에 부착된다.

이와 같이 지지봉(5,6)에 의해 기부(7) 위에 전후 회전 가능하게 장착되는 태양열 집열판(10)은 다시 도 4 내지 6에 도시된 바와 같이 종래의 집열판과 마찬가지로 외부 케이스(13), 열흡수 파이프(15), 덮개판(17)에 의해 구성되며, 특히 파이프(15)와 덮개판(17) 사이에 태양열 집광판(19)이 설치되어 있다.

여기에서 외체를 형성하는 케이스(13)는 도 2, 3 및 도 5에 도시된 것처럼, 집열판(10)의 외형을 이루는 함체로서, 내부에 열흡수 파이프(15)와 집광판(19) 등이 설치되며, 상면이 개방되어 투명 덮개판(17)으로 덮도록 되어 있는 구조를 가지며, 측면에 급배수 라인(2,3)이 관통 설치된다.

케이스(13) 내부로 연장된 급수 라인(2)과 배수 라인(3) 사이에 연결 설치된 열흡수 파이프(15)는 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼 여러 개가 케이스(13) 내부에 한쪽 방향으로 평행하게 병렬로 배열되어 설치되며, 케이스(13)의 바닥에 고정된 지지로드(23)와 지지로드(23) 상단에 부착된 지지링(25)에 의해 각각 지지되어, 태양 복사열을 흡수함으로써 급수원으로부터 급수 라인(2)을 통해 공급되는 용수를가열하게 되며, 가열된 용수는 다시 배수 라인(3)을 통해 급탕조로 보내진다.

이때, 본 고안에 따른 집열판(10)은 열흡수 파이프(15)에 의한 태양열 집열 효과를 높이기 위해 도 4 및 5, 6에 도시된 바와 같은 집광판(19)을 구비하고 있다. 이 집광판(19)은 도시된 것처럼 복수의 집광렌즈(21)를 열흡수 파이프(15)와 평행하게 병렬로 배열하여 일체로 형성한 것으로, 각각의 집광렌즈(21)는 횡단면이 타원형이며 종단면이 장방형인 곡유리판으로 제작되며, 케이스(13) 내주면 양측에 돌출 설치된 걸림돌기(29)에 의해 열흡수 파이프(15) 위에 설치된다. 또한 각각의 렌즈(21) 사이에 오목하게 함입된 평탄부(31)가 형성되어 케이스(13) 바닥면에 결합된 고정대(33)의 상단에 나사(35) 체결되어 고정된다. 그런데 이때 집광판(19)이 고정되는 높이는 각각의 집광렌즈(21)가 가진 초점거리를 고려하여 열흡수 파이프(15)의 표면에 초점이 맺힐 수 있도록 설정된다.

또한, 본 고안의 집열판(10)은 도 2 및 3에서와 같이 판(10) 자체를 태양의 고도에 따라 회전시킴으로써 집열판(10)으로 즉, 집광판(19)으로 입사되는 태양광의 각도를 0도에 가깝게 유지하도록 되어 있다. 따라서 태양광의 입사각이 0도인 경우 도 4에 일점쇄선(A)으로 도시된 것처럼 집광렌즈(21)의 초점이 정확히 열흡수 파이프(15) 외주면 중앙에 맺히므로 최대의 집열 효과를 얻을 수 있다.

반면, 집열판(10)의 각도를 변경시키는데 구조적인 한계가 있으므로 집광렌즈(21)로 입사되는 태양광의 입사각이 0도 이상이 될 수 있으며, 이에 따라 도 4에 점선(B)으로 도시된 것처럼 렌즈(21)의 초점이 열흡수 파이프(15)의 외주면 중앙에서 벗어날 수 있는데, 이로 인한 열흡수 파이프(15)의 집열효율 저하를 줄이기 위해 열흡수 파이프(15)의 외주면 상단에 집광렌즈(21)와 평행하게 집광 보조판(27)을 부착한다.

이 집광 보조판(27)은 도 5 및 도 6에도 도시된 것처럼 열흡수 파이프(15)와 길이는 같으며, 집광렌즈(21)로 입사되는 태양광의 각도에 따라 변화되는 렌즈(21) 초점의 최대 변위보다 넓은 폭을 가지고 있으므로 입사각도가 0도에서 벗어나는 태양광을 통해서도 일정량의 태양열을 집적할 수 있게 된다.

여기에서 도 7에 도시된 집열판(210)은 본 고안의 다른 실시예로서 도시된 바와 같이 상면이 평탄면으로 이루어진 집광판(219)을 구비하고 있다.

이 집광판(219)은 따라서 아래쪽 면은 볼록하고, 위쪽 면은 평평한 반 타원형의 횡단면을 갖는 복수의 집광렌즈(221)를 병렬로 배열하여 일체로 형성한 것으로, 집광판(219)과 열흡수 파이프(15) 사이의 간격을 렌즈(221)의 초점거리와 일치하도록 집광판(219)의 높이를 적절히 설정하면 위 실시예와 마찬가지로 렌즈(221)를 통해 태양광을 집적할 수 있으면서도, 집광판(219)의 상단면을 평탄하게 함으로써 집광판(219) 위에 쌓이는 먼지 등과 같은 이물질을 보다 손쉽게 제거할 수 있게 된다.

본 고안의 또 다른 실시예로서 도 8에 도시된 집광판(301)은 도 4에 도시된 실시예와 마찬가지로 집광판(301)으로 입사되는 태양광이 0도 이상이 될 때 열흡수 파이프(15)의 외주면의 중앙을 벗어나는 태양광을 흡수할 수 있도록 한 구조로서, 집광 보조판(27)을 사용하는 대신 직경을 횡방향으로 늘려 타원형의 단면을 갖도록 한 파이프(315)를 열흡수 파이프로 채용한 것이다. 따라서 파이프(315)의 직경을태양광 입사각도에 따라 변화되는 렌즈(21) 초점의 최대 변위보다 길게 할 경우 렌즈(21)를 향한 파이프(315) 외주면의 표면적이 넓어지면서 외주면의 중앙에서 벗어나 초점이 맺히는 태양광을 통해서도 태양열을 집적할 수 있게 된다.

이상의 구성에서 알 수 있듯이, 본 고안에 따른 태양열 집열기(1)에 의하면 집열판(10)으로 조사된 태양광은 집광판(19)의 집광렌즈(21)를 통해 각각의 초점거리에 위치하는 열흡수 파이프(15)를 가열하게 되며, 이때 흡수된 열량에 의해 급수라인(2)으로부터 열흡수 파이프(15)로 유입된 용수가 가열된다. 이렇게 가열된 용수는 배수라인(3)을 통해 급탕조로 보내져 각종 난방이나 온수용으로 사용된다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 고안의 태양열 집열기에 따르면 집열판에 입사되는 태양광을 집광판의 집광렌즈를 통해 모아 각 렌즈의 하단에 일대일 대응하도록 설치된 복수의 열흡수 파이프에 조사되도록 함으로써 종래의 집열판보다 훨씬 적은 수의 파이프만으로도 집열판에 조사되는 태양광의 열을 거의 모두 흡수할 수 있게 되므로 집열기의 집열효율 대비 제작단가를 저감시킬 수 있게 된다.

게다가, 지지대의 승강구조를 통해 집열판의 태양광 입사각도를 조절하여 렌즈로 입사되는 태양광의 입사각을 0도로 유지함으로써 태양광으로부터 최대한 많은 양의 열을 흡수할 뿐만 아니라, 집광 보조판을 장착하거나 열흡수 파이프의 직경을 횡방향으로 늘림으로써 집열판을 회전시켜도 보정되지 않고 0도 이상의 입사각도로 입사되는 태양광을 통해서도 일정량 이상의 태양열을 흡수할 수 있도록 함으로써 집열기의 단가 대비 집열효과를 대폭적으로 증대시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 외체를 형성하는 케이스(13), 급수원으로부터 급수되는 용수를 흡수된 태양 복사열로 가열하여 급탕조로 공급하도록 상기 케이스(13) 내부에 설치된 열흡수 파이프(15) 및, 태양광만이 통과하도록 상기 케이스(13)를 밀폐시키는 투명 덮개판(17)으로 구성된 집열판(10)을 구비한 태양열 집열기(1)에 있어서, 상기 집열판(10)은 횡단면이 타원형이며 종단면이 장방형인 복수의 집광렌즈(21)로 이루어진 집광판(19)을 구비하고 있으며, 상기 열흡수 파이프(15)가 상기 각 집광렌즈(21)의 초점거리 상에서 일직선으로 이어진 상기 집광렌즈(21)의 초점을 따라 상기 집광렌즈(21)와 평행하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기.
2. 제1 항에 있어서, 상기 열흡수 파이프(15) 보다 폭이 넓고 길이가 같은 집광 보조판(27)이 상기 열흡수 파이프(15)의 상면과 접하도록 수평하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열판.
3. 제2 항에 있어서, 상기 집광 보조판(27)은 상기 집광렌즈(21)에 대한 태양광 입사각도에 따라 변화되는 상기 렌즈(21) 초점의 최대 변위보다 넓은 폭을 갖도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열판.
4. 청구항4는 삭제 되었습니다.
5. 제1 항에 있어서, 상기 열흡수 파이프(15)는 횡축의 길이가 상기 집광렌즈(21)에 대한 태양광 입사각도에 따라 변화되는 상기 렌즈(21) 초점의 최대 변위보다 긴 타원형 횡단면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열판.