KR20240059006A - 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템 - Google Patents

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박경호
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재단법인 전라남도 환경산업진흥원
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Abstract

본 발명은 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 접시형 집열기와 진공관 집열기를 선택적으로 이용할 수 있으며, 난방에 부하가 발생할 경우 진공관 집열기를 이용하여, 부하를 방지할 수 있으며, 진공관 집열기를 통해 축열 속도를 조절할 수 있는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 관한 것이다.

Description

태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템{Thermal storage and heat dissipation system using solar thermal composite heat collection}
본 발명은 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 접시형 집열기와 진공관 집열기를 선택적으로 이용하여, 접시형 집열기의 고부하를 방지할 수 있으며, 축열 속도를 조절할 수 있는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 시설하우스에서 난방, 온수 등에 사용되는 열에너지는 도시가스 공급사업자로부터 공급받는 가스로부터 변환되고 있다.
그러나 최근 환경문제와 함께 탄소중립 실현으로 인해 화석연료의 사용을 줄이는 방안이 연구 및 개발되고 있으며, 대표적으로 신재생에너지를 이용한 에너지 생산이 각광받고 있다.
특히, 태양열을 이용한 난방방법은 난방비용을 절감하고, 환경오염을 방지하기 위하여 태양열 집열판을 통해 전달되는 열을 바로 난방용으로 사용하거나 별도의 축열조에 축열 한 다음 난방용으로 사용하는 태양열 난방장치를 설치하여 태양에너지로 난방수를 가열하거나 또는 보일러의 난방수를 가열하여 보조 열원으로 사용하도록 하는 보일러와 태양열 축열조를 연계한 난방 및 온수 시스템이 개발되고 있다.
이러한 열에너지를 직접적으로 공급하는 종래의 방법으로는 히트펌프, 진공관 집열기 등을 적용해 난방, 온수 등에 사용하는 기술들이 있다.
그러나 보일러와 태양열 축열조를 연계한 난방 및 온수 시스템 대부분은 태양열 축열조와 보일러 모두가 동시에 작동하여 실내공간으로 난방수 및 온수를 공급하는 방식이기 때문에 태양열 축열조와 보일러의 불필요한 에너지 소모가 높아 에너지의 효율성이 상대적으로 크지 않을 뿐만 아니라 설치비가 고가인 단점이 있었다.
또한, 히트펌프를 이용한 열에너지 생산 방법은 높은 시설단가 및 전력사용량 문제로 인해 소규모 농가에서 적용하기 어려우며, 진공관 집열기를 이용한 열에너지 생산 방법은 낮은 집광효율로 인해 열에너지 생산 효율이 낮고, 유지보수의 어려움이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 접시형 집열기와 진공관 집열기를 이용하여 축열부에 열에너지를 저장할 수 있는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 접시형 집열기를 주로 이용하여 고온의 열에너지를 축적할 수 있으며, 접시형 집열기에 부하가 발생할 경우 진공관 집열기를 통해 부하를 감소시킬 수 있는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 접시형 집열기를 이용하여 열매체를 가열하는 제1 집열부, 상기 제1 집열부에 의해 가열된 열매체가 유입되어 상기 열매체의 열을 저장하는 축열부, 진공관 집열기를 이용하여 열매체를 가열하는 제2 집열부, 상기 축열부에 열을 전달한 열매체를 수용하고, 상기 제2 집열부에 의해 가열된 열매체를 수용하며, 혼합되어 냉각된 열매체는 상기 제1 집열부 및 상기 제2 집열부로 유입되는 열매체 저장부, 외부의 공기를 상기 축열부로 유입시키고, 상기 축열부의 공기를 시설하우스로 유입시키는 방열부, 상기 열매체 및 상기 공기의 유량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 시설하우스 난방시 상기 제1 집열부에 부하가 발생될 경우 상기 제2 지열부를 작동시켜 부하를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 축열부의 내부에는 상기 축열부에 유입된 기체 또는 액체 상태의 열매체가 순환되도록 열교환기가 설치되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체 저장부는 상기 제1 집열부에 다수개가 연결되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열매체 및 공기가 지나가는 통로에는 상기 열매체 및 공기의 온도를 측정하는 다수개의 온도센서부가 구비되며, 상기 온도센서부는 상기 제1 집열부와 상기 축열부 사이에 구비되며, 상기 제1 집열부에서 상기 축열부로 유입되는 열매체의 온도를 측정하는 제1 온도센서, 상기 축열부 내부에 구비되며, 상기 축열부에 열을 전달하여 냉각된 열매체의 온도를 측정하는 제2 온도센서, 상기 열매체가 상기 제2 집열부에 유입되는 입구에 구비되며, 상기 제2 집열부에 유입되는 열매체의 온도를 측정하는 제3 온도센서, 상기 열매체가 상기 제2 집열부에서 배출되는 출구에 구비되며, 상기 제2 집열부에서 배출되는 열매체의 온도를 측정하는 제4 온도센서, 상기 축열부와 상기 시설하우스 사이에 구비되며, 상기 축열부에서 상기 시설하우스로 유입되는 공기의 온도를 측정하는 제5 온도센서, 상기 시설하우스 내부의 온도를 측정하는 제6 온도센서를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 축열부의 내부에는 상변화 물질이 저장되며, 상기 상변화 물질의 상변화 온도는 40 내지 70℃인 것이 바람직하다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 의하면, 접시형 집열기와 진공관 집열기를 이용하여 열에너지를 축열부에 저장하고, 저장된 열에너지를 난방에 사용함으로써, 태양열을 난방에 이용할 수 있는 장점을 지닌다.
본 발명의 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 의하면, 접시형 집열기를 이용하여 고온의 열에너지를 축적할 수 있으며, 접시형 집열기에 부하가 발생할 경우 진공관 집열기를 통해 부하를 감소시킴으로써, 열에너지 생산 효율을 증대시킬 수 있는 장점을 지닌다.
본 발명의 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 의하면, 진공관 집열기를 통해 열매체의 온도를 증가시켜, 축열부에 저장되는 열에너지의 축열 속도를 증가시킬 수 있는 장점을 지닌다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템을 설명하기 위한 도면으로, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템은 접시형 집열기와 진공관 집열기를 통해 생성된 열에너지를 저장하여, 필요에 따라 시설하우스를 난방할 수 있는 축열 및 방열 시스템으로 제1 집열부(100), 제2 집열부(200), 축열부(300), 열매체 저장부(400), 방열부(500), 제어부(600)을 포함하여 이루어진다.
상기 제1 집열부(100)는 접시형 집열기를 이용하여 열매체를 가열하는 역할을 한다.
여기서, 상기 접시형 집열기는 상기 접시형 집열기에 조사되는 태양광을 반사거울 및 프레넬 렌즈를 통해 집광시켜 약 500℃까지 온도를 상승시킴으로써, 집열판 내부에 흐르는 열매체에 고온의 열에너지를 전달한다.
이때, 상기 제1 집열부(100)는 고온을 통해 상기 열매체를 기체 및 액체의 상태로 변환시킨다.
상기 축열부(300)는 상기 제1 집열부(100)에 의해 가열된 열매체가 유입되어 상기 열매체의 열을 저장한다.
여기서, 상기 축열부(300)의 내부에는 상변화물질(PCM, Phase change material)이 저장되어 있으며, 기체 및 액체 상태의 상기 열매체가 순환할 수 있도록 열교환기가 설치될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 축열부(300) 내부의 축열은 순환하는 상기 열매체의 열에너지를 흡수하여 고체의 상변화 물질이 액체로 변할 때 흡수하는 잠열을 저장하여 열을 저장한다.
또한, 방열은 액체의 상변화물질이 고체로 변할 때 발생되는 잠열을 활용하여 열이 방출된다.
상기 제2 집열부(200)는 진공관 집열기를 이용하여 열메체를 가열한다.
여기서, 상기 진공관 집열기는 10 내지 30개의 진공관 및 상부 매니폴드로 구성되며, 태양광의 열에너지는 상기 진공관 내부의 히트파이프로 집열되며, 집열된 열에너지는 히트파이프 상부에 연결된 매니폴드 내부의 열메체게 전달된다.
또한, 상기 제2 집열부(200)는 상기 시설하우스의 내부온도 및 주변 환경온도에 따라 난방부하에 대응하기 위해 다수개가 운영될 수 있다.
상기 열매체 저장부(400)는 상기 축열부(300)에 열을 전달한 열매체를 수용하고, 상기 제2 집열부(200)에 의해 가열된 열매체를 수용하며, 혼합되어 냉각된 열매체는 상기 제1 집열부(100) 및 상기 제2 집열부(200)로 유입되어 순환한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 집열부(100)에서 가열된 열매체는 축열부(300)에 열을 전달하여 냉각된 후 상기 열매체 저장부(400)로 유입되며, 유입된 열매체는 상기 제2 집열부(200)에서 가열된 열매체와 혼합되어 냉각된 열매체의 온도가 상승되게 된다.
이때, 상기 축열부(300)와 상기 열매체 저장부(400) 사이에는 스팀트랩(S)이 구비될 수 있다.
여기서, 상기 스팀트랩(S)은 상기 축열부(300)에서 배출되는 기체 및 액체 상태의 열매체 중 액체 상태의 열매체를 상기 열매체 저장부(400)로 유입되게 하며, 기체 상태의 열매체가 누설되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 상기 열매체 저장부(400)는 열교환 효율을 향상시키기 위해 상기 제1 집열부(100)에 다수개가 연결될 수 있다.
즉, 상기 열매체 저장부(400)는 상기 제1 집열부(100), 상기 축열부(300) 및 상기 제2 집열부(200)에 흐르는 열매체를 순환 및 혼합시켜, 상기 제1 집열부(100)로 공급되는 열매체의 온도를 증가시킴으로써, 상기 제1 집열부(100)가 고부하되는 것을 방지하고, 상기 축열부(300)에 축열되는 축열소도를 조절할 수 있다.
상기 방열부는(500)는 외부의 공기를 상기 축열부(300)로 유입시키고, 상기 축열부(300)의 공기를 시설하우스(510)로 유입시키는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 상기 방열부(500)는 상기 축열부(300)와 상기 시설하우스(510) 사이에 구비되는 제1 팬(520) 및 제2 팬(530)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 팬(520)은 상기 축열부(300)로 외부의 공기를 유입시키는 역할을 한다.
또한, 상기 제2 팬은(530)은 상기 축열부(300) 내부의 공기를 상기 시설하우스(510)에 유입시키는 역할을 한다.
이때, 상기 방열부(500)에 의해 방열 시 축열은 중지되며, 상기 제2 팬(530)을 통해 시설하우스(510)의 내부 온도를 상승시킨다.
상기 제어부(600)는 상기 및 상기 시설하우스(510)에 유입되는 공기의 유량을 제어한다.
또한, 본 발명에 따른 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템은 상기 열매체와 상기 공기의 온도를 구역별로 측정하는 다수개의 온도센서부(T)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 센서부(T)는 구역별로 제1 온도센서(T1), 제2 온도센서(T2), 제3 온도센서(T3), 제4 온도센서(T4), 제5 온도센서(T5) 및 제6 온도센서(T6)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 온도센서(T1)는 상기 제1 집열부(100)와 상기 축열부(300)사이에 구비되며, 상기 제1 집열부(100)에서 상기 축열부(300)으로 유입되는 열매체의 온도를 측정한다.
또한, 상기 제2 온도센서는(T2)는 상기 축열부(300) 내부에 구비되며, 상기 축열부(300)에 열을 전달하여 냉각된 열매체의 온도를 측정한다.
이때, 상기 제어부(600)는 상기 제1 온도센서(T1)의 온도와 상기 제2 온도센서(T2)의 온도를 비교하여, 상기 제1 온도센서(T1)의 온도가 상기 제2 온도센서(T2)의 온도보다 낮을 경우 상기 제1 집열부(100)의 가동을 중지시킨다
즉, 상기 제1 집열부(100)에 의해 가열된 열매체의 온도가 상기 축열부(300) 내부의 온도보다 낮을 경우 축열이 이루어지지 않기 때문에 상기 제1 집열부(100)의 가동을 중지시킨다.
또한, 상기 제3 온도센서(T3)는 상기 열매체가 상기 제2 집열부(200)에 유입되는 입구에 구비되며, 상기 제2 집열부(200)에 유입되는 열매체의 온도를 측정한다.
또한, 상기 제4 온도센서(T4)는 상기 열매체가 상기 제2 집열부(200)에서 배출되는 출구에 구비되며, 상기 제2 집열부(200)에서 배출되는 열매체의 온도를 측정한다.
이때, 상기 제어부(600)는 상기 제3 온도센서(T3)의 온도가 상기 제4 온도센서(T4)의 온도보다 높을 경우 상기 제2 집열부(200)의 가동을 중지시킨다.
즉, 상기 제3 집열부(300)와 연결된 상기 열매체 저장부(400)의 온도가 더 높아 상기 제3 집열부(300)로 상기 열매체 저장부(400) 내부의 열매체를 가열시킬 수 없기 때문에 상기 제3 집열부(300)의 가동이 중지되어 열매체의 순환이 이루어지지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제5 온도센서(T5)는 상기 축열부(300)와 상기 시설하우스(510) 사이에 구비되며, 상기 축열부(300)에서 상기 시설하우스(510)로 유입되는 공기의 온도를 측정한다.
또한, 상기 제6 온도센서(T6)는 상기 시설하우스(510) 내부의 온도를 측정한다.
즉, 상기 제어부(600)를 통해 상기 제5 온도센서(T5) 및 상기 제6 온도센서(T6)의 온도를 모니터링할 수 있으며, 상기 팬들(520, 530)의 속도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 방열부(500)에 의한 방열은 40℃이하로 낮아졌을 때 상기 팬들(520, 530)의 가동은 중지되고, 목표하는 내부 온도 유지를 위하여 상기 팬들(520, 530)의 속도가 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템에 의하면, 접시형 집열기를 이용하여 태양열을 난방에 이용할 수 있으며, 난방에 부하가 발생할 경우 진공관 집열기를 통해 부하를 해소할 수 있으며, 진공관 집열기를 이용하여 축열부의 축열속도를 조절할 수 있는 장점을 지닌다.
또한, 구역별로 구비된 온도센서들을 이용하여, 불필요한 축열 및 방열을 방지함으로써 열에지의 축열 및 방열 효율을 증대시킬 수 있는 장점을 지닌다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 제1 집열부 200 : 제2 집열부
300 : 축열부 400 : 열매체 저장부
500 : 방열부 600 : 제어부
T : 센서부 T1 : 제1 온도센서
T2 : 제2 온도센서 T3 : 제3 온도센서
T4 : 제4 온도센서 T5 : 제5 온도센서
T6 : 제6 온도센서

Claims (5)

  1. 접시형 집열기를 이용하여 열매체를 가열하는 제1 집열부;
    상기 제1 집열부에 의해 가열된 열매체가 유입되어 상기 열매체의 열을 저장하는 축열부;
    진공관 집열기를 이용하여 열매체를 가열하는 제2 집열부;
    상기 축열부에 열을 전달한 열매체를 수용하고, 상기 제2 집열부에 의해 가열된 열매체를 수용하며, 혼합되어 냉각된 열매체는 상기 제1 집열부 및 상기 제2 집열부로 유입되는 열매체 저장부;
    외부의 공기를 상기 축열부로 유입시키고, 상기 축열부의 공기를 시설하우스로 유입시키는 방열부; 및
    상기 열매체 및 상기 공기의 유량을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 시설하우스 난방시 상기 제1 집열부에 부하가 발생될 경우 상기 제2 지열부를 작동시켜 부하를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 축열부의 내부에는 상기 축열부에 유입된 기체 또는 액체 상태의 열매체가 순환되도록 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열매체 저장부는 상기 제1 집열부에 다수개가 연결되는 것을 특징으로 하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열매체 및 공기가 지나가는 통로에는 상기 열매체 및 공기의 온도를 측정하는 다수개의 온도센서부가 구비되며,
    상기 온도센서부는
    상기 제1 집열부와 상기 축열부 사이에 구비되며, 상기 제1 집열부에서 상기 축열부로 유입되는 열매체의 온도를 측정하는 제1 온도센서;
    상기 축열부 내부에 구비되며, 상기 축열부에 열을 전달하여 냉각된 열매체의 온도를 측정하는 제2 온도센서;
    상기 열매체가 상기 제2 집열부에 유입되는 입구에 구비되며, 상기 제2 집열부에 유입되는 열매체의 온도를 측정하는 제3 온도센서;
    상기 열매체가 상기 제2 집열부에서 배출되는 출구에 구비되며, 상기 제2 집열부에서 배출되는 열매체의 온도를 측정하는 제4 온도센서;
    상기 축열부와 상기 시설하우스 사이에 구비되며, 상기 축열부에서 상기 시설하우스로 유입되는 공기의 온도를 측정하는 제5 온도센서; 및
    상기 시설하우스 내부의 온도를 측정하는 제6 온도센서를 포함하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 축열부의 내부에는 상변화 물질이 저장되며, 상기 상변화 물질의 상변화 온도는 40 내지 70℃인 것을 특징으로 하는 태양열 복합 집열을 이용한 축열 및 방열 시스템.
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