KR100290228B1 - 열 흐름 방향과 태양열의 집열 조절이 가능한 태양열 이용 난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 흐름 방향과 태양열의 집열 조절이 가능한 태양열 이용 난방장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 난방 장치를 모듈화하여 난방 부하에 따라 적절한 개수만큼 설치가 가능하도록 하는 것은 물론 주 모듈(Master Module)에 광 센서와 실외 그리고 실내 온도를 측정할 수 있는 온도 센서가 부착되어 최적의 실내온도 유지와 태양열의 효율적 이용이 가능하도록 하는 장치에 관한 것이다.

태양열을 이용한 난방에 있어 난방 장치는 하나 또는 필요에 따라 다수의 난방 모듈로 구성되며 각 모듈은 크게 태양열의 집열을 위한 집열부와 집열된 열을 실내로 방출하는 방열부 그리고 태양열의 집열 조절 및 열흐름 방향 제어를 위한 제어부로 나누어 진다. 한편, 난방 모듈 중 주모듈(Master Module)은 자신 뿐아니라 다른 모듈의 작동제어를 위한 두뇌장치(마이크로프로세서 등으로 제작)와 광센서가 장착되어 있으며 난방장치의 최적 작동에 따른 역할을 수행한다. 난방장치는 또한, 태양전지 모듈과 연계하여 태양에너지만을 사용하는 완전 독립형 태양열 이용 난방 시스템으로 활용될 수 있다.

Description

열 흐름 방향과 태양열의 집열 조절이 가능한 태양열 이용 난방 장치

본 발명은 열 흐름 방향과 태양열의 집열 조절이 가능한 태양열 이용 난방장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 난방 장치를 모듈화하여 난방 부하에 따라 적절한 개수만큼 설치가 가능하도록 하는 것은 물론 주 모듈(Master Module)에 광센서와 실외 그리고 실내 온도를 측정할 수 있는 온도 센서가 부착되어 최적의 실내온도 유지와 태양열의 효율적 이용이 가능하도록 하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양열 시스템이란 태양열을 이용해 주택이나 건물의 냉난방이나 급탕을 하도록 설치하는 시스템이다.

즉 다시 말하면 기계 장치를 사용하여 태양열을 이용하는 설비형 시스템(active system)과 건물의 구조체가 태양열 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 설계하는 설계형 또는 자연형 시스템(passive system)이 있다.

설비형 시스템은 태양열을 흡수하여 물이나 기타 열 전달 매체를 데우는 집열 장치와 가열된 전달 매체를 저장하는 축열 장치, 축열 장치로부터 열전달 매체를 난방 장치로 순환시키는 급열 장치가 있으며 외기 온도 변화에 대비하여 보조 난방 장치를 설치하게 된다.

또한 설계형 시스템은 건물의 구조나 공간을 설계하는 단계에서 태양열의 이용 또는 차단을 위해 태양 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 설계하는 방식이다.

태양열 시스템은 제1차 유류파동 이후 주택과 건물에 본격적으로 활용하고 있으며, 특히 우리나라에서는 연평균 일조율이 50% 이상 되므로 태양열 주택을 건립하기에 좋은 기상 여건을 갖추고 있다.

현재 태양열 난방 시스템은 대부분 태양열 집열기를 이용한 설비형 시스템으로 주로 공공 건물이나 대규모 시설·원예 단지를 중심으로 보급되고 있으나, 초기 투자비가 과다하고 신축적인 시스템의 설치 및 운영 등에 상당한 어려움이 있는 것으로 지적되고 있다.

여기서 태양열 집열기란 렌즈나 오목 거울 등을 사용하지 않은 평판형 태양열 집열기로서, 열 매체가 그 내측을 흐르는 구리 등으로 제작된 라이져 튜브 및 헤더 그리고 태양열의 집열을 위한 흡열판과 집열된 열을 보존하기 위한 유리 덮개 및 단열재 등으로 구성되어 있는 것이다.

본 발명은 난방 장치를 일체식으로 모듈화하여 난방 부하에 따라 적절한 개수만큼 설치가 가능하도록 하는 것은 물론 계통선으로부터의 전원 공급없이 태양에너지만을 이용하여 시스템의 작동이 가능하며 하나의 주 모듈(Master Module)에는 광센서와 실외 그리고 실내 온도를 측정할 수 있는 온도 센서 및 두뇌장치를 장착하여 최적의 실내온도 유지와 태양열의 효율적 이용이 가능하도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 태양열의 집열을 위한 집열부 그리고 집열된 열을 실내로 방출하기 위한 방열부가 주요 구성요소인 난방모듈과 태양 전지판과 축전지 사이에 레귤레이터를 설치하고, 상기의 축전지와 난방모듈을 작동하기 위한 컨트롤러 그리고 주모듈에 장착된 광센서 등으로 구성된 태양열 시스템에 있어서, 상기의 난방 장치의 전면 그리고 후면에 열전도성이 양호한 구리 혹은 알루미늄의 재질인 집열판넬과 방열판넬을 복수개 설치하되 상기의 집열판넬과 방열판넬은 열전도성이 양호한 구리 혹은 알루미늄 등으로 제작된 집열판과 방열판에 같은 재질인 금속제 튜브에 핀(fin)처럼 결합시켜 제작하는 것이며, 상기 각각의 집열판넬과 방열판넬은 일정 거리를 두고 신축성 있는 플라스틱 재질의 연결 튜브로 연결하되 상기의 집열판넬과 방열판넬에 결합 장착된 금속제 튜브와 연결 튜브는 회전 가능한 엘보우로서 연결하는 것과, 상기 집열판넬과 흡열판넬 부착된 금속제 튜브에 구동 모타를 연결하여 구동 모타의 작동에 의해 집열판넬이 회전되게 하는 것과, 방열판은 상하로 작동이 되게 하는 것으로 구성하여 집열기에서 태양열을 집열한 것을 난방 혹은 냉방 모드의 조건에 따라 방열판을 상하로 이동시킬 수 있도록 하여 방열부로의 집열된 열의 이동을 촉진 혹은 억제시킬 수 있는 것을 제공함에 있는 것이다.

제1도는 본 발명 집열판과 방열판의 구성도.

제2도는 본 발명을 측면에서 나타낸 작동 상태도.

제3도는 본 발명 난방 장치의 전체 구성도.

제4도는 본 발명 방열판의 작동 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 태양 전지판 12 : 레귤레이터

14 : 축전지 16 : 컨트롤러

18 : 구리 튜브 20 : 집열판넬

22 : 방열판넬 24 : 엘보우(회전가능)

26 : 튜브 28 : 방열판

30 : 단열재 32 : 실내

34 : 실외 36 : 태양 광선

38 : 열 40 : 난방 장치

42 : 광센서 44 : 구동 모타

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 집열판과 방열판의 상세 구성도,

제2도는 본 발명을 측면에서 나타낸 작동 상태도,

제3도는 본 발명 난방 장치의 전체 구성도,

제4도는 본 발명 방열판의 작동 상태도를 도시한 것이다.

태양 전지판(10)과 축전지(14) 사이에 레귤레이터(12)를 설치하여 상호 케이블로 연결하고, 상기의 축전지(14)와 모듈(Module)화한 난방 장치(40) 사이에 태양열을 감지하는 광센서(42)와 연결된 컨트롤러(16)를 케이블로 연결하는 것으로 구성한다.

상기의 난방 장치(40)의 전면 그리고 후면에 각각 열전도성이 양호한 구리 혹은 알루미늄의 재질인 집열판넬(20)과 방열판넬(22)을 복수개 설치하되 상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)은 열전도성이 양호한 구리 혹은 알루미늄 등으로 제작된 집열판(46)과 방열판(28)에 같은 재질의 튜브(18)에 핀(fin)처럼 결합시켜 제작하는 것이다. 하면, 상기 각각의 집열판넬(20)와 방열판넬(22) 사이에 단열재(30)를 충진하고 일정 거리를 두고 신축성 있는 재질의 플라스틱 튜브(26) 등으로 연결하되 상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)에 부착 결합된 금속제 튜브(18)와 연결 튜브(26)는 회전 가능한 엘보우(24)로써 연결한다. 또한, 상기 집열판넬(20)과 방열판넬(22)에 부착된 구리 튜브(18)에 구동 모타(44)를 연결하여 구동 모타(44)의 작동에 의해 집열판넬(20)이 회전이 되게 하는 것과, 방열판넬(28)은 상하로 작동이 되게 하는 것으로 구성되어진 것이다.

본 발명의 작용은 다음과 같다.

태양 전지판(10)이 태양으로부터 태양열을 집열하여 전기를 생산한다.

상기의 생산된 전기는 레귤레이터(12)를 통해 축전지(14)(DC12V)에 저장이 되게 되는 것이다.

상기의 축전지(14)에 저장된 전기는 컨트롤러(16)와 구동 모타(44)를 작동시키는 것이다.

즉 계통선으로부터의 전원 공급 없이 태양 전지판(10)에서부터 전력을 공급받아 독립적으로 작동될 수 있도록 한 에너지 시스템이다.

난방 장치는 광센서(42) 등이 장착된 마스터(Master) 모듈과 일반 모듈로써 구성 한다.

상기의 난방 장치 모듈은 태양열을 집열하는 복수개의 집열판넬(20)로 구성된 집열부와 집열된 열을 실내로 방열하는 복수개의 방열판넬(22)로 구성된 방열부 그리고 상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)을 연결하는 플라스틱 재질의 연결 튜브(26)로써 구성된 것이다.

상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)은 열전도성이 뛰어난 구리 혹은 알루미늄으로 제작한다.

상기 집열판넬(20) 및 방열판넬(22)은 구리 혹은 알루미늄 등으로 만든 집열판(46)과 방열판(48)을 동일재질의 금속제 튜브(18)에 핀(fin)처럼 부착 결합시켜 제작한다.

상기의 금속제 튜브(18)는 집열판넬(20)로 구성된 집열부에서는 열매체로의 태양열의 집열을 극대화하며 또한 방열판넬(22)로 이루어진 방열부에서는 열매체로 부터 건물 실내로의 열전달이 효율적으로 이루어지도록 하는 것이다.

즉, 집열부에서 집열한 태양열이 집열판넬(20)에 부착된 금속제 튜브(18) 내측의 열매체(작동유체)를 가열하게 되고 가열된 열매체는 연결 튜브(26)를 통해 방열부로 이동되고 이동된 열매체는 열전도성이 양호한 금속제 튜브(18)와 방열판넬(22)을 통해 건물 실내로 방열이 효율적으로 이루어지도록 하는 것이다.

상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22) 내측에 삽입되어 연착된 금속제 튜브(18)와 상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)을 연결하는 연결 튜브(26) 내측에는 물 혹은 동점성계수가 작은 열매체로 채워져 있는 것이다.

상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22) 내측에 삽입되어 연착된 금속제 튜브(18)와 상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)을 연결하는 연결 튜브(26) 내측에는 물 혹은 동점성계수가 작은 열매체로 채워져 있는 것이다.

상기의 집열판넬(20)과 방열판넬(22) 사이에는 단열재(30)로 충진하여 외부로의 열손실을 최소화할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 광센서(42)가 태양광선(36)를 감지하여 컨트롤러(16)에 신호를 보내게 되는데, 충분한 태양 광선(36)이 내려쬐는 한잡에는 실내로의 열전달이 이루어지도록 컨트롤러(16)가 구동모타를 작동시켜 집열판넬(20)을 회전(회전시키는 구조 및 작동은 이미 널리 공지가 되어 있으므로 기재하지 않음; 예를 들어 기어의 맞물림시키게 되는 것이다.

상기의 집열판넬(20)의 한 쪽에는 태양광 반사율이 좋도록 백색으로 페인트칠을 하고 다른 한 쪽에는 흑색으로 페인트칠을 하여 흑색으로 페인트칠을 한 부위에서는 태양열을 최대한으로 흡열할 수 있도록 하며 백색으로 칠을 한 부위에서는 입사된 태양광을 다시 반사시켜 태양열의 집열을 최대한 억제할 수 있도록 하는 것이다.

상기의 집열판넬(20)에서 집열을 하여 급속히 실내(32)를 가열하고자 하는 경우, 즉, 겨울철에는 구동 모타를 컨트롤러(16)가 작동시켜 방열판넬(28)(방열판넬의 집합체)을 집열판넬(20)의 위치보다 상부로 이동시켜 작동 유체가 빠르게 방열부로 유동이 되게 하여(즉, 자연 대류 현상) 실내(32)의 온도를 급속하게 상승시킬 수 있는 것이다. 또한, 여름철 냉방모드하에서는 구동모타를 작동시켜 방열판넬(22)을 하강시켜 집열판넬(20)로부터 열의 유동(즉, 작동유체)을 억제시켜 기존의 단순 단열벽체보다 온도상승을 억제시킬 수 있게 되는 것이다.

상기의 작용은 집열판넬(20)이 회전형이지만, 집열판넬(20) 고정형에 있어서는 작동 장치의 전방에 블라인드를 설치하여 블라인드를 필요에 따라 올리거나 내림으로써 태양 광선(36)의 집열을 조절할 수도 있는 것이다.

또한 방열판넬(22)을 일정 위치에 고정시키고 집열부를 블라인드의 동작과 맞물려 이동시킴으로써 난방 혹은 냉방 모드의 시스템 작동을 구현할 수 있게 되는 것이다.

그러므로 본 발명은 계통선으로부터의 전원 공급 없이 태양전지에서부터 전력을 공급받아 독립적으로 작동될 수 있으며, 모듈화 개념을 도입하여 필요에 따라 얼마든지 그 용량을 조절할 수 있는 에너지 시스템으로 장소에 구애받지 않고 설치가 가능한 태양열 난방 장치에 있어서 획기적인 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 태양 전지판(10)과 축전지(14) 사이에 상호 케이블로 레귤레이터(12)를 연결 설치하고 축전지(14)와 모듈화 된 난방 장치(40) 사이에 광 센서(42)와 연결된 컨트롤러(16)를 케이블로 연결 구성하되 상기 난방 장치(40)는 전, 후면에 각각의 금속재 튜브(18)에 집열판(46)과 방열판(48)을 핀처럼 결합시킨 집열판넬(20)과 방열판넬(22)을 하나 또는 복수개 설치하고 상기 집열판넬(20)과 방열판넬(22)의 측면은 일정거리를 두고 플라스틱 튜브(26)로 연결시켜 그 사이에 단열재(30)를 충진시키며, 상기 금속재 튜브(18)와 플라스틱 튜브(26)는 회전형 엘보우(24)로 연결시키고 금속재튜브(18)에는 구동모터를 연결시켜 집열판넬(20)과 방열판넬(28)을 회전 및 상하 작동 되게 하는 것을 특징으로 하는 열 흐름 방향과 태양열의 집열조절이 가능한 태양열 이용 난방장치.
2. 제1항에 있어서, 난방 장치(40)의 집열판넬(20)과 방열판넬(22)로 구성된 난방모듈중 주 모듈(Master Module)에는 광센서(42), 온도센서 및 마이크로프로세서를 장착시켜 다른 모듈과 동시 제어 가능케하고 각 난방모듈에는 인터페이스(interface)를 설치하여 접속시킬 수 있게하고 모듈의 구동장치는 직류를 사용하여 태양전지판(10)과 축전지(14)를 이용하여 독립형 태양열 난방장치로 사용되는 것을 특징으로 하는 열 흐름 방향과 태양열의 집열조절이 가능한 태양열 이용 난방장치.
3. 제1항에 있어서, 집열판넬(20), 방열판넬(22) 및 플라스틱 튜브(26)로 형성된 각 모듈은 사각형태로 제작하여 열매체가 태양열 집열부에서 방열부로 자연대류에 의해 이동되게 하고 집열판넬(20)과 방열판넬(22)의 집열판(46)과 방열판(48)은 구리 혹은 알루미늄 재질을 제작하고 집열부와 방열부 사이의 공간에는 단열재(30)를 충진시킨 것을 특징으로 하는 열 흐름 방향과 태양열의 집열조절이 가능한 태양열 이용 난방장치.
4. 제1항에 있어서, 집열판넬(20)의 일측은 백색 타측은 흑색으로 도색시키고, 집열판넬(20)이 고정형일 경우 전면에 블라인드를 설치하여 열흐름 방향을 조절할 수 있도록 하는 열 흐름 방향과 태양열의 집열조절이 가능한 태양열 이용 난방장치.