KR100409213B1 - 태양에너지 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양에너지 집열장치에 관한 것으로서, 건물의 지붕이나 옥상에 설치하여 태양에너지를 집열하는 집열장치에 있어서, 집열판의 상단에 일정 각도를 가진 상부반사판을 고정되도록 결합하고 상기 집열판의 하단에 하부반사판을 회동 가능하도록 힌지로 결합하며, 상기 집열판 및 하부반사판의 저부에 이를 회동 작동시키는 구동부를 다수 설치함으로써 태양의 고도에 따라 달라지는 태양에너지의 집열량을 조절하여 계절에 따라 요구되는 태양에너지의 수급간의 불균형을 해소함과 동시에 설치가 간단하고 유지비가 저렴하여 일반주택이나 상가 등의 소규모 지역의 온수공급 및 난방용으로 사용할 수 있는 태양에너지 집열장치에 관한 것이다.

Description

태양에너지 집열장치 {solar collector}

본 발명은 태양에너지 집열장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양의 고도에 따라 달라지는 태양에너지의 집열량을 조절하여 계절에 따라 요구되는 태양에너지의 수급간의 불균형을 해소함과 동시에 설치가 간단하고 유지비가 저렴하여 주택이나 상가 등의 소규모 지역의 온수공급 및 난방용으로 사용할 수 있는 태양에너지 집열장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양에너지 집열장치는 에너지밀도가 낮고 기후의존성이 심하여 집적효율이 낮은 태양에너지의 집적율을 향상시키기 위해 사용되는 것이다.

이러한 태양에너지 집열장치는 주로 집광형과 비집광형으로 분류되는데, 집광형은 열흡수체의 면적이 태양에너지를 유입하기 위한 개구부 면적보다 크기 때문에 열흡수체의 표면에 태양에너지를 집중시키게 되어 고온의 열을 얻을 수 있으나, 이러한 집광형 집열장치는 대부분의 태양에너지를 직달 일사에 의해 얻게 되므로 구름 낀 날이나 흐린 날에는 작동하기가 곤란하고 비교적 맑은 날씨에 사용하기 적합하다.

비집광형 즉, 평판형은 열흡수체의 표면이 평평하여 열흡수체의 면적과 집열장치의 면적이 동일하며 약 120℃ 정도의 온도를 얻을 수가 있으나, 이러한 평판형 집열장치는 겨울철 태양의 고도가 낮은 경우 태양에너지가 낮은 경사도로 입사되어 태양에너지의 일부만이 집열장치의 집열판에 흡수되고 일부는 외부로 반사되므로,이를 위해 집열판의 일측에 반사판 등의 보조장치를 설치하여 집열장치의 단위면적당 집열효율을 향상시키도록 한다.

그런데, 종래의 집열판 일측에 반사판이 설치된 집열장치의 경우에는 태양에너지의 집열효과를 어느 정도 높일 수는 있으나 제조비용이 많이 들어 상용화하기 어렵고, 구조가 복잡하여서 주기적으로 유지 및 보수하기가 어려우므로 일반주택이나 농가 또는 상가나 공장 등의 건물에 사용하기가 곤란하다는 단점이 있었다.

또한, 태양에너지를 온수공급 및 난방용 열원으로 이용 시, 태양에너지의 입사량이 건물의 난방 부하가 거의 없는 하절기에 가장 많고, 난방 부하가 큰 동절기에는 매우 적어 에너지의 수요와 공급간의 불균형을 이룬다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 태양의 고도에 따라 달라지는 태양에너지의 집열량을 조절하여 계절에 따라 요구되는 태양에너지의 수급간의 불균형을 해소함과 동시에 설치가 간단하고 유지비가 저렴하여 주택이나 상가 등의 소규모 지역의 온수공급 및 난방용에 적합한 태양에너지 집열장치를 제공하는데 목적이 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양에너지 집열장치의 개략적인 설치상태도

도 2 는 본 발명에 따른 태양에너지 집열장치의 구동부를 절단한 부분확대도

도 3 은 본 발명에 따른 태양에너지 집열장치의 구동부의 설치상태를 나타낸 정면도

도 4 는 본 발명에 따른 태양에너지의 집열상태를 나타낸 개략도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호설명＞

1 : 태양에너지 집열장치 2 : 집열판

3a : 상부반사판 3b : 하부반사판

4 : 구동부 5 : 나사봉

6,6a : 연동기어 7 : 구동기어

8 : 와셔 9 : 구동축

10 : 벨트 11 : 손잡이

12 : 보강부재 13 : 관통공

14 : 관통공 15 : 와셔

16 : 홈부 17 : 힌지

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 태양에너지 집열장치는, 집열판의 일측에 경사지도록 설치된 반사판을 구비하는 태양에너지 집열장치에 있어서, 상기 집열판의 상단에 소정 각도나 집열판으로 반사가 최적화되는 각도로 고정되도록 결합되는 상부반사판; 상기 집열판의 하단에 회동 가능하도록 힌지로 결합되는 하부반사판; 및 상기 집열판 및 하부반사판의 저면에 다수 설치되고 상기 힌지를 축기점으로 하여 상기 집열판과 하부반사판을 태양에너지의 입사각도에 수직이 되도록 회동시키는 구동부를 포함한다.

그리고, 본 발명에 따른 태양에너지 집열장치의 구동부는 집열판 및 하부반사판을 관통하도록 반원형으로 형성되고 양단이 지면에 고정된 나사봉; 상기 나사봉의 외주연에 나사결합되고 상기 집열판 및 하부반사판에 와셔로 고정된 연동기어; 및 상기 연동기어와 연동 회전되도록 치합되고, 상기 집열판 및 하부반사판에 설치된 구동축에 의해 축고정되는 구동기어를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 태양에너지 집열장치의 구동부는 다수의 연동기어 외주연에 설치되어 상기 다수의 연동기어를 연동 회전시키는 벨트를 더 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양에너지 집열장치의 구성을 보여준다. 도면을 참조하면, 본 발명의 태양에너지 집열장치(1)는 집열판(2)과, 상기 집열판의 상단에 일정 각도를 이루도록 고정된 상부반사판(3a)과, 상기 집열판의 하단에 일정 각도만큼 회동 가능하도록 힌지(17)로 결합된 하부반사판(3b) 및 상기 집열판 및 하부반사판이 회동 작동되도록 상기 집열판 및 하부반사판의 저부에 다수 설치된 구동부(4)로 구성되어 있다.

상기 집열판(2)은 복사되는 태양에너지를 집열하는 판으로서, 열흡수판과,단열판 및 투명덮개로 이루어진다.

상기 열흡수판은 금속으로 된 것이 바람직하며 열흡수율을 증진시키기 위하여 검은색으로 도장되고 열전도성이 뛰어난 재료를 사용한다.

상기 단열판은 상기 열흡수판의 내측에 부착되는 것으로서 집열판의 열손실을 최소화하며, 폴리우레탄폼 등을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 투명덮개는 상기 열흡수판의 외측에 부착하는 것으로서 외부의 충격으로부터 열흡수판 및 단열판을 보호하고 외부로 열이 빠져나가지 않도록 차단하게 되며, 유리나 투명 플라스틱 판 등을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 집열판(2)의 구성은 통상 사용되는 것으로서 본 발명의 도면상에는 별도로 도시하지 않았으며, 본 발명과 같은 효과를 나타내는 것이라면 어떠한 집열판이라도 사용할 수 있다.

상기 상, 하부반사판(3a,3b)은 거울이나 알루미늄 등으로 된 평면형태의 판으로서, 태양에너지가 입사될 때 상기 집열판에 흡수되지 못하고 외부로 반사되는 태양에너지를 집열판 쪽으로 재반사시키는 것이다.

상기 상부반사판(3a)은 상기 집열판(2)의 상단에 90~150°바람직하게는 120°를 이룬 상태로 고정되도록 결합되고, 상기 하부반사판(3b)은 상기 상부반사판이 고정된 집열판의 하단에 일정 각도를 이룬 상태에서 힌지(17)로 결합되는데, 이러한 하부반사판은 상기 힌지를 기점으로 회동 가능하도록 축고정되는 것이다.

그리고, 상기 집열판 및 상기 하부반사판에는 후술하는 구동부의 구동축 및나사봉이 관통 설치되도록 관통공(13,14)이 각각 형성되어 있다.

또한, 상기 집열판(2) 및 하부반사판(3b)의 저면에는 보강부재(12)를 설치하여 상기 집열판 및 하부반사판을 하부로부터 지지하도록 할 수 있다.

상기 구동부(4)는 상기 집열판 및 하부반사판 저부에 설치되어 이들의 경사도가 조절되도록 구동력을 제공하는 것으로서, 계절이나 기후에 따라 태양의 고도가 변하게 되고 이에 따라 태양에너지의 입사각이 달라지게 되는데, 하절기에 비해 동절기에 대량의 열원을 공급하여야만 하므로 이에 따라 상기 집열판 및 하부반사판의 경사도를 크게 하거나 작게 조절함으로써 태양에너지의 집열량을 조절하는 것이다. 즉, 태양에너지가 수직으로 입사되도록 경사도를 조절하면 된다.

이러한 구동부(4)는 상기 집열판과 하부반사판을 관통하도록 반원형으로 형성된 나사봉(5)과, 상기 나사봉의 외주연에 나사결합된 연동기어(6) 및 상기 연동기어와 치합되고 상기 집열판과 하부반사판에 회전 가능하게 설치되는 구동기어(7)로 이루어진다.

상기 나사봉(5)은 외주연에 나선모양의 홈이 절삭되어 있고 양단이 지면에 고정되어 있다.

상기 연동기어(6)는 너트형상으로 외주연이 평톱니바퀴로 된 스퍼기어(spur gear)로 되어 있고, 상기 집열판 및 하부반사판에 회전 작동되도록 와셔(9)로 고정되어 있다.

즉, 와셔(9)는 상기 연동기어를 나사봉에 지지하도록 상기 집열판 및 하부반사판의 저면에 설치된 보강부재(12)에 용접 결합된 것으로서, 이러한 와셔는 반구형 단면형상으로 두 개가 한세트로 이루어지는데, 상기 두 개의 와셔를 서로 맞댄 상태로 와셔 하단부를 연동기어의 홈부(16)에 삽입함과 동시에 서로 조립하게 된다. 이때, 상기 와셔를 대신하여 베어링을 상기 보강부재의 저면에 설치함으로써 연동기어를 나사봉에 지지하도록 할 수도 있다.

그리고, 상기 연동기어를 구동시키는 구동기어(7)의 상단에는 구동기어를 축고정하는 구동축(9)이 설치되고, 이러한 구동축은 상기 집열판 및 하부반사판에 관통 설치된 상태에서 선단에 손잡이(11)를 형성함으로써 상기 구동부(4)를 수동으로 구동 시 사용하게 되며, 상기 구동부를 자동으로 작동 시에는 상기 손잡이를 대신하여 상기 구동축에 리모트컨트롤(미도시)이 가능한 모터(미도시)를 설치할 수도 있다.

그리고, 상기 구동축이 반사판 및 보강부재에 접하는 곳에는 와셔(15)가 삽입되어 있다.

또한, 상기 집열판 및 하부반사판에는 나사봉 및 연동기어가 다수 설치되며, 이러한 연동기어를 연동시키기 위해 상기 다수의 연동기어의 외주연에는 벨트(10)가 설치되어 있다.

이때, 상기 다수의 연동기어를 연동시키는 것이라면 상기 벨트에 한정되지 않고 체인 등의 어떠한 방법이라도 사용할 수도 있다.

한편, 다수의 구동부(4)의 연동기어(6,6a)를 연동시키는 벨트를 사용하는 대신, 상기 구동기어(7)와 치합된 연동기어(6)를 제외한 다른 연동기어(6a)의 나사봉(5) 외주연에 나선모양을 형성하지 않고 일반 봉의 형태로 형성함으로써 상기 구동기어의 작동 시 연동기어(6)의 작동만으로 상기 집열판(2) 및 하부반사판(3b)이 회동 작동되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 구동기어를 설치하는 대신 연동기어의 하단에 핸들(미도시)을 장착하여 사용자가 수동으로 핸들을 회전시킴으로써 상기 집열판 및 하부반사판을 회동 작동시킬 수도 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 태양에너지 집열장치를 사용하는 예를 설명하면 다음과 같다.

일반주택이나 상가 등의 건물 지붕에 다수의 구동부(4)를 구비한 태양에너지 집열장치(1)를 설치한 후, 태양의 고도에 따라 상기 구동부(4)를 작동시킴으로써 태양에너지의 집열량을 조절한다.

즉, 손잡이(11)를 돌려 구동축(9)을 회전시키고, 이로 인해 구동기어(7)가 회전 작동하면서 상기 구동기어와 치차결합된 연동기어(7)가 회전하게 되는데, 이때, 상기 연동기어는 와샤(9) 상에서 공회전을 하면서 나사봉(5)의 나선형 홈을 따라 상승하거나 또는 하강하게 된다.

그리고, 상기 구동기어의 구동으로 벨트(10)가 회전됨에 따라 다수의 연동기어가 연동되면서 나사봉의 나선형 홈을 따라 상승 또는 하강하게 되고, 이에 따라 집열판(2) 및 하부반사판(3b)이 회동 작동됨으로써 경사도가 크거나 또는 작게 조절된다.

예컨대, 도 4 (a)에 도시된 바와 같이, 태양의 고도가 낮은 동절기의 경우에는 지면과 이루는 집열판의 경사도를 태양에너지가 수직으로 입사되는 각도 예컨대, 60~75°로 높게 조절하고 하부판의 경사도는 10~25°로 낮게 조절한다.

그리고, 도 4 (b)에 도시된 바와 같이, 태양의 고도가 높은 하절기의 경우 비가 내리거나 흐린 날에는 지면과 이루는 집열판의 경사도를 태양에너지가 수직으로 입사되는 각도 예컨대, 10~25°로 낮게 조절하고 하부판의 경사도는 60~75°로 높게 조절한다.

이때, 상기 집열판 및 하부반사판의 경사도는 상기한 것에 한정되지 않으며 태양에너지의 입사각도에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같이, 상기 집열판(2) 및 상, 하부반사판(3a,3b)에 의해 흡수된 태양에너지는 상기 집열판에 인접 설치된 축열조(미도시)에 저장되었다가 태양에너지가 부족하거나 급탕부하 증가 시 적절히 사용하면 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 태양에너지 집열장치를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 태양에너지 집열장치에 따르면, 집열판의 상단에 상부반사판을 고정되도록 결합하고 상기 집열판의 하단에 하부반사판을 회동 가능하도록 힌지로 결합하며, 상기 집열판 및 하부반사판의 저부에 이를 회동 작동시키는 구동부를 다수 설치함으로써, 계절변화로 인한 태양의 고도에 따라 상기 집열판 및 하부반사판의 경사도를 증가 또는 감소시켜 집열장치의 집열량을 조절함으로써 계절에 따라 요구되는 태양에너지의 수급간의 불균형을 해소할 수 있다.

또한, 설치 및 사용방법이 간단하고 유지비가 저렴하여 일반주택이나 상가 등의 소규모 지역의 온수공급 및 난방용으로 사용하기에 매우 적합하다.

Claims (3)

1. 집열판의 일측에 경사지도록 설치된 반사판을 구비하는 태양에너지 집열장치에 있어서,

   상기 집열판의 상단에 소정 각도나 집열판으로 반사가 최적화되는 각도로 고정되도록 결합되는 상부반사판(3a);

   상기 집열판의 하단에 회동 가능하도록 힌지(11)로 결합되는 하부반사판(3b); 및

   상기 집열판 및 하부반사판의 저면에 다수 설치되고 상기 힌지를 축기점으로 상기 집열판과 하부반사판을 회동되도록 구동시키는 구동부(4)를 포함하는 태양에너지 집열장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동부(4)는 집열판(2) 및 하부반사판(3b)을 관통하도록 반원형으로 형성되고 양단이 지면에 고정된 나사봉(5);

   상기 나사봉의 외주연에 나사결합되고 상기 집열판 및 하부반사판에 와셔(8)로 고정된 연동기어(6); 및

   상기 연동기어와 연동 회전되도록 치합되고, 상기 집열판 및 하부반사판에 설치된 구동축(9)에 의해 축고정되는 구동기어(7)를 더 포함하는 태양에너지 집열장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 구동부(4)는 다수의 연동기어(6) 외주연에 설치되어 상기 다수의 연동기어를 연동 회전시키는 벨트(10)를 더 포함하는 태양에너지 집열장치.