KR100426840B1 - 태양열 집열장치, 집열방법, 집열방법이 기록된 기록매체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 에너지를 수집하는 집열판을 갖는 태양열 집열장치로서, 특정 지역의 평균년 표준기상 데이터를 기초로하여 해당 지역의 조건에 맞는 최적의 조건을 프로그램으로 시뮬레이션하여 정보를 획득하고 이 정보를 토대로 집열판의 방향을 전환 제어하는 집열판 방향제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치가 제공된다.

Description

태양열 집열장치, 집열방법, 집열방법이 기록된 기록매체{SOLAR HEAT COLLECT DEVICE}

본 발명은 태양열 집열장치, 집열방법이 기록된 기록매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표준기상 데이터를 기초로 최적의 일사량 획득 조건을 계산하여 특정 지역에서 가장 일사량을 많이 확보할 수 있는 설치각을 제공하거나 혹은 상기 제공되는 설치각에 따라 집열기의 각도를 자동조절하여 최대의 집열을 획득할 수 있도록 하는 집열장치 및 집열 방법이 기록된 기록매체에 관한 것이다.

일반적으로, 태양 에너지를 수집하기 위해 만들어진 집열판은 태양 빛을 가장 많이 받는 장소에 고정적으로 설치되는 고정식 집열판 및 태양의 위치에 따라 방향을 바꿀 수 있도록 설치되는 방향 전환식 집열판으로 나누어진다.

고정식 집열판은 대부분 태양 빛을 가장 많이 받는 장소에 고정시킴으로써, 항상 지정된 방향에서 태양 빛을 받도록 설치되어 있다. 따라서, 지정된 양의 태양 에너지를 취할 수 있다. 한편, 대한민국 실용신안등록출원 제97-13220호는 고정식 집열판에 집열판의 경사각을 수동 조절 가능하도록 가변 조절 핸들을 설치한 구성을 제안하고 있다.

또한, 방향 전환식 집열판은 광센서에 의해 모터를 제어하여 집열판의 방향을 바꾸는 등의 여러 가지 방식이 있다. 한편, 대한민국 특허출원 제98-12212호는 방향 전환식 집열판의 복잡한 제어 장치 대신에 간단한 구성으로 안정적인 동작이가능하도록 상하 각도 변위 기구의 작동체와 좌우 각도 변위 기구의 구동 모터에 광센서 및 타이머가 연동되도록 설치되는 구성을 제안하고 있다.

하지만, 고정식 집열판의 경우 대부분이 작업자에 의해 개략적이고 경험적으로 설치되어 지고 있으며, 또한 방향 전환식 집열판의 경우, 광센서를 이용하여 태양열을 추적할 경우 복잡한 제어 장치가 요구되며, 제어 작동상 다단계 과정을 거쳐 작동이 이루어지기 때문에 작동 과정 또는 외부 요인에 따라 오동작이 발생할 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라 설치 비용이 높은 문제점을 갖고 있었다.

따라서, 본 발명은 저렴한 설치 비용으로 계절별, 위도별, 지역별, 시간별, 고도별로 정확하고 효율적인 집열기 설치각을 제공하는 태양열 집열장치, 집열방법 및 상기 집열방법이 기록된 기록 매체를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방향 전환식 태양열 집열장치를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 집열판에 대한 최적 설치각을 산정하여 구동시키기 위한 프로그램 실행부(22)에서 실행되는 신호처리 흐름도.

도 3 내지 도 11은 도 2에 따른 각 단계별마다 표시되는 화면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

2 : 호스트 컴퓨터 4 : 통신부

6 : 프로그램 저장부 8 : 주처리 유닛

10 : 타이머 11 : 디스플레이부

12 : 램 14 : 모터 구동부

16 : 모터 18 : 감속부

20 : 집열판 22 : 프로그램 실행부

24 : 집열판 방향 제어부

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 태양 에너지를 수집하는 집열판을 갖는 태양열 집열 장치로서,

특정 지역의 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 프로그램을 실행하는 프로그램 실행부와,

상기 프로그램 실행부로부터 계산된 정보에 따라 상기 집열판의 방향 전환을 제어하는 집열판 방향 제어부를 포함하는 태양열 집열 장치가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 평균년 표준 기상 데이터는 1년 365일 8760 시간에 대하여 매 시간별로 외부 기온, 습도, 일사량 등에 대한 정보인 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 의하면, 상기 프로그램 실행부는,

특정 지역을 선정하여 상기 지역의 위도와 경도를 자동으로 표시하도록 하는 지역 데이터 입력 단계와,

상기 지역의 위도와 경도가 선정된 후에 집열판 방향 전환시의 설치 각도를 방위각과 고도각으로 구분하여 입력하는 집열판 설치각 데이터 입력 단계와,

1년을 분기별로 최소 1분기에서 최대 12분기로 구분하여 각 분기별 집열판 설치각에 따른 일사연획득량을 구하여 최적각을 계산하도록 분기수 및 분기의 시작일과 종료일을 입력하는 시뮬레이션 기간 입력 단계와,

입력되어진 상기 지역 데이터, 집열판 설치각 데이터 및 기간에 따라서, 이미 설정된 표준 기상 데이터 정보를 기초로 하여 상기 집열판의 최적 설치각을 제공하는 시뮬레이션 처리 단계를 포함하여 실행하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 의하면, 사용자가 특정 지역의 위도와 경도값 및 분석일을 입력하면 분석일에 대한 상기 특정 지역의 일적위, 균시차, 일출시간, 일몰시간 등과 같은 태양 이동 정보를 제공하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 의하면, 전술한 단계들을 포함하여 컴퓨터를 실행시킬 수 있는 정보가 기록된 기록 매체가 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

이제, 본 발명의 일실시예에 따른 방향 전환식 태양열 집열 장치를 도 1을 참조로 하여 설명한다. 그러나, 본 발명에 적용함에 있어 반드시 방향 전환식 집열판을 갖는 태양열 집열 장치에만 국한되지 않으며, 고정식 집열판을 갖는 태양열 집열 장치에도 이롭게 이용될 것이다. 즉, 이하의 본 발명에 따른 일실시예들은 본 발명을 국한시키지 않으며, 단지 본 발명의 특징적 사항이 쉽게 이해될 수 있도록 제공된 것임에 유의해야 한다.

태양열 집열 장치는 도시된 바와 같이, 태양열을 수집하는 집열판(20)과, 특정 지역의 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 프로그램을 실행하는 프로그램 실행부(22)와, 상기 프로그램 실행부(22)로부터 계산된 정보에 따라 상기 집열판(20)의 방향 전환을 제어하는 집열판 방향 제어부(24)를 포함한다.

상기 프로그램 실행부(22)는 호스트 컴퓨터(2), 통신부(4), 프로그램 저장부(6), 주처리 유닛(8), 타이머(10) 및 디스플레이부(11)로 구성된다.

타이머(10)는 모터를 구동하기 위한 인터럽트를 미리 정해진 시간마다 일정한 주기로 발생한다.

프로그램 저장부(6)는 타이머(10)에서 발생되는 매 인터럽트마다 모터 회전수를 카운터하면서, 평균년 기상 데이터를 기초로 한 시뮬레이션한 결과에 따라 모터의 회전 방향과 회전 속도로 모터를 제어하기 위한 프로그램을 저장한다.

즉, 각 기관에서 각 도시의 기상 데이터를 작성하고 있는 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 프로그램을 프로그램 저장부(6)에서 저장한다. 표준 기상 데이터는 1년 365일 8760 시간에 대하여 매 시간별로 외부 기온, 습도, 일사량 등에 관한 정보를 갖고 있다. 다시 말해, 1일분의 데이터는 7열, 즉 건구 온도, 절대 습도, 밉선면, 직달 일사량, 수평면 천공 일사량, 운량, 풍향, 풍속의 순으로 되어 있고, 각 열은 1시부터 24시까지의 매시의 값을 3행의 정수로 표시한 합계 72행의 시각별 기상 데이터와 기상 정보 7행 및 데이터 순서 1행으로 되어 있다.

주처리 유닛(8)은 외부로부터 입력되는 데이터로부터 프로그램 저장부(6)의 프로그램을 이용하여 집열판(20)이 이동해야 할 회전 방향과 회전량을 산출하고, 상기 타이머(10)의 인터럽트에 의해 상기 프로그램 저장부(6)에 저장되어 있는 프로그램을 구동시킨다.

통신부(4)는 상기 주처리 유닛(8)이 외부와 통신할 수 있는 데이터 송수신 포트이다.

프로그램 실행부(22)의 주처리 유닛(8)은 독립적으로 동작이 가능하며, 통신부(4)를 통해 호스트 컴퓨터(2)와의 연결이 가능하다. 즉, 호스트 컴퓨터(2)에서 전달되는 명령에 의해 프로그램 실행부(22)의 제어가 가능하다.

램(12)은 현재의 태양 관련 정보를 일시적으로 저장하는 기억 매체이다.

디스플레이부(11)는 주처리 유닛(8)으로부터 처리된 결과를 화면으로 표시한다.

또, 집열판 방향 제어부(24)는 모터 구동부(14), 모터(16), 감속부(18)로 구성되어 프로그램 실행부(22)로부터 전송되는 명령에 따라 집열판(20)을 적합한 설치 각도로 방향 전환시킨다. 한편, 감속부(18)는 집열판(20)에 기계적으로 결합되어 집열판(20)을 수직으로 움직일 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 집열판에 대한 최적 설치각을 산정하여 구동시키기 위한 프로그램 실행부(22)에서 실행되는 신호 처리 흐름도이다. 한편, 도 3 내지 도 11은 도 2에 따른 각 단계별마다 표시되는 화면을 나타낸다.

먼저, 사용자는 예컨대, solar-0.1.exe 프로그램을 주처리 유닛(8)을 통해 프로그램 저장부(6)에 설치한다. 예컨대, 상기 solar-0.1.exe 프로그램은 통신부(4)를 통해 호스트 컴퓨터(2)로부터 프로그램 저장부(6)에 설치되거나 혹은 컴팩트 디스크와 같은 특정한 기록 매체를 통해 프로그램 저장부(6)에 저장되거나 혹은 인터넷을 통해 특정 서버에 접속하여 다운로드 받을 수 있다.

단계 S2에서는 위와 같은 solar-0.1.exe 프로그램 설치를 마친다. 단계 S2에서 프로그램이 설치된 후에, 단계 S4에서 프로그램을 구동한다. 도 3은 solar-0.1.exe 프로그램을 구동할 때에 제일 먼저 나타나는 화면이다. 도 3의 화면을 마우스로 클릭하면 메인 화면으로 넘어간다.

단계 S6에서는 지역 데이터 입력 단계가 수행된다. 단계 S4에서 메인 화면으로 넘어가면, 해당 지역을 선택하도록 콤보 박스가 제공된다. 사용자가 콤보 박스를 통해 해당 지역을 선정하면 좌측 텍스트 박스에 그 지역의 위도와 경도가 도시된 바와 같이 자동으로 표시되어 입력된다. 이 값들은 사용자가 수정하는 것이 가능하다.

단계 S6에서 지역 데이터의 입력이 완료되면, 단계 S8에서는 도 5와 같은 집열판 설치각 데이터 입력 화면이 제공된다. 이것은 태양열 집열판 설치 시에 그 설치각을 방위각과 고도각으로 구분하여 입력하는 부분으로, 방위각이나 고도각은 개시각에서 종료각 사이에서 증분 만큼 변화시키면서 각 경우의 일사열 획득량을 시뮬레이션 하게 된다.

단계 S8에서 집열판 설치각 데이터 입력이 종료되면, 단계 S10에서는 도 6과 같은 시뮬레이션 기간 입력 화면이 제공된다. 이것은 1년을 분기별로 최소 1분기에서 최대 12분기로 구분하여 각 분기별로 집열판 설치각에 따른 일사열 획득량을 각각 구하여 최적 설치각을 확인 할 수 있도록 분기수 및 분기의 시작일과 종료일을 입력하는 것이다.

예컨대, 도 6의 화면의 경우, 1년을 4분기로 구분하여, 1분기를 1월 1일∼3월31일, 2분기를 4월 1일∼6월30일, 3분기를 7월 1일∼9월30일, 4분기를 10월 1일∼12월 31일로 구분하여 각 경우를 시뮬레이션하여 각 분기의 최적 집열판 설치각을 확인하도록 한다. 또한, 1분기로 하여 1월 1일부터 12월 31일까지 입력하는 경우에는 1년을 대상으로 한 태양열 집열판 최적 설치각을 시뮬레이션하게 된다.

단계 S10에서 시뮬레이션 기간이 입력된 경우, 단계 S12에서는 도 7과 같은 시뮬레이션 실행 화면이 제공되어 시뮬레이션이 실행된다. 이것은 전술한 단계들 이후에 "시뮬레이션" 부분을 클릭하면 제공되는 화면이다.

단계 S12에서 시뮬레이션이 실행된 이후에는 단계 S14에서 도 8 및 도 9와 같은 시뮬레이션 결과 출력 단계가 수행된다. 이것은 프로그램 시뮬레이션이 종료된 후, 결과 보기 탭에서 월별 설치각 시뮬레이션 결과와 최적 설치각 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있게 된다.

월별 설치각 시뮬레이션 결과 부분을 클릭하게 되면 그 아래의 텍스트 그리드 박스에서 태양열 집열판의 각 설치각(방위각과 고도각)에 따른 월별 누적 직달 일사량과 확산 일사량, 직달 확산 일사량 값(단위 Kcal/㎡)을 확인할 수 있게 된다. 또, 연간 합계와 시간별 평균값 결과도 확인할 수 있게 된다.

한편, 최적 설치각 시뮬레이션 결과 부분을 클릭하게 되면 텍스트 그리드 박스에서 분기별 각 개시일과 종료일 사이에 태양열 집열판의 설치각에 따른 일사열 획득량을 오름 차순별로 확인 할 수 있고, 태양열 집열판의 최적 설치각, 즉 방위각과 고도각의 확인이 가능하게 된다.

단계 S14에서 시뮬레이션 결과를 확인한 후에는 단계 S16에서 도 10과 같은 분석일 정보 보기 입력 단계가 수행된다. 분석일 정보 보기는 사용자가 해당 지역의 위도와 경도값 및 분석일을 입력하여 분석일의 태양의 위치를 확인할 수 있도록 해준다. 이들 값을 입력한 후에 실행 버튼을 클릭할 경우, 단계 S18에서 도 11과 같은 분석일 정보 보기 출력이 제공된다. 즉, 결과 보기 탭을 누르면 분석일의 일적위와 균시차, 일출시, 일몰시가 표시되며, 일출시에서 일몰시 까지의 태양 방위각과 고도각이 1분 단위로 텍스트 그리드 박스에 나타난다. 시간은 태양시와 지방 표준시로 출력된다.

위와 같은 단계들은 사용자의 간단한 데이터 입력에 의해 화면상에 표시되어 사용자에게 정보를 직접 제공하여 준다. 따라서, 사용자는 각 정보를 토대로 하여고정식 집열판의 설치각을 조정하여 설치할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예의 경우, 위의 단계 이후에, 단계 S20으로 진행되어 집열판의 좌표 수정이 행해진다. 즉, 분석일에 따른 최적의 태양 방위각과 고도각이 설정되어 집열판의 좌표 수정이 도 1의 주처리 유닛(8)에서 행해진다. 주처리 유닛(8)은 초기에 주변 기기 및 자신이 이용하는 변수를 초기화시킨 후, 외부 명령을 수신 대기하여 외부의 명령을 판별한다. 판별된 명령의 종류가 집열판(22)의 방향 전환과 관련된 경우, 주처리 유닛(8)은 모터의 회전 스텝수를 체크하여 모터의 현재 구동 여부를 확인한다. 확인 결과 모터가 회전되고 있는 상태가 아니라면 프로그램 저장부(6)로부터 제공되어진 집열판 설치각에 따른 모터의 회전 스텝수를 설정한다. 이 설정된 모터의 회전 스텝수에 의해 모터(16)는 일정한 주기의 타이머 인터럽트에 의해 구동된다. 이 모터에 의해 집열판(22)은 설정된 회전 방향과 회전량에 따라 이동됨으로써, 단계 S22의 집열판 이동을 위한 방향 전환 명령 이 수행 및 완료된다.

이상, 본 발명에 의하면, 광센서가 제공되는 방향 전환식 집열판에 비하여, 단순히 프로그램을 설치하면 되므로 설치 비용이 저렴해진다.

또, 계절별, 위도별, 지역별, 시간별, 고도별로 정확한 태양열 설치각이 제공되므로, 집열판 설치자는 단순한 경험이 아닌 최적의 설치각으로 집열판을 설치할 수 있게 된다.

예컨대, 고정식 집열판에 집열판의 경사각을 수동 조절 가능하도록 가변 조절 핸들을 설치한 구성을 제안하고 있는 전술한 대한 민국 실용 신안 출원 제1997-013220호에 본 발명을 적용할 수 있다. 즉, 사용자는 프로그램을 통해 제공된 집열판의 최적 설치각대로 가변 조절 핸들을 조절하여 태양열의 집열 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 프로그램을 통해 제공되는 최적의 설치각으로 방향 전환식 집열판을 효과적으로 제어할 수 있게 되는 효과가 있다.

예컨대, 광센서를 이용한 방향 전환식 집열판을 제어하고 있는 전술한 대한 민국 특허 출원 제20-1998-0012212호에 본 발명은 효과적으로 적용될 수 있다. 즉, 고가의 광센서 대신에, 본 발명에 따라서 특정 지역의 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 프로그램을 실행하는 프로그램 실행부를 이용함으로써, 저렴한 설치 및 유지 비용으로서 균일한 태양열의 집열 효과를 달성할 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지의 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니며, 특허 청구 범위와 이 특허 청구 범위의 균등한 것에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 태양 에너지를 수집하는 집열판을 갖는 태양열 집열 장치에 있어서,

   특정 지역의 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 프로그램을 실행하는 프로그램 실행부와,

   상기 프로그램 실행부로부터 계산된 정보에 따라 상기 집열판의 방향 전환을 제어하는 집열판 방향 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 평균년 표준 기상 데이터는 1년 365일 8760 시간에 대하여 매 시간별로 외부 기온, 습도, 일사량 등에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 태양열 집열 장치.
3. 특정 지역의 평균년 표준 기상 데이터를 기초로 하여 매 시각별로 변화하는 태양 관련 정보를 제공하는 방법에 있어서,

   특정 지역을 선정하여 상기 지역의 위도와 경도를 자동으로 표시하도록 하는 지역 데이터 입력 단계와,

   상기 지역의 위도와 경도가 선정된 후에 집열판 방향 전환시의 설치 각도를 방위각과 고도각으로 구분하여 입력하는 집열판 설치각 데이터 입력 단계와,

   1년을 분기별로 최소 1분기에서 최대 12분기로 구분하여 각 분기별 집열판 설치각에 따른 일사연획득량을 구하여 최적각을 계산하도록 분기수 및 분기의 시작일과 종료일을 입력하는 시뮬레이션 기간 입력 단계와,

   입력되어진 상기 지역 데이터, 집열판 설치각 데이터 및 기간에 따라서, 이미 설정된 표준 기상 데이터 정보를 기초로 하여 상기 집열판의 최적 설치각을 제공하는 시뮬레이션 처리 단계를 포함하여 실행하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열 방법.
4. 제3항에 있어서, 사용자가 특정 지역의 위도와 경도값 및 분석일을 입력하면 분석일에 대한 상기 특정 지역의 일적위, 균시차, 일출시간, 일몰시간 등과 같은 태양 이동 정보를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 대한 단계들을 포함하여 컴퓨터를 실행시킬 수 있는 정보가 기록된 기록 매체.