KR100704750B1 - 복합식 진공관형 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광으로부터 열에너지를 수집하는 열유체가 유동하는 집열관을 입출수관으로 분리하고, 이들 입출수관 사이로 집열판이 부착되도록 함으로써 집열 효율을 증대시킨 복합식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

본 발명의 복합식 진공관형 태양열 집열기는 태양열을 집열하는 내부의 집열관(15,16), 상기 집열관(15,16)에 일체로 부착되어 있는 집열판(10) 및, 상기 집열관(15,16)과의 사이에 진공(11)이 걸리도록 상기 집열판(10)과 상기 집열관(15,16)을 둘러싸고 있는 진공관(4)으로 이루어져 있는 복수개의 지관(3)과 상기 각각의 지관(3)을 하나로 모아 축열조로 연결하는 본관(2)을 포함하여 구성되어 있는 진공관형 태양열 집열기(1)에 있어서, 상기 집열관(15,16)은 입수관(15)과 출수관(16)으로 나누어져 있으며, 상기 입수관(15)은 상기 집열판(10)의 일측면에, 상기 출수관(16)은 상기 집열판(10)의 타측면에 각각 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 집열기에 의하면, 집열관 즉, 열유체의 입출수관이 집열판의 위 아래로 분리되어 접합부위를 통해 집열판 표면 위쪽에 일체로 부착되어 있으므로 열유체의 가열속도를 높이고, 집열판과 집열관의 열전달 효율을 높이는 한편, 태양광 입사면적을 넓히는 등 집열관과 집열판의 집열효율을 증대시킬 수 있게 된다.

태양광, 태양열, 집열, 집열관, 집열판, 진공관

Description

복합식 진공관형 태양열 집열기{The evacuated tubular solar collector using U-tube adopting a plate fin}

도 1은 히트 파이프를 구비한 종래의 진공관형 태양열 집열기의 단면도.

도 2는 이중 파이프를 구비한 종래의 진공관형 태양열 집열기의 단면도.

도 3은 도 2의 집열기에 집열판이 추가로 구비된 종래의 진공관형 태양열 집열기의 단면도.

도 4는 도 3의 중간 부분을 절단한 횡단면도.

도 5는 본 발명에 따른 복합식 진공관형 태양열 집열기의 단면도.

도 6은 도 5에 도시된 집열기의 중간 부분을 절단한 횡단면도.

도 7은 도 5에 도시된 집열기의 하단 부분을 절단한 횡단면도.

* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명 *

1 : 태양열 집열기 2 : 본관

3 : 지관 4 : 진공관

10 : 집열판 11,23 : 진공

15,16 : 집열관(입출수관) 21 : 접합부위

25 : 외부관

본 발명은 태양열 집열기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열유체관을 집열관으로 사용함과 동시에 열유체관 사이에 집열판을 끼워 열유체관과 집열판을 하나의 구조로 일체화시킴으로써 집열 효율을 배가시킨 복합식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

일반적으로 태양열 이용과 관련하여 널리 알려져 있는 기술은 크게 평판형 태양열 집열기와 진공관형 태양열 집열기 두 가지로 구분할 수 있다. 이중에서 평판형 집열기는 전체적으로 사각판 모양으로 되어 있으며, 대체로 외부 몸체를 이루는 틀체, 틀체 내부에 설치된 집열판, 및 집열판 위로 틀체에 씌워지는 투명덮개로 이루어져 있다. 여기에서 집열판은 태양열을 모으는 부분으로 열전도성이 뛰어난 구리나 알루미늄 등의 금속재질에 의해 박판 형태으로 제작되며, 태양광에 노출되는 표면에 마찬가지로 금속재질인 지관이 다수개 부착되고, 이들 각각의 지관은 본관에 연결되어 가열된 내부의 열유체를 축열조로 순환시킨다. 따라서, 평판형 태양열 집열기에 의하면 태양의 복사열이 일차적으로 집열판에 집열되고, 이에 따라 가열된 지관 내부의 열유체가 가열되면서 본관을 통해 축열조로 모여 열에너지를 하나로 모으게 된다.

반면에, 진공관형 태양열 집열기는 집열을 하는 내부관을 외부관으로 둘러싸고 그 사이를 진공 상태로 유지함으로써 집열기 내부관에서의 대류로 인한 열손실을 최소화하도록 한 것으로, 하나의 유리관으로 제작된 형태와 두 개의 유리관으로 제작된 형태 두 가지가 널리 알려져 있다.

이중에서 하나의 유리관을 사용하는 진공관형 집열기는 도 1에 도면부호 101로 도시된 바와 같이 외부 몸체를 이루는 유리관(104), 이 유리관(104)의 내부에 중심 축선을 따라 길게 배열되어 외부의 축열부까지 연결되어 있는 히트 파이프(105), 그리고 이 히트 파이프(105) 외주면의 대향 위치에 반경방향으로 배열되도록 부착되어 있는 집열판(107)으로 구성되어 있으며, 여기에서 유리관(104)은 입구가 마개(109)로 밀폐되어 내부가 진공(111) 처리되어 있다. 따라서 이 집열기(1)는 집열판(107)에 집열된 열을 히트 파이프(105)로 모아 축열조로 전달하게 된다.

또 다른 형태인 유리관이 두 개인 진공관형 집열기는 도 2에 도면부호 201로 도시된 바와 같이, 크게 태양열을 집열하는 내부의 집열관(205)과, 이 집열관(205)과의 사이에 진공(211)이 걸리도록 집열관(205)을 둘러싸고 있는 진공관(204)으로 이루어져 있는 복수개의 지관(203)과 각각의 지관(203)을 하나로 모아 축열조로 연결하는 본관(202)으로 구성되어 있는데, 여기에서 진공관(204)은 각각 동일한 형태의 유리관으로 제작되며, 집열관(205)은 도시된 것처럼 축열조로부터 전달되는 사용 후 냉수와 축열조로 공급되는 사용 전 온수를 서로 섞이지 않게 하기 위해 이중관의 구조로 되어 있다. 즉, 집열관(205)은 본관(202)의 귀환 파이프(213)와 연결된 내부관(215)과 이 내부관(215)을 둘러싸며 본관(202)의 공급 파이프(214)와 연결되어 있는 외부관(216)으로 이루어져 있다. 따라서, 열사용 부위나 축열조에 열을 빼앗기고 본관(202)의 귀환 파이프(213)를 통해 내부관(215)을 따라 집열관(205)으로 유입된 냉수는 내부관(215)을 통과해 외부관(216)으로 유입되면서 가열된 다음 공급 파이프(214)를 통해 열사용 부위나 축열조로 유입된다.

그리고, 집열판(107)이 적용된 도 1의 집열기(101)와 열유체가 유동하는 집열관(205)을 통해 직접적으로 집열을 하는 도 2의 집열기(201)가 가지고 있는 장점을 살려 집열 효과를 높이고자 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 복합식 진공관형 태양열 집열기(301)가 개발된 바 있다.

이 집열기(301)는 전체적으로 도 2에 도시된 집열기(201)와 동일한 구조로 되어 있으나 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 집열관(305)의 외주면 좌우에 한 쌍의 집열판(310)이 방사상으로 부착되어 있는 차이가 있으며, 집열판(310)은 집열관(305)과 마찬가지로 진공관(304)으로 둘러싸여져 있으며, 진공관(304)과의 사이가 진공(311) 처리되어 있다. 따라서, 이 집열기(301)에 의하면 집열판(310)과 집열관(305)에 의해 이중으로 집열을 할 수 있게 되므로 집열 효율을 배가시킬 수 있다.

그러나, 집열관(305)이 동축상으로 중첩되어 배열되므로 외부관(316) 내부를 흐르는 온수의 유동저항이 커 유동속도가 떨어지는 한편 외부관(316) 안쪽에 저온의 내부관(315)이 위치하고 있으므로 상대적으로 열손실이 증대되어 집열 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 집열관(305)과 집열판(310)의 접촉면이 집열판(310)의 종단면으로 국한되므로 집열판(310)에 모인 열이 집열관(305)으로 원활하게 전달되지 못해 마찬가지로 집열 효율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 진공관형 태양열 집열기가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 집열관과 집열판을 통해 동시에 집열을 하도록 되어 있는 복합식 집열기에 있어서 집열관을 입수관과 출수관으로 분리하여 입출수관의 관직경을 축소시키고 상대적으로 온도가 낮은 입수관에 의해 출수관의 온도가 저하되지 않도록 함과 동시에, 출수관만을 태양광 입사측에 배열하여 집열판의 집열 가능면을 최대한 넓게 확보하는 한편 입출수관을 집열판 위로 올려 붙임으로써 입출수관과 집열판의 접촉부위를 넓혀 열전달 효율을 높이고 특히 출수관이 집열판에 반사되는 태양광에 의해서도 가열될 수 있도록 하는 등 집열기의 집열효율을 높이고자 하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양열을 집열하는 내부의 집열관, 이 집열관에 일체로 부착되어 있는 집열판 및, 집열관과의 사이에 진공이 걸리도록 집열판과 집열관을 둘러싸고 있는 진공관으로 이루어져 있는 복수개의 지관과 이들 각각의 지관을 하나로 모아 축열조로 연결하는 본관을 포함하여 구성되어 있는 진공관형 태양열 집열기에 있어서, 집열관은 입수관과 출수관으로 나누어져 있으며, 입수관은 집열판의 일측면에, 출수관은 집열판의 타측면에 각각 일체로 연결되어 있는 복합식 진공관형 태양열 집열기를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 복합식 진공관형 태양열 집열기의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 진공관형 태양열 집열기는 전체적으로 종래의 진공관형 태양열 집열기와 유사한 형태를 취하고 있으며, 따라서 도 5에 도면부호 1로 도시된 바와 같이 본관(2)과 지관(3)으로 이루어진 배관 구조를 가지고 있다.

여기에서, 본관(2)은 축열조와 같은 열 사용처와 직접적으로 열을 모으는 복수의 지관(3)을 연결하는 부분으로서, 축열조로부터 열 사용이 끝나 상대적으로 온도가 저하된 냉수가 화살표(A) 방향으로 유입되는 저온관(5)과 지관(1)에서 집열을 통해 충분히 가열된 고온의 온수가 화살표(B) 방향으로 유출되는 고온관(6)으로 이루어져 있으며, 이들 저고온관(5,6)은 도시된 것처럼 열효율을 고려하여 저온관(5)이 고온관(6)의 내부에 위치하도록 동축상으로 배열되는 것이 바람직하다.

이와 같이 본관(2)에 연결되어 태양광으로부터 수집한 열량을 축열조에 계속해서 공급하도록 되어 있는 복수의 지관(3)은 또한 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 종래의 지관들과 다름 없이 각각 전체적으로 집열관(15,16), 집열판(10) 및 진공관(4)을 포함하여 구성되어 있다.

여기에서, 집열관(15,16)은 지관(3)의 내부에서 태양열을 직접적으로 수집하는 부분으로서, 도 6에 도시된 것처럼 진공관(4)에 비해 상대적으로 직경이 상당히 작고, 구리와 같이 열전도성이 뛰어난 금속재료로 제작되며, 도 7에 도시된 것처럼 U자관(27)을 통해 아래쪽에서 하나로 연결되어 있다. 특히 출수관(16)의 온도를 최대한 높게 유지하기 위해 상대적으로 저온인 입수관(15)과 집열판(10)을 사이에 두고 완전히 분리되어 있다. 더욱이, 입수관(15)은 집열판(10) 중 상대적으로 태양광이 적게 입사되는 후면(10-2)에 부착되며, 출수관(16)은 반대로 태양광이 상대적으 로 많이 입사되는 집열판(10)의 전면(10-1)에 일체로 부착된다.

이와 같이, 집열관(15,16)을 부착하도록 되어 있는 집열판(10)은 종래의 집열판과 마찬가지로 태양광을 최대한 넓게 수집하도록 직사각형의 평판 형태로 되어 있으며, 본 발명에서는 특히 집열판(10)의 중심선을 따라 형성된 접합부위(21)를 통해 집열관(15,16)이 일체로 접합되어 있는데, 접합부위(21)는 용접이나 납땜 등과 같은 금속접합 방식을 통해 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 집열관(15,16)은 각각 접합부위(21)를 제외한 관 몸통 거의 전체가 집열판(10) 위로 노출되도록 배열됨으로써 집열관(15,16)의 외주면과 집열판(10)의 표면이 예각을 이루게 되어 집열판(10)에 반사되어 나가는 태양광을 일부 수집하는 역할도 한다. 그리고 이 때, 도시하지는 않았지만 집열판을 형광등 갓과 같이 만곡시켜 위와 같이 집열판에서 반사되는 태양광이 집열관(15,16)에 좀 더 많이 수집되게 할 수도 있다.

이와 같이 일체로 형성되어 있는 집열판(10)과 집열관(15,16)을 둘러싸고 있는 진공관(4)은 태양광의 입사를 가능하게 하도록 유리와 같은 투명한 재질로 되어 있으며, 집열판(10)이나 집열관(15,16)의 표면에서 대류에 의해 발생하는 열손실을 줄이기 위해 진공(11)으로 처리되어 있다.

또한, 진공에 의한 단열 효과를 더욱 증대시키기 위해 도시된 것처럼 진공관(4) 바깥쪽을 외부관(25)으로 둘러싸고 진공관(4)과 외부관(25) 사이를 진공(23)으로 처리할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 복합식 진공관형 태양열 집열기의 작동은 다음과 같다.

먼저, 축열조에 열량을 전달한 저온의 열유체 즉, 냉수는 본관(2)의 저온관(5)을 통해 화살표(A) 방향으로 귀환하여 각각의 지관(3)으로 유입된다. 각 지관(3)에 유입되는 냉수는 집열판(10) 밑 쪽의 입수관(15)을 통해 지관 아래쪽으로 내려가면서 서서히 가열되고, U자관(27)을 통해 집열판(10) 위의 출수관(16) 아래 쪽에서부터 위쪽으로 이동하면서 태양광을 직접적으로 수집한다. 이와 동시에 집열판(10)을 통해서 집열된 다량의 태양열도 접합부위(21)를 통해 집열관 즉, 입출수관(15,16)으로 전달되어 내부의 열유체를 가열하게 된다. 이렇게 각 지관(3)에서 충분히 가열된 열유체 즉, 온수는 본관(2)의 고온관(6)으로 집수되어 화살표(B) 방향으로 다시 축열조 등 열 사용처로 공급된다.

이와 같이 집열관(15,16)은 자체에 입사되는 태양광을 통해 직접적으로 태양열을 집열하고, 또한 집열판(10)에 의해 집열된 열량을 접합부위(21)를 통해 신속하게 전달 받을 뿐 아니라, 인접한 집열판(10) 부위에서 반사되는 태양 반사광을 통해서도 가열된다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 복합식 진공관형 태양열 집열기에 의하면, 먼저 집열관을 입수관과 출수관으로 분리함으로써 입출수관의 관직경을 축소시켜 입출수관 내부를 유동하는 열유체의 가열속도를 높일 수 있고, 상대적으로 저온인 입수관으로 인해 출수관의 가열속도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 되며, 또한 입수관을 집열판 밑으로 배열함으로써 집열판에서의 집열면적을 가능한한 넓게 확보할 수 있게 되므로 집열관과 집열판의 집열효율을 증대시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 입출수관을 집열판 위쪽으로 드러나도록 집열판 표면에 접합부위를 통해 일체로 결합시킴으로써 입출수관과 집열판의 열전달 통로를 넓혀 집열판에서 입출수관으로의 열전달 효율을 높일 수 있으며, 특히 집열판에서 반사되는 태양광을 집열판 위로 돌출되어 있는 입출수관으로 입사되도록 함과 동시에 입출수관에서 반사되는 태양광은 집열판에 입사되도록 함으로써 버려지는 태양광으로부터 추가적인 열량을 얻어 집열효율을 더욱 증진시킬 수 있게 된다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 태양열을 집열하는 내부의 집열관(15,16), 상기 집열관(15,16)에 일체로 부착되어 있는 집열판(10) 및 상기 집열관(15,16)과의 사이에 진공(11)이 걸리도록 상기 집열판(10)과 상기 집열관(15,16)을 둘러싸고 있는 진공관(4)으로 이루어져 있는 지관(3)과 상기 지관(3)을 축열조로 연결하는 본관(2)을 포함하여 이루어진 진공관형 태양열 집열기(1)에 있어서,

   상기 집열관(15,16)은 입수관(15)과 출수관(16)으로 나뉘어져 있고, 상기 입수관(15)은 상기 집열판(10)의 후면(10-2)에, 그리고 상기 출수관(16)은 상기 집열판(10)의 전면(10-1)에 각각 접합부위(21)를 형성하도록 일체로 접합되되 상기 입수관(15)과 출수관(16)의 각각의 일단은 U자관(27)으로 서로 연결되어 있으며, 상기 집열관(15,16)은 그 외주면이 상기 집열판(10) 표면과 예각을 이루도록 상기 집열판(10) 표면 위에 몸통이 모두 노출되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합식 진공관형 태양열 집열기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 집열판(10)이 형광등의 갓처럼 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 복합식 진공관형 태양열 집열기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 진공관(4)의 바깥쪽에는 상기 진공관(4)과의 사이에 진공(23)이 걸리도록 외부관(25)이 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 복합식 진공관형 태양열 집열기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 지관(3)은 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 지관(3)이 상기 본관(2)과 병렬적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합식 진공관형 태양열 집열기.

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