KR100772479B1 - 태양열을 이용한 난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 태양열을 이용한 난방시스템에 관한 것으로서, 내부에 공기가열실이 형성되어 있는 단위하우징; 상기 단위하우징의 일측에 마련되어 상기 공기가열실로 외부 공기를 유입하는 유입부; 상기 단위하우징의 타측에 마련되어 상기 공기가열실에서 가열된 공기를 배출하는 배출부; 상기 단위하우징의 어느 일면에 마련되어 태양광을 집광하는 복수의 볼록렌즈; 및 상기 단위하우징 내의 공기가열실에 마련되되, 상기 볼록렌즈들에 의해 태양광의 초점이 맞춰지는 거리에 배치되며, 상기 볼록렌즈들에 의해 집광된 태양열에 의해 가열되어 상기 공기가열실 내의 공기를 가열하는 가열판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 간단한 구조를 가지면서도 난방 및 온수 효율은 오히려 종래보다 향상될 수 있으며, 축조 비용이나 유지보수 비용 등을 현저하게 낮출 수 있기 때문에 상용화하기에 충분하고, 장소와 용도에 제약 없이 널리 사용될 수 있게 되는 것이다.

태양열, 난방, 시스템, 온수, 온실

Description

태양열을 이용한 난방시스템{Heating system using sun's heat}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도,

도 2는 도 1의 종단면도,

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도,

도 4는 도 3의 종단면도,

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도,

도 6은 도 5의 종단면도,

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 종단면도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 단위하우징 10a : 공기가열실

12 : 접촉벽면 14 : 연통공

16 : 유입부 18 : 배출부

20 : 볼록렌즈 22 : 가열판

24 : 반사판 30 : 외부하우징

31 : 투명판 33 : 단열재

본 발명은, 태양열을 이용한 난방시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 간단한 구조를 가지면서도 난방 및 온수 효율은 오히려 종래보다 향상될 수 있으며, 축조 비용이나 유지보수 비용 등을 현저하게 낮출 수 있기 때문에 상용화하기에 충분하고, 장소와 용도에 제약 없이 널리 사용될 수 있는 태양열을 이용한 난방시스템에 관한 것이다.

현대 사회에 있어 석유 자원의 역할은 대단히 중요하다. 전기 에너지를 생성하는 발전소를 비롯하여 산업 연료, 그리고 난방 연료에 이르기까지 석유 자원의 역할은 실로 무한하다. 뿐만 아니라 석유로 인해 파생된 플라스틱 원료는 의류 산업을 포함하여 생필품 원료, 그리고 각종 건축 및 토목 원료로 널리 사용되고 있으므로 현대 사회는 석유 자원으로 인해 생활이 영위되고 있다고 단정할 수도 있다.

하지만, 지구상에 매장된 석유 자원의 양은 한계가 있을 수밖에 없으므로 사용되는 양만큼 자원이 고갈될 수밖에 없다. 한 보고 자료에 따르면 앞으로 대략 수십 년 후에는 석유 자원은 고갈된다고 한다. 특히, 산업이 발전함에 따라 석유 자원의 사용량은 점점 더 많아질 수밖에 없으므로 대체 에너지의 개발이 시급하다 할 수 있다.

석유 자원에 대한 대체 에너지로서 풍력, 수력, 파력, 원자력, 태양열 등을 들 수 있다. 현재, 이들은 석유 자원과 병행하여 사용되고 있다.

다만, 석유 자원과는 달리, 대체 에너지 중에서 풍력, 수력, 파력 등은 지역 및 환경에 영향을 받기 때문에 모든 곳에 적용하기는 사실상 곤란하다.

예를 들어, 풍력은 일정량의 풍속이 주기적으로 발생하지 않는다면 사실상 에너지로서 이용하기가 곤란하다. 이는 수력 및 파력 에너지에도 동일하게 미친다. 다만, 원자력의 경우, 시설 투자만으로 모든 지역에서 에너지원으로 사용될 수 있다는 이점이 있기는 하지만 우라늄이라는 원료 역시 석유와 마찬가지로 그 매장량에 한계가 있다는 점에서 완전한 대체 에너지라 하기가 힘들다.

이에 반해, 태양열은 실로 무한하며, 위도와 경도의 차이가 있기는 하지만 지구상의 그 어떠한 곳에도 실질적으로 발생하고 있다는 점에서 이용 가치가 충분하다 할 수 있다. 따라서 근자에 들어서는 태양열을 이용하여 전기를 발생시키거나 혹은 난방 및 온수 시스템을 적용한 예가 많으며, 날로 늘어나는 추세에 있다.

이러한 예로서, 우리가 주변에서 흔히 접할 수 있는 것에 소위, 태양열 주택(Solar House)이 있다. 태양열 주택은 집열부, 축열부 및 이용부로 이루어진 태양열 시스템을 주택에 적용한 것으로서, 태양열을 이용하여 난방 혹은 온수의 효과를 제공토록 한 것이다.

그런데, 기존에 널리 알려진 태양열 시스템은, 그 구조가 상대적으로 복잡하다. 따라서 시스템을 축조하는데 소요되는 비용이나 유지보수 비용 대비 그 효율이 현저하게 떨어지기 때문에 널리 상용화되지 못할 뿐만 아니라 장소와 용도에 상당 한 제약을 받을 수밖에 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 간단한 구조를 가지면서도 난방 및 온수 효율은 오히려 종래보다 향상될 수 있으며, 축조 비용이나 유지보수 비용 등을 현저하게 낮출 수 있기 때문에 상용화하기에 충분하고, 장소와 용도에 제약 없이 널리 사용될 수 있는 태양열을 이용한 난방시스템을 제공하는 데 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 공기가열실이 형성되어 있는 단위하우징; 상기 단위하우징의 일측에 마련되어 상기 공기가열실로 외부 공기를 유입하는 유입부; 상기 단위하우징의 타측에 마련되어 상기 공기가열실에서 가열된 공기를 배출하는 배출부; 상기 단위하우징의 어느 일면에 마련되어 태양광을 집광하는 복수의 볼록렌즈; 및 상기 단위하우징 내의 공기가열실에 마련되되, 상기 볼록렌즈들에 의해 태양광의 초점이 맞춰지는 거리에 배치되며, 상기 볼록렌즈들에 의해 집광된 태양열에 의해 가열되어 상기 공기가열실 내의 공기를 가열하는 가열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방시스템을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 단위하우징의 내벽면 중 적어도 어느 일면에는 반사판이 더 마련될 수 있다.

상기 가열판은 동판일 수 있다.

상기 단위하우징의 외부에 마련되어 상기 단위하우징을 수용하는 외부하우징을 더 포함하며, 상기 볼록렌즈들과 인접한 상기 외부하우징의 상면에는 투명판이 마련되고, 상기 외부하우징의 측벽들과 상기 단위하우징의 측벽들 사이에는 단열재가 개재될 수 있다.

상기 단위하우징은 상기 외부하우징 내에 수용된 상태에서 측방향을 따라 복수개로 마련되며, 상기 단위하우징들이 상호 접하는 접촉벽면에는 상기 단위하우징들의 공기가열실들을 상호 연통시키는 연통공이 형성될 수 있다.

상기 단위하우징들이 측방향으로 결합되어 형성되는 상기 연통공들은 지그재그식으로 배열될 수 있다.

상기 단위하우징들이 측방향으로 결합될 때, 상기 유입부는 어느 한 단위하우징에 형성되고, 상기 배출부는 다른 한 단위하우징에 형성될 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 실시예들의 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템은, 후술할 각종 구성을 포함하는 단위하우징(10)을 구비한다. 단위하우징(10)은 본 실시예에서 난방시스템을 이루는 하나의 단위 객체이다. 따라서 사용 장소가 협소하거나 소규모의 용도로 사용된다면, 도 1 및 도 2가 그대로 적용되어도 무방하다.

단위하우징(10)은 도시된 바와 같이, 내부에 공기가열실(10a)이 형성된 일정한 부피의 박스(Box) 형상을 갖는다. 박스 형상으로 단위하우징(10)을 제조하는 까닭은 제조하기가 가장 편리하기 때문이다. 따라서 반드시 단위하우징(10)의 형상은 도 1에 국한될 필요는 없다.

이러한 단위하우징(10)의 일측에는 외부 공기를 단위하우징(10) 내의 공기가열실(10a)로 유입시키는 유입부(16)가 형성되어 있다. 그리고 단위하우징(10)의 타측에는 공기가열실(10a) 내에서 가열이 완료되어 그 온도가 상승된 더운 공기를 배출하는 배출부(18)가 마련되어 있다.

배출부(18)를 통해 배출되는 더운 공기는 난방이나 온수에 이용된다. 따라서 배출부(18)는 별도의 난방용 배관(미도시)이나 온수용 배관(미도시) 등을 가열하는 배관 등에 연결될 수 있으며, 차가워진 배관의 단부는 다시 유입부(16)에 연결하여 순환식으로 사용할 수도 있다.

단위하우징(10)의 상면에는 복수의 볼록렌즈(20)가 결합되어 있다. 볼록렌즈(20)는 태양광을 집광하는 역할을 한다. 따라서 볼록렌즈(20)의 크기가 실질적으로 거대하다면 하나의 볼록렌즈(20)가 적용되어도 좋다. 하지만, 무한정 큰 볼록렌즈(20)를 제작하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 본 실시예와 같이, 적당한 크기의 볼록렌즈(20)를 단위하우징(10)의 상면에 복수개로 결합시켜 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 볼록렌즈(20)들의 하부, 즉 단위하우징(10) 내의 공기가열실(10a)에는 볼록렌즈(20)들에 의해 집광된 태양열에 의해 가열되어 공기가열실(10a) 내의 공기를 가열하는 가열판(22)이 마련되어 있다.

이 때의 가열판(22)은 도 2에 점선으로 도시한 바와 같이, 볼록렌즈(20)들에 의해 태양광의 초점이 맞춰지는 거리에 배치된다. 따라서 볼록렌즈(20)들로 향한 태양광은 볼록렌즈(20)들에 의해 하나의 점으로 수렴되어 가열판(22)으로 향한 다음, 가열판(22)을 신속하게 가열할 수 있다. 따라서 가열판(22)이 존재하는 공기가열실(10a) 내의 공기는 대류 현상에 의해 가열판(22)의 온도만큼 쉽게 데워질 수 있게 된다.

따라서 가열판(22)은 상대적으로 열을 빠르게 흡수하는 열전달률이 높은 재질로 제작되는 것이 바람직한데, 본 실시예의 경우, 가열판(22)을 동판으로 제작하고 있다. 그러나 동판 보다 열전달률이 높은 재질, 예를 들어 백금 등이 가열판(22)의 재질로 사용되어도 좋다. 이러한 가열판(22)은 별도의 브래킷(B)에 의해 단위하우징(10)의 내벽에 착탈가능하게 고정될 수 있다.

한편, 본 실시예에서 단위하우징(10)의 내벽면에는 반사판(24)이 더 마련되어 있다. 반사판(24)으로는 표면이 경면 처리된 알루미늄 판 내지 거울 등이 채용될 수 있다. 이러한 반사판(24)은 태양광이나 태양광에 의한 열을 반사하여 공기가열실(10a) 내의 공기를 보다 신속하게 가열하는 역할을 한다.

이러한 구성을 갖는 태양열을 이용한 난방시스템의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 유입부(16)를 통해 외부의 공기가 단위하우징(10) 내의 공기가열실(10a)로 유입된다. 유입부(16)와 배출부(18)가 항시 개방되어 있다면 열 손실이 클 수 있으므로 유입부(16)와 배출부(18)에는 별도의 밸브(미도시) 등이 더 마련되어 선택적으로 개폐되는 것이 좋다.

외부 공기가 공기가열실(10a) 내로 유입된 상태에서, 단위하우징(10)의 상면으로 태양광이 투사되면 태양광은 복수의 볼록렌즈(20)에 집광된 후, 가열판(22)으로 그 초점이 맞춰지면서 수렴된다. 따라서 가열판(22)은 이러한 현상에 기초하여 태양열에 의해 가열되기 시작한다.

가열판(22)이 가열되면, 가열판(22)을 포함하여 공기가열실(10a) 내로 유입된 외부 공기는 가열판(22)에 형성되는 온도만큼 상승하여 데워진다. 물론, 공기가 가열되는 과정에서 외부 공기는 반사판(24)들에 의해 공기가열실(10a) 내에서 순환되면서 가열되기 때문에 가열 시간이 훨씬 단축된다.

다음, 가열이 완료된 더운 공기는 배출부(18)를 통해 배출되어 별도의 배관을 통해 난방이나 온수용으로 사용될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 간단한 구조를 가지면서도 난방 및 온수 효율은 오히려 종래보다 향상될 수 있으며, 축조 비용이나 유지보수 비용 등을 현저하게 낮출 수 있기 때문에 상용화하기에 충분하고, 장소와 용도에 제약 없이 널리 사용될 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도이고, 도 4는 도 3의 종단면도이다.

전술한 실시예에서는, 볼록렌즈(20), 가열판(22) 및 반사판(24)을 갖는 단위하우징(10) 그 자체를 난방시스템으로 사용되었다.

하지만, 전술한 실시예와 같이, 단위하우징(10)을 그대로 사용함으로써 볼록렌즈(20)가 외부로 노출된다면, 외부 이물질에 의해 쉽게 오염되기 쉽다. 뿐만 아니라 단위하우징(10)의 측벽이 외기와 그대로 맞닿아 있기 때문에 이 영역에서 열 손실이 발생하기 쉽다. 특히, 이는 겨울철에 더더욱 심화된다.

이러한 현상을 개선하기 위해, 본 실시예에서는 단위하우징(10)의 외부에 별도의 외부하우징(30)을 더 마련하고 있다. 결국, 외부하우징(30)은 단위하우징(10)에 비해 상대적으로 부피가 크게 제작되어 그 내부로 단위하우징(10)을 수용, 보호 및 단열하는 역할을 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 외부하우징(30)을 더 마련할 경우, 볼록렌즈(20)들과 인접한 외부하우징(30)의 상면에는 태양광이 구속되지 않고 볼록렌즈(20)들로 용이하게 향할 수 있도록 투명판(31)이 마련된다.

투명판(31)은 유리 재질이어도 좋고, 플라스틱 재질이어도 무방하다. 다만, 반투명 플라스틱 재질이라면 집광의 효율이 다소 떨어질 수 있으므로 적어도 유리와 같이 거의 투명한 플라스틱 재질이 적용되는 것이 바람직하다.

또한 외부하우징(30)이 적용될 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부하우징(30)의 측벽들과 단위하우징(10)의 측벽들 사이에는 단열재(33)가 더 마련된다.

단열재(33)는 단위하우징(10) 내의 공기가열실(10a) 내의 열이 외부로 손실되는 것을 억제하는 역할을 한다. 단열재(33)로는 스티로폼이나 석면 등이 적절하게 조합되어 사용될 수 있다. 물론, 본 실시예에서 외부하우징(30)의 구성을 제외한 단위하우징(10)의 구성 및 구조는 전술한 제1실시예가 그대로 적용된다.

제2실시예와 같을 경우, 볼록렌즈(20)들이 오염되는 것을 저지할 수 있고, 공기가열실(10a) 내의 열이 외부로 손실되는 것을 방지하면서도 상기의 효과를 그대로 제공할 수 있는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 사시도이고, 도 6은 도 5의 종단면도이다.

전술한 실시예들의 경우에는, 단위하우징(10) 하나를 이용하여 난방시스템을 구축하고 있으므로, 실질적으로 단위하우징(10)이 무한정 크지 않다면 난방 효율을 높이는데 제약이 따를 수밖에 없다.

이에, 본 발명의 제3실시예에서는, 단위하우징(10)을 복수개로 마련하고, 이들을 외부하우징(30) 내에 수용시킨 상태에서 측방향을 따라 연결하고 있다.

도 5 및 도 6을 보면 총 5개의 단위하우징(10)이 측방향으로 결합되어 있으나, 단위하우징(10)의 개수는 5개 보다 적을 수도 있고 많을 수도 있다. 단위하우징(10)의 개수가 많으면 많을수록 난방 효율을 높이는데 유리할 것임에 틀림이 없다.

복수개의 단위하우징(10)을 결합시키는데 있어, 도면과 같이 하나의 외부하우징(30) 내에 복수개의 단위하우징(10)을 측방향으로 결합시켜도 좋고, 혹은 전술한 제2실시예와 같이, 단위하우징(10)과 외부하우징(30)의 한 세트(Set) 그 자체를 측방향으로 복수개 결합시켜도 좋다.

본 실시예와 같이, 복수개의 단위하우징(10)을 측방향으로 연결시켜 하나의 시스템을 축조할 경우, 하나의 단위하우징(10)마다 유입부(16)와 배출부(18)를 마 련할 필요는 없다.

따라서 도면과 같이, 배열되는 순서에 따라 최초의 한 단위하우징(10)에 유입부(16)를 마련하고, 최후의 단위하우징(10)에 배출부(18)를 마련하면 된다. 물론, 유입부(16)와 배출부(18)의 위치와 개수는 적절하게 바뀌어도 무방하다.

도면과 같이, 5개의 단위하우징(10)을 연결하고, 유입부(16)와 배출부(18)를 하나씩 마련할 경우, 단위하우징(10)들 내의 공기가열실(10a)은 상호 연통될 필요가 있다. 그래야만 단위하우징(10)들 내의 공기가열실(10a) 내에서 가열 완료된 더운 공기를 한데 합쳐 난방이나 온수로 활용하기에 좋다.

이를 위해, 본 실시예의 경우, 단위하우징(10)들이 상호 접하는 접촉벽면(12)에는 단위하우징(10)들의 공기가열실(10a)들을 상호 연통시키는 연통공(14)이 형성되어 있다. 연통공(14)들을 통해 단위하우징(10)들 내의 공기가열실(10a) 내에서 가열된 더운 공기들은 배출부(18) 측으로 향할 수 있다.

연통공(14)은 어떠한 위치에 마련되어도 좋으나, 본 실시예의 경우, 연통공(14)들은 각 단위하우징(10)의 접촉벽면(12)들에 대해 지그재그식으로 배열되도록 하고 있다. 이러한 경우, 공기가 상호 충돌하여 와류가 발생하지 않으면서 공기가 원활하게 흐르는 현상을 기대할 수 있다.

제3실시예와 같을 경우, 전술한 실시예들에 비해 적은 시간에 보다 많이 가열된 공기를 얻을 수 있어 난방 및 온수를 형성하는데 보다 효율적일 것임에 틀림이 없다.

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 태양열을 이용한 난방시스템의 개략적인 종단면도이다.

전술한 실시예들에서는 그 설명을 생략하고 있지만, 유입부(16), 공기가열실(10a) 및 배출부(18)로 향하는 공기의 순환을 위해, 유입부(16) 측에는 유입팬(16a)을, 배출부(18) 측에는 배출팬(18a)을 더 장착할 수도 있다.

물론, 유입팬(16a) 및 배출팬(18a)은 별도의 제어부를 통해 그 동작이 선택적으로 제어될 필요가 있다.

이상 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하였지만 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

전술한 실시예에서는 단위하우징이 독립적인 물품처럼 도시되어 있지만, 단위하우징은 일정한 공간이어도 무방하다. 예를 들어, 주택의 천정 등과 같은 공간을 단위하우징으로 간주해도 무방한 것이다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간단한 구조를 가지면서도 난방 및 온수 효율은 오히려 종래보다 향상될 수 있으며, 축조 비용이나 유지보수 비용 등을 현저하게 낮출 수 있기 때문에 상용화하기에 충분하고, 장소와 용도에 제약 없이 널리 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 내벽면 중 적어도 어느 일면에는 반사판이 마련되고, 내부에 공기가열실이 형성되어 있는 단위하우징과, 상기 단위하우징의 일측에 마련되어 상기 공기가열실로 외부 공기를 유입하는 유입부와, 상기 단위하우징의 타측에 마련되어 상기 공기가열실에서 가열된 공기를 배출하는 배출부와, 상기 단위하우징의 어느 일면에 마련되어 태양광을 집광하는 복수의 볼록렌즈와, 상기 단위하우징 내의 공기가열실에 마련되되, 상기 볼록렌즈들에 의해 태양광의 초점이 맞춰지는 거리에 배치되며, 상기 볼록렌즈들에 의해 집광된 태양열에 의해 가열되어 상기 공기가열실 내의 공기를 가열하는 동판으로 이루어진 가열판을 포함하는 태양열을 이용한 난방시스템에 있어서,

   상기 단위하우징의 외부에 마련되어 상기 단위하우징을 수용하는 외부하우징을 더 포함하며,

   상기 볼록렌즈들과 인접한 상기 외부하우징의 상면에는 투명판이 마련되고, 상기 외부하우징의 측벽들과 상기 단위하우징의 측벽들 사이에는 단열재가 개재되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 단위하우징은 상기 외부하우징 내에 수용된 상태에서 측방향을 따라 복수개로 마련되며, 상기 단위하우징들이 상호 접하는 접촉벽면에는 상기 단위하우징들의 공기가열실들을 상호 연통시키는 연통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 단위하우징들이 측방향으로 결합되어 형성되는 상기 연통공들은 지그재그식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 단위하우징들이 측방향으로 결합될 때, 상기 유입부는 어느 한 단위하 우징에 형성되고, 상기 배출부는 다른 한 단위하우징에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방시스템.

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