KR100945855B1 - 수평다관식 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평다관식 태양열 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내측면에 보온재가 설치되는 사각함체형상의 케이스가 구비되며 상기 케이스의 내측면에 설치된 보온재의 표면에는 태양열반사판이 설치되고 상기 케이스의 내부에는 양단부가 폐쇄된 열매체순환관과 양단부가 개방된 열매체유출입관사이에 다수의 집열용 동관이 수평방향으로 평행하게 설치되도록 구성된 수평다관식 집열관이 고정설치되며 상기 수평다관식 집열관의 열매체유출입관의 중단부에는 다수의 집열용 동관의 내부에 U자형 유로를 형성하기 위한 유로형성용 격판이 고정설치되고 상기 케이스의 상부에는 케이스의 내부에 공기층을 형성하게 되는 강화유리판이 설치되도록 구성함으로써, 수평다관식 집열관의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로를 형성하는 다수의 집열용 동관을 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 집중가열되게 하여 집열효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로서 설치장소에 제약을 받지 않고 건물의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있도록 하는 수평다관식 태양열 집열장치에 관한 것이다.

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Description

수평다관식 태양열 집열장치{Horizontal multi-tube type solar collector}

본 발명은 수평다관식 태양열 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평다관식 집열관의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로를 형성하는 다수의 집열용 동관을 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 집중가열되도록 함으로써 집열효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로서 설치장소에 제약을 받지 않고 건물의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있도록 하는 수평다관식 태양열 집열장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양 에너지는 지구의 기후에 힘을 주고 생물의 생명을 지탱시켜 주는 태양으로부터의 열과 빛 형태의 복사 에너지를 말하는데, 이러한 태양에너지는 각종 에너지원 중에서 가장 풍부한 에너지로서 가열·냉각·발전 등의 에너지원으로 활용되고 있다.

이러한 태양에너지를 난방 등의 에너지원으로 이용하고자 하는 종래의 태양열 집열장치들은 주로 태양열을 이용하여 물이나 열매체의 온도를 상승시킨 후 이 를 순환시키도록 구성되는데, 이와 같이 태양열을 이용하여 물이나 열매체를 가열한 후 이를 순환시켜 난방에 활용하도록 하는 종래의 태양열 집열장치들은 밀폐상태를 유지하면서 물이나 열매체를 순환시킬 수 있도록 하는 장치를 비롯하여 여러 장치들이 구비되어야 하므로 구조가 매우 복잡하고 설비비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

아울러, 이와 같이 물이나 열매체를 가열시켜 에너지로 활용하고자 하는 장치들은 물이나 열매체가 충진되는 판넬의 내부에서 발생된 가스에 의해 유속이 감소하여 불균일한 흐름이 발생하거나 압력강하 등이 발생하여 유체의 순환이 저하되어 유체의 순환용량이 감소됨에 따라 효율성이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 태양열 집열장치들은 대부분 집열관내부에 충진되는 물이나 열매체가 대류현상에 의해 순환될 수 있도록 집열관이 수직방향으로 설치되도록 구성되어 있는데, 이와 같이 집열관이 수직방향으로 설치되도록 구성된 종래의 태양열 집열장치들은 세로로 길게 제작됨에 따라 시공을 위한 충분한 높이가 확보되는 건물의 옥상이나 단독주택의 지붕에는 설치가 가능하지만, 아파트의 베란다 등과 같이 시공을 위한 충분한 높이가 확보되지 못한 곳에는 설치가 불가능하게 되므로 설치장소에 제약을 받게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 아파트의 보급이 확대됨에 따라 건물의 옥상이나 주택의 지붕 뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있는 컴팩트한 구조의 태양열 집열장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내측면에 보온재가 설치되는 사각함체형상의 케이스가 구비되며 상기 케이스의 내측면에 설치된 보온재의 표면에는 태양열반사판이 설치되고 상기 케이스의 내부에는 양단부가 폐쇄된 열매체순환관과 양단부가 개방된 열매체유출입관사이에 다수의 집열용 동관이 수평방향으로 평행하게 설치되도록 구성된 수평다관식 집열관이 고정설치되며 상기 수평다관식 집열관의 열매체유출입관의 중단부에는 다수의 집열용 동관의 내부에 U자형 유로를 형성하기 위한 유로형성용 격판이 고정설치되고 상기 케이스의 상부에는 케이스의 내부에 공기층을 형성하게 되는 강화유리판이 설치되도록 구성함으로써, 수평다관식 집열관의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로를 형성하는 다수의 집열용 동관을 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 집중가열되게 하여 집열효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로서 설치장소에 제약을 받지 않고 건물의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 내측면에 보온재가 설치되는 사각함체형상의 케이스가 구비되며, 상기 케이스의 내부에는 열매체가 충진되는 집열관이 설치되고, 상기 케이스의 상부에는 케이스의 내부에 공기층을 형성하게 되는 저철분 강화유리판이 설치되는 것에 있어서, 상기 케이스의 내측면에 설치된 보온재의 표면에는 알루미늄 박판의 태양열반사판이 설치되고, 상기 집열관은 열매체순환관과 열매체유출입관 사이에 다수의 집열용 동관이 수평방향으로 평행하게 설치되는 수평다관식 집열관으로 이루어지고, 상기 수평다관식 집열관의 표면에는 블랙크롬, 블랙니켈, 산화동 중에서 택일된 태양열 선택적흡수막이 코팅 형성되고, 상기 수평다관식 집열관의 열매체유출입관의 중단부에는 다수의 집열용 동관의 내부에 U자형 유로를 형성하기 위한 유로형성용 격판이 고정설치되며, 상기 수평다관식 집열관의 내부에 충진되는 열매체는 30 ~ 60중량%의 프로필렌글리콜과 40 ~ 70중량%의 물이 혼합된 것을 특징으로 한다.

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상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치는 수평다관식 집열관의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로를 형성하는 다수의 집열용 동관을 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 집중가열되므로써 집열효율을 대폭 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로서 설치장소에 제약을 받지 않고 건물 의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있게 되는 효과가 있다.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치의 사용상태를 나타내는 설명도이며, 도 2는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치의 구성을 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A선 단면도이며, 도 4는 도 1의 B-B선 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치내부의 열매체 순환과정을 나타내는 설명도이다.

본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치는 도 1 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 내측면에 보온재(3)가 설치되는 사각함체형상의 케이스(2)가 구비된다.

이 때, 상기 케이스(2)는 취급 및 설치가 용이하도록 3 ~ 4mm의 두께를 가지는 알루미늄재질로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 케이스(2)의 내측면에 설치되는 보온재(3)로는 건축용 단열재로 널리 사용되고 있는 그라스울이나 경질우레탄 보온단열재가 사용되는데, 그라스울을 사용할 경우에는 두께를 50mm정도로 두껍게 형성해야만 소정의 보온효과를 거둘 수 있는 반면, 경질우레탄 보온단열재를 사용할 경우에는 그라스울의 절반인 25mm정도의 두께로 형성하더라도 소정의 보온효과를 거둘 수 있게 될 뿐만 아니라 열전도 차단은 물론 복사열까지 차단할 수 있는 복사열차단기능, 내열 및 난연기능, 차음기능, 방습층기능을 갖출 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의한 태양열 집열장치(1)를 더욱 더 컴팩트하고 슬림하게 구성하기 위해서는 경질우레탄 보온단열재를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 케이스(2)의 내측면에 설치된 보온재(3)의 표면에는 태양열반사판(4)이 설치되는데, 이 태양열반사판(4)으로는 80㎛정도의 두께를 가지는 알루미늄 박판을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 태양열반사판(4)은 수평다관식 집열관(5)을 통과한 태양광을 반사시켜 수평다관식 집열관(5)의 후면부를 가열하도록 함으로써 집열효율을 더욱 더 향상시키는 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 케이스(2)의 내부에는 양단부가 폐쇄된 열매체순환관(6)과 양단부가 개방된 열매체유출입관(7)사이에 다수의 집열용 동관(8)이 수평방향으로 평행하게 설치되도록 구성된 수평다관식 집열관(5)이 고정설치된다.

그리고, 상기 수평다관식 집열관(5)의 내부에는 태양열을 전달하기 위한 열매체가 충진되는데, 이러한 열매체로는 자동차 부동액으로 사용되는 것으로 동파방지기능, 부식방지기능, 거품방지기능이 있는 30 ~ 60중량%의 프로필렌글리콜과 40 ~ 70중량%의 물이 혼합되도록 구성된 열매체를 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 열매체를 구성하는 프로필렌글리콜과 물의 혼합비율을 프로필렌글리콜 30 ~ 60중량%, 물 40 ~ 70중량%로 한정한 이유는 프로필렌글리콜의 비율을 60중량% 이상으로 높이고 물의 비율을 40중량% 이하로 낮출 경우 제조단가의 증대 에 비해 전열효율의 증대가 미미하므로 실효성이 떨어지게 되고, 프로필렌글리콜의 비율을 30중량% 이하로 낮추고 물의 비율을 70중량% 이상으로 높힐 경우에는 부식방지기능이 떨어져 집열관의 내구성이 현저히 저하되기 때문이다.

그리고, 상기 수평다관식 집열관(5)의 표면에는 도 3과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 태양열 선택적흡수막(5a)을 코팅 형성하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 수평다관식 집열관(5)의 표면에 코팅 형성되는 태양열 선택적흡수막(5a)은 태양에너지의 효과적인 광열변환(photothermal conversion)을 유도하여 집열관표면의 태양스펙트럼 흡수기능을 강화하고 재방사에 의한 열적 손실을 최소화하여 95%에 이르는 높은 흡수율과 5%의 낮은 방사율을 확보하는 역할을 하게 되는데, 이러한 태양열 선택적흡수막(5a)으로는 적외선 방사율이 10%미만인 블랙크롬, 블랙니켈, 산화동 등이 사용된다.

참고로, 태양광 중 적외선 부분의 파장은 금속이나 다른 물체에 흡수되면 진동 운동을 일으켜 열을 발생시키게 된다. 따라서 태양열 이용기술의 핵심 관건은 태양광 파장의 빛에 대한 흡수율을 높이는 동시에 적외선 부분의 파장이 방사하여 나가지 못하도록 표면을 특수한 방법으로 가공하는 데에 있다.

일반적으로 금속표면에 블랙크롬, 블랙니켓, 산화동 등을 코팅하여 적외선 방사율이 10%미만으로 만든 것을 선택적흡수막이라고 하며, 특수한 도료를 도포하여 적외선 방사율을 10 ~ 30% 수준으로 만든 것을 반선택적 흡수막이라고 하고, 일반 검정페인트를 도포하여 적외선 방사율을 50%이상으로 만든 것을 일반 흡수막이라고 한다.

그리고, 상기 수평다관식 집열관(5)을 구성하는 다수의 집열용 동관(8)으로는 열전달 효과가 크고, 내부에 사용하는 열매체에 대한 내부식능력이 강하며, 연성이 우수한 직경 8mm, 두께 0.76mm의 동관을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 수평다관식 집열관(5)의 열매체유출입관(7)의 중단부에는 유로형성용 격판(7a)이 고정설치된다.

이 때, 상기 수평다관식 집열관(5)의 열매체유출입관(7)의 중단부에 고정설치되는 유로형성용 격판(7a)은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 다수의 집열용 동관(8)의 내부에 U자형 유로(5b)를 형성하기 위한 것으로, 이와 같이 유로형성용 격판(7a)에 의해 다수의 집열용 동관(8)의 내부에 U자형 유로(5b)가 형성되면 상기 수평다관식 집열관(5)의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로(5b)를 통과하면서 보다 긴 시간에 걸쳐 다수의 집열용 동관(8)과 접촉할 수 있게 되므로 집열효율을 더욱 더 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 상기 케이스(2)의 상부에는 케이스(2)의 내부에 공기층(9)을 형성하게 되는 강화유리판(10)이 설치된다.

이 때, 상기 강화유리판(10)으로는 유리에 포함된 불순물인 철분의 함량을 저감시켜 태양광 투과율을 향상시킨 저철분 강화유리판을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 강화유리판(10)으로 사용되는 저철분 강화유리판은 철분함량을 150ppm이하로 저감시킨 저철분 유리를 열로 강화처리함으로써 태양광의 투과율 및 집광을 최대화하고 반사율을 최소화시키는 동시에 일반유리의 2.5배에 달하는 강도를 가지 도록 제작된 것으로, 태양광 발전모듈판넬의 기판으로 주로 사용되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치의 작용관계를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치는 컴팩트한 구조로 이루어져 설치장소에 제약을 받지 않고 건물의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치(1)를 건물의 옥상이나 주택의 지붕 또는 아파트의 베란다 등에 설치한 후에는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 케이스(2)의 외측으로 돌출되는 열매체유출입관(7)의 양단부에 열매체순환용 배관(20)을 연결하게 되는데, 열매체유출입관(7)의 상단부, 즉 열매체가 유출되는 부분에 연결되는 배관(20)은 온수가 저장되는 축열조(23)의 내부에 설치된 코일형 열교환부(21)의 일단부에 연결되고, 열매체유출입관(7)의 하단부, 즉 열매체가 유입되는 부분에 연결되는 배관(20)은 순환펌프(22)를 개재한 상태로 코일형 열교환부(21)의 타단부에 연결된다.

이어서, 상기 수평다관식 태양열 집열장치(1)와 축열조(23)사이에 연결된 배관(20)의 일측에 설치되는 밸브(미도시)를 통해 수평다관식 태양열 집열장치(1)의 내부에 설치된 수평다관식 집열관(5)과 배관(20) 및 코일형 열교환부(21)의 내부에 열매체를 충진하게 되면 설치작업이 완료된다.

이와 같이 설치완료된 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치(1)에 태양광이 비치게 되면, 태양의 복사열에 의해 태양열 집열장치(1)의 케이스(2)의 내 부에 설치된 수평다관식 집열관(5)이 가열되기 시작하게 된다.

이 때, 상기 케이스(2)의 내부에 설치된 수평다관식 집열관(5)은 열매체순환관(6)과 열매체유출입관(7)사이에 수평방향으로 설치된 다수의 집열용 동관(8)이 태양으로부터 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 직접적으로 집중가열됨으로써 더욱 더 효율적으로 가열될 수 있게 된다.

그리고, 상기 수평다관식 집열관(5)은 표면에 코팅 형성된 태양열 선택적흡수막(5a)에 의해 태양광 흡수율이 증대되는 동시에 적외선 방사율이 현저히 낮아지게 됨으로써 더욱 더 효율적으로 가열될 수 있게 된다.

아울러, 상기 수평다관식 집열관(5)은 케이스(2)의 내측면에 설치된 보온재(3)와 케이스(2)의 상부에 설치된 강화유리판(10)에 의해 케이스(2)의 내부에 형성되는 공기층(9)에 의해 보온상태가 유지됨에 따라 더욱 더 효율적으로 가열될 수 있게 된다.

이와 같이 태양의 복사열에 의해 태양열 집열장치(1)의 케이스(2)의 내부에 설치된 수평다관식 집열관(5)이 가열되기 시작할 때 순환펌프(22)에 전원을 공급하여 가동시키게 되면, 수평다관식 태양열 집열장치(1)의 내부에 설치된 수평다관식 집열관(5)과 배관(20) 및 코일형 열교환부(21)의 내부에 충진된 열매체가 순환하게 되는데, 이때 상기 열매체는 다수의 집열용 동관(8)의 내부에 형성되는 U자형 유로(5b)를 통과하면서 태양열에 의해 1, 2차에 걸쳐 가열된다.

즉, 상기 열매체는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 유로형성용 격판(7a)에 의해 중단부가 폐쇄된 열매체유출입관(7)의 하부로 유입되어 수평다관식 집열관(5) 의 하부에 수평방향으로 배치된 복수개의 집열용 동관(8)을 통해 열매체순환관(6)으로 이동하면서 1차적으로 가열된 후, 수평다관식 집열관(5)의 상부에 수평방향으로 배치된 복수개의 집열용 동관(8)을 통해 유로형성용 격판(7a)에 의해 중단부가 폐쇄된 열매체유출입관(7)의 상부로 이동하면서 2차적으로 가열된다.

이와 같이 상기 수평다관식 집열관(5)을 통과하는 열매체는 U자형 유로(5b)를 형성하는 다수의 집열용 동관(8)을 1, 2차에 걸쳐 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 보다 긴시간에 걸쳐 가열되므로 더욱 더 높은 온도로 가열될 수 있게 된다.

이어서, 상기 수평다관식 집열관(5)을 통과하면서 높은 온도로 가열된 열매체는 배관(20)을 거쳐 축열조(23)의 내부에 설치된 코일형 열교환부(21)로 이동하여 축열조(23)의 내부에 저장된 물에 열을 전달한 후 순환펌프(22)를 거쳐 태양열 집열장치(1)의 수평다관식 집열관(5)으로 다시 유입되면서 순환을 반복하게 된다.

이와 같이 상기 열매체의 순환에 따라 축열조(23)의 내부에 저장된 물이 일정한 온도이상으로 가열되면, 축열조(23)의 온수를 직접 인출하여 사용하거나, 난방배관을 통해 순환시켜 실내공간을 난방시키는 데 사용할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치는 수평다관식 집열관(5)의 내부에 충진되는 열매체가 U자형 유로(5b)를 형성하는 다수의 집열용 동관(8)을 수평방향으로 통과하면서 태양으로부터 직접 조사되는 태양열과 태양열반사판에 의해 반사된 태양열에 의해 집중가열되므로써 집열효율을 대폭 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로서 설치장소에 제약을 받지 않고 건물의 옥상이나 주택의 지붕뿐만 아니라 아파트의 베란다 등과 같이 설치면적이 좁은 장소에도 용이하게 설치할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치의 사용상태를 나타내는 설명도.

도 2는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치의 구성을 나타내는 분해 사시도.

도 3은 도 1의 A-A선 단면도.

도 4는 도 1의 B-B선 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 수평다관식 태양열 집열장치내부의 열매체 순환과정을 나타내는 설명도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 태양열 집열장치 2 : 케이스

3 : 보온재 4 : 태양열반사판

5 : 수평다관식 집열관 5a : 태양열 선택적흡수막

5b : U자형 유로 6 : 열매체순환관

7 : 열매체유출입관 8 : 집열용 동관

9 : 공기층 10 : 강화유리판

Claims (5)

1. 내측면에 보온재(3)가 설치되는 사각함체형상의 케이스(2)가 구비되며,

   상기 케이스(2)의 내부에는 열매체가 충진되는 집열관이 설치되고,

   상기 케이스(2)의 상부에는 케이스(2)의 내부에 공기층(9)을 형성하게 되는 저철분 강화유리판(10)이 설치되는 것에 있어서,

   상기 케이스(2)의 내측면에 설치된 보온재(3)의 표면에는 알루미늄 박판의 태양열반사판(4)이 설치되고,

   상기 집열관은 열매체순환관(6)과 열매체유출입관(7)사이에 다수의 집열용 동관(8)이 수평방향으로 평행하게 설치되는 수평다관식 집열관(5)으로 이루어지고,

   상기 수평다관식 집열관(5)의 표면에는 블랙크롬, 블랙니켈, 산화동 중에서 택일된 태양열 선택적흡수막(5a)이 코팅 형성되고, 상기 수평다관식 집열관(5)의 열매체유출입관(7)의 중단부에는 다수의 집열용 동관(8)의 내부에 U자형 유로(5b)를 형성하기 위한 유로형성용 격판(7a)이 고정설치되며,

   상기 수평다관식 집열관(5)의 내부에 충진되는 열매체는 30 ~ 60중량%의 프로필렌글리콜과 40 ~ 70중량%의 물이 혼합된 것을 특징으로 하는 수평다관식 태양열 집열장치.
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