KR101250466B1

KR101250466B1 - 변유량 태양열 집열 제어장치 및 이를 이용한 제어방법

Info

Publication number: KR101250466B1
Application number: KR1020110039329A
Authority: KR
Inventors: 이태원; 김용기
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-04-12
Also published as: KR20120121487A

Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 집열제어장치에 관한 것으로서, 태양광을 받아 열을 발생시키는 태양열집열기(100); 상기 태양열집열기(100)와 순환배관으로 연결되고, 상기 태양열집열기(100)에서 발생한 열을 전달받아 저장하는 태양열축열조(200); 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되는 집열기순환펌프(400); 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며, 개도에 따라 유량이 비례적으로 가변되는 비례제어밸브(500); 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며 상기 태양열축열조(200) 내부에 위치하는 집열열교환기(300); 및, 상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하고, 상기 집열기순환펌프(400)의 작동여부와 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 변유량차온제어부(900);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

변유량 태양열 집열 제어장치 및 이를 이용한 제어방법{Variable Flow Rate Solar Energy Collector Control System and Control Method using thereof}

본 발명은 태양열집열기, 태양열축열조, 비례제어밸브, 변유량차온제어부를 포함하여 구성된 태양열 집열 제어장치에 관한 것이다.

기존의 태양열 제어장치는 도1에 도시된 바와 같이 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)의 차에 따라 집열기순환펌프(400)의 기동과 정지를 반복하며 순환매체(열매체)의 유량을 일정하게 유지하는 정유량 개폐제어방법을 채택하고 있다.

이 경우 일출 후나 일몰 전 또는 일사량이 적은 시기에는 집열기능이 정지되어 하루 중 집열시간이 감소하고 이에 따라 집열 및 축열량도 감소하게 된다.

또한 이 기간 동안의 집열을 위해서는 집열을 위한 순환매체 유량을 일정 수준 이상 증가시킬 수 없고, 이에 따라 일사량이 큰 시기로 집열률이 제한되며, 결국 동일한 일사조건에서 집열량이 감소되는 결과가 초래되는 문제점이 있다.

다시 말하면 종래의 태양열 제어장치는 정유량 및 상대적으로 적은 유량으로 인해 태양열집열기(100)의 온도가 증가하고 차가운 대기온도와 집열부의 온도차가 커져 열손실이 증가하여 집열량 및 집열효율 감소 결과를 초래하는 것이다.

또한 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)의 차온을 작게 설정할 경우에는 일사량이 적은(임계) 시기에 집열기순환펌프(400)는 잦은 기동과 정지를 반복하게 되고, 너무 크게 설정할 경우에는 일사량이 적은 시기에 집열기능이 정지하게 됨에 따라 적절한 차온을 설정하기가 어려운 문제점도 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같다.

첫째, 변유량 제어장치 및 방법을 채택하여 일사량이 적은 시기에 집열시간을 늘려 집열량을 증대시키는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

둘째, 순환매체 설계유량의 증대로 일사량이 큰 시기에 태양열집열기(100)에서 대기로 방출되는 열손실을 감소시키고 집열량을 늘려 시스템의 집열효율을 증대시킴을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

셋째, 일사량의 변화에 따른 집열기순환펌프(400)의 기동과 정지 반복을 최소화하여 시스템의 안정성을 향상시킴을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

넷째, 동일한 기후조건 및 시스템 용량 조건 하에서 집열량과 집열효율을 증가시켜 경제성을 향상함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명은 태양열을 이용한 집열제어장치에 관한 것으로서, 태양광을 받아 열을 발생시키는 태양열집열기(100); 상기 태양열집열기(100)와 순환배관으로 연결되고, 상기 태양열집열기(100)에서 발생한 열을 순환배관을 순환하는 순환매체로부터 전달받아 저장하는 태양열축열조(200); 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되는 집열기순환펌프(400); 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며, 개도에 따라 유량이 비례적으로 가변되는 비례제어밸브(500); 상기 상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며 상기 태양열축열조(200) 내부에 위치하는 집열열교환기(300); 및, 상기 태양열집열기(100) 출구온도(Tco)와 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하고, 상기 집열기순환펌프(400)의 작동여부와 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 변유량차온제어부(900);를 포함하여 구성된다.

본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.

첫째, 변유량 제어장치 및 방법을 채택하여 일사량이 적은 시기에 집열시간을 늘려 집열량을 증대시킬 수 있다.

둘째, 순환매체 설계유량의 증대로 일사량이 큰 시기에 태양열집열기(100)에서 대기로 방출되는 열손실을 감소시키고 집열량을 늘려 시스템의 집열효율을 증대시킬 수 있다. 정유량 제어시스템의 경우 집열시간도 최대한 늘려야하므로 일사량이 많은 시기만을 고려하여 설계유량을 정할 수 없어 변유량 제어장치에 비하여 최대 설계유량이 작아질 수 밖에 없다.

셋째, 일사량의 변화에 따른 집열기순환펌프(400)의 기동과 정지 반복을 최소화하여 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.

넷째, 동일한 기후조건 및 시스템 용량 조건 하에서 집열량과 집열효율을 증가시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.

도1은 종래의 태양열 시스템을 도시하는 구성도이다.
도2는 본 발명의 구체적 실시예의 전체 구성을 도시하는 구성도이다.
도3은 본 발명의 다른 구체적 실시예의 전체 구성을 도시하는 구성도이다.
도4는 본 발명의 또 다른 구체적 실시예의 전체 구성을 도시하는 구성도이다.
도5는 종래의 태양열 시스템의 집열시간, 일사시간 및 집열량을 도시하는 그래프이다.
도6은 본 발명의 집열시간, 일사시간 및 집열량을 도시하는 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 구체적 실시예의 전체 구성을 도시하는 구성도이다.

태양열집열기(100)는 태양열(태양의 일사량)을 이용하여 열을 발생시키는 기능을 하는데, 일반적인 태양열집열기(100) 가운데 적정 규격과 종류를 선택하면 된다.

태양열축열조(200)는 일반적인 축열조와 유사한 구조를 가지며 태양열집열기(100)와 순환배관으로 연결된다.

태양열축열조(200)는 태양열집열기(100)에서 발생한 열을 전달받아 저장하는 역할을 하는데, 태양열집열기(100)와 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며 태양열축열조(200) 내부에 위치하는 집열열교환기(300)을 통하여 순환배관을 순환하는 열매체와 태양열축열조(200) 내부의 열매체 사이에 열전달이 이루어진다.

이러한 태양열축열조(200)는 도2에 도시된 바와 같이 급탕 온수 및/또는 난방 공급수의 열원 역할을 하게 된다.

집열기순환펌프(400)는 태양열집열기(100)와 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되어 순환배관 내부를 순환하는 열매체의 이송 동력을 제공하는 역할을 한다. 즉 집열기순환펌프(400)가 기동(작동)하면 열매체의 순환(이송)이 이루어지게 된다.

비례제어밸브(500)는 태양열집열기(100)와 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되는데, 일반적인 개폐식 밸브와는 달리 밸브의 개도가 조절되며 이러한 밸브의 개도 변화에 따라 유량이 비례적으로 가변된다.

변유량차온제어부(900)는 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하고, 집열기순환펌프(400)의 작동여부와 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 콘트롤러 역할을 한다.

변유량차온제어부(900)는 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl) 및 제1설정온도차(△Tst) 사이의 관계식에 따라 집열기순환펌프(400)의 작동(기동 및 정지)을 제어하게 된다.

여기서 출구온도(Tco)란 태양열집열기(100)의 출구 측 온도를 말하고, 하부온도(Ttl)란 태양열축열조(200)의 하부 측 온도를 말한다.

제1설정온도차(△Tst)는 순환배관의 열손실을 고려하여 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하기 위하여 미리 설정된 온도차를 말한다.

변유량차온제어부(900)는,

출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제1설정온도차(△Tst)

라는 조건이 성립할 경우에 집열기순환펌프(400)를 작동(기동)시키고, 출구온도(Tco)가 하부온도와 제1설정온도차(△Tst)를 합한 값 이하가 되면 기동을 정지시킨다.

즉 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)의 차이가 순환배관의 열손실을 고려하여 일정값 이상이 되는 경우에만 열매체를 순환시켜 태양열집열기(100)에서 발생한 열이 태양열축열조(200)로 전달되도록 한다.

이러한 제1설정온도차(△Tst)은 반복 실험을 통한 경험치로 결정될 수 있는데, 변유량 제어를 제어를 하므로 기존의 차온제어방법의 경우보다 차온의 값이 작다.

변유량차온제어부(900)는 집열기순환펌프(400)가 작동되는 상태에서 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl) 및 제2설정온도차(△Top) 사이의 관계식에 따라 비례제어밸브(500)의 개도를 제어하게 된다.

제2설정온도차(△Top)는 순환배관의 열손실을 고려하여 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하기 위하여 미리 설정된 온도차를 말하는데, 제2설정온도차(△Top)는 제1설정온도차(△Tst)보다 높게 설정된다.

변유량차온제어부(900)는 ,

출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)

라는 조건이 성립할 경우에 비례제어밸브(500)의 개도를 증가시키고,

출구온도(Tco) ＜ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)

라는 조건이 성립할 경우에 비례제어밸브(500)의 개도를 감소시킨다.

즉 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl) 사이의 온도차가 순환배관의 열손실을 고려하여 일정값을 초과할 경우 유량을 증가시키고, 그 이하일 경우 유량을 감소시킨다.

유량센서(700)는 도3에 도시된 바와 같이 태양열집열기(100)와 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며, 순환배관을 순환하는 유량을 감지하여 변유량차온제어부(900)로 전달하는 기능을 수행한다.

변유량차온제어부(900)는 온도 조건에 상관없이 유량센서(700)에서 전달되는 유량이 미리 설정된 설정유량 이하인 경우 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시켜 집열기순환펌프(400)의 작동에 따른 불필요한 전력 소비를 방지할 수 있다.

본 발명의 변유량 태양열 집열 제어장치를 이용한 제어방법은 다음과 같다.

(1) 제1단계

순환배관의 열손실을 고려하여 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하기 위하여 제1설정온도차(Tst)를 설정하여 입력하는 단계이다.

이러한 제1단계에는 순환배관의 열손실을 고려하여 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하기 위하여 제2설정온도차(Top)를 설정하여 입력하는 과정이 더 포함될 수 있다.

이러한 제1단계에는 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시키는 기준값이 되는 설정유량을 입력하는 과정이 더 포함될 수 있다.

(2) 제2단계

태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하는 단계이다. 이와 같이 측정된 온도는 변유량차온제어부(900)로 전송(전달)된다.

(3) 제3단계

변유량차온제어부(900)가 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl), 제1설정온도차(△Tst)의 관계식에 따라 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하는 단계이다.

변유량차온제어부(900)는,

출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제1설정온도차(△Tst)

라는 조건이 성립할 경우에 집열기순환펌프(400)의 작동(기동)을 결정하고, 출구온도(Tco)가 하부온도와 제1설정온도차(△Tst)를 합한 값 이하가 되면 기동 정지를 결정한다.

(4) 제4단계

제3단계에서 집열기순환펌프(400)의 작동 조건에 해당하는 경우 변유량차온제어부(900)가 집열기순환펌프(400)를 작동시키는 단계이다.

이와 같이 집열기순환펌프(400)가 작동하면 순환배관 내부를 열매체가 순환하면서 태양열집열기(100)의 열이 태양열축열조(200)로 전달된다.

(5-1) 제5-1단계

제1단계에는 순환배관의 열손실을 고려하여 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하기 위하여 제2설정온도차(△Top)를 설정하여 입력하는 과정이 더 포함된 경우 변유량차온제어부(900)가 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl), 제2설정온도차(△Top)의 관계식에 따라 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하는 단계이다.

변유량차온제어부(900)는,

출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)

라는 조건이 성립할 경우에 비례제어밸브(500)의 개도 증가를 결정하고,

출구온도(Tco) ＜ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)

라는 조건이 성립할 경우에 비례제어밸브(500)의 개도 감소를 결정한다.

(5-2) 제5-2단계

제5-1단계에서 결정된 개도에 따라 변유량차온제어부(900)가 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 단계이다. 이러한 비례제어밸브(500)를 설치하지 않고 집열기순환펌프(400)에 인버터(550)를 설치하여 변유량제어를 실시할 수도 있다.

(6) 제6단계

제1단계에서 설정유량을 미리 입력한 경우 유량센서(700)에서 전달되는 유량이 제1단계에서 미리 설정된 설정유량 이하인 경우 변유량차온제어부(900)는 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시켜 불필요한 소비전력의 낭비를 방지한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 내용을 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

100:태양열집열기
200:태양열축열조
300:집열열교환기
400:집열기순환펌프
500:비례제어밸브
550:인버터
600:바이패스밸브
700:유량센서
800:정유량차온제어부
900:변유량차온제어부

Claims

태양열을 이용한 집열제어장치에 관한 것으로서,
태양광을 받아 열을 발생시키는 태양열집열기(100);
상기 태양열집열기(100)와 순환배관으로 연결되고, 상기 태양열집열기(100)에서 발생한 열을 전달받아 저장하는 태양열축열조(200);
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되는 집열기순환펌프(400);
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며, 개도에 따라 유량이 비례적으로 가변되는 비례제어밸브(500);
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며 상기 태양열축열조(200) 내부에 위치하는 집열열교환기(300); 및,
상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하고, 상기 집열기순환펌프(400)의 작동여부와 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 변유량차온제어부(900);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치.
제1항에서,
상기 변유량차온제어부(900)는,
상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco), 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl), 순환배관의 열손실을 고려하여 상기 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하기 위하여 미리 설정된 제1설정온도차(△Tst)에 따라,
출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제1설정온도차(△Tst)
인 경우에 상기 집열기순환펌프(400)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치.
제2항에서,
상기 집열기순환펌프(400)가 작동되는 상태에서,
상기 변유량차온제어부(900)는,
상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco), 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl), 순환배관의 열손실을 고려하여 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하기 위하여 미리 설정된 제2설정온도차(△Top)에 따라,
출구온도(Tco) ＞ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)
인 경우에 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 증가시키고,
출구온도(Tco) ＜ 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(△Top)
인 경우에 상기 비례제어밸브(500)의 개도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치.
제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에서,
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며, 순환배관을 순환하는 유량을 감지하여 상기 변유량차온제어부(900)로 전달하는 유량센서(700);
가 더 포함되고,
상기 변유량차온제어부(900)는 상기 유량센서(700)에서 전달되는 유량이 미리 설정된 설정유량 이하인 경우 상기 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치.
태양열을 이용한 집열제어장치에 관한 것으로서,
태양광을 받아 열을 발생시키는 태양열집열기(100);
상기 태양열집열기(100)와 순환배관으로 연결되고, 상기 태양열집열기(100)에서 발생한 열을 전달받아 저장하는 태양열축열조(200);
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되는 집열기순환펌프(400);
상기 태양열집열기(100)와 상기 태양열축열조(200)를 연결하는 순환배관에 설치되며 상기 태양열축열조(200) 내부에 위치하는 집열열교환기(300); 및,
상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하고, 상기 집열기순환펌프(400)의 작동을 제어하는 변유량차온제어부(900);
를 포함하여 구성되고,
상기 집열기순환펌프(400)는 인버터(550)가 구비되어 변유량 제어가 가능하고,
상기 변유량차온제어부(900)는,
상기 태양열집열기(100)의 출구온도(Tco), 상기 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl), 순환배관의 열손실을 고려하여 열매체의 순환유량을 결정하기 위하여 미리 설정된 제2설정온도차(Top)에 따라,
출구온도(Tco) > 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(Top)
인 경우에 상기 열매체의 순환유량을 증가시키는 방향으로 상기 집열기순환펌프(400)를 제어하고,
출구온도(Tco) < 하부온도(Ttl) + 제2설정온도차(Top)
인 경우에 상기 열매체의 순환유량을 감소시키는 방향으로 상기 집열기순환펌프(400)를 제어하는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치.
제4항에 기재된 변유량 태양열 집열 제어장치를 이용한 제어방법에 관한 것으로서,
순환배관의 열손실을 고려하여 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하기 위하여 제1설정온도차(Tst)를 설정하여 입력하는 제1단계;
태양열집열기(100)의 출구온도(Tco)와 태양열축열조(200)의 하부온도(Ttl)를 측정하는 제2단계;
변유량차온제어부(900)가 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl), 제1설정온도차(△Tst)의 관계식에 따라 집열기순환펌프(400)의 작동 여부를 결정하는 제3단계; 및,
제3단계에서 집열기순환펌프(400)의 작동 조건에 해당하는 경우 변유량차온제어부(900)가 집열기순환펌프(400)를 작동시키는 제4단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치를 이용한 제어방법.
제6항에서,
제1단계에는 순환배관의 열손실을 고려하여 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하기 위하여 제2설정온도차(△Top)를 설정하여 입력하는 과정이 더 포함되고,
변유량차온제어부(900)가 출구온도(Tco), 하부온도(Ttl), 제2설정온도차(△Top)의 관계식에 따라 비례제어밸브(500)의 개도를 결정하는 제5-1단계; 및,
제5-1단계에서 결정된 개도에 따라 변유량차온제어부(900)가 비례제어밸브(500)의 개도를 조절하는 제5-2단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치를 이용한 제어방법.
제7항에서,
제1단계에는 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시키는 기준값이 되는 설정유량을 입력하는 과정이 더 포함되고,
유량센서(700)에서 전달되는 유량이 미리 설정된 설정유량 이하인 경우 변유량차온제어부(900)는 집열기순환펌프(400)의 작동을 정지시키는 제6단계;
가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 변유량 태양열 집열 제어장치를 이용한 제어방법.